CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINÚA UTILIZANDO LABVIEW Y NIDAQ – 6009

Alberto Bardalez Arica ing_bardalez@ieee.org

EL primer paso para el diseño y aplicación de algoritmos de control, es el tener un buen modelo de la planta (motor DC). Por lo que para acondicionar los circuitos para obtenerlo, se le hicieron pruebas de campo que consistieron en aplicarle valores de voltaje desde 1 hasta 10 volts. Midiendo con el osciloscopio la frecuencia de la señal suministrada por el tacogenerador y las revoluciones por segundo que proporciona un sensor óptico. Con estos valores obtenidos, se utilizó el circuito integrado LM2907 (convertidor de frecuencia a voltaje), para adecuar la señal para la tarjeta de adquisición de datos. Para esto se le hicieron los cálculos de sus componentes para que suministrara un voltaje de salida de 3.3 V a la máxima frecuencia obtenida, que corresponde a una velocidad media del motor y voltaje máximo permitido a la entrada analógica de la tarjeta. Los datos capturados por la tarjeta se procesan utilizando el programa Labview que nos permite verlos en forma grafica o en un archivo tipo texto, además de poder programar los algoritmos de control. Finalmente se diseño el controlador y se realizaron las pruebas para ver su funcionamiento. Para el desarrollo del proyecto se seguirá el siguiente esquema

Ploteo de la data adquirida experimentalmente del motor es la que se muestra continuación

Esta es la respuesta de la planta en lazo abierto, para poder realizar el control debemos identificar los parámetros y hacer el reconocimiento respectivo para hallar la función transferencia del sistema, para esto diseñamos un medio de reconocimiento de data, el mismo en el programa MATLAB, siendo los siguientes los resultados

Como podemos ver nuestra señal identificada de respuesta al escalón unitario es muy similar a la hallada experimentalmente,

Una vez identificada la planta procedemos al rediseño del controlador PID mediante las leyes de Ziegler-Nichols , para lo cual utilizamos un algoritmo escrito en Matlab que nos dará los resultados de nuestras ganancias requeridas: Kp, Ki, Kd. A continuación mostramos las tablas correspondientes al rediseño PID por Ziegler-Nichols.

Una vez implementado el planteamiento en Matlab estos son los resultados:

Como apreciamos en las figuras obtenemos una mejor respuesta al escalón con el control implementado; a la derecha podemos observar la función transferencia del controlador PID y del sistema realimentado completo. Con sus respectivas ganancias:

Ahora para verificar nuestros resultados vamos a Labview donde realizaremos la simulación respectiva, del sistema identificado y controlado.

Conjuntamente con nuestra planta el diagrama de bloques a escribir en Labview sería el siguiente

Como podemos apreciar en nuestro sistema existe un saturador este dispositivo nos permite realizar el control en el rango permitido por la NIDAQ que es de 0 a 5 voltios en la salida analógica para lo cual este ha sido restringido. Al correr la simulación obtendríamos lo mostrado en la siguiente figura:

Como vemos la simulación Corre según lo predicho en el algoritmo de Matlab, ahora procedemos a realizar la implementación en físico, para esto necesitamos de los siguientes drivers para la etapa de potencia Circuito convertidor de frecuencia – voltaje

La etapa de potencia se diseño teniendo las siguientes consideraciones: La velocidad máxima del motor estará dada por la polarización a 10 voltios, siendo la respuesta del convertidor de frecuencia a voltaje aproximadamente de 3 voltios. El circuito mostrado es muy sencillo su funciona es convertir la frecuencia de la onda generada por el encoder del motor, en una señal de voltaje continuo, la misma que nos servirá como señal de salida o realimentación del proceso, Circuito amplificador de voltaje y de corriente Para suministrar la corriente y voltaje adecuado al motor se pone entre la salida del amplificador y el lazo de retroalimentación un amplificador de alta ganancia de corriente Darlington formado con los transistores de potencia TIP31C y TIP35C

Circuito interno del convertidor de frecuencia.

Transistores de potencia Se le llama transistor de potencia al transistor que tiene una intensidad grande (IC grande), lo que corresponde a una potencia mayor de 0,5 W. En este tipo de transistores la bcc que se puede obtener en su fabricación suele ser bastante menor que en los de baja potencia El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente. Está compuesto internamente por dos transistores que se conectan es cascada. El transistor T1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor T2. La ecuación de ganancia de un transistor típico es: IE= β x IB (Corriente de colector es igual a beta por la corriente de base). Entonces analizando el gráfico: - Ecuación del primer transistor es: IE1 = β1 x IB1…. (1) - Ecuación del segundo transistor es: IE2 = β2 x IB2…. (2) Observando el gráfico, la corriente de emisor del transistor (T1) es la misma que la corriente de base del transistor T2. Entonces IE1 = IB2…. (3)

El transistor común con la identificación de las patillas

Transistor Darlington con la identificación de las

patillas y su estructura interna Entonces utilizando la ecuación (2) y la ecuación (3) se obtiene:

IE2 = β2 x IB2 = β2 x IE1

Reemplazando en la ecuación anterior el valor de IE1 se obtiene la ecuación final de ganancia del transistor Darlington.

IE2 = β2 x β1 x IB1

Como se puede deducir, este amplificador tiene una ganancia mucho mayor que la de un transistor corriente, pues aprovecha la ganancia de los dos transistores. (Las ganancias se multiplican). Si se tuvieran dos transistores con ganancia 100 (β = 100) conectados como un transistor Darlington y se utilizara la fórmula anterior, la ganancia sería, en teoría:

β2 x β1 = 100 x 100 = 10000.

Como se ve es una ganancia muy grande. En la realidad la ganancia es menor. Se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes con corrientes muy pequeñas. Muy importante: La caída de tensión entre la base y el emisor del transistor Darlington es 1.4 voltios que resulta de la suma de las caídas de tensión de base a emisor del primer transistor B1 a E1 (0.7 voltios) y base a emisor del segundo transistor B2 y E2 (0.7 voltios). CONCLUSIONES El desempeño del motor, logrado al aplicarle los algoritmos de control fue satisfactorio. Además el uso de la tarjeta NIDAQ – 6009 y el programa Labview facilitan en gran medida el diseño de controladores para diversos comportamientos, y permiten tener un control flexible ya que podemos realizar cualquier modificación a los valores de las ganancias de los Controladores en la ventana del programa principal sin modificar otros módulos de este como se muestra.