Informe 1.Control
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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES “Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto” CONTROL DE POSICIÓN ANGULAR DE UN MOTOR DC Lorena Andrea Gómez Sánchez, Luz Quintero Sanguino, Jaime Enrique Rivera Cuadros. Presentado a: Julio Flórez Resumen: En este informe se puede observar el desarrollo para hacer el control de posición angular de un motor DC, mediante control PID, este es un control por realimentación el cual corrige el error entre un valor medido y el valor deseado. Este control se podrá observar por etapas, las cuales llevan su respectivo análisis y se concluirá también el movimiento rotacional del motor acoplado al potenciómetro P2 de forma que exista una relación lineal cuando se mueve el potenciómetro P1. Palabras clave: Amplificador operacional, transistores, PID. INTRODUCCION: El control automático es de gran importancia en procesos industriales, así abarcando varios campos como el de manufactura, aplicaciones robóticas, procesos biológicos, entre otros. Un sistema de control se determina básicamente como la interconexión de elementos los cuales permiten efectuar una determinada operación; se analiza por etapas de manera individual todos los procesos. Una de las aplicaciones de control análogo es el posicionamiento angular de motores de corriente directa. OBJETIVOS: Controlar la posición angular del eje del moto usando diferentes valores de ganancia Conceptualizar los diferentes bloques definidos en un sistema de control típico. Adquirir y medir la evolución de la señal por los diferentes bloques del sistema. MATERIALES 1 motor DC de 12 volts . 2 potenciometros de 50 k. 3 amplificadores operacionales TLE2144. transistores TIP41c Y TIP42c. resitencias de 39 k ,270k y 1k. Fuente dual. Osciloscopio. Multimetro. Generador de señales. MARCO TEORICO: AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL Funcionamiento: La tensión de salida de un amplificador operacional ideal es la diferencia de tensión en las entradas multiplicada por un factor A (ganancia en lazo abierto), donde A>>0 [en el caso ideal A= ∞] Imagen 1. Circuito equivalente OPAM ideal. CONDICIONES DE IDEALIDAD 1. Ganancia en tensión en lazo abierto infinita ( A = ∞ ) Consecuencia: 0 = ( + − − ) , ( + − − )= 0 =0,
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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES “Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto”
CONTROL DE POSICIÓN ANGULAR DE UN MOTOR DC
Lorena Andrea Gómez Sánchez, Luz Quintero Sanguino, Jaime Enrique Rivera Cuadros.
Presentado a: Julio Flórez
Resumen: En este informe se puede observar el desarrollo para hacer el control de posición angular de un motor DC, mediante control PID, este es un control por realimentación el cual corrige el error entre un valor medido y el valor deseado. Este control se podrá observar por etapas, las cuales llevan su respectivo análisis y se
concluirá también el movimiento rotacional del motor acoplado al potenciómetro P2 de forma que exista una relación lineal cuando se mueve el potenciómetro P1. Palabras clave: Amplificador operacional, transistores, PID.
INTRODUCCION: El control automático es de gran importancia en procesos industriales, así abarcando varios campos como el de manufactura, aplicaciones robóticas, procesos biológicos, entre otros. Un sistema de control se determina básicamente como la interconexión de elementos los cuales permiten efectuar una determinada operación; se analiza por etapas de manera individual todos los procesos. Una de las aplicaciones de control análogo es el posicionamiento angular de motores de corriente directa. OBJETIVOS:
Controlar la posición angular del eje del moto usando diferentes valores de ganancia
Conceptualizar los diferentes bloques definidos en un sistema de control típico.
Adquirir y medir la evolución de la señal por los diferentes bloques del sistema.
MATERIALES
1 motor DC de 12 volts . 2 potenciometros de 50 k. 3 amplificadores operacionales
TLE2144. transistores TIP41c Y TIP42c. resitencias de 39 k ,270k y 1k. Fuente dual. Osciloscopio. Multimetro. Generador de señales.
MARCO TEORICO: AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL
Funcionamiento: La tensión de salida
de un amplificador operacional ideal es
la diferencia de tensión en las entradas
multiplicada por un factor A (ganancia
en lazo abierto), donde A>>0 [en el
caso ideal A= ∞]
Imagen 1. Circuito equivalente OPAM ideal.
CONDICIONES DE IDEALIDAD
1. Ganancia en tensión en lazo
abierto infinita ( A = ∞ )
Consecuencia:
𝑉0 = 𝐴(𝑉+ − 𝑉−) ,
(𝑉+ − 𝑉−) =𝑉0
𝐴= 0,
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CONTROL DE POSICIÓN ANGULAR DE UN MOTOR DC
𝑉+ = 𝑉−
2. Corriente por los terminales de
entrada nula RIN = ∞
(impedancia de entrada).
Esta condición, unida a (1) recibe el
nombre de condición o principio
de cortocircuito virtual (CCV)
3. Corriente de salida muy
grande , RO = 0 (impedancia de
salida)
Función característica OPAM ideal:
Imagen 2. Región OPAM
TRANSISTOR BIPOLAR:
Los transistores son semiconductores
que constan de 3 terminales: emisor,
colector y base.
Existen dos tipos de transistores
bipolares, los denominados NPN y
PNP.
Imagen 3.Caracterizacion transistor bipolar
Funcionamiento del transistor en
zona de trabajo: Existen cuatro
condiciones de polarización posibles.
Dependiendo del sentido o del signo de
los voltajes de polarización en cada
una de las uniones del transistor, éste
se puede encontrar en alguna de las
cuatro regiones; Región activa directa,
Región de saturación, Región de corte
y Región activa inversa.
Imagen 4.Caracterizacion transistor bipolar
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CONTROL DE POSICIÓN ANGULAR DE UN MOTOR DC
SISTEMA DE CONTROL
El control por realimentación
constituye la infraestructura básica de
Casi todos los esquemas de control de
procesos, corrigiendo las
perturbaciones. El control por
realimentación mide la variable de
proceso, la compara con el punto de
ajuste y manipula la salida en la
dirección en que debe moverse el
proceso para alcanzar el punto de
ajuste.
ACTIVIDADES LABORATORIO
a) Se realizó el montaje establecido el
cual está representado por el
siguiente esquema de control
,teniendo en cuenta las diferentes
señales que intervienen en el
proceso
Imagen 5.Esquema de control
b) Acople del motor; el motor debe
tener en su eje un acople a un
potenciómetro lineal que juega el
papel de sensor angular. El sistema
motor-potenciómetro se define
como la planta.
c) Definición de Bloques:
La señal de entrada (r) representa la
posición que se desea. Por ejemplo si se
quiere mover el motor a una posición
angular de 270 grados, se debe alimentar
con 3.75 [V].
La señal de error (e) representa la
diferencia entre (r) y la señal de salida; aquí
se verifica la posición exacta en la cual se
ubicó el motor y esta corresponderá a un
valor de tensión y entre la diferencia de
tensiones se da esta señal (e).
La señal de control (u) representa el voltaje
producido por el controlador para
disminuir o anular el error. Si la señal (e) es
positiva quiere decir que (r) >(salida real) y
el controlador arrojara un voltaje positivo
al motor para que este gire hasta reducir o
cancelar el error. Cuando la señal (e) es
negativa el controlador arrojara un voltaje
negativo para que el motor gire en sentido
contrario hasta reducir o cancelar el error.
La señal de salida Y relaciona la salida del
extremo móvil del potenciómetro lineal, el
potenciómetro produce una tensión
equivalente a la posición del extremo
móvil.
d) Implementación montaje
Protoboard
Imagen 6.Circuito implementado
e) Definición etapas del circuito:
Etapa inicial- sumador: Se obtiene a la
salida la diferencia entre los voltajes
aplicados en los terminales de entrada.
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Luego se amplifican estos niveles
mediante un inversor y en consecuencia
aplicamos otro inversor en serie para la
salida de tension negativa .
Imagen 7.Sumador OPAM
Etapa 1- Inversor: El circuito se alimenta
con los diferentes voltajes entre 0-5 [V dc],
entre los terminales 2 y 3.
Imagen 8.Inversor OPAM
Etapa 2-Controlador proporcional: Se usa
un potenciómetro de 0-100k con el fin de
variar la ganancia del controlador desde 0
hasta 100.
Imagen 9.Controlador OPAM
Etapa 3- Amplificador de potencia: Como el
motor no es capaz de moverse debido a la
señal que hasta ahora se recibe ,se
implementa mediante dos transistores pnp
y npn ;los cuales daran el sentido de giro
dependiendo de la tension aplicada y la
corriente de sus bases. La velocidad de giro
se regula mediante el potenciometro P3 de
100k .
Imagen 10.Controlador con amplificador de
potencia
ANALISIS DE RESULTADOS
1.
Etapas (r)-(e) (r)-(v) (r)-(u) (r)-(y)
Voltaje
PP
[V]
5,60 6,60 24 48
Voltaje
prom
[V]
2,27 2,38 5,11 4,97
Como podemos observar en la tabla
anterior la evolución de la señal en los
diferentes bloques se ve un gran aumento
de uno al otro, la señal se va amplificando y
podríamos concluir que los datos
obtenidos son los que se esperarían y q el
sistema responde de manera correcta.
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2.
Gananci
a 1
Gananci
a 2
Gananci
a 3
Vin 48 mV 392 mV 2,64 mV
Vout 47,5 mV 376 mV 2,48 mV
En la práctica se trabajó con una tensión de
alimentación de ± 5 volts luego se realizó la
conexión y se procedió a medir la tensión
en cada etapa con diferentes valores de
ganancia (valores de potenciómetro 3).
Por medio del osciloscopio se pudo ver el
Comportamiento de la señal Y con respecto
a R el cual las dos señales tenían el mismo
comportamiento, esto se pudo contrastar
ya que en teoría debería esperarse que la
señal de Salida siga a la señal de entrada es
decir trate de igualar su comportamiento
pues en sistemas con lazo cerrado esta es
la idea principal de diseño.
OBSERVACIONES
El potenciómetro P3 no se
utilizó con un valor de 100k
debido a que el potenciómetro
P1 y P2 tienen un valor de
50k, esta decisión se tomó
debido a que se acoplo al
potenciómetro P2 un motor de
12 [V] y por ello se conectó un
potenciómetro de 200k (este
valor se obtiene conectando
dos potenciómetros de 100k
en serie y se varían al mismo
punto para no alterar el
cambio de posición).
El acople del motor con el
potenciómetro P2 debe ser
bueno y tener una base fija para
evitar que haya fricción y el giro
no sea el esperado además de
evitar fallas a la hora de tomar
medidas.
En el trascurso de la practica
tuvimos problemas con
elementos del controlador ya que
por ellos circulaba una corriente
alta la cual era necesaria para
arrancar el motor, la solución que
se dio fue poner resistencias en
serie con el motor para disminuir
dicha corriente.
podemos controlar la velocidad y
el sentido de giro de un motor de
corriente continua. Más
concretamente lo que hicimos
fue montar un circuito que sea
capaz de hacer un control con un
simple potenciómetro de forma
que cuando el potenciómetro
este en el centro el motor este
parado y cuando se gira el
potenciómetro a los lados el
motor gira a cada lado de forma
regulada. También tenemos la
posibilidad de controlar el
sentido del motor con la ganancia
con el potenciómetro en su
posición mínima el motor no
girara para ningún lado
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CONCLUSIONES
El controlador proporcional
análogo PID para este tipo de
montaje es el más favorable para
ser utilizado debido a que este es
el más sencillo de todos y cumple
con los requerimientos para la
presente práctica ,en esta el motor
no entró en inestabilidad y arrojo
valores coherentes .(Lorena
Gómez).
Cuando se tiene una señal de
ganancia baja, la señal de error
aumenta y así el control de
posición del motor no se
observara de manera lineal. Aquí
se observa como una distorsión
pequeña la cual no se presenta en
una señal de ganancia alta; al
variar el potenciómetro P1 es decir
su posición el motor gira un poco
más de lo esperado.(Lorena
Gómez).
Un acople inadecuado entre el eje
del motor y el potenciómetro
incrementa la demanda de
corriente, que a su vez puede
provocar daños en los elementos
del circuito .al producirse un
incremento de la ganancia, la
corriente por el motor aumenta, lo
cual puede ocasionar una
disminución de la vida útil de los
operacionales, además de
aumentar las pérdidas de energía
en forma de calor. (Luz Quintero)
Aun cuando se ajuste y se optimice
las ganancias del controlador estas
no influirán drásticamente en la
velocidad del motor pero si mayor
en el sentido de giro. (Jaime
Rivera).
Se observó que mediante el uso de
un sistema de control de lazo
cerrado, se puede lograr que una
variable se pueda controlar de
forma confiable debido a la
realimentación y constante
comparación entre la entrada que
es la referencia y la salida además
de la ventaja de ser un proceso
completamente automático.
(Jaime Rivera).
REFERENCIAS
[1] ASTROM, Karl; Torre, Hagglund.
Control pid avanzado. Department of
Automatic Control Lund Institute of
Technology Lund University.
[2] Kasuhiko Ogata, Sistemas de control
en tiempo discreto.
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