Control de un motor con arduino

Introducción

En el siguiente reporte vamos a presentar como parametrizamos un motor como un sistema de control de segundo orden. Como sabemos en la industria es necesario controlar los procesos con el fin de aumentar el rendimiento de los sistemas. Por ejemplo, se ajusta la temperatura, el voltaje, la corriente, la posición, la velocidad, el torque y, en general, cualquier variable física. En primera instancia, para controlar se requiere sensar, pero además se debe diseñar el controlador.

La idea del control es forzar al sistema para que tenga el comportamiento lo más cercano posible a las expectativas del diseñador, las cuales son conocidas también como criterios de respuesta. El proceso de control empieza con la comparación entre la lectura del sensor y el valor al que se desea que el sistema llegue (llamada referencia). De esa comparación resulta la señal de error, que es la entrada del controlador. Y el controlador tiene como finalidad lograr que el error sea nulo, o cuando menos que esté en un rango aceptable. Para ello la salida del controlador se aplica al sistema, mediante un actuador, haciendo que la planta cambie según la acción de control. El problema está en encontrar el controlador adecuado, y a esa búsqueda se le llama diseño.

En particular, el control de velocidad y posición en doble lazo cerrado con el motor de corriente continua se utiliza en la robótica, la electromedicina, los procesos industriales, la ingeniería espacial, la astronomía, el entretenimiento, entre otras áreas, como se muestra en ; de ahí que se haya considerado importante su estudio en este artículo.

Marco teórico

Lo primero es definir el tipo de control que se va a aplicar al sistema. Para un motor DC aplicaremos un control PID.

EL control PID es en el control con un lazo cerrado se observa la posición del motor y se regula sin tener en cuenta otras variables de la máquina, como la velocidad. Esto hace que sea posible que para garantizar cierta posición se exijan cambios de velocidad que el motor no puede realizar, o que se exija par, traducido en corriente, más allá de lo que el motor puede soportar. Una manera de evitarlo es anexar lazos de control.

Por último, cabe mencionar la aplicación de motores DC en el transporte mediante vehículos eléctricos, lo cual requiere algoritmos de control que no solo optimizan el seguimiento de un perfil de posición o velocidad, sino la energía utilizada en ello. Otra de las particularidades que hace atractivo a este motor es que un modelo lineal y de orden dos, como el que se presenta en la ecuación 1, es suficientemente cercano a la planta real como para considerarlo adecuado para la sintonización, según se entiende al ver, por ejemplo:

En la ecuación 1, ω(s) es la velocidad angular, V(s) es el voltaje de la fuente de alimentación, K es la constante de fuerza electromotriz, Ra es la resistencia eléctrica, La es la inductancia eléctrica, J es el momento de inercia del motor, b es el coeficiente de amortiguamiento del sistema mecánico y s es la frecuencia compleja.

Para el desarrollo de los controladores y el modelado del sistema se escoge el programa Matlab, porque incluye herramientas optimizadas, dentro de las cuales están Simulink, el Toolbox of Control System, Data Acquisition, Filter Design, Fuzzy Logic y System Identification. Así mismo, para la comunicación entre el Matlab y los elementos físicos que componen el sistema se utilizan tarjetas de adquisición de datos, como se explica adelante. Una vez se tiene el modelo del sistema se eligen y sintonizan los controladores. En este artículo se utilizan cuatro estrategias: PID clásico, PID difuso, difuso y PID no lineal.

Materiales

Arduino mega

Batería

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