TESIS
Evaluación de estrategias de control de velocidad en lazo cerrado para un motor de corriente directa con masa desbalanceada
Fecha
2019-02-07Registro en:
Niembro Ceceña, José Alfonso. (2018). Evaluación de estrategias de control de velocidad en lazo cerrado para un motor de corriente directa con masa desbalanceada. (Maestría en Tecnología Avanzada), Instituto Politécnico Nacional, Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, Unidad Querétaro, México.
Autor
Niembro Ceceña, José Alfonso
Institución
Resumen
RESUMEN: En este trabajo se presentan dos metodologías de control en lazo cerrado aplicadas a un motor de corriente directa, con el fin de compararlas y verificar que cumplan ciertos índices de desempeño descritos en forma de requerimientos de control.
Durante el desarrollo del proyecto ha sido necesario considerar los últimos avances en
control difuso, particularmente el método de Takagi-Sugeno y su aplicación a control de
velocidad de motores eléctricos de corriente directa sin escobillas.
También ha sido necesario proponer un prototipo de pruebas capaz de recrear
condiciones de masa desbalanceada en un campo gravitacional para propiciar un momento de torsión en la flecha del motor, este prototipo cuenta con diferentes configuraciones para realizar experimentos con diferentes valores de momento de torsión.
De igual manera ha sido necesario crear un “driver” para poder implementar el
controlador para el motor de corriente directa. El “driver” cuenta con capacidad de recibir el valor de velocidad de referencia desde una PC mediante comunicación serial (USB Serial), un microcontrolador ATMega328P de 8 bits, con capacidad de procesar varias salidas de PWM de 8 bits y lectura de pulsos, usado para leer el “encoder”, un puente H L298N con capacidad de 50 volts a 2 amperes y un motor de corriente directa de 12 volts nominales con capacidad de giro de 2500 rpm y un reductor con relación 51:1 y torque de hasta ~0.5Nm. Todos estos componentes se integraron mediante el desarrollo del software de control que se encargó de procesar la señal de referencia, compararla con la velocidad actual, calcular el error y determinar la acción de control.
Las estrategias de control implementadas son: un control PID (teoría clásica de control)
y un control difuso proporcional más acción integral, conocido como FP+I (y en parte de la
literatura se nombra también como control adaptativo). Ambas estrategias mostraron efectividad para cumplir con el requerimiento de error en estado estable; sin embargo, hubo casos donde el sobre impulso fue mayor debido a la inercia del sistema y dependiendo de los saltos escalón de la velocidad de referencia el control PID mostró un menor porcentaje de sobre impulso. Esto se puede arreglar mediante el reajuste de las ganancias de ambos controladores.
Se desarrollo una metodología que permitió implementar un control difuso en un
microcontrolador tomando en cuenta el modelo TS. La literatura refiere varios desarrollos de control difuso que no son implementados en algún “driver” para hacer experimentación, en este proyecto se buscó dar un paso más incluyendo, a parte de la simulación, una estrategia de implementación basada en la codificación del control TS mediante el uso de las sentencias IF y la inclusión, dentro de ellas, del mecanismo de inferencia. Además, se incluyó el control PID permitiendo que el usuario seleccione una estrategia de control, además se incluyen características de portabilidad y fácil acceso mediante los circuitos integrados (CIs) a proyectos futuros que requieran del uso de lógica de control de velocidad y portabilidad.
ABSTRACT: This thesis presents the development of 2 control algorithms implemented in a driver to
regulate speed of a dc motor mounted in a test prototype that includes different testing scenarios.
Fundamentally, the project consists of the following steps: the design and manufacturing
of a testing prototype that is capable to produce different load scenarios to the motor shaft, the
development of a driver capable to control speed and rotation direction, receive feedback signal
thru an encoder and recalculate control action based on error.
The prototype consists of a main plate that holds the dc motor so that the shaft gets
perpendicular to this main plate, then an arm is attached to the motor shaft to impose the load
into it. The arm has different positions so that the moment of inertia is changed then the moment
of torsion varies depending on each position. The testing prototype was manufactured and all
the proposed scenarios were exercised to get shaft speed measurements and verify the control
law regulates speed accordingly.
The second part of the project consisted to develop the driver for sending the control
signal to the dc motor and to receive the current speed thru the encoder. This was done thru an
ATMega28P microprocessor, among the L298N H-Bridge and the E4P encoder. All these were
closed loop connected. The microcontroller had the control software embedded, then the control
signal is sent thru PWM output port to the H-Bridge that helped to increase input voltage to the
dc motor, then encoder sent pulses to Digital input port in the ATMega328P to calculate the
current speed.
Finally, there were 2 control laws designed for this project: 1 Fuzzy proportional and
Integral and 2. Classic PID. The Fuzzy proportional is based on Takagi-Sugeno approach, in
which an output function was designed to be proportional to the error among the membership
functions which were trapezoidal and triangular functions for simplicity as this initial
experiment. To make sure the error is within +/- 1% reference speed, this controller included
the integral action. The classic PID is formed of the three proportional, integral and derivative
actions, the gains were calculated using Ziegler-Nichols technique, then implemented. The
software uses a switch to select either the FP+I or the PID controllers and the interface can
record and report current speed, reference speed, control action and error.
The experimental results showed both controllers did excellent job to keep the motor
speed within the +/- 1% at steady state, time responses were below the 5 seconds, defined as
requirement, in all cases; however, the overshoot was not consistently met for all the
experiments. This ends up in either changing the overshoot requirement or modify the integral
gain to make the system more tolerant to change but considering the system will respond slowly.
A proposed code was developed to implement fuzzy control TS into a microcontroller
and testing carried out to show the code worked as expected.