Adquisición de Datos con Entrenador EPC

Guía de Laboratorio

Control de Velocidad con el Entrenador EPC

Al concluir estas 5 prácticas usted aprenderá: Control Manual de Velocidad de un Motor DC Lectura de una señal Encoder en forma analógica Lectura de una señal Encoder en forma de Contador Digital Caracterización de Motor DC Control PID de Velocidad de Motor DC

Práctica 01.-Control Manual de Velocidad de Motor DCEn esta práctica se utilizará un control numérico en el Panel Frontal para controlar el voltaje de alimentación del Motor DC, y así controlar manualmente la velocidad.

Figura 01

El control numérico tipo Slide Voltaje es el voltaje de salida de la tarjeta DAQ, que puede tomar valores entre 0 y 5 voltios.El indicador grafico tipo Chart Señales muestra un historial de los valores de voltaje que se han generadoEl botón de STOP detiene el programa. Es importante detener el programa utilizando este botón y no el botón de abortar de la barra de herramientas porque así se asegura que al parar el programa se detenga el motor, pues se envía un valor de 0V a la salida analógica.

Abrir LabVIEW à Blank VI En el Panel de Diagrama y desde la paleta de funciones elegir la función: DAQ Assistant

Figura 02

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Configurar la adquisición tal como se muestra en la figura Figura 03 seleccionando Generate Signals/Analog Output/ Voltaje y el puerto Ao0

Figura 03

Configuramos como se muestra en la figura 04, indicando el rango min de 0v y el rango máximo de 5v

Figura 04

Una vez configurado el Daq Assistant le damos a finalizar y procedemos agregar el control deslizante “Voltaje” y el graficador Chart en el Front Panel.

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Figura 05

Construimos el diagrama de bloques como indica en la figura 06.

Figura 06

Para ello insertamos el Timed Loop el cual lo podremos encontrar en la ruta que se muestra en la figura 06, este permitirá ejecutar diferentes tipos de procesos, secuencias, subdiagramas que se encuentren en su interior en el tiempo dt que se le indique.

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Figura 07Práctica 02.-Señal de Encoder – Forma AnalógicaEn esta práctica se adquirirá la señal de salida del Encoder del Motor DC para analizarla en forma analógica. Además se medirá la frecuencia para determinar la velocidad del motor.Para ello agregamos la entrada AI5 de la NI 6009 al MDC del Encoder.

Figura 08

El control numérico tipo Slide Voltaje es el voltaje de salida de la tarjeta DAQ, que puede tomar valores entre 0 y 5 voltios.El indicador gráfico tipo Chart, muestra un historial de los valores de voltaje y de velocidad que se han generado. La magnitud de estas señales está en Valores Por Unidad (VPU). Para el Voltaje el límite máximo es 5 Voltios. Para la Velocidad el límite máximo es 4000 RPM.El indicador grafico tipo Graph muestra en forma de osciloscopio la señal de salida del Encoder, que es tipo tren de pulsos. Obsérvese que mientras mayor es el Voltaje de control del Motor DC, mayor es la rapidez de giro del eje, y por lo tanto mayor es la frecuencia (menor es el periodo) de la señal del Encoder.El indicador tipo Gauge Frecuencia muestra cuantos pulsos por segundo (Hz) tiene la Señal del Encoder, mientras que el indicador tipo Gauge Velocidad indica la velocidad del eje en revoluciones por minuto (RPM). El disco del Encoder tiene 36 ranuras.Empezamos agregando los indicadores y el graph mencionados en el panel frontal.

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Figura 09

Construimos el diagrama de bloques a partir de la practica 01 así como se menciona en la figura 10.

Figura 10

Para ello el DAQ Assistant3 adquiere la señal del Encoder y lo configuramos de la siguiente manera:

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A partir de la práctica 1 se mostró para generar una señal con el DAQ Assistant, en este caso adquiriremos una señal de Tipo Analógica, siendo el AI5, los datos a configurar será como se muestra en la figura 11.Siendo importante resaltar en Acquisition Mode “Continuous Samples” ya que adquiriremos un número determinado de muestras a una determinada frecuencia para poder utilizar el Tone Measurment, ya que si escogemos On Demand el Tone Measurement no podrá el valor de la amplitud ni el valor de la frecuencia.

Figura 11

Para agregar el Tone Measurement nos dirigimos a Programming/ Waveform/ Analog Wfm/ Measurments /Tone Measurements como indica en la figura 12.

Figura 12

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Probamos el circuito, y para ello realizamos la prueba con un valor que de 0v a 5v, y veremos como la señal de voltaje se le acerca la señal medida por el Encoder en RPM. Ambas señales se encuentran en una relación de 0 a 1.En el graph podremos observar la señal por la entrada analógica AI5 provenientes del Encoder.

Figura 13

La señal adquirida del Encoder en forma analógica es procesada para obtener su frecuencia y su amplitud.Si la amplitud es menor que 1 significa que el Motor DC no está girando, por lo tanto el Encoder entregará una señal sin pulsos (y que puede estar en estado alto o bajo según donde haya parado el disco), y la frecuencia que se mide será la del ruido de la señal, mas no de la velocidad.Si la amplitud de la señal es mayor que 1 el motor estará girando y el Encoder entregará una señal tipo tren de pulsos. Entonces la frecuencia medida sí será la cantidad de pulsos por segundo.Las operaciones siguientes son para transformar la frecuencia en revoluciones por minuto (RPM).

Práctica 03.-Señal de Encoder – Forma de Contador Digital

Figura 14

Esta es igual a la práctica anterior, excepto por la cantidad de ruido a diferentes velocidades. Este método es preferible cuando se tiene un Encoder de alta cantidad de pulsos por revolución, pues el programa es más liviano porque no necesita adquisición de datos analógica sino solamente leer del registro del contador de la tarjeta DAQ.Para ello eliminaremos el Graph creado en la anterior práctica y conservaremos el chart, el slide de “voltaje” y el indicador de velocidad en RPM.

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Figura 15

Modificaremos el diagrama de bloques de acuerdo a la figura 16.

Figura 16Configuramos en el DAQ Assistant el Contador de Pulsos, para ello ingresamos al DAQ Assistant como en las anteriores prácticas y en Acquire Signals seleccionamos Counter Input y luego Edge Count.

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Figura 17Debemos crear un Shift Register, para ello conectamos una línea a una parte del time loop como se muestra en la figura 18.

Figura 18

Luego le damos click derecho y seleccionamos Replace with Shift Register, como se muestra en la figura 19, lo siguiente que veremos es que se crearán dos iconos a los extremos del Time Loop, según figura 20, pudiendo conectarlos con los demás bloques del programa según la figura 16.

Figura 19

Figura 20

En este caso se ha adquirido la señal del Encoder por medio del contador de la tarjetaDAQ.Se resta el valor actual del contador con el valor en la iteración anterior para obtener el número de pulsos en una iteración. Los cálculos siguientes permiten obtener la velocidad en revoluciones por segundo

Preguntas:¿Qué otras ventajas ve al usar el modo contador de pulsos?¿Cuál es la función del Shift Register en el diagrama de bloques?

Práctica 04.-Caracterización de Motor DC

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En esta práctica se utilizaran como bases las prácticas anteriores para obtener una caracterización del Motor en cuanto a linealidad entre la variable de control (Voltaje DC) y la variable controlada(Velocidad). Si el sistema es lineal se puede aplicar un controlador PID. También se podrá observar los rangos en los cuales el sistema es lineal o tiene discontinuidades. Este análisis se hará de manera visual solamente, pero se puede ampliar el programa para mostrar una línea superpuesta al comportamiento del motor para obtener resultados matemáticos exactos.

Figura 21

Para ello modificamos el programa anterior tal como se muestra en la figura 21, remplazando el grafico Chart por un XY Graph para obtener la Velocidad Vs Voltaje. Modificamos el diagrama de bloques tal como se muestra en la figura 22.

Figura 22De la figura 22 la sección del primer Shift Register contando desde la parte superior del programa incrementa progresivamente el valor de Voltaje de salida al Motor DC desde cero hasta5V en saltos de 0.01 V.

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La sección de adquisición de datos y determinación de la velocidad es similar a la utilizada en la Practica M2: Señal de Encoder – Forma Analógica.La sección del segundo y tercer Shift Register crean los arreglos de valores X (Voltaje) y Y (Velocidad) para ingresarlos al grafico tipo XY Voltaje Vs. Velocidad.

Configuramos el DAQ Assistant 3, encargado de adquirir por el puerto AI5 el valor del Encoder como se muestra en la figura 23.

Figura 23

Correr el programa.Observar como automáticamente el voltaje sube progresivamente, de cero a aproximadamente 0.5 V el voltaje no es suficiente para vencer el rozamiento e inercia del rotor, de modo que este no rota y la velocidad es cero.

Figura 24

Por sobre los 0.5 V aproximadamente, el rotor empieza a girar repentinamente presentando una discontinuidad. Es posible que existan pequeños pulsos de velocidad debido a que el rotor presenta

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un ligero movimiento antes de arrancar definitivamente, al ejecutar el programa visualizará una gráfica similar a la figura

A partir de 0.6V la velocidad presenta un comportamiento lineal con respecto al voltaje. Por lo tanto se puede utilizar un controlador tipo PID en el rango lineal del motor.

Práctica 05.-Control PID de Velocidad de Motor DCEn esta práctica se utilizaran como bases las prácticas anteriores para obtener un control PID de la velocidad del Motor DC.En muchos sistemas en los que es necesario controlar una variable no es posible modelar matemáticamente la planta debido a la falta de especificaciones. Tal es el caso del Motor DC del EPC.Puesto que no se tienen especificaciones del fabricante sobre la resistencia de armadura, inductancia, amortiguamiento por fricción viscosa, inercia del eje, etc. se deben utilizar métodos experimentales para obtener un conjunto de valores para las ganancias del controlador PID. En esta práctica se utilizara la segunda regla experimental de Ziegler-Nichols.

Figura 25

Modificamos el panel frontal del ejemplo anterior a como se muestra en la figura 26.

Figura 26

Procedemos a modificar el diagrama de bloques del ejemplo anterior a como se muestra en la figura 27.

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Figura 27

Configuramos el DAQ Assistant como aparece en la figura 28.

Figura 28

El bloque del control PID se podrá encontrar en la siguiente ruta como aparece en la figura 29.

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Figura 29

Se procederá hallar los valores de las Ganancias PID utilizando el segundo método de Ziegler-Nichols según los siguientes pasos:

Asignar Kc=0, Ti=999999, Td=0

Cambiar los valores de Setpoint. Observar que el Voltaje no varía, debido a que no existe acción de control con Kc=0.

Así que procedemos hallar un valor de ganancia proporcional Kc critico, llamado Kcr, en el cual el voltaje de salida, y por lo tanto la velocidad sea estable en respuesta al escalón. Creamos una función escalón, colocando el valor de Setpoint en 0 y luego ingresar un valor de 1500 observando que el voltaje varía con repecto al Setpoint, en el caso que no varíe incrementamos o decrementamos el valor de Kcr en potencias de 10 hasta encontrar Kcr a una entrada escalón varíe con respecto al Setpoint.Intente probar con valores de:

Kcr

1 0.1 0.01

0.001

Una vez calculado su valor Kcr considérelo como Kr para poder obtener los demás valores.

Preguntas:¿Para qué valor de Kcr obtiene mejor resultado?

Observando la respuesta al escalón podemos considerar al Motor DC del EPC como un sistema de primer orden. Por lo tanto podemos aplicar un controlador PI. Así, aplicando un valor de Kc=0.00135, Ti(min)=0.00283, Td(min)=0, para una entrada escalón ¿Qué respuesta obtiene?Intente dar diferentes valores a Ti y Td preferiblemente Ti y Td en entre 0 y 0.01, ¿Para qué valores obtiene la mejor respuesta?