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Control de Velocidad en Lazo Cerrado para un Motor DC Utilizando Matlab, GUI y Arduino.

Xavier Alexandro Torres Amaya. Universidad de El Salvador, El Salvador

amayax22@gmail.com

Jaime Javier Arriola Suarez. Universidad de El Salvador, El Salvador

as08005gnu@gmail.com

RESUMEN—El siguiente trabajo presentan los resultados de combinar una potente herramienta matemática como lo es Matlab con la versatilidad qu e nos brinda Arduino a la hora del manejo de hardware; d e este modo haciendo un enfoque especial al área de contro l automático, logrando poner en práctica los concepto s básicos de realimentación para sistemas SISO.

Se utilizara Matlab para crear una interfaz gráfica en la cual se pueda enviar señales de referencia hacia el Arduino y este a su vez lo aplicara físicamente sob re el servo amplificador del kit feedback MS-150A [3] a t ravés de la respectiva etapa de acoplamiento, el servo amplificador controla la tensión aplicada al motor DC lo cual lo hace girar velocidad deseada (alrededor de 400 RPM, que fue el valor donde el motor mostró una estabilidad apropiada para nuestros propósitos). El kit feedback MS-150A cuenta con los elementos necesario s para realizar las tareas antes descritas, el motor tiene tacómetro integrado que se encarga de convertir las RPM del motor en una magnitud eléctrica medible por Ard uino, de tal forma que esta señal se acopla y se envía al programa desarrollado en Matlab que toma las accion es necesarias si dicho valor se encuentra fuera del ni vel de histéresis experimentalmente determinado.

PALABRAS CLAVE —Arduino, Control de velocidad, GUIDE, Lazo cerrado, Matlab.

I. INTRODUCCIÓN Hace poco más de un año, la única manera de poder

trabajar con datos físicos consistía en comprar un sistema comercial de adquisición de datos (DAQ), lo cual implicaba una elevada inversión; afortunadamente hoy en día con el avance tecnológico se tienen alternativas económicamente más accesibles ya sea para estudiantes o profesionales, una de ellas es el popular microcontrolador Arduino que gracias a su bajo costo y facilidad de programación representan una nueva opción para realizar actividades de control y procesamiento de señales tanto analógicas como digitales. Combinando dichas bondades con el alto nivel de procesamiento de un software matemático como Matlab es posible lograr el control de diversos componentes externos y de tal forma lograr analizar las señales físicas generados por los mismos y sobre todo realizar correcciones en tiempo real y de forma automática.

II. CONFIGURACION DE MATLAB Y ARDUINO.

A. Características generales

1) Matlab. En este caso se usó la versión R2013a [5] en la cual los

desarrolladores del mismo crearon la interface de comunicación vía USB entre Arduino y Matlab, por esa razón Arduino cuenta con Support Package [1] en donde se explica el procedimiento para instalar la paquetería necesaria y así establecer la comunicación entre ellos.

2) GUI de Matlab.

Las GUI [6] (también conocidas como interfaces gráficas de usuario o interfaces de usuario) permiten un control sencillo (con uso de ratón) de las aplicaciones de software, lo cual elimina la necesidad de escribir comandos a fin de ejecutar dicha aplicación. Las GUI nos permiten desarrollar una tarea de manera automatizada ya que al oprimir por ejemplo un botón se activa una rutina de comando los cuales permiten ya sea adquirir datos desde una tarjeta externa y realizarles operaciones matemáticas en tiempo real.

3) Arduino. La ventaja con la que cuenta Matlab es que puede

trabajar con el Arduino UNO y MEGA 2560 [2], en este caso se optó por usar la segunda opción con la cual se tendrían mayores beneficios gracias a que cuenta con ADC de 10 bit que son suficientes para los beneficios esperados.

4) Kit feedback MS-150A.

El Sistema Modular Servo MS-150A es un equipo único, diseñado para estudiar la teoría y la práctica de los sistemas de control automático. Fue diseñado para la enseñanza de la teoría de control de lazo abierto y de lazo cerrado, el control de velocidad y sistemas de control de posición utilizando unidades modulares, tanto mecánica como electrónica, que se puede configurar para demostrar los diversos métodos de técnicas de control.

B. Configuracion de Matlab y Arduino. Paso 1: Se deben descargar la paquetería necesaria para

que la conexión Arduino/Matlab sea posible. Esta se puede encontrar en la dirección de Support Package de Mathworks para Arduino, en esta dirección se encuentran alojados la paquetería tanto para Matlab como para Simulink pero en este

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caso no se hablara de la segunda opción ya que no tiene ninguna precedencia a la hora de trabajar con Matlab.

Como recomendación principal se menciona que a la hora

de almacenar dicha paquetería se haga en la carpeta de Matlab ubicada en la carpeta de documentos del usuario.

Paso 2: Después de descargar la paquetería para Matlab,

se procede a instalarla, para esto se abre el entorno de programación de Arduino (IDE) y desde ahí entramos a la carpeta llamada “pde” la cual está contenida en la carpeta “ArduinoIO” la cual fue descargada desde el Support Package, se abre el archivo llamado “adiosrv”. Este archivo debe de ser transferido a nuestro Arduino esto sirve para configurar el mismo y así pueda tener comunicación serial con Matlab.

Paso 3: Tenemos que abrir Matlab y ejecutar el fichero

denominado “install_arduino.m” que se encuentra en la carpeta “ArduinoIO” una vez ejecutado este archivo se tendrá configurado Matlab para que reconozca como tarjeta de adquisición de datos a nuestro Arduino.

Paso 4: Por último se debe de realizar la conexión en el

entorno de programación de Matlab y Arduino, para esto se creara un objeto en el cual se configure el puerto de comunicación por el cual se tendrá acceso al Arduino, esto se logra ejecutando el siguiente comando (cabe recalcar que el puerto COM puede cambiar de una computadora a otra): a=arduino(‘COM3’), la configuración de los pines se realizará en unos pocos segundos y con esto ahora se tiene acceso a los pines digitales y analógicos del dispositivo. Arduino en Matlab posee también funciones propias que podemos ver en el archivo arduino.m que se han descargado con la paquetería desde la web de Mathworks. Para la programación en Matlab tenemos que referirnos en sus funciones propias al objeto Arduino que hemos declarado como “a” anteriormente, como ejemplo podemos ver:

1) En Arduino.

void setup(){ pinMode(3,OUTPUT);}//el pin 3 se configura como salida void loop(){ digitalWrite(3,HIGH);}// ponemos 5V en el pin 3

2) En Matlab. a.pinMOde(3,’output’)%el pin 3 se configura como salida a.digitalWrite(3,1)%ponemos 5V en el pin 3

C. Creacion de la GUI.

Se desarrolló usando GUIDE [7], ya que éste entorno ofrece un ambiente amigable donde los elementos gráficos que conforman la GUI están a la vista y además dichos elementos pueden dimensionarse según estime conveniente el programador, todos los elementos gráficos se guardan en un archivo “.fig” que depende de otro “.m” con todas las funcionalidades asociadas a los elementos gráficos, dicho archivo “.m”, es automáticamente generado por Matlab al guardar el “.fig”. En el contexto del desarrollo de éste tipo de programas es de suma importancia conocer el lugar donde se ubicarán las instrucciones, ya que por ejemplo el objeto de Arduino se debe declarar como variable global y para ello

ésta variable debe ser parte de la estructura “handles” en la función “OpeningFnc” que se ejecuta justo después de que la GUI es hecha visible, otro ejemplo de esto se da en los botones puesto que el botón “Iniciar prueba de realimentación” contiene el código principal, para más detalles se puede revisar el manual de usuario de GUIDE [8] que incluye excelentes descripciones de cada elemento.

III. DESCRIPCION DEL SISTEMA.

La GUI inicia arrancando el motor dentro de un ciclo con una duración de 3 minutos donde se llevarán a cabo todas las correcciones necesarias, después de algunas oscilaciones el motor tiende a la estabilidad alrededor de 1.5V o 400 RPM (tensión generada por el tacómetro pasada a RPM mediante una constante “Kg” experimentalmente obtenida), posteriormente al tener el valor de estado estable, se procede a considerar que la velocidad del motor no estará fija en un mismo valor de RPM por lo cual se considera un rango de histéresis de 1.2023V de umbral alto y bajo (es decir una oscilación de 601.2mV, en hacia arriba y hacia abajo). Luego se entra a un ciclo, donde se estará a la espera de una acción sobre el motor, mostrando dicho estado en la casilla avisos de la GUI. Cuando a éste se le aplique una carga, el programa que realiza un muestreo cada 100mS observará dicho evento y aumentará el voltaje en PWM y por ende la tensión en el servo amplificador, lo cual tendrá como consecuencia un aumento en la velocidad del motor para tratar de regresarlo al rango definido por la histéresis donde se considera que la velocidad no cambia de forma que sea necesaria una corrección. Experimentalmente se determinó que la carga máxima que se puede aplicar para que el programa sea capaz de regresar la velocidad del motor al rango de histéresis es de 8 posiciones de la unidad de carga (este dispositivo está incluido en el Kit feedback Ms-150A).

Al retirar súbitamente la carga, la velocidad aumentará de

igual forma hasta su máximo, debido al torque en el motor que se genera debido a la carga que se le había aplicado, el aumento de la velocidad debe ser corregido y esto se hace restando de uno en uno el valor de PWM enviado, cada resta toma 100mS en los cuales se comprueba si el valor de voltaje del tacómetro está en el rango de histéresis, pero debido a la velocidad a la que se dan éstas restas el motor usualmente se apaga ya que el valor que requiere para mantenerse encendido es rebasado y por lo tanto la rutina del ciclo infinito se ve obligada a volver a encender el motor y estabilizarlo, de este modo vuelve al estado estable en el cual espera de una acción. Para que el sistema pueda realizar las correcciones de manera automática se necesita un sistema de lazo cerrado, el cual se puede observar en la Fig. 1, teniendo como principal característica el papel que juega el Arduino para este proceso.

Figura 1. Diagrama de bloques para el sistema.

Recordando que un sistema de lazo cerrado contempla la idea fundamental de modificar el valor de la señal de entrada

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de un sistema, dependiendo de los valores exhibidos por la señal de salida, dichas modificaciones son ejecutadas por un controlador que puede ser una persona, un circuito con amplificadores operacionales o un programa como Matlab el cual se usó en este caso para realizar lecturas y a sus ves correcciones en velocidad con el simple objetivo de mantenerla constante a la hora de colocarle una carga al eje del motor.

IV. ACOMPLAMIENTO DE LAS SEÑALES.

Por las limitaciones de voltaje tanto de entrada como de salida se utilizó los beneficios que nos ofrecen en sus distintas configuraciones los amplificadores operacionales es por esto que para ambos casos se usó un solo integrado el cual contiene 4 amplificadores operaciones encriptados con un rango de salida de -13.7V hasta +13.7V, este integrado es el LM348 [4].

A. Acoplamiento de la señal del tacómetro. Como se mencionó antes el Arduino tiene que realizar una

lectura de voltaje en el tacómetro para que Matlab pueda realizar el ajuste de velocidad de manera automática, pero a sabiendas que el tacómetro trabajando con niveles de voltaje DC de 0-15V y que dicho modulo solo puede captar en sus entradas analógicas voltajes de 0-5V se tiene que acondicionar la señal para poder leer y sobre todo prevenir que el Arduino sufra daños irreversibles a la hora de ejecutar este paso; la mejor solución es dos amplificadores inversores conectados en cascada el primero con ganancia unitaria y el segundo con una ganancia de 1/3V/V esto gracias a su ecuación:

Vo = (-R2/R1) *Vin (1)

Y con esto nos aseguramos de obtener niveles de voltajes de 0-5V en la entrada analógica del Arduino, Como se muestra en la Fig. 2 se le asignan valores a las resistencias para obtener ganancia unitaria en la primera etapa y una de 1/3V/V en la segunda.

Figura 2. Circuito de acondicionamiento para entrada

analógica del Arduino.

B. Acoplamiento de la señal de salida del Arduino. Matlab dará la orden al Arduino para que active su salida

en un valor determinado, en este caso la opción que más se adecua es la de usar las salidas PWM, pero estas tienen la limitante de que nos brindan una corriente de 80x10-3A, esto es un valor demasiado pequeño para pretender activar el servo amplificador del motor DC, además se tiene la principal limitante que dicho motor trabaja con niveles de voltaje de 0-15V y nuestro Arduino solo puede darnos valores de 0-5V por esta razón es que se tiene que usar el amplificador operación no inversor con ganancia de 3V/V a continuación se presenta la ecuación de un amplificador no inversor el cual es la mejor opción para este caso.

Vo =Vin *(1 + R2/R1) (2)

Figura 3. Etapa de salida para Arduino.

Podemos observar en la Fig. 3 los valores de las

resistencias necesarios para obtener una salida de voltaje de 0-15V el problema de la corriente se resuelve gracias a que la fuente de poder nos suministra 5A máximos y a sabiendas que los amplificadores operacionales toman la corriente de su fuente de suministro para luego inyectarla directamente al servo amplificador.

V. DIAGRAMA DE CONEXIONES. Como se mencionó antes para el buen funcionamiento del

sistema el Arduino debe de contar con las etapa de acondicionamiento para señales de entrada y salida, las cuales fueron explicadas en el apartado anterior, por esta razón se tomó a bien la elaboración de un solo modulo en el cual se contendrían dichas etapas y sobre todo el Arduino Mega 2560 y así se bautizándolo como MFDA-V1.0 (Module For Data Acquisition), en la Fig. 4 podemos observar la representación física del mismo.

Figura 4. Módulo MFDA-V1.0

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Ahora en la Fig. 5 se muestra las conexiones pertinentes para el manejo del kit feedback MS-150A en las cuales se observa el módulo MFDA-V1.0 además de la unidad de carga la cual permite colocar en el eje del motor 10 niveles distintos carga al usar sus imanes para realiza un frenado contra corriente.

Figura 5. Conexiones para el sistema lazo cerrado.

VI. ANALISIS DE RESULTADOS.

Se inicia como se mencionó antes ejecutando la GUI elaborada usando GUIDE de MATLAB, esta interfaz se puede observar en la Fig. 6, donde se muestra la gráfica de la tensión del tacómetro contra el tiempo, además de otros parámetros de interés como la tensión aplicada al servo amplificador y la velocidad en RPM generada por el motor.

Se cuenta con dos botones el primero “Iniciar prueba de

realimentación” el cual sirve para dar inicio y como se explicó anteriormente este proceso tendrá una duración de 3 minutos en los cuales se puede colocar distintos niveles de carga al eje del motor y podemos observar los resultados en tiempo real en la gráfica. El segundo botón es el de “Salir” este nos sirve ya sea para cerrar todo el proceso al observar un desperfecto en la conexión o mal funcionamiento del Kit, o también sirve para cerrar la GUI luego que haya terminado los 3 minutos del proceso. Y como utilidad adicional se cuenta con una casilla en donde se coloca el nombre del archivo en Excel por si se desea, en este archivo se guardan todos los datos captados en los 3 minutos que dura la prueba y con esto se puede realizar un análisis posterior como el que se observa en la Fig. 6.

Figura 6. Interfaz gráfica para la prueba.

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Figura 7. Grafica de resultados obtenidos.

Como se puede observar en la Fig. 7, la gráfica de los

datos adquiridos durante una porción de los 3 min que dura la prueba, los cuales muestra las distintas fases del proceso ya que al principio el motor DC sufre un efecto transitorio para romper su inercia luego de esto se estabiliza, una vez estabilizado se le aplica una carga de 8 unidades las cuales provocan un una disminución en el voltaje del tacómetro pero el código realiza la corrección pertinente para volver a colocar al motor a una velocidad constante. Al observar la gráfica se puede percatar de que al segundo 185.98 realiza un aumento en el voltaje del tacómetro y esto se debe ya que en ese preciso momento se le retiro toda la carga al eje del motor, entonces al alcanzar su valor máximo (ya que el voltaje en el servo amplificador tiene un valor de 13.5V) el código realiza la corrección pertinente para regresar a su nivel de voltaje predeterminado y es así como en el segundo 210.13 el voltaje en el tacómetro corresponde a 0V pero al segundo 212.52 el código empieza a aumentar el voltaje en la entrada del servo amplificador esto a modo de regresar a su estado estable y de esta forma se concluye la prueba satisfactoriamente.

Ahora observamos de manera más minuciosa el momento

exacto en donde se le aplica la carga al eje del motor, para esto observamos la gráfica correspondiente para 3 segundos de interacción y su grafica se muestra en la Fig. 8. Además de los valores obtenidos tanto en voltaje del tacómetro como la velocidad en RPM se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Datos obtenidos para 3 segundos.

Tiempo (s) Tacómetro (V) Velocidad (RPM)

61.088271 1.30498534 446.912787

61.2203018 1.31964809 451.934279

61.3523137 1.26099707 431.848311

61.4823331 1.20234604 411.762343

61.9032142 0.70381232 241.031615

62.0351121 0.55718475 190.816695

62.168359 0.60117302 205.881171

62.297359 0.7771261 266.139075

62.4283739 0.93841642 321.375487

62.6772998 0.92375367 316.353995

62.8093975 0.8797654 301.289519

62.8420887 0.92375367 316.353995

63.072273 0.8797654 301.289519

63.1024116 0.83577713 286.225043

Figura 8. Grafica de resultados para tres segundos.

En la figura anterior podemos observar el momento justo

en el que se le coloca la carga de 8 unidades al eje del motor, la reacción que tiene este es la de reducir su velocidad ya que se requiere más torque para mantener la velocidad constante y es en este punto donde se realiza la corrección para alcanzar nuevamente al estado estable.

VII. OBSERVACIONES.

Es necesario realizar un análisis exhaustivo del sistema a

controlar antes de realizar la programación, ya que al no realizar esto se pueden encontrar diversos inconvenientes tanto en la hora de elaborar el código como en la implementación física del hardware para controlar el motor, además se tuvo que reemplazar el motor por uno del mismo modelo ya que el primero que se utilizó mostró problemas de estabilidad por el deterioro del mismo y esto causó retrasos y sobre todo daños en los circuitos de acople, aunque algunos detalles se escapen es necesario que los mismos sean mínimos para evitar que estos afecten a la hora de realizar las pruebas pertinentes.

VIII. CONCLUCIONES Y TRABAJOS FUTUROS.

Arduino en conjunto con GUIDE de MATLAB forman un

equipo potente a la hora de realizar tareas de adquisición de datos y control de sistemas, ya que la programación en ésta oportunidad fue en gran medida facilitada por éste lenguaje de alto nivel que obedece a las acciones de los diferentes botones, sliders y otros elementos gráficos que realizan una determinada acción sobre el flujo de datos. Por ejemplo la rutina de acciones sobre el motor se inicia únicamente si el botón “Iniciar prueba de realimentación” es presionado y es posible detener la ejecución de dichas acciones en cualquier momento presionando el botón salir.

A modo de trabajo futuro se planea seguir trabajando con

la línea de control Automático pero ahora utilizando la herramienta Simulink ya que al combinarla con Matlab y

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Arduino se puede obtener un instrumento de medición más eficiente y sobre todo estable al realizar la programación de los sistemas de control de lazo cerrado y así aprovechar al máximo características del mismo.

IX. AGRADECIMIENTOS.

Al Ing. Ricardo Cortez, catedrático de la asignatura Sistemas de Control Automático en la Universidad de El Salvador, ya que gracias a los conocimientos adquiridos en sus clases y sobre todo al facilitarnos los medios necesarios se pudo terminar el proyecto satisfactoriamente.

X. REFERENCIAS. [1] Guía de comunicación entre Matlab y Arduino. Disponible en:

http://www.mathworks.com/hardware-support/arduino-matlab.html

[2] Características del Arduino Mega 2560, Disponible en: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560

[3] Características del equipo Feedback MS-150A. Disponible en: http://catalogue.techno-test.com/products/6-Educational_Products/37-Control___Instrumentation/219-Feedback_MS150-Feedback_MS150_DC_Complete_Modular_Servo_System.pdf

[4] Data sheet LM348. Disponible en: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm148-n.pdf

[5] Requisitos para instalación de Matlab versión r2013a. Disponible en: http://www.mathworks.com/support/sysreq/sv-r2013a

[6] Conceptos básicos sobre Matlab Gui. Disponible en: http://www.mathworks.com/discovery/matlab-gui.html

[7] Conceptos básicos sobre Matlab Guide. Disponible en: http://www.mathworks.com/help/matlab/ref/guide.html

[8] Manual para GUIDE. Disponible en: http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/buildgui.pdf

XI. BIOGRAFÍAS DE LOS AUTORES

1) Jaime Javier Arriola Suárez. Nació en San Salvador, El

Savador en 1989. En el año 2008 inició sus estudios en la

Universidad de El Salvador en la carrera de Ingeniería Eléctrica y

actualmente se encuentra cursando su último año de estudios

superiores. Miembro de la Rama Estudiantil IEEE de la Universidad

de El Salvador desde el año 2014.

2) Xavier Alexandro Torres Amaya. Originario de la ciudad de

Sensuntepeque departamento de Cabañas, El salvador. Inició sus

estudios en el año 2007 y actualmente se encuentra cursando su

último año en la carrera de Ingeniería Eléctrica de la facultad de

Ingeniería y Arquitectura en Universidad de El Salvador, además de

ser miembro de la Rama Estudiantil IEEE de la Universidad de El

Salvador desde el año 2014.