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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica Unidad Zacatenco
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
CONTROL DE VELOCIDAD DE UN VEHÍCULO ANFIBIO
IMPLEMENTANDO LA TELEMETRÍA.
Tesis profesional
Para obtener el título de
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
Presentan:
Espinosa Angeles Claudia Nallely
Mercado Chávez Aarón
Pichardo Hernández Édgar Adrián
Asesores:
Valverde Trujillo Erasmo
López Cárdenas Rodrigo
Vázquez Aguilera Carlos
México D. F.
Diciembre de 2010
El presente trabajo está dedicado a nuestras familias y a todas
aquellas personas que nos brindaron su incondicional apoyo
durante la carrera.
2
Agradecimientos
A nuestros padres Roberto Espinosa, Rosario Angeles, Tano, Anita, Jorge Pichardo
y Concepción Hernández, por ser las personas que siempre han estado con nosotros, nos
han dado consejos y brindado su apoyo sin esperar nada a cambio. Por todo su amor
gracias.
A nuestros hermanos Beto, Uriel y Eva porque su ayuda trasciende a que sigamos
adelante siempre.
A nuestros asesores Erasmo Valverde, Rodrigo López y Carlos Vázquez.
Al Ingeniero José de Jesús Meza Serrano por su confianza y disposición. Por
facilitarnos todo lo necesario para trabajar.
A nuestros amigos por compartir conocimientos y experiencias. Por todos los
momentos que pasamos juntos.
3
OBJETIVO
Implementar el control a distancia de la velocidad de los motores de C. D. de un
vehículo anfibio.
4
JUSTIFICACIÓN
En un vehículo autopropulsado es indispensable el uso de la telemetría para
establecer un control. Debido a que es imposible que el prototipo sea operado desde su
ubicación física, es necesaria la implementación de un control a distancia. De este modo el
vehículo posee libertad de movimiento, ya que el control se encuentra externo e
independiente. Es decir, no existe conexión física entre el vehículo y el controlador.
5
ÍNDICE
Objetivo
4
Justificación
5
Introducción
8
Capitulo 1.- Marco Teórico
10
1.1.- Aerodeslizadores
10
1.2.- Motores de C.D.
12
1.3.- Control PID
26
1.4.- Tacogeneradores
34
1.5.- DAQ USB-6008
38
1.5.1.- LabVIEW
1.6.- Comunicación por radiofrecuencia
Capitulo 2.- Prototipo físico
2.1.- Adaptación de tacogeneradores
43
45
49
49
2.1.1.- Flechas
50
2.1.2.- Acopladores
51
2.1.3.- Soportes
52
2.2.- Alimentación
Capitulo 3.- Control
3.1.- Lazo abierto
53
55
55
3.1.1.- PWM
55
3.1.2.- Aislamiento eléctrico
56
3.1.3.- Amplificación
58
3.1.4.- Potencia
60
6
3.2.- Lazo cerrado
62
3.2.1.- Retroalimentación
62
3.2.2.- Control PID
63
3.3.- Control simultaneo de dos motores
Capitulo 4.- Comunicación
67
68
4.1.- Envío de señales de control
68
4.2.- Envío de señales de retroalimentación
71
Conclusiones
73
Trabajo futuro
75
Bibliografía
76
7
INTRODUCCIÓN
Este trabajo de tesis presenta
el control de velocidad de 2 motores de C. D.
utilizando la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM). Se establece un control en
lazo cerrado proporcional, integral, derivativo (PID) por medio del software LabVIEW en
una computadora personal. Las señales de control así como las señales de retroalimentación
son generadas y adquiridas, respectivamente, por una tarjeta de adquisición de datos
modelo NI DAQ USB-6008. La velocidad de los motores, utilizada para la
retroalimentación,
es
interpretada
en
un
voltaje
analógico
proporcional
por
tacogeneradores. La señal de control entregada por la tarjeta de adquisición de datos es
aislada eléctricamente, amplificada y se introduce a una etapa de potencia que consta de un
puente H.
La aplicación del sistema de control recae en los motores de un vehículo anfibio
aerodeslizador físicamente adaptado para este fin. Este vehículo requiere que no exista
ninguna conexión física con la computadora / controlador, la cual impida su libre
movimiento. Por ello se realiza una comunicación inalámbrica por medio de
radiofrecuencia que permita el intercambio de señales de control / retroalimentación a
distancia entre el controlador y el vehículo.
El capítulo uno está enfocado a describir de manera general los conceptos más
importantes a considerar en el desarrollo del vehículo anfibio, como son los motores de
corriente directa, sus características y su funcionamiento; principios de los tacogeneradores;
el control proporcional, integral, derivativo conocido como control PID; la tarjeta de
adquisición de datos NI DAQ USB-6008 en conjunto con el ambiente de programación
LabVIEW; además de abarcar la comunicación por radiofrecuencia.
En el capítulo dos se detallan los pormenores relacionados al prototipo físico. Se
mencionan las adaptaciones necesarias para el montaje de los motores acoplados a los
tacogeneradores de corriente directa.
8
El capítulo tres está dedicado al control proporcional, integral, derivativo
implementado en los motores del vehículo aerodeslizador. Se describen las pruebas
realizadas y se muestran los diagramas de los circuitos empleados para la parte de
aislamiento eléctrico, amplificación de la señal de control y la etapa de potencia, para
finalmente obtener un control simultáneo de los dos motores.
En el capítulo cuatro se describen las etapas involucradas en la comunicación
inalámbrica entre el vehículo anfibio y el controlador. Asimismo se ilustran los diagramas
de los transmisores y receptores de RF empleados en dicha comunicación.
9
Capítulo 1.- Marco Teórico.
1.1.- Aerodeslizadores
Un aerodeslizador es un vehículo autopropulsado, de forma dinámica apoyada en un
cojín de aire autogenerado contenido en una cámara flexible de tal manera que es
totalmente anfibio y esto le permite en principio moverse sobre cualquier superficie
horizontal lo suficientemente regular como llanuras, sobre el agua, la nieve, arena o hielo,
sin estar propiamente en contacto con ella.
El primer diseño registrado de un vehículo que pudiese ser llamado aerodeslizador,
pertenece a Emanuel Swedenborg, un filósofo y teólogo sueco, que en 1716 ideó una
plataforma a cojín de aire de propulsión humana que se asemejaba a un bote volcado con
una cabina en el centro y palas en forma de remos y operadas manualmente que empujarían
el aire hacia abajo del vehículo. Este diseño nunca fue llevado a la realidad, debido a que la
simple fuerza humana no podría haber generado suficiente empuje vertical.
A mediados de la década de los 1880s, el ingeniero británico Sir John Thornycroft
construyó una serie de prototipos para pruebas de efecto suelo, basándose en la idea de usar
aire entre el casco de un bote y el agua para reducir la resistencia. Aunque llenó varias
patentes relacionadas con el concepto de cascos lubricados con aire en 1877, no se les
hallaron aplicaciones prácticas.
Se hicieron varios intentos más a lo largo de los años para reducir el arrastre en las
embarcaciones mediante aire, pero no fue sino hasta 1952 que el inventor británico
Christopher Cockerell propuso una solución práctica para un vehículo de este tipo. Por
medio de sencillos experimentos con un motor de aspiradora y dos latas cilíndricas,
Cockerell demostró el principio operativo de un vehículo suspendido sobre un colchón de
aire expulsado a presión, que hace posible que éste se mueva sobre diversas superficies. Su
mejora más significativa fue el desarrollo de un sistema periférico a chorro para mantener
el colchón de aire bajo el vehículo. Este colchón de aire sustentante le permitiría operar
sobre superficies lodosas y acuosas tanto como sobre terreno firme.
10
Diseño y operación.
La propulsión no se deriva del contacto con el agua o el suelo. En el aerodeslizador
se colocan dos hélices impulsadas por un motor eléctrico cada una. Una de ellas está
destinada a mantener una cámara de aire de baja presión en la nave. A medida que la
presión del aire está en aumento, el aire levanta la nave llenando la cámara. En el momento
en que la presión del aire es igual al peso del aerodeslizador más la cámara, el aire
comienza a escapar a través de dos agujeros hechos en la placa inferior. El aire que se
escapa crea una capa de aire lubricado entre el aerodeslizador y la superficie del suelo. Esto
dará lugar a un movimiento sin fricción del aerodeslizador, Hay que tener en cuenta que el
mínimo contacto entre la cámara y la superficie del suelo durante el movimiento es
insignificante. Es importante considerar que el peso total que puede levantar un
aerodeslizador es igual a la presión en la cámara por el área del aerodeslizador. Se necesita
una fuente constante de aire para levantar el aerodeslizador y para compensar el aire que se
pierde a través de los orificios de la placa inferior.
Figura 1.1 Aerodeslizador tipo anfibio
El flujo también debe ser mayor que la cantidad de aire que se escapa a través de los
orificios de la placa inferior. La pérdida de aire no es constante, porque no hay manera de
asegurar que el aire se escapa de manera uniforme en todo el aerodeslizador. Para mantener
11
al aerodeslizador flotando, el motor y la hélice tienen que ser lo suficientemente potente
como para proporcionar un alto flujo de aire en la cámara.
La otra hélice está colocada en el extremo posterior del aerodeslizador; ésta es la
encargada de proporcionar una fuerza de empuje hacia adelante lo cual se traduce en un
desplazamiento horizontal uniforme del aerodeslizador. En la mayoría de los vehículos
autopropulsados actuales se han implementado un par de hélices en la parte posterior para
brindarle mayor velocidad al vehículo.
1.2.- Motores de Corriente Directa (CD)
Los motores de corriente directa (CD) son ampliamente utilizados como
servomecanismos, en muchos casos, debido a la facilidad con que pueden ser controlados y
a su alta linealidad.
Un motor de CD es básicamente un transductor de par que convierte energía
eléctrica en energía mecánica. Para entender el principio de operación de un motor de CD
es necesario recordar algunos aspectos sobre magnetismo y electromagnetismo. Michael
Faraday (1791-1867) originó el concepto de líneas de fuerza magnética, también
denominadas líneas de inducción magnética, como un medio de analizar y explicar los
fenómenos magnéticos.
Figura 1.2.1 Líneas de fuerza magnética que rodean a un imán permanente
(a) Vista longitudinal. (b) Sección transversal
12
Las líneas de fuerza magnética no son más que líneas imaginarias y su dirección es
la misma que la de un campo magnético real en un punto específico. Por ejemplo las líneas
de fuerza magnética para un imán se presentan en la figura 1.2.1 (a), cada línea dibujada
representa incontables líneas de fuerza que ilustran el camino típico del campo magnético
alrededor de un imán.
Al número de líneas de fuerza magnética se le denomina flujo magnético y el
símbolo que lo representa es Φ, su unidad en el sistema inglés es el Maxwel (intercambiable
por línea en el sistema americano), su unidad en el sistema internacional es el Weberio
8
(Wb); 1 Wb = 10 Maxwels o líneas.
La figura 1.2.1 (b) muestra el flujo magnético a través de un área transversal al eje
del imán de la figura 1.2.1 (a),
Hans Christian Oersted (1777-1851) demostró una conexión directa entre la
corriente eléctrica y los efectos magnéticos introduciendo así el estudio común de la
electricidad y el magnetismo. Este desarrollo resultó en gran parte del trabajo de Faraday y
del físico escocés James Clark Maxwell (1831-1879). Oersted estableció la presencia y
dirección de las líneas de fuerza magnética alrededor de un conductor por el cual fluye
corriente eléctrica.
Figura 1.2.2 Regla de la mano derecha para un conductor
En la figura 1.2.2 (a) se ilustra la regla de la mano derecha para un con-ductor en la
cual la mano derecha sujeta a un conductor aislado por el cual fluye corriente eléctrica
13
directa, el dedo pulgar apunta en la dirección del flujo de corriente convencional i, y la
curvatura natural de los dedos restantes alrededor del conductor indican la dirección de las
líneas de fuerza magnética. Estas líneas se presentan a todo lo largo del conductor,
formando círculos concéntricos al mismo (ver figura 1.2.2 (b)), en donde la cruz dentro del
conductor indica que el flujo de corriente convencional entra al plano papel, la densidad de
flujo magnético B decrece con la distancia a la superficie del conductor. Por plano papel se
entenderá como el plano que forma la hoja de papel y que representa la vista que es
perpendicular a la figura a la que se hace referencia.
La regla anterior tiene su equivalente tomando en cuenta el flujo de corriente de
electrones, la cual se denomina regla de la mano izquierda para un conductor; en la figura
1.2.3 (a) se ilustra esta regla, donde i apunta en la dirección del flujo de corriente de
e
electrones y el punto en el centro del conductor de la figura 1.2.3 (b) indica que el flujo de
corriente de electrones sale del plano del papel.
Figura 1.2.3 Regla de la mano izquierda para un conductor.
Principio de operación de un motor de DC.
El principio de funcionamiento de un motor de CD se entenderá mejor analizando
una partícula cargada en movimiento dentro de un campo magnético. En la figura 1.2.4 (a)
se muestra un flujo de campo magnético entrando al plano papel (representado por las
cruces) de densidad uniforme B. Fuera del campo magnético se dispara una carga negativa
14
perpendicularmente al campo, con velocidad . Se observa que el curso que sigue la
partícula al entrar al campo magnético es curvo, esto se debe a que existe una fuerza
actuando sobre la carga. Bajo condiciones de laboratorio, conociendo B, q, v y la masa de la
carga y con métodos para observar y registrar la señal de la trayectoria se puede determinar
la magnitud de la fuerza actuando sobre la carga y su relación con los parámetros
electromagnéticos. El resultado es F=Bqv, en donde la fuerza se da en Newtons ( N ), la
densidad de flujo en Teslas, la carga en Culombio y la velocidad en metros/segundo.
Figura 1.2.4 Fuerza debida a la acción de un capo magnético.
(a) Carga en movimiento. (b) Conductor portando corriente eléctrica.
En la figura 1.2.4 (b), se coloca un conductor que porta una corriente en sentido
convencional dentro del campo magnético. Recordando que la corriente eléctrica es carga
eléctrica en movimiento y que la dirección convencional de la corriente es opuesta al
movimiento del electrón, hay entonces, cargas negativas moviéndose de izquierda a
derecha dentro del conductor, y que sobre estas cargas actúa una fuerza. Sin embargo,
considerando que los electrones no pueden salir del conductor, la fuerza neta se transmite al
con-ductor en dirección tal que lo mueve hacia abajo. Si t es el tiempo (en segundos) para
que la carga q recorra la longitud l del conductor (en metros), la velocidad de la carga es
v=l / t y la fuerza es F=Bql/t, sin embargo, la corriente es i = q / t (en amperios) y por tanto
la fuerza es F = Bli Newtons.
15
Figura 1.2.5 Componente de la fuerza con respecto al movimiento de una carga dentro de
un campo magnético. (a) v paralela (b) v en ángulo θ.
En la figura 1.2.4 (a), la carga eléctrica se mueve sobre un plano perpendicular a la
dirección de B. Si el movimiento es paralelo a B como en la figura 1.2.5 (a), no existe una
fuerza actuando sobre la carga y su trayectoria no se desvía. Si la velocidad inicial no es ni
perpendicular ni paralela a B, sino en un ángulo θ como se muestra en la figura 1.2.5 (b), la
fuerza sobre la carga será proporcional a su componente v sen θ, esto es F = Bq v sen θ; en
lo siguiente se considera θ = 90°. La figura 1.2.6 ilustra la sección transversal de un
conductor cuyo flujo de corriente convencional entra al plano papel, indicado por la cruz
dentro del conductor. Al aplicar la regla de la mano derecha para un conductor se observa
que el flujo magnético resultante de la corriente es en dirección de las manecillas del reloj,
y al ser colocado dentro de un campo magnético externo, el flujo magnético del conductor
obliga al flujo de campo externo a pasar por la parte superior al conductor y evita su paso
por su parte inferior. El flujo distorsionado produce fuerzas tensoras y se contrae ejerciendo
una fuerza hacia abajo sobre el conductor.
Figura 1.2.6 Fuerza sobre un conductor que porta corriente eléctrica dentro de un campo
magnético externo.
16
La acción de la fuerza ejercida en un conductor que porta corriente eléctrica dentro
de un campo magnético externo, puede deducirse mediante la regla de la mano izquierda
de la acción motor (ver figura 1.2.7), esta regla dice lo siguiente: si se extienden los dedos
pulgar, índice y medio de la mano izquierda, formando ángulos rectos entre sí y el dedo
índice apunta en la dirección del flujo magnético Φ de los polos de norte a sur y el dedo
medio apunta en la dirección del flujo de corriente convencional i en el conductor, entonces
el dedo pulgar apuntará en la dirección de la fuerza que se ejerce sobre el conductor.
Figura 1.2.7 Regla de la mano izquierda de la acción motor
La regla anterior también tiene su equivalente siguiendo el flujo de corriente de
electrones, a la cual se le conoce como la regla motor de la mano derecha, esta regla dice
lo siguiente: si se extienden los dedos pulgar, índice y medio de la mano derecha, formando
ángulos rectos entre sí y el dedo índice apunta en la dirección del flujo magnético Φ de los
polos de norte a sur y el dedo medio apunta en la dirección del flujo de corriente de
electrones i en el conductor, entonces, el dedo pulgar apuntará en la dirección de la fuerza
e
que se ejerce sobre el conductor (ver figura 1.2.8). Cualquiera de las dos reglas es válida
siempre y cuando se aplique teniendo en cuenta la dirección del flujo de corriente eléctrica
convencional o de electrones.
17
Figura 1.2.8 Regla motor de la mano derecha
Ahora, si se toma un conductor y se dobla en forma de espira, como se muestra la
figura 1.2.9 (a), con un eje imaginario sobre el cual la espira es libre de rotar, y se coloca
dentro de un campo magnético externo, y se hace pasar una corriente eléctrica a través de la
espira, en dirección de flujo convencional como se ilustra, entonces, cada conductor
experimentará una fuerza vertical, como la que se muestra en la figura 1.2.9 (b), y por
tanto, el par de fuerzas magnéticas paralelas, de igual magnitud y de dirección opuesta,
crearán un momento de torsión haciendo girar la espira en dirección de las manecillas del
reloj. Estas fuerzas y momentos de torsión son el principio de funcionamiento de un motor
de corriente directa y de algunos otros dispositivos como el galvanómetro. El punto y la
cruz dentro de los conductores en la figura 1.2.9 (b) indican la salida del flujo de corriente y
la entrada del flujo de corriente convencional al plano papel, respectivamente.
18
Figura 1.2.9 Espira dentro de un campo magnético
(a) Espira conductora portando corriente eléctrica. (b) Fuerza sobre la espira
El momento de torsión por segmento de conductor de la figura 1-11 (b) está
determinado por τz = Blir, donde τz está dado en Newton⋅metro, l es la longitud del
conductor dentro de las líneas de flujo magnético dada en metros, i la corriente eléctrica
que fluye por la espira conductora dada en amperios y r es el brazo del momento en metros.
Puesto que se origina un momento τz en cada segmento de conductor, el momento del par
de la espira es τ =2 τz o τ = Blid donde d = 2r que es el diámetro del cilindro que se forma
al girar la espira. Al variar la posición de la espira como se muestra en la figura 1.2.10 (a),
las fuerzas sobre el conductor serán iguales; sin embargo, sólo la componente tangencial F T
de esta fuerza es capaz de producir un momento de torsión. Definiendo el ángulo α como se
muestra en la figura 1.2.10 (a), FT = Bli sen α y τz = Blir sen α.
Es posible aumentar considerablemente el par si se cambia el perfil de los polos
magnéticos de una forma plana como el de la figura 1.2.10 (a) a una forma circular y los
lados de la espira se colocan sobre un cilindro de mate-rial ferromagnético, a ésta estructura
se le denomina armadura, ver figura 1.2.10 (b). Al espacio existente entre las caras de los
imanes y el cilindro de material ferromagnético se le denomina entrehierro, ver figura
1.2.10 (b). Si la longitud del entrehierro es pequeña, el flujo saldrá del polo N y entrará en
el cilindro perpendicularmente a las superficies, esto es, radialmente con res-pecto al eje del
19
cilindro. Por tanto, la fuerza magnética sobre el conductor siempre será tangencial y
completamente dedicada a generar un par magnético. El par para un motor de CD real, de
varias espiras, no es tan sencillo de calcular, ya que intervienen varios factores como lo
son: el número de conductores Z que hay en la armadura, el equivalente adimensional de la
cobertura efectiva del arco polar para hallar el número de conductores que están dentro del
campo magnético y por tanto que están funcionando (% de cobertura), el radio efectivo r de
los conductores para convertir la fuerza en un par, la corriente total de la armadura i , el
a
número D de trayectorias para-lelas del devanado, la densidad de flujo magnético B, y la
longitud l del conductor dentro del campo magnético, resumiéndose en la siguiente
fórmula:
Figura 1.2.10 Par electromagnético.
(a) Polos de carátula plana. (b) Polos de carátula cilíndrica.
Falta aclarar que cada 180° la dirección del flujo de corriente eléctrica debe
invertirse en la espira para conservar el momento de torsión en el mismo sentido, esto se
logra conectando un conmutador anular mecánico seccionado como el que se muestra en la
figura 1.2.11.
20
Figura 1.2.11 Motor básico de corriente directa
El conmutador está formado por un anillo conductor seccionado en dos segmentos
(delgas), cada segmento está conectado a cada extremo de la espira conductora y aislados
eléctricamente uno del otro. A medida que la espira gira, cada escobilla toca
alternativamente ambos segmentos del conmutador. En consecuencia, las conexiones
eléctricas se invierten a la mitad de cada revolución en el instante en que la espira es
perpendicular al campo magnético. De esta manera, el momento de torsión que actúa sobre
la espira lo hace siempre en la misma dirección y ésta gira continuamente en el mis-mo
sentido. Generalmente la armadura es el elemento del motor de CD que se encuentra
girando y los imanes son estacionarios; la parte del motor que gira se denomina rotor y la
parte estacionaria se denomina estator, pero existe un tipo de motor de CD en la que la
armadura no gira y el elemento que gira son los imanes permanentes, en este caso, el rotor
está conformado por el eje y los imanes permanentes y el estator por la armadura.
Existe otro fenómeno que se observa al mover un conductor dentro de un campo
magnético. Faraday demostró que el desplazamiento mecánico de un conductor dentro de
un capo magnético produce una corriente eléctrica. Faraday lo denominó voltaje inducido
ya que se genera sin que exista con-tacto entre el imán y el conductor; el voltaje inducido
21
también es conocido como fuerza electromotriz inducida. La Ley de Faraday se enuncia
como sigue:
“El voltaje inducido en un conductor es proporcional a la rapidez de cambio de las
líneas de fuerza magnética que atraviesan al conductor”.
La proposición de Faraday se puede cuantificar mediante la expresión
donde e es el voltaje inducido dado en V, B es la densidad de flujo magnético dada en
2
Wb/m , l la longitud en m de la parte del conductor dentro del flujo magnético y v la
velocidad traslacional o rotacional del conductor en m / s. En la figura 1.2.12 (a) se muestra
como el movimiento de un conductor dentro de un campo magnético induce un voltaje.
John Ambrose Fleming (1849-1945) creó una regla que relaciona la ley de Faraday de la
forma siguiente: si se extienden los dedos pulgar, índice y medio de la mano derecha,
formando ángulos rectos entre sí y el dedo índice apunta en la dirección del flujo magnético
Φ de los polos de norte a sur y el dedo pulgar apunta en la dirección de movimiento del
conductor, entonces el dedo medio apuntará hacia la terminal positiva del voltaje inducido,
que también es la dirección del flujo de corriente convencional i inducida en el conductor,
ver figura 1.2.12 (b).
Figura 1.2.12 Regla de Fleming. (a) Voltaje inducido en un conductor. (b) Orientación de
los dedos indicando movimiento, flujo magnético y voltaje inducido.
22
De la discusión anterior, se hace evidente que un motor de CD no solamente puede
operar como motor, sino que también puede operar como generador de CD, a los modos de
operación anteriores se les conocen como acción o modo motor y como acción o modo
generador, respectivamente.
Cuando la armadura de un motor gira a consecuencia del par que se produce por la
acción motor, actúa como generador al mismo tiempo. Como existe un campo magnético
producido por los imanes a fin de que se produzca la acción motor, ese mismo campo
genera un voltaje en los conductores de la armadura. De la ley de Faraday, la relación entre
la regla de Fleming de la mano derecha de la acción generador y la regla de la mano
izquierda de la acción motor, se aprecia que el voltaje inducido se opone a la corriente
eléctrica producida por el voltaje aplicado que causa la acción motor. A este voltaje
inducido que se opone al voltaje aplicado se le conoce como fuerza contraelectromotriz.
Aunque los motores de CD operan bajo los principios descritos en la figura 1.2.11,
existen diferentes diseños que incrementan el momento del par disponible y que lo hacen
más uniforme. Un diseño de este tipo se muestra en la figura 1.2.13; se establece un campo
magnético mayor al reemplazar los imanes permanentes por electroimanes; además, el
momento del par se incrementa y hace más uniforme al incorporar un mayor número de
espiras, cada una con un mayor número de vueltas alrededor del núcleo de hierro con
hendiduras. Nótese como el conmutador, no mostrado en la sección transversal del rotor de
la figura 1.2.13, mantiene la corriente eléctrica en las espiras tal y como se muestra en la
figura, independientemente de la orientación de la armadura, manteniendo el par siempre en
la misma dirección.
23
Figura 1.2.13 Sección transversal del rotor de un motor de CD.
Modelo teórico de un motor de imán permanente con escobillas.
Para una mejor comprensión, y para obtener el modelo teórico del motor de CD, se
utilizará el diagrama del circuito equivalente de la figura 1.2.14, que representa a un motor
de CD de imán permanente con escobillas. La armadura está modelada como un circuito
con resistencia R conectada en serie a una inductancia L y a una fuente de voltaje V que
a
a
b
representa la fuerza contraelectromotriz en la armadura cuando el rotor gira. En los motores
de imán permanente con escobillas, el campo magnético del estator se crea a partir de
imanes permanentes, y por tanto, el flujo magnético se supone constante, el flujo magnético
de los imanes permanentes está representado por el símbolo φ y por la flecha que apunta
hacia arriba en la figura 1.2.14. Los únicos métodos disponibles para controlar la velocidad
de un motor de CD de imán permanente con escobillas son la variación del voltaje aplicado
a la armadura o la variación de la resistencia de armadura agregando una resistencia
eléctrica variable en serie con el motor, éste último método cada vez es menos empleado
debido a que se desperdicia mucha potencia en la resistencia eléctrica insertada. Las
variables y parámetros del motor de CD de imán permanente con escobillas se definen
como sigue:
ia (t) = corriente de armadura, en A.
24
R = resistencia de armadura, en Ω.
a
L = inductancia de armadura, en H.
a
Va(t) = voltaje aplicado a la armadura, en V.
Vb(t) = fuerza contraelectromotriz, en V.
Kb = constante de la fuerza contraelectromotriz, en V/rad/s.
φ = flujo magnético en el entrehierro, en Wb.
TL(t) = par de carga, en Nm.
Tm(t) = par desarrollado por el motor, en N⋅m.
θ m(t) = desplazamiento angular del eje del rotor, en rad.
ωm(t) = velocidad angular del eje del rotor, en rad/s.
2
Jm = inercia del rotor y carga referida al eje de rotor, en Kg⋅m .
Bm = coeficiente de fricción viscosa equivalente del motor y carga referida al eje de rotor,
en Nm/rad/s.
Ki = constante del par desarrollado, en N⋅m/A.
Figura X.14 Modelo esquemático de un motor de CD de imán permanente con escobillas.
25
La función de transferencia entre desplazamiento angular y el voltaje aplicado al
motor de CD aplicando la trasformada de Laplace es:
La función de transferencia entre la velocidad angular y el voltaje aplicado al motor
de CD, de acuerdo al cambio de variable de s θ m(s) = ωm(s) en la ecuación anterior, es:
1.3.- Control PID
El Control PID es un mecanismo de control por retroalimentación que se utiliza en
sistemas de control industrial.
La retroalimentación puede reducir los efectos de las perturbaciones, puede hacer
que un sistema sea insensible a las variaciones del proceso.
La retroalimentación ha tenido influencia sobre la tecnología. La aplicación del
principio de realimentación ha producido grandes avances en los campos del control,
comunicación e instrumentación. El controlador PID es una implementación simple de la
idea de realimentación.
Con este curso aprenderemos que un controlador PID corrige el error entre un valor
medido y el valor que se quiere obtener calculándolo y luego sacando una acción
correctora. El algoritmo de cálculo del control PID se da en tres parámetros distintos: el
proporcional, integral y derivativo.
Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la ausencia de las
acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente comunes, ya que
26
la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso integral puede evitar
que se alcance al valor deseado debido a la acción de control.
El control Proporcional (P) siempre está presente en los sistemas de lazo cerrado
lineales. El efecto que tiene la acción proporcional sobre el comportamiento de los sistemas
es incrementar la exactitud de estos, provocando también en la mayoría de los casos un
incremento en la velocidad de respuesta, conllevando a un incremento en el sobrepaso,
causando oscilaciones en la salida. La relación entre la salida del controlador u(t) y la señal
de error e(t), para este tipo de acción proporcional es
u(t )  K P e(t )
Dicho de otra forma, la acción de control es proporcional a la señal de error; la
función de transferencia del controlador proporcional es una constante
U ( s)
 KP
E (s)
Donde K es denominada ganancia proporcional. Es importante resaltar la diferencia
P
que existe entre los términos K y K , donde el primer término indica el coeficiente estático
p
P
de error de posición y el segundo la ganancia proporcional.
El control proporcional es una de las acciones de control más fáciles de
implementar, sin embargo, si la señal de error es muy pequeña, también lo será la acción de
control, entonces, la acción proporcional podría ser insuficiente para minimizar o eliminar
el error en estado estacionario en la salida del sistema. Para eliminar este inconveniente es
necesario combinar la acción de control proporcional con otros modos de control como se
verá en las siguientes subsecciones. Otro inconveniente del control proporcional es que si la
señal de error se ve afectada por ruido, éste se amplifica, y si la ganancia proporcional es
muy grande el sistema funcionará inadecuada-mente debido al ruido. Éste controlador no
adiciona ningún polo o cero al sistema en lazo cerrado. En la figura 1.3.1 se presenta el
diagrama de bloques del controlador proporcional.
27
Figura 1.3.1 Diagrama de bloques del controlador proporcional
Control proporcional derivativo
La acción de control derivativo (D) siempre debe ir acompañada de otras acciones
de control y no puede ser aplicada sola. La definición del control derivativo indica que la
señal de control u(t) es proporcional a las variaciones de la señal de error e(t). Una
expresión que indica el comportamiento de esta acción en el dominio del tiempo es
u (t )  K D
de(t )
dt
Donde K es una constante ajustable conocida como ganancia o constante de acción
D
derivativa. La ecuación anterior hace evidente que si la señal de error tiene un valor
constante, el controlador derivativo es inactivo aún cuando el error sea diferente de cero.
Por tanto, la acción de control derivativa siempre va acompañada por la acción de control
proporcional o proporcional integral.
La acción de control derivativa tiene la desventaja de que amplifica las señales de
ruido y debido a esto puede ocasionar oscilaciones en lazo cerrado.
Al combinarse el efecto de la acción de control proporcional con la derivativa se
dice que se tiene un control Proporcional Derivativo (PD) cuyo comportamiento se define
mediante la siguiente ecuación:
u (t )  K p e(t )  K D
de(t )
dt
28
La función de transferencia del controlador PD es
U ( s)
 K P  K D s  K D (K P / K D  S )
E ( s)
En se observa, que el controlador PD adiciona al sistema en lazo abierto un cero en
s = K / K , ver figura 3.1.2 (b). En la figura 3.1.2 (a) se muestra el diagrama de bloques
P
D
del controlador PD.
Figura 3.1.2 Controlador Proporcional Derivativo, (a) diagrama de bloques, (b) ubicación
del cero en el plano s.
El control derivativo no afecta en forma directa el error en estado estaciona-rio, pero
sí adiciona amortiguamiento al sistema, por lo que se puede dar un valor más grande a la
constante proporcional, lo cual, provoca una mejora en la exactitud en estado estacionario.
Una desventaja del controlador PD es que si la señal de error e(t) contiene ruido de alta
frecuencia, éste se amplifica. En la figura 3.1.3 (a) se muestra el diagrama de bloques
reducido del controlador PD. Si la señal de error e(t) es una función rampa unitaria como se
aprecia en la figura 3.1.3 (b), la salida del controlador u(t) será como la que se muestra en
la figura 3.1.3 (c). Obsérvese nuevamente que la acción de control derivativa no se utiliza
sola nunca, debido a que sólo es eficaz durante períodos transitorios y no es capaz de actuar
ante señales de error que tienen un valor constante.
29
Figura 3.1.3 Controlador Proporcional Derivativo. (a) Diagrama de bloques. (b) Señal de
error en rampa unitaria. (c) Señal de salida del controlador PD.
Control integral proporcional derivativo
En un controlador con acción de control Integral (I), el valor de la salida del
controlador u(t) varía proporcionalmente a la señal de error e(t) conforme a la siguiente
relación
du (t )
 K I e(t )
dt
Resolviendo para u(t) se llega al por qué se le denomina acción integral, es decir, la
acción de control es la integral de la señal de error en el tiempo, como se muestra a
continuación
30
t
u (t )  K I  e(t )
0
Donde K es una constante ajustable, conocida como ganancia o constante de acción
I
integral. La función de transferencia del controlador integral es
U ( s) K I

E (s)
S
En la ecuación se aprecia que esta acción de control adiciona un polo al sistema en
lazo abierto en el origen del plano s, ver figura 3.1.4 (b), por esta razón, no se utiliza
frecuentemente esta acción de control sola, ya que contribuye a la inestabilidad en los
sistemas. En la figura 3.1.4 (a) se presenta el diagrama de bloques del controlador integral.
Figura 3.1.4 Controlador integral, (a) diagrama de bloques, (b) ubicación del polo en el
plano s.
La combinación de una acción de control proporcional, con una acción de control
integral y una acción de control derivativa se denomina acción de control Proporcional
Integral Derivativa (PID). Esta acción combinada tiene las ventajas de cada una de las tres
acciones de control individuales. La ecuación del controlador con esta acción combinada es
t
u (t )  K P e(t )  K I  e(t )  K D
0
de(t )
dt
31
Este controlador se denomina controlador PID paralelo. La función de transferencia
de éste controlador PID es
K
K s2  KPs  KI
U ( s)
 KP  I  KDs  D
E ( s)
S
S
Se aprecia que el controlador PID adiciona dos ceros al sistema en lazo abierto,
cuya ubicación sobre el plano s queda determinada por la solución del numerador y
adiciona un polo en el origen, ver figura 3.1.5 (b). La solución del numerador es
 K P  K P  4K D K I
2
S1, 2 
2K D
En la figura 3.1.5 (a) se muestra el diagrama de bloques del controlador PID paralelo.
Figura 3.1.5 Controlador Proporcional Integral Derivativo paralelo, (a) diagrama de
bloques, (b) ubicación de ceros y polo sobre el plano s.
El diagrama de bloques reducido del controlador PID básico se muestra en la figura
3.1.6 (a). Si la señal de error e(t) es una función rampa unitaria como se muestra en la
figura 3.1.6 (b), la salida del controlador u(t) es como se muestra en la figura 3.1.6(c).
32
Figura 3.1.6 Controlador Proporcional Integral Derivativo básico. (a) Diagrama de bloques.
(b) Señal de error en rampa unitaria. (c) Señal de salida del controlador PID.
Los controladores PD y PID descritos en las secciones anteriores no son aplicables a
servomecanismos debido a que presentan el inconveniente de que si la señal de referencia
es una función escalón o la señal de error con-tiene ruido, pueden observarse cambios
repentinos en la salida debido a la acción derivativa; en ciertas aplicaciones éstos cambios
repentinos resultan ser un serio inconveniente en un servomecanismo; para evitar lo
anterior se opera la acción derivativa en la trayectoria de retroalimentación a fin de que la
derivación ocurra únicamente en la señal de retroalimentación y no en la señal de referencia
ni en la señal de error. Los esquemas modificados que mejoran las características de los
controladores PD y PID son los controla-dores P-D y PI-D.
33
1.4.- Tacogeneradores
El generador tacométrico, tacogenerador, o comunmente llamado tacómetro, es un
dispositivo que produce un voltaje de salida proporcional a la velocidad rotatoria de un eje
mecánicamente controlado. La dirección de rotación define la polaridad del voltaje de
salida. El tacogenerador se puede uilizar para proporcionar retroalimentacion en velocidad
para control de movimiento y para amortiguar la respuesta en posición de servosistemas.
En cuanto a su funcionamiento, el tacogenerador tiene la misma construcción básica
que un motor de CD. Aunque es posible utilizar los motores de CD como tacómetros,
normalmente se usan dispositivos especialmente diseñados llamados tacómetros de CD.
Hay varias razones del porque se aplica lo anterior.
La primera razón y quizá la mas importante es que el tacómetro produce un voltaje
de CD que es proporcional a la velocidad del eje, esta relación es altamente lineal. Sin
embargo, es normalmente aceptable un poco de desviación de la linealidad en velocidades
por debajo de las 100 rpm, ver figura 1.4.1. Esto permite al tacómetro ser el dispositivo de
mas fácil uso como sensor de velocidad en apicaciones de control.
Figura 1.4.1. Gráfica de voltaje de salida contra velocidad angular de un tacómetro. La
línea continua indica características ideales. La línea en segmentos indica características no
ideales.
34
Una segunda razón del porque no usar un motor en tal aplicación es que el voltaje
de salida del tacómetro debe estar relativamente libre de voltaje de rizo por todo el rango de
operación del dispositivo y también debe estar libre de cambios aleatorios de voltaje
(ruido). Aunque una cierta cantidad de rizo es permisible y normalmente puede
manipularse con un filtro pasa bajas, demasiado rizo puede producir oscilaciones no
deseables en el dispositivo a controlar. En general, un motor de CD produce un rizo
demasiado grande para la mayoría de las aplicaciones de control, así que, un dispositivo
especialmente diseñado como el tacómetro es preferible.
Una tercer razón del porque no usar un motor de CD como tacómetro es el volumen
y/o peso, que es a menudo una importante consideración de diseño del sistema. Un ejemplo
es el caso de los ejes de un robot industrial donde los sensores deben transportarse a
menudo con la propia articulación.
La razón final, es que la pendiente del voltaje-velocidad angular, ver figura 1.4.1,
debe ser estable sobre el rango de temperatura de operación. Basándose en la estabilidad de
temperatura, los tacogeneradores se agrupan en cuatro clases principales determinadas por
su construcción, ver Tabla 1.4.1.
Clase
Error de Temperatura
Ultraestable
< 0.01 % por ºC
Estable
< 0.02 % por ºC
Compensado
< 0.05 % por ºC
No compensado
< 0.2 % por ºC
Tabla 1.4.1. Clasificación de tacogeneradores
Los tacogeneradores son transductores de velocidad muy exactos capaces de
alcanzar linealidades dentro del 0.2 %. A pesar de que los tacogeneradores son usados
generalmente como transductores separados, en algunas servo aplicaciones estos pueden ser
una parte íntegra de un motor. Además, los tacogeneradores están disponibles en versiones
de CD y CA (corriente alterna); la versión de CD está disponible en dos tipos, la de
escobillas convencionales y sin escobillas, este último tiene las mismas ventajas que se
35
encuentran en los motores sin escobillas: aumento de vida útil, incremento de su
confiabilidad y menor riesgo en ambientes explosivos.
El principio fundamental del tacómetro puede entenderse recordando cuando un
devanado en movimiento entra en un campo magnético se induce en él un voltaje que es
proporcional a la velocidad con que se mueve el conductor y al seno del ángulo entre la
dirección del campo magnético y el plano de movimiento del devanado; cuando este ángulo
es 90º el plano de movimiento del devanado y el campo magnético son perpendiculares y
resulta en el máximo de voltaje a desarrollarse en el devanado.
En la práctica, los devanados de cobre (o aluminio) del rotor se enrollan
longitudinalmente en una pieza cilíndrica de hierro llamada armadura como se muestra en
la figura 1.4.2, donde puede verse que las terminales del devanado se conectan a un anillo
segmentado conocido como conmutador. Aquí solo un devanado se detalla, pero habrá
normalmente varios devanados (por ejemplo, 11) igualmente espaciados alrededor de la
circunferencia de la armadura. Las secciones correspondientes del anillo conmutador tendrá
entonces dos veces el numero de devanados. El contacto eléctrico deslizante normalmente
se obtiene por un juego de dos o cuatro escobillas de carbón que mantienen una conexión
eléctrica con los segmentos del conmutador.
Figura 1.4.2 Tacómetro analógico mostrando un devanado (de varios) montado en un
núcleo de hierro.
36
Cuando un solo devanado gira en el campo magnético de un imán permanente, el
voltaje inducido varía sinusoidalmente con el ángulo del eje. Así, si la velocidad es
constante, el voltaje también será sinusoidal en el tiempo. El ensamble escobillas con el
conmutador actúa como un elemento rectificador, invirtiendo la conexión del devanado
para cada mitad de una revolución completa. De esta manera, se produce un voltaje de CD
pulsante. Los restantes devanados de armadura también producen un voltaje sinusoidal que
difiere en fase con respecto al primero y entre sí con cada devanado. Dado que los
devanados están uniformemente distribuidos sobre la superficie de armadura, el
rendimiento de voltaje neto que se obtiene en las escobillas es casi constante, es decir, de
CD. La pequeña componente de CA del voltaje que se presenta en la señal de salida se
llama rizo. Los tacómetros que actualmente se fabrican normalmente producen un nivel de
rizo de aproximadamente 3% a 5% de la salida de CD.
Una alternativa más costosa al diseño de núcleo de hierro rotatorio descrito
anteriormente es usar un diseño de bobina móvil. En este caso, una reducción significativa
en el peso del rotor se logra creando una taza hueca con los devanados del rotor, con lo
cual, la mayoría sino es que el todo el hierro de la armadura es removido.
Esto se logra fabricando una armazón de material aislante eléctrico, de forma
cilíndrica y rígida que da soporte a los devanados de cobre (o aluminio) utilizando resinas
de polímero y fibra de vidrio. Además, es posible incrementar el número de devanados, por
ejemplo 19 o 23. Al eliminar el hierro de la armadura, la inductancia de este tipo de
tacómetro se ve reducida, por consiguiente permite una disminución en el voltaje de rizo y
se obtiene un comportamiento más lineal que un dispositivo de núcleo de hierro rotatorio.
Valores típicos del nivel de rizo están en el orden del 1% de la salida de CD. Además,
debido al diseño de bobina móvil, es posible utilizar más devanados, mejorando el
desempeño a baja velocidad del tacómetro comparado con el obtenido por la versión de
núcleo de hierro rotatorio.
Debe ser claro que si un tacómetro se usa en una aplicación de alto rendimiento, la
versión de bobina móvil, es probablemente la más atractiva de los dos diseños debido a la
reducción en el peso y menor nivel de rizo en la salida. En aplicaciones donde el sensor no
es trasportado y su peso no es una consideración, el diseño de núcleo de hierro rotatorio
37
puede ser preferible debido a la reducción del costo. A pesar del hecho que en este último
caso el rizo se incrementa, aun puede manipularse con un filtro pasa bajas, aunque su
desempeño a baja velocidad todavía podría ser inaceptable en algunas aplicaciones.
1.5.- NI USB-6008
DAQ Multifunción de Bajo Costo de 12 Bits, 10 kS/s
Figura 1.5.1 DAQ NI USB-6008
DAQ NI USB 6008. Es una tarjeta de adquisición de datos de National Instruments
capaz de realizar mediciones de voltaje. Cuenta con soporte para la mayoría de los sistemas
operativos. La comunicación con la PC es a través de USB.
El USB-6008 de National Instruments brinda funcionalidad de adquisición de datos
básica para aplicaciones como registro de datos simple, medidas portátiles y experimentos
38
académicos de laboratorio. Es accesible para uso de estudiantes, pero lo suficientemente
poderoso para aplicaciones de medida más sofisticadas. Utilice el NI USB-6008 que
incluye el software registrador de datos para empezar a tomar medidas básicas en minutos o
prográmelo usando LabVIEW o C y el software de servicios de medida NI-DAQmx Base
para un sistema de medida personalizado.
Características generales

8 entradas analógicas (12 bits, 10 kS/s)

2 salidas analógicas (12 bits a 150 S/s), 12 E/S digitales; contador de 32 bits

Energizado por bus para una mayor movilidad, conectividad de señal integrada

La versión OEM está disponible

Compatible con LabVIEW, LabWindows/CVI y Measurement Studio para Visual
Studio .NET

El software de NI-DAQmx y software interactivo NI LabVIEW SignalExpress LE
para registro de datos

Consta de 12 canales compatibles con niveles TTL, compatible con lo integrados de
familia TTL. Los temporizadores de estos canales se manejan por el software. Tiene
una capacidad e corriente de 8.5 mA por canal y 10 mA entre todas las líneas.

Dos series de terminales de 14 pines cada una un total de 32 terminales en toda la
DAQ.

Un puerto de conexión USB, un led indicador de funcionamiento y usa fuente de
alimentación externa por el mismo cable USB. Tiene una serie de puertos, uno
digital de entrada salida y otro análogo usadas con funciones dobles de recepción
envió.

Posee una impedancia de entrada de 144 KΩ, al interactuar con TTL´s.

Consta del microcontrolador USB, un ADC de entrada de 8 canales de entre 12 y 14
bits y dos convertidores DAC de salida de 12 bits.
39
Resumen de especificaciones
Entradas Analógicas

Canales
8,4

Canales de una sola terminal
8

Canales Diferenciales
4

Resolución
12 bits

Velocidad de Muestreo
10 kS/s

Rendimiento
10 kS/s

Máx. Voltaje de Entrada Analógica
10 V

Rango de Voltaje Máximo
-10 V , 10 V

Precisión Máxima del Rango de Voltaje
138 mV

Rango de Voltaje Mínimo
-1 V , 1 V

Mínima Precisión del Rango de Voltaje
37.5 mV

Número de Rangos
8

Muestreo Simultáneo
No

Memoria Interna
512 B
Salidas Analógicas

Canales
2

Resolución
12 bits

Máx. Voltaje de Salida Analógica
5V

Rango de Voltaje Máximo
0V,5V

Precisión Máxima del Rango de Voltaje
7 mV

Rango de Voltaje Mínimo
0V,5V

Mínima Precisión del Rango de Voltaje
7 mV

Razón de Actualización
150 S/s

Capacidad de Corriente Simple
5 mA

Capacidad de Corriente Total
10 mA
40
Entradas / Salidas Digitales

Canales Bidireccionales
12

Canales de Entrada Únicamente
0

Canales de Salida Únicamente
0

Número de Canales
12 , 0 , 0

Temporización
Software

Niveles Lógicos
TTL

Entrada de Flujo de Corriente
Sinking , Sourcing

Salida de Flujo de Corriente
Sinking , Sourcing

Filtros de Entrada Programables
No

¿Soporta Estados de Encendido Programables?
No

Capacidad de Corriente Simple
8.5 mA

Capacidad de Corriente Total
102 mA

Temporizador Watchdog
No

¿Soporta Protocolo de Sincronización para E/S?
No

¿Soporta E/S de Patrones?
No

Máximo Rango de Entrada
0V,5V

Máximo Rango de Salida
0V,5V
Contadores / Temporizadores

Número de Contadores/Temporizadores
1

Operaciones a Búfer
No

Eliminación de Rebotes
No

Sincronización GPS
No

Rango Máximo
0V,5V

Frecuencia Máxima de la Fuente
5 MHz

Entrada Mínima de Ancho de Pulso
100 ns

Generación de Pulso
No
41

Resolución
32 bits

Estabilidad de Tiempo
50 ppm

Niveles Lógicos
TTL
Especificaciones Físicas

Longitud
8.51 cm

Ancho
8.18 cm

Altura
2.31 cm

Conector de E/S
Terminales de tornillo
Temporización / Disparo / Sincronización

Disparo
Digital

Bus de Sincronización (RTSI)
No
La tarjeta de adquisición de datos DAQ 6008 es un hardware muy potente si se usa
a la par con el software LabVIEW de NI debido a que funciona como una interface de
comunicación entre el puerto y las mediciones del mundo real.
La DAQ realiza la función de acondicionamiento de la señal y a través de la
circuitería interna sustituye componentes que se usarían en instrumentos tradicionales.
La DAQ 6008 es una serie de convertidores análogo-digitales y digitales análogos
que están controlados por un microcontrolador de no muy alta potencia, el cual interactúa
también con el sistema USB. Puede usarse en aplicaciones didácticas así como en otras más
avanzadas.
La potencia de la DAQ 6008 radica en su compatibilidad y en su fácil empleo
además de ser de bajo costo.
42
1.5.1 LabVIEW
LabVIEW constituye un revolucionario sistema de programación gráfica para
aplicaciones que involucren adquisición, control, análisis y presentación de datos. Las
ventajas que proporciona el empleo de LabVIEW se resumen en las siguientes:

Se reduce el tiempo de desarrollo de las aplicaciones al menos de 4 a 10 veces, ya
que es muy intuitivo y fácil de aprender.

Dota de gran flexibilidad al sistema, permitiendo cambios y actualizaciones tanto
del hardware como del software.

Da la posibilidad a los usuarios de crear soluciones completas y complejas.

Con un único sistema de desarrollo se integran las funciones de adquisición, análisis
y presentación de datos.

El sistema está dotado de un compilador gráfico para lograr la máxima velocidad de
ejecución posible.

Tiene la posibilidad de incorporar aplicaciones escritas en otros lenguajes.
LabVIEW es un entorno de programación destinado al desarrollo de aplicaciones,
similar a los sistemas de desarrollo comerciales que utilizan el lenguaje C o BASIC. Sin
embargo, LabVIEW se diferencia de dichos programas en un importante aspecto: los
citados lenguajes de programación se basan en líneas de texto para crear el código fuente
del programa, mientras que LabVIEW emplea la programación gráfica o lenguaje G para
crear programas basados en diagramas de bloques.
Para el empleo de LabVIEW no se requiere gran experiencia en programación, ya
que se emplean iconos, términos e ideas familiares a científicos e ingenieros, y se apoya
sobre símbolos gráficos en lugar de lenguaje escrito para construir las aplicaciones. Por ello
resulta mucho más intuitivo que el resto de lenguajes de programación convencionales.
LabVIEW posee extensas librerías de funciones y subrutinas. Además de las
funciones básicas de todo lenguaje de programación, LabVIEW incluye librerías
43
específicas para la adquisición de datos, control de instrumentación VXI, GPIB y
comunicación serie, análisis presentación y guardado de datos.
LabVIEW también proporciona potentes herramientas que facilitan la depuración de
los programas.
Con el entorno gráfico de programación de LabVIEW se comienza a programar a
partir del panel frontal. En primer lugar se definirán y seleccionarán de la paleta de
controles todos los controles (entradas que dará el usuario) e indicadores (salidas que
presentará en pantalla el VI) que se emplearán para introducir los datos por parte del
usuario y presentar en pantalla los resultados.
Una vez colocados en la ventana correspondiente al panel frontal todos los objetos
necesarios, debe pasarse a la ventana Diagram (menú Windows > Show Diagram), que es
donde se realiza la programación propiamente dicha (diagrama de bloques). Al abrir esta
ventana, en ella se encuentran los terminales correspondientes a los objetos situados en el
panel frontal, dispuestos automáticamente por LabVIEW.
Se deben ir situando las funciones, estructuras, etc. que se requieran para el
desarrollo del programa, las cuales se unen a los terminales mediante cables.
Para facilitar la tarea de conexión de todos los terminales, en el menú “Help” puede
elegirse la opción “Show Help”, con lo que al colocar el cursor del ratón sobre un elemento
aparece una ventana con información relativa a éste (parámetros de entrada y salida).
Además, si se tiene seleccionado el cursor de cableado, al situar éste sobre un
elemento se muestran los terminales de forma intermitente.
44
1.6.- Comunicación por Radiofrecuencia.
La distribución de las frecuencias del espectro radioeléctrico se ha desarrollado de
forma arbitraria, de acuerdo con los avances de las técnicas de transmisión y recepción de
señales de radio, televisión, detección y en general de todas las comunicaciones
inalámbricas.
A principios del siglo XX no existían las comunicaciones por ondas de radio o
inalámbricas como la conocemos hoy en día. Fue a partir de 1906 que la radio se comenzó
a desarrollar y la primera distribución de frecuencias para las incipientes emisoras de radio
de amplitud modulada (AM) se realizó en los Estados Unidos de Norteamérica después de
1920.
Con el desarrollo de la televisión, la frecuencia modulada (FM), el radar y un gran
número de dispositivos electrónicos que fueron apareciendo con el transcurso de los años,
fue necesario asignar un mayor número de frecuencias del espectro radioeléctrico a cada
tipo de dispositivo en particular, con la finalidad de que al funcionar no se interfirieran unos
con los otros.
Por ese motivo cada emisora de radio o de televisión, por ejemplo, tiene asignada
una frecuencia fija a la que transmite y se recibe su señal en el radiorreceptor o televisor.
De no ser así sería un caos, porque si varias estaciones de radio o televisión transmitieran
arbitrariamente en la misma frecuencia cada una, se interferirían unas con otras,
escuchándose o viéndose todas al mismo tiempo.
La asignación de las frecuencias del espectro radioeléctrico para las transmisiones
de radio y televisión generalmente la realiza el Ministerio de Comunicaciones de cada país.
La asignación de otras frecuencias utilizadas en las comunicaciones por radio se establecen
por acuerdos internacionales entre los diferentes países.
Fue el físico alemán Heindrich Rudolf Hertz (1857 – 1894), quien demostró, en la
práctica, el principio que rige la propagación de las ondas electromagnéticas de las que
45
forma parte el espectro radioeléctrico. En su honor se implantó el hertz (Hz) como unidad
de medida de la frecuencia.
El primer sistema práctico de comunicación mediante ondas de radio fue el
diseñado por Guillermo Marconi, quien en el año 1901 realizó la primera emisión
trasatlántica radioeléctrica. Actualmente, la radio toma muchas otras formas, incluyendo
redes inalámbricas, comunicaciones móviles de todo tipo, así como la radiodifusión.
La comunicación por medio de radio frecuencias tiene lugar cuando una señal, en el
rango de 30kHz a 300GHz, se propaga de transmisor a receptor. Entre estos últimos no
siempre existe lo que se conoce como línea de vista o LOS (line-of-sight) y la señal sufre
diversos efectos antes de llegar a su destino.
Figura 1.6.1 Espectro de radio frecuencias
Se dice que hay línea de vista cuando no existen obstáculos entre transmisor y
receptor en una ruta directa. Al no existir LOS, la transmisión es de tipo multi ruta. En una
transmisión de este tipo la señal sufre efectos como difracción, refracción, reflexión y
dispersión, los cuales provocan que la comunicación entre transmisor y receptor se
complete por diferentes trayectorias.
La difracción ocurre cuando la señal cambia de dirección debido al borde de un
obstáculo. A pesar de provocar pérdidas este fenómeno ayuda a la transmisión de la señal
cuando no se tiene línea de vista. Por otro lado, la refracción también tiene como
consecuencia el cambio de dirección; sin embargo, esta se da cuando la señal pasa de un
medio a otro. La refracción se produce siempre y cuando los dos medios tengan un índice
de refracción distinto. Siempre que existe refracción se produce otro fenómeno conocido
como reflexión. Sin embargo, no siempre existe refracción cuando se da la reflexión. La
reflexión de una señal se da cuando la señal choca con un objeto de dimensiones mucho
46
mayores a las de la longitud de onda, lo que provoca que un porcentaje sea transmitido y
otro sea reflejado. En el caso de conductores excelentes, la reflexión es total. Es decir, no se
refracta la señal y por tanto las pérdidas son menores. La dispersión ocurre cuando la señal
choca con objetos de dimensiones pequeñas pero numerosos entre si, como pueden ser
arbustos y señalamientos. Al chocar la señal, ésta se refleja en varias direcciones y puede
ser que se provoque un cambio en frecuencia y en la polarización de la onda
electromagnética. La dispersión solamente se da cuando la señal choca con una superficie
rugosa. En el caso de hacerlo con una superficie lisa, el fenómeno que tiene lugar es la
reflexión.
La separación Δh entre dos superficies que reflejan la misma señal indica si la
superficie es rugosa o no. Si esta separación es mayor a la existente entre la mayor y menor
protuberancia de la superficie en análisis se dice que ésta es lisa, en caso contrario se dice
que es rugosa. Para obtener el valor de Δh se utiliza la siguiente ecuación conocida como el
límite de Rayleigh:
Donde
es la longitud de onda y
es el ángulo con el que choca la señal con el
obstáculo, conocido como ángulo de incidencia.
Las diferentes señales provenientes de las distintas rutas no llegan al mismo tiempo
y con la misma intensidad. Éstas sufren retrasos y atenuaciones que dependen en general de
la longitud de la ruta tomada y del modo de propagación.
Además de los efectos antes mencionados, existe otro particular de las
modulaciones digitales. Este es la interferencia de símbolos o ISI por sus siglas en inglés
intersymbol interference. Esto ocurre cuando un símbolo anterior al que se está recibiendo
interfiere debido a una o más reflexiones. El retraso se debe a que la distancia recorrida por
la onda reflejada es mayor que la recorrida por la onda transmitida.
Es importante estudiar los efectos que sufre la señal que llega al receptor. La
relación señal a ruido, SNR (Signal to Noise Ratio) es la encargada de determinar la calidad
con la que llega una señal al receptor. El ruido afecta al sistema de comunicación desde el
47
momento que comienza el procesamiento de la señal en el transmisor hasta que ésta se
procesa en el receptor. Los efectos del ruido son de tipo aditivo y logran que decrezca la
relación señal-a-ruido.
Antenas.
Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y capturar ondas
electromagnéticas. Las antenas son usadas como interfaz entre un dispositivo guía y el
espacio libre tanto para transmisión como para recepción. Cuando se está transmitiendo, se
genera un campo electromagnético al momento de aplicarse un voltaje. En el caso de la
recepción el proceso es el inverso; es decir, al momento de captar un campo
electromagnético la antena genera como respuesta un voltaje.
El tamaño de las antenas es muy importante. Éste está relacionado con la longitud
de onda de la señal y es por lo general un submúltiplo exacto de ésta. Es por eso que a
mayores frecuencias, el tamaño de la antena es menor, es decir, son inversamente
proporcionales.
48
Capitulo 2.- Prototipo físico
2.1.- Adaptación de tacogeneradores
Una parte muy importante a considerar es la correcta adaptación de los
tacogeneradores a los motores del aerodeslizador, ya que éstos tienen que contar con una
unión lo más perfecta posible para que al momento de que el vehículo se encuentre en
movimiento no corran riesgo de caerse ya que son piezas muy delicadas y costosas, además
de que se garantiza que las mediciones obtenidas son lo más precisas.
Estos sensores de velocidad tienen un peso considerable en comparación con el peso
del prototipo anfibio, por lo que requieren de una serie de piezas mecánicas para lograr
distribuir la carga en toda la parte trasera del vehículo.
Así luce el aerodeslizador originalmente con sus motores en la parte posterior:
Figura 2.1.1 Vehículo anfibio a control remoto
Tomando en cuenta lo anterior, se dispone a la adquisición de las piezas que
cumplan las funciones solicitadas.
49
2.1.1.- Flechas
Los motores propulsan un par de hélices y éstas a su vez proporcionan la fuerza de
empuje hacia adelante que le da movimiento al vehículo anfibio. Dichas hélices necesitan
una pieza especial delgada y larga en forma hexagonal que se adapte a su centro para que
puedan introducirse por un extremo de una manera fácil y rápida, y en el otro extremo se
tenga un área suficiente para colocarse un acoplador. Éstas piezas se asemejan a un prisma
hexagonal alargado (ver figura 2.1.1.1) en cuyo centro se debe de tener un orificio pequeño
para que entre la flecha del motor y así se evite el uso de algún pegamento industrial.
Figura 2.1.1.1 Simulación de la flecha del motor para soportar la hélice
Una vez que se obtienen las medidas exactas con ayuda de un calibrador Vernier, se
mandan a fabricar en un material resistente y ligero. El resultado de estas piezas se puede
apreciar en la figura 2.1.1.2, y ya se encuentra unida al motor. En estas piezas se cuida ante
todo que la longitud sea la adecuada para evitar que peguen las hélices con cualquier otro
aditamento extra al aerodeslizador.
A las flechas se les hace una forma cilíndrica del extremo donde va el acoplador del
tacogenerador con ayuda de un Dremel o taladro de mano.
50
Figura 2.1.1.2 Flecha unida al motor con hélice montada
2.1.2.- Acopladores
Como ya se mencionó, se requiere una pieza capaz de adaptar la flecha que sostiene
la hélice con la flecha del tacogenerador. Se considera entonces los diámetros de ambas
piezas y además se busca que éstos acopladores sean ligeros y sólidos para
evitar
movimientos no deseados en ambos extremos.
Adicionalmente a estas consideraciones, se propone que las piezas cuenten con
cuatro tornillos prisioneros para sujetar ambas flechas y su colocación no sea permanente,
ya que los tacogeneradores pueden ser usados en otras aplicaciones en el futuro.
Los acopladores deben de ser concéntricos para que al momento de que gire la
flecha adaptada al motor se produzca el giro también del tacogenerador y éste pueda captar
e interpretar a cuántas revoluciones por minuto gira, traduciéndolo como un voltaje
analógico proporcional a la velocidad de giro. De no ser concéntricos, el tacogenerador
probablemente obtenga medidas erróneas ya que presentaría un movimiento irregular.
A continuación se muestra un acoplador terminado con sus tornillos prisioneros para
llave allen:
51
Figura 2.1.2.1 Acoplador para flechas de motor y tacogenerador
2.1.3.- Soportes
Para complementar la adaptación de todas estas piezas es necesario construir unos
soportes rígidos de aluminio o de algún otro metal con características parecidas. Se
pretende sujetar estos soportes a la parte posterior del aerodeslizador para que su estructura
cargue un poco el peso de los tacogeneradores.
Una de las consideraciones que se tiene que tener en mente es que las hélices tienen
que tener el espacio suficiente para girar sin encontrarse con algún obstáculo o
impedimento físico, de lo contrario si llegan a pegar contra algo se pueden dañar o romper.
Entonces el soporte se construye en lámina delgada para que pueda ser atornillado al
vehículo en un extremo, mientras que por el otro extremo se le realiza una perforación muy
pequeña y se le coloca un tornillo para cumplir con el propósito de sujetar al tacogenerador
y éste no quede suspendido en el aire. Los tacogeneradores cuentan con pequeños orificios
con cuerda especialmente para este fin. Se aprovecha un orificio de estos y se fija por
completo al vehículo anfibio.
En la figura 2.1.3.1 se puede ver como se montan estos soportes al aerodeslizador
con ayuda de tornillos y tuercas, lo cual le da bastante rigidez.
52
Figura 2.1.3.1 Soporte adaptado al aerodeslizador
2.2.- Alimentación
El anfibio cuenta originalmente con una pila recargable de 9.6 V y una corriente
cerca de 1 A, los cuales no fueron suficientes para moverlo ya que el puente H requiere
más de 10 volts y los motores demandan una corriente de 2 Ampers para moverse. Además
por la adaptación de los tacogeneradores el peso queda distribuido en la parte de atrás y
para inflar uniformemente la cámara se necesita contrapeso en la parte de adelante, así que
la pila de 12 V que sustituye a la original es acomodada enfrente donde se alojaba la
original, lo cual compensa dicho peso.
En la figura 2.2.1 se muestra la batería recargable de 12 volts requerida para que
funcionen los dos motores a la par. Es una batería de plomo marca Seltec y provee una
corriente máxima de 2.2 Ampers.
53
Figura 2.2.1 Batería de 12 volts
Finalmente los tacogeneradores quedan adaptados al vehículo aerodeslizador de
forma adecuada. En la figura 2.2.2 se observa cómo se localizan cada una de las partes
construidas y ensambladas para esta adaptación, necesaria para la obtención de la señal de
retroalimentación, que más adelante se explica detalladamente.
Figura 2.2.2 Prototipo con tacogeneradores montados
54
Capitulo 3.- Control
3.1.- Control en lazo abierto
3.1.1.- PWM
Para el control de velocidad de motores de C.D. sueles utilizarse diversas técnicas,
la más común de ellas es utilizar una señal de control modulada por ancho de pulso, al ser
modificado el ciclo de trabajo de una señal cuadrada se consigue variar la energía que llega
a la carga.
Para generar una señal PWM desde la computadora se utiliza el software de
programación LabVIEW en conjunto con la tarjeta de adquisición de datos DAQ USB6008. El diagrama a bloques y el panel frontal del programa utilizado para este fin se puede
observar en las figuras 3.1.1.1 y 3.1.1.2 respectivamente.
Figura 3.1.1.1 Diagrama a bloques del generador de PWM
55
Figura 3.1.1.2 Panel frontal del generador de PWM
Este programa produce una señal cuadrada, la cual se genera a través de una línea
digital de la tarjeta de adquisición de datos y puede ser ajustada en su periodo (frecuencia)
y ciclo de trabajo desde los controles del panel frontal.
Con este programa se puede establecer un control en lazo abierto de un motor de
C.D. Sin embargo, la DAQ nos proporciona un voltaje máximo de 5 volts y una corriente
insuficiente para que los motores puedan responder a la señal producida, por lo cual es
necesario establecer una etapa de potencia que transforme el PWM generado desde la
computadora.
3.1.2 Aislamiento eléctrico
Para comenzar con la etapa de potencia, primero debe tenerse cuidado de aislar
correctamente la tarjeta de adquisición de datos para evitar su daño en caso de corto
circuito.
56
Para este fin se utilizan optoacopladores 4N37 de 6 pines, la configuración básica de
este optoacoplador es la siguiente.
Figura 3.1.2.1 Configuración básica del optoacoplador 4N37
Por lo tanto, para utilizar estos acopladores se conecta al pin 1 la señal de entrada,
es decir, la señal PWM generada por la DAQ, aterrizada a su vez en el pin 2. La salida se
obtiene en el pin 4, mientras que el pin 5 se alimenta con una fuente independiente (fuente
de potencia).
Para limitar la corriente suelen utilizarse resistencias a la entrada y la salida que para
este caso son de 470 Ohms, garantizando que el flujo de corriente so sobrepase el valor
máximo soportado por el dispositivo.
La tierra a la entrada es la tierra de la tarjeta de adquisición de datos. El voltaje en el
pin 5 debe ser proporcionado por la batería portátil del vehículo, que en nuestro caso es de
12 volts, sin embargo, es necesario disminuir este voltaje hasta un máximo de 8 volts (dato
empírico) para que el optoacoplador funcione correctamente.
Para este fin se utiliza un simple divisor de voltaje con dos resistencias iguales de 1
kOhm conectadas en serie entre ellas y en paralelo con la fuente de 12 volts, y se toma el
voltaje de una de ellas, que teóricamente es la mitad del valor de la fuente (6 volts) con lo
que asegura que el optoacoplador será alimentado siempre con menos de 8 volts.
57
Finalmente se incluye un capacitor en el pin 4 de 1 µF para filtrar el ruido que existe
en la señal de salida.
El circuito resultante para el aislamiento de la señal PWM es el siguiente.
Figura 3.2.1.3 Circuito de aislamiento eléctrico
3.1.3 Amplificación
En teoría, la DAQ proporciona un voltaje de salida de 5 volts, sin embargo, al
presentarle carga en dicha salida, se mide un voltaje de 1.5 volts. Además, la señal, después
de pasar por el optoacoplador se atenúa hasta el orden de milivolts.
Este rango no es suficiente para que la etapa siguiente compuesta por un puente H
funcione, ya que éste requiere a sus entradas un voltaje mínimo de 2 volts para considerarlo
como un valor de 1 lógico.
Por tal motivo en necesario contar con una etapa de amplificación, y para esto se
utiliza un circuito integrado LM324 el cual está formado por cuatro amplificadores
operacionales. Se utiliza uno de ellos para construir un amplificador no inversor de
ganancia 11.
58
La ecuación de ganancia de voltaje para un circuito amplificador no inversor es la
siguiente:
Se propone Rf = 10 KOhms y Ri = 1 KOhm, entonces la ganancia queda así:
Para polarizar el amplificador operacional se utiliza la batería de 12 V pero es
necesario limitar la corriente que proporciona para no dañar al integrado. Se emplea una
resistencia de 1 KOhm para asegurar una corriente de 12 mA, suficiente para polarizar este
operacional.
El circuito resultante de la etapa de amplificación se muestra a continuación.
Figura 3.1.3.1 Amplificador no inversor de ganancia 11
59
3.1.4 Potencia
En esta etapa el puente H juega un papel muy importante, ya que es el encargado de
suministrar el voltaje y la corriente suficiente que requieren los motores del aerodeslizador.
El modelo elegido es el LMD18200 que se puede apreciar en la siguiente imagen:
Figura 3.1.4.1 Puente H modelo LMD18200
Este puente H posee una serie de ventajas a diferencia de otros modelos más
sencillos. Principalmente destaca por tener un pin de entrada de señal PWM y otro pin de
signo con lo cual se manipula la dirección y velocidad de los motores con estas dos líneas.
El puente H recibe una señal de PWM de baja potencia, comúnmente no mayor a 5
volts y corriente del orden de miliamperes y es capaz de proporcionar una salida de hasta
60 volts a 3 amperes. En este caso se obtiene a la salida un voltaje de 12 volts modulado en
ancho de pulso y una corriente de 1 Amper para cada motor.
La configuración recomendada para un óptimo funcionamiento de este dispositivo
es la que se muestra en la figura 3.1.4.2; cabe señalar que los pines 8 y 9 no necesariamente
deben estar conectados, ya que su uso es para otras aplicaciones ajenas a las que se realizan
con el control de la velocidad de los motores.
60
Figura 3.1.4.2 Esquema de conexión del puente H
Debido a la corriente que exigen los motores de C.D., es indispensable el uso de un
par de capacitores de carga en paralelo con la fuente de alimentación (batería de 12 volts),
uno de ellos de 2200 µF y otro de 1 µF, con lo que se garantiza que la corriente se
mantendrá hasta en 2 Amperes para el correcto funcionamiento de los motores.
El diagrama a bloques del control en lazo abierto se presenta a continuación.
Figura 3.1.4.3 Diagrama a bloques del control en lazo abierto
61
3.2.- Lazo cerrado
3.2.1.- Retroalimentación
Para la utilización de un control en lazo cerrado es necesario contar con una
medición de la variable a controlar. La velocidad de los motores es medida con un par de
tacogeneradores que producen un voltaje proporcional a la velocidad.
El modelo de Tacogenerador utilizado es el SERVO-TEK SA-7388F-1, que
proporciona 7 volts cada 1000 rpm.
Esta medición de velocidad traducida en voltaje, se utiliza como retroalimentación
para efectuar un control PID en el software de programación LabVIEW. La señal de voltaje
se introduce a la computadora a través de la tarjeta de adquisición de datos DAQ USB-6008
por una de sus entradas analógicas.
Si tomamos en cuenta que los motores giran a un máximo de 4000 rpm, tendremos
una salida de 30 volts máxima, la DAQ solo es capaz de leer voltajes analógicos en un
rango de -10 a 10 volts, por lo que una señal de 30 volts dañaría el dispositivo. De hecho, es
recomendable que a la tarjeta de adquisición de datos no se le suministre un voltaje mayor a
5 volts. Por esta razón se incluye un circuito atenuador de voltaje compuesto por un divisor
de voltaje con resistencias de precisión. El rango de entrada es de 0 a 30 volts y el de salida
de 0 a 5 volts. Además, se sabe que el tacogenerador por su composición mecánica, añade
ruido eléctrico en su salida, por lo cual se utilizo un capacitor de 680 µF en paralelo para
eliminar en gran medida este ruido.
El circuito utilizado en la adquisición de la retroalimentación es el siguiente.
62
Figura 3.2.1.1 Circuito atenuador para retroalimentación.
El voltaje de rango 0-5 volts es seguro para la DAQ, además de que la corriente
también se limita gracias a las resistencias empleadas, siendo ésta no mayor a 3 mA.
3.2.2.- Control PID
En las secciones anteriores se explica la manera de generar un PWM, de modificarlo
hasta que pueda hacer funcionar a los motores y además, se explica la manera de obtener
una medida de velocidad de los mismos. Con esto es suficiente para implementar un control
en lazo cerrado utilizando la técnica de control PID.
Este control se lleva a cabo por software en la computadora. A continuación se
presenta el programa en LabVIEW que incluye la adquisición de la velocidad por medio de
una entrada analógica de la DAQ, el control PID efectuado internamente y la posterior
señal de control enviada al exterior por una línea digital.
El panel frontal del programa (figura 3.2.2.1) incluye varios controles. Una perilla
para seleccionar la velocidad deseada, en un rango de 0 a 5 niveles; un control numérico
para ajustar el periodo de la señal de control PWM y tres controles numéricos con las
ganancias proporcional, derivativa e integral para sintonizar el controlador.
En el diagrama a bloques (figura 3.2.2.2) se aprecia el bloque DAQ Assistant, que
recibe el dato de retroalimentación y el bloque PID, el cual recibe la señal deseada (set
point) a través de la perilla del panel frontal, la señal de retroalimentación de velocidad y
63
los valores de las constantes p, i y d, con lo cual calcula la señal de control enviada al
exterior en forma de PWM.
El bloque PID tiene en su interior el código presentado en la figura 3.2.2.3.
Figura 3.2.2.1. Panel frontal del programa para controlar por PID un motor.
64
Figura 3.2.2.2. Panel frontal del programa para controlar por PID un motor.
Figura 3.2.2.3. Programación del bloque PID
65
Con este programa en conjunto con la electrónica vista anteriormente, se logra
controlar la velocidad de un motor de C.D.
El diagrama a bloques del control en lazo cerrado es el siguiente.
Figura 3.2.2.4. Diagrama a bloques del control en lazo cerrado
66
3.3.- Control simultaneo de dos motores
Para efectuar el control simultáneo de dos motores simplemente se duplica el
programa que es para un solo motor. También se construye la electrónica necesaria para
ambos motores, es decir, un optoacoplador, amplificador y puente H para cada uno. Para
comunicarse con la computadora se utiliza la misma DAQ en dos líneas analógicas
diferentes para adquisición y dos líneas digitales diferentes para generar dos PWM
independientes.
Además, como la idea de todo esto es que el usuario que controle el vehículo
aerodeslizador pueda ser cualquier persona, en el panel frontal del programa de control
simplemente se encuentran perillas independientes para ajustar la velocidad de cada motor.
Estableciéndose la sintonización del PID por software por medio de constantes y
ajustándose el periodo de la señal de control a un valor razonable.
67
Capítulo 4.- Comunicación
4.1.- Envío de señales de control
Una vez establecido y ajustado el control de los motores, es necesario que el
aerodeslizador tenga una movilidad total sin conexión física que lo limite en su
desplazamiento. Para esto se requiere que las señales de control y de retroalimentación sean
enviadas de forma inalámbrica desde la computadora hasta los motores del anfibio.
La técnica que se implementa para cubrir este propósito es la comunicación por
radiofrecuencia.
La señal de control PWM es una señal digital que se puede transmitir por una línea;
por lo tanto se requieren dos líneas para poder enviar ambas señales PWM para cada motor
al mismo tiempo.
Esta transmisión es posible gracias a la utilización del par de módulos de RF de bajo
costo TWS-BS-3 y RWS-434. Dichos módulos trabajan a una frecuencia de 433.92 MHz y
su rango de voltaje abarca desde los 2.4 V hasta los 12 V, poseen alta inmunidad al ruido
por lo que son una herramienta adecuada para los elementos disponibles.
Estos módulos pueden enviar una palabra de 12 bits, compuesta por 8 bits de
dirección y 4 bits de datos.
Como las señales de control son puramente digitales, son enviadas desde el módulo
transmisor ubicado a la salida de la DAQ por dos de los cuatro bits disponibles de datos. El
receptor se encuentra en el vehículo anfibio y se encarga de entregar las señales de control a
las etapas de amplificación y potencia, para finalmente llegar a los motores y el usuario
pueda controlar la velocidad del aerodeslizador a distancia.
En la figura 4.1.1 se muestra el módulo transmisor de RF y en la figura 4.1.2 el
módulo receptor.
68
Figura 4.1.1 Módulo TWS-BS-3 transmisor
Figura 4.1.2 Módulo receptor RWS-434
Estos módulos están diseñados para trabajar en conjunto con los codificadores y
decodificadores HT12-E y HT12-D. Las conexiones entre estos dispositivos se muestran en
la figura 4.1.3 y 4.1.4 respectivamente.
69
Figura 4.1.3 Circuito del transmisor
Figura 4.1.4 Circuito del receptor
Los circuitos codificador y decodificador hacen el complemento en la comunicación
de las señales de control. En el apartado siguiente se describe la comunicación del vehículo
hacia la computadora.
70
4.2.- Envío de señales de retroalimentación
Ya se mencionó como se establece la comunicación entre el usuario y el
aerodeslizador, pero ahora es conveniente mencionar el proceso de envío de la señal del
tacogenerador hacia la DAQ.
La técnica es la misma que la del envío de señales de control, pero esta vez se tiene
que adaptar la señal analógica entregada por el tacogenerador para que pueda ser
transmitido por un par de módulos similares.
Primero que nada se requiere que la señal analógica sea convertida en una señal
digital. Para esto se emplea un convertidor ADC de 4 bits con un rango de entrada de 0 a 15
V. Se utiliza el circuito ICL 7135 quien es el encargado de la conversión analógica –
digital. La disposición de los pines se muestra en la figura 4.2.1.
Figura 4.2.1 Vista superior del circuito ICL7135
Este convertidor nos entrega en sus pines 17, 18, 19 y 20 la señal del tacogenerador
expresada en forma digital con 4 bits. Este código posteriormente se entrega al circuito
HT12-E para que lo mande por el módulo transmisor.
71
En el otro lado se encuentra el módulo receptor con su decodificador HT12-D el
cual se encarga de entregarle el dato a la tarjeta de adquisición de datos NI DAQ USB6008. Ésta a su vez ingresa a la computadora el dato codificado de 4 bits y el programa en
LabVIEW conoce lo que representa ese dato. La computadora finalmente realiza el control
y envía el nuevo valor de PWM.
72
CONCLUSIONES
Este trabajo de tesis presenta un control de velocidad de motores en lazo cerrado. La
mayoría de los vehículos aerodeslizadores de este tipo presentan una implementación de
control ON-OFF en lazo abierto en donde el usuario no tiene opción de variar la velocidad
a placer y mucho menos ajustarla de manera precisa.
La implementación de la telemetría es indispensable para esta aplicación debido a
que el prototipo no puede traer consigo un controlador o mando, que en este caso es una
computadora personal.
A lo largo del desarrollo de este trabajo, se fueron desglosando cada una de las
partes que conforman el control en lazo cerrado de un motor de C.D., con el método de
control proporcional, integral derivativo.
Debido a la dificultad para obtener un buen acoplamiento físico entre los motores de
C.D. y los tacogeneradores, se encontraron deficiencias físicas que repercutieron en el giro
tanto de los motores como de los sensores de velocidad.
Se utilizó una técnica de modulación por ancho de pulso PWM para controlar la
cantidad de energía que se envía a la carga, el cual fue generado por software con la ventaja
de tener una mejor resolución.
Se simplificó la etapa de adquisición de datos gracias a las ventajas que ofrece el
uso de una tarjeta de National Instruments DAQ USB-6008, ya que esta tarjeta se comunica
fácilmente con el software LabVIEW, el cual también fue utilizado para establecer el
control PID.
Al trabajar con motores de C.D. es importante conocer el consumo real de corriente
que demandan al trabajar con carga, ya que eso nos ocasionó tener que sustituir la batería
original por una de mayor capacidad de corriente y voltaje.
73
La electrónica presentó varios problemas inesperados que fueron resueltos sobre la
marcha, por ejemplo el uso de divisores de voltaje, de resistencias de protección y filtros de
señal.
El fin de este trabajo es aplicar los conocimientos de control adquiridos en la
especialidad, así como la técnica de telemetría en un prototipo físico. A pesar de
encontrarse con diversas dificultades en el desarrollo del trabajo, se logro el objetivo de
controlar la velocidad de los motores de C.D. de un aerodeslizador a distancia.
74
TRABAJO FUTURO.
El presente trabajo puede ser mejorado notablemente llevando a cabo un conjunto
de ideas que se describen a continuación.
Primero que nada se desea que el vehículo anfibio sea alimentado por medio de
energía solar. La propuesta consiste en utilizar fotoceldas. Esta propuesta es factible, ya que
el aerodeslizador se encuentra la mayor parte del tiempo en exteriores y su estructura física
permite la colocación de un par de celdas solares sobre él.
Aunado a esto, se desea que el anfibio cuente con sensores de proximidad para
reconocer obstáculos y demás elementos del terreno y así pueda tomar decisiones al
respecto.
En conjunto con los sensores, podría montarse una cámara de video con la única
limitante de no exceder el peso soportado por el vehículo.
El fin último del control de motores es conseguir que el prototipo realice
trayectorias específicas programables. Para esto se requiere de un sensor de
posicionamiento en 2 dimensiones y cerrar ese lazo de control. Este último punto es el de
mayor relevancia y el más interesante. Representa una nueva meta a alcanzar y una
motivación para no abandonar este proyecto.
Finalmente una idea de aplicación real que englobe varios puntos citados y además
sea en beneficio de la sociedad es la utilización de este aerodeslizador para la limpieza y
mantenimiento de albercas y lagos artificiales y naturales.
75
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