sistema educativo para prácticas de fundamentos de automática
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SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
Autor: Martínez Marrodán, David
Director: Poncela Méndez, Alfonso Valentín
INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA Y
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Valladolid , Julio de 2013
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
Resultados, conclusiones
y futuro.
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
Introducción y objetivos
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
Introducción y objetivos
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
Introducción y objetivos
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
Resultados, conclusiones
y futuro.
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
Hardware Motorpiic
SoftwareMotorpiic
Autopiic
Resultados, conclusiones
y futuro.
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
Hardware Motorpiic
Fuente de alimentación
Base
Etapas de
potencia y control
Motor CC con
reductora
Encoderincremental
Volante de inercia
PotenciómetroConexión ordenador
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Hardware Motorpiic
Etapa de controlConector
ICD2 Reset
Entradas analógicas
Interfaz encoder
Regulador V 12-5
Conector RS232
dsPIC30F4012
MAX232
Oscilador 10 MHz
Entradas salidas
digitales y PWM
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Hardware Motorpiic
Etapa de control
dsPIC 30F4012
• Nucleo RISC.• Arquitectura MCU + DSP.• 28 patillas.• 20 entradas/salidas.• 3 temporizadores.• 1 conversor A/D multiplexado.• Interfaz de encoder incremental.• Comunicaciones: I2C, SPI, CAN, UART.
o Programado en C.o 80 MHz con reloj externo y PLL.o 20 MIPS
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Hardware Motorpiic
Etapa de potencia
MOSFETS puente H
Driver puente H HIP4081
Regulador V
Potenciómetro sensor
corriente
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Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
Hardware Motorpiic
SoftwareMotorpiic
Autopiic
Resultados, conclusiones
y futuro.
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Software Motorpiic
Estructura del programa
• Configuración de entradas/salidas.• Programación de periféricos:
Conversor A/D. PWM. Interfaz encoder. Puerto UART y tramas.
• Temporizador principal 10 ms.• Temporizador secundario 200 ms.
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Software Motorpiic
Temporizador 10 ms
• Generar señal de referencia.
• Leer los pulsos del encoder en cuadratura.
• Realizar conversión de unidades.
• Determinar el modo de trabajo.
• Cerrar el lazo para cada caso si esnecesario.
• Transmitir por el puerto serie las gráficas.
• Enviar el nuevo PWM al driver de potencia.
• Leer y enviar la corriente del motor y lainformación del potenciómetro.
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Software Motorpiic
Temporizador 200 ms
• Mantener conexión y detener equipo.
Tramas de comunicación
• 23 cabeceras Autopiic -> Motorpiic
• 3 cabeceras Motorpiic -> Autopiico Conexión.o Gráficas.o Corriente.
Nombre Descripción
KPV Variable proporcional del PI del control de velocidad.
KIV Variable integral del PI del control de velocidad.
KAV Variable del antiwindup del PI del control de velocidad.
KFV Variable de la frecuencia del PI del control de velocidad.
POS Referencia de posición absoluta en pulsos.
KPP Variable proporcional del PID del control de posición.
KIP Variable integral del PID del control de posición.
KDP Variable derivativa del PID del control de posición.
KFP Variable de la frecuencia del PID del control de posición.
KKM Valor K del motor virtual modelado.
KTM Valor tau del motor virtual modelado.
KFM Valor de la frecuencia de muestreo del motor modelado.
RLA Referencia de tensión en lazo abierto.
GON Inicia o detiene gráficas.
CON Indica que la conexión Autopiic-Motorpiic sigue activa.
SEA Establece la amplitud del generador de señal.
SEF Establece la frecuencia del generador de señal.
SEO Establece el offset del generador de señal.
SET Establece el tipo de señal del generador.
CNP Fija el espaciado entre nuevos puntos.
POT Indica la conexión o desconexión del potenciómetro de
control de offset.
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Software Motorpiic
Flexibilidad Motorpiic
• Cambio de espaciado de puntos gráficas.
o Cambio de tensión del motor.o Cambio de reductora del motor.o Cambio de encoder.
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Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
Hardware Motorpiic
SoftwareMotorpiic
Autopiic
Resultados, conclusiones
y futuro.
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Software Autopiic
Principios de programación
• Interfaz intuitivo para evitar errores de interpretación.
• Conexión robusta.
o Autopiic detecta el puerto serie de Motorpiic de modo automáticomediante sondeo.
o Autopiic mantiene la conexión activa.
• Fluidez en el intercambio de datos y doble gráfica en tiempo real.
o Dos tareas en multiprocesamiento: Comunicaciones y “graficación”.o Zedgraph -> gráficas.o Flexibilidad de puntos representados y actualización de gráficas.
• Multi-SO Windows.
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Software Autopiic
Trabajar con Autopiic
• Conectar Motorpiic a corriente y a PC.
• Esperar ventana de presentación• En caso de error…
• Ventana principal y secciones.
• Selección de experimento y conexión.
• Generador de señal.
• Control de gráficas.
• Opciones gráficas.
• Parámetros de los experimentos.
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Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
Hardware Motorpiic
SoftwareMotorpiic
Autopiic
Resultados, conclusiones
y futuro.
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Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
ModeladoControl
velocidadControl posición
Resultados, conclusiones
y futuro.
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Las prácticas
• Afianzar conocimientos.
• 3 prácticas con 2 partes.
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Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
ModeladoControl
velocidadControl posición
Resultados, conclusiones
y futuro.
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Modelado
Etapa pre-laboratorio
• Estudio eléctrico del sistema, Kirchhoff.
• Estudio mecánico del equipo.o V angular y par de salida reduciendo
a eje motor.
• Relaciones estáticas del equipo.
• Determinación de función de transferenciay diagramas de bloques.
• Implementación en Matlab-Simulink.
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Modelado
Etapa laboratorio
• Modelado estático.o Medición de velocidad y corriente ante
distintas entradas.o Cálculo R y K.o Función de transferencia.
• Modelado dinámicoo Test escalón.
• Validación del modelo.o Ec. en diferencias interna.o Simulink.
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Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
ModeladoControl
velocidadControl posición
Resultados, conclusiones
y futuro.
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Control velocidad PI con antiwindup
Etapa pre-laboratorio
• Estudio del PI• Diseño de PI para especificaciones dadas.
o Comprobación de validez física.o Cálculo del PI.
• Implementación en Matlab y Simulink.• Anti Wind-up.• Perturbaciones en carga.
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Control velocidad PI con antiwindup
Etapa laboratorio
• Comprensión cualitativa del control PI.
• Seguimiento y error ante distintas señales.
• Relación con teoría.
• Estudio anti wind-up
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Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Índice
ModeladoControl
velocidadControl posición
Resultados, conclusiones
y futuro.
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Control posición PID
Etapa pre-laboratorio
• Estudio del PID• Diseño de PD para especificaciones dadas.• Comparación PD posición con PI velocidad.• Implementación en Matlab y Simulink.• Perturbaciones en carga.• Seguimiento señales triangulares.• Diseño controlador PID y simulación.
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Control posición PID
Etapa laboratorio
• Comprensión cualitativa del control PID.
• Seguimiento y error ante distintas señales.
• Relación con teoría.
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Introducción y objetivos El equipo
Las prácticas
Resultados, conclusiones
y futuro.
Índice
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Resultados académicos
Curso 2012-2013
• 400 alumnos en grupos de 20 estudiantes.
• 2 laboratorios con 10 equipos cada uno.
• Realización de 2 primeras prácticas.
• Acceso a los alumnos fuera del horario.
Curso 2013-2014
• 10 equipos más.
• Realización de las tres prácticas.
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Resultados económicos
RESUMEN DE COSTOS ASOCIADOS
Código Descripción Coste
Capítulo 1 Herramientas 506,16 €
Capítulo 2 Software 18,73€
Capítulo 3 Etapa de potencia 953,50 €
Capítulo 4 Etapa de control 687,50 €
Capítulo 5 Maqueta 7449,75 €
TOTAL DE 25 EQUIPOS 9615,64 €
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Líneas futuras
• MAX232 -> FT232BM
• Mayor resolución encoder.
• Mejora del sensor de corriente.
• Cambio de volante de inercia.
• ¿Evolución hacia Arduino?
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Agradecimientos
GRACIAS
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Autor: Martínez Marrodán, David
Director: Poncela Méndez, Alfonso Valentín
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ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Valladolid , Julio de 2013