1) El documento describe un experimento de control analógico de un servomecanismo usando un equipo de laboratorio. 2) El equipo contiene módulos como un servoamplificador, motor de corriente continua, potenciómetros y otros elementos para realizar bucles de realimentación y control de posición y velocidad. 3) Se explican conceptos teóricos como sistemas de control en bucle cerrado y la respuesta transitoria de un motor ideal para analizar el comportamiento del sistema.

1. Práctica 3
CONTROL ANALÓGICO DE UN
SERVOMECANISMO
3.1 Introducción
El objetivo fundamental de esta práctica es la aplicación de una serie de conceptos generales
de la Teorı́a del Control Automático a un equipo de laboratorio. El equipo está constituido
por un diversos módulos cuyo núcleo principal es el conjunto servoamplificador-motor de
corriente continua. Los conjuntos servo-motor tienen una gran aplicación en la práctica, pues
son los elementos esenciales para el posicionamiento angular. Se encuentran en aplicaciones
variadas, tales como el movimiento de las articulaciones de los robots, orientación de objetos
(antenas, cámaras ...), etc.
El sistema MS150 de FeedBack Ltd. tiene carácter educacional, pero sus propiedades son
similares a las de muchos de los equipos que se usan habitualmente en la industria.
Aunque será necesario tratar algunos temas propios de otras disciplinas, la práctica se ori-
entará conceptualmente en el sentido de mostrar los elementos y estructuras básicos de la
Teorı́a del Control Automático.
Los aspectos básicos que debe desarrollar el alumno en el laboratorio para considerar aceptado
su trabajo se recogen a continuación, indicando los apartados del capı́tulo a los que se refiere.
El resto de los apartados, si bien no son obligatorios, serı́a recomendable que el alumno los
desarrollara también.
1. Apartado 3.6.1: Sistema simple de control de velocidad. Se analiza la respuesta
en velocidad del sistema en bucle abierto y bucle cerrado, estudiando las ventajas
e inconvenientes de la realimentación en el comportamiento dinámico del sistema y
1

2. 2 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
rechazo de las perturbaciones.
2. Apartado 3.6.2: Estudio de la zona muerta. Se estudia en este apartado el efecto
de la zona muerta (no linealidad) en el control, dado que es un aspecto muy común en
este tipo de dispositivos.
3. Apartado 3.6.3: Sistema simple de control con realimentación de velocidad
y posición. Es el apartado más importante de la práctica, pues se estudia un esquema
mediante el cual se puede conseguir un comportamiento muy aceptable del sistema en
bucle cerrado con el simple uso de dos potenciómetros y dos bucles de realimentación.
3.2 Requerimientos de la práctica y consideraciones de in-
terés
1. Verificar antes de comenzar la práctica que se dispone de todos los instrumentos y
módulos que se relacionan a continuación:
(a) Generador de funciones.
(b) Osciloscopio.
(c) Cables.
(d) Fuente de alimentación PS150E.
(e) Unidad motor-tacómetro MT150F.
(f) Servo-amplificador SA150D.
(g) Unidad atenuadora AU150B.
(h) Potenciómetros de entrada y salida 150H y 150K.
(i) Unidad preamplificadora PA150C.
(j) Unidad operacional OU150A.
(k) Unidad de carga 150L.
2. Al comenzar a operar con el sistema, verificar que el interruptor de alimentación general
de la mesa de laboratorio está encendido. IMPORTANTE: NO ENCENDER la
fuente de alimentación de los equipos hasta que estén terminados los cableados indicados
en los esquemas.
3. Notación:
c.c.: Corriente continua.
V.: Voltios.
A.: Amperios.
4. Para simplificar los diagramas de circuitos no se mostrarán las conexiones de ali-
mentación del módulo PS150E (fuente de alimentación) al servo-amplificador SA150D.
5. Todos los elementos deben ser alimentados desde la fuente de alimentación para su
correcto funcionamiento (los que necesiten dicha alimentación).

3. Laboratorio de Control Automático 3
3.3 Breve revisión de conceptos fundamentales
3.3.1 Caracterı́sticas de los motores de c.c.
En este apartado se explican brevemente los dos tipos de conexiones básicas para el control
de un motor de c.c.: conexión por armadura y conexión por campo.
El motor de c.c. se alimenta de un grupo servo-amplificador que contiene dos transistores de
conmutación que permiten mover el motor en ambas direcciones. El sentido de giro depende
de cuál de las dos bobinas de excitación es alimentada a través de los transistores y la
velocidad depende de la tensión aplicada a la entrada del servo.
En la conexión por armadura, la armadura del motor se conecta a los emisores de los
transistores y las bobinas de campo a los colectores, mientras que en la conexión por campo
la armadura se conecta a los colectores de los transistores de potencia.
Con las conexiones por armadura, el hecho de que la fuerza contraelectromotriz de la ar-
madura aparezca entre el emisor y tierra requiere que crezcan las tensiones de alimentación
para aumentar la velocidad del motor, y si no hay carga en el motor, la velocidad es direc-
tamente controlable por la señal de entrada. Si el motor se carga, la velocidad disminuye y
la intensidad aumenta si la entrada permanece constante y el par aumenta para mantener la
carga en movimiento. Se necesita un voltaje mı́nimo para que el motor empiece a girar.
En el caso de la conexión por campo, la corriente que circula por el transistor depende
fundamentalmente de la señal de entrada. Por tanto cuando se alcanza el valor mı́nimo
para que el motor gire, estando éste descargado, la velocidad aumenta mucho más rápido
para pequeños incrementos en la señal de entrada. Esto hace que el motor sea muy difı́cil
de controlar, incluso cuando está cargado. Este montaje tiene una ganancia mayor, hecho
que será interesante en determinados conexionados (realimentación con red de avance) para
conseguir una constante de tiempo fija en la cadena directa, como se analiza posteriormente.
3.3.2 Sistema en bucle cerrado
El esquema fundamental del sistema de control automático en bucle cerrado objeto de este
capı́tulo se muestra en la Fig. 3.1.
Las señales de entrada y salida se comparan para producir una señal de error con la que
alimentar la llamada cadena directa, es decir, las componentes del sistema entre la señal de
error y la salida final que se mide. En un sistema de posicionamiento angular la cadena
directa normalmente toma la forma de un amplificador que alimenta un servomotor que
alcanza una posición angular determinada. Esta descripción se puede resumir en las siguientes
caracterı́sticas, que definen un sistema de control en bucle cerrado:

4. 4 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
AMPLIFICADOR MOTOR
TRANSDUCTOR
TRANSDUCTOR
ENTRADA SALIDA
CADENA DIRECTA
Figura 3.1: Elementos de un sistema de control en bucle cerrado
1. Existe una comparación entre la entrada y la salida para producir un error.
2. El error es la señal con la que se actúa sobre el sistema.
3. Hay una ganancia desde la señal de error a la de salida.
En muchos casos se hace necesario utilizar transductores a la entrada y en el bucle de re-
alimentación para convertir unas señales (ángulos u otras variables) en otras (normalmente
tensión), de forma que puedan ser comparadas sencillamente para producir la señal de error.
En el caso de la Fig. 3.1 el transductor en la lı́nea de realimentación puede ser un tacogener-
ador que proporcione una tensión proporcional a la velocidad angular de salida. La parte del
sistema usada para comparar la entrada y la salida para producir un error se suele denominar
normalmente canal de error.
La gran ventaja de un sistema de control en bucle cerrado es que al ser la señal de error la
que actúa sobre la cadena directa, puede compensar las variaciones de la salida respecto a la
referencia que se le fija. Estas variaciones pueden ser producidas por cargas externas, cambio
de los parámetros fundamentales del sistema etc.
La desventaja fundamental de los sistemas realimentados es debida a que el sistema tiende
a adoptar una respuesta oscilatoria e incluso inestable debido a su propia naturaleza o a
retardos dentro del bucle de control.
3.3.3 Respuesta transitoria de un motor ideal de c.c.
En un motor ideal de c.c. existe un retraso entre la aplicación de una tensión a la entrada en
forma de escalón (cambio brusco de la referencia en tensión) y la respuesta del motor. Esto
es debido esencialmente a que la entrada produce una corriente que da lugar a un par que
acelere el motor y este par debe actuar cierto tiempo antes de que el motor haya acelerado
hasta alcanzar la velocidad requerida.

5. Laboratorio de Control Automático 5
En un control ideal por armadura en el que la fricción constante de las escobillas es desprecia-
ble respecto al par generado por el motor, la velocidad del motor responde exponencialmente
a un escalón en la entrada. La relación tiene la misma forma que la respuesta de un circuito
RC a un cambio de tensión en forma de escalón. Esta respuesta está caracterizada por una
constante de tiempo que es igual al tiempo que tardarı́a el sistema en alcanzar la referencia si
la pendiente inicial de la respuesta se mantuviera constante. En un motor esta constante de
tiempo depende de parámetros mecánicos (inercia y fricción viscosa) y eléctricos (resistencia
de la armadura y fuerza contraelectromotriz). Es fácil comprender que si se añade inercia al
motor la respuesta es más lenta.
En motores pequeños, como el MT150F, el par generado por la fricción en las escobillas, que
es prácticamente constante, es comparable con el par generado para que gire el motor y como
resultado, la variación de velocidad no sigue una ley exponencial como se ha indicado con
anterioridad.
En la mayorı́a de los análisis introductorios de control de motores de corriente continua, se
asume que la cadena directa tiene una función de transferencia de la forma:
θ0(s)
E(s)
=
K1
s(1 + τs)
(3.1)
que desde el punto de vista eléctrico corresponderı́a a un motor controlado por armadura
(siendo θ0 la posición angular y E(s) la señal de error de posición). En motores pequeños
tales como el utilizado en esta práctica no es posible determinar una constante de tiempo única
para el motor debido al efecto dominante de la fricción en las escobillas que es sustancialmente
dependiente de la velocidad. El efecto de la fricción en las escobillas puede ser representado
asumiendo que el motor tiene una constante de tiempo que varia con la velocidad actual del
motor, de forma que un modelo lineal es sólo válido para pequeñas variaciones alrededor de
una velocidad particular (modelo lineal de trabajo en torno a un punto de operación).
Asimismo, conviene indicar que es posible obtener una constante de tiempo más uniforme
aumentando la inercia y el par de frenado en la salida del sistema.
3.3.4 Análisis de un sistema simple de control de posición
Un sistema simple de control de posición se ha mostrado en la Fig. 3.1. En el caso que
nos ocupa, la señal de error se amplifica y se usa para excitar la armadura de un motor de
corriente continua que gira el eje de salida a través de una reductora. Para obtener una
expresión analı́tica del sistema es necesario inicialmente obtener ecuaciones que describan el
comportamiento del motor ideal.

6. 6 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
Respuesta en velocidad del motor.
Un motor controlado por armadura puede representarse de la forma indicada en la Fig. 3.2.
Suponiendo que las magnitudes se encuentran en las unidades adecuadas y compatibles, se
pueden obtener las relaciones que rigen el comportamiento del motor.
Ra
Vs Ia
J
Θ
F
Figura 3.2: Representación del motor.
El par motor es proporcional a la corriente que circula por la armadura, por tanto T = KtIa,
donde T es el par, Kt (N m/amp) es la constante de par e Ia es la corriente que circula por
la armadura que a su vez depende de la diferencia entre la tensión aplicada Vs y la fuerza
contraelectromotriz generada Kbθ̇,
Ia =
Vs − Kbθ̇
Ra
donde θ̇ es la velocidad y Kb (V./rad/s) es la constante de la fuerza contraelectromotriz
generada.
El par motor se usa para acelerar la inercia total del motor y la carga (J) y vencer la fricción
viscosa, obteniendo:
T = J
dθ̇
dt
+ Fθ̇
donde F es la fricción viscosa constante (N m/rad/s).
Estas ecuaciones se pueden combinar de forma que se elimine el par y la corriente por la
armadura dando lugar a:
JRa
FRa + KbKt
dθ̇
dt
+ S =
Kt
FRa + KbKt
Vs

7. Laboratorio de Control Automático 7
Como se desprende de la fórmula (ecuación diferencial de primer orden), si se aplica un
cambio brusco de tensión a la entrada, el sistema evolucionará como un sistema de primer
orden lineal con una constante de tiempo
τm =
JRa
FRa + KbKt
El factor Kt/(FRa+KbKt) indica con qué rapidez el motor puede girar por voltio de corriente
continua aplicado, y se denomina constante de velocidad Ks. Una propiedad general de
cualquier sistema cuyo comportamiento esté regido fundamentalmente por una constante de
tiempo es que dicho sistema alcanza el 63 % de su valor final en un tiempo τ. De este modo
se puede estimar la constante de tiempo de un sistema a partir de la respuesta a un escalón
en bucle abierto de la señal de entrada.
Respuesta en posición del motor
La relación de la respuesta en frecuencia entre los voltios a la entrada y la velocidad del motor
viene dada por
θ̇(jw)
Vs(jw)
=
Ks
(1 + jwτm)
Es claro que debido a la integración para pasar de velocidad a posición, la respuesta en
posición vendrá dada por la relación
θm(jw)
Vs(jw)
=
Ks
jw(1 + jwτm)
Expresiones para el bucle cerrado
Suponiendo que el error entre la posición angular de entrada y la de salida (E = θi − θo) se
convierten en tensión por medio de transductores y se amplifica (Vs = EKg) y teniendo en
cuenta las relaciones anteriores, ası́ como la reductora (θo = θm/N, siendo N la relación de
reducción de los engranajes) se obtiene la relación:
θo(jw) =
KgKs/N
jw(1 + jwτm)
E(jw)

8. 8 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
Sustituyendo la relación que da el error se obtiene
θo(jw)
θi(jw)
=
Kv
jw(1+jwτm)
1 + Kv
jw(1+jwτm)
=
Kv
jw(1 + jwτm) + Kv
donde Kv = KgKs/N es la constante de error en velocidad. Si se compara con la función
de transferencia tı́pica de un sistema de segundo orden se pueden obtener los parámetros
fundamentales que describen este tipo de sistemas (wn: frecuencia natural y δ: factor de
amortiguamiento):
wn =
Kv
τm
; δ =
1
2
√
Kvτm
Constante del error en velocidad Kv.
Como se ha indicado anteriormente, da la relación entre la velocidad angular de salida por
unidad de error a la entrada, siendo sus unidades:
rad/s en salida
rad error
Este es un factor muy importante a la hora de determinar el seguimiento en régimen per-
manente. Si se mantiene a la entrada una referencia que gire a velocidad constante, tras un
transitorio la salida girará a la misma velocidad que lo hace la entrada, pero con un desfase
tal que proporcione la señal de error necesaria para conseguir que la salida gire a la misma
velocidad que la entrada. Para una velocidad angular dada a la entrada ˙
θi, el error viene dado
por E = ˙
θi/Kv. Aumentando Kv se reduce el error de seguimiento en régimen permanente,
pero se incrementa la oscilación que se produce en régimen transitorio, por lo que hay que
llegar a un compromiso entre ambos requerimientos.
3.4 Breve descripción de los instrumentos
3.4.1 Fuente de alimentación PS150E
La unidad suministra una corriente continua de 24 V., 2 A., no regulada al motor a través de
un conector de 8 pines al servo-amplificador, que es el quien controla el motor. En el panel
frontal hay dos conjuntos de terminales de 4 mm que dan tensiones c.c. estabilizadas de ±
15V, 50 mA, para alimentar los amplificadores pequeños y para tensiones de referencia.

9. Laboratorio de Control Automático 9
com
-15
15
com
-15
15
Figura 3.3: Fuente de potencia FPS150E
3.4.2 Unidad motor + tacómetro MT150F
Esta unidad consta de tres partes:
1. Un motor serie de c.c., con un eje extendido sobre el cual se puede fijar un freno
magnético o el disco de inercia.
2. Integrado en la unidad hay un taco-generador de c.c. con salida en la parte superior. El
tacómetro consta de un generador de corriente continua que da una tensión proporcional
a la velocidad de rotación seguido de un filtro RC para disminuir el rizado. La constante
tacométrica (voltios generados/1000 r.p.m. del eje del motor), que se puede medir en
el laboratorio, es de aproximadamente 3 V./1000 r.p.m.
3. Para experimentos de control, hay un eje de baja velocidad arrastrado por una caja de
reducción de relación N=30:1. Un acople especial puede unir este eje a un potenciómetro
de salida.
La potencia se obtiene del servo-amplificador por un conector de 8 terminales. Como se ha
indicado, la conexión no se muestra en los diagramas.
3.4.3 Servo amplificador SA150D
Contenidos en esta unidad están los transistores de conmutación para mover el motor en
ambas direcciones. El sentido de giro del motor se controla haciendo positiva una de las
dos entradas del servo-amplificador. El preamplificador (PA150C) puede efectuar este tipo
de conmutación, porque si hay una tensión positiva en alguna de sus entradas, una de sus
salidas se hace positiva, mientras que si una de sus entradas se hace negativa, entonces la
otra salida se hace positiva.
Sobre el panel frontal se pueden hacer conexiones para obtener diversos modos de controlar

10. 10 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
el motor (por armadura o por campo). Para evitar sobrecargar el motor, hay un medidor de
corriente con una indicación y protección de sobrecarga de 2 A.
Las entradas del servoamplificador no se conectan directamente a las bases de los transistores
de potencia, sino a través de sendos seguidores de emisor.
+15V COM -15V
1
2
A
A
3
4
5
6
7
8
F
F
F
A
24V
Figura 3.4: Servo amplificador SA150D.
3.4.4 Unidad preamplificadora PA150C
Suministra las señales adecuadas para excitar el servo-amplificador SA150D. Las dos entradas
se suman, pudiendo ası́ aplicarse dos señales, p.e., una tensión referencia y la tensión del
tacogenerador.
1
2
3
4
+15V -15V
COM
Figura 3.5: Unidad preamplificadora PA150C
Una señal positiva aplicada a cualquier entrada (o suma de varias) hace que la salida superior
(3) se haga positiva y la otra (4) sea prácticamente nula. Una entrada negativa hace que la
salida inferior (4) sea positiva y la superior nula. Ası́ se puede obtener un movimiento del
motor en ambos sentidos al aplicar estas salidas a las entradas del SA150D. Por medio del
ajuste de cero se equilibran ambas salidas, pero también se puede emplear para conseguir una
salida sin señal de entrada. Las salidas comienzan aproximadamente en +1 V puesto que la
mı́nima señal para actuar el motor en su condición de máxima sensibilidad es de 1.5 V.

11. Laboratorio de Control Automático 11
3.4.5 Unidad operacional OU150A
Es un amplificador operacional con posibilidad para varias entradas y también para conex-
iones de realimentación. Puede utilizarse como detector de error para sistemas en bucle
cerrado, pudiendo insertar una constante de tiempo adicional para demostración de la inesta-
bilidad.
Da una ganancia negativa, y un medio de sumar dos o más señales, ası́ como la posibilidad
de introducir circuitos compensadores. La tensión de salida viene dada por
V0 = −(R2/R1)(V1 + V2 + V3)
donde R1 es el valor de cada una de las resistencias de entrada, R2 es el valor de la resistencia
de realimentación del operacional, que se introduce situando el interruptor del operacional
en su posición inferior (que se suele utilizar para variar la ganancia del operacional) , V1, V2
y V3 son las tensiones de entrada (1,2 ó 3) y V0 es la tensión en la salida (6).
La ganancia del amplificador operacional es aproximadamente 400, aunque está sujeta a una
variación considerable. La salida nominal es de ±10 V., 5 mA. máximo. Puede sumar hasta
tres señales por medio de las resistencias de entrada de 100 K. En la posición intermedia se
inserta una constante de tiempo de 0.1 sg. y finalmente en la posición superior (entradas 4
y 5) puede conectarse cualquier otra impedancia de realimentación con objeto de conseguir
una ganancia determinada.
El mando zero deberá ajustarse para que, con realimentación resistiva, la salida sea nula
en ausencia de entrada. Si se introduce un condensador en paralelo con la resistencia de
realimentación la respuesta a un escalón a la entrada estará caracterizada por una constante
de tiempo, siendo la salida:
V0 = −V1
R2
R1
(1 − e(−t/τ2)
)
donde τ2 = C2R2. Esto se consigue centrando el interruptor del operacional (posición central
de las tres disponibles). Se puede introducir una impedancia externa usando la posición EXT
FB. En ausencia de componentes, actúa la ganancia completa del amplificador.
15 COM -15
1
2
3
4 5
6
6
6
-A
Figura 3.6: Unidad amplificadora OU150A

12. 12 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
3.4.6 Unidad atenuadora AU150B
Esta unidad contiene dos potenciómetros de 10 KΩ. La proporción de la resistencia tomada se
indica por un dial graduado de 0 a 10. La unidad puede suministrar una tensión de referencia
cuando se conecta a una fuente de c.c. o usarse como control de ganancia cuando se conecta
a la salida de un amplificador.
Figura 3.7: Unidad atenuadora AU150B
3.4.7 Potenciómetros de entrada y salida 150H y 150K
Son potenciómetros rotatorios que se usan en los experimentos de control de posición. El
potenciómetro de entrada 150H tiene un movimiento de 150o, mientras que el de salida 150K
no tiene ningún tope mecánico y por tanto puede girar en forma continua. Cada vez que da
una vuelta completa se inicializa, pasando de la tensión correspondiente a 360o a la de 0o.
La linealidad es una caracterı́stica muy importante en un potenciómetro. Mediante los po-
tenciómetros de entrada y salida (dado su carácter lineal) se puede calcular la señal de error
entre la referencia de posición y la salida angular del servo.
3.4.8 Unidad de carga 150L.
En el eje del motor puede colocarse un disco de aluminio y al girar entre los polos del imán
de la unidad de carga las corrientes de Foucault generadas tienden a frenar el disco. La
magnitud del frenado puede controlarse por la posición del imán.

13. Laboratorio de Control Automático 13
3.5 Caracterı́sticas de los elementos
3.5.1 Calibrado de los instrumentos
1. Unidad operacional OU150A
Alimentando la unidad desde la fuente de alimentación (+15, 0 y -15 V), y situando
la realimentación del operacional en la posición de resistencia, conectar el voltı́metro
entre la salida (6) del operacional y neutro y ajustar el control de zero para dar una
lectura nula.
2. Unidad preamplificadora PA150C
El mando de cero del amplificador deberá ajustarse para que sin ninguna entrada, las
tensiones en las salidas sean iguales, aproximadamente 1 V. La ganancia de esta unidad
es 30 y la máxima tensión de salida 12 V. Asimismo puede ser interesante comparar la
salida de la unidad para distintos valores de las entradas.
3. Unidad motor + tacómetro MT150F
El módulo (qué debe estar conectado a la unidad SA150D) suministra un taco-generador
acoplado al motor (respuesta lineal). Si se desean obtener valores de velocidad (en vez
de tensión) hay que calibrar este generador encontrando el factor Kg, voltios gener-
ados/1000 rpm del eje del motor (pendiente de la recta). Evidentemente la forma
trivial de calcularla es medir, para diversas tensiones a la salida del tacogenerador
(tensión entre bornas (1) y (2)), el número de vueltas que da a la salida en un tiempo
determinado (teniendo en cuenta que el eje de baja (potenciómetro de salida) guarda
una relación 30:1 con el del motor). Mediante una recta de regresión es fácil ver que esta
constante es del orden de 3V./1000 r.p.m. Otra forma de calcularla (disponiendo de
los equipos adecuados) serı́a mediante un método estroboscópico: iluminando la corona
estroboscópica del dial de salida con una lámpara de destellos a 50 c/s y variando la
velocidad por medio del potenciómetro se consigue inmovilizar ante la vista los trazos
de la corona marcada en 50 c/s, determinando la velocidad de giro.
3.5.2 Caracterı́sticas del motor
Tanto en la conexión por armadura como por campo, si una tensión positiva (los transistores
son npn) se aplica en alguna de las entradas V1 o V2, la corriente circulará a través de una de
las bobinas de campo y la armadura, haciendo que el motor gire. Las dos bobinas se conectan
de forma que el motor pueda girar en ambas direcciones según se alimente por V1 o V2.
Para cada uno de los dos tipos de conexiones mencionados anteriormente, hay que unir los
siguientes conectores en el servo-amplificador:
Puente 1 Puente 2 Puente 3
Armadura 3-6 4-5 7-8
Campo 3-4 6-7 5-8

14. 14 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
3.6 Experimentos de control con conexión por armadura
En este bloque se hacen prácticas de control del sistema mediante realimentación de valores
de posición y velocidad para analizar los efectos positivos y negativos sobre el sistema.
En los dos primeros apartados se realizarán experimentos considerando únicamente la re-
spuesta en velocidad del sistema, viendo su respuesta temporal, ası́ como el error que se
produce al intentar mantener un velocidad de giro constante tanto en bucle abierto como en
bucle cerrado. Asimismo, se estudiará la mayor o menor influencia de las perturbaciones en
ambos casos.
Por su parte, en los últimos dos apartados el estudio se realizará considerando la respuesta
en posición del sistema. Se tratará por tanto de que el motor adquiera un ángulo de salida
determinado en vez de una velocidad de giro constante. Con esta configuración se analizará
el efecto de la zona muerta y se planteará un esquema de control de posición de salida con
doble realimentación de la posición y velocidad de giro del motor.
conectar el servo-amplificador por armadura
3.6.1 Sistema simple de control de velocidad
En un sistema en bucle abierto puede haber un control de velocidad razonable al operar en
vacı́o o con una carga fija, pero el funcionamiento del sistema no es satisfactorio al variar la
carga.
En este apartado se va a mostrar la mejora que se puede lograr al cerrar el bucle y usar
la realimentación. La señal real se comparará con la deseada, produciendo una señal de
error que actúa sobre la salida del servo-amplificador, de forma que el motor mantenga una
velocidad lo más constante posible.
Como primer experimento se analiza el comportamiento del sistema en bucle abierto ante
perturbaciones. Para ello se hará lo siguiente (ver Fig. 3.8):
1. Conectar los bornes (4) y (6) del potenciómetro 1 del atenuador a 0 y -15 voltios re-
spectivamente, conectando el borne (5) (cursor) a una de las entradas del amplificador
operacional, estando éste realimentado con la resistencia (posición inferior del interrup-
tor).
2. Conectar la salida del amplificador operacional a la entrada (1) del servo-amplificador
conectado por armadura.
3. Poner un valor adecuado del potenciómetro de forma que el motor gire suavemente
(sin forzarlo). Tomar nota de la posición del potenciómetro. Este valor constituye la

15. Laboratorio de Control Automático 15
Figura 3.8: Respuesta de velocidad en bucle abierto
referencia de velocidad que se pretende alcanzar con el motor.
4. Conectar el osciloscopio a la entrada del servo y a la salida del taco generador.
5. Ajustando correctamente las escalas, observar las señales de entrada y de salida. A
continuación, y con mucho cuidado, introducir variaciones de carga usando el freno
magnético (en 5o y 10o). Justificar lo que ocurre y dibujar esquemáticamente la forma
de las perturbaciones.
6. Repetir el punto anterior para otros dos valores de referencia (potenciómetro) y com-
parar los resultados.
Una vez realizados los experimentos en bucle abierto se procede a estudiar el sistema en bucle
cerrado para los tres valores de referencia considerados, es decir, realimentando la salida del
sistema (ver Fig. 3.9):
1. Introducir ahora la realimentación que se muestra en la Fig. 3.9. Como se observa, se
realimenta una señal proporcional a la velocidad, usando el tacogenerador. Entonces se
compara con una señal referencia de polaridad opuesta, de forma que la suma producirá
una señal de entrada en el servo-amplificador del valor requerido. Como comparador se
usará el amplificador operacional. Los transistores excitadores del bobinado de campo

16. 16 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
requieren entradas positivas, de forma que una referencia negativa más una tensión
positiva del tacogenerador, al sumarlas e invertirlas en el amplificador operacional pro-
ducirán una salida positiva con una tensión de error.
COM
1 2
3 3
OUTPUT POT UNIT
TACHO UNIT
POWER SUPPLY UNIT PS150E
+15V
COM
-15V
+15V
COM
-15V
1
2
3
4
6
7
8
com
+15V -15V
SERVO AMPLIFIER UNIT
5
1 2 3 4 5 6
ATTENUATOR UNIT
COM
Realimentacion de velocidad
referencia
error
+15V -15V
COM
CERO
OPERATIONAL AMPLIFIER
Figura 3.9: Efecto de la realimentación de velocidad
2. Conectar el cursor del potenciómetro a una entrada del amplificador operacional. Antes
de conectar el tacogenerador a la entrada del amplificador operacional (realimentación
de velocidad), girar un poco el cursor del potenciómetro de forma que el motor gire,
y con el voltı́metro determinar la salida positiva del taco. Entonces se conecta dicha
salida a la entrada del amplificador operacional y el otro a masa.
3. Al igual que en el caso del bucle abierto, poner a girar el motor a una velocidad moder-
ada e introducir perturbaciones con el freno magnético, analizando las señales de entrada
y salida en el osciloscopio, comentando las diferencias observadas con la respuesta en
bucle abierto.
Caso práctico
A continuación se muestran resultados obtenidos en un experimento de laboratorio siguiendo
los pasos anteriores, tanto para el sistema en bucle abierto

17. Laboratorio de Control Automático 17
Carga Error (V) Tacómetro (V) Pérdida de salida
Sin carga -2 10 —
5o 4 4 (10 - 4)/10 =60%
10o 6 2 (4 - 2)/4 = 50%
como en bucle cerrado,
Carga Error (V) Tacómetro (V) Pérdida de salida
Sin carga 5 3.5 —
5o 6 2.4 (3.5-2.4)/3.5 = 31%
10o 7 1.7 (2.4-1.7)/2.4 = 29%
donde puede apreciarse cómo el sistema en bucle cerrado se comporta mejor ante cambios en
la carga (perturbaciones a la salida).
3.6.2 Estudio de la zona muerta en la respuesta en posición
La zona muerta es la señal de entrada mı́nima que se requiere para que un sistema responda
(superar la fricción, etc.).
Aumentando la ganancia se puede reducir la entrada necesaria para producir un efecto de
salida y por tanto también la zona muerta.
Este efecto se puede analizar utilizando el montaje de la Fig. 3.10, donde se tiene un esquema
por realimentación de la posición angular. Si se desea, se puede quitar el módulo input pot
unit y sustituirlo por un generador de funciones que proporcione la referencia.
Para ello, ES NECESARIO SEGUIR LOS SIGUIENTES PASOS en el montaje:
1. Usando el voltı́metro, centrar en cero los cursores de los potenciómetros giratorios
(INPUT POT UNIT Y OUTPUT POT UNIT), y, SIN ENTRADA, ajustar el cero
del amplificador operacional.
2. Conectar los cursores de los potenciómetros giratorios a las entradas del amplificador
operacional.
3. Poner el cursor del control de ganancia, potenciómetro 1, en cero (terminal de masa).
4. Ajustar el cero del preamplificador de forma que el motor no gire en ninguna dirección.
5. Asegurarse de que las entradas al servo-amplificador están conectadas correctamente,
aumentando a 1 la ganancia del potenciómetro 1 y comprobando que un pequeño

18. 18 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
1 2 3 4 5 6
ATTENUATOR UNIT
COM
1 2
3 3
OUTPUT POT UNIT
TACHO UNIT
POWER SUPPLY UNIT PS150E
+15V
COM
-15V
+15V
COM
-15V
1
2
3
4
6
7
8
com
+15V -15V
SERVO AMPLIFIER UNIT
5
+15V COM -15V
1
2
3
4
PRE-AMP UNIT PA150C
error
referencia
ganancia
COM
1 2
3 3
INPUT POT UNIT
+15V -15V
COM
CERO
OPERATIONAL AMPLIFIER
Figura 3.10: Estudio del efecto de la zona muerta

19. Laboratorio de Control Automático 19
desplazamiento del potenciómetro de entrada (INPUT POT UNIT) hará que el po-
tenciómetro de salida (OUTPUT POT UNIT) gire en la misma dirección.
6. Con el potenciómetro de ganancia en 1, girar lentamente en sentido horario el dial de
entrada hasta empezar a obtener respuesta en el de salida.
7. Anotar el ángulo de rotación necesario frente al ajuste de ganancia.
8. Repetir para rotación antihoraria. Poner la zona muerta total como la suma de las dos
lecturas.
9. Anotar los resultados de zona muerta para ajustes de ganancia de 2, 3, 4, 5, 6, etc.
IMPORTANTE: Cada vez, volver a cero los potenciómetros giratorios.
10. Representar en una gráfica zona muerta frente a ganancia.
Caso práctico
Para ilustrar los experimentos que hay que realizar en este apartado, se muestran los resul-
tados obtenidos en una experiencia en el laboratorio, donde se comprueba que aumentos de
ganancia conllevan disminuciones en la zona muerta (Fig. 3.11).
Potenciómetro Ángulo de rotación Ángulo de rotación Zona muerta
de ganancia sentido horario sentido antihorario
1 15o 10o 25o
2 8o 3o 11o
3 5o 1o 6o
4 1o 2o 3o
5 3o 2.5o 5.5o
6 2o 2o 4o
7 1.5o 1.5o 3o
3.6.3 Sistema simple de control de posición con realimentación de veloci-
dad y posición
El objetivo de este apartado es estudiar el efecto de un doble control usando realimentación
de posición y velocidad en un sistema de control de posición.
En el apartado anterior se comenta cómo a pesar de que un aumento de ganancia en un
sistema de control de posición tiene la ventaja de reducir la zona muerta, incrementa el
problema de la sobreoscilación. Eventualmente, el sistema puede llegar a hacerse inestable.
El problema de la sobreoscilación surge debido a que la velocidad que lleva el motor le hace
pasarse del punto de alineamiento, y cuanto mayor sea la ganancia, mayor es la velocidad de

20. 20 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
1 2 3 4 5 6 7
0
5
10
15
20
25
ganancia
zona
muerta
º
Figura 3.11: Dependencia de la zona muerta con la ganancia
la respuesta del motor, de manera que por encima de una cierta ganancia el sistema nunca
llega a alinearse.
Una forma de usar la velocidad del motor para controlar la sobreoscilación es usar una
realimentación tacométrica. Para ello se realizan las conexiones de la Fig. 3.12.
Se puede representar en el osciloscopio el error entre la salida en posición del sistema y
la referencia (osciloscopio conectado a señal de error) o mejor representar simultáneamente
ambas señales para analizar la evolución temporal de la posición angular del motor.
Se utilizan los potenciómetros del atenuador como variadores de la ganancia de las reali-
mentaciones de velocidad y posición. El procedimiento a seguir para realizar el experimento
es el siguiente:
1. Poner el freno en 0 y ajustar los diales de los potenciómetros del atenuador en 1.
2. Aumentar el control de realimentación de velocidad a varias posiciones (2, 5 y 10)
observando en cada paso la evolución temporal de la salida del sistema y calculando los
parámetros caracterı́sticos del transitorio (sobreoscilación, tiempo de subida, tiempo
de establecimiento, etc.). Cuando se aplica demasiada realimentación de velocidad
la respuesta se hace muy lenta y no aparece sobrepico. Con un grado adecuado de
realimentación tacométrica, se obtiene la respuesta más rápida sin sobreoscilación. Se
dice entonces que el sistema tiene amortiguamiento crı́tico.
3. Encontrar una o más combinaciones de los ajustes de realimentación tacométrica y
ganancia que den amortiguamiento crı́tico.
4. Encontrar una o más combinaciones de los ajustes de realimentación tacométrica y
ganancia que den una sobreoscilación del 10%.
Caso práctico

21. Laboratorio de Control Automático 21
1 2 3 4 5 6
ATTENUATOR UNIT
POWER SUPPLY UNIT PS150E
+15V
COM
-15V
+15V
COM
-15V
1
2
3
4
6
7
8
com
+15V -15V
SERVO AMPLIFIER UNIT
5
+15V COM -15V
1
2
3
4
PRE-AMP UNIT PA150C
TACHO UNIT
1 2
3
COM
3
OUTPUT POT UNIT
Y
OSCILOSCOPIO
referencia
COM
realimentacion
de velocidad
error
realimentacion
de posicion
+15V -15V
COM
CERO
OPERATIONAL AMPLIFIER
Figura 3.12: Realimentación de velocidad y posición
K2
K1
1+ s
K 1
s
τ
Figura 3.13: Realimentación de velocidad y posición

22. 22 PRÁCTICA 3. CONTROL ANALÓGICO DE UN SERVOMECANISMO
Se muestran en la Fig. 3.14 los resultados cualitativos alcanzados en la evolución temporal
del sistema controlado según diversos valores de las ganancias de realimentación de veloci-
dad y posición que confirman las explicaciones anteriores. El aumento o disminución de
sobreoscilación, tiempo de subida, tiempo de pico, tiempo de establecimiento, etc. se puede
justificar analı́ticamente por el alumno.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
tiempo
salida
en
pos.
angular
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
tiempo
salida
en
pos.
angular
0 20 40 60 80 100 120 140
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
tiempo
salida
en
pos.
angular
0 10 20 30 40 50 60
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
tiempo
salida
en
pos.
angular
0 10 20 30 40 50 60
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
tiempo
salida
en
pos.
angular
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
tiempo
salida
en
pos.
angular
0 10 20 30 40 50 60 70
0
0.5
1
1.5
tiempo
salida
en
pos.
angular
0 10 20 30 40 50 60
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
tiempo
salida
en
pos.
angular
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
tiempo
salida
en
pos.
angular
Kv
Kp
2
5
10
2 5 10
Figura 3.14: Resultados con un esquema de control por doble realimentación velocidad-
posición
3.7 Cuestiones sobre la práctica
1. Comentar las diferencias fundamentales existentes entre un control de velocidad en
bucle abierto y en bucle cerrado.
2. Sobre la gráfica calculada relacionando la zona muerta y la ganancia, deducir cuál
deberı́a ser la relación entre ganancia y zona muerta.
3. Indique las ventajas e inconvenientes principales que encuentra en el esquema de control
de doble realimentación de velocidad y posición.
4. Compare el esquema de control de doble realimentación de velocidad y posición con
un control de posición mediante una red PD. (Se recomienda calcular la función de
transferencia de bucle cerrado en ambos casos y compararlas.)

23. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SISTEMA DE SERVOS PARA EL
LABORATORIO DE CONTROL AUTOMATICO.
L.Vargas
A.Reina
J. Parra
Autores:
Ing. Electrónico Lauro Norberto Vargas López , 1998
Ing. Electrónico Alfredo Xavier Reina Logroño , 1998
Ing. Electrónico Jesús Vicente Parra Zamora , 1998
Director de Tesis:
Ing. En Eectricidad Hugo Villavicencio
Post-grado : Master of Sciences in Electrical Engineering ,
North Dakota State University
Profesor de la Espol : Desde 1975 hasta el presente
RESUMEN
El propósito de esta tesis es el de dar a conocer el diseño y construcción de un
servomecanismo para controlar la velocidad y posición de un motor DC utilizando
circuitos analógicos y diseño de un controlador digital basado en un microcomputador.
En algunos capítulos se analiza la diferencia entre sistemas de lazo abierto y sistemas de
lazo cerrado, también se hace un estudio de los diferentes leyes de control: control
proporcional(P), proporcional - integral(PI), proporcional - derivativo(PD),
proporcional integral - derivativo(PID). Se expone además el manual de usuario
(digital y analógico) del sistema de servos con los diferentes experimentos didácticos
que realizarán los estudiantes en el Laboratorio de Control Automático.
INTRODUCCION
El presente trabajo ilustra el diseño y construcción de un sistema de control utilizando
métodos analógicos y digitales. Nuestro sistema está conformado en su estructura
analógica por un circuito sumador , amplificador y uno de fuerza el cual se encarga de
manejar el motor DC.

24. La estructura digital está conformado por una tarjeta de interfaz de datos y un circuito
de fuerza encargado de operar el motor de acuerdo a las órdenes enviadas por el
microcomputador a través de la tarjeta controladora de datos.
OBJETIVOS Y DESCRIPCION GENERAL DEL SISTEMA
OBJETIVOS
Debido a la necesidad de equipos didácticos para complementar con experimentos
prácticos las clases teóricas en el área de control automático, se diseñará un sistema de
servos tomando en cuenta criterios didácticos para la enseñanza de los diferentes
sistemas tales como: control de velocidad y control de posición e ilustrando las
diferentes acciones de algoritmos generalizados PID. Se diseñará interfaces necesarias
para ejercer acciones de control mediante el computador. Todos los circuitos estarán
ensamblados en un banco experimental en el laboratorio de control automático, que
será utilizado por los estudiantes de tal manera que lleguen a una comprobación de la
teoría de control y adquieran una cierta experiencia con la práctica.
DESCRIPCION GENERAL DEL SISTEMA
Un sistema de lazo cerrado genera una señal de error la cual opera el sistema. En la
figura 1 se muestra un diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado.
+ CONTROLADOR
Valor medido
Señal de
error
Variable
controlada
Disturbios
AMPLIFICADOR
ELEMENTO FINAL
DE CONTROL
PROCESO
-
Señal de
referencia
DISPOSITIVO DE
MEDIDA
Figura 1 Diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado
En primer lugar una cierta variable de proceso que está siendo controlada (velocidad o
posición mecánica) es medida y enviada a un comparador que en nuestro caso es un
circuito sumador analógico implementado con op-amps. Este sumador hace la
comparación entre el valor de referencia , el cual representa el valor deseado de la
variable, y el valor medido de la variable controlada. El comparador genera entonces

25. una señal de error la cual representa la diferencia entre el valor deseado y el valor
medido.
Cuando se dispone de un controlador proporcional integral, en el cual la parte
proporcional controla el sistema en proporción al error que exista en ese momento, la
parte de control integral se da cuenta que existe un error (desbalance) , por lo tanto a
medida que pasa el tiempo, el control integral ayuda a reducir el desbalance, con lo que
eventualmente el error se reduciría a cero.
Por otro lado cuando el control es proporcional derivativo, un rápido cambio en el error
produce una acción correctora mayor que un cambio lento en el error; o sea la parte
derivativa del controlador intenta mirar adelante y prevee que el proceso sufrirá un gran
cambio basándose en las medidas actuales.
Finalmente un controlador PID resulta de la combinación de las tres anteriores. En la
figura 1 se muestra que la salida del controlador es enviada al elemento final de control ;
puede ser necesaria una amplificación si la señal de salida del controlador no tiene la
suficiente potencia para manejar el dispositivo final de control que en nuestro caso es un
motor DC. El dispositivo de medida es un tacómetro que genera una señal de voltaje
proporcional a la velocidad del motor, lo cual nos da el valor medido.
En cuanto al sistema de control digital la señal de error es generada en el computador
mediante la sustracción del valor deseado, ingresado por el teclado y el valor actual de
medición o variable del proceso( velocidad o posición). En la figura 2 se muestra el
diagrama de bloques para este sistema.
-
MICROCOMPUTADOR
PROCESO
SENSOR
DE MEDICION
CONVERTIDOR
CONVERTIDOR
ANALOGICO - DIGITAL
ELEMENTO FINAL
DE CONTROL
Entrada de
Referencia
Entrada Digital Variable
controlada
DIGITAL- ANALOGICO
Figura 2 Diagrama de bloques de un sistema de control digital
Luego compara la posición o velocidad actual con la posición o velocidad deseada
produciendo un error. Con el error producido se genera la señal de control de acuerdo al
algoritmo aplicado por el microcomputador. Esta señal de control es procesada por un
circuito convertidor digital - analógico que luego es amplificada para operar el elemento
final de control (motor DC) . El sensor de medición mide la señal de salida la cual es
procesada por un convertidor analógico - digital para ser enviada al microcomputador.
Eliminad

26. AMPLIFICADORES DE SEÑAL
ETAPA PREAMPLIFICADORA
Esta etapa es la encargada de manejar la señal de error . En la figura 3 se muestra la
representación esquemática para este preamplificador. La característica de esta etapa es
su alta ganancia, por lo tanto es necesario un pequeño voltaje de entrada entre -1 y 1 V.
Esta etapa tiene una ganancia de aproximadamente 20, con un voltaje de salida entre +13
V y - 13 V. Además tiene la característica de poseer dos entradas y dos salidas. Para
una entrada positiva en el pin 1 se tendrá un voltaje positivo en el pin 3 y un voltaje de 0
V en el pin 4; en cambio para una entrada negativa en el pin 1 se tendrá un voltaje de
salida positivo en el pin 4 y un voltaje de 0 V en el pin 3, característica que nos sirve
para manejar el motor en las dos direcciones. En la figura 4 se muestra las
características tanto de ganancia como de linealidad de esta etapa, por lo tanto este
amplificador se lo utilizará en su zona lineal que corresponde a un rango de voltaje de
entrada entre -0.6 V y + 0.6 V.
+
1
2
3
4
Vout
-
Figura 3 Etapa Pre - Amplificadora
Eliminad
Eliminad
Insertad
Insertad
Eliminad
Eliminad
¶
L
Eliminad
Eliminad
Eliminad
por la apli
Eliminad
Eliminad
Eliminad
respectivo
determino
con una sa
Eliminad
Coment
Coment
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Insertad
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Insertad
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Eliminad
Insertad
Insertad
Eliminad
Eliminad

27. 0 .2 0 .3 0 .4 0 .5 0 .6 0 .7 0 .8
0 .1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8 -0.1
3
4
2
1
5
6
7
8
9
1 0
1 1
1 2
1 3
1 4
1 5
-3
-2
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-1
Vi
Vo
G = 2 0
Figura 4 Característica de Ganancia del Preamplificador
ETAPA AMPLIFICADORA
Esta etapa consta de un amplificador operacional usado como un amplificador inversor -
sumador implementado con el CI LM741, esta etapa en nuestro proyecto se denomina
detector de error, es decir determina el error mediante la sustracción de la señal de
referencia y el valor medido. En la figura 5 se muestra el circuito completo. La
realimentación está abierta para proporcionarle ganancia variable o ganancia de 1
cerrando la realimentación. Si cerramos el lazo, el voltaje de salida es : Vo = - ( V1 +
V2 + V3 ), si tenemos resistencias iguales ; pero, si introducimos una ganancia variable
con P1, entonces tendremos:
Vo = - (V1 + V2 + V3 ) / α, α es un porcentaje de P1.
Eliminad
Eliminad
Eliminad
switch de
en la reali
si el switc
entonces,
Vo = - Rx
V3)

28. +
V o
27KΩ
Ω
Ω
Ω
-
27KΩ
Ω
Ω
Ω
- 1 5 V
V 1
V 2
V3
100K Ω
Ω
Ω
Ω
100KΩ
Ω
Ω
Ω
100KΩ
Ω
Ω
Ω
100KΩ
Ω
Ω
Ω
α
α
α
α
P1
+ 15 V
ZERO
2 0 K Ω
Ω
Ω
Ω
Figura 5 Etapa Amplificadora
Para utilizar este detector de error, el primer paso consiste en encerarlo, anulando de este
modo el voltaje offset que se presenta en la salida.
CONTROL DIGITAL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR DC
OBJETIVOS
En este capítulo se analizará el control de velocidad utilizando un sistema digital
diseñado con puertos de entrada/salida, convertidores ADC y DAC y sensor de velocidad.
Para esta aplicación el uso del microcomputador está orientado a controlar la
realimentación mediante algoritmos apropiados. El sistema digital supera el
funcionamiento de controles analógicos convencionales, ya que este es mas flexible y
adaptable a varios requerimientos.
DIAGRAMA DE BLOQUES
Para mejor ilustración del diseño de un sistema de control de velocidad se lo ha dividido
en bloques, cuyo diagrama se presenta en la figura 6. El control se lo realiza mediante
los siguientes pasos:
1. Medir la velocidad actual del motor ( esta es suministrada por el tacómetro el cual
nos da una señal de voltaje proporcional a la velocidad del motor).
2. Comparar la velocidad actual con la velocidad deseada para producir el error.
3. Con el error producido se genera la señal de control de acuerdo al algoritmo
aplicado en el microcomputador
4. La señal de control es transmitida al puerto I/O y al convertidor digital analógico,.
cuya salida es amplificada para manejar el servo-motor
Eliminad
introduce
- V1 (1- e
La otra po
abierto pa
elemento d
Eliminad
Eliminad
primerame

29. DRIVER DEL
MOTOR DC
8
PUERTOS DE
I/O
8255 / 8212
PROGRAMA DE
CONTROL
8
8
8
8
MOTOR
PREAMP
Circuito
Acondicionador
de salida
DAC
DAC
TACOMETRO
8
Circuito
Acondicionador
de entrada
ADC
Figura 6 Sistema de Control Digital de Velocidad
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
El sistema se lo ha dividido en tres partes para su mejor entendimiento:
1. Interface Acondicionadora de Entrada, la cual permite el ingreso de la variable
controlada del proceso (velocidad) hacia el sistema controlador.
2. Interface de Entrada/Salida con la Microcomputadora, la cual controla y
convierte los datos de I/O.
3. Interface Acondicionadora de Salida, la cual permite la utilización de la señal de
salida de la microcomputadora (variable manipulada), en el proceso.
INTERFACE ACONDICIONADORA DE ENTRADA
El circuito acondicionador de entrada recibe la señal del tacómetro la cual genera una
señal de voltaje proporcional a la velocidad en el eje de alta del motor. Esta señal es
acondicionada mediante un circuito amplificador no inversor.
Su funcionamiento es como sigue: la señal proveniente del tacómetro es reducida
mediante R1 y R2 para luego ser amplificada a través de RF a un nivel de voltaje

30. compatible con la entrada del ADC0808. Además en este circuito mediante el
potenciómetro de zero eliminamos el offset de tal manera que para una velocidad cero
tengamos cero voltios a la entrada del ADC. En la figura 7 se muestra el diagrama del
circuito acondicionador de entrada.
.
+ V cc
6.19K Ω
Ω
Ω
Ω
10K Ω
Ω
Ω
Ω
2.2 K Ω
Ω
Ω
Ω
10 K Ω
Ω
Ω
Ω
1.1K Ω
Ω
Ω
Ω
Al
AD C 0808
-
+
6.19K Ω
Ω
Ω
Ω
-15V
10u F
R1
2.2K Ω
Ω
Ω
Ω
R2
RF
+ 15V
zero
Figura 7 Circuito Acondicionador de Entrada
INTERFACE DE ENTRADA/SALIDA CON LA MICROCOMPUTADORA
En el diseño de esta interface se debe tener en cuenta que las señales provenientes del
medio externo son de tipo analógico y que la misma permitirá entradas análogas en un
rango de 0-5 V.
Bajo estas condiciones, la señal proveniente de la interface acondicionadora de entrada
ingresa al multiplexor de 8 canales (IN6) interno del ADC 0808, tal como lo muestra
la figura 8.
La selección del canal del mux a través del cual se admite el dato, se logra colocando en
los pines 23,24 y 25 del ADC (A0,A1,A2) las señales con niveles lógicos bajo, alto y alto
respectivamente, siendo A2 el bit más significativo.
Señal
proveniente del
tacómetro

31. OE
27
D7
26
15
2 3
A0
A1
ALE
START
25
8
6
28
2
4
5
16
10
3
1
+Vcc
IN4
IN5
IN6
IN7
REF+
REF-
ADC 080 8
+Vcc
D3
D1
D0
D5
D4
IN3
IN2
IN1
IN0
EOC
CLK
7
+Vcc
14
18
19
24
22
D2
D6
2 0
21
12
9
A 2
1 7
Figura 8 Circuito convertidor analógico - digital
Las líneas IOR , IOW y GND son señales que van conectadas directamente al bus de
control del microcomputador. Las líneas A0-A7 del puerto A son programadas como
salidas por el registro de control del 8255. Estas líneas van conectadas a la entrada del
DAC 0808 para su conversión.. Esto se muestra en la figura 9.
A8
A7
A3
A2
11
12
10
8
6
5
14
15
7
9
DAC 0808
+Vcc
5.1k
Comp.
Iout
0.1uF
5.1k
4
2
16
Gnd
A6
A5
A4
A1
VR +
VR -
- 12 V
Figura 9 Circuito convertidor digital - analógico
Desde la interface
acondicionadora de
entrada
Desde el Puerto
A
Desde la salida del
reloj
Hacia la entrada
inversora del circuito
acondicionador de salida
Hacia el puerto B del
8255A
Hacia el C5 del
8255A
Desde el D01 del 8212

32. El DAC 0808 posee además una entrada de referencia que está limitada a Vcc = 5V.
La salida del DAC es una señal de corriente , que representa la información digital de
posición o de velocidad, según sea la aplicación del controlador digital.
INTERFACE ACONDICIONADORA DE SALIDA
Esta interface comprende un convertidor digital - analógico y un circuito acondicio-
nador de salida. El circuito acondicionador de salida recibe la señal del DAC (entre 0
y -5 V) cuyo voltaje es proporcional a la entrada digital del convertidor. Este circuito
se lo ha diseñado de tal manera que en su salida tengamos voltajes Vo (entre -1 y 1 V) ,
los cuales son los adecuados para manejar el preamplificador. En la figura 10 se
muestra este circuito. La ecuación que gobierna este circuito es:
Vo = - [ RF Vi + RF (5 V) ]
Ri Rx
en donde Ri es una resistencia interna del DAC0808 la cual genera Vi.
+ 15 V
- 15 V
RF
+5 v R1
Rx
Desde Iout
del DAC0808
Hacia el
Preamplificador
-
+
Vo
Figura 10 Circuito Acondicionador de Salida
CONTROL DIGITAL DE POSICION DEL SISTEMA
OBJETIVOS
El controlador digital también ha sido diseñado para controlar la posición del motor
DC, utilizando como medio transductor de posición, un codificador de eje.
Con el uso del computador, se aprovechan sus características de flexibilidad, las cuales
brindan al sistema de control de posición un mejor manejo de la señal utilizando la
misma circuitería con algunas variaciones en software.
DIAGRAMA DE BLOQUES

33. La figura 11, muestra el diagrama de bloques del sistema básico de control digital de
posición . Este sistema utiliza el mismo esquema del control de velocidad; la diferencia
radica en que mientras en el sistema de control de velocidad la realimentación de la señal
se lo hace através del taco-generador, ahora en el sistema de control de posición se lo
realiza a través del codificador acoplado al eje de baja velocidad del motor.
El codificador de eje realiza una conversión analógica a digital, de la posición actual del
eje de baja velocidad del motor. Dicha posición actual será comparada con la posición
requerida del eje del motor, y el resultado de esa comparación será procesado por el
algoritmo de control de posición , implementado en el microcomputador.
DRIVER DEL
MOTOR DC
MOTOR
30:1
PUERTOS DE
I/O
8255 / 8212
CODIFICADOR DE EJE
EJE DE BAJA
VELOCIDAD
5
PROGRAMA DE
CONTROL
8
8
8
8
PREAMP
DAC
Interface
Acondicionadora
de salida
8
Figura 11 Diagrama de bloques del sistema de Control de Posición
CODIFICADOR DE EJE DEL MOTOR
El codificador de eje del motor DC aplicado al control de posición es utilizado como
un elemento convertidor , ya que convierte la posición del eje de baja velocidad de una

34. forma analógica a una digital. El codificador en mención provee una salida de cinco
bits codificados en código GRAY.
El código GRAY tiene algunas aplicaciones interesantes en un tipo de convertidor
especial denominado codificador posicional o rotacional. El codificador rotacional o
codificador de eje utilizado en el sistema es usado para convertir la posición angular del
eje en formato digital.
La técnica utilizada en su estructura emplea un disco óptico acoplado al eje, el cual
posee ventanas estratégicamente localizadas en patrones circulares a través de las cuales
la luz puede pasar y activar un fotosensor, que para el tipo de codificador utilizado, es un
fototransistor.
En la tabla I se ilustra la correspondencia que existe entre la posición hexadecimal del
disco y los grados de circunferencia.
19H
1AH
1BH
1CH
01H
02H
03H
04H
05H
06H
07H
08H
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
10H
11H
12H
13H
14H
16H
18H
1DH
1EH
1FH
15H
11.25°
09H
0AH
17H
00H
Figura 12 Representación del Disco Posicional

35. Tabla I
Correspondencia entre la posición hexadecimal del disco
y los grados de circunferencia
POSICION
HEXADECIMAL
GRADOS
00 0
01 11.25
02 22.50
03 33.75
04 45.00
05 56.25
06 67.50
07 78.75
08 90.00
09 101.25
0A 112.50
0B 123.75
0C 135.00
0D 146.25
0E 157.50
0F 168.75
10 180.00
11 191.25
12 202.50
13 213.75
14 225.00
15 236.25
16 247.50
17 258.75
18 270.00
19 281.25
1A 292.50

36. 1B 303.75
1C 315.00
1D 326.25
1E 337.50
1F 348.75
CONCLUSIONES
En términos generales la presente tesis constituye una base muy importante para
demostrar la teoría de control automático, teniendo presente que esta puede ser aplicada
en otras ciencias para demostrar algunos de los principos que estas involucran. Se ha
logrado demostrar que las respuestas obtenidas experimentalmente justifican el análisis
teórico, es por este motivo que el banco de pruebas se ha convertido en una herramienta
muy importante para cada uno de los estudiantes que desean comprobar lo que en la
teoría se les ha instruido.
La construcción del banco de pruebas se lo ha realizado de una forma muy didáctica y
ordenada, el cual está respaldado por varios experimentos que se ponen a consideración
de todos los estudiantes de la ESPOL. El grupo humano que hemos trabajado estamos
seguros que entregamos a nuestra Universidad un material de alta calidad de enseñanza
para que las futuras generaciones se presenten a la sociedad con soluciones que sean
respaldadas de una forma analítica y experimental.
En el aspecto económico el proyecto resultaría muy conveniente ya que el costo total es
muy inferior con respecto a los valores que exponen compañías extranjeras dedicadas a
la venta de proyectos didácticos para estudiantes. Los integrantes de la presente tesis nos
ponemos a disposición de toda Institución u Organismo que solicite la construcción
individual o serie de cualquier equipo electrónico didáctico o de trabajo; garantizando de
antemano un correcto funcionamiento y un respaldo científico del proyecto en cuestión.

37. REFERENCIAS
a) Libro
1. M. Jacob , Industrial Control Electronics ( Applications and design: New York,
Prentice Hall, 1989).
b) Libro
2. K. Ogata, Ingeniería de Control Moderna (Mexico, Prentice Hall, 1993).
c) Libro
3. C. Chesmond, Control System Technology (Australia, Edward Arnold, 1982).
d) Libro
4. Jr. Pertence, Amplificadore Operacionales (España, McGraw - Hill, 1991).
e) Libro
5. F. Driscoll, Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales
(Prentice Hall, 1993).
f) Libro
6. W. Fletcher, An engineering approach to digital design (Prentice Hall, 1980).
g) Tesis
7. J. Puente, Diseño y construcción de un controlador digital basado en un
microprocesador 8085A de Intel, para uso en el Laboratorio de Control
Automático de la ESPOL (Escuela Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil,
1983).

38. h) Tesis
8. F. Velez, Diseño y construcción de un controlador digital basado en un
microcomputador (Escuela Superior Politécnica del Litoral, Guayaquil, 1995).