El documento describe un sistema educativo para prácticas de fundamentos de automática. El sistema incluye un equipo llamado Motorpiic con hardware y software para controlar un motor y realizar prácticas de modelado, control de velocidad y posición. También incluye el software Autopiic que permite la interfaz con el Motorpiic y visualizar gráficas en tiempo real. El sistema se ha utilizado con éxito en cursos para 400 estudiantes.

1. SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS
DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
c
Autor: Martínez Marrodán, David
Director: Poncela Méndez, Alfonso Valentín
INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA Y
ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Valladolid , Julio de 2013

2. Índice
Introducción
y objetivos
El equipo
Las
prácticas
Resultados,
conclusiones
y futuro.
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA

3. Introducción y objetivos
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA

4. Introducción y objetivos
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA

5. Introducción y objetivos
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA

6. Índice
Introducción
y objetivos
El equipo
Las
prácticas
Resultados,
conclusiones
y futuro.
SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA

7. Índice
Introducción
y objetivos
El equipo
Hardware
Motorpiic
Las
prácticas
Software
Resultados,
conclusiones
y futuro.
Motorpiic
Autopiic
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8. Hardware Motorpiic
Fuente de
alimentación
Encoder
incremental
Motor CC
con
reductora
Volante de
inercia
Base
Potenciómetro
Conexión
ordenador
Etapas
de
potencia
y control
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9. Hardware Motorpiic
Etapa de control
Conector
ICD2
Entradas
salidas
digitales
y PWM
Reset
Entradas
analógicas
Oscilador
10 MHz
dsPIC
30F4012
Interfaz
encoder
Regulador V
12-5
MAX232
Conector
RS232
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10. 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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11. Hardware Motorpiic
Etapa de potencia
MOSFETS
puente H
Driver
puente H
HIP4081
Regulador V
Potenciómetro
sensor
corriente
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12. Índice
Introducción
y objetivos
El equipo
Hardware
Motorpiic
Las
prácticas
Software
Resultados,
conclusiones
y futuro.
Motorpiic
Autopiic
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13. 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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14. 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 es
necesario.
• Transmitir por el puerto serie las gráficas.
• Enviar el nuevo PWM al driver de potencia.
• Leer y enviar la corriente del motor y la
información del potenciómetro.
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15. Software Motorpiic
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
Temporizador 200 ms
Indica la conexión o desconexión del potenciómetro de
• Mantener conexión y detener equipo.
Tramas de comunicación
• 23 cabeceras Autopiic -> Motorpiic
X1
• 3 cabeceras Motorpiic -> Autopiic
o Conexión.
o Gráficas.
o Corriente.
control de offset.
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16. Software Motorpiic
Flexibilidad Motorpiic
• Cambio de espaciado de puntos gráficas.
X1
o Cambio de tensión del motor.
o Cambio de reductora del motor.
o Cambio de encoder.
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17. Índice
Introducción
y objetivos
El equipo
Hardware
Motorpiic
Las
prácticas
Software
Resultados,
conclusiones
y futuro.
Motorpiic
Autopiic
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18. Software Autopiic
Principios de programación
• Interfaz intuitivo para evitar errores de interpretación.
• Conexión robusta.
o Autopiic detecta el puerto serie de Motorpiic de modo automático
mediante sondeo.
o Autopiic mantiene la conexión activa.
X1
• 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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19. Software Autopiic
Trabajar con Autopiic
• Conectar Motorpiic a corriente y a PC.
• Esperar ventana de presentación
• En caso de error…
• Ventana principal y secciones.
X1
• Selección de experimento y conexión.
• Generador de señal.
• Control de gráficas.
• Opciones gráficas.
• Parámetros de los experimentos.
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20. Índice
Introducción
y objetivos
El equipo
Hardware
Motorpiic
Las
prácticas
Software
Resultados,
conclusiones
y futuro.
Motorpiic
Autopiic
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21. Índice
El equipo
Las
prácticas
Resultados,
conclusiones
y futuro.
Modelado
Introducción
y objetivos
Control
velocidad
Control
posición
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22. Las prácticas
• Afianzar conocimientos.
• 3 prácticas con 2 partes.
X1
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23. Índice
El equipo
Las
prácticas
Resultados,
conclusiones
y futuro.
Modelado
Introducción
y objetivos
Control
velocidad
Control
posición
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24. Modelado
Etapa pre-laboratorio
• Estudio eléctrico del sistema, Kirchhoff.
• Estudio mecánico del equipo.
o V angular y par de salida reduciendo
a eje motor.
X1
• Relaciones estáticas del equipo.
• Determinación de función de transferencia
y diagramas de bloques.
• Implementación en Matlab-Simulink.
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25. Modelado
Etapa laboratorio
• Modelado estático.
o Medición de velocidad y corriente ante
distintas entradas.
o Cálculo R y K.
o Función de transferencia.
• Modelado dinámico
X1o Test escalón.
• Validación del modelo.
o Ec. en diferencias interna.
o Simulink.
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26. Índice
El equipo
Las
prácticas
Resultados,
conclusiones
y futuro.
Modelado
Introducción
y objetivos
Control
velocidad
Control
posición
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27. 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.
X1
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28. Control velocidad PI con antiwindup
Etapa laboratorio
• Comprensión cualitativa del control PI.
• Seguimiento y error ante distintas señales.
• Relación con teoría.
X1
• Estudio anti wind-up
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29. Índice
El equipo
Las
prácticas
Resultados,
conclusiones
y futuro.
Modelado
Introducción
y objetivos
Control
velocidad
Control
posición
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30. 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.
X1
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31. Control posición PID
Etapa laboratorio
• Comprensión cualitativa del control PID.
• Seguimiento y error ante distintas señales.
• Relación con teoría.
X1
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32. Índice
Introducción
y objetivos
El equipo
Las
prácticas
Resultados,
conclusiones
y futuro.
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33. 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.
X1
Curso 2013-2014
• 10 equipos más.
• Realización de las tres prácticas.
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34. Resultados económicos
RESUMEN DE COSTOS ASOCIADOS
Código
Descripción
Coste
Capítulo 1
Herramientas
506,16 €
Capítulo 2
18,73€
Capítulo 3
Software
X1
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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35. Líneas futuras
• MAX232 -> FT232BM
• Mayor resolución encoder.
X1
• Mejora del sensor de corriente.
• Cambio de volante de inercia.
• ¿Evolución hacia Arduino?
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36. Agradecimientos
GRACIAS
X1
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37. SISTEMA EDUCATIVO PARA PRÁCTICAS
DE FUNDAMENTOS DE AUTOMÁTICA
c
Autor: Martínez Marrodán, David
Director: Poncela Méndez, Alfonso Valentín
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ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Valladolid , Julio de 2013