CONTROL DE POSICIÓN DE UN BALANCÍN CON MOTOR Y HÉLICE

WILMER ANDRÉS CORREA SALAMANCACRISTIAN ANDRÉS GIL ROBERTO

SANTIAGO ANDRÉS HURTADO AVELLA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA TECNOLÓGICA DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERÍAINGENIERÍA ELECTRÓNICA

TUNJA2014

ANTEPROYECTO

CONTROL DE POSICIÓN DE UN BALANCÍN CON MOTOR Y HÉLICE

WILMER ANDRÉS CORREA SALAMANCACRISTIAN ANDRÉS GIL ROBERTO

SANTIAGO ANDRÉS HURTADO AVELLA

DOCENTE:ING. MSc. FABIÁN JIMÉNEZ LÓPEZ

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA TECNOLÓGICA DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERÍAINGENIERÍA ELECTRÓNICA

TUNJA2014

OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar una planta para el control de posición a través de un motor con hélice, en la cual se puedan implementar y verificar el funcionamiento de los distintos controladores que se observaran en el transcurso del curso, complementando el proyecto haciendo uso de las herramientas de desarrollo integrado como MATLAB o LabVIEW para la visualización de las señales de importancia en la planta.

OBJETIVOS ESPECIFICOS.

1) Poner en práctica los conocimientos adquiridos durante la carrera para la instrumentación de la planta, y así poder combinarlo con los conocimientos que se adquirirán para la elaboración completa de un sistema de control para una planta.

2) Identificar y aplicar las diferentes etapas de desarrollo de sistemas de control digital en la variación de la velocidad del motor.

3) Obtener el modelo matemático del sistema en cuestión, utilizando las leyes físicas que rigen el movimiento.

4) Determinar el controlador que mejor se adapte al sistema de motor hélice, cumpliendo los requerimientos de la manera más eficiente.

5) Mejorar el controlador propuesto a partir del análisis de las señales de control y de respuesta de la planta que se visualizan mediante el uso de herramientas computacionales.

6) Comparar los avances y resultados obtenidos con otros modelos, para determinar la evolución y correcto funcionamiento de la planta y el controlador.

IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA

Teniendo en cuenta el desarrollo que ha tenido la tecnología en el ámbito industrial, comercial y militar, los requerimientos de calidad y servicio se han vuelto más exigentes. Por ende se hace necesario el uso del control para solventar en gran medida estas exigencias.

Uno de los focos principales donde se evidencia tales exigencias es en el ámbito aéreo, en donde hablando en términos comerciales se requiere llevar con mayor comodidad a los pasajeros, de igual modo en el transporte de mercancías.

Otro foco del ámbito aéreo se está desarrollando en drones, además de bicópteros y cuadricópteros, los cuales en la actualidad tienen un aporte importante en reducir los costos de envió y comercialización, al ser más eficientes ya que su consumo energético es muy reducido, y puede ser automatizado el proceso para no requerir personal alguno.

Es por ello que se requiere la evolución de estos drones, para que requieran en lo más mínimo la necesidad de un operario, para cumplir este objetivo el artefacto aéreo debe tener un control el cual soporte cualquier condición climática y/o atmosférica para que cumpla con el objetivo final.

JUSTIFICACIÓN

En un mundo en el cual el avance tecnológico crece de forma rápida, se requieren de nuevas estrategias y dispositivos para mantenerse a la vanguardia de las nuevas tecnologías. Los drones son uno de los avances más importantes en el área del transporte de elementos, los cuales optimizan el tiempo, el consumo energético y la seguridad de la entrega, con su facilidad de movimiento y versatilidad. El aporte de los drones se podrá ver no solo en el transporte de elementos sino en el acceso a lugares remotos, como minas.

Es por ello que se decide analizar y ejecutar como controlar estos dispositivos a partir del control de posición o ángulo de giro, para corregir su posición actual, estos drones pueden ser desde 1 hasta n hélices, siendo los más comunes los de cuatro hélices. En este caso se realizará el control sobre una hélice, siendo este un balancín controlado por motor y hélice, el cual es la base de todo tipo de dron en el cual se comprueba de manera fácil el comportamiento y la respuesta al control del sistema.

Los resultados fruto de este proyecto, serán de aporte constructivo y de conocimiento hacia los compañeros que en un futuro deseen o tengan que realizar prácticas de control sobre plantas de aeromodelismo.

MARCO DE ANTECEDENTES

Estado Del Arte:

Local

En la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), Facultad sede Sogamoso se encuentra un sistema de control de balancín basado en ventiladores el cual su modo de operación es un poco diferente a la propuesta en este documento, en el diseño planteado por ellos la hélice y el motor son fijos en la base, estos generan un empuje que es canalizado por un envase en forma de vaso fijado al soporte cuyo eje se desea mantener estable. De igual modo se venía desarrollando el diseño y construcción del sistema control para Cuadricoptero, aeronave no tripulada (UAV: Unmanned Aerial Vehicle) que permita el acceso a terrenos inhóspitos para la humanidad, también desarrollado por estudiantes de la UPTC, el cual fue presentado en una ponencia en paneles en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

En la Universidad de Caldas sede Manizales, se realizó un modelo de control basado en Arduino, que de igual modo se basa en el montaje de un motor con hélice al soporte que se desea mantener en valor objetivo.

Internacional

En el ámbito internacional los avances que se han desarrollado acerca de esta temática han sido muchos, hasta el punto de llegar a dispositivos controlados de forma remoto, a través de análisis de señales que transmite el cerebro humano; aquí solo se expondrán las investigaciones más relevantes y cercanas al manejo que se está trabajando en este proyecto .

En la universidad técnica de Lisboa, se basaron en el estudio y la problemática en la que actualmente existe una diversidad limitada de vehículos capaces de despegue y aterrizaje vertical. Sin embargo existe un interés visible por los estudiosos y admiradores de vehículos aéreos no tripulados para un tipo particular de aeronave llamada cuadricoptero. El trabajo de ellos tiene como objetivo, precisamente, el diseño y control de un prototipo de cuadricoptero el cual posee como sus sensores un acelerómetro de tres ejes y una brújula.En la universidad de Örebro University se basaron en el estudio y aplicación del “Quadrocopter Fuzzy Flight Controller”. Este fue implementado a través de un controlador difuso, que fue probado en configuración Hardware In Loop (HIL).

MARCO TEORICO

Sensor de posición angular:

Un Potenciómetro es un dispositivo electromecánico que consta de una resistencia de valor fijo sobre la que se desplaza un contacto deslizante llamado cursor y que la divide eléctricamente.

La aplicación más común de los potenciómetro es en instrumentación es como sensor de desplazamiento de tipo resistivo. El movimiento del cursor origina un cambio en la resistencia, el cual puede utilizarse para medir desplazamientos lineales o angulares de piezas acopladas al cursor.

Los potenciómetros pueden usarse para medir diversas magnitudes físicas siempre que se puedan convertir en desplazamiento. Los elementos resistivos utilizados en los potenciómetros son de diferentes tipos. Se usan principalmente el bobinado que es muy lineal y también el plástico conductor que aparte de la linealidad ofrece una vida muy larga. Pero, existen en el mercado una variedad de elementos resistivos que se utilizan en los potenciómetros. El elemento más popular es el carbón, su mejor característica es el precio pero como inconvenientes tiene las variaciones de temperatura y su vida. El cermet es una combinación de material cerámico y metal que mejora muchísimo las características del carbón. Después se encuentra el bobinado, que sus principales ventajas son el bajo coeficiente de temperatura, su vida mecánica, bajo ruido, alta disipación, y estabilidad con el tiempo. Otro elemento utilizado es el plástico conductor que mejora en todas las características respecto a los demás elementos, pero tiene un precio superior.

Motor brushless:

Componentes del motor brushless:

Los motores brushless están compuestos por una parte móvil que es el rotor, que es donde se encuentran los imanes permanentes, y una parte fija, denominada estator o carcasa, sobre la cual van dispuestos los bobinados de hilo conductor. La figura 1, refleja una sección de uno de estos motores en donde puede verse la disposición de los bobinados y los imanes permanentes (que en este caso son de neodimio).

Figura 1. Estructura interna del motor Brushless.

Funcionamiento del motor brushless:

Como su propio nombre indica, brushless quiere decir "sin escobillas". En este tipo de motor la corriente eléctrica pasa directamente por los bobinados del estator o carcasa, por lo tanto aquí no son necesarias ni las escobillas ni el colector que se utilizan en los brushed. Esta corriente eléctrica genera un campo electromagnético que interacciona con el campo magnético creado por los imanes permanentes del rotor, haciendo que aparezca una fuerza que hace girar al rotor y por lo tanto al eje del motor.

No tenemos ni escobillas, ni colector y tampoco tenemos delgas; por lo que ahora el elemento que controlará que el rotor gire sea cual sea su posición será el variador electrónico; que lo que hace básicamente es ver en qué posición se encuentra el rotor en cada momento, para hacer que la corriente que le llegue sea la adecuada para provocar el movimiento de rotación que le corresponde. El variador es capaz de hacer esto, gracias a unos sensores en el motor, o también mediante la respuesta obtenida o mejor dicho, observación de cómo se comporta la corriente del motor. Por este motivo, los variadores empleados en este tipo de motores son algo más complicados que los utilizados en brushed, ya que deben analizar la respuesta y los datos de funcionamiento del motor según están teniendo lugar, es decir, en tiempo real.

Qué indica el factor "kV" en un motor Brushless:

Cuando hablamos de motores brushless, hay un parámetro importante que debemos considerar, que es factor "kV". Normalmente aparece junto al número de vueltas de bobinado del motor, y lo que nos indica es el número de revoluciones por minuto a las que es capaz de girar el motor por cada Voltio de electricidad que se le aplica.

Es decir, que si tenemos por ejemplo un motor brushless de 3000kV, y le aplicamos a sus bornes 10 voltios, la velocidad será de 30000rpm. En el mercado podemos encontrar un rango amplio para este factor.

Pero como ocurre muchas veces, no todo son ventajas. A mayores valores para el kV, mayores valores de velocidad, pero menores valores de par y viceversa. Por lo tanto se trata de encontrar una solución de compromiso entre velocidad y par teniendo en cuenta las características de nuestro modelo. Si tenemos un vehículo aligerado, optaremos por motores con valor kV más elevado, cuya respuesta en velocidad y aceleración sean mayores; pero si tenemos modelos de mayor peso, quizás sería mejor optar por un valor de kV algo inferior, que tenga una velocidad y aceleración satisfactoria pero que nos proporcione un mayor valor para el par.

Ventajas:

Los motores brushless tienen muchas ventajas por sobre los motores brushed (con escobillas) entre ellas las más nombradas son:

Mayor eficiencia (menos perdida por calor). Menor peso para la misma potencia. Conmutación electrónica basada en sensores de posición de efecto

Hall. Requieren menos mantenimiento al no tener escobillas. Relación velocidad/par motor es casi una constante. Rango de velocidad elevado al no tener limitación mecánica. Menor ruido electrónico (menos interferencias en otros circuitos).

Desventajas:

Se requiere un control electrónico complejo para que funcione, el cual aumenta duplica el costo con respecto a otros motores.

Hélice:

Pieza de un motor compuesta por varias palas que giran alrededor de un eje, y que sirve, especialmente, para dar impulso a un vehículo o mover un fluido, como aire o agua.

El aspa de una hélice aérea tiene una sección en cruz similar a la de un ala desde el punto de vista aerodinámico y, al impulsarse en el aire, produce un movimiento de ascenso y arrastre, perpendicular y paralelo a la velocidad del aire relativa a la sección del aspa. Las fuerzas debidas al movimiento de la hélice tienen dos componentes. Uno, de empuje, en la dirección del vuelo; el otro componente, en el plano de rotación, representa la fuerza que debe superar el par motor, o fuerza de giro, del motor de impulso. El movimiento completo de un aspa de la hélice combina el impulso hacia adelante, representado por la velocidad de vuelo, y el impulso centrífugo debido a la rotación del aspa.

Número de PalasLas hélices de elevada solidez son multipalas, pudiendo llegar a tener unas 25, mientras que las de baja solidez son de una, dos o tres palas.Entre las de baja solidez debe mencionarse que si bien, el rendimiento aerodinámico aumenta al aumentar el número de palas, este incremento se hace poco significativo para hélices con más de tres palas.

Hélice de una pala: Estas hélices requieren un contrapeso que compense a la pala y el balanceo debe realizarse con mucho cuidado y precisión debido a la extremada sensibilidad que tienen a las vibraciones. Resultan atractivas económicamente por necesitar sólo una pala, que es un elemento costoso pero las dificultades producidas por las vibraciones, las hacen poco prácticas.

Hélice de dos palas: Son más económicas que las de 3 palas pero son más sensibles que éstas a las vibraciones. En turbinas de baja potencia, con hélice de 2 palas y de paso fijo, la hélice puede construirse entera con un solo larguero pasante, mientras que si es de paso variable esto ya no es posible pero todo el mecanismo de cambio de paso resulta más simple que en una de mayor número de palas.

Hélices de tres palas: Su característica principal es su mayor suavidad de funcionamiento y ésta es una importante cualidad.

Interface serial RS-232:

El protocolo RS-232 es una norma o estándar mundial que rige los parámetros de uno de los modos de comunicación serial. Por medio de este protocolo se estandarizan las velocidades de transferencia de datos, la forma de control que utiliza dicha transferencia, los niveles de voltajes utilizados, el tipo de cable permitido, las distancias entre equipos, los conectores, etc.

Los dispositivos que usan cables serie para comunicarse se dividen en dos categorías:

Los DCE (Data Communications Equipment) y los DTE (Data Terminal Equipment). Entre los Equipos de Comunicación de Datos se pueden encontrar modems, adaptador TA, plotter, etc. Mientras que los Equipos Terminales de Datos pueden ser la computadora o el terminal.

Las especificaciones eléctricas del puerto serial están contenidas en el estándar RS232 de EIA (Electronics Industry Association) que establece muchos parámetros tales como:

o Un “Espacio” (0 lógico) está entre +3 y +25 volts. o Una “Marca” (1 lógico) estará entre -3 y- 25 Voltso La región entre +3 y -3 volts es indefinida.o Un circuito abierto nunca debe exceder 25 Volts (con referencia

a tierra)o La corriente de corto circuito nunca debe exceder de 500mA. El

manejador debe ser capaz de manipular esta corriente sin dañarse.

El estándar RS232C específica un baudaje máximo de 20.000 BPS, que para los estándares de ahora es muy lento.

Revisiones del estándar EIA-232D y EIA-232E, que se emitieron en 1987 y 1991 respectivamente.

Controlador:

Un sistema dinámico puede definirse conceptualmente como un ente que recibe unas acciones externas o variables de entrada, y cuya respuesta a estas acciones externas son las denominadas variables de salida.

Las acciones externas al sistema se dividen en dos grupos, variables de control, que se pueden manipular, y perturbaciones sobre las que no es posible ningún tipo de control. La figura 2, ilustra de un modo conceptual el funcionamiento de un sistema.

Figura 2. Estructura de un sistema de control.

Dentro de los sistemas se encuentra el concepto de sistema de control. Un sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados (consigna).

Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes requisitos:

• Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a perturbaciones y errores en los modelos.

• Ser tan eficiente como sea posible, según un criterio preestablecido. Normalmente este criterio consiste en que la acción de control sobre las variables de entrada sea realizable, evitando comportamientos bruscos e irreales.

• Ser fácilmente implementable y cómodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador.

Los elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulación son los siguientes:

• Sensores. Permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema.

• Controlador. Utilizando los valores determinados por los sensores y la consigna impuesta, calcula la acción que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta estrategia.

-• Actuador. Es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por

el controlador y que modifica las variables de control.

En la figura 3, se ilustra el esquema de funcionamiento de un sistema de control genérico:

Figura 3. Esquema de funcionamiento de un sistema de control genérico.

RECURSOS

Humanos

El acampamiento principal y permanente será por parte del docente del área en cuestión, también se tiene la asesoría por parte de los docentes de las escuelas de Ingeniería Electrónica y Matemáticas, los cuales brindaran aportes en aspectos específicos de la elaboración de la planta. Igualmente se cuenta para la elaboración física y mecánica con la facilidad de personal capacitado en carpintería.

Físicos

El espacio principal para las pruebas son los brindados por la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC), como lo son los laboratorios e implementos que en ellos se encuentran. De igual modo se cuenta con la información que se puede encontrar en la biblioteca, bases de datos, internet. En los horarios de no disponibilidad de los laboratorios el desarrollo del trabajo se enfocara en los hogares propios de los integrantes.

Económicos

Los materiales empleados y cualquier herramienta que se requiera para la elaboración del proyecto y que no esté disponible en la universidad serán costeados por cuenta propia de los integrantes, esto debido a que los materiales que se requieren no son muy costosos y son relativamente fáciles de conseguir.

DISEÑO METODOLÓGICO

La metodología que se va a implementar será semanal, iniciando por el proceso estructuración física hasta la implementación final del controlador. El cronograma de trabajo es mostrado en el siguiente diagrama, teniendo en cuenta que en la parte del diseño del controlador está definida en el avance que se tenga en la temática recibida en el aula de clase.

Tabla 1. Cronograma (distribución del tiempo de trabajo en la planta).

Actividades a realizar

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Formulación de AnteproyectoElaboración e instrumentación de la plantaAnálisis de datosDiseño del controladorImplementación y depuración del controladorAplicación y pruebas del proyectoPresentación informe final

Tabla 2. Fechas preestablecidas para el cumplimiento de la plata.

Descripción Fecha de inicio Fecha de finalizaciónInvestigación sobre el proyecto.

11 de Agosto de 2014 31 de Agosto de 2014

Elaboración e Instrumentación de la planta

1 de Septiembre de 2014 28 de Septiembre de 2014

Diseño del controlador 29 de Septiembre de 2014 19 de Octubre de 2014Implementación y depuración del controlador elegido.

20 de Octubre de 2014 2 de Noviembre de 2014

Pruebas finales. 3 de Noviembre de 2014 16 de Noviembre de 2014

REFERENCIAS

http://www.infoplc.net/files/documentacion/instrumentacion_deteccion/

infoPLC_net_Medida_Desplazamiento.pdf

http://www.cochesrc.com/motor-electrico-brushless-funcionamiento-y-

caracteristicas-a3607.html

http://www.e-radiocontrol.com.ar/?Motores_Brushless

http://www.ecured.cu/index.php/H

%C3%A9lices#H.C3.A9lices_a.C3.A9reas

http://galia.fc.uaslp.mx/~cantocar/microcontroladores/

SLIDES_8051_PDF/EL_RS232.PDF

https://uvadoc.uva.es/bitstream/10324/1895/1/PFC-P%2026.pdf

http://kimerius.com/ Cálculo y diseño de la hélice óptima para turbinas

eólicas.pdf

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?

reload=true&arnumber=6197019

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=1712748

http://www.colombiarc.com/

http://www.youtube.com/watch?v=zifQYUG8Iiw

https://mega.co.nz/#!M0BBDSSK!ZYUMmwGV7-

hk7HfYpQmvesujDHDNZC0eMis17tI7J-w