Control de velocidad para motor DC mediante PI digital con Arduino

TALLER DE ELECTRÓNICA
TALLER N°3

José Miguel Ibarra Villaseca, Javier Bravo Piña
jibarra10@alumnos.utalca.cl; jabravo09@alumnos.utalca.cl


RESUMEN: El siguiente informe presenta el desarrollo del tercer taller del ramo de Taller de electrónica. Se realizan una experiencia basadas en el control PI a una carga que en este caso será un motor en donde a través de un convertidor Buckrealimentado con un sensor de voltaje con amplificadores operacionales.

PALABRAS CLAVE: Control PI, Sensor de voltaje, Amplificador Operacional.


1 INTRODUCCIÓN
Dado el amplio uso de los controladores PID en el ámbito industrial (control de potencia en motores de inducción, control de nivel, voltaje en una carga, caudal y presión en procesos químicos, entre otros), el uso demicrocontroladores para el desarrollo de este tipo de aplicaciones ha tomado fuerza gracias a la incorporación de lenguajes de alto nivel que facilitan ampliamente este tipo de implementaciones, además de los bajos costos de adquisición de estos dispositivos, distribución de software de desarrollo gratuito y amplia información en la Internet. En este caso el Arduino basado en los microcontroladores Atmega es elque se utilizara para implementar el control PI.
El trabajo de laboratorio realizado se enfocó en construir un convertidor Buck controlado con un Mosfet el cual funciona como interruptor para así regular el voltaje en un motor de 12V. El Mosfet será operado a través de un Arduino Mega 2560 que le entrega una señal PWM para regular el ciclo de trabajo.

2 DESARROLLO

Los componentes usados paraeste laboratorio fueron:

LM324
1
Mosfet IRFZ44N
1
Res. 1KΩ
7
Res. 5KΩ
4
HCPL-3120
1
Res. 10Ω
1
C 10ηF
1
C 0.1ηF
1
Arduino MEGA
1
L 730 µH
1
C 100µF
1
Diodo 1n4007
1
Motor 12V
1


El diseño del circuito a desarrollar en este taller es el que se presenta a continuación.
Fig.1, Esquema del circuito.

Se utilizó una fuente de poder y sus dos canales para energizar elcircuito con 15V para el convertidor Buck y 20V para el driver del Mosfet y el sensor de voltaje.

Para el desarrollo del sensor de voltaje se usó el LM324. Este operacional posee un encapsulado de 14 pines con 4 operacionales internos, lo que permite realizar el sensado y el control en un solo componente.

Fig. 2, Amplificador Operacional LM324
El sensor de voltaje desarrollado es elrestador el cual solo consta con 2 seguidores para el sensado de voltaje en el motor y un divisor de voltaje tal como muestra la figura siguiente.

Fig.3 Sensor de Voltaje

La ecuación que representa este circuito es:

Donde






De esta manera se puede sensar un voltaje desde los 15V para así obtener hasta un máximo de 5V en el sensor que ira hacia el Arduino.

El siguiente paso es laconstrucción del driver para el Mosfet. Para esto se utilizó un HCPL-3120 (Fig. 4) que es un opto-acoplador son idealmente adecuados como driver como IGBTS y MOSFETS.
El alto rango de operación de voltaje de salida le entrega al driver los voltajes al Gate para así controlar dispositivos. [1]
Fig. 4 Opto-acoplador usado como driver para el Mosfet

El driver en sí no es sólo el opto-acopladorsino un conjunto de componentes como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 5 Driver para el Mosfet

Como se puede observar en el pin 2 se ingresa la señal PWM y donde entre el pin 7 y 8 se obtiene la salida de voltaje que activar la compuerta del Mosfet.

El Mosfet utilizado es el IRFZ44N el cual unas de las características que se pueden destacar es que puede manejar corrientes muy altade hasta 49A ofreciendo una baja resistencia. Lo que produce una potencia no mayor a 45 Watts.


Fig. 6 Mosfet IRFZ44N

Para regular el voltaje entregado al motor se utiliza un Arduino Atmega2560 el cual entrega una señal PWM que va desde el driver al Mosfet. El tipo de señal programada está en el modo PWM rápido.
La frecuencia de la PWM puede ser calculado tal y como muestra la siguiente...