Publication: Desarrollo de un controlador para motores DC brushless basado en CompactRIO y LabVIEW de National Instruments para el estudio de nuevos algoritmos de control
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Publication date
2011-11
Defense date
2011-11-14
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Este proyecto que el CAR inició hace pocos años tiene como objetivo principal el estudio y desarrollo de nuevas tecnologías en el campo de actuación y control automático, que servirá de base para otras futuras investigaciones dentro del centro. La tecnología a la que se hace mención se refiere al control de actuadores basados en motores DC brushless (BLDC Motors) empleando el sistema de hardware embebido CompactRIO y programación LabVIEW de National Instruments. Tradicionalmente se emplea en el CAR motores DC con escobillas para la mayoría de sus diseños robóticos. Recientemente, gracias a los nuevos avances tecnológicos y la reducción de costos, los motores brushless se están convirtiendo en una opción rentable que aportan beneficios tanto en relación par-motor/tamaño como en relación par-motor/precio. Por otro lado, las tarjetas electrónicas de control antiguas que aún se emplean en el CAR no ofrecen las ventajas y versatilidad de los nuevos sistemas embebidos. Es por ello que el centro estudia la integración del sistema embebido CompactRIO, desarrollado por National Instruments, con los robots desarrollados en el CAR. Entre otras ventajas, este sistema embebido permite ser reprogramado, tanto en software (programa que ejecuta una CPU) como en hardware (reconfiguración de una FPGA), permitiendo que el actuador pueda ser empleado prácticamente en cualquier tipo de aplicación en el campo de la automática y la robótica. Como se acaba de comentar, el CSIC estudia la posibilidad de incorporar estas nuevas tecnologías en sus proyectos futuros. Para ello, desarrollaremos un proyecto, que como objetivo principal, consiste en diseñar e implementar un controlador de motores DC brushless mediante el uso de CompactRIO y LabVIEW de National Instruments. Dividiremos este proyecto en cuatro partes. De estas cuatro partes, las tres últimas nos definirán a su vez los tres objetivos principales, los cuales se explican a continuación: 1. Aprendizaje y desarrollo de un nivel alto de programación del lenguaje G que se necesita para elaborar cualquier tipo de programa a través del entorno de programación grafica llamado LabVIEW, proporcionado por National Instruments. El curso de aprendizaje consiste en estudiar tres manuales de usuario suministrados por la propia empresa National Instruments. En los dos primeros se explica con detenimiento todas las herramientas y aplicaciones que posee LabVIEW (LabVIEW Core 1 y LabVIEW Core 2). En el tercero se explica cómo saber utilizar las herramientas y aplicaciones específicas de la FPGA que incorpora la CompactRIO (LabVIEW FPGA). 2. Desarrollo de un programa específico para el control de motores DC brushless. Este programa a su vez se divide en dos subobjetivos. El primero es el diseño del control de velocidad en lazo cerrado. El programa consiste en una sensorización y procesamiento de datos, tanto de la posición del motor a través de unos sensores de efecto hall, como de otras entradas auxiliares, que permiten medir la velocidad y posición del motor. A partir de estos valores se implementa un lazo cerrado de control empleando un módulo regulador (un PID). El segundo es la implementación de la máquina de estados para el control de conmutación, de tal forma que finalmente se generen las consignas de actuación codificadas en señales moduladas en ancho de pulso (PWM). Estas señales de salida activan las puertas de un inversor trifásico basado en transistores MOSFET que proporciona potencia al motor. Se utiliza como hardware el controlador de automatización programable CompactRIO y como software se utiliza el entorno de desarrollo gráfico LabVIEW, ambos suministrados por National Instruments. 3. Diseño y posterior fabricación de una etapa de suministro de potencia para un motor DC brushless. Se denomina comúnmente driver, que en este caso consiste en un conjunto de transistores organizados en configuración de puente H triple o inversor trifásico (de tres ramas). El motor DC brushless es un motor eléctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad de los electroimanes dentro del rotor, requiriendo que la conmutación (cambio de polaridad) sea realizada de manera externa al motor. El motor que usaremos en el proyecto contiene tres fases (tres bobinados), las cuales se activan o se desactivan sincronizadamente para mover el motor. Para activar estas tres fases también se construye un puente H triple que controle el suministro de energía a cada bobinado. Además la etapa de potencia cuenta a su vez con una etapa de acondicionamiento de señales que deberán activar las entradas a las puertas del puente H triple, señales que provendrán de la CompactRIO a través de sus modulo E/S. con un regulador de 12V que suministre energía a las demás partes de la placa PCB y un regulador de 5V que alimenta los sensores Hall. 4. Por último, desarrollo de pruebas de control y experimentación sobre el motor aplicado a casos reales. Se le incorpora al motor DC brushless en un banco de pruebas y se le somete a distintos experimentos para calcular factores de trabajo.
Description
Keywords
Control automático, Robótica, Motores eléctricos