Sistema de control de motores de Corriente Continua
basado en el microcontrolador LM629

Hardware del Sistema I

Sistema de control de motores de Corriente Continua basado en el microcontrolador LM629
Hardware del sistema

Capítulo IV

Descripción del sistema

de control de velocidad

Índice

Descripción del sistema de control de velocidad

Filtro P.I.D.

Descripción del MPID

Sistema de control de motores de Corriente Continua basado en el microcontrolador LM629
Hardware del sistema
Descripción del sistema de control de velocidad

Descripción del sistema
de control de velocidad

Realmente el sistema está definido por el procesador anfitrión que manda todos los comandos al microcontrolador PID programable LM629 (MPID), en donde llega primeramente el valor de la señal inicial, cuando el motor inicia su movimiento y posteriormente retroalimenta el valor de la señal del encoder.

Esta es decodificada dentro del MPID realizándose la suma de estos valores, se genera una diferencia de error que actúa directamente en el filtro PID quien se encarga de corregir los valores que llegan al dispositivo de puente H. Los MPIDs, son dispositivos dedicados al control de motores de CD y servomecanismos, que ocupan señales de retroalimentación de cuadratura incremental, en la figura 2.1 y 2.2 se muestra el sistema de control de los motores mediante los dispositivos LM628 y el LM629 respectivamente. Ambos el LM628 y el LM629 tienen un bus periférico, y pueden ser programados por una computadora (procesador). Esta aplicación no es recomendable por presentar un punto de iniciación concreto para la programación de estos controladores de movimiento de precisión. Si el enfoque es sobre el desarrollo de programas cortos, donde esta prueba es funcionalmente en sistemas Globales, y ponen el fundamento para más programas complejos. Este representa también un método para armonizar el filtro PID de compensación de lazo. En la figura 2.1 y 2.2 se ve que el sistema de control lo realiza en interfaz directa con un procesador dentro del mismo LM628 o LM629 donde se tienen 6 líneas de control y 8 líneas a un puerto de E/S que se conecta a una computadora, en nuestro diseño los datos pasan directos de la computadora. Durante los inicios de hardware y software cuando se utiliza un DAC a la salida por default se utiliza el modo de 8 bits. Si un LM628 utiliza un DAC de 12 bits en el lazo de control, el comando PORT12 puede ser emitido inmediatamente seguido del bloque de inicio del hardware, accionándose todos los reset subsecuentes. La falla para que el comando PORT12 sea emitido, es el comportamiento errático e impredecible del motor. Si el lazo de control utiliza un DAC de 8 bits, el comando de 8 bit no debe ser ejecutado, esto depende del resultado errático e impredecible del motor. Un LM629 ignorará el comando PORT8 (ya que da una salida PWM en signo / magnitud de 8 bits). Y el comando PORT12 puede ser no emitido en el sistema basado en el LM629. De hecho el LM628 y el LM629 funcionan igual excepto en el modo de utilizar la salida de puerto en el comando PORT12.

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Filtro P.I.D.

FILTRO P.I.D.

El MPID, usa un filtro digital PID (proporcional, integral y derivativo) para compensar el lazo de control.

El motor se sostiene en la posición deseada al aplicar una fuerza restauradora para el motor que es proporcional al error de posición, más el error de integración, y más el error derivativo.

La siguiente ecuación discreta en el tiempo ilustra el control ejecutado por el MPID.

(1)



Donde u(n) es la señal de salida de control en el tiempo "n" de muestreo, e(n) es el error de posición en el tiempo "n" de muestreo, "n" indica la muestra de la derivada de muestreo, y Kp, Ki, y Kd son los parámetros cargados (ajustados por el usuario o preajustados de fábrica). El primer término, el proporcional, provee una fuerza restauradora proporcional al error de posición, de la misma forma como un resorte obedece a la ley de Hooke. El segundo término, el de integración, provee una fuerza restauradora que crece con el tiempo, asegurando que el error de posición sea cero. Aunque exista una carga constante del torque, el motor será capaz de llevarlo al error de posición cero. El tercer término, el derivativo, provee una fuerza proporcional a la razón de cambio del error de posición, este actúa de la misma forma que un amortiguador viscoso en un sistema de resorte de masa. El intervalo de muestreo asociado con el término derivativo es seleccionado por el usuario, todo esto hace que el MPID sea capaz de controlar un amplio rango de cargas inerciales (constante mecánica de tiempo), ya que la derivada continua provee una mejor aproximación. En general, los intervalos de muestreo son muy útiles en operaciones de baja velocidad. En la operación, el algoritmo del filtro recibe una señal de error de 16 bits desde el lazo de control del sumador, donde la señal de error se satura en 16 bits para asegurar un comportamiento. En resumen, al multiplicarse por los coeficientes del filtro Kp, la señal de error se agrega a una acumulación de errores previos para formar la señal integral, y en una razón determinada al escoger el intervalo de muestreo derivativo, el error previo se sustrae de este (para formar la señal derivada). Todas las operaciones de multiplicación del filtro son de 16 bits, donde únicamente se utiliza la parte baja del producto de los 16 bits. La señal integral se mantiene en 24 bits, pero solamente se utiliza la parte alta de los 16 bits. Esta es la técnica de escalar un rango útil de los valores coeficientes de Ki. Los 16 bits se desplazan 8 posiciones a la derecha y multiplicados por el coeficiente Ki del filtro para formar el término desde el cual, contribuye a la salida del motor. La magnitud absoluta de este producto es comparada con los coeficientes Ki, y el valor más pequeño en magnitud se apropia y se asigna entonces a la señal del motor. La señal de derivación se multiplica por el coeficiente Kd a cada intervalo de muestreo derivativo. Este producto contribuye a la salida del motor en cada intervalo de muestreo, independientemente del intervalo de muestreo derivativo escogido por el usuario. El Kp, Ki limitado y Kd en productos son sumados para formar una cantidad de 16 bits. Dependiendo del modo de salida (tamaño de palabra) ya sea de 8 o de 12 bits para la salida de control del motor.

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Descripción de la arquitectura del dispositivo MPID

Descripción del MPID

Descripción de la arquitectura del dispositivo MPID
Diagrama de bloques del sistema MPID.
En la figura 2.3 se observa el MPID con sus terminales de entrada-salida, el microprocesador, el puente H, el motor, y el encoder, que forman el lazo de control PID en estudio.



Figura 2.3

Arquitectura del Microcontrolador PID (MPID)

En esta sección se detallan cada uno de los componentes y su uso dentro de la arquitectura del microcontrolador PID usado, ver figura 2.4. Se tiene una ROM de 1k x 16 bits que usa instrucciones de 16 bits, donde el algoritmo de control es almacenado. Se cuenta con un secuenciador PLA que decodifica esas instrucciones y da transferencia de señales de datos cronometradas para un bus de datos de 16 bits.

Tiene una RAM donde son almacenados los parámetros de trayectoria de doble palabra(32 bits). Cuenta con un registro de posición de 32 bits de suficiente rango dinámico, el cual también es usado para valores de velocidad y aceleración. Y por último, hay un ALU de 32 bits que se usa para soportar multiplicaciones de 16 x 16 bits para valores del error y coeficiente del filtro PID.



2.4 Arquitectura del Microcontrolador PID (MPID)

Decodificación de la posición del eje del motor

El microcontrolador PID tiene una interfaz para capturar tres señales de la posición óptica en el eje del encoder.

Dos señales cuadradas de entrada M1 y M2 son decodificadas para obtener la información de la posición y la dirección, una tercera señal de entrada opcional IN usada para capturar la posición una vez por revolución (ver figura 2.4).

Los cuatro estados de la señal cuadrada de posición son decodificados por el microcontrolador PID (ver figura 2.9).

Las señales de entrada tienen un incremento de cuatro tiempos para la resolución de la posición en el número de líneas del encoder.

Las "N" líneas del encoder pueden ser decodificadas como una posición de "4N" cuentas, en dicho dispositivo.

El secuenciador PLA decodifica la base de las señales M1, M2 e IN y determina si el eje del motor se mueve hacia adelante o hacia atrás, o permanece inmóvil.

Dentro del secuenciador se tiene un contador ascendente de 16 bits que mantiene la posición actual del eje del motor una vez por revolución, cuando las tres señales M1, M2 e IN están en bajo.

Operaciones de lectura y escritura del MPID

El procesador escribe comandos al MPID vía el puerto de entrada / salida, cuando la terminal de entrada 16 ( Port Select /PS) está en bajo lógico. El código del comando deseado se aplica a la línea del puerto paralelo, cuando la terminal de entrada 15 (/WR) es activada. El byte de comando pasa los valores al MPID, al subir la señal de entrada /WR. Cuando el byte del comando de escritura es necesario, primero se lee el byte de estado y enseguida se prueba el estado de una bandera, llamada "Bit-busy" (bit 0). Si el Bit-busy está en uno lógico, el comando de escritura no se realiza. El "Bit-busy" nunca es más grande que 100(segundos, típicamente cae entre los 15 a 25 (seg. El procesador lee el byte de estado del MPID de una manera similar, es decir, al activar la señal de la terminal 13 (/RD) mientras que /PS está en bajo, la información del estado permanece válida mientras /RD esté en bajo. Los datos de lectura y de escritura desde el MPID se aplican con /PS en alto. Estas escrituras y lecturas se dan siempre en números enteros (de 1 a 7) con palabras de 2 bytes, siendo el primero de cada palabra el más significativo. Cada byte requiere ser probado en lectura o escritura. Cuando se transfiere la palabra de dato, primero es necesario leer el byte de estado y luego probar el estado del "Bit-busy". Cuando el "Bit-busy" esta en bajo lógico, el usuario puede entonces transferir secuencialmente ambos bytes al comprimirse en una palabra de dato, pero el Bit-busy puede volverse a probar y determinar que está en bajo, antes de atender la transferencia del par de bytes siguientes. La transferencia de datos se envía vía las interrupciones internas del MPID, el "Bit-busy" informa a la computadora cuando el MPID interrumpe para transferir el dato, si el comando se escribe cuando el Bit-busy esta en alto, éste será ignorado. El "Bit-busy" irá a alto después de escribir un byte comando, o leer o escribir un segundo byte de datos.

Salidas al motor

Las salidas al motor del MPID al DAC pueden configurarse para proveer ya sea una salida paralela, pasando valores de 8 bits, o una salida de 12 bits multiplexados. La salida de 8 bits puede ser directamente conectada al DAC. La salida de 12 bits puede fácilmente ser demultiplexada pasando a un valor externo de 6 bits y un DAC de entrada de 12 bits. El dato de salida del DAC y los 12 bits son código binario con desplazamiento, el código de 8 bits es 80 hex y el código de 12 bits para el cero es 800H. Los valores menores de estos causan un torque negativo para aplicarse al motor, y en forma contraria, los valores grandes causan un torque positivo. Cuando el MPID se configura para una salida de 12 bits, provee señales que controlan la demultiplexación del proceso. El MPID provee 8 bits de señales de salida PWM de signo y magnitud, para excitar al amplificador de interrupciones. Son estas dos señales independientes, la señal de amplitud y la señal de signo, las que determinan la tensión y la polaridad, respectivamente. La señal de amplitud consiste en un tren de impulsos, a una frecuencia constante (512/fclk), cuya duración es función de la señal de control obtenida del PID. Cuanto mayor sea esta, mayor será el llamado factor de servicio o "duty-cycle" y , por lo tanto, mayor será la tensión que reciba el motor. El rango de a (a= duración del pulso dividido entre el periodo de la señal) esta entre 0/128 (motor parado) y 127/128 (mayor tensión con polaridad positiva) ó 128/127 (tensión continua, polarización negativa).

Ver figura 2.5



Figura 2.5 Señales de salida del PWM

Hay cuatro periodos PWM en un intervalo de muestreo del LM629. De este modo, para un LM629 con reloj de 8 Mhz se incrementa el rango de salida 3,9 Khz a una frecuencia de conmutación del puente en H de 1,5Khz.

La tabla 3-6, del apartado 10, muestra un formato de señales de salida en magnitud PWM.

Descripción de los terminales del MPID

El dispositivo MPID esta montado en un empaque de 28 terminales en doble línea.

El terminal 1 de entrada /IN, recibe un pulso opcional desde el encoder y puede ser sostenido en alto. Si no se usa, da la posición de la flecha cuando este pulso es leído y cuando las terminales 2 y 3 están en bajo. Los terminales 2 y 3, reciben las señales del encoder en las entradas A y B. Estas señales de cuadratura vienen del encoder incremental y están desfasadas 90º una de otra, así la dirección de rotación del motor. Los terminales 4 al 11 son puertos de E/S (del D0 al D7). Es un puerto bidireccional de datos el cual conecta al procesador de la computadora, usado para escribir comandos y datos al MPID, y para leer el byte de estado y datos desde el MPID que es controlado por las siguientes terminales: /CS(terminal 12), /PS(terminal 16), /RD(terminal 13) y /WR(terminal 15). El terminal 12, es entrada al Chip Select (/CS), usada para seleccionar la operación de lectura y escritura del MPID. El terminal 13, es entrada para lectura (/RD), usada para leer el estado y datos. El terminal 14, es tierra ( GND). El terminal 15, es entrada de escritura ( /WR) , usada para escribir comandos y datos. El terminal 16, es entrada para selección de puerto (/PS), usado para seleccionar puertos para comandos si está en bajo, o datos si está en alto. Los siguientes modos son controlados en esta terminal: - Comandos que son escritos al puerto de comandos (con la terminal 16 en bajo). - El byte de estado es leído desde el puerto de comandos (con la terminal 16 en bajo). - Los datos son escritos y leídos por la vía del puerto de datos. El terminal 17, es salida de interrupción del ordenador (HI), esta señal alerta al ordenador (por medio de un servicio de una rutina de interrupción) cuando una condición de interrupción ha ocurrido. Los terminales 18 al 25, son puerto del DAC (DAC0 al DAC7), es salida de puerto la cual es usada en tres modos diferentes: - Modo para el MPID (LM628, salida de 8 bits), siendo el MSB el terminal 18, y el LSB el terminal 25. - Modo para el MPID (LM628, salida de 12 bits), este tiene doble salida de palabras de 6 bits multiplexadas, el MSB esta en el terminal 18 y el LSB en el terminal 23, el terminal 24 es usado para el multiplexado de las palabras. - Modo para el MPID (LM629 con salidas de signo / magnitud), las salidas en esta señal PWM son, con signo en el terminal 18 (o 11 para montaje de superficie) y una señal PWM en magnitud sobre el terminal 19 (o 13 para montaje de superficie), los terminales del 20 al 25 no son usados en el LM629. El terminal 26, es entrada de reloj (Clock), donde recibe el sistema de reloj. El terminal 27, es entrada para reset (/RST ), y es activo en bajo. El terminal 28, es el suministro de voltaje (VDD), con un voltaje de 5 volts.

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CREDITOS

Créditos

PROYECTO PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE BACHILLERATO + 4 DE CNAM FRANCIA
Autores:
Juan Antonio Pizarro Martín
Julio Martín Rodríguez
Ángel Puerta Rubio
CURSO 2001/2002
JAPM 2007

CNAM ESPAÑA http://www.salesianosloyola.com/CNAM/INDEX.HTM

CNAM FRANCIA http://www.cnam.fr/36392593/0/fiche___pagelibre/

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Capítulo IV

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de control de velocidad

Índice

Descripción del sistema de control de velocidad

Filtro P.I.D.

Descripción del MPID

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FILTRO P.I.D.

El MPID, usa un filtro digital PID (proporcional, integral y derivativo) para compensar el lazo de control.

El motor se sostiene en la posición deseada al aplicar una fuerza restauradora para el motor que es proporcional al error de posición, más el error de integración, y más el error derivativo.

La siguiente ecuación discreta en el tiempo ilustra el control ejecutado por el MPID.

(1)

Descripción del MPID

Descripción de la arquitectura del dispositivo MPIDDiagrama de bloques del sistema MPID.En la figura 2.3 se observa el MPID con sus terminales de entrada-salida, el microprocesador, el puente H, el motor, y el encoder, que forman el lazo de control PID en estudio.

Figura 2.3

Arquitectura del Microcontrolador PID (MPID)

2.4 Arquitectura del Microcontrolador PID (MPID)

Decodificación de la posición del eje del motor

El microcontrolador PID tiene una interfaz para capturar tres señales de la posición óptica en el eje del encoder.

Dos señales cuadradas de entrada M1 y M2 son decodificadas para obtener la información de la posición y la dirección, una tercera señal de entrada opcional IN usada para capturar la posición una vez por revolución (ver figura 2.4).

Los cuatro estados de la señal cuadrada de posición son decodificados por el microcontrolador PID (ver figura 2.9).

Las señales de entrada tienen un incremento de cuatro tiempos para la resolución de la posición en el número de líneas del encoder.

Las "N" líneas del encoder pueden ser decodificadas como una posición de "4N" cuentas, en dicho dispositivo.

El secuenciador PLA decodifica la base de las señales M1, M2 e IN y determina si el eje del motor se mueve hacia adelante o hacia atrás, o permanece inmóvil.

Dentro del secuenciador se tiene un contador ascendente de 16 bits que mantiene la posición actual del eje del motor una vez por revolución, cuando las tres señales M1, M2 e IN están en bajo.

Operaciones de lectura y escritura del MPID

Salidas al motor

Ver figura 2.5

Figura 2.5 Señales de salida del PWM

Hay cuatro periodos PWM en un intervalo de muestreo del LM629. De este modo, para un LM629 con reloj de 8 Mhz se incrementa el rango de salida 3,9 Khz a una frecuencia de conmutación del puente en H de 1,5Khz.

La tabla 3-6, del apartado 10, muestra un formato de señales de salida en magnitud PWM.

Descripción de los terminales del MPID

El dispositivo MPID esta montado en un empaque de 28 terminales en doble línea.

Créditos

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Hardware del Sistema I

Descripción de la arquitectura del dispositivo MPID
Diagrama de bloques del sistema MPID.
En la figura 2.3 se observa el MPID con sus terminales de entrada-salida, el microprocesador, el puente H, el motor, y el encoder, que forman el lazo de control PID en estudio.