Bancos de prueba para prácticas de control automático en motores de corriente directa

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Título :	Bancos de prueba para prácticas de control automático en motores de corriente directa
Autor :	Rocha Cozatl, Edmundo Gabriel
Fecha de publicación :	2015
Resumen :	Las aplicaciones del control de motores en las áreas de las ingenierías es inmensa, siendo las más usuales el control de posición, de velocidad o de fuerza/par de diversos mecanismos, robots, robots móviles, robots bípedos caminantes, bandas transportadoras, automóviles eléctricos; otras aplicaciones más recientes y de reciente desarrollo que requieren de controles de más alto nivel que los anteriores son en las áreas de prótesis activas, mecanismos automáticos para rehabilitación, mecanismos teleoperados, dispositivos hápticos (con retroalimentación de fuerza), entre otras. Muchas de esas aplicaciones se realizan con motores de corriente directa (CD), los cuales son también utilizados por los alumnos en muchos de los proyectos de sus asignaturas, en sus trabajos de tesis de licenciatura y/o de maestría e incluso en su actividad profesional. Sin embargo, ante la falta de dispositivos para la realización de prácticas específicas de control de motores, los alumnos actualmente se conforman con la implantación de algoritmos de control básicos (encendido/apagado, por ejemplo), los cuales no permiten resolver problemas de control más avanzados. Por lo tanto, el objetivo de este proyecto es generar prototipos de laboratorio donde los alumnos de las carreras de Ingeniería Mecatrónica, Mecánica e Industrial puedan aprender e implementar diferentes algoritmos de control de motores, así como conocer los diferentes tipos de sensores o instrumentos de medición para las variables asociadas a los dispositivos motorizados. Los motores que conformarán estos bancos de pruebas serán de diferentes tamaños (un micro motor y otro de medianas dimensiones como los que usa el estudiantado) con el fin de demostrar lo amplio de su aplicación en las áreas antes mencionadas. Para esto, además, se deberá incluir la selección de etapas de potencia adecuadas a cada tamaño de motor. La idea es mejorar las condiciones para proporcionar una educación de mejor calidad, así como desarrollar una base tecnológica que se utilice para proyectos de asignatura, tesis de licenciatura, prototipos para publicaciones en congresos y en revistas de divulgación. La contribución de este proyecto es evidentemente el desarrollo de material didáctico, en específico bancos de prueba y el diseño de prácticas de laboratorio, tanto para los alumnos como para cursos de actualización de personal docente. La motivación general del proyecto es el desarrollo de técnicas y material didáctico moderno, a la vanguardia de la tecnología, lo cual mejorará la oferta que se hace a los alumnos de las diferentes carreras y a los alumnos de las maestrías afines así como las herramientas para llevar a cabo la actividad docente de la mejor forma posible. Por esto, se ha pensado incluso en ir más allá y en un futuro desarrollar este tipo de bancos de prueba para motores de CD más grandes u otro tipo de motores también utilizados en aplicaciones de ingeniería: motores de inducción o de corriente alterna, motores sin escobillas (brushless), motores a pasos, motores tipo harmonic drive (utilizados en bicicletas eléctricas o exoesqueletos), etc.
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/5272
metadata.dc.contributor.responsible:	Rocha Cozatl, Edmundo Gabriel
metadata.dcterms.callforproject:	2015
metadata.dc.coverage.temporal:	2015-2017
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura nivel superior
metadata.dc.description.objective:	Objetivo general Desarrollar bancos de prueba utilizando motores de CD que mejoren las condiciones del proceso enseñanza-aprendizaje y que otorguen al alumno mayores herramientas para el desarrollo de proyectos de asignatura, de tesis o profesionales. La idea principal es que el alumno identifique y evalúe experimentalmente las implicaciones del control de este tipo de motores: control de posición, velocidad o par (con y sin carga), diseño e implementación de controladores básicos (PID) y avanzados (robustos, adaptables, inteligentes), acondicionamiento de señales de sensores (instrumentación) y de actuadores (etapas de potencia). Objetivos particulares Desarrollar material didáctico, en específico bancos de prueba y el diseño de prácticas de laboratorio, tanto para los alumnos como para cursos de actualización de personal docente. Desarrollar interfaces de usuario para el fácil manejo de los bancos de prueba y donde se puedan programar diferentes tipos de controladores. Ayudar a la formación de ingenieros altamente preparados, calificados y de alta calidad proporcionándoles mejores herramientas, tanto en software como hardware, para resolver problemas de accionamiento con motores de CD. Mejorar los espacios y el equipo de laboratorio con los que actualmente cuenta el Departamento de Ingeniería Mecatrónica, en particular en las aplicaciones del control automático. Formar una base tecnológica que sirva a estudiantes y docentes del Departamento de Ingeniería Mecatrónica, para el desarrollo de proyectos e innovaciones tecnológicas dentro y fuera de la Universidad (proyectos con la industria).
metadata.dc.description.hypothesis:	El control automático retroalimentado se presenta en casi todos los ámbitos de la ingeniería, desde control de sistemas mecánicos, eléctricos, térmicos, químicos, hasta controles de calidad. Los dispositivos o mecanismos actuados con motores pueden ser presentados como ejemplos muy sencillos en donde los diferentes objetivos de control son también muy claros y algunos pueden apreciarse incluso a simple vista. Por tanto, representan un punto clave para la introducción de conceptos básicos de control y mejorar la formación de los alumnos de Ingeniería Mecatrónica, Mecánica e Industrial dentro de esta área. En general, los alumnos de las carreras antes mencionadas cada vez tienen mejores antecedentes en el manejo de microcontroladores (Arduino, PIC, Texas Instruments - Stellaris, etc), ya sea por necesidades en asignaturas de las diferentes carreras, por interés personal o por alguna otra razón. Además, el manejo de estos dispositivos se vuelve cada vez más accesible para la población estudiantil tanto en costo como en facilidad del aprendizaje de su manejo. Por ello resulta un tanto contradictorio que teniendo antecedentes en el manejo de la herramienta tan útil que representan estos dispositivos, implementen controladores de bajo nivel en sus proyectos. Los bancos de prueba que se ofrece construir darían solución a este problema. Es decir, serían bancos de prueba que pueden ser puestos a funcionar con microcontroladores de uso común entre los estudiantes o con plataformas más avanzadas como LabView o Matlab con sus respectivas tarjetas de adquisición de datos. El uso de microcontroladores se justifica por el hecho de ser una tecnología al alcance de los alumnos, con la que resuelven muchos de los problemas que surgen en sus proyectos de asignatura. Aún más, en el desarrollo de productos el uso de microcontroladores es preferible al uso de un dispositivo que trabaje con software que requiera de una licencia de uso. Por el otro lado, el uso de tarjetas de adquisición de datos y plataformas avanzadas son utilizadas en la industria o en el desarrollo de prototipos de investigación, así que el alumno recibiría un beneficio adicional al conocerlas y utilizarlas, ya que esta tecnología no siempre resulta al alcance de los alumnos por su elevado costo. Con la construcción de estos dispositivos, el alumno tendrá la oportunidad de implementar de igual manera técnicas de control básico o avanzado con la integración de instrumentación electrónica y su funcionamiento puede ser verificado con relativa facilidad. Al conocer las bases del control de motores, el alumno podría enfrentar, en su etapa estudiantil (tesis o proyectos de asignatura) o en su vida profesional, problemas más avanzados como el desarrollo y operación de dispositivos didácticos (péndulos invertidos), robots seriales o paralelos, robots móviles, etc. Asimismo, problemas de control en campos de reciente desarrollo son: dispositivos hápticos, es decir mecanismos con retroalimentación de fuerza (por ejemplo, dispositivos utilizados en ambientes de realidad virtual, el dispositivo denominado steer-by-wire, mecanismos teleoperados), actuación de prótesis activas o mecanismos de rehabilitación, exoesqueletos, etc.
metadata.dc.description.strategies:	Se tiene identificados tres problemas de control que usualmente se presentan en el control de motores de corriente directa: 1) Control de posición y velocidad. En este rubro se pueden considerar los problemas de regulación (posición/velocidad deseadas constantes) y de seguimiento (trayectorias de posición/velocidad deseadas en el tiempo). En ambos casos sería conveniente verificar su funcionamiento sin carga adicional en el motor y ante la presencia de una carga. Con la realización de estos dos experimentos (con y sin carga) el alumno reconocerá que el diseño del controlador debe hacerse apropiadamente para cada caso. 2) Control de par/fuerza. En este rubro se requiere forzosamente de una carga y se pueden considerar igualmente los problemas de regulación y de seguimiento. 3) Integración del modelo de motores de CD en el control de un sistema más complejo. En los dos puntos anteriores el objeto de estudio especial es el motor y en términos didácticos conviene centrar la atención en ellos de esa forma. Sin embargo, los motores no son elementos que funcionarán aisladamente; al contrario, se integran a un modelo más complejo como actuadores del mismo. En este caso se requiere que el sistema de control sea robusto ante perturbaciones o ante incertidumbres en el modelo de ese sistema más grande. Teniendo en cuenta estos tres problemas de control, se puede establecer el tipo de dispositivos que se construirán para atender las necesidades de los alumnos. Por un lado, se debe decir que ya se tiene un diseño conceptual de los bancos de prueba, lo cual debe ser diseñado en detalle de tal forma que se cumplan algunos de los siguientes requerimientos: los bancos de prueba deben ser de dimensiones reducidas y fácilmente transportables para propiciar su demostración en diferentes lugares (salones, laboratorios) sin tener que hacer un esfuerzo excesivo; deben tener la posibilidad de ponerse a funcionar con microcontroladores de uso común por los estudiantes y con tarjetas de adquisición de datos; deben contar con una interfaz de usuario que permita su fácil manejo por parte de alumnos y docentes. Los bancos de prueba a generar son cuatro: 1) Dos bancos de pruebas con motorreductor mediano (12V, ~15 kg cm, dimensiones en mm 69x37x37, eje de 6 mm), codificador (encoder) de cuadratura, sensor de corriente y etapa de potencia. Contará con una polea que permita aplicarle una carga conocida por medio de una banda dentada. En uno de estos bancos se programarán controladores de posición y velocidad. En el otro se programarán controladores de par/fuerza. 2) Banco de pruebas con micro motorreductor (6V ~2.2 kg cm, 10 mm de largo), potenciómetro de precisión como sensor de posición, sensor de corriente y etapa de potencia. De igual forma que el anterior, contará con una polea que permita aplicarle una carga conocida por medio de una banda dentada. En este banco se programarán controladores de posición, velocidad y par/fuerza. 3) Robot planar de dos grados de libertad accionado por dos motores. En principio se utilizarán servomotores comerciales (Dynamixel AX-12A), a los cuales se les implementará un control propio (no el de fábrica). La razón de utilizar servomotores es para aprovechar que ya se encuentra integrado en un espacio reducido el motor y los sensores, lo cual es conveniente ya que se ajustan a las dimensiones de los eslabones del robot. El robot es de una estructura muy simple que puede construirse con perfiles de aluminio. En este banco se programarán controladores de posición (regulación y seguimiento) del robot en su totalidad. Antes de la construcción de cada uno de los bancos, se realizarán simulaciones numéricas con las que se tendrá una mayor certeza de que los dispositivos cumplirán su objetivo. Después de tener construidos los bancos de prueba se evaluarán los resultados preliminares en los prototipos y se realizarán las adecuaciones o cambios pertinentes para el funcionamiento óptimo de los dispos
metadata.dc.description.goals:	Primer Año Diseño de detalle de los bancos de prueba por profesores participantes de las áreas de Diseño, Automatización, Instrumentación y Control de los Departamentos de Ingeniería Mecatrónica, Ingeniería Mecánica e Ingeniería Industrial. El diseño se fundamentará en simulaciones numéricas. Adquisición de equipo comercial, motores, sensores, y demás material. Instalación del equipo comercial que lo requiera. Construcción de los prototipos, realización de adecuaciones en su diseño para su buen funcionamiento y puesta en marcha de los mismos. Creación de un índice de prácticas a realizarse en simulación, pero que representen las potenciales prácticas a realizarse experimentalmente. Segundo Año Generación de una tarjeta PCB que permita la implementación de controladores para los dispositivos con microcontroladores y con tarjetas de adquisición de datos. Esta tarjeta funcionará como intermediaria entre ambas formas de control con el fin de facilitar su conexión. Programación de interfaces de usuario en ambas plataformas (microcontrolador y tarjetas de adquisición de datos). Programación de controladores para los tres bancos de prueba. La programación deberá ser lo más flexible posible para que se puedan programar diferentes esquemas de control, desde los básicos (PID) hasta otros más avanzados (robustos, adaptables, inteligentes, etc.). Desarrollo de procedimientos y manuales de prácticas a realizar sobre los dispositivos. Manual de uso y mantenimiento del equipo de los dispositivos. Generación de vídeos didácticos o prácticas demostrativas que se puedan colocar en páginas de la UNAM como el Media Campus de la UNAM (http://mediacampus.cuaed.unam.mx/)
metadata.dc.description.selfAssessment:	El desarrollo del proyecto fue exitoso, ya que se lograron la mayoría de las metas establecidas. Las que no fueron logradas en su totalidad pueden ser terminadas o resueltas en poco tiempo y lograr así el funcionamiento ideal que se pretendía de los dispositivos desarrollados. Se desarrollaron cuatro bancos de pruebas: A) Dos de estos bancos son exclusivos para la implantación de sistemas de control de posición, de velocidad y de par: uno se manufacturó para un motorreductor mediano y otro con un micro motorreductor. B) Los otros dos bancos de pruebas son dos robots de tres grados de libertad que fueron planeados para demostrar la integración de los motores de CD en sistemas más complejos, así como la necesidad del diseño de un sistema de control para el mismo. Como se comentó en el planteamiento del proyecto, no existen este tipo de dispositivos a nuestro alcance que logren cubrir el aprendizaje del control de motores de corriente directa. Por lo tanto, el impacto que se espera que tengan sobre el aprendizaje de los estudiantes es grande e inmediato, tanto a nivel licenciatura, como a nivel maestría. En especial, se desarrolló una serie de prácticas para ser desarrolladas sobre los dispositivos construidos y que están orientadas al aprendizaje de conceptos particulares del control de motores, su instrumentación y su modelado. Estas prácticas están concentradas en un cuadernillo que se incluye dentro de los resultados del proyecto. Estas prácticas, podrían ser realizadas por estudiantes de las diferentes carreras a las que da servicio el Departamento de Ingeniería Mecatrónica, es decir, la propia carrera de Ingeniería Mecatrónica, Ingeniería Mecánica, Ingeniería Industrial y la nueva carrera denominada Ingeniería en Sistemas Biomédicos, en cursos curriculares tales como Sistemas Electromecánicos, Modelado de Sistemas Físicos, Control Automático, Instrumentación, Instrumentación y Control, Control Avanzado, Control Aplicado, Introducción a Sistemas No Lineales. También podrían ser realizadas por estudiantes de la Maestría en Ingeniería Mecánica, donde está ubicada la Maestría en Ingeniería Mecatrónica, por ejemplo en cursos como Control Aplicado y Modelado de Sistemas Mecatrónicos. Asimismo, podrían ser utilizadas por profesores que requieran de cursos de actualización en temas de control automático. Desde luego que hay cierto trabajo futuro a realizar como por ejemplo la propuesta y desarrollo de muchas más prácticas que pueden realizarse sobre estos dispositivos, ya que el universo es muy vasto y las aplicaciones, variadas. Las metas que no pudieron completarse fueron dos y debidas principalmente al retraso que se tuvo en la adquisición de la tarjeta de adquisición de datos: en particular el desarrollo de la tarjeta que permitiera la comunicación entre ese sistema de adquisición y los bancos de prueba y la generación de vídeos didácticos. Ambas actividades podrá hacerse en corto tiempo una vez que se tenga el dispositivo en nuestro poder.
metadata.dc.description.goalsAchieved:	El objetivo de este proyecto fue desarrollar bancos de prueba (BP) de control automático de motores de CD que mejoren las condiciones del proceso enseñanza-aprendizaje y que otorguen a los alumnos de las carreras de Ingeniería Mecatrónica, Mecánica e Industrial mayores herramientas para su desarrollo profesional. Con respecto a este objetivo, se han generado al 100% esos BP, así como los medios para interactuar con ellos y lograr los el aprendizaje deseado. El diseño de los dispositivos se realizó especialmente para darles la característica de ser flexibles, de acuerdo a las necesidades y objetivos de las diferentes asignaturas (alrededor de 12) que puedan hacer uso de ellos. En la parte que corresponde al software, se realizó la programación de controladores en lenguajes que permitirán al usuario modificar los controladores actuales por otros de mayor complejidad o diseñados con otras técnicas. Los softwares utilizados fueron Matlab, LabView y Python. Los dos primeros son comerciales, ya que la programación resulta más sencilla; en el último caso se trata de un software de licencia libre con el fin de explorar su uso y no depender del pago de una licencia comercial y contribuir a la flexibilidad en la programación. Además de la manufactura de los BP, en todos ellos se desarrollaron interfaces de usuario que permiten la interacción con los dispositivos, así como la adquisición de datos para su despliegue en forma gráfica y su posterior análisis/procesamiento. Este desarrollo es un avance significativo del proyecto, ya que, gracias a ellas, es posible darle un uso particular a los BP, de manera que el alumno tenga una comunicación intuitiva con el dispositivo y centre su atención en los resultados. En especial, se desarrolló una serie de prácticas para ser desarrolladas sobre los dispositivos construidos y que están orientadas al aprendizaje de conceptos particulares del control de motores, su instrumentación y su modelado. Un producto adicional fue la redacción del manual de uso de los BP que están dirigidos a los alumnos que continuarán trabajando sobre el mejoramiento de los dispositivos, así como a los profesores que utilizarán los mismos para el desarrollo de prácticas durante sus cursos. Con base en este manual un profesor podría proponer una práctica propia. Existieron algunas dificultades administrativas dentro de la Facultad de Ingeniería, por lo que no se pudo concretar la compra de una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) sino hasta hace apenas unos días. Esto provocó que parezca que no se hizo uso de la mayoría de los recursos del proyecto. Con esto, se retrasaron algunas actividades y finalmente un par de ellas no se lograron. Por ejemplo, una tarjeta electrónica que comunicara de manera sencilla los BP hacia esta DAQ y vídeos producidos por el área de comunicación de la Facultad. A pesar de eso, se grabó un vídeo piloto sobre la realización de una de las prácticas que serviría de modelo para posteriores grabaciones.
metadata.dcterms.provenance:	Facultad de Ingeniería
metadata.dc.subject.DGAPA:	Ingenierías
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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