Comparación regulador basado en Estimador vs. Tacómetro
Comparando la Regulación basada en dos PI + Estimador, con la basada en dos PI + Tacómetro.
Aunque todo sistema tiene sus ventajas e inconvenientes, a mi me gusta más el sistema basado en el uso de un Estimador matemático de la velocidad. Veamos los puntos fuertes de cada sistema.
Dos PI y Estimador.
Ventajas.
El ajuste es extremadamente rápido. Esto es debido a que, por rápido que sea nuestro micro-controlador, está asegurado que en cada ciclo de programa se obtiene una nueva medida de la velocidad (Estimada, claro...). Ello permite que la velocidad regulada siga inmediatamente a la de Consigna, marcada por el potenciómetro.
Además, evita tener instalar una infraestructura compleja, como el la rueda con los imanes, y el tacómetro.
Inconvenientes.
El estimador incluido en el software se determina para cada motor en particular, por lo que si lo empleamos con otros motores, resultará menos efectivo (aunque funcionará).
Una solución es permitir actualizar los parámetros del Estimador del motor, a través del puerto serie/conexión Bluetooth. De esta forma, el mismo software serviría para cualquier motor.
Es menos preciso que un tacómetro.
Dos PI y Tacómetro.
Ventajas.
El ajuste es independiente del motor empleado. Es decir, el sistema es igual de efectivo a la hora de ajustar la velocidad de diferentes motores.
Es más preciso. Si le marcas una velocidad de consigna de por ejemplo, 500rpm, convergerá a ese valor, sin importar qué motor estemos utilizando. Sin embargo, hay que aclarar que es casi imposible que se mantenga a esas 500rpm de forma constante, y lo que en realidad hará es mantener el motor en un margen de rpm controlado, alrededor de esa velocidad. Con la regulación actual basada en 12 imanes, creo que ese margen es todavía del 5% más o menos, aunque creo que será posible mejorarla.
Inconvenientes.
El principal inconveniente es la complejidad técnica en montarlo correctamente.
Otro inconveniente es que nunca será tan rápido como un Estimador.
Resultados del ajuste de los PI anidados, y realimentados por el Tacómetro.
Bueno, parece que por fin apareció la luz al final del túnel: Ya tengo ajustada la regulación PI, cuando empleo el Tacómetro como realimentación, en lugar del Estimador.
En la imagen mostrada a continuación he graficado tres variables:
- Velocidad de Consigna: marcada por el potenciómetro.
- Velocidad real: medida por el tacómetro.
- Error: diferencia entre las dos anteriores, que tienen que corregir los reguladores PI.
En realidad, el sistema emplea dos reguladores PI, uno dentro del otro:
- El regulador PI de velocidad se encarga de ajustar las variables necesarias para que la velocidad real converja a la velocidad de consigna. De esta forma el error será cero.
- El regulador PI de par no lo muestro con gráficas, porque es tan rápido realizando los ajustes, que prácticamente solo se ve una recta horizontal, por mucho que actuemos sobre el potenciómetro de mando.
En este ejemplo, la velocidad de consigna empieza con un valor de velocidad bajo. A continuación actúo sobre el potenciómetro y subo la velocidad que ha de tener la máquina (primer escalón, ascendente). Mantengo el potenciometro en una velocidad constante, y finalmente vuelvo a bajar la velocidad que ha de tener la máquina (segundo escalón, descendente). La velocidad vuelve a ser baja, y constante.
Como vemos, al modificar la velocidad de Consigna (verde), marcada por el potenciómetro, la velocidad que mide el tacómetro (azul) empieza a ajustarse poco a poco, para finalmente converger al valor marcado. Esta variación suave es intencionada, y está destinada a que el operario (nosotros...) tenga una percepción menos brusca del ajuste de velocidad que provocar el actuar sobre el potenciómetro de mando. Si esto no lo hiciéramos así, cada vez que giráramos el potenciómetro, el motor de la máquina pegaría un fuerte tirón, al reajustar su velocidad de manera instantánea.
También he grabado este pequeño vídeo, en el que se ve a los reguladores en acción.
(Al final se ven unas gráficas de funcionamiento que se actualizan cada 400 mSg, y por eso todos los tramos se ven como rectas, en vez de como líneas de curvatura suave).
Respuesta a condiciones extremas.
En la gráfica que mostramos a continuación, vemos como se comportan los reguladores PI cuando el torno pasa en una brusca pendiente, desde una velocidad mínima de 100 rpm, hasta 1000 rpm.
Como es una velocidad medida en el plato de garras (en el husillo principal), y en la marcha seleccionada mediante las poleas, la velocidad máxima es de 1250 rpm, esto quiere decir que pasamos de la velocidad mínima , hasta el 80% de la velocidad máxima del motor, en muy poco tiempo. Al cabo de unos instantes, reduzco la velocidad al mínimo otra vez.
Podemos apreciar que el sistema no sobre-oscila (es decir, la Velocidad real medida por el Tacómetro nunca supera los límites marcados por el potenciómetro, como Velocidad de Consigna, o deseada).
Y no lo hace tampoco al bajar de velocidad, donde es muy fácil que el motor llegue casi a pararse, para a continuación recuperar su velocidad.
Esto es debido a que pasa a funcionar como generador, entregando energía en vez de consumirla...
También he graficado en rojo el error de par, que es controlado por el regulador PI más interno. Vemos que este regulador PI es tan rápido que el error es cero prácticamente todo el tiempo.
