Controlador P.I.D.
       
       Opción seleccionada:

       LM629M-8
       (SMD) DS009219-21 con 24 contactos, de la casa "National semiconductors".

       Justificación:
       Para la aplicación que le vamos a dar resulta suficiente y cumple nuestras expectativas un modelo integrado que cumpla la norma del sistema PID para control de motores. En concreto, hemos seleccionado el modelo LM629 de la casa "National semiconductors", por las razones que se exponen a continuación.
       
       Existen otros modelos, como el L6515 de la casa "SGS Thomson", con el sistema que denominan "Twin Loop control", pero no resulta tan completo como el seleccionado, y nos obligaría a utilizar su sistema de realimentación, que requiere mayor circuitería, siendo menos completo en su oferta. Su aportación es un costo más bajo en el caso de que pensáramos en una aplicación autónoma más simple, y con menores exigencias de robustez y versatilidad.
       
       Otros modelos consultados nos remiten a aplicaciones completamente integradas, para motores de más baja potencia de la que requerimos.
       
       El modelo seleccionado, LM629, aporta el algoritmo de filtrado PID a partir de los datos de posición-velocidad que le envía un µC y la realimentación que devuelve un "encoder" incremental situado sobre el rotor del motor. El LM629 recoge del encoder información de posición y velocidad, además de un impulso "índice", de uso opcional, del que carece por ejemplo el L6515, y que tiene su utilidad en la gestión de interrupciones por acumulación de datos "indexados" de trayectoria efectuada.
       
       Este modelo en concreto (a diferencia del LM628 de la misma casa, que aporta una salida digital de 8 bits para su conversión a señal analógica de control) ofrece salida modulada en ancho de pulso (PWM) para el control de la potencia, adecuada para el control de una topología en puente completo (full bridge) de MOSFET, en H, que es la etapa de potencia seleccionada en nuestro trabajo. Se compone de una señal de magnitud de corriente proporcional al ancho del pulso y otra de "signo" que determina el sentido de giro.
       
       Ofrece además un "set" de comandos para el envío de los coeficientes del PID y gestión de interrupciones de alto nivel y sencilla programación.
       
       El control de operaciones (comandos) y transferencia de datos se efectúa a través de un puerto paralelo de 8 bits, que puede ser controlado por un µC situado sobre la misma placa del sistema. Este a su vez puede operar de forma autónoma, sobre secuencias dadas, previa programación, o ser operado a través de puerto serie UART (recepción-transmisión asíncrona universal), con protocolo RS232, desde una CPU remota.
       
       (Por razones de brevedad, no vamos a considerar, en principio, esta última posibilidad, aunque queda abierta su implementación como opción factible y no excesivamente complicada, que podría aportar versatilidad al sistema).
       
       Vamos a ver algunas de las características generales del LM629, aunque en el siguiente apartado veremos en profundidad todos los sistemas de que esta compuesto muestro MPID. 

Encapsulado.

    Se presenta en encapsulado DIP (Dual in line) para montaje convencional o superficial (SMD), LM629N o LM629M, con 28 y 24 contactos respectivamente.
    
    El SMD pudiera encarecer el proceso de montaje, pero para el prototipo vamos a emplear SMD por tener menos conexiones, que en el modelo clásico son sobrantes. Para la construcción de una sola unidad, optamos por el SMD puesto que el circuito, salvo sustitución por rotura, no precisará ser desmontado. Si se piensa en serie, sería necesario estudiar costes de fabricación antes de decidir.

    Luego seleccionamos el LM629M (SMD) DS009219-21 con 24 contactos, dos de ellos sobrantes.

    La frecuencia de reloj (CLK) ofrece dos posibilidades: Hasta 6 o hasta 8 Mhz (fclk entre 1 y 8 Mhz).

    En principio se selecciona la más alta al no esperarse dificultad del µC, que trabajará fácilmente con frecuencias de 20 MHz o superiores, aunque queda a expensas de la influencia del reloj sobre la frecuencia de trabajo del PWM para el puente H.

    En cualquier caso, tratamos de una aplicación donde puede ser crítica la velocidad de respuesta en control y en atención a interrupciones.
    
   En el código se denota con el añadido de la cifra del reloj: LM629M-8.

Alimentación.

Su alimentación es de 5v nominales (VDD entre 4.5 y 5.5 VDC), con salidas entradas (I/O) compatibles con tecnología CMOS y HCMOS, y consumo máximo de 605 mW, y no resulta crítica, fuera de las precauciones habituales.

Se alimentará, al igual que el resto de la lógica, a través de un convertidor monolítico, con entrada entre 16 y 40 voltios y salida fija de 5 voltios, con potencia sobrada.

Necesidades de "hardware".

    Precisará el diseño de la circuitería que haga de "interface" con el µC, la inherente a la línea diferencial de realimentación del "encoder" y la línea de control de potencia del puente H, aislada mediante opto-acopladores de la lógica.

    Se va a considerar la posibilidad de aprovechar manualmente la opción de "RESET" por "hardware", si se llega a estimar útil. Se trataría de un pulsador conectado directamente a la patilla RST para activar un "reseteado" manual del LM629; pero está por definir si resulta práctico o conveniente activar manualmente la secuencia que supone el reset.

    Sus principales características son:

        3 registros de 32 bits para la posición, la velocidad y la aceleración.

        Un filtro digital PID programable.

        Una señal de salida PWM de 8 bits.

        Un generador interno de perfiles de velocidad trapezoidales.

        La velocidad , la posición y los parámetros del filtro pueden ser cambiados durante el movimiento.

        Distintos modos de operación en cuanto a posición y a la velocidad.

        Interrupciones programables en tiempo real.

        Capacidad de gestión de señales increméntales en cuadratura.

Sistemas de control del MPID.

    El control de tipo proporcional - integral - derivativo (P.I.D.), de naturaleza digital, basado en el procesador de control de movimiento LM 629, es el que permite la programación y tratamiento del movimiento del motor.

    Los datos que precisa el PID se le hacen llegar a través de línea de control paralelo, mediante el cálculo de los tiempos ("timing") de la lógica adecuada para un perfecto sincronismo.

    Ésta lo comunica con un MICRO CONTROLADOR (µC) donde se tiene acceso a programar movimientos y velocidades y gestionar los eventuales problemas mediante interrupciones, originadas por "software" cuando proceden de las informaciones del PID, o por "hardware" si la procedencia es la etapa de potencia que alimenta al motor.

    Así mismo, tendrá capacidad para almacenar información de los desplazamientos realizados por el motor, para uso posterior. La programación del µC será específica para cada aplicación, aunque versátil y reprogramable.

    El modelo escogido es un microcontrolador 8051.
   
    La etapa de potencia la forman 4 MOSFET del tipo IRFP 250N montados en topología "H" (full bridge) excitados por "drivers" específicos, del tipo IR2110, que conducen la información para su disparo mediante modulación por ancho de pulso (PWM), facilitada por el PID.

    Esta arquitectura en "H" es la adecuada para este tipo de control, dado que permite la regulación de la potencia suministrada al motor y el sentido en que es aplicada a éste.

    Esta característica del control de potencia permite que la alimentación para el motor admita una amplia gama de modelos y potencias de motores, dado que la modulación por ancho de pulso es capaz de conmutar los MOSFET en forma que el motor sea excitado por la corriente media adecuada en cada situación.
 
   
    Las características técnicas se apuntaran en el ANEXO A (hoja de características del fabricante).

    El ANEXO A, estará compuesto por un Cd-Rom, donde estarán incluidos en formato PDF todos los manuales de los distintos dispositivos a utilizar y una relación de carpetas donde se encontraran los Esquemas del circuito y sus correspondientes placas BOARD.

        Un filtro digital PID programable.

        Una señal de salida PWM de 8 bits.

        Un generador interno de perfiles de velocidad trapezoidales.

        La velocidad , la posición y los parámetros del filtro pueden ser cambiados durante el movimiento.

        Distintos modos de operación en cuanto a posición y a la velocidad.

        Interrupciones programables en tiempo real.

        Capacidad de gestión de señales increméntales en cuadratura.

Modo de operación.

    El diagrama de bloques típico para construir un servo sistema usando un LM629 es el siguiente:

    El procesador se comunica con el LM629 a través de un puerto de entrada / salida para facilitar la programación del perfil trapezoidal de velocidad y del filtro PID.


    Para iniciar el movimiento, el procesador central carga los valores de aceleración, velocidad y posición deseada en el generador de trayectorias del LM629.

    En cada período de muestreo estos valores son usados para calcular la nueva posición deseada, a la que se le resta la posición real del eje, obtenida por el codificador óptico incremental y el decodificador deposición. Así se origina la señal de error, que es la entrada al filtro compensador PID.

    El convertidor digital-analógico convierte la señal producida a otra aplicable al motor. De nuevo se decodifica la posición y se genera otro perfil de velocidad.

    Los cuatro bloques funcionales más importantes del LM629 son:

        a) El generador de trayectorias.

        b) La realimentación en posición.

        c) El filtro digital PID.

        d) La salida PWM.

    Después de hacer una breve descripción del trabajo que tenemos que desarrollar, vamos a entrar dentro de alguno de los dispositivos que vamos a utilizar, apuntando una descripción mas detallada y profunda de cada uno.