Diseño e implementación de un sistema de posicionamiento mediante levitación magnética aplicando un controlador PID digital

Abstract

La levitación magnética o maglev es el fenómeno de suspensión de un objeto en el aire sin soporte físico utilizando la fuerza de atracción o repulsión magnética alrededor del objeto para contrarrestar su peso. En esta tesis, se diseña y construye un sistema de levitación magnética para estabilizar a una distancia de separación de 2 cm un imán esférico de ferrita de 18 gramos y 19 mm de diámetro. Inicialmente se presenta el modelo matemático del sistema. Se diseñan el electroimán y la estructura del módulo de ensayos electromagnéticos, implementando todos los sensores y actuadores utilizados para la medición de los parámetros físicos del sistema. Un sensor de Efecto Hall es utilizado para estimar la distancia de separación entre el objeto y el electroimán. Un transistor MOSFET de Canal P es usado para controlar el flujo de corriente en el electroimán. Un Controlador PID estabilizará el objeto flotante a diferentes distancias del suelo. Una tarjeta microcontroladora Arduino UNO es usada para realizar el procesamiento del control PID Discreto con retroalimentación del sensor Hall. Por medio de la linealización del sistema real, se hallan los parámetros P=25, I=5000 y D=0.00004 con tiempo de muestreo de 250μs. El rango en el cual la esfera puede flotar con condición estable está entre 1.6 cm y 2.1 cm desde la posición inferior del electroimán. La presente Tesis, se desarrolla con un marco de referencia establecido para esta clase de trabajos, como son los respectivos capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos, que a continuación se detallan: En el Capítulo I, correspondiente a la introducción, se describen los objetivos y los alcances del proyecto. En el Capítulo II, se detalla el diseño y construcción del electroimán de nuestro sistema mecatrónico, adicionando resultados de simulaciones y ensayos para determinar los parámetros electromagnéticos existentes, hallando así el modelo físico de la fuerza electromagnética. El Capítulo III trata lo relacionado al diseño y construcción de la estructura de soporte del electroimán y demás sensores, una estática para el soporte del electroimán y otra móvil para la ejecución de ensayos. En el Capítulo IV, describimos los sensores y actuadores utilizados para hallar las magnitudes físicas importantes del sistema levitador. En el Capítulo V, dilucidamos todos los aspectos relacionados con el control del sistema. Finalmente, en el Capítulo VI, ilustramos las pruebas experimentales del módulo levitador. Se completa la tesis describiendo las conclusiones del proyecto, la bibliografía utilizada planos y anexos relacionados al tema que incluyen demostraciones de fórmulas y tablas del fabricante.