Control Experto de Motores DC: Consejos y Trucos con Controlador PID

Componentes y Suministros

Arduino Due (o cualquier placa Arduino)	×	1
Pantalla TFT Makeblock Me (opcional)	×	1
Resistor 4.75 kΩ (x4)	×	4
Potenciómetro Rotativo (x4, 3 opcionales para ajustar coeficientes PID)	×	4
Transistor PNP Uso General (x4, ej. BC307A)	×	4
Motor DC Genérico	×	1
Interruptor Deslizante (para selección de dirección)	×	1
Sensor Velocidad Fotoeléctrico HC-020K	×	1
Protoboard y Cables Jumper	×	1

Aplicaciones y Servicios Online

• Arduino IDE

Sobre este Proyecto

Control de Velocidad y Dirección de Motores DC mediante Controlador PID y Salidas PWM

Introducción

La mayoría de proyectos intentan controlar velocidad y dirección enviando PWM directamente al motor (incluso a través de un driver). Sin embargo, este método falla cuando se requiere precisión debido a la fricción y la inercia. La velocidad real nunca coincide con el punto de consigna (setpoint), generando un error significativo.

La solución es el control PID.

Controlador PID

Imagina conducir un coche: para arrancar pisas el acelerador a fondo; en crucero lo mantienes suave; si aceleras demasiado, lo sueltas. El PID hace lo mismo:

• Proporcional (P): Define la pendiente de aceleración según el error actual.
• Integral (I): Suma los errores en el tiempo para eliminar el error residual.
• Derivativo (D): Observa la tasa de cambio del error y aplica una corrección anticipada.

Función PID implementada en Arduino:

float controllerPID(float _E, float _Eprev, float _dT, float _Kp, float _Ki, float _Kd) {
  float P = _Kp * _E;
  float I = _Kp * 0.5 * _Ki * (_E + _Eprev) * _dT;
  float D = _Kp * _Kd * (_E - _Eprev) / _dT;
  return (P + I + D);
}

La salida final PWM se calcula sumando la salida actual más la salida del PID:

E = RPMset - RPM;
float cPID = controllerPID(E, Eprev, dT, Kp, Ki, Kd);
if (RPMset == 0) OutputRPM = 0;
else OutputRPM = OutputRPM + cPID;
if (OutputRPM < _minRPM) OutputRPM = _minRPM;

Circuito de Alimentación del Motor DC

Nunca alimentes un motor DC directamente desde el Arduino. Se necesitan transistores. Los motores se controlan por corriente, no voltaje. Usé 4 transistores PNP BC307A en puente H para invertir la corriente. Es crucial seleccionar transistores con ganancia (hfe) similar. Para dimensionar la resistencia de base:

R = (VT - VBEon) * hfe / IM

En mi caso: IM=70mA, hfe≈140, VBEon=0.62V, VT=3.3V (Arduino Due) → R≈5360Ω (usé 4.9kΩ).

Inversión de Dirección y Notas Importantes

Para invertir dirección, se invierte el flujo de corriente mediante el puente de 4 transistores. PWM Output#2 activa T1A/T1B (sentido horario), PWM Output#3 activa T2A/T2B (antihorario).

Corriente de arranque: Los motores consumen picos de corriente al arrancar (≈130% nominal). Si se invierte polaridad sin detenerse antes, pueden producirse picos destructivos. Mi código incluye una rutina que pone ambos PWM a cero y espera a que el motor se detenga antes de cambiar dirección.

Lectura de Velocidad

Sensor HC-020K (20 ranuras). Alimentado a 3.3V (compatibilidad Arduino Due). Función de lectura de frecuencia:

int readFrequency(int pin, float speed) {
  // Cuenta flancos descendentes durante 1/speed segundos
  // Devuelve frecuencia en Hz
}
RPM = 60 * readFrequency(pin, 4) / 20;

Mejoras Gráficas (Opcional)

Usé pantalla Makeblock Me TFT LCD con funciones personalizadas para dibujar ejes cartesianos, limpiar áreas y trazar gráficas en tiempo real (consigna vs real, coeficientes PID, error, salida).

Conclusión

Se adjuntan dos versiones del código: con y sin funciones gráficas. Normalmente un motor DC no baja del 10-20% de velocidad nominal, pero con PID se puede llegar al 5% en vacío.

Nota (25/02/2018): Si usas transistores NPN en lugar de PNP, la polarización es inversa: PNP E(+) C(-), NPN C(+) E(-).

Código

Versión Completa (con Gráficos)

Incluye configuración de pantalla, ejes cartesianos, alarmas visuales, ploteo de curvas y gestión de alarmas. Código extenso disponible en el tutorial original.

Versión Simplificada (Solo Control PID)

Incluye solo la lógica de control: lectura de entradas (potenciómetros para Kp, Ki, Kd, consigna, dirección), cálculo PID, cambio de dirección seguro, escritura PWM y lectura de velocidad. Código completo en el tutorial.

Esquemáticos

Prototipo explicativo del control de velocidad por PID y consideraciones para inversión de dirección. Ver imagen adjunta.