ELECTRONICA DE POTENCIA II INFORME PREVIO DE LABORATORIO NRO 04 EXPERIENCIA: SEÑAL SPWM CON ARDUINO INTRODUCCIÓN La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:
=
D es el ciclo de trabajo es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) T es el período de la función PWM son siglas en inglés que significan Pulse Width Modulation y que lo podemos traducir a español como Modulación de ancho de pulso. Puede ser que esto no te diga nada de momento, pero al terminar el artículo tomará todo el sentido del mundo. La modulación de ancho de pulso está formada por una señal de onda cuadrada que no siempre tiene la misma relación entre el tiempo que está en alto y el tiempo que está en bajo. En la siguiente imagen vemos una señal que varía entre 5 voltios y 0 voltios. A lo largo del tiempo la señal varía entre dos valores de tensión. Durante un tiempo determinado la señal se encuentra en el nivel alto (en este caso 5v) y durante otro periodo de tiempo se encuentra en el segundo valor de tensión (en este caso 0v).
La tecnología SPWM, es una tecnología madura. Esta técnica de control se basa en emplear una modulación múltiple (varios pulsos de disparo en cada medio ciclo de voltaje de salida), el ancho de cada pulso varía en proporción con la amplitud de una onda senoidal evaluada en el centro del mismo pulso.
El funcionamiento básico de la modulación por ancho de pulso es simple, una serie de pulsos cuyo ancho es controlado por la variable de control. Es decir, que si la variable de control se mantiene constante o varía muy poco, entonces el ancho de los pulsos se mantendrá constante o variará muy poco respectivamente. Si hacemos que el ancho de pulso no varíe linealmente con la variable de control, de modo que el ancho de los pulsos puede ser diferentes unos de otros, entonces sería posible seleccionar el ancho de los pulsos de forma que ciertas armónicas sean eliminadas. Existen distintos métodos para variar el ancho de los pulsos. El más común y el que incentiva esta ponencia es la modulación senoidal del ancho de pulso (SPWM). En el control PWM senoidal se generan los anchos de pulso al comparar un voltaje de referencia triangular de amplitud Ar y y de frecuencia fr con otro voltaje semisenoidal portador de amplitud variable Ac y de frecuencia 2 fs.
CICLO DE TRABAJO O DUTY CYCLE La variación de ancho de pulso consiste en variar los tiempo de encendido y apagado, es decir Ton y Toff. Al cambiar el valor de un PWM, en realidad se están modificando estos tiempos. Uno de las características más importantes de una señal PWM es su ciclo de trabajo o Duty Cycle, en ingles, ya que este es el que varia en un PWM. El ciclo de trabajo no es otra cosa que la relación entre el tiempo de encendido y el periodo o tiempo total del PWM.
=
Cuanto mayor sea el duty cycle, mayor tiempo estará la señal de tensión en alto, sin variar el periodo. Por consecuencia, como el periodo no varia y la suma de Ton y Toff, si el tiempo de encendido aumenta, el tiempo de apagado disminuye.
Este es el motivo por el cual se llama modulación de ancho de pulso, porque lit eralmente se varia el ancho del pulso de nievel alto. Cuando el ciclo de trabajo es 90 %, como en la siguiente imagen, la señal está en nivel alto durante el 90% del periodo.
Cuando el ciclo es de 20%, como en la siguiente imagen, la señal estará el 20% del tiempo en nivel alto y el 80% en nivel bajo.
PARA QUE SIRVE EL PWM Hasta ahora sabemos que el PWM es una señal que varia el ancho de su pulso en función del parámetro que denominamos ciclo de trabajo. De lo que no hemos hablado todavía es sobre para que sirve la modulación de ancho de pulso en la práctica. Lo cierto es que al variar el duty cycle de una señal PWM, lo que estamos haciendo es variar su tensión media y esta es la clave por la cual usamos tanto el PWM. Cunado una señal media de tensión atraviesa ciertos componentes electrónicos, puede hacer que su comportamiento cambie. Por ejemplo, los LED, los motores de corriente continua o ventiladores, incluso altavoces y zumbadores. Si tenemos un LED conectado a un microcontrolador, podemos variar el brillo con el que se enciende el LED variando la señal PWM a la que se sometemos.
MODULO ENTRENADOR ARDUINO Es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo (IDE, por sus siglas en Ingles), diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. La plataforma Arduino se ha vuelto muy popular entre personas que acaban de empezar con la electrónica, por una buena razón, a diferencia de la mayoría de las tarjetas de circuitos programables, el Arduino no necesita una pieza separada de hardware (llamado un programador) para cargar nuevo código al microcontrolador, simplemente se usa un cable USB. El Arduino IDE utiliza una versión simplificada de C ++, por lo que es más fácil aprender a programar.
El hardware y el software de Arduino fue diseñado para artistas, diseñadores, aficionados, hackers novatos, y cualquier persona interesada en la creación de proyectos electronicos. Arduino puede interactuar con botones, LEDs, motores, altavoces, unidades de GPS, cámaras, internet, e incluso smartphones. Esta flexibilidad combinada con el hecho d e que el software de Arduino es gratuito, las tarjetas de hardware son bastante barato, y tanto el software como el hardware son fáciles de aprender ha llevado a una gran comunidad de usuarios que han contribuido con código libre para una base de proyectos didácticos. Por esto, el Arduino se puede utilizar como el cerebro detrás de casi cualquier proyecto de electrónica.
MATERIALES
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01 Arduino UNO 02 resistencias de 68 ohm 02 capacitores de 47uF 01 Opamp TL081 06 resistencias de 10k 02 pulsadores NO
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Cables de conexión 02 fuentes de tensión 01 Osciloscopio
DISEÑO DE CIRCUITOS A ANALIZAR
DISEÑO PARA VER RIZADO DE OSCILACIÓN Y PARA OBTENCION DE SEÑAL SPWM GRAFICAS EN EL OSCILOSCOPIO: RIZADO
COMENTARIOS: Lo que podemos visualizar es el comportamiento de la señal SPWM ante un filtro RC, vemos que ante el primer filtro, la señal se forma una señal con rizado, aunque pequeño; pero notorio; pero el rizado
disminuye ante el segundo filtro a la vez que la señal se atenúa, lo diseñamos de la siguiente forma: Bajo la fórmula:
=
1 2
Elegimos el valor de R = 68 ohm, el valor de f a 50Hz y obtenemos el valor de C = 47uF; en la gráfica obtenemos un V = 2.2Vpp en el primer rizado y un V = 1.5Vpp en el segundo rizado.
SEÑAL SPWM
COMENTARIOS: Las señales de Osciloscopio que vemos de color verde y amarillo son las señales spwm que producirá el arduino; vemos que cuando estas señales pasan a un Opamp con código TL082 configurado como comparador restador; se forma la señal deseada que esta representada de color rojo.
PROGRAMACIÓN #include
#include #define SinDivisions (200) static int microMHz = 16; static int freq = 50; static long int period; static unsigned int lookUp[SinDivisions]; static char theTCCR1A = 0b10000010; void setup(){ double temp; period = microMHz*1e6/freq/SinDivisions; for(int i = 0; i < SinDivisions/2; i++){ temp = sin(i*2*M_PI/SinDivisions)*period; lookUp[i] = (int)(temp+0.5); }
// Register initilisation, see datasheet datasheet for more detail. TCCR1A = theTCCR1A; // 0b10000010; TCCR1B = 0b00011001; TIMSK1 = 0b00000001; ICR1 = period; sei(); DDRB = 0b00000110; pinMode(13, OUTPUT); } void loop(){;/*Do nothing . . . forever*/} ISR(TIMER1_OVF_vect){ static int num; static int delay1; static char trig; if(delay1 == 1){/*delay by one period because the high time loaded into OCR1A:B values are buffered but can be disconnected immediately by TCCR1A. */ theTCCR1A ^= 0b10100000;// Toggle connect and disconnect of compare output A and B. TCCR1A = theTCCR1A; delay1 = 0; // Reset delay1 } else if(num >= SinDivisions/2){ num = 0; // Reset num delay1++; trig ^=0b00000001; digitalWrite(13,trig); } // change duty-cycle every period. OCR1A = OCR1B = lookUp[num]; num++; }
CONCLUSIONES
Con PWM, los interruptores del inversor sintetizan ondas con alto componente sinusoidal para la adecuada operación de, por ejemplo, un motor. El contenido armónico de baja frecuencia es bastante menor que para el caso de la señal cuasicuadrada. El contenido armónico de baja frecuencia se reduce a medida que la razón entre la frecuencia de la portadora y la frecuencia de la señal modulante aumenta. PWM puede ser sincrónico o asincrónico. La sobre-modulación, que permite obtener un mayor voltaje a la salida es complicada por el efecto de ‘pulse dropping’. El índice de modulación se puede aumentar en aproximadamente 15% considerando inyección de terceros armónicos.
