INTRODUCCIÓN El control de la velocidad de motores de corriente alterna (ca) ha adquirido gran auge en los últimos años, debido a las ventajas de este tipo de motores y al desarrollo de algoritmos de control cada vez más potentes. El uso de procesadores digitales de señales (!") para el desar desarro roll llo o de mode modern rnas as t#cni t#cnica cass de cont contro roll brin brinda da a los los sist sistem emas as gran gran e$ic e$icie ienc ncia ia y resoluci%n. El sistema diseñado en este trabajo de tesis está basado en las t#cnicas de control vectorial o control por campo orientado &', muy usadas en la actualidad en este tipo de motores. El trabajo se realiza sobre la base de un procesador digital de señales (!" (!"), ), de la $ami $amili liaa *!+ *!+- // // de e/a e/ass 0nst 0nstru rume ment nts, s, espe espec1 c1$i $ica came ment ntee el *!+-23-. *!+-23-. Estos procesadores procesadores presentan presentan una serie serie de caracter1st caracter1sticas icas optimizadas optimizadas para aplicaciones de control de motores lo cual da al sistema una gran $le/ibilidad. El trabajo de tesis incluye una e/plicaci%n te%rica del control por campo orientado, las caracter1sticas y $uncionamiento del hard4are y el so$t4are del sistema, as1 como las pruebas realizadas y los resultados obtenidos. on este $in se ha estructurado el mismo en los siguientes cap1tulos5 El Capítulo 1 o$rece o$rece una descri descripci pci%n %n general general del trabajo trabajo a reali realizar zar,, la de$inici de$inici%n %n del problema a resolver, los objetivos propuestos con co n el mismo y su justi$icaci%n tanto docente como desde el punto de vista de investigaci%n. !e o$rece además una panorámica del estado del arte en esta rama con un resumen de los trabajos más relevantes en el área de control de motores en los últimos años. El Capítulo 2 brinda el marco te%rico necesario para comprender el $uncionamiento de un sistema de control vectorial o por campo orientado, e/plicando el $uncionamiento de esta t#cnica y la $undamentaci%n matemática de la misma. El Capítulo 3 describe el hard4are del sistema de control, e/plicando el $uncionamiento de cada uno de los bloques que lo integran. !e o$rece además una breve e/plicaci%n del $uncionamiento de la tarjeta evaluadora (6it) del !" utilizada en el trabajo as1 como de las carac caracte ter1 r1st stic icas as,, arqu arquit itec ectu tura ra y $unc $uncio iona nami mien ento to de los los prin princi cipal pales es compo componen nente tess del del procesador *!+-23-. El Capítulo 4 e/plica el esquema general del so$t4are del sistema, la $unci%n de cada bloque y la estructura del programa propuesta. El Capítul o$rece ce los los deta detall lles es de impl implem ement entaci aci%n %n del del so$t so$t4a 4are re del del sist sistem ema, a, tulos 5 o$re comenzando por la etapa de entrada, a continuaci%n los m%dulos que $orman la etapa de control por campo orientado y $inalmente el diseño de la etapa de salida.
'
El Capítul Capítuloo 6 e/pone las principales pruebas realizadas, tanto desde el punto de vista de simulaci%n, como en la programaci%n del algoritmo de control de velocidad en el !", brindando los principales resultados e/perimentales alcanzados con las mismas. mismas. "or último se muestran las conclusiones y recomendaciones del trabajo, la ilio!ra"ía utilizada y un conjunto de ane#os que comprenden los diagramas $uncionales y el#ctricos de los principales m%dulos del sistema, as1 como el listado completo de los programas elaborados en el trabajo.
C$%&TU'O 1 D()CRI%CIÓN * O+,(TI-O) D(' TR$+$,O D( T()I). INTRODUCCIÓN Este cap1tulo presenta una descripci%n general del trabajo de tesis, la de$inici%n del problema a resolver, as1 como los objetivos, justi$icaci%n y antecedentes del mismo.
1.1 Descripci/n Descripci/n !eneral !eneral del del traa0o. En los últimos años, los motores de corriente alterna han adquirido gran auge en muchas aplicaciones aplicaciones industriales. industriales. El desarrollo desarrollo alcanzado en los convertidores convertidores electr%nico electr%nicoss de potencia (inversores, e/citadores, etc.), los microprocesadores, as1 como las nuevas t#cnicas de control, permiten en$rentar los problemas de control de motores con m#todos novedosos de procesamiento digital de señales, muy di$1ciles d i$1ciles de llevar a la práctica unos años atrás. El control vectorial o por campo orientado &', y el uso de procesadores digitales de señales (!") para la realizaci%n de estos algoritmos, algoritmos, son temas temas reportados continuamente en la literatura especializada. 7os laboratorios y centros de investigaci%n dedicados al desarrollo de sistemas de control de motores, deben poseer la in$raestructura tecnol%gica necesaria para asumir los retos de investigaci%n y docencia en este campo. Este trabajo trabajo está enmarcado enmarcado en un proyecto de investigaci%n investigaci%n y desarroll desarrollo o de la !ecci%n !ecci%n de Estudios de "osgrado e 0nvestigaci%n en 0ngenier1a El#ctrica de la Escuela !uperior de 0ngenier1a 0ngenier1a El#ctrica y *ecánica *ecánica (!E"08E!0* (!E"08E!0*E), E), del 0nstituto 0nstituto "olit#cnico "olit#cnico 9acional (0"9), (0"9), encaminado al desarrollo de un sistema de control vectorial de la velocidad de un motor de indu inducci cci%n %n usand usando o una tarj tarjet etaa de evalu evaluac aci% i%n n (6it (6it)) del proc proces esad ador or digi digita tall de señal señales es *!+-23-. "ara realizar un análisis de la problemática a resolver en este trabajo de tesis, debemos partir de las siguientes interrogantes5 '8 :"or qu# control controlar ar motores motores de corrient corrientee alterna; alterna; 8 :"or qu# el uso del control control vectorial vectorial o por campo orientado; orientado; +8 :"or qu# el uso uso de los procesad procesadores ores digital digitales es de señales señales (!") en este campo; campo; 7a respuesta a la primera pregunta radica en las ventajas que o$recen los motores de corriente alterna (ca), asincr%nicos o de inducci%n sobre los de corriente directa (cd) entre las cuales se encuentran las siguientes5 '8 *enor costo. 8 *enor volumen, tamaño y peso. +8 *enor inercia del rotor. 38 *ayores niveles de voltaje. <8 *ayor e$iciencia. =8 *ayor velocidad del rotor.
+
>8 *enores niveles de ruido. ?8 *enor mantenimiento. @8 "osibilidad de utilizaci%n en cualquier tipo de medio. "or estas razones los motores de inducci%n han ido desplazando a los de corriente directa en una gran cantidad de aplicaciones entre las cuales se pueden mencionar5 '8 Electrodom#sticos (lavadoras, ventiladores, equipos de aire acondicionado, etc.). 8 Aplicaciones industriales (inversores, robots, servomecanismos, etc.). +8 0ndustria automotriz y otras. !in embargo, embargo, durante muchos muchos años, el control control de motores motores de inducci%n, se di$icult di$icultaba aba considerablemente debido a que los mismos presentan los siguientes inconvenientes &+5 '8 Estructura de control no lineal que que da lugar a ecuaciones matemáticas complejas las cuales hacen di$1cil la programaci%n de algoritmos de control. 8 Oscilación de parámetros eléctricos en saturación que saturación que dependen dependen de la in$luencia in$luencia de la temperatura. +8 Control multivariable, multivariable, es decir, dependiente de varias condiciones simultáneamente. 38 Alto grado de acoplamiento entre el flujo magnético y el par (torque), (torque), a di$erencia de los los moto motore ress de corr corrie ient ntee dire direct cta, a, donde donde esto estoss dos dos vecto vectore ress al ser ser orto ortogon gonal ales es está están n per$ectamente desacoplados, $acilitando su control. El contro controll vectori vectorial al o por campo campo orient orientado ado,, respon respondie diendo ndo la segunda segunda interrog interrogant ante, e, ha o$reci o$recido do soluci solucione oness a los problem problemas as anteri anteriore oress median mediante te modelo modeloss y ecuacio ecuaciones nes que permiten obtener un comportamiento dinámico del motor de inducci%n similar al de un motor de corriente directa. 7a base del control por campo orientado consiste en trans$ormar el modelo dinámico de un motor de ca, de un marco de re$erencia trifásico estacionario, estacionario, el cual está caracterizado por ecuaciones no lineales complejas, a un marco de re$erencia bifásico rotatorio en rotatorio en un plano imaginario imaginario llamado d, en el cual se puede realizar el control de las variables del motor media ediant ntee un model odelo o más sim simple ple (mod (model elo o de cam campo orie orient ntad ado) o),, logr logran ando do un comportamiento dinámico semejante al de un motor de cd. 7a e/plicaci%n te%rica del control por campo orientado y la $undamentaci%n matemática del mismo será e/plicada en el cap1tulo . Aunque los $undamentos del control vectorial $ueron enunciados en la d#cada de los años >-, es en los últimos años donde han adquirido mayor auge, debido en lo $undamental a que hasta entonces la tecnolog1a electr%nica y de c%mputo e/istente, no permit1a la realizaci%n de estos algoritmos con los requerimientos de velocidad y capacidad de cálculo requerida. El uso de los !"s, respondiendo a la tercera interrogante, ha permitido entre otras las siguientes ventajas en los sistemas de control &+5 '8 "osibi "osibilid lidad ad de trabaj trabajo o en tiempo tiempo real, real, dada la veloci velocidad dad de proces procesami amient ento o de estos dispositivos. 3
8 *ayor potencialidad y resoluci%n en cálculos matemáticos complejos, muy di$1ciles de lograr con procesadores convencionales. +8 "ermite el desarrollo de algoritmos de control sin sensores, reduciendo considerablemente el número de componentes de los sistemas. 38 Btilizaci%n de arquitecturas de "!s optimizadas para control de motores que incorporan entre otras prestaciones, la generaci%n de señales de modulaci%n por ancho de pulso ("C*), para el control de inversores tri$ásicos, la utilizaci%n de unidades de captura para el cálculo de posici%n y velocidad de rotores y las unidades de adquisici%n de datos incorporadas al chip. Dtras aplicaciones avanzadas de control usando !"s son5 '8 Bso de t#cnicas de control inteligente, como las redes neuronales y el control di$uso, para controles multivariables y sistemas complejos. 8 ontrol adaptivo, es decir, la posibilidad de generar algoritmos que se adapten en tiempo real al comportamiento del sistema y lo controlen. +8 Bso de las t#cnicas de análisis espectral que permitan control de vibraciones mecánicas y predicci%n de $allas.
1.2 De"inici/n del prolema. eniendo en cuenta las respuestas dadas en el ep1gra$e anterior, este trabajo de tesis debe resolver entonces la siguiente problemática5 : %mo implementar un algoritmo de control ectorial de la velocidad de un inducci/n usando un procesador di!ital de seales D)%;
motor de
7a soluci%n a este problema permitirá disponer de una in$raestructura tecnol%gica, no e/istente en estos momentos en la !E"08E!0*E para el desarrollo de algoritmos de control de motores de inducci%n con $ines tanto docentes como de investigaci%n.
1.3 O0etios !enerales 7 especí"icos. 1.3.1 O0etio !eneral. esarrollo y puesta en marcha de un sistema de control de velocidad de motores de inducci%n usando procesadores digitales de señales (!"s), mediante t#cnicas de control vectorial o por campo orientado, con prop%sitos de investigaci%n y docencia en este campo.
1.3.2 O0etios especí"icos. '8 iseño, montaje y puesta en marcha de un sistema de control de la velocidad de un motor de inducci%n basado en una tarjeta de evaluaci%n del !" *!+-23-. 8 "rogramaci%n del m#todo directo&' de control por campo orientado en la tarjeta de evaluaci%n del !". +8 eri$icaci%n de resultados e/perimentales mediante la comparaci%n con los obtenidos por t#cnicas de simulaci%n, utilizando la herramienta F!imulin6G de *atlab. <
1.4 ,usti"icaci/n. '8 9ecesidad de asimilaci%n de una tecnolog1a de punta en el campo del control de motores y en general de la electr%nica de potencia. 8 7a literatura especializada en el tema de control de motores, reporta constantemente resultados e/perimentales que avalan los algoritmos que se proponen, lo cual hace imprescindible contar con la in$raestructura necesaria para desarrollarlos. +8 9ecesidad de disponer del equipamiento necesario para labores de investigaci%n y docencia en esta área.
1.5 $ntecedentes. El control vectorial de motores de inducci%n ha sido un tema muy re$erenciado en la literatura especializada desde la d#cada de los años >-. El desarrollo de la microelectr%nica y en especial de los microprocesadores, ha permitido la validaci%n de $orma e/perimental de muchos algoritmos de control vectorial que hasta entonces, debido a las limitaciones de velocidad, memoria y potencialidad de los sistemas de c%mputo, no se hab1an podido implementar en $orma práctica. En este ep1gra$e se analizan algunas soluciones dadas en esta área en los últimos años. 7as $uentes bibliográ$icas $undamentales que sirvieron de base a la realizaci%n de este trabajo son las siguientes5 '8 ublicaciones de !EEE"!A# los cuales reportan lo más novedoso en esta temática, basados en los eventos internacionales más relevantes de esta organizaci%n. 8 ágina $E% de &e'as !nstruments ( 444.ti.com), en la cual se pueden encontrar tanto los manuales de usuario de los !"s, como un conjunto de reportes y notas de aplicaci%n de gran utilidad. &rabajos de tesis relacionados con el tema reali*ados anteriormente en la #E! E#!+E, 7os antecedentes más importantes en este campo pueden agruparse en las siguientes temáticas5 '8 ontrol de motores de inducci%n sobre la base de microprocesadores de prop%sito general (d#cada del >-8 ?-). 8 ontrol de motores usando !"s. +8 #cnicas de medici%n sin sensores (FsensorlessG). 38 ontrol di$uso aplicado al control de motores de ca. A continuaci%n se mencionan algunos trabajos relacionados con el tema, los cuales re$lejan la utilizaci%n de los microprocesadores de distintas generaciones en la programaci%n de algoritmos de control vectorial de motores, realizándose en cada caso una valoraci%n de los mismos.
=
18 Título5 !istema de control vectorial para motores de inducci%n, basado en microprocesadores, con $unciones de identi$icaci%n de la constante de tiempo del rotor &3 . $utores5 Hoyama. H., 0EEEI0A! , Jeuni%n Anual pp <=38<=@, '@?<. El trabajo e/pone el diseño de un sistema de control vectorial de motores de inducci%n sobre la base de un microprocesador de '= bits de 09E7 (?-'?=). !e realiza una investigaci%n de los m#todos para estimar el vector de $lujo del rotor, as1 como para el control de la corriente cuando e/iste saturaci%n de la $uente de voltaje. El trabajo muestra los resultados e/perimentales alcanzados al desarrollar estos algoritmos en el sistema presentado. Este trabajo tiene como principal logro la validaci%n de los resultados te%ricos en un sistema basado en microprocesadores. !u principal inconveniente es que debido a la $echa de realizaci%n, el procesador utilizado no o$rece todas las posibilidades necesarias para realizar algoritmos más complejos, con mayores requerimientos de hard4are, velocidad y posibilidad de procesamiento en tiempo real.
28 Título9 ontrol de motores de ca de tipo inducci%n usando el principio de oltajeI2recuencia onstante y la t#cnica de "C* con vectores espaciales con *!+-3-. Jeporte de aplicaci%n5 !"JA?3A. e/as 0nstruments &<. $utores9 Khenyu Lu y avid 2igoli. Este trabajo o$rece un sistema completo de control de motores de inducci%n usando un procesador de la $amilia *!+-//. Aunque las t#cnicas de control y generaci%n de "C* usadas en el mismo no son las que se utilizan en la tesis, la e/plicaci%n te%rica brindada, el diseño del trabajo y los resultados e/perimentales obtenidos $ueron de gran utilidad para el desarrollo del trabajo.
38 Título9 !oluciones de procesamiento digital de señales para motores de ca de tipo inducci%n. 9ota de aplicaci%n5 M"JA-3+. e/as 0nstruments &+. Este art1culo brinda una panorámica general del uso de los !"s de la $amilia *!+-// en el control de motores, además de proponer un sistema de control de motores de inducci%n usando el principio de campo orientado, e/plicando de $orma simple todo el $undamento matemático de esta t#cnica. 38
Traa0o de tesis9 !imulaci%n digital del control vectorial de velocidad de un motor de
inducci%n &=. $utor9 "edro "once ruz. Estudiante de la !E"08E!0*E.
Este trabajo realiza la simulaci%n del control por campo orientado usando un programa con$eccionado en lenguaje . El marco te%rico e/puesto y los resultados obtenidos constituyen una base importante para la realizaci%n de este trabajo, ya que muchos de estos resultados logrados en simulaci%n sirven de $uente de comparaci%n con los obtenidos en la programaci%n usando un !", que propone este trabajo de tesis.
>
Este cap1tulo e/puso la problemática a resolver en este trabajo de tesis, as1 como los objetivos, justi$icaci%n y antecedentes del mismo. En el siguiente cap1tulo se brinda el marco te%rico del control vectorial de motores d e corriente alterna.
?
C$%&TU'O 2 :(N(R$'ID$D() )O+R( CONTRO' -(CTORI$' D( ;OTOR() D( INDUCCIÓN. INTRODUCCIÓN Este cap1tulo e/plica la base te%rica y la $undamentaci%n matemática del control vectorial o por campo orientado. !e brinda una clasi$icaci%n general de los motores el#ctricos y sus tipos de control, los principios y ecuaciones del control vectorial, la $ormulaci%n de las trans$ormaciones de planos coordenados, as1 como una e/plicaci%n de los m#todos directo e indirecto de control por campo orientado.
2.1 Clasi"icaci/n de los motores el
;OTOR() (' CTRICO)
CORRI(NT( $'T(RN$ C.$.6
CORRI(NT( DIR(CT$ C.D.6
)INCR NICO)
$)INCR NICO)
INDUCCI N
,$U'$ D( $RDI''$
)IN CON-(N8 ()CO+I''$) CION$' ?I)T R()I) D( %$)O R('UCT$NCI$
ROTOR D(-$N$DO
=i!ura 2.1 Clasi"icaci/n de los motores el
@
7as $ases del estator crean un campo magn#tico en el entrehierro, el cual rota a la velocidad de la $recuencia del estator (ωe). Este campo induce una corriente en la jaula, que provoca la $ormaci%n de un segundo campo magn#tico alrededor del rotor. omo consecuencia de la acci%n de estos dos campos, el rotor comienza a girar en la direcci%n del campo del estator, pero a una velocidad menor (ωr). !i el rotor gira a la misma $recuencia que el estator, entonces el campo del rotor pudiera estar en $ase con el campo del estator y no se producir1a la inducci%n de las corrientes del rotor. 7a di$erencia entre la $recuencia del estator y la del rotor se denomina $recuencia de deslizamiento (ωslipNωe8ωr ). E/isten varias $ormas de controlar un motor de inducci%n en base al par, a la velocidad o a la posici%n y pueden ser agrupadas en dos grandes categor1as, el control escalar y el control vectorial &+, El control escalar se basa en que las variables son controladas s%lo en magnitud. Entre los m#todos conocidos de control de un motor de inducci%n, uno de los más utilizados es el de oltajeI2recuencia &<, el cual consiste en que, variando el voltaje del estator en proporci%n con la $recuencia, el par (torque) se mantiene constante. Este m#todo tiene como inconvenientes la baja e$iciencia y un tiempo de reacci%n elevado para variaciones de la carga. El control vectorial , por su parte, se basa en que las variables son controladas tanto en magnitud como en $ase. 7as variables a controlar son representadas por matrices y vectores y se toma en cuenta no s%lo el comportamiento del motor en estado estable, sino las ecuaciones matemáticas reales que lo caracterizan. omo resultado se obtiene un mejor comportamiento dinámico para variaciones de par en un rango de velocidad más amplio. Algunas de las ventajas del control vectorial son5 '8 8 +8 38
apacidad completa del par (torque) del motor a baja velocidad. *ejor comportamiento dinámico. Alta e$iciencia para cada punto de operaci%n en un amplio rango de velocidad. esacople del $lujo y el par.
Aunque los motores de inducci%n tienen una estructura simple, su modelo matemático es complejo debido al grado de acoplamiento entre un gran número de variables y el comportamiento no lineal de las mismas. El control vectorial proporciona un m#todo para resolver esos problemas con una alta e$iciencia y sin alterar su comportamiento dinámico. El ep1gra$e siguiente e/plica los $undamentos básicos de este tipo de control.
2.2 Introducci/n al control ectorial @1236A. El control vectorial o por campo orientado (2D), tuvo su origen en la d#cada de los años >- con los trabajos desarrollados por Oass &> y Mlasch6e &?. Este control se basa en la trans$ormaci%n de un sistema tri$ásico estacionario, representado por las corrientes de $ase del estator (ia, ib, ic), en un sistema bi$ásico rotatorio representado en un plano imaginario
'-
d que gira a la velocidad de rotaci%n del rotor o velocidad s1ncrona. En este plano se obtienen las corrientes isd e is, alineadas con los ejes ortogonales d y q respectivamente. 7a obtenci%n de este nuevo marco de re$erencia conduce a un modelo cuyo comportamiento es igual al de una máquina de corriente directa (cd). 7a $igura . muestra la analog1a entre la estructura de una máquina de cd y el control vectorial de una máquina de inducci%n.
I
I
a
T
K´
=
t
I a I f
componente del par
En un marco de referencia síncrono
f
i* i*
sd
componente de flujo
motor de Inducci n
Inversor y controlador
sq
T
=
K´
t
i sq i sd omponente de $lujo
omponente del par
=i!ura 2.2 $nalo!ía entre el motor de CD 7 el control ectorial del motor de inducci/n. 7a e/presi%n de par electromagn#tico (torque) en una máquina de cd., despreciando el e$ecto de saturaci%n y de reacci%n de armadura está dada por5 &
=
- t P ! a P ! f
(.') donde 0a es la corriente de armadura, 0 $ la corriente para el devanado de campo y H t es una constante de proporcionalidad. 7as variables 0a e 0$ son las variables de control en una máquina de corriente directa y pueden ser consideradas como vectores ortogonales o
''
desacoplados. En condiciones normales, la corriente 0$ es mantenida constante e igual a su valor nominal, por lo que el par será proporcional a la corriente de armadura 0a. e esta $orma e/iste un desacople entre 0$ , que representa el $lujo magn#tico e 0a que representa el par. En un motor de inducci%n, sin embargo, estos dos vectores están $uertemente acoplados (no ortogonales). En un marco de re$erencia bi$ásico d que gira a la velocidad s1ncrona , las componentes de corriente obtenidas (isd, isq), son las componentes de corriente del estator, en los ejes directo y de cuadratura respectivamente. !i la componente de corriente isd, se hace coincidir en $ase con el $lujo magn#tico del rotor o con la componente de corriente que lo genera ($igura .+), se puede establecer una analog1a entre la componente isd en coordenadas de campo y la corriente de campo (0$ ) en el motor de corriente directa, as1 como entre la componente is y la corriente de armadura (0a). e esta $orma el par en una máquina de inducci%n se puede e/presar como5 &
=
- t P i sq P i sd
(.) por lo que, manteniendo el $lujo magn#tico isd constante, se puede realizar el control del par del motor, mediante la corriente is ya que ambos vectores son ortogonales y están por lo tanto desacoplados, pudi#ndose variar independientemente sin a$ectar la componente ortogonal.
2.3 (cuaciones del control por campo orientado @126A. Bn diagrama $asorial del control vectorial se muestra en la $igura .+. is #$
imr
#mr
iqs
EJE "!T!"
ids
δ
#m
θ2 ρ ε
EJE ESTT!"
=i!ura 2.3 Dia!rama "asorial del control por campo orientado.
'
Este diagrama $asorial muestra las magnitudes y ángulos de los vectores involucrados en el control por campo orientado y constituye la base para la obtenci%n de las ecuaciones $undamentales del control vectorial. El valor instantáneo del par electromagn#tico del motor de inducci%n en coordenadas del estator, se puede hallar de la ecuaci%n siguiente5 &
, +
=
+
0m
[
i s [ i r e jε ]
P
]
(.+)
Esta e/presi%n general del par muestra la di$icultad de controlar un motor de inducci%n jaula de ardilla, debido a que no se tiene acceso directo al vector corriente del rotor, y tiene que ser controlado indirectamente a trav#s de los voltajes y las corrientes del estator. "ara sustituir el t#rmino i r e jε por una cantidad equivalente que pueda ser medida en los terminales del estator o en la $lecha de la máquina se pueden utilizar di$erentes alternativas, como por ejemplo, medir el $lujo mutuo del entrehierro, el cual es una medida de la corriente magnetizante y puede ser detectado a trav#s de sensores de e$ecto Oall o de bobinas en el estator. Esta medici%n de$ine el vector de la corriente magnetizante i m , el cual es la suma de los vectores de las corrientes del estator y del rotor en un marco de re$erencia común. En coordenadas del estator se puede e/presar la ecuaci%n que de$ine el vector de la corriente magnetizante, de la $orma siguiente5 im
=
is
+
i r e j
(.3)
ε
Esta e/presi%n puede ser utilizada para eliminar el t#rmino de la corriente del rotor ( i r e jε ) en la ecuaci%n .+. Dtras alternativas pueden ser utilizadas, sin embargo, la mejor opci%n es de$inir el vector corriente de magnetizaci%n modi$icado imr , asociado con el $lujo del rotor, donde se considere al $lujo disperso del rotor y al $lujo mutuo entre estator y rotor. Este vector es de$inido en coordenadas del estator por la ecuaci%n5 i mr
=
is
+
[ ' + σ r ] i r e jε
(.<)
donde σr es el coe$iciente de dispersi%n del rotor 0ntroduciendo la ecuaci%n (.<) en (.+), queda5
& =
, + +' + σ r
[
]
i s 0m i s &i mr − i s (P
'+
, + =
+' + σ r
[ ]
0m i s i Pmr
(.=)
*5 0nductancia mutua del motor. jp El vector de corriente magnetizante i mr , puede ser e/presado como imr e , donde imr y ρ son el valor modular y el ángulo del vector en coordenadas polares, teniendo como re$erencia al eje del estator. !ustituyendo imr en $orma polar en la ecuaci%n .=, se obtiene5
& =
, + i 0m[ i s e + ' + σ r mr
j ρ
−
]
(.>)
El vector rotatorio e − jρ , realiza la trans$ormaci%n de coordenadas del estator hacia un marco de re$erencia rotatorio, el cual es de$inido por el vector corriente de magnetizaci%n jρ en la ecuaci%n .> i mr , que se encuentra asociado con el $lujo del rotor. El vector i s e es el vector de corriente del estator en coordenadas de campo, debido a que se aplic% una rotaci%n vectorial al ser multiplicado por el vector unitario e − jρ . Esto se puede observar en la $igura .+ donde se considera el rotor de una máquina de dos polos que tiene una velocidad angular ωm , siendo ω' la velocidad angular s1ncrona de rotaci%n del vector i s y ω mr la velocidad angular instantánea del vector i mr . −
El vector corriente del estator
Q
i s
en coordenadas de campo, tiene dos componentes
ortogonales, la componente directa (isd) y la componente en cuadratura (isq), paralela y perpendicular respectivamente al vector i mr , de esta $orma5 i sd =
Je[i s e− j ρ ] = is cos δ
i sq =
0m[i s e− j ρ ] = is sen δ
(.?)
(.@) !ustituyendo la ecuaci%n (.@) en (.>), se obtiene la ecuaci%n de par electromagn#tico siguiente5 & =
(.'-) donde5 - =
, + + ' + σ r
'3
, + i i + ' + σ r mr sq
=
-imr isq
Esta ecuaci%n es una de las que caracteriza el modelo del motor de inducci%n en el control por campo orientado. En la misma se observa como el par electromagn#tico (), desarrollado por el motor, es proporcional al $lujo del rotor, representado por el vector de corriente magnetizante modi$icado (imr ), y a la corriente en coordenadas de campo is que es proporcional al par. e esta $orma si se mantiene el $lujo del rotor constante se puede variar el par del motor actuando sobre la componente de corriente is. 7a ecuaci%n .'- es semejante a la ecuaci%n de par de una máquina de cd con e/citaci%n independiente, donde el par es proporcional al $lujo y a la corriente de armadura. !i se sustituye la ecuaci%n .< en la ecuaci%n de voltajes del rotor, se obtiene la ecuaci%n di$erencial para i mr 5
τ r
d i mr dt
donde5
τ
+
['
r =
−
jω mτ
.r /r
r
]i
mr =
is
(.'')
es la constante de tiempo del rotor y 7r y J r son la inductancia y resistencia
del rotor respectivamente. 7a ecuaci%n .'' se encuentra en coordenadas del estator. !i se trans$orma a coordenadas de campo multiplicando por el vector unitario e − jρ y considerando que i mr = i mr e jρ , entonces5 τ
r
dimr dt
+
j τ r imr
d ρ dt
+
&' − jω mτ r (imr
=
ise
−
jρ
(.')
!i se separa el resultado en parte real y parte imaginaria, quedan las ecuaciones en coordenadas de campo siguientes5
τ r
d ρ dt
dimr dt
i
i
(.'+)
+ mr = sd
= ω mr = ω m +
i sq
τ r imr
(.'3)
En el motor de inducci%n, imr es análoga al $lujo principal de la máquina de cd y es controlada por la componente directa de la corriente del estator en coordenadas de campo como es mostrado en la ecuaci%n .'+. 7a constante de tiempo del rotor introduce un signi$icativo retardo en la respuesta de i mr al variar i sd , este e$ecto es semejante al retardo introducido por el devanado de e/citaci%n de la máquina de cd. En estado estable el valor de la derivada es igual a F-G y la corriente isd, es igual al valor de imr. 7a ecuaci%n .'3, por su parte, muestra la e/presi%n para el cálculo de la velocidad del rotor en un modelo de coordenadas de campo. 7a velocidad del rotor (ωmr ), se obtiene como
'<
la suma de la velocidad medida en la $lecha del rotor (ωm) y la velocidad de deslizamiento del rotor (ω), la cual se e/presa como5 ω ,
=
i sq τ r imr
(.'<) En una operaci%n estable, el ángulo de par es constante siendo ω mr = ω m y los vectores e i mr rotan en sincronismo.
i s
"ara completar el modelo matemático en coordenadas de campo del motor de inducci%n, a las ecuaciones (.'-), (.'+) y (.'3), se le añade la ecuaci%n de movimiento del accionamiento el#ctrico5 0
d ω m dt
= & − & . = 1imr isq − &.
(.'=)
donde5 & . 5 "ar de carga. 0 5 *omento de inercia equivalente en la $lecha del motor. e esta $orma el modelo de campo orientado de un motor de inducci%n queda caracterizado por las ecuaciones siguientes5 '8 & = 8
τ r
, + + ' + σ r
dimr dt
imr i sq = 1imr i sq
+ imr = i sd
(Ecuaci%n de par). (Jelaci%n entre $lujo del rotor (imr ) y la componente de corriente en coordenadas de campo isd).
+8
d ρ dt
38 0
=
2mr
d ω m dt
=
=
2m
i sq
+
& − & l
τ
i
(Ecuaci%n de velocidad angular).
r m r
(Ecuaci%n de movimiento del accionamiento el#ctrico).
Estas ecuaciones serán utilizadas en el modelo de corriente, e/plicado en el cap1tulo <, as1 como en las simulaciones realizadas usando la herramienta !imulin6 de *atlab en el cap1tulo =.
2.4 Trans"ormaciones de planos de coordenadas. (cuaciones de ClarBe 7 %arB @1A. omo se e/plic% anteriormente, para implementar el control por campo orientado, el modelo del motor de inducci%n en un marco de re$erencia tri$ásico, es trans$ormado a un marco de re$erencia bi$ásico rotatorio, con ecuaciones más sencillas, que describen un comportamiento análogo al de una máquina de corriente directa, $acilitando considerablemente el control del motor y mejorando su comportamiento dinámico.
'=
7as trans$ormaciones de planos coordenados se realizan tanto en $orma directa (sistema tri$ásico a bi$ásico rotatorio), como de $orma inversa, para volver a obtener los valores de corrientes de $ase una vez realizado el control, como se muestra en la $igura .3.
iPsd
isal$a d12
iPsq
iPa 1
1
isbeta
ia
iPb
ib
a11c
isal$a
a11c
isd 1 d12
1
iPc
ic
isbeta
θ
isq
θ
rans$ormaci%n inversa
rans$ormaci%n directa
=i!ura 2.4 Trans"ormaci/n de planos de coordenadas. ada trans$ormaci%n se realiza en dos etapas5 '8) rans$ormaci%n de las corrientes de $ase tri$ásicas (ia, ib, ic), a un sistema bi$ásico estacionario (isal$a, isbeta). (&ransformada de Clar1e), 8) rans$ormaci%n del sistema anterior a un marco de re$erencia bi$ásico rotatorio (isd, isq). (&ransformada de ar1), 7a obtenci%n de este marco de re$erencia rotatorio (coordenadas de campo d,q) se logra mediante un proceso de rotaci%n vectorial, tomando como base el vector unitario e − jρ , lo cual se puede e/presar matricialmente de la siguiente $orma5
i sd cos ρ sen ρ isalfa i = sq − sen ρ cos ρ isbeta
(.'>)
e igual $orma las trans$ormaciones de lar6e y "ar6 inversas, tienen como objetivo llevar los valores obtenidos en el plano imaginario d,q (isdP, isqP), que representan los valores de par y $lujo del rotor obtenidos producto del control, a un sistema de re$erencia tri$ásico (iaP,ibP,icP).
'>
A continuaci%n se presentan las ecuaciones de trans$ormaci%n de lar6e y "ar6 usadas en el desarrollo de este trabajo5
ClarBe directo ac isalfa
=
isbeta =
ia
(.'?)
' , ia + ib + +
%arB directo i sd
=
(.'@)
d
isalfa P cos(θ ) + isbeta P sin (θ )
(.-)
i sq = −isalfa P sin(θ ) + isbeta P cos(θ )
(.')
%arB Inersod
isalfa = i sd P cos(θ ) − i sq P sin(θ )
(.) isbeta = i sd P sin (θ ) + i sq P cos(θ )
ClarBe inerso iaP
=
(.+)
ac
isalfa
' , ' icP = − isalfa − , ibP = − isalfa +
(.3)
+ isbeta , + isbeta ,
(.<) (.=)
2.5 ;
'?
2.4.1 ;
'@
e/plicadas en el ep1gra$e .+. 7a descripci%n general del so$t4are del sistema sobre la base del m#todo directo se e/plica en el cap1tulo 3, el esquema general de este m#todo se muestra en la $igura 3.', mientras los detalles espec1$icos de programaci%n del modelo de $lujo se e/ponen en el cap1tulo <
2.4.2 ;
i sq
τ r imr
En esta ecuaci%n se observa que, el vector del $lujo del rotor tiene una velocidad angular instantánea ω mr , que es la suma de la velocidad angular instantánea de la $lecha, ω m , y la velocidad angular instantánea de deslizamiento del rotor. 7a velocidad angular de deslizamiento es denotada como ω , , y se e/presa de la $orma siguiente5
=
i sq
(.>)
ω = ω mr − ω m = sω mr
(.?)
ω ,
τ r imr
donde s es el deslizamiento del rotor con respecto al vector $lujo del rotor. 7as ecuaciones (.>) y (.?) muestran que ω , y s quedan $ijadas por los valores de i sq e imr . 7a ecuaci%n de deslizamiento puede ser desarrollada en el control por campo orientado sin que sea necesario realizar la medici%n e/acta del vector $lujo del rotor, siendo esta la base del m#todo indirecto de campo orientado, tambi#n llamado, m#todo de control de la $recuencia de deslizamiento.
-
El par electromagn#tico y el $lujo son independientemente controlados a trav#s de la regulaci%n apropiada de isd, isq y ω , . 7as ecuaciones (.'-), (.'+) y (.'3) pueden ser usadas para determinar los valores de re$erencia los valores de par (
i P sq , i P sd y ω P, , que necesitan de
& P ) y la corriente de magnetizaci%n del rotor ( i
mr
), de esta manera
se tienen las ecuaciones siguientes5
i P sd = i Pmr + τ
di Pmr r
dt
(.@)
Inversor
"ectificador
i as
(otor de induccion
i 1s i cs
ω *m
%ontrol de velocidad
/
ω
T*
0 m
imr*
dimr P i P = imr + τ r ds dt i ds * & P iqsP = 1⋅i mr P i qs * i Pqs 2 P= , τ ⋅ i r mr P
%ontrol -.(
iα s* T"&S'!"(%I!& )E %!!")E&)S jp
e
/
0 0
/
0
/
ωm
iβ s*
ρ sen ρ cos
# *
Inte2racion
%onvercion de + , fases
i as * i 1s * i cs *
ρ
θ ∗ /
/
ε
Sensor de -osicion
=i!ura 2.5 ;
i P sq
& P =
-i Pmr
(.+-)
'
ω
,
P
i P sq =
τ r i Pmr
(.+')
7a $igura .< muestra el diseño del control de la velocidad utilizando un m#todo indirecto y un inversor "C* controlado por corriente. El error de velocidad es la entrada del controlador de velocidad, el cual genera como salida el comando del par, P. 7a velocidad de la $lecha se utiliza como una $unci%n generadora de la corriente magnetizaci%n modi$icada ( i
Pmr ), teniendo como re$erencia la velocidad
base (ω b ), que servirá para
$ijar la zona de debilitamiento de campo &@. 7os comandos de par (P) y de corriente de magnetizaci%n modi$icada ( i
Pmr ), son usados para calcular los valores de i P sd , i P sq
y ω , P . El comando de deslizamiento, ω , P , es integrado para obtener la posici%n angular θ , P , la cual es adicionada a la señal de posici%n del rotor, ε , para determinar la posici%n del ángulo del $lujo del rotor ( ρ ). omo se observa en la $igura .<, el ángulo ρ es utilizado para calcular el vector rotatorio, e j ρ , que se utiliza para calcular las corrientes isal$a e isbeta re$erenciadas al estator. *ediante una trans$ormaci%n de dos a tres $ases se obtienen las corrientes de re$erencia que son aplicadas al motor por medio del inversor "C*, proporcionando un control de par desde velocidad cero. 7a $igura .< muestra que los parámetros del motor, en particular el valor de la constante de tiempo del rotor ( τ r ), es $undamental para la e/actitud del cálculo de las corrientes de re$erencia del estator y la $recuencia de re$erencia del deslizamiento. !i el valor actual de la constante de tiempo del rotor di$iere del valor empleado para el cálculo de los valores de re$erencia, no e/istirá una correcta orientaci%n del campo y se deteriora la respuesta dinámica del control. Este cap1tulo abord% toda la base te%rica necesaria para comprender un sistema de control vectorial de un motor de inducci%n. El siguiente cap1tulo brinda los detalles de diseño del hard4are del sistema de control.
C$%&TU'O 3 ?$RDE$R( D(' )I)T(;$ D( CONTRO'. INTRODUCCIÓN Este cap1tulo describe el $uncionamiento del hard4are del sistema de control. !e brinda una descripci%n general del $uncionamiento del sistema, e/plicando el trabajo y las especi$icaciones de cada uno de los bloques que lo integran.
3.1 (suema !eneral 7 "uncionamiento del FardGare del sistema de control.
+
Bn esquema general del hard4are del sistema de control se muestra en la $igura +.'.
Entrada ri$ásica 0nversor
0RM
*otor de A ia
Jecti$icador
ib
2iltro
ic
*0" "*+-J!2-=-
E/citadores (rivers )
!ensor de !ensores de e$ecto Oall
"osici%n
FencoderG
Dptoacopladores "C*
,.< v *anejador de eventos
AI
ierra virtual 7E ,3,<
" arjeta de !" *!+,-2,3-
=i!ura 3.1 (suema !eneral del sistema de control. Este sistema controla la velocidad de un motor de corriente alterna de tipo inducci%n. El esquema muestra el diseño de un lazo de control de las corrientes de $ase (ia, ib, ic) de un inversor tri$ásico que alimenta al motor. 7as variables de entrada a este sistema son las siguientes5 '8 Corrientes de fase ia e ib, 7a corriente ic no se mide y se calcula matemáticamente, dado que en un sistema tri$ásico sin neutro la suma de las corrientes de $ase es igual a cero. 8 9elocidad del rotor 5 !e calcula dentro del sistema a partir de la señal que entrega un sensor de posici%n (FencoderG), colocado en la $lecha del motor. 7as corrientes de $ase son medidas usando sensores de e$ecto Oall, los cuales entregan un nivel de voltaje proporcional a la corriente sensada. Este voltaje es desplazado en un valor $ijo (Fo$$setG), usando un circuito de tierra virtual de e/as 0nstruments (7E3<), con el objetivo de adaptarlo a los requerimientos de entrada del conversor anal%gicoIdigital (AI), incorporado dentro del procesador en la tarjeta de evaluaci%n del !". 7a tarjeta de evaluaci%n (6it) del !" *!+-23-, recibe los valores de las corrientes de $ase y la señal del sensor de posici%n(FencoderG) y debe realizar el algoritmo de control de la velocidad del motor usando las t#cnicas de control por campo orientado, e/plicadas en el
3
cap1tulo anterior. 7as caracter1sticas de $uncionamiento y especi$icaciones de esta tarjeta se e/plican en el siguiente ep1gra$e, mientras los detalles de implementaci%n del so$t4are de control se e/ponen en los cap1tulos 3 y <. 7a salida del sistema de control genera señales de modulaci%n por ancho de pulso ("C*), necesarias para el control de las corrientes de $ase del inversor. 7as seis señales "C* (dos por cada $ase), son entregadas a los bloques e/citadores (FdriversG), a trav#s de circuitos optoacopladores, que se encargan de aislar la salida del sistema de control de los e/citadores, evitando que los altos niveles de voltaje que se generan en el inversor puedan dañar los circuitos de control. A continuaci%n se e/plican las caracter1sticas de $uncionamiento y las especi$icaciones $undamentales de los principales m%dulos de este sistema. Etapa de entrada. Esta etapa la constituye una $uente de corriente directa, diseñada espec1$icamente para el trabajo, $ormada por un puente recti$icador, un conjunto de $iltros y una red de descarga de los capacitores. Esta $uente recibe la corriente alterna tri$ásica de la red y entrega un voltaje de corriente directa de +-, necesarios para alimentar toda la electr%nica de potencia del sistema.
;/dulos Inteli!entes de %otencia ;I% @15A 7a etapa de electr%nica de potencia de este trabajo esta constituida por el m%dulo inteligente de potencia %;3R)=6, de la $irma F%OE(R(H INC. Estos m%dulos $ueron adquiridos especialmente para este trabajo y están $ormados por los siguientes elementos5 8 E/citadores (FdriversG). 8 0nversor tri$ásico de tipo 0RM. 8 ircuitos de protecci%n contra temperatura, bajo v oltaje, sobrecorriente y cortocircuito. E'citadores (:drivers8), Estos circuitos tienen la $unci%n de entregar al inversor tri$ásico los voltajes necesarios para el control de los transistores, provenientes del bloque de generaci%n de señales "C* de la tarjeta del !".
<
!nversor trifásico Bn esquema del inversor tri$ásico se muestra en la $igura +.. El inversor está compuesto por seis transistores (dos por cada $ase de corriente) de tipo 0RM (F0solated Rate Mipolar ransistorG), una combinaci%n de transistor bipolar y *D!2E, controlado por el voltaje de compuerta que se aplica al mismo. El inversor debe convertir la corriente directa en corriente alterna tri$ásica, necesaria para la e/citaci%n de cada una de las $ases del motor. 7as señales aplicadas a las compuertas de cada uno de los seis transistores son de tipo "C* y permiten controlar el tiempo de conmutaci%n de los transistores, variando con ello los niveles de corriente que se entregan al motor en cada instante.
/
fuente c3d3
5 6d 7
4
%
módulo de $+* fase
0 =i!ura 3.2 (suema de un inersor tri"Jsico A continuaci%n se e/plican algunas de las especi$icaciones más importantes de este m%dulo &'<5 '8 orriente5 +- A 8 oltaje5 =-- +8 2recuencia de operaci%n5 hasta - Hhz. Bn esquema el#ctrico de cone/i%n de este m%dulo, as1 como sus especi$icaciones el#ctricas y mecánicas más importantes se brindan en el ane/o >
Optoacopladores @15A Estos circuitos constituyen la etapa de aislamiento entre la electr%nica de potencia y la etapa de control. 7as salidas "C* generadas en el !" y usadas en el control de los transistores del inversor tri$ásico son aisladas de la etapa de potencia a trav#s de estos dispositivos. Este trabajo utiliza los optoacopladores O"783<-3 de FOe4lett "ac6ardG, los cuales cumplen con las especi$icaciones $undamentales requeridas para este diseño e impuesta por los m%dulos inteligentes de potencia, descritos anteriormente. Algunas de estas especi$icaciones son5 '8 Optoacopladores de alto C+/ (/ec5a*o de +odo Com;n)< Este valor debe ser superior a '-HvIµs, siendo en estos dispositivos de '
=
8 Alta velocidad de conmutación< (tplh, tphlS -.?µs). 7as especi$icaciones t#cnicas marcan estos valores en 5 tpl5< -.+µs a $recuenciaN -Hhz y -.?µs a $recuencia N '-Hhz tp5l< -.µs a $recuencia N- Hhz y -.<µs a $recuencia N '- Hhz. El diagrama $uncional de este dispositivo, as1 como una descripci%n de sus caracter1sticas t#cnicas, se muestra en el ane/o >.
;otor de inducci/n. El motor usado en este trabajo es de tipo Fjaula de ardillaG. 7as caracter1sticas de $uncionamiento de este tipo de motor $ueron e/plicadas en el ep1gra$e .'. Algunas de sus especi$icaciones más importantes son5 '8 "otencia de salida5 '.< O". 8 elocidad nominal5 '>< rpm. +8 elocidad má/ima5 =--- rpm. 38 oltaje de $ase5 +-v T 3=-v. <8 orriente nominal5
8 2recuencia nominal5 =-Oz. ?8 9úmero de polos5 3 @8 Jesistencia del rotor5 >.>3Ω '-8 Jesistencia del estator5 .>?@Ω ''8 Jeactancia magnetizante del estator5 <>.=?Ω '8 Jeactancia del rotor5 +.<'= '+8 0nercia del rotor5 -.--<-=+ Hg m Estos parámetros serán utilizados a lo largo de trabajo en el diseño de los di$erentes m%dulos del sistema de control.
)ensores de ("ecto ?all. Estos dispositivos se sitúan a la salida del inversor y a la entrada del motor a controlar, su $unci%n $undamental es entregar un voltaje proporcional a la corriente de cada $ase. En este trabajo se utilizan los sensores !U8'- que entregan un voltaje de VI8 para una corriente de entrada de VI8 '-A.
Tierra -irtual T'(2425C. Este circuito brinda una re$erencia positiva de V.
>
conversor AI puede leer solamente valores entre - y V
Computadora personal %C. 7a computadora constituye el elemento de inter$az entre el usuario y el sistema de control. 7a tarjeta de evaluaci%n (6it) de !" se conecta a la " a trav#s del puerto paralelo de esta. En ella se corren los programas de ensamble, enlace y depuraci%n (FdebuggerG), del procesador *!+-23-. 7os requerimientos m1nimos necesarios para la " impuestos por la tarjeta de evaluaci%n son los siguientes &''5 '8 omputadora 0M* "IA, +?= o superior. 8 Bnidad de disco $le/ible de '.33 *b. +8 "uerto paralelo bidireccional de ? bits o de tipo FEnhanced "arallel "ortsG (E""), para obtener una mayor raz%n de trans$erencia de datos. 38 *emoria5 3 *b (m1nimo). <8 *onitor a color de tipo RA. =8 !o$t4are5 Cindo4s +.' o Cindo4s @<, editor A!00.
3.2 Diseo del FardGare del sistema de control. esde el punto de vista el#ctrico, el hard4are del sistema de control comprende las siguientes etapas. '8 &arjeta de evaluación (1it) del =# &+#6>?6@> y componentes accesorios. Este m%dulo será e/plicado en detalle en el ep1gra$e siguiente. 8 =iseo de la tarjeta de potencia5 Esta tarjeta incluye los circuitos optoacopladores, el m%dulo de potencia "*+-J!2-=- &'< y las $uentes de voltaje de V '
esta tarjeta, se comprob% que las señales a la salida de los optoacopladores su$r1an una considerable de$ormaci%n del pulso cuadrado, lo cual a$ectaba la respuesta dinámica de estos dispositivos. Este e$ecto se deb1a a los niveles de corriente que recib1an los circuitos optoacopladores, que no eran los adecuados. "or tal motivo se rediseñ% esta etapa agregando un circuito Fbu$$erG de corriente como se muestra en la $igura +.+5 '
'.>6
"C*/ '<6 Al *0" O"7 3<-3
=i!ura 3.3 (tapa de optoacoplamiento. +8 =iseo de la tarjeta de adquisición de seales5 0ncluye los tres sensores de e$ecto Oall y el circuito de tierra virtual (7E3<). Esta tarjeta recibe como entrada las tres corrientes tri$ásicas generadas en el inversor y entrega las señales de voltaje proporcionales a estas corrientes al bloque de conversi%n anal%gico digital del !". 38 iseño de la $uente de corriente directa de +- para la alimentaci%n de la etapa de potencia del sistema, obtenidos a partir de la recti$icaci%n y $iltrado de los voltajes tri$ásicos de -rms. <8 iseño de las $uentes de VI8
3.3 'a tar0eta de ealuaci/n Bit T;)32C24#. $ruitectura 7 "uncionamiento @11A. 7a $amilia de procesadores de e/as 0nstrumentas *!+-//, proporciona un conjunto de dispositivos y herramientas de so$t4are para la con$ecci%n y puesta en marcha de
@
aplicaciones relacionadas con estos procesadores. Este conjunto de herramientas está compuesto por5 '8 &arjeta de =# (F3/ Evaluation boardG). 8 Adaptador de puerto paralelo (FU!<'-"" emulatorG)5 Este dispositivo sirve de inter$az entre la " y la tarjeta de evaluaci%n. +8 ?uente de alimentación< Entrada5 '--8<-v, !alida5
"rocesador digital de señales (!"), *!+-23-, de punto $ijo (B=) '? H4 de memoria JA* en la tarjeta (B+ y B3). onversor digitalIanal%gico (IA) de ' bits, con cuatro canales de conversi%n (B@). os arreglos l%gicos de compuertas (RA7) de tipo '=? para la l%gica de control y decodi$icaci%n de la tarjeta. (B> y B'3). <8 Dscilador de reloj de '-*hz (B'=). =8 "uerto serial compatible con J!+ ("=). >8 "uerto para el adaptador U!<'-"" ("<). ?8 Manco de ? conmutadores (F 0" s4itchesG) (!C). @8 Manco de ? 7E! (!C'). '-8 uatro conectores de e/pansi%n de +3 pines, agrupados $uncionalmente, los cuales brindan las señales más importantes del !" y la tarjeta de evaluaci%n. Estos conectores son5 - Conector de Entrada"#alida5 Este conector permite el acceso a todas las señales del m%dulo de manejo de eventos (Fevent managerG) del !", as1 como a las señales de los puertos de comunicaci%n serial (!0 y !"0). En este trabajo se utiliza para obtener las señales de "C* generadas en el procesador y como entrada de la señal del sensor de posici%n a la unidad de captura del !". - Conector analógico5 Este conector brinda las señales de los m%dulos de conversi%n AI y IA. En el trabajo se utiliza para suministrar al !" las señales de corrientes de $ase ia e ib, as1 como para obtener señales provenientes del conversor digitalIanal%gico (IA), utilizadas en las pruebas realizadas a los distintos m%dulos del sistema. - Conector de direcciones"datos5 A trav#s de este conector se accesan las señales de los buses de direcciones y datos del procesador con el objetivo de conectar peri$#ricos e/ternos o e/pandir memoria. 9o se utiliza en este trabajo. - Conector de control 5 Mrinda las señales de control más importantes del procesador. 9o se utiliza en este trabajo. 7a distribuci%n de pines de cada conector puede ser consultada en el manual *!+-3/ !" ontrollers. Evaluation *odule &''.
+-
Con"i!uraciones Jsicas realiKadas en la tar0eta de ealuaci/n. '8 "uentes (FWumpersG) W" y W"+ en posici%n 8+5 "ermite que los voltajes de re$erencia del conversor AI, re$ hi y re$ lo, respectivamente, puedan ser variados en un rango de - a
3.4 (l procesador di!ital de seales D)% T;)32=24. A continuaci%n se e/ponen algunas de las caracter1sticas más importantes del procesador *!+-23- y del $uncionamiento de los m%dulos más importantes del mismo usados en el trabajo. +.3.' aracter1sticas generales &'. a8) "rocesadores de '= bits de punto $ijo. b8) iclo de instrucci%n de <- ηs (- *0"!). c8) *emoria5 - <33 4 de JA* interna de acceso dual (JA*). - '= 64 de JD* tipo $lash (EE"JD*). - 3 64 de memoria total (=364 de memoria de programa, =364 de memoria de datos, =364 de espacio de entradaIsalida y +64 de memoria global). d8) %digo compatible con los procesadores de la $amilia *!+-
3.4.2 ;/dulo mane0ador de eentos Leent mana!er @13A. Este m%dulo proporciona una amplia gama de $unciones que son de gran utilidad para aplicaciones de control de motores. En el ane/o se muestra un diagrama general del mismo, en el cual se pueden identi$icar los siguientes bloques5 '8 res temporizadores de '= bits de prop%sito general (FR" timers ', y +G). 8 res unidades de comparaci%n completa (F2ull compare ', y +G). +8 res unidades de comparaci%n simple (F!imple compare ', y +G).
+'
38 ircuitos para generaci%n de señales "C* que incluyen5 - ircuito de generaci%n de "C* usando el m#todo de vectores espaciales (! "C*). - Bnidad de generaci%n de banda muerta (Fdead bandG). - 7%gica de salida que permite controlar el nivel de activaci%n de las señales "C* que se generan. <8 uatro unidades de captura. =8 ircuito para detecci%n de pulsos en cuadratura (XE"). >8 0nterrupciones asociadas a la generaci%n de cada evento del m%dulo. A continuaci%n se e/plican las principales caracter1sticas de los bloques anteriores usadas en el desarrollo de este trabajo.
TemporiKadores Ltimers. ada temporizador puede ser programado en seis modos de trabajo di$erentes (modo - al modo <), dependiendo de las caracter1sticas de la señal que se necesite usar como base de tiempo. 7a programaci%n de los temporizadores requiere de la iniciaci%n de los siguientes registros5 '8 R"D95 !e programan los niveles de activaci%n de las salidas de cada temporizador, el inicio de conversi%n del AI por un evento del temporizador, etc. 8 /D9 (/N',,+)5 Jegistro de control de cada temporizador5 !e programa el modo de trabajo, la $uente de reloj del temporizador, el valor del pre8escalador, entre otras $unciones. +8 /"EJ(/N',,+)5 Jegistro de per1odo de la señal. !e programa la duraci%n del per1odo (cantidad de pulsos de reloj) de la señal que se genera. 38 /9(/N',,+)5 Jegistro contador de pulsos de reloj d e cada temporizador. 7a estructura completa de cada registro se muestra en el manual *!+-3/ !" ontrollers. ol &'+. En este trabajo se utilizaron los temporizadores ' y para generar la señal de re$erencia triangular en el bloque de "C* y para el conteo de pulsos de la unidad de captura en la medici%n de velocidad, respectivamente. 7os detalles de programaci%n de estos m%dulos serán e/puestos en el cap1tulo <.
Unidades de comparaci/n completa L=ull compare Este procesador incluye tres unidades de comparaci%n completa (',,+), que permiten comparar el valor del contador de un temporizador, con otro valor previamente cargado en un registro de comparaci%n. uando ambos valores coinciden se modi$ica el valor de las salidas de la unidad. ada unidad tiene dos salidas complementadas, que pueden ser programadas para generar "C*. 7a programaci%n de las unidades de comparaci%n completa incluye la iniciaci%n de los siguientes registros5
+
'8 D*D95 "ermite programar la condici%n de recarga de los comparadores, el modo de trabajo de cada salida (comparaci%nI"C*), entre otras $unciones. 8 AJ5 En este registro se programa el nivel de activaci%n de cada una de las salidas de cada unidad. +8 *"J/5 Jegistro donde se carga el valor a comparar para cada una de las unidades. 7a estructura completa de cada registro se muestra en el manual *!+-3/ !" ontrollers. ol &'+. En este trabajo se utilizan las unidades de comparaci%n completa para generar las seis señales "C*, necesarias para el control de las corrientes del inversor (2igura +.'). ircuito para generaci%n de "C*. 7a $amilia de procesadores *!+-//, proporciona hasta doce salidas "C*, uniendo las seis salidas de las unidades de comparaci%n completa, las tres de las unidades de comparaci%n simple y las salidas individuales de cada temporizador. Entre las posibilidades que brinda la generaci%n de "C* se encuentran5
-
-
-
Jesoluci%n má/ima5 '= bits. *1nima amplitud del pulso de "C*5 Bn ciclo de reloj (<-ηs). "osibilidad de cambiar la $recuencia de portadora Fal vueloG (durante el conteo). Esto es posible por la e/istencia de registros de per1odos (/"EJ) dobles, que permiten escribir un nuevo valor sin a$ectar el conteo actual. "osibilidad de cambiar la amplitud de pulso Fal vueloG. Esto es posible por la e/istencia de registros de comparaci%n (*"J/) tambi#n dobles. "osibilidad de programar banda muerta (Fdead bandG), usando el registro MD9 en un rango de - a '-µs para un reloj de <-ηs. 7a banda muerta es un intervalo de tiempo necesario para la conmutaci%n de los transistores en un inversor. "osibilidad de programaci%n de "C* en tres modos de trabajo5 asim#trico, sim#trico y por generaci%n de vectores espaciales (! "C*) &<.
Este trabajo implementa una generaci%n de "C* de tipo sim#trica como se muestra en la $igura +.3. El temporizador genera una $orma de onda triangular, programado en modo < (conteo ascendenteIdescendente continuo), cuyo per1odo es el de la señal portadora en la modulaci%n por ancho de pulso y se calcula como5 er7odo($+)B 6 &' E/
(+.')
donde /"EJ es el valor que se le programa al registro de per1odo del temporizador. uando la señal de re$erencia triangular coincide con el valor programado al registro de comparaci%n, se produce una conmutaci%n de las salidas "C*/ y "C*/V'.7os valores de
++
los registros de comparaci%n y de per1odo pueden ser recargados en cualquier instante de tiempo. En este trabajo el valor del registro de comparaci%n proviene de la salida de un regulador "0 y constituye la señal moduladora en la modulaci%n por ancho de pulso ("C*). 7a $igura +.3 muestra como dependiendo del valor del registro de comparaci%n (*"J/) y el punto donde intercepta a la señal triangular de re$erencia, var1a la amplitud de los pulsos de las salidas "C*. El nivel de activaci%n de estas señales (F-G % F'G) puede ser establecido programando el registro AJ.
t
*"J/
A0A F'G %E;135
%E;24 6
A0A F-G
=i!ura 3.4 :eneraci/n de %E; sim
+3
+8 ada unidad presenta un registro de control (A"D9/), donde se programa, entre otras, la habilitaci%n de la unidad, la selecci%n del temporizador que utilizará y el $rente de activaci%n de la señal de captura (subida, bajada o ambos $rentes). 38 7as unidades de captura ' y pueden ser programadas en un modo llamadocuadratura de pulsos (XE") en la cual se detecta el tiempo transcurrido entre dos pulsos de$asados @-Y. Este trabajo utiliza la unidad de captura ' para leer la señal del sensor de posici%n (FencoderG) y calcular la velocidad del rotor, como se e/plicará en el cap1tulo <.
Interrupciones del m/dulo de mane0o de eentos. Este m%dulo genera una gran cantidad de eventos que pueden ser tratados por interrupci%n y que se encuentran agrupados en tres bloques llamados A, M y . Entre las $uentes de interrupci%n más importantes se encuentran5 '8 !nterrupción por comparación en las unidades de comparaci%n completa5 !e produce cuando el valor del registro de comparaci%n se iguala al valor del contador del temporizador. 8 !nterrupciones de los tempori*adores5 !e producen por5 er7odo5 uando el valor del contador se iguala al del registro de per1odo (/"EJ). :Overflo28< El contador alcanza su má/imo valor. :Dnderflo2G5 El contador alcanza el valor - contando de $orma descendente. +8 0nterrupciones de la unidad de captura. El trabajo con interrupciones involucra la programaci%n de los siguientes registros5 '8 0*J5 Jegistro de máscaras de interrupci%n, el cual habilita o no las seis $uentes de interrupciones principales del procesador. 8 02J5 Jegistro de banderas de interrupci%n, el cual permite conocer el estado de las $uentes de interrupci%n. Escribiendo un F'G en el bit correspondiente se limpia esa solicitud de interrupci%n. +8 E0*JA, E0*JM, E0*J5 Jegistros de máscaras de interrupci%n de cada una de las $uentes de interrupci%n del m%dulo de manejo de eventos. 38 E02JA, E02JM, E02J5 Jegistros de banderas de interrupci%n de cada una de las $uentes de interrupci%n del m%dulo de manejo de eventos.
3.4.3 ;/dulo de conersi/n anal/!ico di!ital $MD @13A.
+<
El procesador *!+-23- incluye un m%dulo de conversi%n anal%gicoIdigital interno. Bn esquema general de este m%dulo se muestra en el ane/o +, el cual presenta las siguientes especi$icaciones5 '8 '= entradas anal%gicas agrupadas en dos m%dulos multiple/ores de ? bits cada uno, lo cual permite la lectura de dos canales simultáneamente. 8 Jesoluci%n de los conversores5 '- bits. +8 iempo de conversi%n5 =.=µs. 38 Estructura 202D de dos niveles para cada conversor, lo cual permite el almacenamiento de dos lecturas sin p#rdida de in$ormaci%n. <8 7os voltajes de re$erencia má/imo (re$ hi) y m1nimo (re$ lo), pueden ser establecidos en cualquier valor entre - y V8 El inicio de conversi%n puede ser suministrado por so$t4are, eventos internos del m%dulo AI o eventos e/ternos producidos por el m%dulo manejador de eventos (Fevent managerG). ?8 ircuito pre8escalador programable. 7a elecci%n de un valor en el pre8escalador debe satis$acer la siguiente $%rmula5 ##C.- prescalerF G F µ s
(+.)
donde !L!7H es P 7H N '--ηs. 7a programaci%n del m%dulo de conversi%n AI se realiza a trav#s de los siguientes registros5 '8 AJ7'5 !e habilita el conversor, el inicio de conversi%n, la interrupci%n del AI y el canal a leer. 8 AJ75 !e programa el valor del pre8escalador, el inicio de conversi%n por un evento e/terno, entre otras $unciones. En este trabajo se utilizan los canales + y '' del conversor para la lectura de las corrientes de $ase del inversor (ia e ib). 7a lectura se realiza usando la interrupci%n del conversor AI.
3.5 ;/dulo de conersi/n di!italManal/!ico DM$ de la tar0eta de ealuaci/n@11A 7a tarjeta de evaluaci%n del !" *!+-23- incorpora un conversor digital anal%gico de cuatro canales con una resoluci%n de ' bits cada uno. ada canal tiene un registro asociado en el cual se carga el valor digital a convertir. Estos registros están mapeados en la página - de memoria y ocupan las siguientes direcciones5
Jegistro A-
irecci%n ----h
escripci%n Jegistro de entrada anal -
+=
A' A A+ A B"AE
---'h ---h ---+h ---3h
Jegistro de entrada anal ' Jegistro de entrada anal Jegistro de entrada anal + Jegistro de actualizaci%n
El registro A B"AE permite iniciar un ciclo de conversi%n escribiendo cualquier valor en el mismo. El m%dulo de conversi%n IA requiere la generaci%n de estados de espera para una operaci%n correcta. El procesador debe ser programado para generar estados de espera por so$t4are, para lo cual son necesarios los siguientes requerimientos5 '8 El registro C!RJ debe ser programado para habilitar un estado de espera en el espacio de entradaIsalida. 8 7a señal "B7H de - *hz debe ser enviada por el pin 7HDB del !". Esta señal es usada por la RA7 (B'3) de la tarjeta de evaluaci%n para generar los estados de espera requeridos por el m%dulo de conversi%n IA. 7a programaci%n de los registros para generar los estados de espera se puede observar en el bloque de iniciaci%n de registros del programa en el ane/o 3. 7a resoluci%n de los cuatro canales del conversor IA es de ' bits por lo que se pueden enviar valores entre - y -$$$O equivalentes a niveles de voltajes anal%gicos a la salida entre - y
C$%&TU'O 4 +>
)O=TE$R( D(' )I)T(;$ D( CONTRO' INTRODUCCIÓN Este cap1tulo abarca el diseño del so$t4are del sistema. !e brinda una descripci%n general del $uncionamiento del programa, e/plicando los di$erentes m%dulos que lo integran. Además se e/pone la estructura del programa dividida en rograma rincipal y /utinas de interrupción utili*adas,
4.1 Descripci/n !eneral del so"tGare del sistema. El programa elaborado para implementar el control por campo orientado se basa en la utilizaci%n del m
+?
"AJH 09 elQre$
isq Q re$ V
V
isqP
"0
V
isal$a
aQre$
"0 8
8
7AJHE 09
"0
"
,β
d,q JER. E "AJ
ibQre$
V
8
0 RM )
"0 C
isd P
isd Q re$ V
"0
α,β
"0 V
a,b,c
8 EM070)A*0E9)D E A*"D
8
*
JER. E 27BWD
ia
θcm
ib
ic
isal$a
isq d,q *DE7D E DJJ0E9)E
8
icQre$
isbeta
α,β
isd
isbeta a,b,c α,β
"AJH
*D)DJ E 09B0Z9
7AJHE
elQreal
=i!ura 4.1 (suema !eneral del m
+@
elecci%n de los valores de saturaci%n de cada uno de ellos y su realizaci%n en el !" serán ampliados en el cap1tulo <. Bna vez obtenidas las corrientes de re$erencia tri$ásicas (iaQre$, ibQre$ e icQre$), se implementan tres lazos de control de las corrientes del inversor, en el cual se comparan los valores de corrientes de re$erencia obtenidos, con los valores reales de corrientes de $ase medidos. Estos lazos son los más internos del sistema y están en cascada con los reguladores de par y $lujo. El error de salida es minimizado a trav#s de un regulador "0 para cada $ase, siendo la salida de este, el valor que se carga a los registros comparadores en el bloque de generaci%n de señales "C* de tipo triangular (ep1gra$e +..). 7as salidas "C* obtenidas, dos por cada $ase de corriente, son enviadas al inversor tri$ásico, a trav#s de circuitos optoacopladores y e/citadores (2igura +.'), controlando el tiempo de conmutaci%n de los transistores del inversor y con ello los niveles de corriente que se entregan al motor. 7os detalles de diseño del lazo de corriente y la generaci%n de "C* serán abordados en el cap1tulo <.
4.2 (structura del pro!rama El programa con$eccionado para realizar este sistema de control $ue escrito en lenguaje ensamblador del procesador *!+-23- de e/as 0nstruments. El listado completo del mismo se muestra en el ane/o 3 y está estructurado de la siguiente $orma5
%ro!rama %rincipal9 Es el bloque $undamental del programa y debe realizar las siguientes $unciones5 '8 !niciación de registros y variables. !e inician los registros de prop%sito general del procesador, los registros de interrupci%n, del m%dulo manejador de eventos y del m%dulo de conversi%n anal%gicoIdigital. Además todo un conjunto de variables necesarias para las rutinas de control. 8 rogramación del algoritmo de control de campo orientado. Este algoritmo se realizará cada vez que se obtenga una medici%n de corrientes de $ase del conversor AI ('-.3µs) e incluye las siguientes rutinas según el diagrama de la $igura 3.'5 a8) rans$ormaciones de lar6e y "ar6 directas. b8) Dbtenci%n del ángulo (θcm) en el modelo de corriente. c8) ontrol "0 de velocidad, par y $lujo. d8) *%dulo de debilitamiento de campo (F2ield Cea6eningG). e8) rans$ormaciones de lar6e y "ar6 inversas. $8) 7azo de control de las corrientes del inversor que incluye5 - omparaciones de las corrientes reales y de re$erencia. - Jutina de control "0 de corriente para cada $ase. - Jecarga de los circuitos comparadores para la generaci%n de "C*.
3-
Bn diagrama de $lujo del programa principal se muestra en la $igura 3.
D9 27AR N'
*DE7D E DJJ0E9E
9D
!0
EM070A*0E9D E A*"D (DME9EJ isd Qre$)
(rror -elre" P-elreal
"0 E E7D0A
(rror isd re" 8 isd
"0 E 27BWD
DME9EJ I)$'=$ e I)+(T$ 7AJHE 0JED
(rror is2 re" 8 is2
"0 E "AJ
DME9EJ !E9D L D!E9D E7 9RB7D cm O+T(N(R iare"1 ire" 1ic re"
"AJH L 7AJHE 09EJ!D DME9EJ i)D E i)Q "AJH 0JED
7AKD E DJJ0E9E %I E DJJ0E9E! E 2A!E %E;
2igura 3. iagrama de $lujo del programa principal. El programa debe mantener un lazo de espera veri$icando el estado de una bandera de control (D9Q27AR), que indica que se ha obtenido una medici%n nueva de corrientes de $ase y se debe ejecutar una corrida del programa de control. El algoritmo está concebido para ejecutarse en lazo in$inito, mientras no sea detenido por un comando del simulador. En cada corrida del algoritmo de control se ejecutan las rutinas mencionadas anteriormente en el orden en que se muestran en el diagrama de $lujo.
Rutinas de sericio de interrupci/n. El programa utiliza las interrupciones 09 e 093 para la adquisici%n de corrientes de $ase del rotor (interrupci%n del AI) y el cálculo de la velocidad a partir del sensor de posici%n (interrupci%n de captura ') 7a interrupci%n del conversor AI se realiza cada '-.3µs sincronizada con los pulsos de "C*. El inicio de conversi%n del AI se obtiene cada vez que se genera un per1odo de la señal de re$erencia triangular en el bloque de generaci%n de "C*. 7as caracter1sticas de
3'
