5. Pruebas y Resultados
5.6. Caracter´ısticas del Control Generado
En este proyecto se tienen 3 partes principales, el motor BLDC, la etapa de potencia para este y el controlador digital de se˜nales, donde se desarrollaron todos los algoritmos. El sistema de control generado, funciona para controlar la velocidad de un motor sin escobillas de 3 fases de corriente directa. Este control requiere de una retroalimentaci´on con sensores de efecto Hall, tanto para conocer la posici´on del rotor, como para medir la velocidad del rotor. El periodo de muestreo del controlador es de 20 milisegundos. Por lo tanto, este sistema est´a limitado a que por lo menos se cuente 1 pulso del sensor Hall cada 20 milisegundos, lo que representa una velocidad m´ınima de 500 RPM, sin embargo como se observa en la figura 5.22, se pueden controlar velocidades m´as bajas con cierto retraso. Si se utiliza un encoder como sensor para medir la velocidad, la resoluci´on aumen- tar´ıa dependiendo de este, provocando que se puedan controlar velocidades m´as bajas. As´ı mismo, el algoritmo dise˜nado para la medici´on de la velocidad es compatible para esta retroalimentaci´on, lo que significa que se puede adaptar un encoder en cualquier momento. El algoritmo para el control de velocidad generado, funciona para cualquier motor BLDC de 3 fases con una retroalimentaci´on por medio de sensores Hall, es decir, que se
5.7. SUMARIO 101 puede utilizar cualquier otro motor descuerdo a las necesidades de la aplicaci´on donde se plantee usar, para este se requiere la etapa de potencia para las condiciones del nuevo motor.
5.7.
Sumario
En este cap´ıtulo, se hizo una breve explicaci´on de la herramienta FreeMASTER, la cual se utiliza para mostrar los resultados. Por otra parte, se describi´o el montaje experimental y la secuencia de pruebas aplicadas. A su vez, se mostraron los resultados de las pruebas de los algoritmos funcionando, por ejemplo, la posici´on del rotor, la diferencia en los resultados de la lectura de la velocidad angular del motor, empleando distintos algoritmos para este, demostrando que el algoritmo que finalmente se seleccion´o es mejor e inclusive se contrasta con otros algoritmos utilizados por fabricantes como Freescale o Microchip. Por otro lado, se observ´o, una prueba con el tiempo necesario para el c´alculo del algoritmo de control propuesto, es decir el tiempo que necesita el controlador PID para calcular una nueva acci´on de control. As´ı mismo, se mostraron las gr´aficas del control de velocidad implementado, en distintos perfiles de velocidad bajo circunstancias distintas, y finalmente se compararon con perfiles de velocidad de notas de aplicaci´on de algunos fabricantes.
Conclusiones
Es este trabajo se present´o el desarrollo de un sistema de control de velocidad para un motor sin escobillas de corriente continua, para lo cual, se dise˜n´o un algoritmo PID capaz de controlarla, y como se observa en las figuras 5.14 y 5.15, donde se presenta una comparaci´on entre un perfil de velocidad de la nota de aplicaci´on DMR108 de Freescale y un perfil programado cualitativamente parecido, se observa que la respuesta tiene un mejor comportamiento con el control implementado en esta investigaci´on. La importancia de esta comparaci´on, es que en la nota de aplicaci´on presentada por Freescale, ocupa el mismo DSC y motor para efectuar sus pruebas. En consecuencia, este proyecto mejora el control de la velocidad para un motor sin escobillas de corriente directa de tres fases, en re- laci´on a lo desarrollado hasta ahora por Freescale, en el ´area de control de motores BLDC.
Con respecto a la investigaci´on sobre la etapa de potencia t´ıpica para los motores sin escobillas de corriente directa de 3 fases, se identificaron los elementos necesarios. Se logr´o integrar la comunicaci´on entre el DSC 56f8006 y el pre-driver MC33927. Para esto, fue necesario portar las librer´ıas propias del pre-driver al proyecto en procesador experto, acondicionar las funciones, comandos y API´s de la comunicaci´on con el DSC 56F8006, adem´as de configurar esta misma para integrarla.
Una vez recopilada la informaci´on acerca de las diferentes formas de conmutaci´on electr´onica para los motores BLDC, se tienen en cuenta los tipos de conmutaci´on que se pueden utilizar, los cuales son la conmutaci´on trapezoidal unipolar independiente, uni- polar complementaria, bipolar independiente y bipolar complementaria. Se utiliz´o una conmutaci´on unipolar complementaria, debido a que con un solo par´ametro se puede es- tablecer el ciclo de trabajo para ambos PWM´s de una rama de la etapa de potencia. Consecuentemente, se configuran los seis PWM´s de acuerdo a la conmutaci´on seleccio- nada, se estableci´o una frecuencia de 28 KHz para aprovechar la eficiencia y disminuir el
ruido, y un tiempo muerto de 2.8 microsegundos, suficiente para evitar un corto circuito en el transistor al momento de la conmutaci´on.
Con respecto a generar un m´etodo y dise˜nar un algoritmo en el microcontrolador para medir la velocidad, se realiz´o un algoritmo capaz de medir cualquier velocidad en el motor, ´
unicamente limitado al tiempo de muestreo del sistema. Este algoritmo no depende de un tiempo fijo para poder calcular la velocidad dependiendo de la resoluci´on de los pulsos por revoluci´on, como lo es el m´etodo de frecuencia con los que se obtuvieron muy buenos resultados de la medici´on de la velocidad, pero en grandes lapsos de tiempo como se mos- traron en la figura 5.4. Este m´etodo no es capaz de dar informaci´on sobre la velocidad al algoritmo PID al mismo tiempo, ya que este sistema, en el que se controla la velocidad del motor, tiene un tiempo de muestreo de 20 milisegundos. As´ı mismo, cuando se trata de disminuir el tiempo fijo en este m´etodo para compensar este problema, la velocidad medida presenta muchas variaciones como se revis´o en la figura 5.6. Por otra parte, el m´etodo de periodo, es el m´as utilizado para este tipo de sistemas seg´un Freescale y Mi- crochip, teniendo en cuenta los resultados obtenidos. Este proporciona buenas mediciones de la velocidad, sin embargo, entre m´as disminuya la velocidad, el tiempo requerido para el c´alculo de la velocidad aumenta, llegando a un punto donde este supera al tiempo de muestreo del controlador PID como se report´o en la figura 5.7, y a partir de ese momento el controlador PID, no estar´ıa trabajando con una velocidad real, sino con una atrasada, por lo que el sistema se vuelve impredecible.
Para poder solucionar este problemas lo que se realiz´o en las notas de aplicaci´on de freescale, microchip y Texas Instrument, dedicadas al control de motores, es dividir en dos o m´as, los rangos de las velocidades, como por ejemplo en la nota de aplicaci´on DRM108 de Freescale, para poder ajustar que el tiempo m´aximo para el c´alculo de la velocidad siempre permanezca por debajo del tiempo de muestreo. Sin embargo, siempre se tiene un l´ımite para velocidades bajas, es decir que no pueden controlar velocidades por debajo de un valor establecido, adem´as de un mayor tama˜no de c´odigo.
El algoritmo dise˜nado, es capaz de trabajar y adaptarse para cualquier velocidad, ´
unicamente limitado a que el tiempo necesario para el c´alculo de la velocidad, debe ser menor al tiempo de muestreo del sistema. Por lo tanto, para este sistema donde se maneja con una resoluci´on de 6 pulsos por revoluci´on, la velocidad m´ınima queda limitada a 1
105 pulso por cada 20 milisegundos. Sin embargo, si el tiempo no crece demasiado, el sistema puede seguir controlando la velocidad como se muestra en la figura 5.22. Adem´as, si se tuviera una mayor resoluci´on en la retroalimentaci´on, es decir mayor n´umero de pulsos por revoluci´on, el algoritmo puede trabajar de la misma manera sin tener que modificar nada, o de dividir en m´as rangos de velocidades.
Por otro lado, para mostrar los resultados obtenidos en este trabajo, fue necesario implementar el programa FreeMASTER en el mismo proyecto, dado que las variables a tomar en cuenta son variables digitales dentro del DSC, por lo tanto, no pueden simple- mente ser visualizarlas en un osiloscopio o multimetro. Se requiere enviar los datos de las variables a la pc, para poderlas graficar. Fue necesario configurar dos comunicaciones seriales, una para el pre-driver y la otra para enviar los datos de las variables a la compu- tadora por medio de FreeMASTER.
En esta aplicaci´on, se logr´o integrar todo en un mismo proyecto, es decir, la detecci´on de la posici´on de rotor para poder desarrollar la conmutaci´on, la configuraci´on de los seis PWM´s en modo complementario, el algoritmo PID para el control de la velocidad del motor sin escobillas de corriente directa, la comunicaci´on SPI (del ingl´es Serial Peripheral Interface) entre el DSC 56F8006 y el pre-driver MC33927 para la etapa de potencia del mo- tor BLDC, el algoritmo para medir la velocidad a trav´es del sistema de retroalimentaci´on digital por medio de los sensores Hall, y la herramienta de visualizaci´on FreeMASTER para poder integrar los resaltados, dentro de un mismo proyecto en procesador experto, teniendo en cuenta que en ninguna nota de aplicaci´on de aplicaci´on o documentaci´on de freescale se encuentran integrados todos los elementos antes mencionados en procesador experto en un mismo proyecto.
Finalmente, este trabajo sirve como base para el desarrollo de un controlador de ve- locidad para los motores BLDC, de forma comercial, que pueda competir contra otros controladores comerciales de marcas extranjeras.
Recomendaciones para Trabajos a
Futuro
Para ampliar la investigaci´on llevada a cabo en el desarrollo de este trabajo, se sugie- ren las siguientes recomendaciones para trabajos a futuro.
Implementar una conmutaci´on distinta a la unipolar complementaria, tal como bipo- lar, en modo independiente o complementario y realizar una comparaci´on de los resultados obtenidos contra los mostrados en el presente trabajo.
Emplear una retroalimentaci´on por medio de un encoder incremental para aumentar la resoluci´on de pulsos, con lo que permitir´ıa al algoritmo medir velocidades m´as bajas de lo que actualmente permite el sistema. Consecuentemente, se podr´ıan controlar estas velocidades con el mismo algoritmo dise˜nado en este trabajo.
Utilizar el mismo algoritmo generado para controlar la velocidad de un motor BLDC de mayor o menor potencia, con el fin de comprobar que este es funcional para todos los motores BLDC en general. Esto implicar´ıa emplear las etapas de potencia correspondien- tes a los motores utilizados.
Crear una interfaz humano maquina (HMI), en la cual sea posible establecer perfiles de velocidad, par´ametros del control, as´ı como otras caracter´ısticas del funcionamiento.
Desarrollar un algoritmo que permita autosintonizar los par´ametros de control, depen- diendo del motor seleccionado.
Controlar la velocidad de un motor BLDC empleando un algoritmo de control distinto 107
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Anexo A
Diagramas de conexi´on de la tarjeta
MC56F8006
Las siguientes p´aginas pertenecen al documento MC56F8006 Controller Daughter Board for BLDC/PMSM Motor Control Drive USER MANUAL, donde se muestran los diagramas esquem´aticos de conexi´on.
MC56F8006 Controller Daughter Board for BLDC/PMSM Motor Control Drive, Rev. 0
Freescale Semiconductor 15
MC56F8006 Controller Daughter Board for BLDC/PMSM Motor Control Drive Schematics
Fig
ure
A-1 Daughter Board Conn
ectors and
He
MC56F8006 Controller Daughter Board for BLDC/PMSM Motor Control Drive, Rev. 0
16 Freescale Semiconductor
Figure A-2 Con
trol
ler and Heade
rs
Anexo B
Circuitos impresos y lista de
materiales del MC56F8006
Las siguientes p´aginas pertenecen al documento MC56F8006 Controller Daughter Board for BLDC/PMSM Motor Control Drive USER MANUAL, donde se muestra la lista de materiales y los circuitos impresos de la tarjeta.
MC56F8006 Controller Daughter Board for BLDC/PMSM Motor Control Drive, Rev. 0
Freescale Semiconductor 17
Bill of Materials
Table B-1 Parts List
DESIGNATORS QUANTITY DESCRIPTION MANUFACTURER PART NUMBER
C2,C2,C4,C6,C7 5 820 pF/6.3 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C1 1 2200 pF/ 6.3 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C8,C9,C10 3 100 nF/6.3 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
J1,J6 2 HDR 3x1 MOLEX 09-65-2038 J2 1 HDR 2x7 TYCO ELECTRONICS 4-103322-2 J3,J4 2 87022-610 FCI 87022-610LF J5 1 HDR 2x6 TYCO ELECTRONICS R1,R2,R3,R4,R6, R9 6 100 Ω Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R5 1 1 kΩ Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R7,R8 2 47 kΩ Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R10 1 33 kΩ Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R11 1 18 kΩ Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
U1 1 digital signal controller/LQFP-32 FREESCALE
SEMICONDUCTOR MC56F8006VLC
U2 1 two-input OR gate ON
MC56F8006 Controller Daughter Board for BLDC/PMSM Motor Control Drive, Rev. 0
Freescale Semiconductor 19
MC56F8006 Controller Daughter Board for BLDC/PMSM Motor Control Drive Layouts
Figure C-1 Board Top Layer
Figure C-2 Board Top Layer
Figure C-3 Board Top Layer
Anexo C
Caracter´ısticas el´ectricas de la etapa
de potencia.
Las siguientes p´aginas pertenecen al documento 3-Phase BLDC/PMSM Low-Voltage Motor Control Drive USER MANUAL, donde se muestran las caracter´ısticas el´ectricas y diagramas esquem´aticos de conexi´on.
Electrical Characteristics
3-Phase BLDC/PMSM Low-Voltage Motor Control Drive, Rev. 0
Freescale Semiconductor 19
‘
* Full sensing range 3.3 V corresponds to 36.3 V. ** Overcurrent threshold is set at this level.
*** The values were measured at 25 °C, for other temperatures the values may be different. **** Default dead time is 15 μs. Dead time depends on the timebase of the MC33927.
Table 2-1 Electrical Characteristics
Characteristic Symbol Min Typ Max Units
DC input voltage Vdc 12 — 24 V
Quiescent Current* ICC — TBD — mA
Logic 1 Input Voltage VIH 1.5 — 1.7 V
Logic 0 Input Voltage VIL 0.9 — 1 V
Input Resistance RIn — 10 — kΩ
Analog Output Range VOut 0 — 3.3 V
Bus Current Sense Voltage ISense — 413 — mV/A
Bus Current Sense Offset Ioffset +1.65 V
Bus Voltage Sense Voltage* VBus — 91 — mV/V
Bus Voltage Sense Offset Voffset 0 V
Bus Continuous Output Current ** IC — — 3.75 A
Total Power Dissipation (per MOSFET) *** PD — — TBD W
3-Phase BLDC/PMSM Lo w-V o lta g e Motor Contr o l Dr ive , Re v . 0 52 Freesca le Semicond uctor
Figure A-9 Power Circuit
Gate_AT Phase_A Gate_AB I_sense_A1 I_sense_A2 DCB_pos DCB_neg Gate_BT Phase_B Gate_BB I_sense_B1 I_sense_B2 Gate_CT Phase_C Gate_CB I_sense_C1 I_sense_C2 I_Sense_DCB2 I_Sense_DCB1 GND_LSFET GND_LSFET GND_LSFET + C33 100uF + C33 100uF + C32 100uF + C32 100uF Q3 FDS3672 Q3 FDS3672 3 4 7 6 8 5 2 1 R87 0.1R R87 0.1R R86 0.1R R86 0.1R R88 0.1R R88 0.1R R85 0.1R R85 0.1R C34 0.1UF C34 0.1UF Q8 FDS3672 Q8 FDS3672 3 4 7 6 8 5 2 1 Q7 FDS3672 Q7 FDS3672 3 4 7 6 8 5 2 1 Q4 FDS3672 Q4 FDS3672 3 4 7 6 8 5 2 1 Q6 FDS3672 Q6 FDS3672 3 4 7 6 8 5 2 1 Q5 FDS3672 Q5 FDS3672 3 4 7 6 8 5 2 1 12 3
Anexo D
Circuitos impresos (PCB´s) de la
etapa de potencia
Las siguientes p´aginas pertenecen al documento 3-Phase BLDC/PMSM Low-Voltage Motor Control Drive USER MANUAL, donde se muestran los circuitos impresos de la unidad de control para el motor BLDC.
3-Phase BLDC/PMSM Low-Voltage Motor Control Drive, Rev. 0
Freescale Semiconductor 55
Bill of Materials
Table B-1 Parts List
DESIGNATORS QUANTITY DESCRIPTION MANUFACTURER PART NUMBER
C1-3,C5 4 47 pF / 100 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C4,C5,C9,C10,C12,C13 ,C17,C23,C27,C29,C31,
C38,C40-C42,C44
16 100 nF / 100 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C6-C8 3 470 pF / 100 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C11,C26,C28,C30 4 2.2 μF / 25 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C14,C15 2 22 pF / 100 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C16 1 10 μF / 16 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C18 1 4.7 μF / 16 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C19 1 470 nF / 25 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C20-C22 3 1 μF / 25 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
C24 1 2.2 μF / 50 V size 1210 ANY ACCEPTABLE —
C25,C34 2 100 nF / 100 V size 1206 ANY ACCEPTABLE —
C32,C33 2 100 μF / 80 V size H13 ANY ACCEPTABLE —
C35 1 68 μF / 100 V size H13 ANY ACCEPTABLE —
C36,C39 2 47 μF / 6.3 V size C ANY ACCEPTABLE —
C37 1 100 μF / 16 V size E ANY ACCEPTABLE —
C43 1 100 pF / 100 V size 0805 ANY ACCEPTABLE —
D1-D6,D9 7 Yellow Display LED size 0805 AVAGO
TECHNOLOGIES HSMY-C170
D7,D8,D19 8 Green Display LED size 0805 AVAGO
TECHNOLOGIES HSMG-C170
D10-D17 8 0.5 A / 20 V Schottky Rectifier
size SOD-123
ON
SEMICONDUCTOR MBR0520LT1G
D18 1 1 A / 200 V Ultrafast Rectifier size B ON
SEMICONDUCTOR MURS120T3G
J1 1 HDR 1x3 MOLEX 09-65-2038
J2 1 CON_2_TB LUMBERG INC KRM 02
J3 1 Power Jack SWITCHCRAFT RAPC712X
J4 1 HDR 2x5 TYCO ELECTRONICS 4-103322-2 J5 1 HDR 1X2 TYCO ELECTRONICS 4-103321-8 J6 1 HDR 1X5 MOLEX 22-27-2051 J7,J8 2 87407-110 FCI 87407-110LF J9 1 HDR 2X3 TYCO ELECTRONICS 4-103322-2
J10 1 CON USB TYCO
ELECTRONICS 292304-1
L1,L3 2 1 μH size 2012 TDK MLZ2012A1R0P
L2 1 100 μH Wurth Elektronik 744778920
Q1 1 9.4 A / 60 V MOSFET size D-PAK FAIRCHILD
3-Phase BLDC/PMSM Low-Voltage Motor Control Drive, Rev. 0 56 Freescale Semiconductor Q2 1 200 mA / 40 V NPN size SOT-23 ON SEMICONDUCTOR MMBT2369ALT1G Q3-Q8 6 7.5 A / 100 V MOSFET size SOIC-8 FAIRCHILD SEMICONDUCTOR FDS3672 R1,R60 2 1 MΩ Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R2,R7,R10,R13,R14,R1
9,R81,R84 8
7.5 kΩ Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R3,R5,R8,R11,R15,R18
,R102,R103 8
220 Ω Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R4,R6,R9,R12,R16,R17
,R82,R83 8
1.6 kΩ Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R20,R23,R25,R29 4 30 kΩ Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R22,R28,R31 3 3 kΩ Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R27,R104 21 1.5 kΩ Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R32,R36,R39,R41 41 1 kΩ Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R33,R37,R42 3 24 Ω Resistor 1/80 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R34,R38,R43,R46,R50,
R53,R97 7 1.8 kΩ Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R35 1 120 Ω Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R40,R59,R65,R89 4 0 Ω Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R44,R47,R49,R51,R54-
R56,R63,R64 9 270 Ω Resistor 1/80 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R45,R48,R52,R57,
R58,R96 6 4.7 kΩ Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R61,R62 2 33 Ω Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R66,R67,R69-R76,R79,
R80 12 10 Ω Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R68,R94,R95,R98-R10
1 7 10 kΩ Resistor 1/8 W size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R77 1 1 kΩ Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R78 1 15 kΩ Resistor 1/8 W 1 %
size 0805 ANY ACCEPTABLE —
R85-R88 4 100 mΩ Resistor 1 % size 2512 WELWYN COMPONENTS LIMITED LR2512-R10FW