La práctica finaliza proponiendo la viabilidad de cambios en los valores del controlador PI, y la posibilidad de configurar la referencia del sistema de control con gran precisión esto con el fin de destacar características poco deseadas en la implementación de un sistema de control.
4.1.5 Implementación de un controlador digital para la topología Buck utilizando el procesador digital de señales DSP320F28335
En el capítulo final del módulo de fuentes de conmutación se presentan brevemente conceptos relacionados con el control digital, y el uso en el DSP de bloques dedicados a la implementación de controladores PI digitales, así como la estructura básica del proceso de implementación de un controlador digital usando un dispositivo de programación como un DSP, por lo cual la experiencia de aprendizaje se diseño considerando la equivalencia entre el plano S y Z, lo que llevo a proponer inicialmente la obtención por métodos diferentes de una función de transferencia en Z equivalente al controlador análogo implementado en el segundo capítulo del mismo módulo, a partir de este cálculo se utilizan los programas desarrollados en el módulo correspondiente al entrenamiento para la configuración y programación del DSP como base para la implementación de un controlador digital PI para el convertidor buck.
Figura 2: Implementación de la topología Buck con un sistema de control digital integrando la plataforma de hardware y software
Durante la práctica se verifica la funcionalidad del controlador digital y se destacan algunas ventajas de este tipo de control realizando de forma sencilla ajustes en las constantes del controlador y se modifica a un valor decimal de gran precisión el valor de referencia del controlador digital.
4.2 Desarrollos de Hardware
En este numeral se describen los desarrollos a nivel de hardware, los cuales están conformados por tarjetas de control análogo, de procesamiento de potencia, y fuentes, allí se indican los criterios de selección para la implementación de una solución en cuanto a hardware concierne, justificando el uso de diferentes componentes, y presentado diagramas de bloques que ilustren las etapas que conforman cada uno de los elementos desarrollados.
Los dos elementos de hardware desarrollados para la implementación de la herramienta se describieron a manera de esquemático en archivos de Cadence 10.5 Orcad CIS, lo que permitió el diseño de los diferentes circuitos impresos en la herramienta Cadence 10.5 Orcad Layout; los dos circuitos desarrollados se implementaron en dos capas, esto debido a la que las conexiones
35 requeridas entre los diferentes componentes no se podían lograr en una sola capa, lo cual se aprovecho para introducir planos de tierra, y así minimizar el ruido que se genere y se introduzca en cada uno de los circuitos.
Algunas de las características a destacar en los elementos de hardware desarrollados esta en los diferentes conectores utilizados, en el caso del suministro de las fuentes de polarización, se utilizaron conectores tipo molex, de diferentes tamaños para evitar confusiones en la conexión, mientras en el caso de las señales digitales y de medida se utilizaron conectores de cinta plana cuya numeración se puede verificar físicamente en el circuito, por último los puertos de potencia como son los correspondientes al voltaje de entrada y salida del conversor buck se implementaron adaptando al circuito impreso conectores hembra tipo banana, en los cuales se puede identificar claramente la polaridad de cada puerto.
Por otra parte la distribución de los componentes en los diferentes circuitos impresos se realizó teniendo en cuenta no solo segmentos de alta y baja potencia, sino también se trato de obtener físicamente una distribución similar a lo ilustrado en los diferentes diagramas de bloques que describen la funcionalidad de cada circuito. Igualmente dado el enfoque pedagógico de la herramienta se incluyeron puntos de prueba para la visualización de las diferentes señales de interés, y elementos como jumpers y switches para la realización de cambios rápidos en la funcionalidad de cada una de las tarjetas diseñadas.
4.2.1 Tarjeta de Potencia
Como se menciono previamente se opto enfocar la herramienta al análisis de una sola topología, por lo cual a nivel de hardware se requería la implementación de un convertidor buck, pero dicho elemento debía ser integrable con el sistema del DSP320F28335, y con una tarjeta de control análogo, además debía permitir manipular el circuito de forma manual con el fin de implementar el conversor con dos mosfets, o un mosfet y un diodo para la implementación de un convertidor en modo continuo o discontinuo respectivamente, también debía garantizarse un sistema de sensado de variables como la corriente en la inductancia y el voltaje en el condensador de salida garantizando un aislamiento eléctrico como protección para los elementos con los que se iba a interconectar dicha tarjeta.
Figura 23: diagrama en bloques de la tarjeta de potencia.
Por lo anterior para la implementación de un sistema de potencia se consideraron tres etapas, la primera de ellas está conformada por el conversor buck, cuyos interruptores están manejados a partir de un sistema aislado conformado por dos optoacopladores 6N127, y un manejador IRF2110, los optoacopladores se seleccionaron por su rapidez, ya que iban a manejar señales de 20KHz, y el driver de los mosfets permite el manejo de dos transistores uno de ellos flotante, además posee una entrada de enable la cual se utilizo para la implementación de un sistema de protecciones.
La segunda etapa corresponde al sensado de las señales de corriente y voltaje correspondientes a la inductancia y el condensador respectivamente, seguido de un amplificador diferencial que permitiera el aislamiento eléctrico de la parte de potencia.
Para el sensado de la corriente en la inductancia se utilizo un una resistencia en serie de 0,015Ω
perteneciente a la serie de Ohmite, cuya señal de voltaje era tomada de forma diferencial por el
TOPOLOGIA BUCK SENSADO V, I ATENUACION Y FILTRADO
36 amplificador HCPL-7800, fabricado Avago, este dispositivo se utilizo ya que permitía amplificar una señal diferencial y generar una salida aislada eléctricamente refería a una tierra diferente.
El sensado de voltaje en el condensador se realizó a partir de un divisor resistivo del cual se tomaba una señal de muestra y al igual que en el sensado de corriente se amplificaba y se aislaba la muestra con ayuda del amplificador diferencial HCPL-7800.
Finalmente en la tercera etapa las señales correspondientes a la muestra de voltaje y corriente en la inductancia se amplificaron y filtraron para frecuencias menores a 100KHz, para ello se utilizo el amplificador operacional LF411, al cual se le limito el ancho de banda adicionando un polo a la función de transferencia del amplificador.
Esta tarjeta es totalmente integrable con el sistema de control análogo desarrollado en este proyecto, mientras que para su integración con el sistema del DSP320F28335, se deben utilizar las tarjetas de adecuación de señales y expansión de puertos diseñadas pertenecientes al sistema lego de potencia, mencionado previamente.
Características principales de la tarjeta de potencia
• Convertidor buck de 15Wattios (sin controlador)
• Sistema de sensado y visualización de la corriente en la inductancia con una señal de salida diferencial en un rango de 0-10VDc.
• Sistema de sensado del voltaje del condensador del conversor buck, con señal de salida diferencial, entre 0 a 10 Vdc.
• Señales de PWM de 0-3V, para el control de la conmutación de los interruptores del conversor Buck.
• Voltajes de polarización: 3,5,15 y 15 Vdc (Digital), 10, 5Vdc (potencia), y 5Vdc (flotante).
Figura 22: Tarjeta de potencia Buck
Las especificaciones generales del conversor buck implementado en la tarjeta de potencia son: • Voltaje de entrada: 25+-5VDC
• Voltaje de salida 5-15VDC • Potencia de salida 15W.
• Implementación en modo continuo y discontinuo seleccionable. • Limite modo continuo a discontinuo a 0.150 A.
• Protección para Io>1 A. • Protección Vin>30VDC.
37 4.2.2 Tarjeta de control análogo
Para la implementación del controlador análogo se requería de una tarjeta integrable con la tarjeta de potencia, adicionalmente se debía contar con un sistema que permitiera generar dos señales de PWM de 20KHz con un ciclo útil variable y con banda muerta, para cumplir con los requerimientos planteados, el circuito se diseño de forma tal que se pueda dividir considerando tres etapas: la primera consta de dos circuitos seleccionables dentro de la tarjeta, el primero de ellos permite generar una señal de voltaje variable por medio de un potenciómetro, dicho nivel de voltaje permite controlar el ciclo útil de una señal de PWM generada en la tarjeta, el segundo circuito permite la implementación del controlador PI con un amplificador operacional LF412, el cual posee dos amplificadores operacionales LF411, el primero de ellos se utilizo para adecuar la señal de medida proveniente de la tarjeta Buck por lo cual dicho amplificador se implemento con entrada diferencial y la salida referida a la tierra de la tarjeta, mientras el amplificador restante fue utilizado para la generación de la señal de error y realización del controlador PI.
La funcionalidad de la tarjeta está dada a partir de la selección de uno de los dos circuitos pertenecientes a la etapa descrita, dicha selección se realiza por medio de un jumper el cual según su posición interconecta el circuito con el dispositivo para la generación de una señal de PWM.
La segunda etapa consta de un circuito para la generación de una señal de PWM a partir de la señal de error emitida por el controlador o la señal de voltaje controlada por medio del potenciómetro ya mencionado, para la realización de esta etapa se utilizo el circuito integrado TL494 el cual permitía la generación de dos señales de PWM (una negada a la otra) a una frecuencia de 20KHz.
La etapa final de dicha tarjeta recibe como entrada las dos señales generadas en el TL494 y genera un como salida dos señales de PWM con un tiempo muerto entre sí, para la realización de esta etapa las señales de entrada se llevan a una compuerta AND junto con una versión de las mismas señales pero con un retardo generado a partir de un circuito RC.
Figura 23: diagrama en bloques de la tarjeta de control análogo.
Las características principales de la tarjeta de control análogo son: • Voltaje de alimentación 7-15VDC.
• Selección de funcionalidad entre Generación de PWM y control análogo por medio de un Jumper.
• Generación de señales de PWM de 20KHz. • Ciclo útil variable entre 10 y 90%
• Tiempo muerto entre señales de salida de
• Controlador PI para la tarjeta de potencia con las siguientes características:
- Entrada diferencial con ganancia G=0.33 - Controlador PI con Kp=1 Ki=313
- Selección de la consigna del controlador por intermedio de un potenciómetro.
GENERACION SEÑAL DE PWM
CONTROLADOR PI
GENERACION
38 Figura 24: Tarjeta de control análogo