Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Proyecto de Grado 2014-20
RESUMEN
EJECUTIVO
/
EXECUTIVE
SUMMARY
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COMPROBACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO MEDIANTE TÉCNICA
“
HARDWAREIN THE LOOP
”
DE CONVERSORES DC-
DC TIPO:
BUCK,
BOOST Y BUCK-BOOST
.
Manuel D. Trujillo R.
Estudiante 200910901
Gustavo Ramos Ph.D.
Asesor Profesor Asociado
Palabras clave: Simulación en tiempo real, OPAL-RT, Conversor DC-DC, Control en lazo cerrado, Ciclo útil, modo de conducción continua, modo de conducción discontinua.
El reto
Modelar un sistema matemático y una lógica de control en lazo cerrado para conversores DC -DC tipo: Buck, Boost, Buck-Boost en una plataforma de tiempo real para la comprobación de su diseño
La solución
Es justo afirmar que mediante el uso de la plataforma OPAL-RT, es posible modelar el sistema de control y el comportamiento de dichos conversores DC-DC, utilizando el software en cooperación MATLAB-SIMULINK®, para así comprobar su correcto funcionamiento.
Introducción
Día tras día el desarrollo de prototipos y sus estrategias de control se vuelven cada vez más complejas lo que asegura un incremento significativo en las inversiones de pruebas e investigación acerca de su óptimo funcionamiento y la seguridad tant o del usuario final como el operario que hace el test de calidad. Otro aspecto a cuestionar es la veracidad de los datos que se puedan obtener teniendo estos prototipos de manera física y por consiguiente la validación de un diseño en especial.
Descripción del Proyecto
Para lograr el objetivo primordial de este proyecto es necesario seguir los siguientes procesos: Elección de conversor DC-DC.
Obtención sistema de control. Simulación Off-Line.
Formato plataforma RT-LAB. Configuración de parámetros.
Configuración RT-LAB, propiedades de ejecución. Ejecución de simulación Hardware in the loop.
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Conclusión
Siguiendo la metodología de comprobación del diseño de control en lazo cerrado para conversores DC-DC, se pudo llegar a la correcta implementación para corroborar así el objetivo principal de este trabajo. En esta simulación en tiempo real, permite la interacción del usuario con el funcionamiento de un conversor en dos modos de conducción distintos, pues puede experimentar cambios en las variables de interés como respuesta a los controladores del sistema.
Figura 2. Aplicación LabView para Conversor DC-DC Reductor
Los diferentes resultados validados se pueden consultar en el documento correspondiente. Finalmente se cumplen los objetivos planteados en la propuesta de grado, esperando que con base en este trabajo se realicen proyectos futuros.
Visto Bueno del asesor:
X
Gustavo A. Ramos L. Ph.D.
Profesors Asociado - Asesor del Proyecto
PROYECTO FIN DE CARRERA
Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELECTRÓNICO
Por
Manuel David Trujillo Riaño
COMPROBACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO MEDIANTE TÉCNICA
“HARDWARE IN THE LOOP” DE CONVERSORES DC-DC TIPO:
BUCK, BOOST Y BUCK-BOOST
Sustentado el 3 de Diciembre de 2014 frente al jurado:
Composición del jurado
- Asesor: Gustavo Andrés Ramos L. PhD., Profesor Asociado, Universidad de Los Andes
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
2
Tabla de Contenido
1 INTRODUCCIÓN ... 7
2 OBJETIVOS ... 7
2.1 Objetivo General ... 7
2.2 Objetivos Específicos ... 8
2.3 Alcance y productos finales ... 8
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 8
4 MARCO TEÓRICO, MARCO HISTORICO ... 9
4.1 Marco Teórico ... 9
4.1.1 Acercamiento a concepto a simulación en tiempo real ... 9
4.1.2 Subsistemas ... 10
4.1.3 Bloque OpComm ... 11
4.1.4 Bloques RT-Events ... 12
4.1.5 Configuración de Salida y entradas en Hardware. ... 13
4.1.6 Inclusión de modelos de funciones de transferencias ... 15
4.1.7 Configuración Parámetros Simulink® ... 17
4.1.8 Configuración Parámetros RT-LAB ... 18
4.2. Marco Histórico ... 18
5 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ... 19
5.1 Plan de trabajo ... 20
6 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ... 20
6.1 Conversor DC-DC Tipo Buck. ... 20
6.1.1 Simulación Off-Line ... 20
6.1.2 Formato RT-LAB ... 23
6.1.3 Ejecución en tiempo real ... 25
6.2 Conversor DC-DC Tipo Boost- Simulación en tiempo real ... 27
6.3 Conversor DC-DC Tipo Buck-Boost- Simulación en tiempo real ... 29
7 DISCUSIÓN ... 30
8 CONCLUSIONES ... 31
9 AGRADECIMIENTOS ... 32
10 Bibliografía ... 33
11 Anexos. ... 35
11.1 Tutorial RT-LAB ... 35
11.1.1 Creación proyecto ... 35
11.1.2 Edición Modelo... 37
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
3
11.1.4 Construcción del modelo RT-LAB ... 38
11.1.5 Configuración de subsistemas ... 39
11.1.6 Configuración propiedades de ejecución ... 39
11.1.7 Carga de Modelo ... 39
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
4
Índice de Figuras
Figura 1. Contextualización técnica Hardware in the loop ... 7
Figura 2. Evolución de Simuladores en tiempo Real ... 8
Figura 3. Contextualización. Componentes en simulación OPAL-RT. ... 9
Figura 4. Subsistemas del Modelo de un control en lazo cerrado de conversor DC-DC tipo: Boost 10 Figura 5. Bloque OpComm ... 11
Figura 6. Bloque RTE-PWM ... 12
Figura 7. Bloque RTE Frecuency Meter. ... 12
Figura 8. Bloque RTE-Conversion ... 13
Figura 9. Bloque RTE Scope ... 13
Figura 10. Bloque Simulink FPGA Controller. ... 13
Figura 11. Bloque Analog Output, para salidas Análogas. ... 13
Figura 12. Ubicación salidas Análogas... 14
Figura 13. Bloque 'AnalogIn', entradas análogas. ... 14
Figura 14. Ubicación entradas análogas... 14
Figura 15. Bloque ‘PWM Out’. Salida de la señal PWM del conversor. ... 14
Figura 16. Ubicación en el equipo de Salidas PWM. ... 14
Figura 17. Implementación de Función de Transferencia y Bloque de Control para el Conversor en conducción continua. ... 16
Figura 18. Implementación de Función de Transferencia y Bloque de Control para el Conversor en conducción discontinua. ... 17
Figura 19. Deshabilitación de Casilla 'Block reduction' ... 17
Figura 20. Deshabilitación de Casilla 'Signal storage reuse' ... 17
Figura 21. Configuración Sistema operativo y sincronización del equipo OPAL-OP4500. ... 18
Figura 22. Configuración de XHP modo ON. ... 18
Figura 23.Metodología de comprobación para conversores DC-DC. ... 19
Figura 24. Simulación Off-Line en Simulink®. Conversor Buck. ... 21
Figura 25. Respuesta del sistema en modo CCM. Conversor Buck. Voltaje de Referencia 14V ... 21
Figura 26. PWM. Modo CCM. Conversor Buck... 21
Figura 27. Corriente en la Inductancia en modo CCM .Conversor Buck ... 22
Figura 28. Respuesta del sistema en modo DCM. .Conversor Buck. Voltaje de Referencia 14V ... 22
Figura 29. PWM. Modo DCM. Conversor Buck ... 23
Figura 30. PWM. Modo DCM. Conversor Buck ... 23
Figura 31.Subisitemas Maestro y GUI. Conversor Buck. ... 23
Figura 32. Interior de Subsistema Maestro SM_Computation. ... 24
Figura 33. Interior de Subsistema GUI SC_Interface ... 24
Figura 34. Respuestas del Conversor Reductor, modos CCM y DCM. ... 25
Figura 35. Corriente en el inductor modo CCM. Conversor Reductor ... 25
Figura 36. Corriente en el inductor modo DCM. Conversor Reductor ... 26
Figura 37. Ciclo útil del conversor en modo CCM y DCM. Conversor Reductor ... 26
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
5
Figura 39. Corriente en el inductor modo CCM. Conversor Elevador ... 27
Figura 40. Corriente en el inductor modo DCM. Conversor Elevador ... 28
Figura 41. Ciclo útil del conversor en modo CCM y DCM. Conversor Elevador ... 28
Figura 42. Respuestas del Conversor Reductor-Elevador, modos CCM y DCM. ... 29
Figura 43. Corriente en el inductor modo CCM. Conversor Reductor-Elevador ... 29
Figura 44. Corriente en el inductor modo DCM. Conversor Reductor-Elevador ... 30
Figura 45. Ciclo útil del conversor en modo CCM y DCM. Conversor Reductor-Elevador ... 30
Figura 46. Crear un nuevo Proyecto RT-LAB ... 35
Figura 47. Nombrar nuevo proyecto RT-LAB. ... 35
Figura 48. Adición modelo existente. ... 35
Figura 49. Búsqueda del modelo. ... 36
Figura 50. Inclusión de archivos para sincronización por Hardware. ... 36
Figura 51. Botón de Edición Modelo Simulink® ... 37
Figura 52. Ventana emergente después de presionar el botón editar en RT-LAB ... 37
Figura 53. Configuración Sistema Operativo OPAL-RT ... 38
Figura 54. Botón construir modelo. ... 38
Figura 55. Separación exitosa en la consola de compilación ... 38
Figura 56. Culminación éxitosa de contrucción del modelo. ... 38
Figura 57. Habilitación de la opción XHP en ON. ... 39
Figura 58. Configuración de sincronización por Hardware. ... 39
Figura 59. Botón de cargar el modelo. ... 39
Figura 60. Habilitación de botones de ejecución y parada. ... 40
Figura 61. Habilitación de botones pausa y parada. ... 40
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
6
Índice de Tablas
Tabla 1. Resumen funciones de transferencia Conversor Reductor. [6] ... 15
Tabla 2. Resumen Elementos Conversor Reductor en operación continua [6] ... 15
Tabla 3. Resumen funciones de transferencia Conversor Elevador. [6] ... 15
Tabla 4. Resumen Elementos Conversor Elevador en operación continua. [6] ... 16
Tabla 5. Resumen funciones de transferencia Conversor Reductor-Elevador. [6] ... 16
Tabla 6. Resumen Elementos Conversor Reductor-Elevador en operación continua. [6] ... 16
Tabla 7. Datos Simulación RT con Teóricos. Conversor Reductor ... 25
Tabla 8. Datos Simulación RT, Teóricos. Conversor Elevador. ... 27
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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1
INTRODUCCIÓN
Día tras día el desarrollo de prototipos y sus estrategias de control se vuelven cada vez más complejas lo que asegura un incremento significativo en las inversiones de pruebas e investigación acerca de su óptimo funcionamiento y la seguridad tanto del usuario final como el operario que hace el test de calidad. Otro aspecto a cuestionar es la veracidad de los datos que se puedan obtener teniendo estos prototipos de manera física y por consiguiente la validación de un diseño en especial. “Hardware in the loop” es una técnica de simulación a la cual se ha recurrido para darle una solución a los problemas planteados anteriormente, dado que permite la modelación de cualquier sistema (e.g. Industria de Aviación) mediante representaciones matemáticas de todos los sistemas dinámicos que involucran. Esta estrategia concede la facilidad de obtener todos los datos de manera eficaz y mucho más simple, de manera que se obtiene una respuesta bastante aproximada como si el objeto de estudio se tratara de un prototipo físico. [1]
Figura 1. Contextualización técnica Hardware in the loop
2
OBJETIVOS
2.1
Objetivo General
Comprobar el funcionamiento de un sistema de control de lazo cerrado para conversores DC-DC tipo: buck, boost y buck-boost mediante la técnica "hardware in the loop".
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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2.2
Objetivos Específicos
Diseñar e implementar un banco de prueba para conversores de potencia: buck, boost y buck-boost.
Implementar de manera correcta el sistema de control en lazo cerrado con PWM. Comprobar los datos obtenidos de la ejecución en tiempo real con los datos de la
simulación de acuerdo de la variación de la inductancia.
2.3
Alcance y productos finales
Entrega computacional con conversores buck, boost y buck boost con su respectivo sistema de control en RT-LAB/Simulink.
Entrega de Documento Final de proyecto de grado con presentación. Entrega de implementación en Hardware in the loop en OPAL RT-4500.
3
DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
En el pasado se hacía uso de redes de centros de simulación, cuya concentración en la simulación de tiempo real de redes eléctricas. Esta alternativa de simulación requería de la prueba de controladores en una red que con seguridad es inestable, lo que a la vez implicaba desafíos técnicos como el manejo de un amplio rango de frecuencias, un modelo complejo que requería un monitoreo paralelo masivo. Esto sin mencionar el amplio dominio de entradas y salidas. Desde los años 60 se han conocido simuladores Análogos, seguidos por los híbridos (Análogo y Digital) hasta llegar a los simuladores COTS (Commercial Off The Shelf). En la Figura 2., Se puede apreciar la evolución que ha tenido la velocidad de simulación con respecto a la simulación y la demanda de espacio que requiere, pues en los últimos años se ha logrado tener una alta velocidad de simulación por un costo menor y su espacio físico se hace cada vez más pequeño. [2]
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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4
MARCO TEÓRICO, MARCO HISTORICO
4.1
Marco Teórico
4.1.1
Acercamiento a concepto a simulación en tiempo real
Cuando se habla de simulación en tiempo real, es válido imaginar pruebas en un tiempo absoluto de referencia. Este concepto puesto en contexto, refiere un modelamiento de un sistema complejo en un sistema embebido se debe ejecutar a la misma velocidad del mismo sistema implementado físicamente. En este caso, el equipo de estudio utilizado en este documento, OPAL OP-4500 es un sistema embebido el cual tiene las características mencionadas, que a su vez carece una interfaz con el mundo real y pueda gozar de lecturas de entradas como por ejemplo la lectura de sensores, con base en ello hace los cálculos pertinentes según le modelo que se esté reproduciendo en su momento y su proceso de culminación es la escritura de salidas, como control de actuadores. El tamaño del intervalo de tiempo es conocido como tiempo de paso, este tiempo es utilizado por los métodos ‘Fixed Step’ para resolver el modelo en rangos regulares desde el principio hasta el final de la simulación.
Generalmente, al hacer pequeño el tiempo de simulación a la vez aumenta el tiempo requerido para la simulación del sistema. Es importante conocer que cuando el tiempo predeterminado es demasiado corto quizás el equipo de simulación no alcance a leer las entradas, hacer cálculos y escritura de salidas. Cuando el tiempo de paso es excedido, se omitirá un tiempo de paso y ejecutara la tarea en la siguiente ventana de tiempo. A grandes rasgos, con el equipo de simulación en tiempo real para este proyecto de grado carece de tres grandes partes: La lógica de control, que es modelada en MATLAB-Simulink®, un interfaz de usuario en las que se puede obtener indicadores y controladores del modelo que se está probando. Y Finalmente con el Hardware real con el cual se pretende tener interacción. [2]
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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4.1.2 Subsistemas
En Simulink®, un subsistema es definido como un grupo de bloques funcionales que son ubicados en un bloque vacío llamado subsistema. Esta manera de organización de código en este ambiente de desarrollo permite la simplificación del modelo por agrupamiento de bloques, así definiéndolo de forma jerárquica y para mantener los bloques funcionalmente relacionados entre sí.
Figura 4. Subsistemas del Modelo de un control en lazo cerrado de conversor DC-DC tipo: Boost
En principio, en la plataforma de RT-LAB se tienen dos objetivos principales: El Primero es distinguir cuál de los bloques realizará toda la lógica de la computación de los datos, el procesamiento de ellos según el modelo. Por otro lado se busca asignar el bloque de computación a diferentes CPU cores. A continuación se precisa alguna información sobre los subsistemas.
El bloque de computación será ejecutado en tiempo real en un CPU core de la ‘real-time target’.
El subsistema en donde se ubicará todos los bloques alusivos a la interfaz con el usuario (GUI), se verá reflejado en una ventana emergente de Simulink®.
El intercambio datos que se da entre el subsistema de computación del modelo y el subsistema GUI son de forma asíncrona a través de un link TCP/IP.
Las características de cada subsistema es presentado así:
El Subsistema GUI
o Debe comenzar con la sentencia SC_NombreDefinidoPorUsuario o Mantiene interacción con los otros subsistemas de computación
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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o Este subsistema corre asíncronamente a diferencia de los subsistemas de computación
o No es directamente vinculado a la tarjeta del CPU core.
o Contiene bloques de interfaz de usuario como : scopes, display, switches, constants)
o Es importante resaltar que en este subsistema no debe ir alguna operación matemática ni generación de señales.
El Subsistema de computación
o Debe comenzar con la sentencia SM_NombreDefinidoPorUsuario
o En este bloque es preciso colocar todos los bloques que involucre matemáticas y generación de señales.
o Como en este proyecto de fin de carrera solo se utiliza un bloque de computación y es ejecutado por un solo CPU core. [3]
4.1.3
Bloque OpComm
Figura 5. Bloque OpComm
El Bloque OpComm es el responsable de la comunicación entre dos subsistemas, estos subsistemas son el de computación y el de interfaz con el usuario (GUI).
En todos los subsistemas las entradas siempre deben pasar por este bloque antes de que efectúen cualquier operación en las señales asociadas a estas.
Este bloque puede ser añadido después de la creación de los subsistemas involucrados.
Además goza de múltiples entradas, las que requiera el subsistema. Cada entrada puede ser un escalar o en su defecto un vector.
Este bloque cuando se encuentra en el subsistema de computación en este caso SM (Subsistema Master), tiene las siguientes funcionalidades:
El bloque OpComm recibe la señal en tiempo real sincronizada proveniente de otros subsistemas.
También puede recibir las señales asíncronas provenientes del subsistema GUI.
Los requerimientos que cumple cuando está en el subsistema GUI:
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
12
Se pueden añadir hasta 25 bloques con configuración propia de parámetros. [2]
4.1.4
Bloques RT-Events
RT-Events es un ‘toolbox’ desarrollado por Opal-RT para Simulaciones basadas en eventos. Las señales RT-Events tienen su propio formato en Simulink® (RTE) pero se puede descomponer en dos vectores:
El estado lógico, como cualquier bloque en Simulink®
La información acerca del tiempo en la que una transición ha ocurrido
Como datos adicionales:
Los Eventos que ocurren dentro del tiempo de paso no son ignorados.
Las señales de Simulink® son actualizadas en la siguiente ventana de muestreo. RT-Events también, pero mantiene la información de transición.
Un bloque utilizado en este documento es el PWM Generator, este bloque es eficiente para señales Moduladas por ancho de pulso con transiciones dentro del dominio de un tiempo de paso hasta 255. [4]
Figura 6. Bloque RTE-PWM
Para el monitoreo de señales existen varios bloques, entre ellos en esta oportunidad son presentados los siguientes:
Figura 7. Bloque RTE Frecuency Meter.
Retorna el periodo, la frecuencia, ciclo de trabajo.
Limitación: Cuando el periodo de la señal es mayor que el tiempo de paso, las primeras respuestas no serán las correctas durante el primer periodo de la señal.
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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Figura 8. Bloque RTE-Conversion
Para poder visualizar las variables del modelo, es necesario utilizar el Bloque RTE-Conversion, cuya función es multiplexar la señal tipo RTE y solo obtener el escalar, obteniendo una señal compatible con Simulink®. Para obtener una visualización más precisa es utilizado el bloque RTE-Scope.
Figura 9. Bloque RTE Scope
4.1.5
Configuración de Salida y entradas en Hardware.
Figura 10. Bloque Simulink FPGA Controller. [5]
El bloque OpCtrl, debe ser incluido en el sistema para cada FPGA que físicamente esté presente en el sistema. En las propiedades se debe mantener la etiqueta ‘OpCtrl’, además de configurar el nombre del archivo Bitstream. En este caso el modo de sincronización Master, debido a que no se está trabajando con un subsistema esclavo. Configuración de la Board: OP4500.
Figura 11. Bloque Analog Output, para salidas Análogas. [5]
Para la configuración de salidas análogas es encontrado en la librería RT-LAB I/O /Opal-RT/Common, con el nombre de ‘AnalogOut1’, se puede realizar la configuración del puerto donde se va a percibir la señal de salida por medio de algún medidor, en este caso de
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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Osciloscopio. En el manual se encuentra de la siguiente manera: Slot se refiere a Grupo, ‘Module’ a Section y ‘Subsection’ a ‘Block #’.
Figura 12. Ubicación salidas Análogas. [6]
La configuración de entradas análogas se realiza con el siguiente bloque:
Figura 13. Bloque 'AnalogIn', entradas análogas. [5]
En la siguiente figura se puede apreciar la ubicación física en el equipo de simulación.
Figura 14. Ubicación entradas análogas. [6]
En las próximas figuras se aprecia el bloque para a visualización del ciclo útil, y su respectivo puerto para monitorear esta señal.
Figura 15. Bloque ‘PWM Out’. Salida de la señal PWM del conversor. [5]
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
15
4.1.6
Inclusión de modelos de funciones de transferencias
En el proyecto de grado: Control en lazo cerrado para conversores DC-DC tipo: Buck, Boost y Buck-boost, de la autoría del escritor de este documento, se encuentra plasmada toda la metodología que requiere el hallazgo de las funciones de trasferencia. En la siguiente tabla se resume las expresiones halladas y posteriormente utilizadas para hacer la comprobación de las mismas en el equipo OPAL- OP4500, así como las especificaciones de cada uno de estos.
Tabla 1. Resumen funciones de transferencia Conversor Reductor. [7]
Modo de operación Expresión
Continuo
𝐺𝑑𝐶𝐶𝑀(𝑠) = 3.5 ∗ 10
8
𝑠2+ 500𝑠 + 1.25 ∗ 107
Discontinuo
𝐺𝑑𝐷𝐶𝑀(𝑠) =140 ∗ 10
3
𝑠 + 1500 ; 𝐿𝐷𝐶𝑀 = 5 𝜇[𝐻]
Tabla 2. Resumen Elementos Conversor Reductor en operación continua [7]
Elemento Valor
Inductancia 200 µ [H]
Capacitancia 400 µ [F]
Carga 5 [Ω]
Voltaje de Entrada 28 [V]
Voltaje de Salida 14 [V]
Ciclo útil 0.5
Tabla 3. Resumen funciones de transferencia Conversor Elevador. [7]
Modo de operación Expresión
Continuo
𝐺𝑑𝐶𝐶𝑀(𝑠) =
−3636.36𝑠 + 9.0909 ∗ 107 𝑠2+ 181.818𝑠 + 4.54545 ∗ 106
Discontinuo
𝐺𝑑𝐷𝐶𝑀(𝑠) = 18181.8
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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Tabla 4. Resumen Elementos Conversor Elevador en operación continua. [7]
Elemento Valor
Inductancia 50 µ [H]
Capacitancia 1100 µ [F]
Carga 5 [Ω]
Voltaje de Entrada 5 [V]
Voltaje de Salida 10 [V]
Ciclo útil 0.5
Tabla 5. Resumen funciones de transferencia Conversor Reductor-Elevador. [7]
Modo de operación Expresión
Continuo
𝐺𝑑𝐶𝐶𝑀(𝑠) =
4687.5𝑠 + 3.75 ∗ 108
𝑠2+ 500𝑠 + 8 ∗ 106
Discontinuo
𝐺𝑑𝐷𝐶𝑀(𝑠) = −40000
𝑠 + 1000 ; 𝐿𝐷𝐶𝑀 = 150 𝜇[𝐻]
Tabla 6. Resumen Elementos Conversor Reductor-Elevador en operación continua. [7]
Elemento Valor
Inductancia 200 µ [H]
Capacitancia 400 µ [F]
Carga 5 [Ω]
Voltaje de Entrada 24 [V]
Voltaje de Salida -6 [V]
Ciclo útil 0.2
En la implementación de las diferentes funciones de transferencia se utilizaron los bloques ‘Transfer Function’, de la librería Continous. Para la implementación de los diversos controladores se utilizó el bloque ‘PID Controller’ en la misma librería que el componente anterior. El conversor en modo CCM, es modelado con color Naranja y en DCM color Cyan.
Figura 17. Implementación de Función de Transferencia y Bloque de Control para el Conversor en conducción continua.
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
17
Figura 18. Implementación de Función de Transferencia y Bloque de Control para el Conversor en conducción discontinua.
En los siguientes apartados se encontrará todos los ajustes pertinentes para configurar el modelo en RT-LAB.
4.1.7
Configuración Parámetros Simulink®
Figura 19. Deshabilitación de Casilla 'Block reduction'
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
18
4.1.8 Configuración Parámetros RT-LAB
Figura 21. Configuración Sistema operativo y sincronización del equipo OPAL-OP4500.
Figura 22. Configuración de XHP modo ON.
En la Opción de la Figura 22., se habilita una vez se haya construido el modelo cuyo proceso sea exitoso.
4.2.
Marco Histórico
Antecedentes externos
Una consecuencia directa de la evolución de productos como automóviles, aviones y sistemas de defensa nacional; la complejidad de estas pruebas para estos productos está creciendo a un ritmo exponencial. Para hacer frente a este desafío, muchos ingenieros han recurrido a la técnica hardware in the loop HIL, dado que es una técnica que permite comenzar las pruebas de su sistema de control en el proceso de desarrollo y con una mayor flexibilidad en comparación con la prueba física. La implementación de un banco de pruebas hace la simulación manera más segura y eficaz de manera que se puede tener respuesta aproximada como si se tuviese el sistema en físico como tal. [8] [9] [1] [10]
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
19
Antecedentes locales
En la Actualidad el desarrollo de prototipos y estrategias de control se hacen cada vez más complicadas, lo que asegura un aumento significativo en los costos del desarrollo de los proyectos; dado este constante crecimiento en los costos del desarrollo de los prototipos, se ha desarrollado una estrategia de diseño que consta de dos etapas, la primera constituye la simulación en tiempo real (RTs) y la segunda la implementación en hardware in the loop (HIL). Esta estrategia permite hacer una depuración más cercana a la implementación física de los sistemas, puesto que se puede ver la respuesta y la interacción de dispositivos como tal y como si se tuviese el diseño final de manera física. [11] [12] [13] [14]
5
METODOLOGÍA DEL TRABAJO
Figura 23.Metodología de comprobación para conversores DC-DC.
En la comprobación del funcionamiento del control en lazo cerrado para conversores DC-DC, se sugiere seguir con los pasos que se anunciarán en las próximas líneas. En Primera medida se tiene como referencia el proyecto de grado del mismo autor que el presente documento, pues allí se realiza todo el proceso de diseño que involucra el lazo cerrado de control para conversores DC-DC de topología básica. En este documento precisan los conversores a probar y todas las especificaciones de los mismos, de igual manera está retomado en el capítulo 4 de este trabajo. Una vez elegido el tipo de conversor a utilizar se procede a la respectiva simulación off-line en el ambiente de desarrollo Simulink®, corroborando la correcta ejecución del sistema.
El siguiente proceso, es realizar un sistema equivalente al simulado en el paso anterior pues la plataforma RT-LAB exige de cómo se debe organizar todos los subsistemas, en este caso se organizan de tal manera que la totalidad de la lógica de control que en el dominio del
Diseño
• Elección de Conversor DC-DC. • Obtención sistema de control.
Simulink
• Simulación Off-Line
• Formato Plataforma RT-LAB • Configuración de Parámetros
RT-LAB
• Configuración RT-LAB (Hardware Syncronized) • Ejecución de simulación Hardware in the Loop
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
20
subsistema maestro, y todo lo que comprende controladores e indicadores en el subsistema GUI. Para ejecutar una simulación en tiempo real en esta plataforma es necesario hacer un ajuste en los parámetros de simulación para que el modelo de sistema de control tenga un mejor desempeño. Finalmente se realiza un ajuste en parámetros en RT-LAB para que la simulación se realice en modo Hardware Sincronized, lo que implica una ejecución exitosa del modelo obteniendo señales en Hardware Real por medio de un osciloscopio.
5.1
Plan de trabajo
Para desarrollar este trabajo se siguió la secuencia de tareas que son presentadas a continuación:
Semana 1 a 8: Consulta bibliográfica sobre los tipos de conversores DC-DC, Diseño del sistema de control conceptual, básico, detallado y definitivo para cada tipo de conversor DC-DC.
Semana 8 a 12: Implementación de sistema de control en lazo cerrado PWM. Semana 12 a 16: Análisis y conclusión acerca de los datos obtenidos en tiempo real
y los datos obtenidos por simulación en respuesta de variación de inductancia.
Las reuniones semanales con el asesor de este proyecto y sus asistentes fueron programadas los miércoles de cada semana a de 3:30 p.m. a 5:00 p.m. donde se trataron los temas de interés del proyecto, además de tener un espacio de solución de dudas conceptuales y de software de simulación.
6
VALIDACIÓN DEL TRABAJO
6.1
Conversor DC-DC Tipo Buck.
6.1.1
Simulación Off-Line
Para tener seguridad de algún error o contratiempo que se presente en los pasos superiores, es necesario realizar una etapa intermedia en la que el usuario simule el sistema en modo Off-Line de tal manera que se observe las respuestas del sistema que correspondan con el modelo previamente diseñado. En la Figura 21 y 24, se puede observar la respuesta del sistema con el control en lazo aplicado. En el caso de conversor reductor la respuesta en el modo CCM es más rápida que en el modo DCM.
Control en lazo cerrado para conversores DC-DC
tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
21
Figura 24. Simulación Off-Line en Simulink®. Conversor Buck.
Figura 25. Respuesta del sistema en modo CCM. Conversor Buck. Voltaje de Referencia 14V
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tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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El ciclo útil de la señal PWM en teoría en CCM debe de ser de:
𝐷 = 𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 = 0.5
Y la corriente máxima y mínima
𝐼𝑀𝑎𝑥 = 4.55 [𝐴] ; 𝐼𝑚𝑖𝑛= 1.05 [𝐴]
Cuyos valores son representados en las Figuras 22 y 23 respectivamente, pues cumplen a cabalidad los cálculos pertenecientes al sistema.
Figura 27. Corriente en la Inductancia en modo CCM .Conversor Buck
Según El conversor Reductor en régimen discontinuo la corriente pico es de
𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜 =𝑉𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒− 𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐿 𝐷𝑇 = 0.7 [𝐴]
Siendo el ciclo de trabajo 𝐷1 = 𝐷 = 𝐷2 = 0.1.
Figura 28. Respuesta del sistema en modo DCM. .Conversor Buck. Voltaje de Referencia 14V
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tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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Figura 29. PWM. Modo DCM. Conversor Buck
Figura 30. PWM. Modo DCM. Conversor Buck
6.1.2
Formato RT-LAB
Figura 31.Subsistemas Maestro y GUI. Conversor Buck.
Para que la Plataforma diferencie entre el subsistema que efectúa toda la computación matemática y lógica de control, incluyendo la generación de señales PWM por medio de
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tipo: Buck, Boost y Buck-Boost.
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bloques especializados del ‘toolbox’ de RT-Events y emitidos por el puerto hardware gracias al Bloque ‘PWM Out’. Esto sin mencionar de todas las salidas análogas que tiene el sistema (Señales de corriente en el inductor, voltaje de salida) se da gracias al bloque ‘AnalogOut’ esto con la presencia fundamental del ‘OpCtrl’. Para cerrar el lazo de control se tiene la retroalimentación negativa proveniente de la salida del conversor. En el subsistema GUI SC_Interface, se encuentran todos los indicadores y controladores del sistema, como lo son la ganancia Slider, que hace el papel de variar la inductancia para que el conversor conmute entre los dos modos de operación. Cambiando así el sistema de control dependiendo cuando corresponda, esto es un cambio conjunto para la variable de corriente en la bobina.
Figura 32. Interior de Subsistema Maestro SM_Computation.
En la Interfaz asíncrona reproducida desde un ordenador (Subsistema GUI), dos controladores principales, El primero consiste en Slider el cual se puede modificar manualmente en tiempo real el valor del voltaje de salida de cada conversor. Por otro lado se encuentra un Slider correspondiente al valor de la inductancia, ya que este valor es el clave para pasar de un modo de conducción a otro, teniendo un valor de inductancia límite establecido en la función de inicialización en el sistema general. Dado por el ciclo de trabajo teniendo un voltaje de salida en especial.
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6.1.3 Ejecución en tiempo real
Figura 34. Respuestas del Conversor Reductor, modos CCM y DCM.
Tabla 7. Datos Simulación RT con Teóricos. Conversor Reductor
Valor Teórico Valor Simulación RT % Error
Ciclo Util CCM 0,5 0,494 1,12
Ciclo Util DCM 0,1 0,101 0,10
I Max CCM [A] 4,55 4,56 0,21
I Min CCM [A] 1,05 1,12 6,66
I p DCM [A] 1,4 1,46 6
Después de construir el modelo en RT-LAB, y de realizar el proceso de carga y está resultando de forma exitosa, se puede Observar en la Tabla7, los datos consignados de las diferentes señales de interés.
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Figura 36. Corriente en el inductor modo DCM. Conversor Reductor
La forma de corriente en inductor cuando el conversor reductor está operando en modo de conducción discontinua se encuentra que la corriente pico no es tomada en cuenta a hora de tomar las muestras de las señales, esto es por la tasa de muestreo que se tiene, pues no alcanza a tomar ese punto que se encuentra en la mitad del paso fijo.
Figura 37. Ciclo útil del conversor en modo CCM y DCM. Conversor Reductor
A pesar de que las señales PWM son destinadas a extraer de los puertos de Salidas Digitales se tiene un inconveniente de acoples de tierra, manifestándose en la atenuación de la señal en los tiempos en alto de la señal y en bajos. Esto sin precisar que no se está utilizando el límite superior en frecuencia, pues la señal que se obtiene en tiempo real y desde su diseño es de 10 kHz.
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6.2
Conversor DC-DC Tipo Boost- Simulación en tiempo real
Figura 38. Respuestas del Conversor Elevador, modos CCM y DCM.
Tabla 8. Datos Simulación RT, Teóricos. Conversor Elevador.
Valor Teórico Valor Simulación RT % Error
Ciclo Útil CCM 0,5 0,4982 0,18
Ciclo Útil DCM 0,2 0,196 0,4
I Max CCM [A] 6,5 6,53 3
I Min CCM [A] 1,5 1,51 0,6
I p DCM [A] 3,25 3,26 0,3
En la simulación en tiempo real del funcionamiento del control en lazo cerrado para el conversor elevador (Boost), se obtiene que es satisfactoria en la medida de que las señales extraídas carecen de la frecuencia precisa que se estableció desde el diseño y simulación Off-Line. El porcentaje de error experimental que se da es en el ciclo útil cuando el conversor en modo DCM, pues es un valor pequeño además de tener un factor no tan favorable como lo es la forma de onda inestable de la señal digital PWM.
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Figura 40. Corriente en el inductor modo DCM. Conversor Elevador
En el caso del conversor Elevador cuando se da la corriente discontinua, además de tener una frecuencia acertada (10kHz), posee unos escalonamientos que en cierta medida afectan la amplitud de la misma, pues a pesar de tener una simulación en tiempo real se tiene un error del 1,23%. Este valor es bajo para lo que se obtiene para el ciclo útil en modo DCM, esto afectando la exactitud del modelo y del problema que se ha planteado anteriormente con las salidas digitales.
Figura 41. Ciclo útil del conversor en modo CCM y DCM. Conversor Elevador
Para las forma de onda de corriente en los modos de conducción se encuentra que el ciclo útil en su respectivo modo es congruente con el porcentaje de periodo donde se encuentra la señal creciente, esto es que cuando el dispositivo se encuentra encendido.
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6.3
Conversor DC-DC Tipo Buck-Boost- Simulación en tiempo real
Figura 42. Respuestas del Conversor Reductor-Elevador, modos CCM y DCM.
Tabla 9. Datos Simulación RT, Datos Teóricos. Conversor Reductor-Elevador.
Valor Teórico Valor Simulación RT % Error
Ciclo Útil CCM 0,2 0,196 0,02
Ciclo Útil DCM 0,193 0,193 0,20
I Max CCM [A] 2,7 2,77 2,59
I Min CCM [A] 0,3 0,316 5,33
I p DCM [A] 3,09 3,02 2,26
Figura 43. Corriente en el inductor modo CCM. Conversor Reductor-Elevador
En la Tabla 9. Se encuentran consignados los valores correspondientes a la simulación en Real time, del conversor reductor-Elevador, de ellos se puede afirmar que se obtienen los valores más altos de error en la corriente en la bobina en régimen permanente con 18% y 16%, corriente máxima y mínima del mismo. Un aspecto relevante es la corriente del inductor cuando el conversor opera de forma discontinua su forma de onda es similar a la
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del modo CCM, esto es debido a que la señal tiene un porcentaje mínimo en 0 [A] eso es en una décima parte de la señal, lo que hace que ese cambio pase desapercibido.
Figura 44. Corriente en el inductor modo DCM. Conversor Reductor-Elevador
Figura 45. Ciclo útil del conversor en modo CCM y DCM. Conversor Reductor-Elevador
7
DISCUSIÓN
Para realizar la metodología de este trabajo es necesario seguir un proceso bastante arduo lo que refiere a la configuración aceptada por el constructor de RT-LAB, esto sin mencionar de la multitud de excepciones que lanza al momento de cargar o simplemente de correr el modelo. La revisión de catálogos que se entregaron en la capacitación de OPAL-RT es indispensable para no reincidir en configuraciones del sistema que difícilmente serán compatibles con el Formato RT-LAB. La respuesta en Hardware de este sistema es aceptable teniendo excepciones como las salidas digitales, pues en la prueba de este equipo manifiesta un deterioro en la señal cuando se usan ciertos módulos de salida a la misma vez, este caso es el de salidas/entradas análogas. Para el tiempo fijo de muestreo se tiene un límite para su estimación, para este proyecto fue de 10 micro-segundos lo que hizo que las señales en la bobina en los dos modos de
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conmutación se viesen a base de escalones, lo que en varios casos omitía hacer un muestreo de la corriente pico y simplemente mostrara una señal parecida a una señal cuadrada.
Un trabajo futuro orientado a un proyecto grado sería la inclusión de el amplificador de potencia, compactRIO disponible en laboratorio ML007 de la Universidad de Los Andes, pues ya se tendría un conversor de potencia de en un rango superior (-200 a 200 Voltios). Lo que aumentaría la potencialidad de esta idea que hasta la fecha se encuentra adelantada en el equipo de simulación de tiempo real OPAL-OP4500, el cual tiene un rango mucho más limitado (-16 a 16 Voltios).
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CONCLUSIONES
El diseño de control en lazo cerrado para los tipos de conversores DC-DC que son objetos de estudio de este documento, son correctos pues se valida que modelando estos sistemas a través de funciones matemáticas reproducidas en tiempo real se da que la precisión de los datos obtenidos en este último, definitivamente corresponden con los calculados en teoría lo que una vez más consolida la afirmación de un diseño apropiado de los conversores y su control en los dos modos de conmutación (CCM y DCM). Obteniendo un mejor desempeño en estabilidad y en tiempo de respuesta para el modo DCM. A lo largo del tiempo determinado para el desarrollo de este proyecto, según el plan de trabajo, el mayor reto fue enfrentarse a un equipo relativamente nuevo y recientemente adquirido por la Universidad de Los Andes, pues en un principio requirió de un poco más de tiempo debido a que no se tenía en el dominio de literatura los tutoriales, de esto sólo se pudo tener acceso cuando se tuvo la capacitación cuya fecha era a finales semestre. La comprobación del funcionamiento del control en lazo cerrado para conversores tipo: reductor, elevador y reductor elevado es satisfactoria esto justificado por los resultados de simulación en tiempo real, los cuales son sobresalientes debido a que se logran reproducir las señales de principal interés como lo es corriente en la bobina, voltaje de salida, ciclo útil en cada uno de los modos de conducción, teniendo los dos modos de conmutación en funcionamiento. Para obtener un sistema simulado en tiempo real y a la vez que fuese ‘hardware in the loop’, fue necesario retroalimentar la señal proveniente de las terminales del conversor para cerrar el lazo de control.
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AGRADECIMIENTOS
A Dios, creador de los cielos y de la tierra, al dueño de todo conocimiento y sabiduría. Él es el arquitecto de todos mis sueños y anhelos del corazón. A mis padres, Consuelo y Antonio, que han batallado a lo largo de estos años para sacarme adelante, quienes han dejado de cumplir sus logros por dedicarse a sus hijos. A mi hermano Mario Alberto, el que me acompañó a lo largo de este proceso. A mi asesor de proyecto de grado, el profesor Gustavo Ramos por estar siempre dispuesto a corregir factores de mi trabajo. A David Celeita y Miguel Hernández, quienes estuvieron atentos a colaborar en lo que se presentase. A mis compañeros de carrera que trabajaron hombro a hombro: Jaime Garzón, Daniel Jaramillo, Daniel Castellanos, Cristian Castellanos, Daniel Caldas, Jorge Malo, Daniel Sepúlveda, Camilo Sarmiento, Juan Carlos Bolívar, Alejandra Cortés, Juan Hernández y a todos los demás.
Quiero hacer una mención muy especial al grupo de jóvenes que igual que yo tienen el mismo norte, un mismo sentir: Alejandra Venté, Paola Algecira, Natalia Yopasa, Oscar Franco, Leandro Guarín, Miguel Páez, Arturo Peña entre otros. Estos agradecimientos no pueden culminar sin recordar a los que imprimieron esa felicidad, alegría y sabor en momentos difíciles en el desarrollo de este trabajo, ellos son: Ivón Báez, Daniel Fernández y Álvaro González. Gracias Infinitas.
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Anexos.
11.1
Tutorial RT-LAB
A continuación se presentarán los pasos crear un modelo, construirlo, cargarlo y posteriormente ejecutarlo.
11.1.1
Creación proyecto
Figura 46. Crear un nuevo Proyecto RT-LAB
Para la creación de un nuevo modelo, se hace click en Archivo-Nuevo-RTLABProject.
Figura 47. Nombrar nuevo proyecto RT-LAB.
Seguido del nombramiento del proyecto, cuando ya se haya completado hacer clic en finalizar.
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Para la inclusión del modelo hacer clic derecho en el único que se encuentra ‘Models’ y seleccionar Adicionar-ProyectoNuevo.
Figura 49. Búsqueda del modelo.
Para buscar el modelo existente, hacer clic en Examinar (el modelo tiene que tener extensión ‘.mdl’)
Figura 50. Inclusión de archivos para sincronización por Hardware.
Se debe tener en cuenta la importación de archivos con extensión ‘.bin’ y ‘.conf’, estos son claves para la configuración de salidas en hardware.
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11.1.2 Edición Modelo
Figura 51. Botón de Edición Modelo Simulink®
Para editar el modelo se hace clic en el botón editar y automáticamente desde RT-LAB es abierto una ventana emergente con el modelo en MATRT-LAB-Simulink®.
Figura 52. Ventana emergente después de presionar el botón editar en RT-LAB
11.1.3 Configuración propiedades de desarrollo
En el marco teórico se precisa el sistema operativo embebido que tiene este simulador, siendo congruentes con dicha afirmación, se tiene que configurar las propiedades de desarrollo. En RT-LAB se configura la plataforma de la FPGA en ‘Redhat’.
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Figura 53. Configuración Sistema Operativo OPAL-RT
11.1.4 Construcción del modelo RT-LAB
Figura 54. Botón construir modelo.
Para seguir con este proceso de simulación en tiempo real, se tiene que construir el modelo, haciendo clic en el botón ‘Construcción’, y se puede ver su progreso en la consola de compilación. Es clave que la separación de subsistemas sea exitosa y claramente es importante la finalización de la compilación.
Figura 55. Separación exitosa en la consola de compilación
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11.1.5 Configuración de subsistemas
Figura 57. Habilitación de la opción XHP en ON.
Para evitar un error al cargar el modelo para ejecutar es necesario configurar el Subsistema maestro del sistema, para ello es necesario habilitar la opción ‘XHP’.
11.1.6 Configuración propiedades de ejecución
Figura 58. Configuración de sincronización por Hardware.
Se verifica la configuración del sistema operativo. Para la configuración para observar las diferentes señales se procede a configurar el modo de simulación en tiempo real.
11.1.7 Carga de Modelo
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Figura 60. Habilitación de botones de ejecución y parada.
Al carga el modelo se debe hacer clic en el botón ejecutar del modelo que se está simulando, si no se dio ningún error se habilitan el botón ‘ejecutar’ y ‘parar’
11.1.8 Ejecución
Figura 61. Habilitación de botones pausa y parada.
Finalmente, luego de hacer clic en el botón ’ejecutar’, se obtiene la respuesta en el hardware como se puede ver en la Figura inferior. También se puede pausar y parar la simulación en tiempo real, como es descrito en la Figura superior.