Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 1
Índice general
Resumen.
Summary.
Memoria.
Pliego de condiciones.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 2
Título Implantación de técnicas de control vectorial mediante Simulink
Autor Francisco Aragoncillo Hernán Directores Juan Luis Zamora Macho
Fidel Fernández Bernal
Resumen
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 3
Introducción.
El presente proyecto nace con la idea de implantar un control vectorial en un sistema PWM del laboratorio de máquinas eléctricas para regular la velocidad de motores de inducción que funciona con control escalar.
Para ello se procederá mediante un método de ingeniería inversa al análisis del funcionamiento interior del variador Unidrive de Control Techniques y posteriormente se modificará su funcionamiento normal mediante el control del variador con un PC y una tarjeta interface, que se encargará de dar las órdenes al variador para que actúe según los mandatos emitidos desde el PC con Simulink.
Solución planteada.
Para poder implantar un control vectorial paralelamente al escalar se va a emplear una tarjeta interfaz desarrollada por el Departamento de Electrónica y Automática de la Universidad Pontificia Comillas. Esta tarjeta se introduce dentro del ordenador y comunica a este con el variador. De esta forma las señales lógicas mandadas desde el PC se adecuarán a los niveles con los que funciona la placa de control del variador Unidrive, y así posteriormente se podrá implantar el control vectorial.
Esta tarjeta de interface se programa con Matlab y se maneja desde Simulink.
Para su puesta en marcha el programa Matlab tiene que emplear un sistema en tiempo real basado en el Real Time Windows Target de MatLab.
Las ventajas que aporta este control sobre un control escalar es que ofrece mejores prestaciones y control que el escalar, pero en contra tiene que es más sofisticado y más caro.
El control vectorial es algo que ya se está llegando a implantar en multitud de máquinas, tanto de aplicación industrial: motores de fábricas, de grúas, etc. como en el entorno doméstico: aparatos de aire acondicionado con tecnología inverter, etc. Sin olvidar la
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 4 gran importancia que tiene en el sector del transporte: locomotoras de trenes, en el metro, en los coches y autobuses híbridos, etc.
Implantación.
La implantación completa de un sistema de control vectorial, en el variador comercial del Laboratorio de Máquinas Eléctricas no pudo completarse, debido a que durante su manipulación, mediante un método de tecnología inversa, se produjo una avería en la placa integrada principal del variador. El variador quedó fuera de servicio, y su reparación no era posible en un plazo de tiempo lo suficientemente pequeño, como para que el desarrollo normal del proyecto, pudiera seguir su curso sin un retraso importante, por lo que el proyecto ha tenido que ser replanteado.
En el Esquema 1, puede verse el planteamiento que se realizó, para poder implantar el control vectorial en el variador de Control Techniques, en el Esquema 1.
Esquema 1
• Como primera posibilidad de modificación, dados los componentes de interface de que se dispone, se contempló analizar la placa de Control Techniques que integra el driver del variador, para poder utilizar ese driver para control V/f y control vectorial (
• Fotografía 1). De esta manera, se evita el tener que emplear unos drivers comprados, o una tarjeta driver diseñada por el departamento de Electrónica, Variador V/f
PC
INTELIGENCIA
Tarjeta PWM
Driver del variador
Driver DEA
Inversor 1ª Posibilidad
Multiplexor 2ª Posibilidad
Interruptor con relés DRIVERS
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 5 para poder controlar los IGBT, que constituyen los componentes de electrónica de potencia del inversor y que necesitan de un sistema de drivers específicos, para poder funcionar correctamente ( Fotografía 2).
En esta posibilidad, hay que colocar un multiplexor en la placa integrada de control del variador, para poder conmutar las señales lógicas que manda el control escalar del propio variador, con las señales lógicas que se van a mandar desde un PC, pasando por una tarjeta interface para PWM.
Fotografía 1
Fotografía 2
• Como segunda posibilidad en la modificación del variador, hay que analizar el funcionamiento de una tarjeta driver diseñada por el Departamento de
Zona de la placa donde se
encuentran integrados los drivers.
Las doce entradas al inversor, hay 4 por cada IGBT.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 6 Electrónica y Automática (DEA). Así se prescinde de los drivers que lleva integrados el variador en la placa, y se utiliza el puente inversor del variador, evitando tener que analizar en detalle la placa, de la que no se dispone esquema alguno.
En este caso, la conmutación entre el control desde variador y el control desde PC se realizará mediante una placa adicional al variador. En esta placa, un grupo de relés realizan la conmutación del las doce señales de entrada, 4 señales por cada IGBT, entre el driver diseñado por el DEA, que será gobernado desde un PC, y el driver que utiliza el propio variador con su control V/f.
Ordenador.
Para la implantación en el ordenador de un control vectorial, se ha tenido que emplear el programa MATLAB. Y dentro de éste, el módulo Simulink, para poder programar la tarjeta diseñada por el departamento de electrónica, para hacer de interface entre el PC y los sistemas de electrónica de potencia, que tiene el variador para el control del motor.
El módulo Simulink requiere del Real Time Windows Target de Matlab, para poder ejecutar los programas de control de la tarjeta en tiempo real, y no en tiempo de simulación o en tiempo del sistema operativo (Windows), atendiendo a sus numerosas interrupciones.
Con la tarjeta interface se van a realizar dos funciones distintas:
• Mandar señales al sistema PWM del variador, para controlar la velocidad del motor y otros parámetros.
• Recibir la velocidad a la que gira el eje del motor, a través de un encoger, que recogerá esa información y la mandará a una entrada de la tarjeta.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 7
Title Vector control techniques implementation using Simulink
Author Francisco Aragoncillo Hernán Directors Juan Luis Zamora Macho
Fidel Fernández Bernal
Summary
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 8
Introduction
The present project is based on the idea of implementing a vector control on a PWM system of the electric machines laboratory which works only with scalar control techniques.
The procedure method will be inverse engineering, analysing how things work inside the Unidrive variable frequency inverter made by Control Techniques. After that, its normal function will be modified by using a PC with Simulink software in order to control the variable frequency inverter with a vector control technique.
Set up solution
In order to be able to implement an additional vector control inside the variable
frequency inverter it has been necessary to develop an interface board which substitutes the logical electronics device that the variable frequency inverter uses to implement the scalar control technique. This board is programmed using Matlab and it can be
controlled from Simulink. It is necessary to use the Real Time Windows Target to allow Matlab to control the variable frequency inverter on real time.
This project allows you to notice the advantages that a vector control brings compared with a scalar control, which is a cheaper control, but it offers you worse features than a vector control. Nowadays the vector control is becoming commonly used in all kinds of electric machines: industrial appliances: AC motors inside factories, cranes, etc. home appliances: air conditioning with inverter technology, etc. Vector control is very
important in the means of transport: trains, subway, in some new cars and hybrid buses, etc.
Implant:
The implementation of a vector control inside the commercial variable frequency inverter of the electric machines laboratory couldn’t be finished successfully, because during the inverse engineering method to study how things work inside it, the main board of the variable frequency inverter broke down leaving it out of order. The repairs
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 9 of the variable frequency inverter couldn’t be done in time to allow the project to
continue with its normal planning, so the project had to be redefined.
Next you can see the planning done in order to implement the vector control inside the Control Techniques variable frequency inverter in the diagram 1.
Diagram 1
•The first modifying possibility, since we had some certain kind of components, was analyzing the Control Techniques main board which has the drivers inside it, in order to use that integrated driver to do the scalar control and the vector control (picture 1). This way we don’t need to use another drivers or a driver board developed by the electronics department to control the IGBT, which are the power electronics devices that make up the variable frequency inverter and that need a drivers system to work properly (picture 2).
At this possibility we need a multiplexor inside the main board, to change between the logical signals that the scalar control sends and the logical signals the PC control sends using an interface board between the PC and the variable frequency inverter.
V/f Inverter
PC CONTROL
PWM interface Board
Inverter’s Driver
Electronics dep. Driver
Inverter 1ªPosibility
Multiplexor 2ª Posibility
Relays switch board DRIVERS
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 10 Picture 1
Picture 2
•The second possibility was analyzing a driver board developed by the electronics department, this way we won’t need to analyse the main board drivers. In this case the change between the variable frequency inverter and the PC control will be done by using an additional board which will switch the twelve input signals that the variable frequency inverter requires to work (4 signals per each electric branch) between the electronics department drivers which is governed from a PC, and the variable frequency inverter driver to work with scalar control.
Board zone where the drivers are integrated
The twelve inverter inputs. 4 inputs per each IGBT
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 11
Computer
The computer’s vector control implementation requires the MATLAB software and in particular the Simulink module to program the electronics department board which interfaces between the PC and the power electronics systems that the variable frequency inverter uses in order to control the electric motors.
The Simulink module requires the MATLAB Real Time Windows Target to be able to execute the board’s control programs in real time.
The interface board is needed for two different functions:
-Send signals to the variable frequency inverter PWM system in order to control the motor’s speed and other parameters.
-Receive the motor’s rotation speed by using an encoder to catch the rotation speed information.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 12
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 13
MEMORIA _
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 14 Agradecimientos.
Agradezco el esfuerzo realizado por mis dos directores Fidel y Juan Luís por todo el tiempo y el esfuerzo que han dedicado a mi proyecto y a Omar por toda la ayuda que me prestó.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 15
Índice
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 16
Capítulo 1 Introducción y planteamiento del proyecto ... 18
1.1 Prólogo ... 19
1.2. Motivación y estado del arte... 20
1.3. Objetivos... 36
1.4. Metodología y recursos. ... 37
Capítulo 2 Descripción del modelo desarrollado... 40
2.1.- Estudio de los sistemas de generación de PWM de Control Techniques obteniendo esquemas eléctricos del equipo. Localización de los controladores de pulsos... 42
2.2.-Estudio de la posibilidad de incorporar un control paralelo de los controladores de pulsos PWM... 50
1ª Posibilidad:... 51
2ª Posibilidad:... 52
2.3.- Implantación de un control paralelo en el sistema de Control Techniques. El control se realizará mediante una tarjeta específica introducida en el PC y gobernada desde Simulink. ... 57
2.4*.- Estudio de los puertos de entrada de la tarjeta del objetivo 3, aprovechando la posibilidad de adquirir datos de un encoder a través de la tarjeta para PC. Implantación de la medida del encoder a través de Simulink. ... 58
2.4.1. ¿Qué es un encoder? ... 60
2.4.2.-Encoder del proyecto: ... 65
2.4.3.- Programación de los drivers para la plataforma Windows NT ... 68
2.5.-Elaboración de un presupuesto para un variador por partes: ... 77
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 17
Capítulo 3 Resultados ... 85
3.1.-Introducción: ... 86
3.2.- Simulación de la entrada del encoder:... 87
3.3.- Simulación de generación de PWM:... 101
Capítulo 4 Conclusiones... 114
Bibliografía…... 117
Anexos………... 119
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 18
Capítulo 1 Introducción y planteamiento del proyecto
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 19
1.1 Prólogo
Este proyecto nace con la idea de poder mejorar un equipo del laboratorio de máquinas eléctricas. En concreto, un variador de la marca Control Techniques que funciona con un control Tensión – Frecuencia para regular la velocidad de los motores de inducción.
En el presente proyecto, se pretende implantar un control vectorial, que mejora al control escalar V/f, aunque es más sofisticado y costoso. El control vectorial, a diferencia del escalar, tiene dos grados de libertad para controlar el motor de inducción, con uno de los grados de libertad se da el par necesario y con el otro grado de libertad se obtiene un objetivo suplementario: minimizar el valor de la intensidad, reducir las pérdidas, mejorar el factor de potencia, etc.
Durante el proyecto se tendrá que analizar en detalle el funcionamiento del variador comercial Unidrive de Control Techniques, para luego poder realizar en él las modificaciones necesarias, para poder implantar en él un control vectorial.
Durante la manipulación del variador, para analizar los diversos componentes que lo constituyen, ya que no se disponía del esquema eléctrico de su placa integrada, el variador se estropeó. Debido posiblemente a un fallo en alguna de las soldaduras.
Esto ha hecho que la realización final del proyecto cambiara su planteamiento, y al no poder emplear el variador en la fase práctica, se sustituyese este apartado final, por la adquisición mediante un encoder de la velocidad del eje del motor. Aprovechando que la tarjeta interfaz entre el PC y los drivers tiene esa función adicional, para poder cerrar un lazo de realimentación entre el control PWM del motor y la información de la velocidad real a la que está girando el motor, y así poder actuar para alcanzar la consigna marcada en la práctica, con el menor error posible.
En los capítulos siguientes, se irán detallando cada una de las partes comentadas en esta breve introducción, así como la justificación de cada una de las soluciones adoptadas.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 20
1.2. Motivación y estado del arte
El motor de inducción ha desplazado al de continua en muchas aplicaciones de regulación de velocidad, principalmente debido a la reducción de los costes de los convertidores tales como los variadores de frecuencia. La máquina asíncrona presenta características que la hacen ser la preferida en aplicaciones industriales: necesita un mantenimiento muy bajo, su coste es bajo y su diseño es simple. Sin embargo, resulta ser un sistema complejo desde el punto de vista del control, debido a la fuerte no linealidad entre las corrientes de fase y el par electromagnético.
La teoría de campo orientado (el control vectorial) brinda la posibilidad de hacer un control lineal de par. Esto es posible, orientando el vector de corriente estatórica apropiadamente respecto del vector de enlace de flujo rotórico.
El inversor presenta las ventajas de ser robusto, barato y simple. Como contrapartida, las corrientes que se pueden obtener, presentan grandes armónicos que estarán presentes en el par.
En el presente proyecto, lo que se pretende es cambiar la manera de controlar el puente inversor, para poderlo hacer funcionar con un control vectorial. El inversor del laboratorio utiliza un control escalar del motor tensión- frecuencia, en el cual todo se limita a mantener el flujo en el entrehierro constante, para no cambiar la curva de par- velocidad del motor de inducción, mientras se modifica la velocidad de giro del mismo.
La curva Par-Velocidad del motor de inducción no sufre ninguna modificación en su forma si se mantiene el flujo de entrehierro constante. El flujo de entrehierro es el cociente de la tensión de entrehierro y la pulsación eléctrica de alimentación. Si se modifica la frecuencia de alimentación para modificar la velocidad de la máquina y simultáneamente se modifica en la misma proporción la tensión de entrehierro, el módulo del flujo de entrehierro permanece inalterado (lógicamente la velocidad de rotación del vector espacial asociado cambiará a la nueva frecuencia de alimentación).
La única diferencia en la curva par-velocidad, será su desplazamiento a la nueva velocidad de sincronismo.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 21 Un ejemplo de las curvas par-velocidad obtenidas se presenta en la
Figura 1.
Figura 1. Curvas par-velocidad a distintas frecuencias de alimentación con estrategia flujo de entrehierro constante.
Sin embargo, no se tiene acceso a la tensión de entrehierro, sino a la tensión de alimentación.
La diferencia entre la tensión de alimentación y la de entrehierro es, básicamente, la caída de tensión en la resistencia e inductancia de dispersión de estator. A frecuencias medias y cercanas a la nominal, dicha caída de tensión es despreciable frente a la de alimentación, pero a bajas frecuencias puede tener efectos importantes. Una muestra de ello es la Figura 2. Curvas par-velocidad a distintas frecuencias de alimentación con estrategia V/f constante.. Se observa, que a baja frecuencia la curva par-velocidad cae sensiblemente: al caer el flujo de entrehierro, fruto de la caída de tensión en resistencia e inductancia de dispersión de estator, que hace que la tensión de entrehierro caiga en una mayor proporción que la de alimentación.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 22 Figura 2. Curvas par-velocidad a distintas frecuencias de alimentación con
estrategia V/f constante.
Una solución técnicamente muy sencilla, es la compensación de la caída de tensión en la resistencia de estator a baja frecuencia (que se suele considerar la más importante, aunque esto no tiene porque ser cierto). Es decir, la relación V/f se hace algo mayor de lo habitual, desde cero hasta un determinado valor de la frecuencia de alimentación (por ejemplo w= 0.5 pu). La forma en que dicha relación varía depende del sistema de control, pero es habitual la cuadrática o la lineal.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 23 En el control vectorial, se tiene en cuenta la posición del vector campo magnético del rotor en cada momento, lo que lo hace mucho más sofisticado y eficiente que el control escalar, ahora se va a analizar un poco más en profundidad.
MODELO MATEMATICO DEL MOTOR
Partiendo de las ecuaciones dinámicas del motor y expresándolas en un sistema de referencia solidario al flujo de enlace rotórico, ejes d y q de la Figura 3 , se obtiene un modelo similar al de una máquina de continua.
Figura 3. Sistema de coordenadas del campo
Las ecuaciones resultantes quedan:
Donde:
is Vector de corriente estatórico isd Componente de eje d del vector is
isq Componente de eje q del vector is
imr Corriente magnetizante de rotor.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 24 Ce Par eléctrico
L11 Inductancia propia de estator L22 Inductancia propia de rotor L12 Inductancia mutua estator - rotor Tr Constante de tiempo de rotor σr Constante de dispersión de rotor
ρ = θs Argumento de imr en coordenadas de estator
En analogía con la máquina de continua, en donde el par eléctrico resulta del producto de la corriente de excitación y la corriente de armadura, el par es producto de isq , proyección de la corriente estatórica sobre el eje de referencia q e imr corriente que genera el flujo de enlace rotórico. Esta forma de escribir las ecuaciones, deja en evidencia que es posible controlar el flujo de enlace rotórico a través de isd y el par a través de isq.
La Figura 4 a) modelo, b) esquemas de control muestra los esquemas de control a utilizar.
Figura 4 a) modelo, b) esquemas de control
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 25 ESQUEMA DE POTENCIA
El motor de inducción es alimentado a través de un inversor, el cual opera a partir de corriente continua. Esta corriente continua es regulada a través de un puente rectificador de tiristores trifásico y una bobina y un condensador de filtro L-C en el bus de continua.
La Figura 5. Esquema de potencia muestra el esquema de potencia completo.
Figura 5. Esquema de potencia
El puente inversor mostrado en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.Figura 5. Esquema de potencia es un dispositivo que permite convertir corriente continua en corriente alterna trifásica.
Los inversores controlados son de dos tipos: los VSI o inversores fuente de voltaje y los CSI o inversores fuente de corriente.
Los inversores controlados son en realidad convertidores de cuatro cuadrantes, es decir, el flujo de potencia instantánea (Po= Vo* Io) durante dos intervalos no continuos de cuatro posibles viaja del lado de continua al lado de alterna correspondiéndole un modo de operación de inversor. Sin embargo, durante los dos intervalos restantes no
continuos, la potencia instantánea fluye del lado de alterna al lado de continua, lo cual corresponde a un modo de operación de rectificador. Las variables empleadas para detectar dicho comportamiento son las correspondientes a la salida del inversor Vo e Io, como se aprecia en la Figura 6.
Inversor
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 26 Figura 6
Funcionamiento básico de un PWM:
Con el propósito de obtener una señal de voltaje a la salida del inversor con la frecuencia deseada, se compara una señal de control senoidal a la frecuencia deseada con una señal de onda triangular. La frecuencia de la onda triangular corresponde a la frecuencia de interrupción del inversor y por lo general se mantiene constante. La frecuencia de la señal de control es conocida como la frecuencia moduladora (de la senoidal), mientras que la frecuencia de interrupción es conocida como frecuencia portadora (de la triangular). La señal de control se utiliza para modular la razón de servicio del interruptor. De lo anterior, se desprende que en la señal de salida es
inevitable la presencia de armónicos y por tanto existen ciertas desviaciones de la señal de onda seno según nuestro interés.
La razón de modulación de la amplitud se verifica por la Fórmula 1 :
tri control
a V
M =V Fórmula 1
Donde:
Vcontrol : amplitud pico de la señal de control.
Vtri : amplitud pico de la señal triangular.
La razón de modulación de la frecuencia se describe por la Fórmula 2:
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 27 F1
Ma = Fs Fórmula 2
En donde:
Fs : frecuencia de conmutación en los interruptores F1 : frecuencia modulante.
Los voltajes de salida que se obtienen dependen de la comparación de la señal triangular y la señal senoidal de control y de la condición de los interruptores como se muestra a continuación (Figura 7 y Figura 8):
Figura 7
Cuando Vcontrol > Vtri y S1 está encendido, entonces Vo= Vdc/2 Cuando Vcontrol < Vtri y S2 está encendido, entonces Vo= −Vdc/2
Figura 8
Para este inversor PWM no es posible obtener condiciones de encendido simultáneas en los interruptores S1 y S2 y su voltaje siempre oscilará entre Vdc/2 y −Vdc/2.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 28 INVERSORES TRIFÁSICOS
Es posible alimentar cargas trifásicas, por medio de inversores monofásicos separados.
Cada inversor produce una salida a la frecuencia fundamental, desfasada 120° con respecto a otra.
El circuito inversor trifásico más frecuente consta de tres ramas, una para cada fase.
Para obtener voltajes trifásicos equilibrados a la salida del inversor PWM, se compara una señal triangular, con tres tensiones de control senoidales con 120° de desfase entre ellas. En este tipo de inversor, los armónicos en las tensiones de línea a línea son los más importantes. Los armónicos en la salida de cualquiera de las ramas son impares y aparecen con sus anchos de banda, centrados alrededor de mf y de sus múltiplos, siendo mf impar. La diferencia de fase entre el armónico mf en VAN y VBN, está dado por la relación 120° * mf. La diferencia de fase llega a ser cero, si mf es impar y múltiplo de 3.
En consecuencia, el armónico en mf es suprimido en el voltaje de línea a línea VAB. La misma situación ocurre con los armónicos múltiplos impares de mf.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 29
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 30
¿QUÉ ES UNA FPGA?
Es necesario explicar lo que es una FPGA dado que la tarjeta interface para el PC diseñada por el Departamento de Electrónica y Automática (DEA) de ICAI utilizó una como parte principal de funcionamiento de la tarjeta. En la tarjeta se programaron todas las funciones necesarias para generar PWM y para leer datos desde un encoder. El resto de componentes de la tarjeta se utilizan para adecuar las señales eléctricas de entrada y salida a los valores necesarios.
FPGA es el acrónimo de Field-programmable gate array (Matriz de puertas
programable por un usuario en el 'campo' de una aplicación). Se trata de dispositivos electrónicos digitales programables de muy alta densidad.
Internamente una FPGA es una serie de pequeños dispositivos lógicos, que algunos fabricantes llaman CLB, organizados por filas y columnas.
Entre los CLB hay un gran número de elementos de interconexión, líneas que pueden unir unos CLB con otros y con otras partes de la FPGA. Puede haber líneas de distintas velocidades.
También hay pequeños elementos en cada una de las patillas del chip para definir la forma en que ésta trabajará (entrada, salida, entrada-salida...). Se suelen llamar IOB.
Aparte de esta estructura, que es la básica, cada fabricante añade sus propias ideas, por ejemplo hay algunos que tienen varios planos con filas y columnas de CLB.
Entrando en detalle, la arquitectura de un FPGA (Field Programmable Gate Array) consiste en arreglos de varias celdas lógicas las cuales se comunican unas con otras mediante canales de conexión verticales y horizontales como se muestra en la siguiente figura.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 31
Figura 9. Arquitectura básica de un FPGA
Cada celda lógica es similar a los bloques lógicos de un CPLD. La estructura de las celdas lógicas y las formas en que estas pueden ser interconectadas, tanto salidas como entradas de la celda, varían de acuerdo al fabricante. En general una celda lógica tiene menos funcionalidad que la combinación de sumas de productos y macroceldas de un CPLD, pero como cada FPGA tienen una gran cantidad de celdas lógicas es posible implementar grandes funciones utilizando varias celdas lógicas en cascada.
Además de las celdas lógicas también es importante la tecnología utilizada para crear las conexiones entre los canales, las más importantes son las siguientes.
Tecnología antifuse: Al igual que la tecnología PROM son programables una sola vez y utilizan algo similar a un fusible para realizar las conexiones, una vez que es programado éste ya no se puede recuperar. Al contrario que un fusible normal, estos anti - fusibles cuando son programados producen una conexión entre ellos por lo que normalmente se encuentran abiertos. La desventaja es que no son reutilizables pero por el contrario disminuyen considerablemente el tamaño y costo de los dispositivos.
Tecnología SRAM: Las celdas SRAM son implementadas como generadores de funciones para simular lógica combinacional y, además, son usadas para controlar multiplexores e interconectar las celdas lógicas entre si (similar a un CPLD).
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 32 Celdas Lógicas:
La estructura de las celdas lógicas se ve fuertemente influida por la tecnología utilizada para fabricar el FPGA. Un FPGA que tiene una gran cantidad de canales de interconexión tiende a tener pequeñas celdas lógicas con muchas entradas y salidas en comparación con el número de compuertas que tiene la celda, este tipo de FPGAs generalmente utilizan tecnología ANTIFUSE.
Un FPGA que tiene una estructura pequeña en canales de interconexión tiende a tener grandes celdas lógicas con pocas entradas y salidas en comparación con el número de compuertas que hay en la celda. Este tipo de FPGA generalmente está hecho con tecnología SRAM.
Una arquitectura con celdas lógicas pequeñas nos permite utilizar totalmente los recursos del dispositivo. Sin embargo, si las celdas lógicas son demasiado pequeñas entonces sucede que tendremos que utilizar un gran numero de estas en cascada para poder implementar funciones booleanas grandes, lo cual afecta porque cada celda lógica en cascada agrega un tiempo de retardo en la función implementada.
Cuando el tamaño de la celda lógica es grande sucede lo contrario. En este tipo de celdas lógicas es posible utilizar un gran número de compuertas por lo que podemos implementar funciones booleanas de varios términos con pocas celdas lógicas. El que el tamaño de la celda sea grande no afecta la frecuencia máxima de trabajo porque estamos hablando de que existe un gran número de compuertas que pueden ser usadas en la función al mismo tiempo, siendo el mismo tiempo de retardo para todas. En cambio cuando la celda lógica tiene pocas compuertas es necesario utilizar las compuertas de otra celda para poder implementar la misma función y se acumula el tiempo de retardo de las compuertas de la otra celda. Sin embargo, cuando las funciones son pequeñas en comparación con el tamaño de la celda no es necesario utilizar todas las compuertas de la celda, por lo que este tipo de celdas no son precisamente las más indicadas para desempeñar pequeñas funciones.
La tecnología SRAM y ANTIFUSE son comúnmente utilizadas por la mayoría de los fabricantes. La tecnología SRAM es utilizada por Altera, Lucent Technologies, Atmel, Xilinx y otros. La tecnología ANTIFUSE es utilizada por Cypress, Actel, QuickLogic, y Xilinx.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 33 Por lo tanto los CLB contienen en su interior elementos de hardware programables que permiten que su funcionalidad sea elevada. También es habitual que contengan
dispositivos de memoria.
La tarea del programador es definir la función lógica que realizará cada uno de los CLB, seleccionar el modo de trabajo de cada IOB e interconectarlos todos.
El diseñador cuenta con la ayuda de herramientas de programación. Cada fabricante suele tener las suyas, aunque usan unos lenguajes de programación comunes. Estos lenguajes son los HDL o Hardware Description Language (lenguajes de descripción de hardware): VHDL, Verilog, ABEL.
Las características de las FPGA son su flexibilidad, capacidad de procesado en paralelo y velocidad. Esto les convierte en dispositivos idóneos para:
• Simulación y depuración en el diseño de microprocesadores.
• Simulación y depuración en el diseño de ASICs.
• Procesamiento de señal digital, por ejemplo vídeo.
• Sistemas aeronáuticos y militares.
En el presente proyecto la FPGA de la tarjeta interface en cuestión es del fabricante ALTERA y el modelo en cuestión es el FLEX10K10. Para su programación se utiliza el software desarrollado por ALTERA llamado QUARTUS II, este software permite programar funciones lógicas dentro del esquema eléctrico de la FPGA. La FPGA permite que el número de componentes discretos necesarios para realizar análisis de entradas de lógica electrónica se reduzca mucho. Los multiplexores, contadores, flip- flops,.. necesarios en el esquema eléctrico de la tarjeta pueden ser diseñados y programados con un lenguaje de alto nivel, en concreto ALTERA emplea archivos Verilog y VHDL para la programación.
¿QUÉ ES UN ENCODER?
Un encoder es un dispositivo cuya entrada es un eje, diseñado para acoplarse a ejes de máquinas rotatorias, motores paso a paso, etc. cuya función es traducir la velocidad a la que rota el eje y la posición en cada momento del eje, habiendo marcado previamente un origen o posición inicial. Los encoders son muy empleados para medir con precisión
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 34 la velocidad a la que gira una máquina, y también en las máquinas de fabricación de control numérico, que utilizan motores paso a paso, para los avances de las guías en las que se colocan las piezas a mecanizar, etc.
El sistema empleado por un encoder incremental, (también llamados codificadores ópticos) para convertir una señal mecánica de rotación en señales eléctricas, consta en su forma más simple: De un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí. De un sistema de iluminación en el que la luz es colimada de forma correcta, y de un elemento fotorreceptor. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco transparente. Con esta disposición, a medida que el eje gire, se ira generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese cada marca, y llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje.
Existe, sin embargo, el problema de no saber si en un momento dado se esta realizando un giro en un sentido o en otro, con el peligro que supone no estar contando adecuadamente. Una solución a este problema consiste en disponer de otra franja de marcas, desplazada de la anterior de manera que el tren de pulsos que con ella se genere este desplazado 90° eléctricos con respecto al generado por la primera franja. Esto lo podemos ver en la Figura 10 donde tenemos el canal A, y un canal B que va decalado 90º eléctricos con respecto a este.
Figura 10
De esta manera, con un circuito relativamente sencillo es posible obtener una señal adicional, que indique cual es el sentido de giro, y que actúe sobre el contador correspondiente indicando que incrementa o disminuye la cuenta que se está realizando.
Es necesario además disponer de una marca de referencia sobre el disco que indique que se ha dado una vuelta completa y que, por tanto, se ha de empezar la cuenta de nuevo.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 35 Esta marca sirve también para poder comenzar a contar tras recuperarse de una caída de tensión.
En el proyecto se va a emplear un encoder rotatorio de 1024 franjas divisorias en el disco, lo que multiplicado por la cuenta de franjas de subida y de bajada y por el hecho de tener los dos canales desfasados 90º eléctricos permite multiplicar por 4 la
resolución, lo que supone tener una resolución de 4096 pulsos en cada vuelta completa del encoder. Las señales eléctricas del encoder van a ser transmitidas a un puerto de entrada que posee la tarjeta interfaz del DEA y de esta manera será posible capturar la velocidad de giro del eje de la máquina eléctrica, acoplando el eje del encoder a la misma.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 36
1.3. Objetivos.
1.- Estudio de los sistemas de generación de PWM de Control Techniques obteniendo esquemas eléctricos del equipo. Localización de los controladores de pulsos.
2.- Estudio de la posibilidad de incorporar un control paralelo de los mismos.
3.- Implantación de un control paralelo, en el sistema de Control Techniques. El control se realizará mediante una tarjeta específica, introducida en el PC y gobernada desde Simulink.
4.-Implantación en Simulink de un control vectorial sencillo, en un motor de inducción.(*)
5.- Comprobar el correcto funcionamiento del sistema. (*)
* Debido a la avería que se produjo en el variador Control Techniques durante su manipulación estos dos últimos puntos del proyecto no se pudieron realizar, por lo que fueron sustituidos por otros dos objetivos que son los siguientes:
4*.- Estudio de los puertos de entrada de la tarjeta del objetivo 3, aprovechando la posibilidad de adquirir datos de un encoger, a través de la tarjeta para PC. Implantación de la medida del encoder a través de Simulink.
5*.- Estudio de un presupuesto para fabricar un variador completo, a partir de módulos disponibles en el mercado.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 37
1.4. Metodología y recursos.
El esquema general de control de un motor de inducción, se muestra a continuación:
Lazo de realimentación
Motor de inducción
En el esquema, podemos ver que el variador que se pretende modificar en el proyecto.
Dispone de sistemas de realimentación, para informar al propio control, de las intensidades y las tensiones con las que se está alimentando al motor de inducción. Esto es, porque el variador universal Unidrive LV 3201, permite el control de motores de inducción y servomotores en lazo abierto y cerrado.
En el control vectorial que se pretende implantar, por medio de un PC, con una tarjeta interfaz no se puede acceder a los lazos de realimentación, y se confía en que al conmutar a control vectorial, el control escalar del propio variador no interfiera en el funcionamiento del variador, al observar las señales que le lleguen del lazo de realimentación.
PC
(Control vectorial) Control Techniques
(Control escalar)
Variador Control techniques Conmutador de
control Escalar/Vectorial
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 38 En el esquema se empleará:
-Un motor eléctrico asíncrono.
-Variador tensión frecuencia, que se utilizará como accionamiento del motor asíncrono.
-Tarjeta interface generadora de pulsos PWM, del departamento de electrónica de ICAI.
-Un encoder para obtener la velocidad de giro del motor asíncrono en el eje.
-MatLab y Simulink como plataforma de desarrollo.
-ORCAD para el diseño de la placa de conmutación de los controles.
-Quartus II de ALTERA para la reprogramación de la tarjeta interface del PC.
-Un modelo sencillo de control vectorial, para comprobar el correcto funcionamiento del sistema, una vez hechas las modificaciones necesarias para la implantación de un control vectorial.
La metodología a seguir es la siguiente:
1.- El primer paso es desmontar el variador comercial, con las herramientas necesarias.
Es necesario hacer un estudio de la placa integrada del dispositivo de Control Techniques, para conocer su funcionamiento y sus esquemas eléctricos y así poder implantar el control vectorial, esto se realizara mediante el uso de polímetros y osciloscopios.
2.- Fabricar un dispositivo eléctrico, que nos permita alternar el control escalar (propio del variador Unidrive) con el control vectorial (implantado desde un PC), esto se
realizará con el uso de un grupo de relés, montados sobre una placa de circuito impreso.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 39 3.- Realizar un esquema sencillo de simulación en Simulink, para poder implantar un control vectorial desde el PC, y ejecutarlo en tiempo real mediante el uso de la herramienta Real Time Windows Target de Matlab. Para poder controlar el motor de inducción en tiempo real. Compilar los drivers de la tarjeta para que funcionen correctamente en Matlab sobre Windows, dado que la tarjeta interface sólo ha sido probada en sistema operativo Linux.
4.- Reprogramar la tarjeta interface del PC, para poder adquirir por un puerto de entrada de la misma, la señal de un encoder, que nos informe de la velocidad de giro del eje del motor.
5.- Buscar en los actuales fabricantes del mercado de electrónica de potencia, los componentes necesarios para fabricar un variador por partes, aprovechando que el control lo tenemos a través de un PC, con el uso de una tarjeta interface.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 40
Capítulo 2 Descripción del modelo desarrollado
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 41 En el presente proyecto, se han ido planteando una serie de pasos a seguir, para poder implantar en el variador comercial del laboratorio un control vectorial.
El primer paso es la implantación física de los componentes electrónicos necesarios, para poder controlar el variador desde un PC.
Los siguientes pasos se, refieren más a lo que constituye la parte más teórica y de programación, como usuario de un PC, para poder adaptar la tarjeta interface entre el ordenador y el variador, a las exigencias del sistema operativo del PC, que en este caso se trata de Microsoft Windows NT 4.0.
Para lo que habrá que programar en lenguaje C, los drivers que necesita la tarjeta.
Posteriormente nos centraremos en lo que será el uso del módulo Simulink del
programa MATLAB, para realizar los esquemas de control en tiempo real, y poder así controlar un motor de inducción. Se puede también obtener información de su velocidad de giro, por lo que se puede cerrar un lazo de realimentación, si es que se quisiera ese tipo de control vectorial realimentado.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 42
2.1.- Estudio de los sistemas de generación de PWM de Control Techniques obteniendo esquemas eléctricos del equipo. Localización de los controladores de pulsos.
Para comenzar el análisis del equipo de generación de PWM de Control Techniques, se tiene que desmontar por completo, para analizar todos sus componentes y las funciones de los mismos. Se desmontará desde el nivel superior, en niveles sucesivos, dado que el equipo está construido sobre un chasis entero de aluminio, que no tiene ninguna apertura por la parte inferior, y sólo se puede tener acceso a su interior desde la parte superior.
-Se retira la carcasa del aparato, junto con su interfaz de usuario y queda al descubierto la parte eléctrica del equipo como se puede ver en la Fotografía 3.
Fotografía 3
-A continuación se retiran los componentes nivel a nivel como se ve en la Fotografía 4.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 43
Fotografía 4
-Se puede apreciar la bobina “DC CHOKE” del puente de continua, para el filtrado de armónicos. (Fotografía 5)
Fotografía 5
-Se localizan sobre la placa los conectores del puente de diodos rectificadores, que convierte la tensión alterna trifásica de la red en continua. Como se puede ver, todos los controles de la electrónica de potencia se encuentran integrados en la misma placa.
(Fotografía 6 y Fotografía 7)
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 44
Fotografía 6
Fotografía 7
-Se procede a retirar la placa de control de todo el sistema de electrónica de potencia, como se puede ver en la Fotografía 8. Apareciendo el dispositivo de interconexión entre los distintos componentes de potencia (IGBT, diodos y condensadores) consistente en una placa de plástico blanco aislante, que lleva en su interior los conductores (tiras de cobre) que unen los citados componentes. Este tipo de conexión eléctrica permite llevar grandes intensidades, desde los componentes de todo el sistema de electrónica de potencia, hasta las bornas de entrada y salida del aparato, que se encuentran todas en la parte derecha del mismo, como se aprecia en la Fotografía 8.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 45
Fotografía 8
-Por último una vez retirada esta placa, quedan visibles los componentes de potencia.
( Fotografía 9)
Fotografía 9
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 46 Se aprecia en la Fotografía 9, que el esquema está compuesto por un puente de diodos rectificadores (abajo en color negro), con un chopper para una resistencia de frenado (abajo en color blanco junto al puente de diodos), dos condensadores en paralelo (en el centro del chasis), y los tres IGBT que reconvierten la tensión del puente de continua otra vez a tensión alterna.
-Puede verse con detalle, los conectores con los que se controlan los IGBT (Fotografía 10), ya que es lo que habrá que modificar, a fin de poder controlarlos con una tarjeta externa al equipo y poder hacer así control vectorial del motor, en lugar de control escalar tensión-frecuencia.
Fotografía 10
Una vez que ya se conoce todas las partes del variador, el estudio se va a centrar en la placa, en la que el fabricante ha integrado, todos los componentes de control de la
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 47 electrónica de potencia. A fin de realizar las modificar las conexiones necesarias de la placa, para aprovechar los drivers que el fabricante ha integrado en la misma.
En la Fotografía 11, puede verse la citada placa por su parte superior. Un problema muy importante que surgió es que se trata de una placa multicapa, por lo que seguir las pistas de conexión entre los diversos componentes, se convirtió en una tarea bastante complicada.
El principal objetivo, era averiguar cuáles eran los pines del conector, que mandaban las señales de onda PWM desde el control escalar del variador Unidrive, hasta la placa de control, para poder implementar un control paralelo desde el PC.
El conector en concreto se trataba de un conector de 38 pines del cual no se utilizan todos ellos. Se trató se sacar la mayor cantidad de pistas eléctricas posibles, como se puede ver en la Figura 11, pero aun así, las conexiones entre la gran cantidad de circuitos integrados que componen la placa, era una tarea ardua y prácticamente imposible de realizar, al tratarse de una placa de pistas multicapa, por lo que sólo se pudo ver la capa inferior y algo de la superior, siendo imposible averiguar las conexiones que hay en las capas intermedias.
Fotografía 11 Drivers de la placa para control de los IGBT
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 48 Figura 11
Por lo tanto, la siguiente tarea a realizar, sería utilizar un método de ingeniería inversa poniendo en marcha el variador , pero utilizando una placa con un conector intermedio, para poder “espiar” las señales que el control escalar del Unidrive, manda a la placa de control, durante su funcionamiento normal. De esta manera, se puede hacer una idea, del tipo de señal que va por cada canal, (o pin del conector) mediante el uso de osciloscopios, viendo la forma de onda de cada señal. Así se distinguirá por donde van las señales de disparo PWM, por donde van los lazos de realimentación, y por qué pines se alimenta a la placa con tensión continua.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 49 Para esto se hubo que diseñar una placa intermedia, en el canal de comunicación, entre el módulo de control escalar y la placa de control de la electrónica de potencia, con la ayuda del programa ORCAD (Fotografía 13 ). En la Fotografía 12 se puede ver el montaje realizado.
Fotografía 12
Fotografía 13
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 50
2.2.-Estudio de la posibilidad de incorporar un control paralelo de los controladores de pulsos PWM
Para poder implantar un control paralelo en el variador, surgieron dos posibilidades y cada una de ellas presenta sus ventajas y sus inconvenientes (Esquema 2). Estas dos alternativas dependen del grado de aprovechamiento de la placa integrada del variador, que se pueda llevar a cabo, durante el proceso de ingeniería inversa. Ya que en la primera posibilidad, se utilizaría un multiplexor montado sobre la misma placa, para cambiar las señales de control lógicas que le llegan a los drivers que integra el fabricante en la placa. En este último caso se tiene que conocer por donde van las pistas eléctricas, que llegan hasta los componentes que constituyen los drivers, lo que en principio resulta bastante complicado. La principal ventaja de esta primera posibilidad, reside en que se modifica el funcionamiento del variador con el mínimo número de piezas externas a él, lo que en principio asegura una mayor fiabilidad en el funcionamiento, aunque acarrea mayores problemas de incompatibilidad entre los drivers y la tarjeta interface del PC desarrollada por el departamento de electrónica.
Esquema 2
*DEA: Departamento de Electrónica y Automática de la Universidad Pontificia Comillas.
En la segunda posibilidad de modificar el control, se prescinde de analizar la placa del fabricante y se opta por controlar los IGBT directamente, mediante el uso de una tarjeta driver desarrollada por el departamento de electrónica, al igual que la tarjeta interface.
Variador V/f
PC
INTELIGENCIA
Tarjeta PWM
Driver del
variador Inversor
1ªPosibilidad Multiplexor
2ª Posibilidad Interruptor con relés DRIVERS
Driver DEA*
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 51 Esta opción asegura que no va a haber problemas de incompatibilidad entre estos dos componentes. Los inconvenientes de esta alternativa son principalmente, que la placa de control del variador al recibir señales de las corrientes y tensiones que se le está enviando a la máquina de inducción por cada fase, decida actuar por su cuenta bajando o subiendo la tensión del bus de continua del variador, con el fin de mantener esas variables en unos valores que tenga limitados, o que simplemente comience a funcionar de manera extraña, al darse cuenta de que no tiene el control sobre los IGBT. Otro inconveniente que se plantea, es el no poder utilizar el chopper de frenado, ya que se deja al variador sin control sobre los IGBT, por lo que no podrá controlar la cantidad de corriente que le está siendo devuelta al bus de continua. Con el peligro que supone sobrecargar los condensadores del bus, que podrían estropearse e incluso llegar a estallar, por lo que de ninguna manera se podrá usar el chopper de frenado que integra el variador de serie.
1ª Posibilidad:
En esta estrategia de modificación del variador. El conmutador de mando utilizado sería un multiplexor, puesto que las señales que se analizan, que son las que van desde el control escalar del variador hasta los drivers integrados en la placa, son de lógica electrónica y por lo tanto sus valores son 0V ó 5V; de lo que hace que el empleo de un multiplexor sea lo más apropiado para este caso. En concreto se elige un multiplexor modelo 74HC/HCT157, este multiplexor tiene 8 canales de entrada y 4 de salida (Figura 12), por lo que se necesitarán tres multiplexores en total, uno por cada IGBT, ya que cada IGBT tiene 4 conexiones eléctricas para su control. Toda la documentación referente al multiplexor se puede encontrar en el Anexo 2.
Así cada multiplexor mandaría las señales de PWM generadas por el control escalar del variador, o por el control vectorial del PC hacia su respectivo driver integrado en la placa del variador, y este driver se encargaría de manejar su IGBT correspondiente. El driver tiene en cuenta los tiempos de apertura y cierre que necesita el IGBT y vigila que no se produzca ninguna situación anómala dentro del mismo. Las señales que el driver envía al IGBT, ya no tienen los niveles de la lógica electrónica (0V ó 5V), sino que son tensiones y corrientes algo más elevadas aunque sin llegar a los niveles que maneja el
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 52 IGBT, puesto que en el IGBT hay un factor de ganancia que indica la relación entre la corriente de mando del IGBT y la corriente que es capaz de disparar el mismo.
En este caso al estar aprovechando gran parte del funcionamiento propio del variador, se espera que los lazos de realimentación que tiene el variador, para hacer control escalar en lazo, o simplemente para controlar todos los valores de tensiones y corrientes y mantenerlos dentro de unos márgenes adecuados de seguridad, no se verán del todo cortados. Por lo que el variador dará menos problemas en su funcionamiento.
Figura 12
El diseño de la placa en la que se integran los tres multiplexores para conmutación de señales, con el trazado de las pistas eléctricas necesarias, no se realizó finalmente debido a que la fase de monitorización del funcionamiento del variador no se pudo completar al averiarse el citado variador.
2ª Posibilidad:
Paralelamente se trabajó en la posibilidad de actuar directamente sobre los IGBT. Para lo cual se necesitaría una tarjeta driver diseñada por el departamento de electrónica de ICAI (Fotografía 14). De esta manera se evita investigar el funcionamiento de la placa integrada del variador. En este caso, el elemento conmutador entre el control escalar y el control vectorial, necesitará aguantar mayores corrientes que en la primera posibilidad, al no ser ya unas señales de lógica electrónica, sino de la señales con la tensión y las intensidad necesarias como para poder actuar sobre los IGBT.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 53 Por esto es que se eligió como elemento de conmutación unos relés para circuito impreso, al desarrollar la placa, se dimensionaron las pistas suficientemente anchas para las corrientes que iban a circular por ellas. Dado el número de circuitos a conmutar fueran necesarios seis relés en paralelo. Cada IGBT tiene 4 pines para su control y se tienen 3 IGBT, uno por cada rama del inversor, lo que hace que en total se necesite 12 pines de mando a la salida de la placa y dos entradas a la misma, cada una de ellas con 12 pines de conexión, una entrada será para el control escalar del variador Unidrive de Control Techniques y la otra para la tarjeta de drivers del departamento de electrónica.
Fotografía 14
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 54 En la Figura 13 se puede ver el esquema eléctrico de la placa de conmutación
desarrollada con el programa ORCAD.
Figura 13
En la parte derecha del esquema se aprecian las dos entradas a la placa: la que viene del control escalar, nombrada como “control techniques” y la que viene desde la tarjeta drivers, nombrada como “control ordenador”. Abajo a la izquierda se tiene la salida directa hacia los 12 pines de los IGBT.
Los componentes que se van a encargan de conmutar pista a pista son 6 relés de la marca OMRON modelo G5A – 1A DPCO, que soportan corrientes de hasta 1A que en
LS2
G5A-DPDT
10 8
7
3 5
6 12
1
LS3
G5A-DPDT
10 8
7
3 5
6 12
1
LS4
G5A-DPDT
10 8
7
3 5
6 121
LS5
G5A-DPDT
10 8
7
3 5
12 6 1
LS6
G5A-DPDT
10 8
7
3 5
12 6 1 LS1
G5A-DPDT
10 8
7
3 5
6 12
1
J1
CON12 1 2 3 45 6 7 8 910 11 12
J2
CON12 12 3 4 5 67 8 9 10 1112
J3 CON12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
-+
D4 W04G 2
1
3
4
+C1 220uF/25v SW1
T1
V-3,3VA-2x12V 1
2 3 45
6 D2
Theniques D3 Ordenador R11K R21K
J4
220V 1 2
CONTROL TECHNIQUES
SALIDA A IGBT
CONTROL ORDENADOR
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 55 este caso son más que suficientes para poder mandar sobre los IGBT, ya que se necesitan corrientes del orden de miliamperios.
En la figura a la izquierda de los relés, está la alimentación a los mismos, una fuente de alimentación de corriente continúa de 12V. La alimentación de los relés, por lo tanto necesita que partiendo de 220V de alterna monofásica pasemos a 12V de continua. Para esto hay que recurrir al uso de un transformador de 220V / 12V y un puente rectificador de diodos que pase los 12V de alterna del secundario a continua. En el esquema eléctrico se puede apreciar en la Figura 14 que el transformador tiene dos secundarios que conectamos en paralelo para obtener más corriente, el transformador elegido es del tipo encapsulado con una tensión de aislamiento 5KV y cumple las normas VD0551/EN60742 de sobrecargas.
Figura 14. Detalle de la alimentación de la placa
A la salida del puente rectificador en onda completa se tiene un condensador para filtrar la componente alterna. Lo siguiente que se ve en el esquema, es el interruptor manual
“SW1”, mediante el que se elige el tipo de control, y en cada posición se ilumina un diodo LED distinto, para informar al usuario qué tipo de control está activado, cada diodo LED va acompañado de una resistencia de 1K para limitar la corriente a 10mA.
Por desgracia al volver a montar el variador para poder llevar a cabo el “espionaje” de su funcionamiento y así conocer la viabilidad de la 1ª posibilidad, el variador dejó de
LS1
G5A-DPDT
10 8
7
3 5
6 12
1
-+
D4 W04G 2
1
3
4
+ C1 220uF/25v SW1
T1
V-3,3VA-2x12V 1
2 3 4 5
6 D2
Theniques R 1 R2
1K J4
220V 1 2
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 56 funcionar y tras varias semanas de montaje y desmontaje de todos sus componentes no fue posible dar con el fallo. Posiblemente se encontrarse en la placa integrada, puesto que los ventiladores con los que cuenta, para la refrigeración de los componentes de electrónica de potencia, se alimentan directamente de esta placa en cuanto se conecta el variador a la red trifásica y estos no se movían. En la Fotografía 15 puede verse el transformador que utiliza el fabricante, para aislar la parte de lógica electrónica de la parte de los drivers y que aprovecha también para alimentar a los ventiladores del equipo.
Fotografía 15
Este fallo tiene difícil solución, por que es posible que las conexiones al transformador pueden estar hechas en capas intermedias, además de en la capa superior, por lo que la reparación del variador tendrá que ser realizada por el fabricante del variador. Que se encuentra disponible solamente en Inglaterra y que seguramente necesitará un plazo de
Transformador de aislamiento galvánico de la placa
Conector que alimenta a los ventiladores
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 57 tiempo para la reparación de unos 3 ó 4 meses. Este tiempo de reparación es demasiado elevado para que el proyecto pueda continuar su planteamiento inicial, por lo tanto los tres últimos objetivos de proyecto han de ser replanteados y ya no se podrá contar más con el variador Unidrive, para llevar el control vectorial a la práctica.
2.3.- Implantación de un control paralelo en el sistema de Control Techniques. El control se realizará mediante una tarjeta específica introducida en el PC y gobernada desde Simulink.
Este es el apartado a partir del cual el proyecto con su planteamiento inicial se vio truncado, la implantación del control paralelo en el variador Unidrive no se pudo llevar a la práctica debido al fallo del mismo, tal y como se ha comentado antes. La placa diseñada mediante el programa ORCAD no se llegó a fabricar y simplemente se guardó el archivo de su diseño para posteriores proyectos.
El control que se iba a llevar a cabo por medio de una tarjeta interface introducida en el PC, se prosiguió, a fin de programar los drivers necesarios para su funcionamiento bajo el sistema operativo Windows, en lugar de lo que se había estado utilizando hasta la fecha con esa tarjeta, que era es sistema operativo (o plataforma) Linux.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 58
2.4*.- Estudio de los puertos de entrada de la tarjeta del objetivo 3, aprovechando la posibilidad de adquirir datos de un encoder a través de la tarjeta para PC. Implantación de la medida del encoder a través de Simulink.
En este nuevo apartado se va a aprovechar todas las posibilidades de la tarjeta que se introduce en el PC. En esta tarjeta se ofrece la posibilidad de, a parte de poder controlar un variador mediante los generadores de pulsos PWM que se han integrado en ella, poder leer información de un encoder mediante el puerto de entrada que tiene para este fin.
Esta tarjeta utiliza una FPGA (Field Programmable Gate Array) de la compañía ALTERA, para poder programar sus funciones lógicas, y así poder combinar de distintas posibilidades el funcionamiento de los generadores de pulsos PWM y la entrada de información del encoder de que dispone la tarjeta.
De esta forma, se pueden plantear distintas estrategias de control de las máquinas eléctricas, en función del tipo de realimentación que se use en el control, que puede ser tanto escalar como vectorial.
Dado que esta tarjeta esta diseñada para ser utilizada con el programa informático MATLAB y dentro de éste utiliza el módulo Simulink, para el funcionamiento en tiempo real, en lugar de en tiempo de procesador. Mediante una serie de drivers que aplica sobre el sistema operativo, que en el caso de este proyecto es Windows. Esto permite poder controlar motores eléctricos en tiempo real, y diseñar esquemas de control para motores eléctricos bastante complejos y con distintos tipos de señales de realimentación: entre las intensidades y tensiones de entrada al motor y las de circulación por sus arrollamientos, entre la velocidad de giro del motor y las U e I que le enviamos a la entrada al motor, etc.
En este proyecto sólo se tiene como señal para realimentación la velocidad de giro recogida mediante un encoder.
La tarjeta que se introduce en el PC, utiliza un bus ISA para conectarse con el ordenador y dispone además de un puerto RS-232 para poder reprogramar la FPGA que integra.
Autor: Francisco Aragoncillo Hernán Página 59 Esta tarjeta se encarga de interconectar, las señales de salida PWM con las señales de entrada del encoder. En la Fotografía 16 se describen las partes principales de la tarjeta que se introduce en el PC, en especial los puertos de conexiones de entrada y salida a la tarjeta.
Fotografía 16 Conexión con PC mediante bus ISA
FPGA del fabricante ALTERA Modelo FLEX 10K10
Entrada del encoder a la tarjeta
Conector de salida hacia el inversor (tipo DB25)
Conexión RS-232 para la programación de la FPGA
Entrada de alimentación de 5V de continua necesaria durante la programación de la FPGA
Entrada de alimentación de 5V de continua necesaria durante el
funcionamiento del encoder
