Este documento corresponde al informe final del proyecto titulado Calibrador y Caracterizador de Sondas de Corriente. Está estructurado en base a la información mencionada en el documento Especificación de Requisitos (ER) versión 4.0, Especificación Funcional (EF) versión 3.0, Especificación Técnica (ET) versión' 2.0 y en el documento Resultados versión 1.0.
Prop´ osito del documento
Alcance del proyecto
Personal involucrado
Responsabilidad Supervisar y liderar el desarrollo del proyecto Datos de contacto [email protected].
Definiciones, acr´ onimos y abreviaturas
Descripci´ on del instrumento
Contexto del proyecto
Requerimientos
Cronograma del proyecto
En la fase previa al inicio del proyecto se analizaron los requisitos propuestos y el plan de trabajo. En la Figura C.1 se muestra un diagrama de bloques completo del dispositivo, junto con una explicación del funcionamiento de cada uno de sus bloques.
Dise˜ no de hardware
Generaci´ on de corriente
Se puede ver en detalle en la especificación funcional y en la especificación técnica, Anexos B y C respectivamente, prácticamente aumenta la corriente generada por el instrumento en el momento de la medición para llevar las sondas externas a escala completa.
Adecuaci´ on y filtrado de corriente
Resistencia de derivación Este componente se coloca en serie con el multiplicador de corriente para obtener un voltaje proporcional que luego será muestreado por el ADC después de pasar por el circuito de adaptación y filtrado. De aquí surge la atenuación de la banda de rechazo, por la que definimos el ancho de banda.
Dise˜ no de firmware
Generaci´ on de corriente
Este controlador permite realizar un seguimiento de la frecuencia fundamental para la que fue diseñado y sus armónicos. PWM La frecuencia de funcionamiento será fpwm = 100 kHz, lo que permite obtener los 1200 pasos permitidos por el comparador interno del periférico.
Adquisici´ on y procesamiento de se˜ nales
Se utilizaron dos canales, uno para cada rama, configurados para utilizar el mismo reloj y comparador interno.
Comunicaci´ on con la interfaz virtual
Dise˜ no de software
Construcci´ on
Pruebas
- Se˜ nales de disparo de la etapa de potencia
- Nodos del puente H
- An´ alisis por ramas
- Corriente de salida
Se realizaron mediciones del voltaje de los interruptores puerta-fuente de cada ramal y el voltaje del centro del mismo. En ambas imágenes se puede observar que las teclas superiores se apagan y posteriormente se encienden las inferiores, lo que limita la configuración del tiempo muerto.
Mejoras posibles
- Conmutaci´ on de los MOSFETs
- Adquisici´ on y filtrado
- Ripple de corriente
- Resoluci´ on de tensi´ on en el multiplicador de corriente
- Distorsi´ on por deadtime
- Frecuencia de adquisici´ on
La etapa diferencial no eliminó la conmutación de 24 V ya que estaba muy por encima del voltaje operativo máximo (5 V). Reducir la resistencia de la compuerta podría mejorar los tiempos de encendido y apagado, a costa de mayores pérdidas y efectos no deseados como el mencionado rizado.
Conclusiones del instrumento
Conclusiones del proyecto
En este proyecto se diseñó y construyó un calibrador y caracterizador de sonda actual. Finalmente, este proyecto ha permitido el desarrollo de un primer instrumento para la caracterización y adquisición de sondas de corriente.
Ficha del documento
Introducci´ on
Prop´ osito del documento
Alcance del documento
Personal involucrado
Definiciones, acr´ onimos y abreviaturas
Descripci´ on del dispositivo
- Perspectiva de producto
- Funcionalidad del dispositivo
- Caracter´ısticas de los usuarios
- Restricciones
Los usuarios del dispositivo serán aquellos estudiantes o investigadores que trabajen con sondas actuales y necesiten calibrarlas o caracterizarlas. El sistema requiere de una interfaz gráfica accesible por una computadora para su control.
Requerimientos funcionales
RF01: Generaci´ on y adquisici´ on de corriente
RF02: Sistema de control gr´ afico y gesti´ on de ensayos
Requerimientos no funcionales
RNF01: Registro de eventos
RNF02: Conexi´ on USB
Ficha del documento
Introducci´ on
- Prop´ osito del documento
- Alcance del proyecto
- Personal involucrado
- Definiciones, acr´ onimos y abreviaturas
- Referencias
- Riesgos y suposiciones
Una de las limitaciones a considerar es la disponibilidad de componentes. Esto puede afectar el tiempo de implementación de la solución, y en el peor de los casos será necesario rediseñar algunas partes de la misma. Otro riesgo asumido es la financiación por parte de la universidad, ya que puede haber limitaciones presupuestarias en el momento de la implementación.
Descripci´ on del dispositivo
Especificaciones funcionales
RF01: Generaci´ on y adquisici´ on de corriente
Esta corriente generada debe poder ser medida mediante sondas de corriente externas, que estarán conectadas al instrumento y permitirán la adquisición de estas medidas. El dispositivo contará así con tres puertos para esta tarea, uno de los cuales será exclusivo para las sondas Rogowski y el otro puertos genéricos para otras tecnologías. Una etapa de ajuste de señal permite eliminar el ruido y ajustar la ganancia de las señales adquiridas para la etapa de detección posterior.
RF02: Sistema de control gr´ afico y gesti´ on de ensayos
Amplitud RMS de la distorsión total de forma de onda (TWD) armónica, fundamental y continua. Los informes de las pruebas automatizadas deberían poder guardarse en formato PNG. Al usuario se le debe presentar una ventana donde puede seleccionar el nombre del archivo a guardar y su ubicación.
Los datos generados en los informes también deberían poder guardarse en formato CSV (valores separados por comas). Esto le dará al usuario acceso a los datos "sin procesar" y, por lo tanto, a un procesamiento adicional si es necesario.
Requerimientos no funcionales
RNF01: Registro de eventos
RNF02: Conexi´ on USB
Ficha del documento
Introducci´ on
- Prop´ osito del documento
- Alcance del proyecto
- Personal involucrado
- Definiciones, acr´ onimos y abreviaturas
- Referencias
- Estructura del documento
Protocolo de interfaz de aplicación API Formato de archivo de datos CSV Formato de archivo de imagen JPG.
Descripci´ on del dispositivo
Dise˜ no de hardware
Generaci´ on de corriente
La fuente de voltaje lógico VDD se conectará a 3,3 V, que es el voltaje de suministro del microcontrolador, y VSS se conectará a tierra. En los pines 8 y 7 se puede ver la conexión de la fuente flotante y su retorno, VB y VS. El objetivo de este bloque es proporcionar un voltaje mayor a 24V para activar la compuerta del MOSFET en la parte alta.
Durante el período en el que el MOSFET inferior está encendido, el condensador de arranque C52 se carga a través del diodo D6 al voltaje VCC, es decir, alrededor de 12 V. El primer paso es establecer la caída de voltaje máxima ∆VBS que puede ocurrir a través del capacitor de arranque Cbs para garantizar que el MOSFET del lado alto permanezca encendido. Para proporcionar las corrientes de alta frecuencia necesarias y aliviar los requisitos de la fuente de voltaje externa, se agrega el circuito de suministro de energía que ya se muestra en la Figura C.2c.
Adecuaci´ on y filtrado
La Figura C.8 muestra el circuito utilizado para diseñar la etapa de adaptación y filtrado. Si observa la figura C.9, verá una de las configuraciones más comunes que se encuentran en la literatura [2]. También se agregará una salida con el voltaje de referencia utilizado en la etapa de adaptación.
Por instrucciones del fabricante se añadió un condensador de desacoplamiento de 10 µF entre cada entrada y tierra, como se puede observar en la Figura C.10. Nuevamente, se deja un encabezado con pines expuestos en caso de que necesite utilizar esta función, como se puede ver en la Figura C.15. La Figura C.17 muestra el diagrama de bloques integrado interno, proporcionado por el fabricante.
Microcontrolador
Como puede ver en la Figura C.20, también agregamos resistencias pull-up de 100 kΩ y un capacitor de desacoplamiento a la salida de 3.3 V. USB VBUS: Genera la interrupción en el microcontrolador cuando se conecta al puerto USB al que está conectada la PC. . Es necesario ajustar el voltaje de entrada de 5 V con un divisor resistivo. USB DD: señal de transmisión de datos diferencial, cada una terminada con una resistencia de 22 Ω para mejorar la adaptación de impedancia.
En este caso se utilizó un puerto mini-USB, que es uno de los más utilizados y comunes en la industria. Se agregó una fuente de referencia para el ADC. Se eligió el chip ISL21010 3V0 por su facilidad de uso y disponibilidad. Encabezado que expone el DAC, ADC, UART y otros pines generales de entrada y salida como se ve en la Figura C.26a.
Fuentes de alimentaci´ on
Esta combinación de condensadores de desacoplamiento, uno electrolítico grande y otro cerámico más pequeño, permite aislar el circuito del ruido de baja y alta frecuencia proveniente de la fuente de voltaje. Se necesita una sola resistencia entre este pin y tierra para controlarlo, como se muestra en la Figura C.29. Este pin le permite ajustar el voltaje generado según la elección correcta de los valores de resistencia.
L1, C5, C6 y C7 conectados a SW formando así un filtro de paso bajo para generar el voltaje de salida. La fuente de 5 V alimenta el conversor analógico a digital, las fuentes de 3,3 V, 1,8 V, -5 V y los amplificadores operacionales utilizados en la etapa de adquisición y adaptación de la señal. El esquema de la fuente de 5 V es idéntico, siendo en este caso la versión integrada LM1117MP-5.0, con tensión fija para 5 V.
Dise˜ no de firmware
- Estructura general
- Generaci´ on de corriente
- Adquisici´ on y procesamiento de se˜ nales
- Comunicaci´ on con la interfaz virtual
Además, trabajamos con un modelo promedio, ya que la frecuencia de operación del PWM (100 kHz) estará muy por encima de la frecuencia máxima de operación del sistema de control. Además, adquirirá y procesará la señal procedente de la resistencia de medición en derivación para obtener información sobre la corriente generada. Amplitud armónica, distorsión de onda total (TWD) fundamental y continua C.5.3.1.
Se utilizará un algoritmo de medición de armónicos para obtener la amplitud RMS de los armónicos, fundamental e integral, utilizando transformadas discretas de Fourier de ventana deslizante modulada, o mSDFT, como su sigla en inglés. La distorsión de onda total (TWD) le permite cuantificar la distorsión armónica, incluida la distorsión de CC, los interarmónicos y/o el ruido, a diferencia de la distorsión armónica total (THD), que solo mide la distorsión armónica pura. Estos resumirán un período de 3 segundos de la señal y almacenarán los parámetros promedio, máximo y mínimo de ese tiempo.
Dise˜ no de software
- Estructura de clases
- Panel de comunicaciones
- Panel de estado
- Panel de funciones
Además, la clase BackendApi se encargará de la apertura de los puertos, es decir, conectar o desconectar el instrumento. La clase de backend contendrá la lógica para realizar funciones en el instrumento. A su vez, se comunicará con el Backend, el cual utilizará para realizar funciones en el instrumento y recibir datos.
Este panel se ubicará en la parte superior de la interfaz, en formato de barra horizontal. Se mostrarán todos los elementos relacionados con la configuración de la interfaz gráfica y del instrumento. Luego comenzará a pedirle, después de la solicitud del estado de la conexión, información sobre la última tendencia recibida en el dispositivo.
Construcci´ on
1 2 RESET ERASE: It integrates a pull-down resistor of about 100 kO to GND, so it cannot be connected for normal operations. NRST: It integrates a permanent pull-up resistor with VDDIO of about 100 kO PA6 PA23 PA24PB8 PB9 ADVREF. ADC_REF ADC_REF ADC_REF ADC_REF ADC_FORMAT0 ADC_FORMAT1 ADC_FORMAT2 ADC_MODE ADC_TEST0 ADC_TEST1ADC_CLKDIV.
