07 Cap 4 - Diseno de la Plataforma Experimental

CAPÍTULO
4
DISEÑO DE LA PLATAFORMA EXPERIMENTAL
En este apartado se consigna, la metodología del rebobinado del
generador de inducción de doble devanado trifásico independiente
y asimétrico, y se presenta el diseño electrónico utilizado para el
acondicionamiento de las señales provenientes de los distintos sensores,
tomando como referencia la placa de control MSK28335 basada en el
DSP de punto flotante TMS320F28335 fabricado por la empresa Texas
Instruments. Se prevé que la implementación de la plataforma de ensayo,
posibilite la extracción de resultados experimentales asociados a los
distintos algoritmos de control de corriente propuestos en el Capítulo
3 mediante simulaciones.
4.1.
Diseño del accionamiento hexafásico
El accionamiento electromecánico de seis fases, se ha diseñado
a partir de una máquina asíncrona originalmente trifásica de 15
kW de potencia nominal con 72 ranuras y tres pares de polos, este
accionamiento de la marca WEG fue adquirido en el marco del proyecto
85
4.1 Diseño del accionamiento hexafásico
86
de investigación cofinanciado por la FIUNA y el Conacyt1 , cuya carcasa
del estátor puede ser apreciada en la fotografía de la Figura 4.1 que
ha sido tomada antes de rebobinado del mismo y donde se aprecia
además el rotor de jaula de ardilla del accionamiento. Los bobinados
del estátor de la máquina original han sido rebobinados para construir
una máquina con una potencia nominal equivalente, con tres pares de
polos. La máquina de seis fases fue diseñada de manera a que posea dos
conjuntos de bobinados trifásicos separados en 30 grados eléctricos, con
neutros aislados2 .
Figura 4.1: Fotografía del accionamiento en la etapa de rebobinado.
En la Figura 4.2 , se muestra el diseño del bobinado de las fases
mediante una representación unifilar del bobinado, donde por motivos
de simplicidad para el diseño del diagrama se ha considerado un estátor
con 36 ranuras pudiéndose extrapolar el bobinado para el caso del
accionamiento de 72 ranuras. En las gráficas de la figura cada traza
de color representa una de las fases de la máquina. Esta propuesta se
basa en el estudio realizado por [51], donde se realiza un análisis de la
influencia del bobinado de la máquina sobre la inductancia mutua, entre
ambos bobinados trifásicos independientes en el accionamiento de seis
fases.
1
Conacyt: Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología.
Como han sido extraídos los 12 bornes, el accionamiento también podría ser utilizado
en la configuración con nuestros comunes.
2
4.2 Circuitos de acondicionamiento de señal
87
Figura 4.2: Diagrama del diseño del bobinado propuesto para tres fases de la máquina
de seis fases asimétrica.
4.2.
Circuitos de acondicionamiento de señal
En la Figura 4.3, se muestra el esquemático del diseño del circuito
correspondiente a la etapa de conversión de corriente a tensión (I-V), que
será utilizado para acondicionar las señales de los sensores de corriente
de efecto Hall de los convertidores SKS 35F, la salida de este circuito
será conectada directamente a la entrada de los conversores A/D de la
4.2 Circuitos de acondicionamiento de señal
88
placa de control (kit de desarrollo basado en el DSP TMS320F28335 de
la empresa Texas Instruments).
Figura 4.3: Esquemático del convertidor I-V diseñado para acondicionar las señales de
los sensores de efecto Hall.
Tal como puede apreciarse, el esquema diseñado posee un convertidor
de corriente a tensión basado en el amplificador de transimpedancia OPA
690 fabricado por la empresa Texas Instruments. En esta configuración
la sensibilidad del convertidor de I-V está determinada por el valor de
la resistencia Rf que se muestra en el esquemático. Por otro lado, la
capacitancia Cf que se muestra en el esquema permite compensar el
efecto del ruido de alta frecuencia introducido al convertidor, haciendo
4.2 Circuitos de acondicionamiento de señal
89
que la posición del polo en lazo cerrado quede definido mediante la
siguiente ecuación de diseño:
1
=
2πRf Cf
s
GBP
,
4πRf Cd
(4.1)
esta ecuación proporciona un ancho de banda (f−3dB ) aproximadamente
igual a:
f−3dB =
s
GBP
,
4πRf Cd
(4.2)
donde GBP representa el producto ancho de banda por ganancia del
amplificador operacional OPA 690. Teniendo en cuenta las ecuaciones
de diseño 4.1 y 4.2, y considerando una tensión de salida deseada de
±1.5 V, para una rango de corriente de entrada de ±25 mA, es posible
determinar el valor de la resistencia de realimentación (Rf = 56 Ω).
Una vez determinado el valor de la resistencia Rf , y conociendo
los requisitos de ancho de banda es posible determinar los valores de
los capacitores implícitos en el diseño Cd = 4,7 µf y Cf = 10 nf ,
respectivamente.
Finalmente, la salida del convertidor de I-V es conectada a un
amplificador en configuración sumador inversor, calibrado de tal forma a
que si la corriente circulante por el sensor de efecto Hall es cero, la salida
del amplificador de tensión sea de 1.5 V. De esta manera, la tensión
a la salida del amplificador operacional (U2) fluctúa entre 1.5 V. Esta
etapa se basa en un amplificador operacional de tensión de bajo ruido de
la serie OPA 350, donde la tensión de alimentación de este dispositivo
es positiva de 3 V, lo que proporciona un rango de excursión de señal
compatible con las entradas del conversor A/D de la placa de control. La
placa de acondicionamiento de señal posee cuatro esquemas idénticos,
uno para cada sensor de corriente de efecto Hall3 . En la Figura 4.4 puede
3
Cada convertidor de potencia incluye dos sensores de corriente de efecto Hall. Si el
sistema es equilibrado, la tercera componente de corriente puede ser calculada a partir
de las dos corrientes medidas.
4.3 Etapa de pre-actuación
90
I1 [A]
observarse una simulación donde se muestra la tensión de salida del
convertidor I-V diseñado para acondicionar la señal proveniente de los
sensores de efecto Hall.
0.02
0.02
X: 0.04
Y: 0.025
X: 0.04
Y: 0
0
0
-0.02
-0.02
Vo [V]
0
3
0.02
0.04
0.06
0.08
0
0.1
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
3
X: 0.04
Y: 1.503
2
2
1
1
0
0
0
I1 [A]
X: 0.04
Y: 0.1032
0.02
0.04
0.06
0.08
Vo [V]
0.04
0.06
0.08
0.1
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0
X: 0.04
Y: -0.025
-0.02
0.02
0.04
-0.02
0.06
0.08
0
0.1
3
3
X: 0.04
Y: 2.902
2
2
1
0
0
0.02
0.02
0
0
0
0.1
0.02
1
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0
Tiempo [seg]
Tiempo [seg]
Figura 4.4: Tensión de salida del convertidor I-V (Vo), en función a la corriente de
entrada (I1).
4.3.
Etapa de pre-actuación
La etapa de pre-actuación es un subsistema del Circuito de Acondicionamiento, cuya función principal es la de convertir los niveles de
tensión de los pines de salida del módulo PWM del DSP de la serie
TMS320F28335 utilizado para el control, cuyos niveles lógicos varían 0
V (nivel bajo) y 3.3 V (nivel alto), a valores de tensión discretos de 0 V (nivel bajo) y 15 V (nivel alto) compatibles con los niveles de operación del
módulo SKS 35F, además, esta etapa protege los periféricos del DSP a
4.4 Tarjeta conversora de protocolo
91
través de una red de aislamiento galvánico implementada utilizando los
aisladores de la serie ISO7230CDW de la empresa Texas Instruments. El
diseño implementado satisface las necesidades del sistema en cuanto a
ancho de banda y grado de protección. Así también se han incluidos un
conjunto de filtros a cada salida a fin de mejorar la respuesta transitoria
del esquema en lo que respecta a sobreimpulso máximo sin deteriorar
en forma significativa la velocidad de respuesta. En la Figura 3.7 se observa el diagrama circuital del sistema. La primera etapa del circuito
esta constituida por los aisladores galvánicos ISO7230CDW que se alimentan por un lado con fuentes de 3.3 V (equivalente a la tensión de
alimentación del DSP) y por el otro con fuentes de 5 V, estas señales son
aplicadas a las entradas de un buffer de corriente de la serie ULN2803
que proporciona en sus salidas tensiones de 0 V o 15 V.
4.4.
Tarjeta conversora de protocolo
Las computadoras utilizan el estándar RS232 para realizar una comunicación punto a punto con otra computadora o algún otro dispositivo,
el estándar RS232 utiliza una transmisión no balanceada a una distancia
máxima de 50m. Cuando se requieren mayores distancias y velocidades
de trasmisión, o se cuenta con dispositivos compatibles con el protocolo
RS485 (caso del Inversor de frecuencia) debe realizarse una conversión
de protocolo RS232 a RS485 para lograr la comunicación. Debido a que
la PC de control tiene como salida la interfaz RS232, y el inversor de
frecuencia soporta el protocolo de comunicación RS485 se hace necesaria la conexión de un módulo convertidor RS232 a RS485, para realizar
una comunicación entre la PC de control y el Inversor de frecuencia. En
los siguientes apartados se abordará el diseño de la tarjeta conversora
de protocolos separándolos en bloques entre los cuales se encuentra; el
conversor de niveles RS232 a TTL, conversor TTL a niveles RS485, los
terminadores de línea, conexiones de tierra, tipo de bus empleado y polarización de línea.
4.4 Tarjeta conversora de protocolo
Figura 4.5: Diagrama esquemático del circuito de pre-actuación.
92
4.4 Tarjeta conversora de protocolo
4.4.1.
93
Definición de bus Modbus de 2 y 4 hilos
El protocolo Modbus sobre la línea serie puede implementarse
mediante una interfase de dos o de cuatro hilos de conformidad con la
norma EIA/TIA-485. En cualquier caso, tanto en la interface de 2 hilos
como en la de 4 hilos, un solo dispositivo (driver) tiene el derecho de
transmisión, debido a que el tipo de comunicación que utiliza el protocolo
RS485 es half-duplex. Cualquiera de los terminales puede ser transmisor
o receptor y nunca deberá haber dos transmisores simultáneos ya
que ocurrirá una inevitable colisión de datos que hará ilegible la
interpretación de las instrucciones por parte del receptor. Receptores
pueden ser todos, pero transmisor debe haber uno solo por vez. En esta
aplicación no necesariamente la comunicación será establecida siempre
desde la PC de control al Inversor de frecuencia y viceversa. En la
implementación del bus RS485 de 2 hilos, debido a que existe sólo un
par de hilos para la comunicación, es necesario implementar un sistema
de control de flujo por hardware para la transmisión y la recepción de
datos a través del bus. El protocolo debe implementar una línea para
interconectar todos los dispositivos del bus: la línea común o masa.
La implementación del bus de comunicaciones RS485 para protocolo
Modbus desarrollada en este apartado se centrara en la versión de 2 hilos
junto con la línea común o masa debido a que es el sistema empleado por
el inversor de frecuencia CFW-09 utilizado para controlar el motor. Por
otro lado, el sistema de dos hilos obliga a implementar un control de
flujo por hardware de manera a sincronizar los estados de transmisión y
recepción entre los nodos presentes en la red.
4.4.2.
Conversor TTL-RS232
El paso previo para la conversión del estándar RS232 al RS485 es la
de convertir las señales RS232 en niveles lógicos TTL, esta adaptación de
niveles se realiza mediante el integrado MAX232. El circuito integrado
MAX232 lleva internamente dos conversores de niveles TTL a RS232
y otros dos de RS232 a TTL posibilitando el manejo de cuatro señales
del puerto serie de la PC, generalmente son más utilizadas las señales;
4.4 Tarjeta conversora de protocolo
94
Figura 4.6: Diagrama esquemático diseñado para la etapa de conversión de niveles TTL
a RS232.
TX, RX, RTS, CTS, de las cuales las dos últimas son utilizadas para
realizar el control de flujo por hardware o handshaking, necesario para
el esquema de transmisión del bus RS485 con dos hilos. Para que
el MAX232 funcione adecuadamente se debe colocar unos capacitores
externos, utilizados para elevar el nivel de tensión de 5 V de la lógica
TTL a los niveles del estándar RS232. En la Figura 4.6 puede observarse
el diagrama esquemático diseñado para la etapa de conversión de niveles
TTL a RS232. Para la implementación del conversor se utilizan las
señales TX, RX así como las señales de control RTS/CTS interconectadas
entre sí de forma similar al control de flujo por hardware entre dos PC.
4.4.3.
Conversor TTL-RS485
Esta interfaz se utiliza para convertir señales de niveles TTL a
niveles del estándar RS485. La conversión se realiza mediante los
circuitos integrados conversores de protocolos ISO3088 de la empresa
4.4 Tarjeta conversora de protocolo
95
Figura 4.7: Diagrama esquemático de la etapa de conversión entre niveles TTL y RS485.
Texas Instruments. Estos conversores poseen aisladores galvánicos
incorporados de manera separar las etapas TTL de la RS485 reduciendo
la influencia de señales de ruido externas.
El diagrama esquemático de la etapa de conversión entre niveles TTL
y RS485 se muestra en la Figura 3.9. Cabe mencionar en este punto
que los aisladores galvánicos utilizados en la etapa de conversión de
niveles de tensión proporcionan robustez al diseño implementado con
respecto a la inmunidad al ruido que puede introducirse a través de los
terminales de referencia (tierra) debido a que las referencias del maestro
Modbus (PC de control) y el esclavo Modbus (Inversor de frecuencia) no
están conectadas. Esta característica puede apreciarse en la Figura 4.8
donde se muestra el esquemático de la fuente de alimentación con tierras
independientes implícitas la placa de conversión de protocolos.
4.5 Tarjeta de control para las resistencias de pre-carga
96
Figura 4.8: Diagrama esquemático de las fuentes de alimentación de los aisladores
galvánicos donde se muestran las tierras independientes (GND1 y GND2).
4.5.
Tarjeta de control para las resistencias de
pre-carga
Los módulos de la empresa Semikron utilizados para el desarrollo del
proyecto previamente mencionado, poseen internamente una resistencia
de pre-carga de manera a limitar la corriente sobre los capacitores
que según especificaciones del fabricante, deberán permanecer activas
mientras el banco de capacitores (que conforma el DC-link) alcanza su
carga nominal. En este contexto, y con la finalidad de automatizar el
control de las resistencias de pre-carga, se ha diseñado una tarjeta de
control, previendo dos modos de operación; por hardware o software,
respectivamente. La tarjeta consta básicamente de los siguientes bloques
funcionales:
1. Bloque de entrada: su función consiste en detectar la activación de
la plataforma, una vez activada la alimentación de la bancada de
prueba, una señal sinusoidal energiza la bobina de un relé que a su
vez genera una señal de 15 V que indica a los bloques adyacentes
el inicio de la carga de los capacitores.
4.5 Tarjeta de control para las resistencias de pre-carga
97
Figura 4.9: Diagrama esquematico de la tarjeta de control para las resistencias de precarga.
2. Bloque de retardo de activación por hardware: este bloque posee un
sistema de retardo empleando un oscilador monoestable de la serie
NA555 como elemento principal, en el Pin 3 de este dispositivo,
se tiene en reposo una señal de 0 V, una vez que es energizada
la bancada de ensayo, el bloque de entrada transfiere una señal
de activación a los Pines 2 y 6 del oscilador, cuando esta señal
alcanza su valor de disparo, la señal de salida del subsistema
toma el valor de +15 V, activando el relé de salida y desconectado
de ese modo las resistencias de pre-carga. El tiempo en que la
señal de activación alcanza el umbral de disparo es configurable y
queda determinado por el valor del capacitor C1 y la resistencia de
entrada, que puede ser seleccionada a través de una serie de llaves,
cuyas combinaciones periten configurar el tiempo de activación
entre 1.2 a 15 segundos, aproximadamente.
4.5 Tarjeta de control para las resistencias de pre-carga
98
Figura 4.10: Implementación de la placa de control diseñada, para la resistencia de
pre-carga.
3. Bloque de interconexión con el DSP: su principal función es la
comunicar la activación de la plataforma experimental al módulo
DSP cuando el modo de control de la resistencia de pre-carga se
realiza por software. Este bloque, acondiciona la señal de activación
de la plataforma para enviarla al DSP y luego aplica la señal de
respuesta al relé para controlar la activación de las resistencias de
pre-carga, siguiendo el mismo criterio que para el caso anterior.
4. Bloque de salida: su principal elemento es un relé excitado por uno
de los bloques de activación, por hardware o por software, por medio
de un selector analógico acoplado a la tarjeta.
El diagrama esquemático de la electrónica de control para la
resistencia de pre-carga se muestra en la Figura 4.9. Por otro lado, en
la Figura 4.10 se puede observarse una fotografía de la implementación
de la placa de control diseñada.
4.6 Esquema general de la plataforma
4.6.
99
Esquema general de la plataforma
A partir de los módulos presentados en los apartados anteriores se ha
realizado el diseño del circuito impreso4 (PCB) utilizando la herramienta
de diseño Layout del Orcad, y la integración de los distintos componentes
que conforman la plataforma experimental.
Figura 4.11: Fotografía de los distintos componentes que conforman la plataforma
experimental.
En la fotografía de la Figura 4.11 (a), puede apreciarse la implementación final de la placa de acondicionamiento de señal, que además contiene la etapa de pre-actuación. Puede verse la disposición final del DSP
TMS320F28335 empotrado en la placa de acondicionamiento de señal y
la interconexión de ésta, con los demás dispositivos que conforman el sis4
“PCB”, en referencia a la nomenclatura anglosajona, “Printed Circuit Board”.
4.7 Conclusiones de capítulo
100
tema (Módulos SKS35F, Inversor WEG, dispositivos de protección, fuentes de alimentación, etc.). En la Figura 4.11 (b) se muestra la integración
de los componentes de la plataforma experimental. En la fotografía de
la Figura 4.11 (c), puede verse la tarjeta conversora de protocolo RS232RS485, cuyo diseño fue presentado en los apartados anteriores, y en la
Figura 3.13 (d) puede apreciarse el motor de inducción de seis fases rebobinado.
4.7.
Conclusiones de capítulo
La realización de simulaciones es un aspecto fundamental en las
propuestas de algoritmos de control, ya que con ello es posible obtener
datos importantes del desempeño del mismo, así como ajustar los
distintos parámetros de control. Sin embargo, el siguiente paso es la
validación mediante resultados experimentales. Por dicho motivo en este
capítulo se presentó el diseño de la bancada de ensayos experimentales,
que se encuentra funcionando de manera óptima y representa el punto
de partida para la extracción de resultados que avalen la eficiencia de los
métodos de control de corriento que han sido propuestos en el marco del
presente Trabajo Final de Máster.