UNIVERSIDAD AUTNOMA DESAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIASSistema de Control Retroalimentado V/Hzpara un Motor de Induccin Basado enMicrocontroladoresTESIS PROFESIONALPARA OBTENER EL TITULO DE:INGENIERO ELECTRNICOpresenta:Armando Alfonso Rodrguez Almendarezasesor de tesis:Dr. Daniel Ulises Campos DelgadoSan Luis Potos, S.L.P., Diciembre de2006ResumenEste trabajo de tesis presenta un controlador de velocidad escalar retroalimentadopara motores de induccin trifsicos diseado alrededor de un microcontrolador de 8-bits. Su funcionamiento est basado tanto en el control escalar de velocidad como en lamodulacin sinusoidal en espacio vectorial. El esquema de control embebido permiteal usuario ajustar sus parmetros de trabajo en tiempo real. Es un sistema compactoque integra un nmero mnimo de componentes electrnicos de reciente introduccinalmercado.Alnaldeltrabajosemuestranlecturasexperimentalestomadasconelprototipo nal, que demuestran su desempeo con un motor de induccin de 1 HP.IIndice generalCaptulos1. Introduccin 11.1. Mquinas de Induccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1. Construccin Bsica y Principio de Operacin . . . . . . . . . 31.1.2. Velocidad de un Motor de Induccin . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.3. Tipos de Motores de Induccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.4. Motor de Induccin Trifsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.1.5. Ecuacin del Torque que Gobierna la Operacin del Motor . . . 121.1.6. Caractersticas de Arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1.7. Caractersticas de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2. Actuadores de Potencia CD-CA Trifsicos. . . . . . . . . . . . . . . . 161.3. Control Escalar de Velocidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.1. Diversos Patrones de Control Escalar . . . . . . . . . . . . . . 201.3.2. Caractersticas de un Variador de Velocidad. . . . . . . . . . . 211.4. Tcnicas de Modulacin para Inversores Trifsicos . . . . . . . . . . . 24IIINDICE GENERAL1.4.1. Modulacin Sinusoidal de Ancho de Pulso (SPWM) . . . . . . 241.4.2. Modulacin PWM de 6 Pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.4.3. Modulacin PWM en Espacio Vectorial (SVPWM) . . . . . . . 282. Diseo del Actuador de Potencia 362.1. Diseo del Convertidor CD-CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.1.1. Operacin del Circuito Bootstrap . . . . . . . . . . . . . . . . 382.2. Diseo de los Circuitos de Instrumentacin y Control . . . . . . . . . . 392.2.1. Operacin de los Circuitos de Proteccin . . . . . . . . . . . . 392.2.2. Circuito Integrado del Sensor de Corriente . . . . . . . . . . . 412.2.3. Medicin Aislada de Alto Voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . 432.2.4. Microcontrolador PIC12F683 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.2.5. Acopladores Digitales ADUM140X. . . . . . . . . . . . . . . 462.2.6. Convertidor CD-CD Aislado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493. Diseo del Sistema de Control 513.1. Microcontrolador PIC18F4431. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.1.1. Terminales del Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.1.2. Programa Embebido en el Microcontrolador . . . . . . . . . . . 543.1.3. Operacin del Mdulo PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.2. Implementacin Digital de la Modulacin SVPWM. . . . . . . . . . . 613.3. Diseo del Sistema de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.3.1. Elementos de un Control Retroalimentado . . . . . . . . . . . . 673.3.2. Sistema de Control a Implementar . . . . . . . . . . . . . . . . 683.3.3. Componentes de un Controlador PID . . . . . . . . . . . . . . 693.3.4. Retroalimentacin de Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.3.5. Clculo del Error en el Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.3.6. Implementacin Discreta del Controlador PID . . . . . . . . . . 73UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIASIVNDICE GENERAL4. Resultados Experimentales 794.1. Condiciones de Prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.2. Implementacin y Pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.2.1. Esquemas de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.2.2. Pruebas Adicionales de Desempeo . . . . . . . . . . . . . . . 814.2.3. Formas de Onda para Voltajes y Corrientes . . . . . . . . . . . 834.2.4. Respuesta Transitoria a Seales de Referencia . . . . . . . . . . 845. Conclusiones y Trabajo Futuro 89ApndicesA. Diagramas de Flujo 91B. Esquemticos de Circuitos Electrnicos 108C. Diseo del Circuito Impreso y Listado de Componentes Electrnicos 112D. Fotografas del Prototipo Funcional 120Bibliografa 125UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIASVndice de cuadrosCuadro1.1. Estados de Conmutacin en un Inversor Trifsico. . . . . . . . . . . . . 302.1. Corrientes de Falla en Funcin del Voltaje de Referencia . . . . . . . . 463.1. Ciclos de Trabajo en Modulacin SVPWM. . . . . . . . . . . . . . . . 644.1. Caractersticas del Transformador Variable. . . . . . . . . . . . . . . . 804.2. Caractersticas del Motor Trifsico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.3. Caractersticas del Motor de CD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.4. Resultados del Control en Lazo Abierto. . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.5. Resultados del Control en Lazo Cerrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . 82C.1. Relacin de Componentes Activos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117C.2. Relacin de Componentes Pasivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118C.3. Relacin de Componentes Pasivos (continuacin). . . . . . . . . . . . . 119VIndice de gurasFigura1.1. Motores de un Solo Devanado y con un Devanado de Arranque Adicional. 61.2. Motores de Arranque por Capacitor y de Fase Partida Permanente. . . . 91.3. Motor de Polo Sombreado y de Arranque-Trabajo con Capacitor. . . . . 91.4. Caractersticas de Torque-Velocidad en Motores Monofsicos. . . . . . 101.5. Motor de Rotor Devanado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.6. Curva Torque y Velocidad Plena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.7. Curva Torque-Deslizamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.8. Sinusoidales Trifsicas y Seal de Control. . . . . . . . . . . . . . . . . 171.9. Un Inversor Trifsico Tpico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.10. Patrn V/Hz Estndar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.11. Patrn V/Hz con Alto Torque de Arranque. . . . . . . . . . . . . . . . 211.12. Patrn V/Hz con Bajo Torque de Arranque. . . . . . . . . . . . . . . . 221.13. Variador de Velocidad Tpico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.14. Sinusoidal Generada por PWM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25VIINDICE DE FIGURAS1.15. Un Inversor Trifsico Tpico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.16. Tcnica de Modulacin de 6 Pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.17. Visualizacin de Vectores en un Sistema Trifsico Balanceado. . . . . . 291.18. Versiones en Modulacin PWM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.19. Hexgono Conformado por Vectores en SVPWM. . . . . . . . . . . . . 311.20. Visualizacin del Vector VS en el Sector 1. . . . . . . . . . . . . . . . 321.21. Vista de un Perodo de Trabajo SVPWM en el Sector 1. . . . . . . . . . 342.1. Esquemtico del Mdulo de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.2. Circuito Auto-dependiente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.3. Circuito Interface con Terminal T/Itrip. . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.4. Operacin del Detector de Voltaje TC54. . . . . . . . . . . . . . . . . 402.5. Esquemtico del Sensor de Efecto Hall. . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.6. Funcin de Transferencia del Sensor ACS704-015. . . . . . . . . . . . 422.7. Circuitos para Medicin de Voltaje y Corriente. . . . . . . . . . . . . . 432.8. Amplicador Operacional Aislado HCPL-7520. . . . . . . . . . . . . . 432.9. Conexin del Circuito al Microcontrolador PIC12F683. . . . . . . . . . 452.10. Esquemtico de Instrumentacin Mdulo IPM. . . . . . . . . . . . . . 472.11. Acoplador Digital iCoupler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.12. Esquemtico de la Conexin de Lneas PWM al Mdulo IPM. . . . . . 492.13. Esquemtico del Convertidor CD-CD de Aislamiento. . . . . . . . . . . 503.1. Microcontrolador PIC18F4431. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2. Vista de un Perodo de Trabajo SVPWM en el Sector 1. . . . . . . . . . 633.3. Vista de los Perles en Sectores 1 al 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.4. Grca del ngulo vs. TA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.5. Circuito para la Visualizacin Directa de la Modulacin SVPWM. . . . 663.6. Visualizacin de Sinusoidales Respecto al Hexgono SVPWM. . . . . . 67UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIASVIIINDICE DE FIGURAS3.7. Sistema de Control Retroalimentado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.8. Sistema de Control en Lazo Abierto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.9. Sistema de Control en Lazo Cerrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.10. Rampa Voltaje/Frecuencia Constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.1. Corrientes de Fase y Voltaje Fase-Neutro, ndice de Modulacin = 0.5. . 854.2. Corrientes de Fase y Voltaje Fase-Neutro, ndice de Modulacin = 0.866. 854.3. Corrientes de Fase y Voltaje Fase-Fase, ndice de Modulacin = 0.866. . 864.4. Voltaje Fase-Fase, Armnico 8kHz, ndice de Modulacin = 0.866. . . . 864.5. Voltaje Fase a Fase, Armnico en 16kHz, ndice de Modulacin = 0.35. 874.6. Corriente de una Fase, Armnico en 8kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . 874.7. Respuesta a un Escaln con Kp= 124, Ki= 15, Kd= 22. . . . . . . . 884.8. Respuesta a una Rampa con Kp= 118, Ki= 9, Kd= 17.. . . . . . . . 88A.1. Rutina de Inicializacin PIC18F4431. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92A.2. Ciclos de Trabajo Innitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93A.3. Vectores de Interrupcin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94A.4. Servicio de Interrupcin, Mdulo PWM. . . . . . . . . . . . . . . . . . 95A.5. Servicio de Interrupcin Mdulo CCP2, Rutina de Rampa V/Hz. . . . . 96A.6. Servicio de Interrupcin Mdulo QEI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97A.7. Servicio de Interrupcin, Timer0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98A.8. CambiodeRotacinyServiciodeInterrupcindelMdulodeBajoVoltaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99A.9. Rutinas de Revisin de Temperatura y sobre-Carga. . . . . . . . . . . . 100A.10. Servicios de Interrupcin, Timer2 y Mdulo SPI. . . . . . . . . . . . . 101A.11. Servicio de Interrupcin, Mdulo ADC. . . . . . . . . . . . . . . . . . 102A.12. Rutina de Muestreo FLTB y Entradas de Usuario. . . . . . . . . . . . . 103A.13. Rutinas para Estado Apagado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIASIXNDICE DE FIGURASA.14. Rutina de Encendido y Servicio de Interrupcin Mdulo USART. . . . . 105A.15. Rutina de Manejo de Display. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106A.16. Rutina de Refresco de Pantalla.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107B.1. Esquemticos de Circuitos de Alimentacin. . . . . . . . . . . . . . . . 109B.2. Esquemticos de la Interface de Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . 110B.3. Esquemticos de la Seccin de Potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . 111C.1. Cara Superior del Circuito Impreso Principal. . . . . . . . . . . . . . . 113C.2. Cara Inferior del Circuito Impreso Principal. . . . . . . . . . . . . . . . 114C.3. Distribucin de Componentes en el Circuito Impreso. . . . . . . . . . . 115C.4. Tarjeta de Interface, Caras Superior e Inferior. . . . . . . . . . . . . . . 116D.1. Vista Superior de la Tarjeta de Circuito Impreso. . . . . . . . . . . . . . 122D.2. Vista Lateral de la Tarjeta de Circuito Impreso. . . . . . . . . . . . . . 123D.3. Vista Superior del Convertidor CA-CD de Potencia. . . . . . . . . . . . 124UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIASXCaptulo1IntroduccinEste captulo inicial ofrece una descripcin sobre motores de induccin as comode los fundamentos sobre los cuales este trabajo de tesis fue desarrollado: actuadoresde potencia CD-CA1, los principios del control escalar de velocidad y las tcnicas demodulacin que para un controlador de velocidad de naturaleza digital son factibles deimplementar.1.1Mquinas de InduccinLas leyes de induccin electromagntica fueron descubiertas en 1831 por Faraday.Maxwellformullasleyesdeelectricidaden1860. Lainvencindelasprimeras2mquinas de induccin por Galileo Ferraris y Nicola Tesla ocurri un par de dcadasdespus. Ambas mquinas requeran de una alimentacin bifsica, al contener un par dedevanados, concentrados en el ncleo ferro-magntico de sus estatores.En el motor de Ferraris, el rotor cilndrico se compona de cobre; en el de Tesla, steelemento era ferro-magntico y exhiba un devanado en corto-circuito. A pesar de quehoy en da, los motores son de topologas ms elaboradas y su desempeo ha mejorado1Corriente Directa-Corriente AlternaIntroduccinnotablemente, su principio de funcionamiento no ha cambiado. Esto es:Existe un estator devanado, con alimentacin de mltiples fases, que originan uncampo magntico rotatorio, capaz de inducir voltajes que generan corrientes en las bobi-nas en corto del rotor; la interaccin entre el campo del estator y las corrientes del rotor,producen el torque requerido por la mquina.En 1889, Dolivo-Dobrovolsky invent el motor de induccin con rotor devanado, unao ms tarde, el rotor de jaula de ardilla. Posteriormente, el motor de CD acapar todoel mercado hasta 1984, cuando el inversor basado en IGBTs2demostr su ecienciaal usarse en conjunto con el variador de velocidad. Esto ltimo promocion al motor deinduccin dentro de todo tipo de industrias, especialmente en aplicaciones que reque-ran de un control de velocidad. Subsecuentemente, el conjunto de algunos eventos hanmarcado la historia del motor de induccin:La descripcin de mejores modelos analticos para propsitos de diseo y ope-racin en estado estable.Mejores materiales magnticos y de aislamiento, y sistemas de enfriamientocon un mejor desempeo.El surgimiento de variadores de velocidad con menores prdidas, mayor densi-dad de potencia y menor costo.El desarrollo de motores de induccin de alta velocidad y potencia.Nuevos mtodos de manufactura para mquinas de induccin con convertidoresintegrados en un solo producto.Hoy en da, los motores de corriente alterna son los ms utilizados dentro de pro-cesos industriales, as como en aparatos electro-domsticos. Simples, robustos, de bajo2Induction Gate Bipolar TransistorUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS2Introduccincosto y de conexin directa a corriente alterna (CA) son la principales ventajas de es-tos motores. Distintos tipos de motores de induccin existen en el mercado, cubriendoas la diversa gama de aplicaciones comerciales. An cuando los motores de induccinson ms sencillos de disear que los de corriente directa, la velocidad y el control deltorque en los motores de CA requiere un mayor entendimiento sobre el diseo y lascaractersticas de los mismos [1].1.1.1 Construccin Bsica y Principio de OperacinComo la mayora de los motores, el de CA tiene una parte exterior cerrada llamadaestator y un rotor que reside en su interior. stas partes se encuentran separadas entre s,por una milimtrica regin de aire.Virtualmente, todos los motores elctricos trabajan por medio de un campo mag-ntico rotatorio originando el movimiento de su rotor. Los monofsicos, requieren decomponentes elctricos adicionales, para producir su campo magntico. En los motorestrifsicos, este campo rotatorio se crea en forma natural en el estator, debido a los vol-tajes sinusoidales de alimentacin, desplazados 120 uno del otro. Los motores de CDdependen ya sea de conmutacin mecnica o elctrica para crear campos magnticosrotatorios. Dos pares de electro-magnetos se forman dentro de cualquier motor. En losde induccin, un juego de electro-magnetos se forma en el estator a causa de la alimen-tacin de CA conectada entre sus terminales. Como en el caso de los transformadores,esta corriente alterna induce una fuerza electromagntica en el rotor, descrita por la leyde Lenz, generando as otro juego de electro-magnetos. La interaccin entre sus cam-pos magnticos genera un torque y, por ende el motor gira en la direccin del torqueresultante.El estator est conformado por un grupo de laminados delgados de aluminio o hierrofundido. Son comprimidos y dispuestos rmemente dentro de la carcaza del motor, for-mando un cilindro hueco con mltiples ranuras en su permetro. Las bobinas, formadasUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS3Introduccinpor alambre magneto recubierto por barniz aislante, son dispuestas en una conguracinespecca dentro de estas ranuras. Cada grupo de bobinas, junto con el ncleo de hierroen su interior, forman un electro-magneto justo al ser aplicada corriente alterna entre susterminales. El nmero de polos de un motor de induccin, depende de la conexin inter-na en las bobinas del estator, conectadas y situadas en forma entrelazada, de tal formaque al aplicar un voltaje de corriente alterna, un campo magntico rotatorio es creado.Elrotorestconstituidoporunconjuntodelaminadosdehierro, separadosporbarras de aluminio o cobre, alrededor de su periferia. En el rotor ms comn (el de jaulade ardilla), las barras se encuentran conectadas tanto elctrica como mecnicamente ensus regiones terminales mediante anillos. Por su construccin robusta y simple, casi el90 % de los motores contienen rotores del tipo jaula de ardilla.Las ranuras del rotor no son exactamente paralelas a su echa, en realidad exhibenuna curvatura que tiene dos propsitos: Contrarrestar la tendencia de frenado que el rotor tiene, debido a la atraccinmagntica hacia el estator, que sucede cuando ambos poseen igual nmero deranuras. Disminuir el ruido sonoro al reducir la amplitud de los armnicos originadosen las propias ranuras.El rotorseensamblaasuechaagregandorodamientosencadaextremo. Nor-malmente un extremo de la echa es mucho ms largo que el otro, permitiendo acoplarla carga mecnica. Algunos motores pueden exhibir un extremo opuesto alargado en elcual es posible montar un dispositivo sensor de posicin y/o velocidad.La regin de aire existente entre el estator y el rotor facilita por medio del fenmenode induccin la transferencia de energa entre ambos. El torque generado impulsa alrotor y este a su vez provoca la rotacin de la carga mecnica acoplada a su echa. Sinimportar el tipo de rotor del que se trate, el principio de rotacin es el mismo.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS4Introduccin1.1.2 Velocidad de un Motor de InduccinElcampomagnticocreadoenelestatorrotaaunavelocidadsncrona(Ns)enrevoluciones por minuto (rpm).Ns= 120 fP(1.1)donde P= nmero de polos y f = frecuencia elctrica en Hertz.Naturalmente, el campo magntico producido en el rotor es alterno, a causa del vol-taje inducido. Para reducir la velocidad relativa con respecto al estator, el rotor comienzaa girar en la misma direccin del ujo rotatorio del estator, e intenta sincronizarse conl, en la prctica nunca lo logra y permanece girando a una velocidad menor llamadavelocidad base (Nb). La diferencia entre (Ns) y (Nb) es conocida como deslizamiento.El deslizamiento vara dependiendo del trabajo mecnico. Un incremento en la cargacausar una disminucin de la velocidad del rotor y un incremento del porcentaje dedeslizamiento. El decremento en carga causar el aumento de la velocidad del rotor yun decremento del porcentaje de deslizamiento. El factor de deslizamiento se expresacomo porcentaje y se determina mediante la ecuacin 1.2:Porcentaje de deslizamiento =NsNbNb100 (1.2)donde Ns = velocidad sncrona y Nb = velocidad base en rpm.1.1.3 Tipos de Motores de InduccinGeneralmente son clasicados de acuerdo al requerimiento numrico de voltajes defase. Existen entonces, motores de induccin monofsicos y trifsicos.Probablemente existen ms motores monofsicos en uso, que el total de trifsicos yde CD existentes. Resulta lgico pensar que el motor ms econmico y de menor man-tenimiento sea el ms utilizado. El motor monofsico de induccin tiene un devanadonico en su estator y opera con un solo voltaje de fase.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS5IntroduccinTodos los motores monofsicos requieren algn mecanismo de arranque capaz deproveer su impulso inicial de rotacin. Si al energizar el motor este mecanismo fallara,el campo magntico producido tendra un comportamiento esttico, incapaz de rotar entorno al estator y sin capacidad de generacin de torque.RotorLineasdeAlimentacionDevanado deTrabajoRotorInterruptor CentrifugoLineasdeAlimentacionDevanadodeTrabajoDevanado de ArranqueFigura 1.1 Motores de un Solo Devanado y con un Devanado de Arranque Adicional.Como la gura 1.1 lo indica; el mecanismo de arranque para el motor monofsicoes principalmente un devanado adicional de estator; devanado que puede tener un capa-citor conectado en serie con un interruptor centrfugo controlado por la echa del propiomotor. Siendo ste el caso, cuando el voltaje de alimentacin es aplicado, la corrientedel devanado principal se encontrar desfasada con respecto al voltaje, debido a su im-pedancia. Al mismo tiempo, la corriente secundaria en el devanado de arranque presentauna desfasamiento positivo o negativo con respecto a la corriente principal. De la inter-accin entre ambos campos, resulta un campo magntico rotatorio en cierta direccin3y el motor comienza a rotar a favor de este campo magntico. Una vez que alcanza cercadel 75 % de su velocidad; el interruptor centrfugo desconecta al devanado de arranque.A partir de este punto, el motor monofsico puede mantener un torque suciente paratrabajar por cuenta propia [12].Con excepcin de algunos motores especiales que requieren adems de un capa-citor durante su operacin normal, todos los monofsicos se encuentran limitados poraplicaciones de hasta 600 watts. De acuerdo a su principio de arranque se clasican as:3A favor o en contra de las manecillas del relojUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS6Introduccin1. Motor Monofsico de Fase PartidaEs conocido tambin como motor de arranque y trabajo por efecto de induc-cin. Tiene dos devanados: el principal y el de arranque, ste ltimo conectadoen serie con un interruptor centrfugo que habilita su conexin de voltaje. El de-vanado de arranque de menor resistencia elctrica 4consigue colocar su campomagntico en un ngulo diferente al del devanado de trabajo, causando la rota-cin del motor.Su torque inicial es bajo, del 100 al 175 % del torque nominal, y requiere unacorriente muy alta de arranque, del 700 % al 1,000 % de la corriente de trabajo.Mientras que su torque mximo es del 250 al 350 % del nominal.Se encuentra en aplicaciones como: ventiladores, molinos pequeos, compre-sores y otras que requieren un pequeo torque inicial de 1/20 a 1/3 hp y bajosciclos de encendido/apagado.2. Motor de Induccin con Arranque por CapacitorEs muy similar al de fase dividida, slo que adems incluye un capacitor enserie con el devanado de arranque. Tambin utiliza un interruptor centrfugoque desconecta tanto al capacitor como al devanado de arranque cuando alcanzaun 75 % de su velocidad. Como el capacitor se encuentra en serie con el circuitode arranque, el torque de arranque es mayor, de 200 a 400 % del valor nominal.La corriente de arranque vara de 450 % al 575 % del valor nominal y es muchomenor que en el caso del motor de fase dividida5.Una versin modicada de este motor es el de arranque con resistencia. En elcual, el capacitor de arranque se reemplaza por un resistor, disminuyendo sucosto. Se utiliza en aplicaciones donde el requerimiento de torque de arranque4Formado con un menor nmero de vueltas y alambre ms delgado5Fruto del mayor nmero de vueltas y grosor del devanado de arranqueUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS7Introduccines menor.3. Motor de Arranque por Capacitor y Fase Partida PermanenteEste motor tiene un capacitor en serie conectado permanentemente con un deva-nado auxiliar. Siendo el capacitor de uso continuo no puede proveer un impulsoinicial y el torque inicial es del 30 % al 150 % del torque de trabajo. Tienen unabaja corriente de arranque, menor al 200 % de la nominal, siendo ideales pa-ra aplicaciones con ciclos de encendido/apagado frecuente. Permiten una fcilintegracin con variadores de velocidad. Tambin pueden ser diseados paraeciencia ptima y un alto factor de potencia para una carga especca. Sonconsiderados los motores monofsicos ms conables, principalmente porqueno requieren de un interruptor centrfugo. Sus aplicaciones son muy variadasdependiendo de su diseo, y tienen muy buen desempeo en mecanismos deajuste con ciclos de trabajo intermitentes.4. Motor de Arranque y Trabajo con CapacitoresEste motor opera mediante un capacitor de arranque y otro de trabajo, hacindo-lo ms costoso pero proporcionando en combinacin tanto un alto torque inicialcomo de sobrecarga. Es capaz de trabajar en aplicaciones que para cualquierotro motor monofsico seran muy demandantes, tales como: compresores deaire, bombas de agua de alta presin, maquinaria para el trabajo de madera yotras aplicaciones de alto torque desde 1 hasta 10 hp.5. Motor de Induccin de Polo SombreadoTiene solamente un devanado de trabajo. Su arranque se efecta por medio deanillos de cobre que rodean una porcin pequea de cada uno de los polos delmotor. De esta forma, el campo magntico existente en un segmento de cadapolo permanece fuera de fase con respecto al campo magntico principal. LaUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS8IntroduccinRotorInterruptor Centrifugo Capacitor de ArranqueLineasdeAlimentacionDevanadodeTrabajoDevanado de ArranqueRotorLineasdeAlimentacionDevanado de ArranqueDevanadodeTrabajoCapacitorFigura 1.2 Motores de Arranque por Capacitor y de Fase Partida Permanente.reaccin que surge entre estos dos provoca la rotacin de la echa y su velo-cidad puede controlarse por medio de voltaje variable o mediante un devanadomltiple. Al carecer este motor de interruptor centrfugo, capacitor y devanadode arranque se vuelve simple y econmico. Mecnicamente, se puede produciren volmenes altos y por ello se consideran como motores desechables, siendomucho ms econmico reemplazarlos que repararlos.RotorAlimentacionAnillo de Cobre Region no Sombreada del PoloRegion Sombreada del PoloCapacitor de TrabajoDevanado de ArranqueDevanadodeTrabajoLineasdeAlimentacionCapacitor de ArranqueRotorInterruptor CentrifugoFigura 1.3 Motor de Polo Sombreado y de Arranque-Trabajo con Capacitor.Este motor tiene muchas cualidades positivas aunque con algunas desventajas.Su torque de arranque es bajo, tpicamente del 25 % al 75 % del torque de tra-bajo. Tiene un alto porcentaje de deslizamiento del 7 % al 10 % por debajo dela velocidad sncrona. En general, su eciencia es menor al 20 %. Su uso se en-cuentra limitado por aplicaciones de baja potencia o ciclo de trabajo. Quizs sumayor uso resida en ventiladores domsticos de velocidad variable. Con su bajoUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS9Introduccintorque, eciencia y siendo poco robustos no se consideran prcticos para su usocomercial o industrial donde se tienen comnmente altos o continuos ciclos detrabajo. El diagrama elctrico de este motor se muestra en la gura 1.3.20 40 60 80100Velocidad (%)500400300200100Torque (% del Torque Nominal)de Fase Partida Permanentede Polo Sombreadode Fase Partidade Arranque con Capacitorde Arranque con ResistorConmutacion delInterruptor CentrifugoFigura 1.4 Caractersticas de Torque-Velocidad en Motores Monofsicos.La gura 1.4 muestra una comparacin entre las respuestas torque-velocidad paralos distintos motores monofsicos. Observe el efecto que provoca la conmutacin del in-terruptor centrfugo sobre el torque desarrollado por los motores cuyo arranque requierede este mecanismo.1.1.4 Motor de Induccin TrifsicoLos motores de induccin trifsicos son utilizados frecuentemente en aplicacionesindustriales y comerciales. Se clasican de acuerdo a su tipo de rotor, como de jauladeardillaoderotordevanado. Adiferenciadelosmonofsicos, estosnorequierende ningn dispositivo adicional para su arranque. Sus caractersticas de torque inicial,potencia y eciencia son medianas o altas comparados con los monofsicos. Sus camposde aplicacin incluyen molinos, tornos, taladros de presin y diversas maquinarias deUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS10Introduccintrabajo mecnico. En seguida se describen las principales caractersticas de los 2 tiposde motores trifsicos ya mencionados:1. Motor de Induccin Trifsico con Rotor del Tipo Jaula de ArdillaCasi el 90 % de los motores de induccin estn construidos con un rotor dejaula de ardilla. Manejan una potencia desde un tercio hasta varios centenaresde caballos de potencia. Son ms econmicos que sus equivalentes monofsicosy pueden arrancar con cargas ms pesadas que aqullos.2. Motor de Induccin Trifsico con Rotor DevanadoConsiste en una variacin del motor de jaula de ardilla. Mientras que el estatorpermanece idntico, el rotor tiene un conjunto de devanados que terminan enun juego de anillos de deslizamiento, como se observa en la gura 1.5.Resistores Externosdel Rotor Rotor DevanadoEscobillasAnillos de DeslizamientoFigura 1.5 Motor de Rotor Devanado.El factor de deslizamiento necesario para generar el torque mximo es direc-tamente proporcional a la resistencia del rotor. En este tipo de motor, la re-sistencia efectiva del rotor se incrementa aadiendo resistencias externas pormedio de los anillos de deslizamiento; consiguiendo un mayor porcentaje dedeslizamiento y un torque mximo a una velocidad menor.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS11IntroduccinUna resistencia del rotor particularmente alta puede resultar en la ocurrenciade torque mximo a una velocidad cercana a cero y una corriente inicial baja.Al acelerar el motor, es posible reducir la resistencia del rotor adaptando suscaractersticas al requerimiento de carga. Una vez alcanzada la velocidad base,los resistores externos son reducidos a cero comenzando a trabajar como unmotor estndar.Este es un motor ideal para cargas de alta inercia donde se requiere un altotorque a velocidades cercanas a cero y una aceleracin en tiempo mnimo al-canzando su velocidad mxima con un consumo bajo de corriente. Tiene comodesventaja un forzoso mantenimiento peridico. Por otro lado, si al efectuar unarranque los devanados del rotor son puestos en cortocircuito como en un mo-tor estndar, la corriente inicial alcanzar un valor de hasta 1400 % y un torqueinicial tan bajo como 60 %. En la mayora de los casos, esto no es una opcinviable.Modicar la curva velocidad-torque por medio de la alteracin de los resistoresdel rotor permite el control de la velocidad para una carga particular. Al trabajarconunacargacompletaesposiblereducirlavelocidadhastael50 %delavelocidadsncrona,reducirlamsalldeestepuntodisminuyelaecienciadebido a una mayor disipacin en las resistencias del rotor.1.1.5 Ecuacin del Torque que Gobierna la Operacin del MotorLa ecuacin fundamental 1.3, describe el torque generado por el motor:T Tc= Jdmdt+ mdJdt(1.3)donde T= valor instantneo del torque desarrollado por el motor (N m), Tc = valorinstantneo del torque de carga (N m), m = velocidad angular de la echa del motor(rad/s), y J = momento de inercia para el sistema motor-carga (kg-m2).UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS12IntroduccinPor simplicidad, esta ltima ecuacin omite el efecto de la friccin mecnica. Re-solviendoparaT, seencuentralaexpresin1.4parasistemasdeinerciaconstante,(dJ/dt) = 0.T= Tc + Jdmdt(1.4)La cual demuestra que el torque generado por el motor se encuentra balanceado porun torque de carga, Tc y un torque dinmico T, que slo se presenta durante operacionestransitorias. El rotor acelera o desacelera si T es mayor o menor a Tc. Durante la acelera-cin, el motor no solo debe proporcionar el torque de carga sino tambin un componentede torque adicional J(dm/dt), que logre vencer la inercia del sistema.Para obtener la aceleracin adecuada en sistemas de mayor inercia, el torque delmotor debe exceder en gran medida al torque de carga. En sistemas con requerimientosde respuesta rpida a transitorios, el torque del motor debe potenciarse a su nivel msalto y la inercia del sistema mecnico debe minimizarse.LaenergaasociadaaltorquedinmicoJ(dm/dt),esalmacenadaenformadeenergacinticaKE=J(2m/2). Durantesudesaceleracin, eltorquedinmicodesigno negativo asiste al torque del motor, manteniendo su impulso a partir de la energacintica almacenada.En suma; para obtener la rotacin del motor en estado estable, el torque desarrolladopor el motor Tdebe ser siempre mayor al requerimiento del torque de carga Tc [1].1.1.6 Caractersticas de ArranqueLos motores de induccin en descanso se asemejan a un transformador en corto cir-cuito y al conectarse a un voltaje de alimentacin pleno, demandan una corriente muyalta conocida como Corriente de Rotor Bloqueado(CRB), a la par con un Torque deRotor Bloqueado (TRB). Ambos parmetros son funcin tanto del voltaje de alimenta-cin como del diseo de la mquina. Si el voltaje se mantiene constante, a medida que elUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS13Introduccinmotor acelera, el torque y la corriente se incrementarn junto con la velocidad del rotor.La corriente de arranque de un motor con voltaje jo disminuir lentamente al acele-rar el motor y comenzar a caer en forma signicativa al alcanzar el 80 %de su velocidadnominal. Las curvas de trabajo de los motores de induccin varan considerablementeen cada diseo pero el perl general, es de alta corriente que persiste hasta su velocidadnominal.En un motor de buen desempeo, la Corriente de Rotor Bloqueado debe encontrarseen el rango de 550 % al 750 % de la Corriente a Carga Plena(CCP). El torque inicialde un motor de induccin alimentado con un voltaje jo es menor al torque mnimo,conocido como Torque de Entrada, el cual llega a su punto mximo conocido comoTorque de Salidaque ocurre cerca de la velocidad nominal del motor. Al llegar a suvelocidad sncrona, el torque se vuelve casi cero, observe esta respuesta en la gura 1.6.10% 20%30% 40% 50% 60% 70%80% 90%100%Velocidad del Rotor (% de Velocidad Maxima)Torque (% del Torque de Carga Plena) 7 x CCP6 x CCP5 x CCP4 x CCP3 x CCP2 x CCP1 x CCPCorriente (% de Corriente de Carga Plena )TRB2 x TCP1 x TCPTorque MaximoCorriente de Estator a Pleno VoltajePar de Arranque a Pleno VoltajeTorque de ArranqueFigura 1.6 Curva Torque y Velocidad Plena.El Torque de Rotor Bloqueado se encuentra dentro del 60 % hasta un 350 % delTorque de Carga Plena (TCP). El Torque de Entrada puede ser tan bajo como un 40 %del de carga plena, y el de salida tan alto como 350 %. Comnmente, el Torque de RotorBloqueado en motores de mediana y alta capacidad se encuentra en el orden del 120 %UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS14Introduccinal 280 del TCP. El factor de potencia al arranque del motor es de 0.1 a 0.25, llegandoa un mximo cuando el motor acelera y cayendo de nuevo al acercarse a su velocidadmxima.1.1.7 Caractersticas de TrabajoUna vez que el motor alcanza su velocidad, comienza a operar con un bajo porcen-taje de deslizamiento y a una velocidad determinada por el nmero de polos del estator.Su factor de deslizamiento es regularmente menor al 5 %. Si un motor de 4 polos seexcita a partir de una frecuencia de 50Hz, su velocidad base ser de 1420 a 1480 rpm,mientras que su velocidad sncrona permanecer en 1500 rpm. La gura 1.7 ilustra lascaractersticas de torque contra factor de deslizamiento.Torque del MotorTorque de CargaTorquePunto deOperacionDeslizamientoVelocidadMotor Generador0VelocidadNominalFigura 1.7 Curva Torque-Deslizamiento.La corriente requerida por el motor tiene 2 componentes: el reactivo (corriente mag-netizante) y el activo (corriente de trabajo). La corriente magnetizante depende del dise-o del estator y de su voltaje, no as de la carga. La corriente magnetizante del motor deinduccin puede variar desde un 20 % de la Corriente de Carga Plena para una mquinagrande de 2 polos, hasta 60 % para una mquina pequea de 8 polos. La Corriente deUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS15IntroduccinTrabajo es directamente proporcional a la carga.Latendenciaparamotoresgrandesodealtavelocidadesexhibirunabajaco-rriente magnetizante mientras que en los casos opuestos -mquinas pequeas o de bajavelocidad- prevalece una alta corriente que sugiere altas prdidas en los conductores delmotor y baja eciencia.La eciencia de los motores pequeos de baja velocidad es prxima al 60 %, en elcaso de motores grandes de alta velocidad, su eciencia alcanza el 92 %. Parmetroscomo el factor de potencia y la eciencia se encuentran ordinariamente en las hojas deespecicaciones del fabricante.1.2Actuadores de Potencia CD-CA TrifsicosEl propsito de un inversor trifsico es crear a partir de un voltaje de CD, una salidatrifsica de corriente alterna y alta potencia cuyo voltaje ecaz en cierta regin observa-da, sea directamente proporcional a la seal de control disponible para dicha regin. Loanterior se ilustra en la gura 1.8.Un actuador como el de la gura 1.9, est conformado por un arreglo de 6 transisto-res de potencia cuyos patrones de conmutacin son generados mediante alguna unidadde procesamiento. En todo momento, slo 3 de los 6 transistores se encontrarn en con-duccin; ya sea uno inferior y 2 superiores, o uno superior y 2 inferiores. Las conmu-taciones producen formas de onda rectangulares ricas en armnicos. Las frecuencias demodulacin PWM son tan altas como 20kHz; por lo que los interruptores de un inversorconmutan unas 40,000 veces por segundo.La naturaleza inductiva de los devanados del estator operan como ltro para obtenercorrientes sinusoidales trifsicas con armnicos de magnitudes despreciables. Cuandolos transistores son desactivados, la naturaleza inductiva se opone a los cambios bruscosde direccin en el ujo de corriente hasta que toda la energa almacenada se disipa. ParaUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS16IntroduccintVDC+DC -Fase AFase BFase CtSenal de Control~V/HzFigura 1.8 Sinusoidales Trifsicas y Seal de Control.Q1 Q3 Q5Q6 Q4 Q2VcdVanVbnVcn++ +- --Figura 1.9 Un Inversor Trifsico Tpico.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS17Introduccinfacilitar este proceso, un diodo de marcha libre (rpida recuperacin) se conecta en losextremos de cada interruptor.Previniendo la puesta en cortocircuito de la fuente alimentacin de CD, los inte-rruptores superior e inferior de cada rama no deben ser activados al mismo tiempo. Untiempo muerto de unos cuantos microsegundos se establece entre cada transicin evi-tando su conduccin simultnea.1.3Control Escalar de VelocidadEl control escalar de velocidad es el mtodo ms comn encontrado en variadoresde velocidad para motores de induccin. Es llamado as porque las magnitudes de lasvariables frecuencia y voltaje son controladas a una tasa constante.La velocidad base de un motor es proporcional a la frecuencia del voltaje de alimen-tacin e inversamente proporcional al nmero de polos. Aunque, el nmero de polos nopuede ser modicado una vez que el motor ha sido construido. Cuando la frecuenciaelctrica aplicada al estator de un motor de induccin es modicada, la velocidad derotacin de sus campos magnticos cambia en proporcin directa. Mediante un controlde frecuencia variable es posible ajustar la velocidad del motor, ya sea por encima odebajo de su velocidad base.Un controlador de esta naturaleza es capaz de llevar la velocidad de una mquina,del 5 hasta el 200 % de su velocidad base. Sin embargo, al variar la frecuencia, es impor-tante respetar ciertos lmites de voltaje y torque. Para asegurar su operacin adecuaday segura, al trabajar a velocidades menores a la velocidad base es necesario reducir elvoltaje entre las terminales del motor.El voltaje fase a fase aplicado al estator debe ser decrementado linealmente al de-crementar la frecuencia elctrica. Este proceso es llamado de-rateo. Si no es efectuado,el hierro del ncleo del motor se saturar y las corrientes de magnetizacin que uyenUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS18Introduccinhacia la mquina sern excesivas.Para comprender la necesidad de este de-rateo, recordar que un motor de induccines bsicamente un transformador rotatorio. Como en cualquier transformador, el ujomagntico en su ncleo puede encontrarse a partir de las leyes de Faraday:v(t) = Nddt. (1.5)donde N = nmero de vueltas de un devanado, v(t) = voltaje aplicado y, = ujomagntico.Si un voltaje v(t)=VM sen(t) es aplicado al transformador, el ujo resultante es:(t) =1Np_v(t)dt =1Np_VM sen(t)dt (1.6) (t) = VM2fNpcos(t) (1.7)donde = 2f representa la frecuencia angular.Ntese que la frecuencia elctrica f aparece en el denominador de la ecuacin 1.7.Es por ello que si la frecuencia elctrica aplicada al estator se decrementa en un 10 %,mientras la magnitud del voltaje permanece constante, el ujo en el ncleo del motoraumentar a razn del 10 %. Trabajando en la regin no-saturada de la curva de magneti-zacin del motor, el incremento en la corriente magnetizante ser similar; sin embargo,en la regin de saturacin, un 10 % de incremento en el ujo requiere un incrementomucho mayor de la corriente magnetizante. Los motores de induccin se disean nor-malmente para operar cerca del punto de saturacin en sus curvas de magnetizacin, asque el incremento de ujo debido a un decremento en frecuencia, causar una excesivacorriente de magnetizacin en el motor.Para evitar este problema, es necesario decrementar el voltaje aplicado al estator enforma directamente proporcional al decremento en frecuencia, siempre que la velocidadUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS19Introduccindel motor sea menor a la nominal. Como en la ecuacin 1.7, el voltaje aplicado VM apa-rece en el numerador y la frecuencia en el denominador, ambos efectos se contrarrestanentre s y la corriente magnetizante permanece intacta.Tanto el torque como el ujo magntico permanecen casi constantes hasta el puntode operacin de la mquina. Incrementar la frecuencia ms all de la velocidad baseocasiona el debilitamiento del campo magntico causando una disminucin del torque.Ms all de la velocidad base, los factores que gobiernan al torque se vuelven no-linealesal incrementarse las prdidas en los devanados del estator y la friccin mecnica.1.3.1 Diversos Patrones de Control EscalarLas distintas cargas mecnicas a movilizar por parte de un motor de induccin sonde caractersticas particulares. Algunas requieren de un muy pequeo torque de arranqueque se incrementa conforme al cuadrado de la velocidad. Otro tipo de cargas exigirn eltorque mximo del motor tan slo para iniciar su movimiento. Con el n de armonizar eltorque del motor con el requerido por la carga mecnica; un variador de buen desempeodebe ofrecer al usuario diversos patrones de voltaje-frecuencia a seleccionar [22].VVmax60HzfFigura 1.10 Patrn V/Hz Estndar.La gura 1.10 muestra el patrn estndar de variacin Voltaje/Frecuencia. Este pa-trn produce un voltaje linealmente cambiante con respecto a la frecuencia, para velo-UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS20Introduccincidades por debajo de la velocidad base y mantiene el voltaje de salida constante paravelocidades superiores. La regin de voltaje constante, a bajas frecuencias, es necesariapara asegurar un mnimo torque de arranque a velocidades bajas.El patrn descrito por la gura 1.11, diere del patrn estndar teniendo su rampa,una menor pendiente, para frecuencias inferiores a 30Hz. Dentro de este rango, el voltajede salida es mayor que en el caso estndar, generando un mayor torque; con el costoque implica el incremento de la corriente magnetizante ocasionado por la saturacinmagntica.30Hz 60HzfVV30HzV60HzFigura 1.11 Patrn V/Hz con Alto Torque de Arranque.Una ltima curva para cargas con bajo torque de arranque se ilustra en la gura 1.12.En ella, el voltaje de salida cambia en forma parablica, con respecto a velocidadesmenores a la base. Para cualquier frecuencia menor a 60 Hz, el voltaje de salida y eltorque son menores al caso estndar [4].1.3.2 Caractersticas de un Variador de VelocidadLa funcin bsica de un variador de velocidad es la de actuar como un generador defrecuencia variable controlando la velocidad del motor bajo el comando de un usuario.Los componentes usuales de un variador de velocidad se muestran en la gura 1.13.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS21Introduccin60HzfVVmaxFigura 1.12 Patrn V/Hz con Bajo Torque de Arranque.El recticador trifsico y los capacitores convierten la entrada de corriente alternaa corriente directa con un rizo despreciable. El inversor, bajo el control de un micro-controlador o DSP6, sintetiza el voltaje de CD en 3 voltajes de CA trifsicos de amplitudy frecuencia variables.Q1 Q3 Q5Q6 Q4 Q2VcdVaVbVcnPWM0Q2PWM1Q1PWM2Q4PWM3Q3PWM4Q6PWM5Q5Unidad deControl220 VcaRectificadorTrifasicoEtapade AislamientoMotordeInduccionFigura 1.13 Variador de Velocidad Tpico.El usuario establece la velocidad de acuerdo al requerimiento de carga, logrando unamayor eciencia. La operacin del motor es suave durante casi todo su rango excepto avelocidades muy bajas. Esta restriccin se debe principalmente a las inherentes prdidasmecnicas en friccin y elctricas en las bobinas del estator. Consecuentemente, para6Procesador Digital de SealesUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS22Introduccinarrancar el motor se requiere suciente potencia para superar estas prdidas y un torquemnimo debe desarrollarse para contrarrestar la inercia de la carga.Mediante el uso de diversos sensores que actualizan y retroalimentan la informa-cin del sistema; un variador de velocidad es capaz de ajustar su punto de operacinproporcionando un torque y velocidad acorde a las condiciones de carga bajo el coman-do del usuario. Un variador de este tipo permite la operacin de la mquina en los 4cuadrantes: rotacin en sentido positivo, frenado, rotacin en sentido negativo y frena-do; re-utilizando la energa cintica del propio motor.Ciertas precauciones deben ser tomadas al frenar el motor; si el valor del bancode capacitores conectados a la fuente de CD no es sucientemente grande, entoncesal ocurrir el frenado, la energa cintica elevar el nivel del voltaje de CD. El estrspuede llegar al grado de ocasionar un dao permanente al inversor. Comparado con elfrenado mecnico, el elctrico carece de friccin. No existen roturas ni desgaste, comoconsecuencia, el frenado elctrico es mucho ms eciente que el mecnico.Un mismo variador de velocidad es adaptable a una diversidad de motores y a casicualquier condicin de operacin. Para cierto nivel de potencia, el control que proveeel variador depende slo del algoritmo embebido en ste. Algunas caractersticas adi-cionales pueden proveerse, tales como la deteccin de alta temperatura y/o niveles decorriente que pongan en riesgo la integridad del equipo. En resumen, el control escalartiene las siguientes ventajas:Seleccionando la tasa correcta de incremento para cierta mquina, la corrienteinicial puede mantenerse bajo control, evitando disturbios en la red elctrica yel calentamiento del motor.Puede implementarse sin ningn tipo de dispositivos de retroalimentacin, esdecir, en la modalidad de control en lazo abierto.Un conocimiento mnimo sobre el motor es requerido para controlarlo.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS23IntroduccinTiene tambin, las desventajas que siguen:El torque desarrollado por el motor es dependiente de la carga, al no podercontrolarse en forma directa.Debidoalpatrnpredenidoparalaconmutacindelinversor;larespuestatransitoria no es tan rpida como en otros sistemas ms sosticados, como elcontrol vectorial.Si no se encuentra un sensor de posicin y/o velocidad y ocurre un bloqueocontinuo del rotor; el calentamiento del motor ser inminente, sin importar laexistencia de circuitos detectores de sobrecarga.1.4Tcnicas de Modulacin para Inversores TrifsicosEn el dominio digital, diversas tcnicas de modulacin de ancho de pulso (PWM),existen para el control de inversores trifsicos, cada una con ventajas propias y de di-versos grados de dicultad en su implementacin. Comnmente un mejor desempeoimplica tanto una elevada carga de trabajo, como un mayor nivel de sosticacin aso-ciados al procesador, a cargo de las tareas de modulacin [3].1.4.1 Modulacin Sinusoidal de Ancho de Pulso (SPWM)En este mtodo, un conjunto de valores respresentativos de la deseada forma de ondasinusoidal, son almacenados en la memoria de un microcontrolador; valores que ledossecuencialmente a cierta tasa de tiempo mltiple de un perodo PWM, dictan el anchode pulso para dicho intervalo. La ventaja de esta tcnica es que el clculo requerido esmnimo y al encontrarse las fases desplazadas por 120 grados elctricos, una sola tablasinusoidal es suciente. La gura 1.14 muestra la relacin entre una seal de modulacinPWM y los correspondientes voltajes instantneo y promedio capaz de generar.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS24IntroduccinVoPWMGeneradotVoltajeInstantaneoVoltajePromedioFigura 1.14 Sinusoidal Generada por PWM.Derivacin de Ecuaciones en la Modulacin SPWMEncualquierinstanteyaseaeltransistorsuperioroelinferiordecadaramaseencuentra encendido. As, el voltaje resultante de cada fase al neutro (Van, Vbn, Vcn)puede representarse como en las ecuaciones 1.8:Van=VCD2Vaf,Vbn=VCD2Vbf, (1.8)Vcn=VCD2Vcf.donde Vaf, Vbf y Vcf describen las seales trifsicas desplazadas en el espacio por 2/3radianes entre ellas y se expresan como:Vaf=msen ,Vbf=msen( + 2/3), (1.9)Vcf=msen( + 4/3).dondem representa a un ndice de modulacin que toma valores de 0 a 1, y es unngulo positivo expresado en radianes.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS25IntroduccinSubstituyendo el conjunto de ecuaciones 1.9 en 1.8 se obtiene:Van=VCD2_msen()_,Vbn=VCD2_msen( + 2/3)_, (1.10)Vcn=VCD2_msen( + 4/3)_.Y los voltajes lnea a lnea resultantes son:Vab=VanVbn=3 VCD2msen( + /6),Vbc=VbnVcn=3 VCD2msen( + 5/6), (1.11)Vca=VcnVan=3 VCD2msen( + 3/2).A partir de las ecuaciones 1.11 es claro que el voltaje mximo lnea a lnea dentro delrango de operacin lineal se logra cuando m = 1:Vmax=3 VCD2 0.866VCD. (1.12)Lo que demuestra que en la modulacin PWM sinusoidal, la utilizacin de voltaje dealimentacin de CD es menor al 90 %.Esta tcnica debe su popularidad al mnimo trabajo computacional requerido, lo quehace sencilla su implementacin. Sin embargo presenta desventajas tales como:El algoritmo SPWM no es capaz de transformar ecientemente el voltaje decorriente directa a alterna, ya que genera voltajes lnea a lnea menores al 90 %del voltaje disponible.No facilita la implementacin de un control ms avanzado como el vectorial.El control de la frecuencia fundamental no es lineal, como consecuencia deluso extensivo de un temporizador bajo el efecto de la funcin no-lineal 1/f.Comparados con otras tcnicas de modulacin, los armnicos presentes en lafrecuencia de conmutacin son de magnitud importante.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS26Introduccin1.4.2 Modulacin PWM de 6 PasosObserve el inversor trifsico de la gura 1.15. Ntese que cuando el transistor A+ seencuentra encendido, el A- permanece apagado y viceversa. As adaptamos una notacinsimple para denir el estado del inversor. Por ejemplo, el estado al instante en el que lostransistores A+, B- y C- permanecen activos (al tiempo que A-, B+ y C+ permaneceninactivos) se representa con la notacin (+,-,-).VcdVanVbnVcnA+A-B+B-C+C-++ +- --Figura 1.15 Un Inversor Trifsico Tpico.Aplicando la notacin antes descrita, considere la siguiente secuencia de estados:(+,-,-), (+,+,-), (-,+,-), (-,+,+), (-,-,+), (+,-,+). Efectuando la conmutacin de esta forma,el inversor producir los voltajes fase-neutro mostrados en la gura 1.16.Este mtodo no exige clculo intermedio alguno y resulta el ms sencillo de im-plementar. La magnitud del voltaje fundamental es mayor que la del bus de CD. Sudesventaja consiste en la generacin de armnicos de bajo orden que no pueden ser l-trados por medio de la inductancia del motor. Esto genera mayores prdidas en el motor,variaciones ms altas en el torque y una brusca respuesta a velocidades bajas.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS27Introduccin(+ , - , - )(+ , + , -)(-, + , -)(- , + , +)(-, -, +)(+ , - , +)(+ , - , - )(+ , + , -)(-, + , -)(- , + , +)(-, -, +)(+ , - , +)(+ , - , - )(+ , + , -)(-, + , -)(- , + , +)(-, -, +)(+ , - , +)VanVbnVcntttFigura 1.16 Tcnica de Modulacin de 6 Pasos.1.4.3 Modulacin PWM en Espacio Vectorial (SVPWM)Lamodulacinenespaciovectorial(SVPWM), ejecutaunalgoritmososticadoque proporciona un 15 % adicional en el voltaje de salida, comparado con el algoritmode modulacin sinusoidal; mitigando la distorsin armnica y las prdidas por conmu-tacin. Es una tcnica de mayor complejidad, basada en el hecho de que los voltajestrifsicos del motor de induccin pueden convertirse en un solo vector rotatorio. La ro-tacin de este vector puede realizarse de forma simple, compatible con el control escalar,para generar voltajes trifsicos.El algoritmo SVPWM funciona a partir de la conmutacin de 6 pasos, suavizandolos escalones mediante avanzadas tcnicas de promediado. Por ejemplo, si se requiereun voltaje situado entre dos escalones cualesquiera; los correspondientes estados pue-den ser activados, de tal suerte que el promedio de los voltajes de escaln produzca elvoltaje deseado.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS28IntroduccinPara obtener las ecuaciones requeridas en la generacin de este efecto, el problemasetransereaotrodeequivalenciageomtrica. Elprimerpasodeestare-denicinconsiste en transformar los voltajes del inversor (expresados mediante los 6 escalonesbsicos) a un solo vector espacial. Los vectores espaciales son similares a los fasores enel sentido de que se denen por medio de su magnitud y ngulo, sin embargo los fasoresrepresentan tan slo una sinusoidal variable en el tiempo.120120120VbnVcnVanVsFigura 1.17 Visualizacin de Vectores en un Sistema Trifsico Balanceado.Los vectores espaciales se usan para representar tres cantidades variables en el tiem-po y separadas en el espacio. Para un sistema trifsico balanceado, estos vectores sumancero, pudiendo ser expresados por un solo vector espacial VS. Los 3 voltajes sinusoida-les lnea a neutroVan, VbnyVcnrequeridos para controlar al motor de induccin semuestran en la gura 1.17, donde Van, Vbn y Vcn representan los vectores correspon-dientes.Los 8 posibles estados de conmutacin del inversor, y sus correspondientes voltajesfase-neutro se muestran en la tabla 1.1. Durante los estados activos del 1 al 6, la energade la fuente de CD es transferida hacia las terminales del motor. El bloqueo de este ujoocurre durante los estados inactivos 0 y 7.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS29IntroduccinEstado Transistores Activos VanVbnVcnVector0 Q2, Q4, Q6 0 0 0 V01 Q1, Q4, Q6 2VCD/3 VCD/3 VCD/3 V12 Q1, Q3, Q6 VCD/3 VCD/3 2VCD/3 V23 Q3, Q2, Q6 VCD/3 2VCD/3 VCD/3 V34 Q2, Q3, Q5 2VCD/3 VCD/3 VCD/3 V45 Q2, Q4, Q5 VCD/3 VCD/3 2VCD/3 V56 Q1, Q4, Q5 VCD/3 2VCD/3 VCD/3 V67 Q1, Q3, Q5 0 0 0 V7Cuadro 1.1 Estados de Conmutacin en un Inversor Trifsico.Reglas de Conmutacin en la Modulacin de Espacio VectorialAl implementar el algoritmo de modulacin en espacio vectorial, las reglas de con-mutacin a seguir son:1. La trayectoria de VS debe ser un crculo.2. No estn permitidas ms de 3 conmutaciones por ciclo de trabajo.3. Debe existir solamente una sola conmutacin por estado de transicin.4. El estado nal de un ciclo de trabajo PWM debe ser igual al estado inicial delsiguiente ciclo inmediato.Estas reglas ayudan a limitar el nmero de eventos de conmutacin, reduciendo lasprdidas asociadas. Al mismo tiempo mantienen la simetra en los voltajes de salida delinversor, logrando una menor distorsin armnica total (THD).En contraste con el uso ordinario de seales PWM de modalidad asimtrica, la 4aregla antes mencionada hace indispensable el uso de seales PWM en su modalidad si-mtrica; la gura 1.18 muestra la diferencia entre ambas versiones.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS30IntroduccinPeriodo PWMPeriodo PWMPWM SimetricoPWM AsimetricoFigura 1.18 Versiones en Modulacin PWM.Para la modulacin SVPWM, el crculo unitario es dividido en 6 sectores, cada unode 60 como en la gura 1.19. Cada sector se encuentra delimitado por 2 sectores acti-vos. V0 y V7 son los vectores con amplitud cero localizados en el origen del hexgono.VS es el voltaje resultante debido a los estados de conmutacin del inversor.Sector 1Sector 2Sector 3Sector 4 Sector 6Sector 5VVVVVVVVV21654307STBTAFigura 1.19 Hexgono Conformado por Vectores en SVPWM.Enlaimplementacindigital deestamodulacin, el inversorseconmutaaunafrecuencia FPWMsucientemente alta _>10kHz_, evitando la generacin de ruido au-dible. Esta frecuencia determina el tiempo de muestreoTSpara el vectorVS, dondeUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS31IntroduccinTS=1/FPWM. Existen diversos patrones de conmutacin capaces de generar aVSapartirdeV0,V1,. . . ,V7. Matemticamente, VSpuedeserrepresentadocomoenlaecuacin 1.13 donde las variablesT0,T1,. . . ,T7 se reeren al tiempo activo del corres-pondiente estado de conmutacin.VS=_T0TSV0_+_T1TSV1_+_T2TSV2_+_T3TSV3_++_T4TSV4_+_T5TSV5_+_T6TSV6_+_T7TSV7_(1.13)TS= T0 + T1 + T2 + T3 + T4 + T5 + T6 + T7(1.14)Clculo del Vector VSTomando como referencia la gura 1.20 en donde el vector VS se encuentra dentrodel 1ersector con un ngulo con respecto al eje x, se asume que durante el tiempo TS,VS permanece jo. Haciendo uso de la ecuacin 1.13, se tiene:VS=_TATSV1_+_TBTSV2_+_T0/7TSV0/7_. (1.15)donde TA= T1 y TB= T2.V/3CDV1V2VsV0/7TBTAFigura 1.20 Visualizacin del Vector VS en el Sector 1.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS32IntroduccinLa ecuacin 1.15 indica que el inversor se encuentra en estado activo durante losperodos TA y TB. Durante el resto del ciclo de trabajo TS ningn voltaje es aplicado, locual se logra mediante los estados 0 ( 7) durante el tiempo restante T0 ( T7).TS= TA + TB + T0/7(1.16)Los intervalos de tiempoTA, TByT0/7deben calcularse de tal forma que el voltajepromedio por segundo producido por los vectores V1, V2 y V0/7, a lo largo de los ejesx-y resulte igual al producido por el vector espacial de referencia VS.El ndice de modulacin se dene como:m = |VS|VCD,donde |VS| es la amplitud del vectorVS. ProyectandoVSa lo largo de los ejes, seobtiene:_VCD TA_+_VCDcos(/3) TB_= |VS| cos() TS, (1.17)VCD sen(/3) TB= |VS| sen() TS, (1.18)donde representa el ngulo formado por el vector Vs con respecto a V1. Resolviendopara TA y TB se obtiene:TATS=23msen_3 _, (1.19)TBTS=23msen(). (1.20)El perodo T0/7 puede encontrarse a partir de la ecuacin 1.16. Para mejorar la dis-torsin armnica total, el perodo T0 ( T7) se divide en 2 secciones para aplicarse tantoal principio como al nal del tiempo TS. Las tpicas formas de onda para el primer sec-tor denidas por las ecuaciones 1.15, 1.16, y las reglas de conmutacin aplicadas a lamodulacin PWM alineada al centro, se muestran en la gura 1.21. Se pueden observarlos ejes de simetra en las formas de onda, responsables de la disminucin de distorsinarmnica.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS33IntroduccinFase AFase BFase CTSTS7V V1 2 V7 V7 V1 V2 V0 V0TBTAT /2 T /20Figura 1.21 Vista de un Perodo de Trabajo SVPWM en el Sector 1.A partir de la gura 1.19 resulta claro que en la regin de operacin lineal, la ampli-tud del voltaje mximo de lnea a lnea, se puede lograr cuando el vector VS es rotado alo largo del crculo inscrito en el hexgono del vector espacial. En trminos matemti-cos, esto equivale a:mmax=Radio Crculo InscritoVCD. (1.21)Y, a partir de la gura 1.20 y la ecuacin 1.21, se tiene que:mmax=VCDcos(/6)VCD= cos(/6) =32. (1.22)Combinando las ecuaciones 1.15 y1.22:Vmax=23mmaxVCD Vmax=2332VCD= VCD(1.23)Las expresiones en 1.23 demuestran que es posible obtener una amplitud en los voltajesde salida tan altos como el voltaje de CDque alimenta el inversor, utilizando el algoritmoSVPWMensurangodeoperacinlineal. Debidoaunmayorvoltajelneaalnea,comparado con la modulacin sinusoidal, el torque generado por el motor es mayor y larespuesta dinmica del motor es mejorada [3].UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS34IntroduccinLas ventajas del algoritmo SVM se resumen en seguida:En su regin lineal de operacin, el ndice de modulacin tiene un rango de 0hasta3/2. Los voltajes fase a fase son 15 % mayores en comparacin con lamodulacin sinusoidal, consiguiendo un rango dinmico mayor.Con el incremento en el voltaje de salida, el requerimiento de corriente parael inversor trifsico se ve reducido, manteniendo el mismo nivel de potencia altiempo que ocurre una disminucin en las prdidas de conduccin inherentesal inversor.Un solo vector espacial es controlado para generar 3 ondas sinusoidales.La implementacin de las reglas de conmutacin produce menor distorsin ar-mnica y las prdidas de conduccin en los transistores de potencia se reducen.La exibilidad que existe para seleccionar los estados inactivos y su distribu-cin en los perodos de conmutacin otorga 2 grados de libertad en su imple-mentacin.Siendo el vector espacial una cantidad bidimensional, es posible implementarun sistema de control ms avanzado, como el vectorial.Dentro de todo el rango dinmico de operacin, el control de la frecuencia eslineal.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS35Captulo2Diseo del Actuador de PotenciaEste captulo describe los circuitos que conforman las etapas de potencia e instru-mentacin, necesarias para el funcionamiento del actuador de potencia en conjunto conel sistema de control.2.1Diseo del Convertidor CD-CAEldiseodelinversortrifsicoestbasadoenunmdulointegradodepotencia(IPM) IRAMS10UP60A (600 voltios, 10 amperios) de International Rectier. Pertene-ce a una familia de dispositivos que ofrecen una solucin para controladores trifsicos,en el rango de 250 hasta 2000 watts [9].El esquemtico del dispositivo aparece en la gura 2.1. Los mdulos IPM de lafamilia IRAMS contienen seis transistores IGBT, cada uno con un resistor discreto ensu compuerta, seis diodos de marcha libre, un circuito integrado monoltico, 3 diodosauto-sostenibles (bootstrap)conresistoreslimitadoresdecorrienteyunparresistor-termistor NTC para medicin de temperatura.La conexin de las terminales de potencia es muy simple, slo V+, los emisores decada fase (Le1,Le2 y Le3) y las conexiones al motor (U,V y W). Requiere la conexinDiseo del Actuador de PotenciaNTCV+VSWVSUVSVVbUVbVVbWLeVLeULeWHinUHinVHinWLinULinVLinWT/ItripVssVdd12kCI: IR21365Figura 2.1 Esquemtico del Mdulo de Potencia.de 3 capacitores auto-sostenibles, seleccionados a partir de la frecuencia de conmuta-cin. La operacin del circuito integrado requiere solamente 6 seales PWM de nivellgico (activas en bajo) a cargo de modular cada transistor.Aparte de las ventajas asociadas a un mdulo integrado: menor costo, tamao y conmayor conabilidad comparado con otras soluciones discretas, los dispositivos IPM seconstituyen como robustos conmutadores de potencia con mnima generacin de ruido.Adicionalmente eliminan ciertos inconvenientes tcnicos a partir de las caractersticassiguientes:Los retardos de propagacin para los 6 IGBTs son idnticos, evitando la apli-cacin de ujo de CD al motor.El control de tiempo muerto evita la conduccin simultnea de los transistoresUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS37Diseo del Actuador de Potenciaen las ramas del inversor.Una variable analgica, proporcional a la temperatura de los interruptores depotencia se provee al exterior del mdulo para su monitoreo.El acoplamiento del ruido de conmutacin se previene mediante un plano detierra conectado a la terminal Vss, aislada por 2kVrms del resto del circuito.La mnima inductancia del circuito conlleva una reduccin de los picos de vol-taje y la habilidad para operar a una mayor frecuencia de conmutacin.Cada uno de los 6 transistores IGBT no-perforables incluye un diodo de recupe-racin ultra-suave de marcha libre; minimizando la generacin de interferenciaelectromagntica (EMI).2.1.1 Operacin del Circuito BootstrapEl circuito controlador de compuertas (gate driver), integrado al mdulo de poten-cia, requiere de un voltaje otante de alimentacin por cada uno de los 3 circuitos queproveen pulsos de compuerta a los transistores superiores. Una forma conveniente deobtener estas fuentes de alimentacin es mediante el uso de circuitos auto-dependientes(bootstrap). La gura 2.2 muestra el esquemtico para una de las fases.Cuando el transistor inferior es activado, la terminalVSdel circuito integrado selleva casi al potencial de tierra, el capacitorCbs comienza su carga a travs del diodoDbs y el resistor Rbs, hasta un voltaje cercano a VCC. El capacitor Cbs es seleccionadode tal forma que mantenga casi la totalidad de su carga cuando el transistor inferior seadesactivado y la terminal VS regrese a un potencial cercano al de CD. De este modo, elvoltaje del capacitor Cbs se utiliza para potenciar la conmutacin del transistor superior.De acuerdo al fabricante, el valor del capacitor Cbs debe ser de 2.2F para frecuenciasde conmutacin en el rango de 5 a 20kHz.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS38Diseo del Actuador de PotenciaVcc = 15VVcdRbsDbsCbsVccHinGNDVbHoVsFigura 2.2 Circuito Auto-dependiente.2.2Diseo de los Circuitos de Instrumentacin y Control2.2.1 Operacin de los Circuitos de ProteccinLa terminal T/Itrip del mdulo de potencia tiene una funcin dual: como entrada devoltaje para el disparo de sobre-corriente y como terminal de salida del arreglo termistor-resistor para el monitoreo analgico de temperatura. Es por esta dualidad que el circuitode la gura 2.3 se dise. Ah, el resistorRSestablece el punto de operacin para elmonitoreo analgico de la temperatura, esta seal es conectada tanto a la entrada deldetector de voltaje TC54 como al ctodo del diodoDI, a cargo de aislar la seal dedisparo de sobre-corriente OvL. La resistencia RIconectada entre el nodo del diodoDIy una fuente de +5Voltios (referenciada a la tierra de potencia), provee el estadoinicial apagado del inversor, previniendo el caso de ciertas combinaciones de fallas enhardware y software, de la seccin de control.La salida del detector de voltaje alerta al controlador de un evento de sobre-calentamiento,el funcionamiento del dispositivo TC54 se exhibe en la gura 2.4. Durante su operacin,el voltaje de salida VOUT permanece en el estado lgico alto siempre y cuando el voltajede entrada VINse encuentre dentro del voltaje de umbral VDET. Cuando VINcae pordebajo de ste, la salida es llevada al nivel lgico bajo y seguir as hasta que el voltajeUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS39Diseo del Actuador de PotenciaTC54VN3002+5VisoNTC12k4k3IR21365+15VisoVssVddT/ItripR RIRAMS10UP60AOvHOvLDIRSI TVin VoutFigura 2.3 Circuito Interface con Terminal T/Itrip.VIN supere al nivel VDET por un voltaje de histresis VHIST, momento en el cual VOUTregresa al estado lgico alto [13].Voltaje de EntradaVoltaje Minimo de Operacion Voltaje de LiberacionNivel de TierraVoltaje de Deteccion Voltaje de Salida(+Vdet)(-Vdet)Voltaje deHisteresisNivel de TierraFigura 2.4 Operacin del Detector de Voltaje TC54.La temperatura mxima de trabajo para los mdulos de potencia IRAMSXX es de150C, temperatura que corresponde a un voltaje de 3.3V en T/Itrip cuando un resistorRSde 4.3kes utilizado.Otorgando un margen de seguridad al sistema, dentro delrango de voltajes de deteccin disponibles, el de 3V (2 %) consistente con 125C fueseleccionado.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS40Diseo del Actuador de PotenciaLa inhabilitacin del inversor por un disparo de sobre-corriente, responde a un vol-taje de entrada generado a partir de un elemento sensor externo, como un resistor o untransformador de corriente. En esta implementacin se eligi un sensor integrado deefecto Hall.2.2.2 Circuito Integrado del Sensor de CorrienteEl circuito integrado ACS704-015 de encapsulado 8-SOIC, mostrado en la gu-ra 2.5, est conformado por un circuito de instrumentacion lineal, excitado a partir de unsensor de efecto Hall dispuesto en la proximidad de una seccin de cobre cuyas termi-nales se encuentran disponibles al exterior del silicn. La corriente inyectada a lo largode este camino de conduccin (corriente primaria), genera un campo magntico que enforma de un voltaje proporcional y aislado, es recuperado por el circuito integrado deefecto Hall [14].0.1uFCancelacion dinamicade offsetAmp.FiltradoGanancia Ajuste TControl GananciaOffsetAmp.ReguladorVoltajealimentacion sub-circuitosVoutPin 7N.C.Pin 6IP+Pin 1IP+Pin 2Pin 3IP-Pin4IP-GNDPin 5+5VPin 8VddCorriente PrimariaFigura 2.5 Esquemtico del Sensor de Efecto Hall.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS41Diseo del Actuador de PotenciaLasealdevoltajeposeeunapendientepositiva. ConunvalormayoraVCC/2cuando una corriente uye en el sentido de las terminales IP+ hacia el otro par IP-. Lagura 2.6 muestra el voltaje de salida VOUTdel dispositivo, con respecto a la corrienteprimaria. Las caractersticas clave de este sensor se enlistan a continuacin:5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0-20 -15 -10-505 10 1520Vout(V)85 C25 C-40 CIp(A)

Figura 2.6 Funcin de Transferencia del Sensor ACS704-015.La resistencia interna de la seccin de cobre entre IP+ e IP- es cercana a 1.5m, exhibiendo una prdida muy baja de potencia.Las terminales de la seccin de conduccin IP+ a IP- se encuentran elctrica-mente aisladas de las terminales del sensor (patillas 5 a 8).Requiere un solo voltaje positivo de operacin de 5V (10 %).Tiene una sensibilidad 100mV/A, un rango dinmico de 20 Amperios y unancho de banda de 50kHz.La gura 2.7 muestra la relacin del sensor de efecto Hall con el mdulo de poten-cia. Las terminales IP- del sensor se unen al positivo de la fuente de CD, mientras quelas patillas IP+ se conectan a la terminal V+ del mdulo IPM. De esta forma, el voltajeVidc del sensor tendr un valor de 2.5V a 0V para una corriente creciente dirigida de lafuente de CD hacia el inversor.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS42Diseo del Actuador de PotenciaDC+V+DC-IRAMS10UP60A+5Viso+5Vdc+5VdcRhallACS704IP-idc Vvdc VIP+HCPL-7520R1R21.5mFigura 2.7 Circuitos para Medicin de Voltaje y Corriente.2.2.3 Medicin Aislada de Alto VoltajeEl circuito integrado HCPL-7520 en encapsulado 8-DIP de la gura 2.8, es fabrica-do por Agilent Technologies. Se trata de un amplicador operacional aislado, diseadopara efectuar la medicin de voltajes en aplicaciones de control para motores. Tiene unancho de banda de 100kHz con una linealidad del 0.06 % [7].Vdd1Vin+Vin-GND1Vdd2Vout+VrefGND2Figura 2.8 Amplicador Operacional Aislado HCPL-7520.En este dispositivo, un voltaje de entrada til en el rango de 200mV es procesadomediante un convertidor analgico-digital sigma-delta, el resultado de esta operacin esUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS43Diseo del Actuador de Potenciamodulado a travs de una barrera de aislamiento ptico. En la otra regin de la barrera,la seal original se recupera y es amplicada para adaptarla a un rango dinmico de 0.5a 3.75V en su salida.En la presente implementacin, un amplicador operacional de este tipo se utilizpara realizar la medicin de alto voltaje de la fuente de CD. Observe la gura 2.7, endonde las resistenciasR1 = 3M yR2 = 2k, forman un divisor de tensin entre lasterminales de alimentacin de CD con un voltaje mximoVmaxcd= 400V. Mediante laecuacin 2.1 se calcula el nivel mximo de voltaje Vmaxina la entrada del amplicadoroperacional:Vmaxin=R1 + R2R1R2Vmaxcd. (2.1)Y asignando valores numricos se tiene:Vmaxin= (5.003 104) 400V= 200mVCoincidiendo con el mximo voltaje de entrada til para el dispositivo HCPL-7520,dentro de un rango de medicin aislada de 0 a 400V.2.2.4 Microcontrolador PIC12F683Tanto la deteccin de sobre-carga en el inversor como el muestreo del voltaje deCD son efectuados mediante el microcontrolador PIC12F683 de 8-bits en encapsula-do 8-DIP, fabricado por Microchip Technology[10]. Este dispositivo cuenta con lossiguientes mdulos principales:Convertidor analgico-digital de 10-bits con 4 canales de entrada.Comparador y voltaje de referencia analgicos programables.Oscilador interno congurable, desde 31kHz hasta 8MHz.2 Temporizadores de 8-bits y uno de 16-bits.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS44Diseo del Actuador de PotenciaEl circuito de la gura 2.9 muestra la interaccin de este dispositivo con el ampli-cador operacional aislado y el sensor de efecto Hall. Observe la conexin del voltajede salida del operacional a la terminal AN3. Este voltaje es muestreado continuamen-te por medio del convertidor analgico-digital, el resultado se transmite serialmente alcontrolador del sistema para su inclusin dentro del esquema de control.>+5VdcDC+V+DC-PIC12F683VrefRhallIRAMS10UP60AACS704+5Viso+5Vdc Cout Cin+VddAN3VssADCTx1.5mFigura 2.9 Conexin del Circuito al Microcontrolador PIC12F683.Observe tambin la conexin del sensor de efecto Hall a la terminal CIN+ corres-pondiente a la entrada no-inversora del comparador analgico integrado al microcontro-lador, dicho comparador se encuentra referenciado a un voltaje programable VREF, susalida COUT se activa para niveles de tensin en CIN+ menores a VREF. Como existeuna relacin proporcional entre la corriente de CD y la tensin en CIN+, mediante laprogramacin (va software) del voltaje de referencia VREF, se hace posible la deteccinde una diversidad de corrientes de falla. La tabla 2.1 muestra todos los valores posibles.En la implementacin actual, una corriente de falla de 5.874A se estableci selec-cionando el voltaje de referencia de la posicin nmero 8 de la tabla 2.1. Tome en cuentaque en el caso del mdulo de potencia IRAMS10UP60A, la seleccin de la opcin n-mero 14 de la tabla 2.1 que establece una corriente de falla de 10.964 amperes, pondraUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS45Diseo del Actuador de PotenciaVREF(V) Corriente de Falla (A)1 2.500 0.0002 2.343 1.1743 2.291 1.5664 2.187 2.3495 2.083 3.1326 2.031 3.5247 1.875 4.6998 1.718 5.8749 1.666 6.26510 1.562 7.04811 1.458 7.83212 1.406 8.22313 1.250 9.39814 1.041 10.964Cuadro 2.1 Corrientes de Falla en Funcin del Voltaje de Referenciaal inversor en un estado de vulnerabilidad frente a la excursin de una corriente mayora 10 amperes cuya duracin se prolongue por ms de 10 s.Finalmente, el esquemticodelagura2.10muestrael conjuntodeloscircui-tos de instrumentacin descritos en secciones anteriores. Observe la introduccin delcomponente ADUM14xx. ste dispositivo constituye una simplicacin novedosa enaplicaciones que, -de forma simple, directa y eciente-, requieren de la transmisin bi-direccional de seales digitales de alta frecuencia a travs de un aislamiento elctrico.2.2.5 Acopladores Digitales ADUM140XEl circuito integrado ADUM140X en encapsulado 16-SOIC, es un acoplador digitalde 4 canales fabricado por Analog Devices perteneciente a la familia iCoupler [6].Estn basados en una tecnologa de acoplamiento magntico mediante microtrans-formadores con ncleos de aire, sus caractersticas de desempeo son muy superiores acualquier opto-acoplador.Sin el uso de LEDs, ni foto-diodos, eliminan las problemticas de diseos con opto-UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS46Diseo del Actuador de PotenciaTC54+5VisoNTCADUM14xxI R 2 1 3 6 5>+5VdcDC+V+DC-PIC12F683Vref+15VisoIFLTARhallVssVddT/ItripVRU VRV VRWIRAMS10UP60A+ 5 V i s o+ 5 V d cADCPIC12F683INT11.5mFigura 2.10 Esquemtico de Instrumentacin Mdulo IPM.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS47Diseo del Actuador de PotenciaVDD1 1GND1 2Via3Vib4Vic5Vod 6Ve1 7GND1 816VDD215GND214Voa13Vob12Voc11Vid10Ve2 9 GND2CODIFICARDECODIFICARCODIFICARCODIFICAR DECODIFICARDECODIFICARDECODIFICARCODIFICARFigura 2.11 Acoplador Digital iCoupler.aisladores; de altos requerimientos de corriente y funciones de transferencia no-lineales.El circuito integrado tiene un ancho de banda de 10 Megabits/segundo. Funciona conuna vigsima parte del consumo de potencia requerido por opto-acopladores y opera conun voltaje de alimentacin de 2.7 a 5.5 voltios.El uso de un par de canales de un dispositivo ADUM1401 permite tanto la trans-misindelasealdesobre-carga INT1,originadaenlaseccindeinstrumentacinhacia la etapa de potencia como la seal de sobre-calentamiento IFLTA, originada en elmdulo IPM hacia la etapa de control del sistema.La gura 2.12 muestra la simplicidad en el uso de los dispositivos iCouplerparatransferir las 6 seales de modulacin PWMgeneradas por el microcontrolador PIC18F-4431, hacia el mdulo de potencia IRAMS10UP60A. Para su operacin, el acopladormagntico requiere la conexin de los voltajes de +5Vdc, cuyo punto de referencia Vsses comn con la tierra de la seccin de control y la fuente aislada +5Viso, comn con laterminal negativa de la fuente de CD.El circuito antes descrito requiere un par de fuentes de voltaje aisladas, de 5 y 15V.La fuente de 5V, identicada como +5Viso se consigue a partir de la de 15V medianteUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS48Diseo del Actuador de PotenciaADUM14xxIR21365+5VdcIRAMS10UP60AVddPWM5PWM4PWM3PWM2PWM1PWM0Vss+5Viso+15VisoPIC18F4431H3L3H2L2H1L1GNDVccFigura 2.12 Esquemtico de la Conexin de Lneas PWM al Mdulo IPM.un regulador lineal. Para la fuente +15Viso, se requiere un dispositivo capaz de generaruna fuente otante a partir de un voltaje de +5V, su descripcin es la siguiente.2.2.6 Convertidor CD-CD AisladoEl circuito integrado DCV010512, es un convertidor CD-CD de aislamiento por1500kVrms con un requerimiento mnimo de componentes externos y en encapsuladotipo 14-DIP. Proporciona 1Watt de potencia no regulada, eciente al 85 %. La seccin depotencia es de topologa push-pull en conmutacin de 400kHz. El dispositivo se auto-protege mediante un circuito trmico, que desactiva su funcionamiento al detectar unatemperatura de 150C [8].UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS49Diseo del Actuador de PotenciaOscilador800kHz/2ResetPerroGuardian/InicioApagado deProteccionTermicaEtapadePotenciaCircuito Integrado Convertidor de CD-CD0V0VisoSYNCINSYNCOUTVSVOUTFigura 2.13 Esquemtico del Convertidor CD-CD de Aislamiento.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS50Captulo3Diseo del Sistema de ControlEste captulo cubre a detalle las implementaciones discretas de la modulacin enespacio vectorial, el controlador PID y el control escalar de velocidad diseadas para elprograma embebido en el microcontrolador PIC18F4431 del prototipo construido.3.1Microcontrolador PIC18F4431El microcontrolador (MCU)1PIC18F4431 de 8-bits en encapsulado 40-DIP fabri-cado por Microchip Technology [11] posee una densa integracin de perifricos que lohacen una opcin ideal para aplicaciones de conversin de potencia y control de moto-res. Los siguientes mdulos especiales, integrados al microcontrolador y sus caracters-ticas se describen a continuacin:1. Mdulo de control de potencia PWM de 14-bitsDispone de 4 canales con salidas complementarias de modulacin PWM.Implementa la modulacin PWM en modalidad simtrica o asimtrica.1Por sus siglas en ingls: Micro Controller UnitDiseo del Sistema de ControlPosee un generador de tiempo muerto programable para salidas de modu-lacin complementarias.Ofrece entradas digitales de proteccin contra fallas externas y la desac-tivacin instantnea de las seales PWM.2. Interface para Encoder de cuadraturaSoporta 2 entradas de fase y una de ndice. Incluye ltros de rechazo pararuido de alta frecuencia.Efectaelseguimientodeposicinconinterrupcionesparacambiodedireccin y paro del motor.Realiza mediciones de velocidad en rangos de alta y baja resolucin.3. Convertidor analgico-digital de 10-bits y alta velocidadDispone de 9 canales analgicos para su conversin al dominio digital.Efecta con un tiempo de adquisicin programable; tanto el muestreo si-multneo de 2 canales, como el secuencial, entre 2,3 4 canales.Posee, adems de estos mdulos, las siguientes caractersticas: Capacidad para ejecutar 10 millones de instrucciones por segundo con una ve-locidad de reloj de 40MHz. 16 Kilobytes de memoria FLASH de programa, 768 bytes de memoria RAM y256 bytes de memoria EEPROM. 2 mdulos de comunicacin serial SPI2 I2C3y USART4.2Serial Peripheral Interface3Inter-integrated Circuit4Universal Synchronous-Asynchronous Receiver-TransmitterUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS52Diseo del Sistema de Control3.1.1 Terminales del MicrocontroladorLa gura 3.1 muestra al microcontrolador junto con las etiquetas de identicacinpara cada una de sus 40 terminales. La funcin de cada una de ellas se detalla a conti-nuacin:MCLR/RE3: Entrada digital que provee el RESET inicial al microcontrolador.RA0/AN0yRA1/AN1:Entradasanalgicasconectadasaloscursoresde2potencimetros bajo control del usuario para el ajuste de la ganancias Kp y Ki,respectivamente.RA2/AN2, RA3/QEA y RA4/QEB: Entradas digitales de las seales INDX,QEA y QEB provedas por un Encoder colocado en la echa de el motor.RA5/AN5, RE0/AN6, RE1/AN7 y RE2/AN8: Entradas analgicas unidas cadauna a los cursores de 4 potencimetros para el ajuste de ganancia diferencialKd,loscontrolesgruesoynodevelocidad,yelcontroldelosmensdeldisplay, respectivamente.AVdd y AVss: Conexin de la fuente de alimentacin de +5Vdc.OSC1 y OSC2: Conexin de un cristal de 10MHz y capacitores referenciadosa tierra.RC0: Salida de la seal RS para el control del LCD.RC1/CCP2: Salida para el control de encendido/apagado del ventilador.RC2/FLTB y RC3/INT0: Entrada digital para el apagado inmediato del inversorbajo control del usuario.RD0: Salida de la seal EN para el control del display.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS53Diseo del Sistema de ControlRD1/SDO, RD2 y RD3/SCK: Salidas de interface serial SPI, para el control delconvertidor digital-analgico TLV5618.RC4/INT1: Entrada digital de interrupcin INT1 para deteccin de sobre-carga.RC5: Entrada digital del interruptor momentneo para el arranque y paro delmotor por parte del usuario.RC6: Entrada digital del interruptor momentneo FNCRT para seleccionar lasopciones en el men del display el cambio de rotacin del motor.RC7/Rx: Entrada digital de recepcin asncrona USART, por parte del disposi-tivo PIC12F683.RD4/FLTA: Entrada digital para la deteccin de sobre-calentamiento y desac-tivacin de seales PWM.RD5: Salida para la activacin de la alarma sonora.RD6 y RD7: Salida de las seales DB4 y DB5 para el control del display.Vss y Vdd: Conexin de la fuente de alimentacin de 5V.RB0/PWM0, RB1/PWM1, RB2/PWM2, RB3/PWM3, RB4/PWM5 y RB5/PWM4:Salida de las seales de modulacin PWM, activas en nivel lgico bajo.RB6/PGC y RB7/PGD: Salida de las seales DB6 y DB7 para el control deldisplay.3.1.2 Programa Embebido en el MicrocontroladorEl programa del microcontrolador fue escrito en lenguaje ensamblador , consiguien-do un eciente desempeo de alta velocidad, en particular cuando se trata de operacionesUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS54Diseo del Sistema de Control12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221MCLR/RE3RA0/AN0RA1/AN1RA2/INDXRA3/QEARA4/QEBRA5/AN5RE0/AN6RE1/AN7RE2/AN8AVDDAVSSOSC1/RA7OSC2/RA6RC0RC1/CCP2RC2/FLTBRC3/INT0RD0RD1/SDORB7/PGDRB6/PGCRB5/PWM4RB4/PWM5RB3/PWM3RB2/PWM2RB1/PWM1RB0/PWM0VDDVSSRD7RD6RD5RD4/FLTARC7/RXRC6RC5RC4/INT1RD3/SCKRD2PIC18F4431Ki_anKp_anINDXQEAQEBKd_ans_coarses_fineLCD_anlcd_DB5lcd_DB4buzzn_FLTARx FNCRTSRINT1SCKn_CSlcd_DB7lcd_DB6PWM4PWM5PWM3PWM2PWM1PWM0OSC1OSC2lcd_RSLFPWMn_FLTBlcd_ENSDO+5VccC21 C8R4Figura 3.1 Microcontrolador PIC18F4431.aritmticas de 16 24-bits; como las requeridas por el algoritmo PID. La desventaja dedisear cdigo en lenguaje ensamblador es que para obtener una ejecucin satisfactoria,un gran nivel de detalles deben tomarse en cuenta, como producto de esto, el cdigo deesta implementacin consta de 5,500 lneas de programa que se compilan para generarun archivo binario de 14Kbytes a almacenar en la memoria del MCU. Cabe hacer notarque un programa similar escrito en un lenguaje como Basic, sin duda rebasara el lmitede 16Kbytes de memoria del MCU, por 5Kbytes e incluso ms [2].Un total de 16 diagramas de ujo localizados en el apndice A explican con detalleel funcionamiento de cada segmento del programa desarrollado. El funcionamiento delprograma est por completo basado en interrupciones va software, generadas por partede los distintos mdulos que conforman al MCU. Las interrupciones permiten atendercon exibilidad las tareas fundamentales a realizar por el programa, dejando las rutinasUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS55Diseo del Sistema de Controlde corrida lenta, como la del refresco del displayu otras de baja importancia para suejecucin dentro de intervalos de tiempo libres de interrupciones.La asignacin que es posible establecer en el MCU, entre interrupciones de alto ybajo nivel, admiten el llamado a una rutina de alto nivel incluso cuando otra de nivelbajo est siendo ejecutada. De acuerdo con el nivel de prioridad asignado a sus interrup-ciones, se describe a continuacin el trabajo de cada uno de los mdulos:Mdulos con Interrupcin de Alta Prioridad1. Mdulo PWM: Este mdulo est a cargo de los clculos en tiempo realrequeridos por el algoritmo de modulacin SVPWM. Su interrupcin ocu-rre cada 500S, mltiplo del perodo de modulacin 4TPWM. Su ejecu-cin rigorosa minimiza la distorsin de los voltajes de salida del inversor.2. Mdulo CCP2 (Captura, Comparacin y PWM): El mdulo CCP2 enconjunto con el temporizador 1, establecen la tasa de muestreo con la cuallos trminos integral y diferencial del controlador PID son calculados. Enla implementacin actual, su interrupcin ocurre cada milisegundo.3. Mdulo QEI (Interface de Encoder): Es durante la interrupcin de estemdulo que la ejecucin del controlador PID tiene lugar. Su frecuenciade ejecucin depende de la velocidad del motor, del dispositivo Encodery del propio mdulo, generando 128 eventos de velocidad por cada girodel rotor.4. Mdulo Temporizador 0: La rutina de interrupcin de este temporizadorse encarga de la operacin de un bfer entre el controlador de velocidady la seal de referencia proporcionada por el usuario. Sirve como base detiempo para efectar las tareas de arranque del motor, aceleracin, des-aceleracin y paro suave del motor. Su perodo de interrupcin es de 3 a5ms, y ofrece una tasa de aceleracion/desaceleracin de 30Hz/s.UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS56Diseo del Sistema de Control5. Mdulo Detector de Falla en Oscilador:Setratadeunmduloquepermite la deteccin de una falla en la generacin de tiempos de reloj enel circuito oscilador del MCU, causada por interferencia electromagnticau otros factores externos.Cuando una falla de este tipo ocurre, el oscilador interno de 8MHz comien-za a trabajar, permitiendo la ejecucin de una rutina de instrucciones quepermitan el apagado del sistema en forma segura.6. Mdulo Detector de Bajo Voltaje: En forma similar al mdulo de fallaen oscilador, la deteccin de un bajo voltaje de alimentacin (20 % pordebajo de 5V) permite desactivar el sistema de modo seguro, antes queocurra una mayor cada de voltaje que origine un comportamiento impre-decible del microcontrolador.Mdulos con Interrupcin de Baja Prioridad1. Mdulo Temporizador 2: En base a la interrupcin del Temporizador2, cada 2ms, los eventos de velocidad del mdulo QEI son registradospara la deteccin del cese de rotacin del motor. A partir de este even-to es posible la determinacin de una falla mecnica y reaccionar en suconsecuencia, deshabilitando por completo al actuador de potencia.En el caso del funcionamiento del controlador en modalidad de lazo abier-to, el temporizador est a cargo de llamar a la rutina que calcula el nuevondice de modulacin dado un valor de frecuencia.2. Mdulo Convertidor Analgico-Digital: Elconvertidor Analgico-Digitalse encarga de muestrear los 6 canales de entrada analgicos, cuyos volta-jes provienen de los cursores de 6 potencimetros bajo control del usuario.ParainvolucraradecuadamenteaestasvariablesdentrodelsistemadeUNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS57Diseo del Sistema de Controlcontrol, elresultadodecadaunadelasconversionesesaplicadoaunltro pasa-bajos digital.Al trmino de un ciclo de conversiones, los interruptores momentneosRS (Run/Stop) y FNCRT (Function/Rotation Toggle) son muestreadospara determinar la asercin de sus funciones arranque/paro, y funcin endisplay/inversin de rotacin, respectivamente.3. Mdulo de Comunicacin SPI: El mdulo de comunicacin serial SPIse encarga de actualizar las variables del sistema entregadas al convertidordigital-analgico TLV5618 para su transformacin en seales de voltajeque puedan medirse y desplegarse en un osciloscopio.4. Mdulo de Comunicacin USART: El mdulo USART recibe del MCUPIC12F683 una variable de 10-bits correspondiente al voltaje de alta ten-sin de CD. Recibe tambin 3 reportes sobre los niveles alto, normal y debajo voltaje de CD.3.1.3 Operacin del Mdulo PWMEste mdulo posee 8 canales de modulacin controlados mediante 4 unidades de ge-neracin PWM, simplicando en gran medida la produccin de mltiples salidas PWMsincronizadas. Su operacin requiere un total de 22 registros en RAM; operando 14 deellos en pares, de forma concatenada [18].Los registros PTPERH:L almacenan un valor de 16-bits que determina la frecuenciade modulacin FPWM. Para el control de los ciclos de trabajo, el valor de 16-bits alma-cenado en los registros PDC0H:L determina el ancho de pulso para las seales PWM0 y1. Lo mismo ocurre en el caso de los registros PDC1H:L respecto a las seales PWM2y 3, as como con las seales PWM4 y 5 en relacin con los registros PDC2H:L [11].UNIVERSIDAD AUTNOMA DE SAN LUIS POTOSFACULTAD DE CIENCIAS58Diseo del Sistema de ControlEl mdulo tiene 3 formas dis