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21/04/23 Cap4B_DCtoDC Control de Motores Prof. Andres Diaz

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Cap4B_DCtoDC_motor Controler

Control de motores

Prof. Andrés Díaz


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Contenido parte B• Especificiciones de los dispositivos

• Torque pulsante

• Operación lazo cerrado– Controlador de velocidad– Controlador de corriente– Control PWM para corriente– Modelando el control de corriente– Diseñando loop de corriente


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Rated de los dispositivos

• La corriente RMS de los diodos y transistores es función de los valores máximos y del duty cycle.

El valore minimo de voltaje del diodo y el transistor es el de la fuente


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Corriente Vs Dutycycle

• La gráfica muestra como cambia el La corriente en los dispositivos de power con el dutycycle.

• Mientras la corriente del transistor sube con DC el diodo disminuye.


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Torque pulsante

• La corriente pulsante produce torque pulsante.

• Aunque este torque pulsante no realiza trabajo neto, en algunas aplicaciones es necesario mantenerla en los valore minimos posible


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Corriente Pulsante

• La corriente de armadura tiene también su valor promedio y harmónicas.

• Como la contribucción de las otras harmónicas es casi cero solo la primera harmonica es considerada para el torque pulsante.


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Torque pulsante Vs Torque average

• El torque pulsante se expresa en función del torque promedio utilizando el siguiente procedimiento.


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Torque Pulsante vs DutyCycle

• La amplitud del torque fundamental vs el average se reduce con el duycycle tal y como lo muestra la figura.

• Esta relación se hace mas inclinada para valores de E/V más alta.


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Ejemplo Un motor DC requiere un torque pulsante de menos de 2% a 300 rpm determine si un control utilizando DctoDc es adecuado para el. las especificaciones del motor son3 hp, 120V, 1500rpm, Ra=0.8ohm, La=0.003 H, Kb=0.764 V/rad/sec, fc=500Hz .En caso de encontrarse inadecuado encuentre una nueva Fc o una inductancia en serie con La para reducir el torque por debajo de 2%.Método: hallar Ter,Ib,Va,DC,Ia1,Te1, luego hallar la frecuencia wc y luego la inductancia.


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Diseño del controlador usando convertidor DC-DC

Al igual que el controlador de fase aquí también se utilizan dos lazos cerrados uno de corriente y otro de voltaje. El loop de voltaje es similar al utilizado en el control de fase. Sin embargo el loop de corriente se utilizan dos métodos: Hysteresis y PWM.


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Control de corriente usando PWM

• La señal de comando proporcional al error de corriente se compara con una onda triangular. Mientras la señal Vc sea mayor que la onda triangular la salida es high o 1 cuando Vc es menor entonces es low o cero.

• La señal de salida será de dos níveles con un duracion proporcional al error.

• Este tipo de modulación se conoce como modulacion de ancho de pulso.

Sincronizando las señales

• Además de la comparación que produce el PWM tambien se procesa los estados de velocidad y corriente para determinar el punto exacto de cuando se van encender los transistores T1,T2,T3,T4.


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Entre el encendido de un transistor y el apagado de otro que se encuentre en la misma dirección (leg T1,T3) se produce un delay para evitar que los dos esten encendidos a lamisma vez y se produzca un corto circuito de la fuente.

Principio del PWM• Utilizando una onda

triangular se produce un ancho de pulso proporcional al error de corriente mas centrado dentro de cada ciclo. Esta señal se tiene que combinar con la polaridad de la velocidad y la corriente para determinar el cuadrante que se esta operando.


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Control de hysteresis• En este tipo de control el

valor de la corriente se compara con una referencia mas menos una tolerancia y se determina cuando se enciende o se apaga el pulso.

• En este modo la frecuencia no es fija sino depende de la tolerancia de corriente permitida y los parámetros del motor.


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Realizando el hysteresis control

• Se utilizan dos comparadores: El comparador 1 que hace que la señal se valla a high cuando Ia>Ia*-dI y un comparador 2 que hace que las señal se valla a low cuando Ia<Ia*-dl.

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Comparación de ambos métodos

• La selección entre ambos metodos debe estar basadas en la velocidad de respuesta deseada (mejor hysteresis) y los filtros a utilzarse (mejor PWM)


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Modelando el control de corriente

• El amplificador de error se modelará como una ganancia simple:

• El convertidor DC-DC para el caso de PWM se modela como un atraso de primer orden donde la el tiempo es equivalente a la mitad de la frecuencia de interrupción.

• Colocando juntas ambas ganancias se obtiene:

• En el caso de hysteresis no se considera ningún delay y la ganancia se hace igual a uno


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Diseñando el control de corriente

La función de transferencia del lazo cerrado de corriente de corriente

Donde K1 esta en función de los parámetros del motor y la carga

Kr esta determinado por la razon entre el voltaje maximo de contorl y el voltaje DC de la fuente del convertidor


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Ejemplo de un control de corriente DC-DC PWM

• Para el motor DC utilizado en el diseño de control de fase (ejemplo 3.4) las variables para este diseño son.

Si se hace un análisis en frecuencia se encuentra un cero a -1.42 que no depende de la ganacia Kc mientras que los polos si dependen de la ganancia Kc como lo muestra la siguiente tabla

Uno de los polos se acerca al cero a medida que aumenta la ganancia KC lo que permite que se anulen y su respuesta sea mas rápida.


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Diseñó del control de velocidad• Despreciando Tw nos

queda un sistema de tercer orden ya que (1+sTm) del loop de corriente se elimina con la segunda parte del motor Dc.

• La coeficientes del denominador queda en funcion de las constantes del sistema y de las constantes Ks y Ts que deseamos elegir convenientemente.


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Eligiendo Ks y Ts en el controlador de velocidad.

Igual que se hizo en el diseño del control de fase si se escogen las constantes a que cumplan con los siguiente:

Se eliminan algunas frecuencias intermedias y se aumenta el ancho de banda. Haciendo esto se encuentra Ks con la siguiente ecuación

Y luego se encuentra Ts con:

Par los mismos tres valores de KC analizados en el Lazo de corriente se analiza los polos y ceros del controlador

La constante de tiempo Ts es reducida dramáticamente con el incremento de Kc. Aun así La atenuación se mantiene suficientemente alta.


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Evitando la saturación del controlador de velocidad

• Debido a la alta ganancia del integrador del control de velocidad este se satura rápido.

• Para evitar esto se utilizan un anti-windup circuits. Este separa la ganancia integral y la ganancia proporcional. A la ganancia integral le añade un feedback con un tiempo muerto. Para valores pequeño del error la ganancia integral es grande. Pero para valores grande del error la ganancia integral disminuye grandemente por efecto del feedback evitando la saturación.

Aplicación del Shopper control• Muchos carros pequeños dentro de la industria (lifter) y

algunos recreativos (carros de golf) utilizan el motores DC alimentado con batería. En esta aplicaciones el motor debe correr en ambas direcciones por lo que debe trabajar en 4 cuadrantes.


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Ejemplo de Diseño de alimentación AC de un controlador shopper


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Calculando valores bases Rating de los diodos rectificadores

Seleccionando el filtro LC


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Para reducir el rizado del torque a un 10% la la impedancia del capacitor tiene que se 10 la impedancia de la carga para la sexta harmónica.

Para reducir el voltaje de rizado el valor de la sexta harmónica debe ser .01 el voltaje DC máximo.

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