CAPÍTULO 4

DISEÑO DE LA PLATAFORMA EXPERIMENTAL

En este apartado se consigna, la metodología del rebobinado delgenerador de inducción de doble devanado trifásico independientey asimétrico, y se presenta el diseño electrónico utilizado para elacondicionamiento de las señales provenientes de los distintos sensores,tomando como referencia la placa de control MSK28335 basada en elDSP de punto flotante TMS320F28335 fabricado por la empresa TexasInstruments. Se prevé que la implementación de la plataforma de ensayo,posibilite la extracción de resultados experimentales asociados a losdistintos algoritmos de control de corriente propuestos en el Capítulo3 mediante simulaciones.

4.1. Diseño del accionamiento hexafásico

El accionamiento electromecánico de seis fases, se ha diseñadoa partir de una máquina asíncrona originalmente trifásica de 15kW de potencia nominal con 72 ranuras y tres pares de polos, esteaccionamiento de la marca WEG fue adquirido en el marco del proyecto

85

4.1 Diseño del accionamiento hexafásico 86

de investigación cofinanciado por la FIUNA y el Conacyt1, cuya carcasadel estátor puede ser apreciada en la fotografía de la Figura 4.1 queha sido tomada antes de rebobinado del mismo y donde se apreciaademás el rotor de jaula de ardilla del accionamiento. Los bobinadosdel estátor de la máquina original han sido rebobinados para construiruna máquina con una potencia nominal equivalente, con tres pares depolos. La máquina de seis fases fue diseñada de manera a que posea dosconjuntos de bobinados trifásicos separados en 30 grados eléctricos, conneutros aislados2.

Figura 4.1: Fotografía del accionamiento en la etapa de rebobinado.

En la Figura 4.2 , se muestra el diseño del bobinado de las fasesmediante una representación unifilar del bobinado, donde por motivosde simplicidad para el diseño del diagrama se ha considerado un estátorcon 36 ranuras pudiéndose extrapolar el bobinado para el caso delaccionamiento de 72 ranuras. En las gráficas de la figura cada trazade color representa una de las fases de la máquina. Esta propuesta sebasa en el estudio realizado por [51], donde se realiza un análisis de lainfluencia del bobinado de la máquina sobre la inductancia mutua, entreambos bobinados trifásicos independientes en el accionamiento de seisfases.

1Conacyt: Consejo Nacional de Ciencias y Tecnología.2Como han sido extraídos los 12 bornes, el accionamiento también podría ser utilizado

en la configuración con nuestros comunes.

4.2 Circuitos de acondicionamiento de señal 87

Figura 4.2: Diagrama del diseño del bobinado propuesto para tres fases de la máquinade seis fases asimétrica.

4.2. Circuitos de acondicionamiento de señal

En la Figura 4.3, se muestra el esquemático del diseño del circuitocorrespondiente a la etapa de conversión de corriente a tensión (I-V), queserá utilizado para acondicionar las señales de los sensores de corrientede efecto Hall de los convertidores SKS 35F, la salida de este circuitoserá conectada directamente a la entrada de los conversores A/D de la

4.2 Circuitos de acondicionamiento de señal 88

placa de control (kit de desarrollo basado en el DSP TMS320F28335 dela empresa Texas Instruments).

Figura 4.3: Esquemático del convertidor I-V diseñado para acondicionar las señales delos sensores de efecto Hall.

Tal como puede apreciarse, el esquema diseñado posee un convertidorde corriente a tensión basado en el amplificador de transimpedancia OPA690 fabricado por la empresa Texas Instruments. En esta configuraciónla sensibilidad del convertidor de I-V está determinada por el valor dela resistencia Rf que se muestra en el esquemático. Por otro lado, lacapacitancia Cf que se muestra en el esquema permite compensar elefecto del ruido de alta frecuencia introducido al convertidor, haciendo

4.2 Circuitos de acondicionamiento de señal 89

que la posición del polo en lazo cerrado quede definido mediante lasiguiente ecuación de diseño:

1

2πRfCf=

√GBP

4πRfCd, (4.1)

esta ecuación proporciona un ancho de banda (f−3dB) aproximadamenteigual a:

f−3dB =

√GBP

4πRfCd, (4.2)

donde GBP representa el producto ancho de banda por ganancia delamplificador operacional OPA 690. Teniendo en cuenta las ecuacionesde diseño 4.1 y 4.2, y considerando una tensión de salida deseada de±1.5 V, para una rango de corriente de entrada de ±25 mA, es posibledeterminar el valor de la resistencia de realimentación (Rf = 56 Ω).

Una vez determinado el valor de la resistencia Rf , y conociendolos requisitos de ancho de banda es posible determinar los valores delos capacitores implícitos en el diseño Cd = 4,7µf y Cf = 10nf ,respectivamente.

Finalmente, la salida del convertidor de I-V es conectada a unamplificador en configuración sumador inversor, calibrado de tal forma aque si la corriente circulante por el sensor de efecto Hall es cero, la salidadel amplificador de tensión sea de 1.5 V. De esta manera, la tensióna la salida del amplificador operacional (U2) fluctúa entre 1.5 V. Estaetapa se basa en un amplificador operacional de tensión de bajo ruido dela serie OPA 350, donde la tensión de alimentación de este dispositivoes positiva de 3 V, lo que proporciona un rango de excursión de señalcompatible con las entradas del conversor A/D de la placa de control. Laplaca de acondicionamiento de señal posee cuatro esquemas idénticos,uno para cada sensor de corriente de efecto Hall3. En la Figura 4.4 puede

3Cada convertidor de potencia incluye dos sensores de corriente de efecto Hall. Si elsistema es equilibrado, la tercera componente de corriente puede ser calculada a partirde las dos corrientes medidas.

4.3 Etapa de pre-actuación 90

observarse una simulación donde se muestra la tensión de salida delconvertidor I-V diseñado para acondicionar la señal proveniente de lossensores de efecto Hall.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-0.02

0

0.02X: 0.04

Y: 0

0

1

2

3

X: 0.04

Y: 1.503

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-0.02

0

0.02 X: 0.04

Y: 0.025

X: 0.04

Y: 0.1032

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-0.02

0

0.02

X: 0.04

Y: -0.025

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

1

2

3

X: 0.04

Y: 2.902

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-0.02

0

0.02

00.02 0.04 0.06 0.08 0.1

1

2

3

I1 [

A]

I1 [

A]

Vo [

V]

Vo [

V]

Tiempo [seg] Tiempo [seg]

-0.02

0

0.02

0

0

1

2

3

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

Figura 4.4: Tensión de salida del convertidor I-V (Vo), en función a la corriente deentrada (I1).

4.3. Etapa de pre-actuación

La etapa de pre-actuación es un subsistema del Circuito de Acon-dicionamiento, cuya función principal es la de convertir los niveles detensión de los pines de salida del módulo PWM del DSP de la serieTMS320F28335 utilizado para el control, cuyos niveles lógicos varían 0V (nivel bajo) y 3.3 V (nivel alto), a valores de tensión discretos de 0 V (ni-vel bajo) y 15 V (nivel alto) compatibles con los niveles de operación delmódulo SKS 35F, además, esta etapa protege los periféricos del DSP a

4.4 Tarjeta conversora de protocolo 91

través de una red de aislamiento galvánico implementada utilizando losaisladores de la serie ISO7230CDW de la empresa Texas Instruments. Eldiseño implementado satisface las necesidades del sistema en cuanto aancho de banda y grado de protección. Así también se han incluidos unconjunto de filtros a cada salida a fin de mejorar la respuesta transitoriadel esquema en lo que respecta a sobreimpulso máximo sin deterioraren forma significativa la velocidad de respuesta. En la Figura 3.7 se ob-serva el diagrama circuital del sistema. La primera etapa del circuitoesta constituida por los aisladores galvánicos ISO7230CDW que se ali-mentan por un lado con fuentes de 3.3 V (equivalente a la tensión dealimentación del DSP) y por el otro con fuentes de 5 V, estas señales sonaplicadas a las entradas de un buffer de corriente de la serie ULN2803que proporciona en sus salidas tensiones de 0 V o 15 V.

4.4. Tarjeta conversora de protocolo

Las computadoras utilizan el estándar RS232 para realizar una co-municación punto a punto con otra computadora o algún otro dispositivo,el estándar RS232 utiliza una transmisión no balanceada a una distanciamáxima de 50m. Cuando se requieren mayores distancias y velocidadesde trasmisión, o se cuenta con dispositivos compatibles con el protocoloRS485 (caso del Inversor de frecuencia) debe realizarse una conversiónde protocolo RS232 a RS485 para lograr la comunicación. Debido a quela PC de control tiene como salida la interfaz RS232, y el inversor defrecuencia soporta el protocolo de comunicación RS485 se hace necesa-ria la conexión de un módulo convertidor RS232 a RS485, para realizaruna comunicación entre la PC de control y el Inversor de frecuencia. Enlos siguientes apartados se abordará el diseño de la tarjeta conversorade protocolos separándolos en bloques entre los cuales se encuentra; elconversor de niveles RS232 a TTL, conversor TTL a niveles RS485, losterminadores de línea, conexiones de tierra, tipo de bus empleado y po-larización de línea.

4.4 Tarjeta conversora de protocolo 92

Figura 4.5: Diagrama esquemático del circuito de pre-actuación.

4.4 Tarjeta conversora de protocolo 93

4.4.1. Definición de bus Modbus de 2 y 4 hilos

El protocolo Modbus sobre la línea serie puede implementarsemediante una interfase de dos o de cuatro hilos de conformidad con lanorma EIA/TIA-485. En cualquier caso, tanto en la interface de 2 hiloscomo en la de 4 hilos, un solo dispositivo (driver) tiene el derecho detransmisión, debido a que el tipo de comunicación que utiliza el protocoloRS485 es half-duplex. Cualquiera de los terminales puede ser transmisoro receptor y nunca deberá haber dos transmisores simultáneos yaque ocurrirá una inevitable colisión de datos que hará ilegible lainterpretación de las instrucciones por parte del receptor. Receptorespueden ser todos, pero transmisor debe haber uno solo por vez. En estaaplicación no necesariamente la comunicación será establecida siempredesde la PC de control al Inversor de frecuencia y viceversa. En laimplementación del bus RS485 de 2 hilos, debido a que existe sólo unpar de hilos para la comunicación, es necesario implementar un sistemade control de flujo por hardware para la transmisión y la recepción dedatos a través del bus. El protocolo debe implementar una línea parainterconectar todos los dispositivos del bus: la línea común o masa.La implementación del bus de comunicaciones RS485 para protocoloModbus desarrollada en este apartado se centrara en la versión de 2 hilosjunto con la línea común o masa debido a que es el sistema empleado porel inversor de frecuencia CFW-09 utilizado para controlar el motor. Porotro lado, el sistema de dos hilos obliga a implementar un control deflujo por hardware de manera a sincronizar los estados de transmisión yrecepción entre los nodos presentes en la red.

4.4.2. Conversor TTL-RS232

El paso previo para la conversión del estándar RS232 al RS485 es lade convertir las señales RS232 en niveles lógicos TTL, esta adaptación deniveles se realiza mediante el integrado MAX232. El circuito integradoMAX232 lleva internamente dos conversores de niveles TTL a RS232y otros dos de RS232 a TTL posibilitando el manejo de cuatro señalesdel puerto serie de la PC, generalmente son más utilizadas las señales;

4.4 Tarjeta conversora de protocolo 94

Figura 4.6: Diagrama esquemático diseñado para la etapa de conversión de niveles TTLa RS232.

TX, RX, RTS, CTS, de las cuales las dos últimas son utilizadas pararealizar el control de flujo por hardware o handshaking, necesario parael esquema de transmisión del bus RS485 con dos hilos. Para queel MAX232 funcione adecuadamente se debe colocar unos capacitoresexternos, utilizados para elevar el nivel de tensión de 5 V de la lógicaTTL a los niveles del estándar RS232. En la Figura 4.6 puede observarseel diagrama esquemático diseñado para la etapa de conversión de nivelesTTL a RS232. Para la implementación del conversor se utilizan lasseñales TX, RX así como las señales de control RTS/CTS interconectadasentre sí de forma similar al control de flujo por hardware entre dos PC.

4.4.3. Conversor TTL-RS485

Esta interfaz se utiliza para convertir señales de niveles TTL aniveles del estándar RS485. La conversión se realiza mediante loscircuitos integrados conversores de protocolos ISO3088 de la empresa

4.4 Tarjeta conversora de protocolo 95

Figura 4.7: Diagrama esquemático de la etapa de conversión entre niveles TTL y RS485.

Texas Instruments. Estos conversores poseen aisladores galvánicosincorporados de manera separar las etapas TTL de la RS485 reduciendola influencia de señales de ruido externas.

El diagrama esquemático de la etapa de conversión entre niveles TTLy RS485 se muestra en la Figura 3.9. Cabe mencionar en este puntoque los aisladores galvánicos utilizados en la etapa de conversión deniveles de tensión proporcionan robustez al diseño implementado conrespecto a la inmunidad al ruido que puede introducirse a través de losterminales de referencia (tierra) debido a que las referencias del maestroModbus (PC de control) y el esclavo Modbus (Inversor de frecuencia) noestán conectadas. Esta característica puede apreciarse en la Figura 4.8donde se muestra el esquemático de la fuente de alimentación con tierrasindependientes implícitas la placa de conversión de protocolos.

4.5 Tarjeta de control para las resistencias de pre-carga 96

Figura 4.8: Diagrama esquemático de las fuentes de alimentación de los aisladoresgalvánicos donde se muestran las tierras independientes (GND1 y GND2).

4.5. Tarjeta de control para las resistencias depre-carga

Los módulos de la empresa Semikron utilizados para el desarrollo delproyecto previamente mencionado, poseen internamente una resistenciade pre-carga de manera a limitar la corriente sobre los capacitoresque según especificaciones del fabricante, deberán permanecer activasmientras el banco de capacitores (que conforma el DC-link) alcanza sucarga nominal. En este contexto, y con la finalidad de automatizar elcontrol de las resistencias de pre-carga, se ha diseñado una tarjeta decontrol, previendo dos modos de operación; por hardware o software,respectivamente. La tarjeta consta básicamente de los siguientes bloquesfuncionales:

1. Bloque de entrada: su función consiste en detectar la activación dela plataforma, una vez activada la alimentación de la bancada deprueba, una señal sinusoidal energiza la bobina de un relé que a suvez genera una señal de 15 V que indica a los bloques adyacentesel inicio de la carga de los capacitores.

4.5 Tarjeta de control para las resistencias de pre-carga 97

Figura 4.9: Diagrama esquematico de la tarjeta de control para las resistencias de pre-carga.

2. Bloque de retardo de activación por hardware: este bloque posee unsistema de retardo empleando un oscilador monoestable de la serieNA555 como elemento principal, en el Pin 3 de este dispositivo,se tiene en reposo una señal de 0 V, una vez que es energizadala bancada de ensayo, el bloque de entrada transfiere una señalde activación a los Pines 2 y 6 del oscilador, cuando esta señalalcanza su valor de disparo, la señal de salida del subsistematoma el valor de +15 V, activando el relé de salida y desconectadode ese modo las resistencias de pre-carga. El tiempo en que laseñal de activación alcanza el umbral de disparo es configurable yqueda determinado por el valor del capacitor C1 y la resistencia deentrada, que puede ser seleccionada a través de una serie de llaves,cuyas combinaciones periten configurar el tiempo de activaciónentre 1.2 a 15 segundos, aproximadamente.

4.5 Tarjeta de control para las resistencias de pre-carga 98

Figura 4.10: Implementación de la placa de control diseñada, para la resistencia depre-carga.

3. Bloque de interconexión con el DSP: su principal función es lacomunicar la activación de la plataforma experimental al móduloDSP cuando el modo de control de la resistencia de pre-carga serealiza por software. Este bloque, acondiciona la señal de activaciónde la plataforma para enviarla al DSP y luego aplica la señal derespuesta al relé para controlar la activación de las resistencias depre-carga, siguiendo el mismo criterio que para el caso anterior.

4. Bloque de salida: su principal elemento es un relé excitado por unode los bloques de activación, por hardware o por software, por mediode un selector analógico acoplado a la tarjeta.

El diagrama esquemático de la electrónica de control para laresistencia de pre-carga se muestra en la Figura 4.9. Por otro lado, enla Figura 4.10 se puede observarse una fotografía de la implementaciónde la placa de control diseñada.

4.6 Esquema general de la plataforma 99

4.6. Esquema general de la plataforma

A partir de los módulos presentados en los apartados anteriores se harealizado el diseño del circuito impreso4 (PCB) utilizando la herramientade diseño Layout del Orcad, y la integración de los distintos componentesque conforman la plataforma experimental.

Figura 4.11: Fotografía de los distintos componentes que conforman la plataformaexperimental.

En la fotografía de la Figura 4.11 (a), puede apreciarse la implemen-tación final de la placa de acondicionamiento de señal, que además con-tiene la etapa de pre-actuación. Puede verse la disposición final del DSPTMS320F28335 empotrado en la placa de acondicionamiento de señal yla interconexión de ésta, con los demás dispositivos que conforman el sis-

4“PCB”, en referencia a la nomenclatura anglosajona, “Printed Circuit Board”.

4.7 Conclusiones de capítulo 100

tema (Módulos SKS35F, Inversor WEG, dispositivos de protección, fuen-tes de alimentación, etc.). En la Figura 4.11 (b) se muestra la integraciónde los componentes de la plataforma experimental. En la fotografía dela Figura 4.11 (c), puede verse la tarjeta conversora de protocolo RS232-RS485, cuyo diseño fue presentado en los apartados anteriores, y en laFigura 3.13 (d) puede apreciarse el motor de inducción de seis fases re-bobinado.

4.7. Conclusiones de capítulo

La realización de simulaciones es un aspecto fundamental en laspropuestas de algoritmos de control, ya que con ello es posible obtenerdatos importantes del desempeño del mismo, así como ajustar losdistintos parámetros de control. Sin embargo, el siguiente paso es lavalidación mediante resultados experimentales. Por dicho motivo en estecapítulo se presentó el diseño de la bancada de ensayos experimentales,que se encuentra funcionando de manera óptima y representa el puntode partida para la extracción de resultados que avalen la eficiencia de losmétodos de control de corriento que han sido propuestos en el marco delpresente Trabajo Final de Máster.