[2005] Control de Un Motor Brushless DC Con Frenado Regenerativo

8/13/2019 [2005] Control de Un Motor Brushless DC Con Frenado Regenerativo

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CONTROL DE UN MOTOR BRUSHLESS DC CON FRENADO REGENERATIVO

CARLOS FERNANDO ESCOBAR GARCA

JOS ALEJANDRO MARTNEZ PEA

GERMN ALBERTO TLLEZ GONZLEZ

Trabajo de grado para optar por el ttulo de

Ingeniero Electrnico

DirectorCAMILO OTLORAIngeniero Electrnico

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANAFACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELECTRNICABOGOT

2005

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TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO .................................................................................................. 2

LISTA DE FIGURAS...........................................................................................................4

LISTA DE TABLAS.............................................................................................................6

1 INTRODUCCIN........................................................................................................7

2 MARCO TERICO.....................................................................................................9

2.1 ANTECEDENTES.......................................................................................................92.2 MOTORES DC SIN ESCOBILLAS ..............................................................................11

2.2.1 Estructuras Bsicas ...................................................................................... 12

2.2.2 DC sin escobillas vs DC con escobillas ....................................................... 122.2.3 Lgica de funcionamiento ............................................................................ 132.3 FRENADO REGENERATIVO.....................................................................................142.4 FRENADO REGENERATIVO EN MOTORES BRUSHLESS..............................................16

2.4.1 Conversores DC-DC bidireccionales...........................................................172.5 BATERAS...........................................................................................................19

2.5.1 Bateras de cido-plomo .............................................................................. 202.5.2 Capacidad de una batera ............................................................................ 202.5.3 Fuente de potencia principal (Main Power Source) .................................... 21

2.5.3.1 Voltaje constante ...................................................................................... 212.5.3.2 Corriente y voltaje constantes................................................................... 212.5.3.3 Fuente de potencia en stand-by............................................................. 21

2.6 GLOSARIO..........................................................................................................22

3 ESPECIFICACIONES DEL PROYECTO..............................................................25

3.1 ACOPLE MECNICO ........................................................................................ 263.2 ETAPA DE SALIDA ........................................................................................... 273.3 FUENTE BIDIRECCIONAL............................................................................... 273.4 BATERAS...........................................................................................................283.5 MICROPROCESADOR.......................................................................................283.6 ESPECIFICACIONES Y REQUERIMIENTOS DE SOFTWARE ....................29

4 DESARROLLO .......................................................................................................... 30

4.1 ACOPLE DE LOS BLOQUES MECNICO-ELCTRICOS ............................ 304.1.1 Torque en funcin de la corriente ................................................................ 31

4.2 CONTROL DEL MOTOR ................................................................................... 334.2.1 Control trapezoidal ......................................................................................33

4.2.1.1 Diseo de drivers y etapa de potencia......................................................334.2.1.2 Acople de fases y sensores (clculo de velocidad)................................... 354.2.1.3 Control de Velocidad................................................................................ 38

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4.2.1.4 Sintonizacin del control de velocidad..................................................... 424.3 FUENTE DE ALIMENTACIN ...................................................................................42

4.3.1 Modelo escogido........................................................................................... 434.3.2 Principio de funcionamiento ........................................................................ 444.3.3 Clculo de componentes...............................................................................46

4.3.3.1 Clculo del condensador e inductancia del filtro de entrada .................... 494.3.4 Drivers circuito bi-direccional ..................................................................... 504.3.5 Control switch para fuente de 24V...............................................................51

4.3.5.1 Sintonizacin ............................................................................................ 524.3.5.2 Proteccin.................................................................................................53

4.3.6 Control switch frenado regenerativo............................................................534.3.6.1 Carga de batera a corriente constante (Mtodo de prueba) ..................... 534.3.6.2 Modelo frenado regenerativo.................................................................... 54

4.4 DIAGRAMA DE FLUJO PROGRAMACIN.....................................................................555 ANLISIS DE RESULTADOS.................................................................................57

5.1 CONTROL DE VELOCIDAD POR PWM ..................................................................... 575.1.1 Entrada Paso ................................................................................................ 57

5.1.1.1 Control de velocidad para diferentes grados de inclinacin..................... 605.1.1.2 Frenado a velocidad cero.......................................................................... 63

5.2 CIRCUITO BIDIRECCIONAL.....................................................................................635.2.1 Fuente de Voltaje de 24V.............................................................................. 63

5.2.1.1 Respuesta Paso ......................................................................................... 635.2.1.2 Estado estable ........................................................................................... 64

5.3 CONTROL DE VELOCIDAD POR FRENADO REGENERATIVO.....................................665.4 PRUEBA DE CARGA Y DESCARGA DE LA BATERA ...................................................67

6 CONCLUSIONES ...................................................................................................... 70

6.1 MEJORAS AL PROYECTO ........................................................................................71

7 COSTOS DEL PROYECTO.....................................................................................72

8 BIBLIOGRAFA Y FUENTES DE INFORMACIN ........................................... 74

9 ANEXOS ..................................................................................................................... 76

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1 DESPIECE DE MOTOR BRUSHLESS DC (REF. [4] P58 F.4.1)................................12FIGURA 2.2 SENSORES DE EFECTO HALL (REF. [4] P.59 F. 4.2).............................................13FIGURA 2.3 ACOPLE SENCILLO DE SENSORES Y FASES (REF. [4] P59 F. 4.2)..........................14FIGURA 2.4 CUADRANTE DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR (REF.[5], P58 F. 23) .............15FIGURA 2.5 DIAGRAMA DE TIEMPO DEL MOTOR BRUSHLESS DC (REF. [6]) ..........................17FIGURA 2.6 FUENTE DE CONMUTACIN 1 .............................................................................. 17FIGURA 2.7 FUENTE DE CONMUTACIN 2 .............................................................................. 18FIGURA 2.8 FUENTE DE CONMUTACIN 3 .............................................................................. 19FIGURA 3.1 DIAGRAMA EN BLOQUES.....................................................................................26FIGURA 4.1 ANGULO DE ELEVACIN DE LA RAMPA ...............................................................32FIGURA 4.2 PUENTE H ( FASES EN CONEXIN Y ). ................................................................ 34FIGURA 4.3 DRIVER XHIGH ...................................................................................................35FIGURA 4.4 DRIVER XLOW ....................................................................................................35FIGURA 4.5 DIAGRAMA DE TIEMPOS DE SENSORES HALL ......................................................36FIGURA 4.6 ESQUEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD POR PWMS ...........................................39FIGURA 4.7 MODELO FUENTE CUK ...................................................................................... 43FIGURA 4.8 FUENTE DE CONMUTACIN BUCK-BOOST...........................................................44FIGURA 4.9 VOLTAJE Y CORRIENTE EN LA BOBINA ................................................................45FIGURA 4.10 VARIACIN DE CORRIENTE EN LA BOBINA ........................................................46FIGURA 4.11 CORRIENTE DEL DIODO .....................................................................................47FIGURA 4.12 DRIVER FUENTE DE 24V (IRF540) ................................................................... 50FIGURA 4.13 DRIVER PARA FRENADO (IRF9540)..................................................................51FIGURA 4.14 ESQUEMA DE CONTROL PARA FUENTE DE 24V..................................................52FIGURA 4.15 ESQUEMA DE CONTROL PARA CARGA DE BATERA A CORRIENTE CONSTANTE...53FIGURA 4.16 ESQUEMA CONTROL DE VELOCIDAD POR FRENADO...........................................54FIGURA 4.17 DIAGRAMA DE FLUJO PROGRAMA PRINCIPAL ....................................................56FIGURA 5.1 RESPUESTA PASO 0 0,27 M/S EN PLANO...........................................................58FIGURA 5.2 RESPUESTA PASO 0 0,4 M/S EN PLANO.............................................................58FIGURA 5.3 RESPUESTA PASO 0 0,27 0,53 0,78 M/S EN PLANO.....................................59FIGURA 5.4 RESPUESTA RAMPA 0 0,5 M/S EN PLANO .........................................................60FIGURA 5.5 RESPUESTA PASO 0 0,27 M/S, NGULO DE 7 ..................................................61FIGURA 5.6 RESPUESTA PASO 0 0,27 M/S, NGULO DE 13 ................................................ 61FIGURA 5.7 RESPUESTA PASO 0 - 0,53M/S, NGULO DE 7 ....................................................62FIGURA 5.8 RESPUESTA PASO 0 - 0,53 M/S, NGULO DE 13 .................................................62FIGURA 5.9 RESPUESTA FRENO 0,78 0 M/S EN PLANO.........................................................63FIGURA 5.10 RESPUESTA PASO FUENTE DE 24V...................................................................64FIGURA 5.11 ESTADO ESTABLE DE LA FUENTE DE 24V Y CORRIENTE DE LA BOBINA .............65FIGURA 5.12 RESPUESTA PASO 0 0,27 M/S, NGULO DE -7 ...............................................66FIGURA 5.13 RESPUESTA PASO 0 0,53 M/S EN PENDIENTE DE - 7 ......................................67FIGURA 5.14 RESPUESTA PASO 0 128, NGULO DE - 8......................................................68

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FIGURA 5.15 PRUEBA DE CARGA Y DESCARGA POR FRENADO REGENERATIVO......................69

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LISTA DE TABLAS

TABLA 2.1 DC CONVENCIONAL VS DC BRUSHLESS REF [4] .................................................13TABLA 3.1 ESPECIFICACIONES DE LA FUENTE........................................................................28TABLA 4.1 CONVERSIN DE VELOCIDADES ...........................................................................38TABLA 4.2 ESTADO DE FASES VS ESTADO SENSORES ...........................................................40TABLA 4.3 ORDEN DE ROTACIN...........................................................................................41TABLA 4.4 SEALES DEL MICROPROCESADOR HACIA DRIVERS PWMS..................................41TABLA 4.5 ESPECIFICACIONES DEL NCLEO .........................................................................48TABLA 5.1 EFICIENCIA DE LA FUENTE ...................................................................................66

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1 INTRODUCCIN

Los automviles, y en general los motores industriales, actualmente utilizados,usan como combustible el petrleo o gas para su locomocin. Generalmente, laforma de frenar estos motores es por medio de friccin. Al realizar este proceso, laenerga cintica que se haba almacenado debido al movimiento, no se puedereutilizar puesto que sta se disipa en forma de calor. Esto implica que cada vezque se frene, el automvil pierde la energa cintica almacenada.

En la prctica esta prdida se ve reflejada en la eficiencia del motor, produciendoas mayores costos, ya que las fuentes de energa actuales son no renovables.

Para resolver este problema, se han realizado estudios que permiten convertir laenerga cintica de un automotor en energa elctrica, que se almacena en losmomentos en que se requiera frenar, ya sea para disminuir su velocidad o paramantenerla cuando una fuente externa acta sobre ella, como es el caso de uncarro en una pendiente de bajada que requiera ir a una velocidad determinada,aprovechando su energa al mximo.

En este proyecto se busc mejorar este inconveniente a partir de un diseo quelogre cambiar el concepto de frenado, reemplazando la friccin, que es la formaactual de detener un vehculo, por una en la cual logre hacerlo sin disipar laenerga, para as almacenarla y aumentar la eficiencia del motor.

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Para este fin se decidi aprovechar las caractersticas de los motores elctricos,para transformar la energa almacenada durante el movimiento en energa

elctrica, la cual puede ser almacenada en un banco de bateras dispuestas paraeste fin.

Los motores Brushless DC (seccin 2.2)cuentan con sensores de efecto hallparaobtener la posicin del rotor, facilitando el control de velocidad del mismo, lo quepermite tener informacin del vehculo para as controlar la carga y descarga(mientras se acelera y se frena) de unas bateras las cuales constituyen la fuentede alimentacin del prototipo.

Por lo mencionado anteriormente, se usa un circuito de conmutacin (fuentebidireccional seccin 2.4.1)para controlar el estado en el que se debe encontrar

el prototipo. Cuando la inercia del vehculo genera una fuerza que aumenta lavelocidad por encima de la deseada, se conmuta el circuito para que transfieracorriente desde el mismo hacia la batera, frenando as el motor y a la vezreutilizando la energa que haba almacenado en forma de energa cintica.

Con este mtodo se aprovechan ciertas caractersticas de un motor elctrico, elcual tiene la capacidad de funcionar como motor o como generador. El estudio ydiseo del circuito bidireccional, que transfiera energa desde la batera hacia elmotor y viceversa, es uno de los aspectos ms interesantes planteados en estetrabajo.

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2 MARCO TERICO

2.1 Antecedentes

Desde el siglo XVIII cuando Thomas Newcomen y John Calley [1] disearon elmotor a vapor, el cual se basaba en una bomba que usaba el vaco creado por elvapor condensado para aspirar el agua de las minas, se han desarrollado nuevastcnicas para lograr una mejor eficiencia y velocidad en los motores.

En 1832 William Sturgeon y Thomas Davenport [1] disearon un motor elctrico enel cual el mayor problema era lograr conmutar la corriente por el magneto, pues yase haba descubierto que la electricidad poda moverlo. Ms adelante, en 1885, serealizara el primer motor a gasolina y, a partir de ese momento, empezaran losestudios para realizar motores que tuvieran ms potencia y velocidad. Laeficiencia no era un asunto importante puesto que en ese momento el petrleo eraun recurso que, tal pareca, nunca se iba a acabar.

Actualmente, cuando en el mundo se ve la escasez e inminente extincin delpetrleo, sumado a la alta demanda de automotores en el planeta, hasta el puntode llegar al precio ms alto de gasolina en la historia y los ms altos ndices de

contaminacin, se hace indispensable pensar en nuevas formas de alimentar losmotores y se empieza a retomar el diseo basado en la eficiencia ms que en lapotencia y velocidad, debido a que estos dos ltimos aspectos dependen, no slodel motor, sino de variables como la seguridad y la capacidad de flujo de unacarretera, para el caso particular de los automviles.

Muchos desarrollos recientes en la industria automotriz han impulsado el uso demotores elctricos en sus prototipos por razones ambientales y econmicas, entreotras, pues los niveles de contaminacin en el planeta y la escasez de losrecursos no renovables estn a punto de generar una crisis global fundamentadapor la necesidad de proporcionar un medio de transporte a las personas. Quizs elproblema ms significante de los prototipos desarrollados hasta el momento hasido la baja autonoma que presentan, dificultando la incursin de stos en elmercado. Investigaciones recientes se centran en mejorar la eficiencia de losmotores elctricos, utilizando nuevos tipos de motores y configuraciones decontrol. Entre los motores elctricos con mayor acogida para esta finalidad seencuentran los motores BRUSHLESS DC (motores DC sin escobillas), tambin

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llamados motores DC sncronos, que por su construccin ofrecen ventajas frente aotros motores elctricos.

El concepto de frenado regenerativo se empez a trabajar desde antes de losaos 50. Se tiene referencia de estudios realizados para frenar elevadores conaccionamiento elctrico en los que se emplea la corriente elctrica para laobtencin del frenado. Los frenos en motores electricos se clasifican en frenoselectromecnicos y frenos puramente elctricos.

Los frenos elctricos emplean, o bien el mismo motor actuando como dnamo, ocomo aparato productor de corrientes de Focault [2].

Las mquinas empleadas como motores de corriente continua, en serie o en

derivacin, tienen la misma disposicin que los generadores de dnamo. Estapropiedad se utiliza para el frenado al funcionar el motor, una vez separado de lared, como dnamo accionado por el descenso de la carga. El motor, en lugar deconsumir corriente, produce energa elctrica, que se equilibra con la energamecnica debida al descenso de la carga y determina el frenado. La corrienteproducida se absorbe en una resistencia graduable. El motor serie, que tiene elinconveniente de funcionar slo por encima de un cierto nmero de revoluciones,deja caer la carga al principio libremente, de modo que para emplearle el frenadose provee de un devanado auxiliar en derivacin. Por su conexin en corto circuitose le denomina a este tipo freno en corto circuito [2].

Con los motores de corriente alterna trifsica se obtiene el llamado freno decontracorriente, que consiste en invertir bruscamente el sentido de giro del motorpara que acte como freno sobre el eje, que tiende a seguir girando en el mismosentido.

Un tercer tipo de freno elctrico utiliza las corrientes de Focault o parsitas, que seproducen en un ncleo que gira unido al eje de un aparato elevador, dentro delcampo de un electroimn. A estos frenos se les llama, de corrientes parsitas o decorrientes de Focault.

Ya a finales de los 90s, se hizo el desarrollo de un carro elctrico (camionetaChevrolet modelo "LUV" de doble cabina), el cual fue construido en Chile con laayuda de General Motors, Tramcorp (Trading Motors Corporation), BaterasSonnenschein, CGE (Compaa General de Electricidad), BMV IndustriasElctricas y aportes financieros de Conicyta travs de Proyectos Fondecyt.

En trminos monetarios, cuesta diez pesos chilenos (40 pesos colombianos) elkilmetro recorrido, lo que equivale a una eficiencia de combustible de ms de 36kilmetros por litro. El vehculo cuenta con instrumentacin digital y posee tres

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procesadores: uno para el control del motor, otro para la instrumentacin y untercero para la carga de las bateras [3].

Por ltimo, se tiene el vehculo hbrido (gasolina - electricidad), que aprovecha lasventajas de un motor elctrico y las de uno de gasolina, desarrollado porempresas de la industria automotriz [3].Se sabe que los motores a gasolina tienen una eficiencia promedio mucho menora la de un motor elctrico. Lo que buscan con el Toyota Priuses usar el motor degasolina slo en determinados momentos para mantenerlo a mxima carga,llevando la eficiencia casi al 80% de tal manera que este motor slo se destina acargar las bateras cuando su nivel de carga haya bajado, mientras que el motorelctrico se encarga del movimiento propio del vehculo. De esta manera yaprovechando la ventaja del frenado regenerativo, mantiene las ventajas

elctricas y optimiza las de la energa de combustin [3].En la Pontificia Universidad Javeriana se est iniciando el estudio del concepto defrenado regenerativo con la realizacin del proyecto CONTROL DE UN MOTORBRUSHLESS DC CON FRENADO REGENERATIVO, en el cual se toman losconceptos bsicos de la teora, se desarrolla un prototipo que sirve como iniciopara futuros estudios en el tema y se plantean posibles mejoras que permitan darun punto de partida a los estudiantes interesados en hacer aportes al tema encuestin.

2.2 Motores DC sin escobillas

Los motores DC con escobillas son altamente eficientes y tienen grandescaractersticas para hacerlos funcionar como servo-motores. Pese a estas grandesventajas, cuenta con un conmutador y con unas escobillas las cuales estn sujetasal desgaste y por esta razn, se hace necesario un calendario de mantenimientode las mismas.

La caracterstica principal de los motores DC sin escobillas es que realiza lamisma funcin de un motor DC normal pero remplazando el conmutador y lasescobillas por switches de estado slido que funcionan con una lgica para laconmutacin de los embobinados. Se puede concluir que la gran ventaja de losmotores DC sin escobillas, frente a los dems motores de alimentacin continua,es que no requieren de un mantenimiento peridico.

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2.2.1 Estructuras Bsicas

La construccin de motores DC sin escobillas modernos es muy similar a la de losmotores AC, que es mostrada en la Error! No se encuentra el origen de lareferencia..

Figura 2.1 Despiece de Motor Brushless DC (ref. [4] p58 F.4.1)

El rotor es un elemento magntico permanente, y el estator est formado porembobinados al igual que un motor AC de varias fases. La gran diferencia entreestos dos tipos de motores es la forma de detectar la posicin del rotor, para podersaber como se encuentran los polos magnticos y as generar la seal de control

mediante switcheselectrnicos.

Este sensado de la ubicacin de los polos magnticos en los motores DC sinescobillas normalmente se hace con sensores de efecto Hall, aunque existenmodelos que utilizan sensores pticos, que funcionan de manera similar a losencoders.

2.2.2 DC sin escobillas vs DC con escobillas

A continuacin se presenta la Tabla 2.1,en la cual se comparan las caractersticasprincipales de cada uno de estos motores:

Motor DC convencionalMotor DC sinescobillas

EstructuraMecnica

Elementos magnticos en elestator

Elementos magnticosen el rotor

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PrincipalesCaractersticas

Respuesta rpida y excelentecontrolabilidad Fcil mantenimiento

Conexin de losembobinados Conexin conexin o Y

Mtodo deConmutacin

Contacto mecnico entre lasescobillas y el conmutador

Conmutacinelectrnica por mediode transistores

Mtodo paradetectar laposicin del rotor

Detectada automticamentepor las escobillas

Sensor de efecto Hall,encoderptico, etc.

Mtodo de reversaCambiando la polaridad delvoltaje Cambiando la lgica

Tabla 2.1 DC convencional Vs DC brushless Ref [4]

2.2.3 Lgica de funcionamiento

Como ejemplo para explicar la lgica de funcionamiento de un motor DC sinescobillas, se utiliz un motor con un rotor (elemento magntico), tresembobinados en el estator y tres foto-transistores encargados de la deteccin dela posicin del rotor.

El rotor del motor se encuentra sujeto a una especie de lmina que va girando conste y que es el objeto que obstruye la luz a los foto-transistores, con lo que seobtiene los estados de los sensores, que determinan las variables de entrada a lalgica que realiza el movimiento. Esto se ve mejor representado en la Figura 2.2.

Figura 2.2 Sensores de efecto Hall (Ref. [4] p.59 F. 4.2)

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Por ejemplo, en la grfica se puede observar que mientras PT1 est recibiendoluz, PT2 y PT3 estn tapados por la lmina, y de est forma se sabe en qu

posicin se encuentra el rotor al momento de la toma de datos.Una vez se conoce la posicin del rotor, se comienza a seguir la lgica secuencialpara moverlo a una velocidad determinada, esto se logra energizando las bobinasdel estator en diferentes tiempos. Para alimentar los embobinados se usa uncontrol, seguido de una etapa de salida compuesta por transistores, que cumplancon los requerimiento de velocidad y potencia, y se hace pasar corriente por lasfases dependiendo de la posicin del rotor, este esquema se observa en la Figura2.3. Es decir, para el ejemplo que se tom anteriormente de PT1 prendido,mientras PT2 y PT3 se encuentran apagados, la lgica decide por cualembobinado hacer pasar corriente para que gire en uno u otro sentido.

Figura 2.3 Acople sencillo de sensores y fases (Ref. [4] p59 F. 4.2)

2.3 Frenado Regenerativo

El estado de funcionamiento de un motor DC se puede representar grficamente,como se muestra en la Figura 2.4.Para ello se utiliza un sistema de coordenadasen el que el eje vertical representa la f.e.m (E), y el horizontal la corriente inducida(I). Como la f.e.m. es proporcional a la velocidad, el eje vertical tambin ser de

velocidades; del mismo modo, el par se representa en el eje horizontal porque esproporcional a la corriente. Estos dos parmetros definen el punto defuncionamiento del motor, su signo sita el punto de funcionamiento en uno de loscuatro cuadrantes. Estos signos dan una imagen del sentido de transferencia de lapotencia del motor; As, en los cuadrantes 1 y 3 el producto f.e.m.-intensidad espositivo, esto equivale a decir que la potencia es positiva y que el motor estabsorbiendo energa elctrica para convertirla en energa mecnica; en otras

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palabras, se est comportando como motor. En los cuadrantes 2 y 4, el productoes negativo; en estas condiciones la mquina cede energa elctrica, es decir, se

comporta como generador.

Figura 2.4 Cuadrante de funcionamiento de un motor (Ref.[5], p58 F. 23)

Cuando se da la orden al motor para que disminuya su velocidad, ste respondeperdiendo la energa que tiene acumulada por inercia a causa de la entrega deenerga al las bateras, por lo tanto este sistema puede llegar a ser un sistemademasiado lento, cuando sean necesarias inversiones de sentido de giro rpidas ysin valores excesivos de corrientes. Si se acta sobre el motor, de manera que se

le pida una inversin del sentido de giro para acelerar la inversin, la energa, queen ese momento tiene el motor, tendr que tener un camino por el cual volver a lared de alimentacin.

En la Figura 2.4 se observa que en estos circuitos de ejemplo se pasadirectamente del 1eral 3ercuadrante y viceversa, sin entrar en el 2 y 4 cuadrante.

Al darle un camino para devolver la energa a la red, a la prdida por rozamientos

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hay que aadirle la que se devuelve a la red. Por lo tanto se acelera el proceso deinversin. A este tipo de mando se le denomina frenado regenerativo.

2.4 Frenado Regenerativo en motores Brushless

Generalmente, en los motores brushless,se utiliza el campo generado por el pasodel rotor (Imn permanente) a travs de los embobinados del estator, para excitarlos sensores de efecto Hallmontados sobre el rotor, generando las seales pararealizar el control del motor. La teora electromagntica dice que se produce uncampo, proporcional a la velocidad, cuando se mueve un dipolo magntico en elespacio. Este campo es inducido en las bobinas, de las que estn compuestas lasfases del motor, generando una f.e.m de retorno en el embobinado. En el caso de

los motores brushless, la energa aplicada a cada fase debe ser mayor que laf.e.m de retorno inducida para tener un torque mayor a cero. Esta energa sepuede utilizar cuando el motor deja de ser excitado, ya que es proporcional a lavelocidad y por lo tanto a la inercia, en el momento de frenar para recargar lasfuentes de alimentacin. La informacin sobre la energa en cada una de lasfases del motor cuando no se est alimentando, se puede obtener de los sensoresque indican la posicin del rotor.

Para caso del motor Pittman N2311A012/18, que se utiliz en el proyecto y queest disponible en el laboratorio del departamento de ingeniera electrnica, lahoja de especificaciones [6] muestra la grfica Figura 2.5 que relaciona la f.e.m. de

retorno, con las seales de los sensores de posicin de efecto hall.Para realizar el frenado dinmico del motor brushless DC, es necesario, como encualquier otro motor DC, aumentar la carga en el embobinado, de tal manera queel campo generado en ste aumente, reduciendo la velocidad del rotor.En el frenado regenerativo, como se expuso anteriormente, el objetivo no esdisipar la energa en calor, ya sea en un freno mecnico o en una resistencia, sinopor el contrario aprovechar sta para recargar la batera que alimenta el motor,mejorando la eficiencia del sistema.

Lo anterior crea la necesidad de involucrar un bloque en el sistema, capaz dealimentar el motor y adems de ofrecer un camino de descarga hacia laalimentacin cuando se reduce la velocidad del motor. Este bloque generalmentese implementa con un conversor bidireccional, del cual existen diversasconfiguraciones, cada una con ventajas y desventajas que fueron estudiadasdurante el desarrollo del proyecto para escoger la ms adecuada para el prototipoque se desarroll. Sin embargo, a continuacin se introduce, la teora delconversor bidireccional.

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Figura 2.5 Diagrama de tiempo del motor Brushless DC (Ref. [6])

2.4.1 Conversores DC-DC bidireccionales

En primera instancia, nos enfocaremos en el proyecto desarrollado en lareferencia [5], donde se muestra el estudio realizado sobre un automvil deenerga solar, accionado por un motor Brushless DC, utilizando el concepto defrenado regenerativo. El esquema general utilizado como circuito de carga de la

batera, se muestra en la Figura 2.6para una topologa de un interruptor activo yen la Figura 2.7 para una topologa de dos interruptores activos [5].

Figura 2.6 Fuente de conmutacin 1

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En ambos circuitos la inductancia referida como Lab, representa el embobinadode las fases A y B del motor Brushless y la fuente Eab, la f.e.m. de retornoinducida en las mismas fases. En el circuito de la Figura 2.6.Se muestra la lneacontinua como el camino de corriente, en el estado inicial, cuando el switch 4 estencendido, y la lnea punteada, el camino de la corriente cuando el switch 4 estapagado, en el segundo estado. El interruptor 4 se apaga cuando la corrientealcanza un umbral definido, cargando la batera. Cuando se reduce la corrienteque circula hacia la batera, el interruptor S4 se vuelve a encender, repitiendo elproceso cuando se est frenando.

Para la segunda topologa, en la Figura 2.7. En el primer estado se encuentran

encendidos los interruptores S1 y S4, creando un camino de corriente seguida enla lnea continua, generada por la f.e.m inducida en los embobinados. Cuando sellega al limite establecido (umbral), se apagan los interruptores S1 y S4, creandoun camino de corriente seguido por la lnea punteada.Otro tipo de convertidor DC-DC ms elaborado se trata en la referencia [5], el cualemplea dos half-bridges interconectados mediante un transformador como semuestra en la Figura 2.8.Este convertidor reduce los elementos de conmutacinmejorando la eficiencia. Se utiliza como elementos resonantes la bobina parsitadel transformador y los condensadores snubber, que incluyen los condensadoresparsitos del switch, para alcanzar la conmutacin de voltaje cero. El circuitotrabaja en modo boost cuando el vehculo est en marcha, alimentando el bus de

voltaje requerido para el motor. Cuando se requiere frenado regenerativo elcircuito carga la batera, actuando en modo buck. El funcionamiento de estecircuito y el modo de control se expondr en los clculos de componentes (seccin4.3.1).

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2.5 BATERAS

Hay dos maneras de producir electricidad para aplicarla a usos prcticos: bienmediante maquinas llamadas dinamos o generadores de corriente elctrica,cuando se trata de un consumo apreciable para instalaciones fijas; o bienmediante el empleo de bateras de pilas secas o de acumuladores, si se trata deaparatos porttiles o vehculos elctricos (VE).

Una pila transforma la energa qumica en energa elctrica; parte de esa energaqumica se transforma en calor (energa calorfica) y el resto en corriente elctrica.

Existen dos clases de almacenadores: el primario (pila), cuya carga no puede

renovarse cuando se agota, excepto reponiendo las sustancias qumicas de lasque est compuesta, y el secundario (bateras), que s es susceptible dereactivarse sometindola al paso ms o menos prolongado de una corrienteelctrica continua, en sentido inverso a aqul en que la corriente de la pila fluyenormalmente[7].

Para proporcionar una rpida aceleracin y unos viajes de larga distancia, lasbateras de VE han de tener una gran potencia y energa especficas,respectivamente. Adems, han de ser de bajo precio, fciles de mantener, segurasbajo condiciones de funcionamiento y tolerantes a los abusos a que los vehculosestn expuestos en el funcionamiento diario normal.

La batera de cido-plomo contina siendo la de mayor disponibilidad en elmercado para VE. La investigacin para mejorar estas bateras se centra enincrementar la energa y potencia especficas y el ciclo de vida, y en decrementarlas exigencias de mantenimiento, volumen, peso y precio[8].

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2.5.1 Bateras de cido-plomo

Este tipo de batera ha sido la ms ampliamente usada en el mundo. La mayorason construidas de planchas de plomo o celdas, donde una de stas, el electrodopositivo, est cubierto con dixido de plomo en una forma cristalina entre otrosaditivos. El electrolito est compuesto de cido sulfrico, y ste participa en lasreacciones con los electrodos donde se forma sulfato de plomo y lleva corriente enforma de iones. Estudios demuestran que la batera de cido-plomo tiene unadensidad energtica aproximadamente 20 veces mayor que las de nquel-cadmioo nquel-hierro[9]. Adicionalmente, la bateras de cido-plomo, a diferencia de lasde nquel-cadmio o nquel-hierro, no tienen el efecto negativo de memoria, el cualconsiste en una reduccin de la capacidad de carga, cuando stas no han sidototalmente descargadas antes de la recarga. Esto permite realizar pequeas

cargas a las bateras sin afectar el desempeo de las mismas.

2.5.2 Capacidad de una batera

La capacidad de una batera es la cantidad total de electricidad producida en lareaccin electroqumica y se define en unidades de coulombs(C) o amperios-hora(Ah), que es la ms usada como especificacin de las bateras.La capacidad es determinada por la masa activa de los electrodos y estdeterminada por la ley de Faraday: Un equivalente-gramo de material produce

96500 C o 26,8 Ah.

Se define capacidad terica al valor:

xnFCt=

DONDE,x =Nmero de moles que intervienen en la reaccin completa de

descarga.n =Nmero de electrones que intervienen en la reaccin.

F =Nmero de Fadaray(96500 C).

La capacidad real (Cr), valor obtenido en la prctica, es inferior a la capacidadterica debido a que la utilizacin de los materiales activos nunca es del 100%.

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La capacidad se mide en la prctica descargando la celda a una intensidad hastaalcanzar un valor especificado de la tensin en bornes (tensin de corte).

Tambin es ampliamente usado en la comparacin de los diferentes sistemas, eltrmino capacidad especfica, que es el valor de la capacidad dividida por el pesode la celda y se mide en Ah/kg[10].

En bateras de cido-plomo, se tienen diferentes formas de carga dependiendo dela aplicacin que se necesite para stas.

2.5.3 Fuente de potencia principal (Main Power Source)

2.5.3.1 Voltaje constante

En este caso se busca cargar las bateras con un voltaje constante hasta que lacorriente se encuentre estable por un lapso no menor a tres horas. Si no se tieneun control de voltaje constante, las bateras pueden entrar en sobrecarga. En estecaso el agua del electrolito se descompone por electrolisis generando msoxgeno del que puede ser absorbido por el electrodo negativo. Este electrolitoconvierte el oxgeno en hidrgeno, el cual se pierde en el sistema de la batera. Deesta manera las reacciones qumicas de carga y descarga se vuelven ineficientesy causan un deterioro considerable en la vida til de la batera. Debido a esto, elcontrol de voltaje se hace indispensable en este tipo de carga.

2.5.3.2 Corriente y voltaje constantes

Este mtodo de carga de las bateras exige un control para mantener el voltaje ycorriente constantes y se logra una carga en un tiempo aproximado de 6 horas.

2.5.3.3 Fuente de potencia en stand-by

2.5.3.3.1 Mtodo de control de voltaje constante en dos pasos

En este mtodo se tienen dos estados. En el primero, se mantiene un voltaje decarga alto, hasta que un sensor de corriente se active, dando paso a un bajovoltaje que se mantendr, como en el caso 2.5.3.1, hasta que la corriente seestabilice en el valor determinado. Este mtodo tiene la ventaja de lograr untiempo de carga menor que en los casos anteriores.

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2.5.3.3.2 Compensacin de carga (goteo)

En este mtodo la batera se desconecta del circuito y se hace la carga con unapequea corriente que se encargar de compensar la descarga dada por elcircuito. En caso de falla, la batera se desconecta del circuito de carga y empiezaa trabajar en su estado normal de alimentacin al circuito consumidor. Estesistema de carga por goteo es usado cuando se pretende recargar la bateracada vez que sta entregue potencia al circuito consumidor[10].

2.6 GLOSARIO

ADC:Conversor Anlogo Digital. Mdulo incluido en el Microprocesador

Backward difference:Mtodo de control discreto implementado en el programade control. Numeral 4.2.1.3.

BFEM:Ver F.E.M. de retorno.

Boost:Esquema de fuente de conmutacin que eleva el voltaje.

Brushless: Clase de motor DC sin escobillas.

Buck:Configuracin de fuente conmutada, que disminuye el voltaje.

Buck-boost: Configuracin de fuente conmutada, en capacidad de elevar ydisminuir el voltaje de salida.

Change Notification: Reporte de cambio de estado en un pin de entrada delmicrocontrolador.

Conversor Bidireccional:Circuito que transfiere energa desde la entrada a lasalida y viceversa.

Control de frenado:Accionamiento del control sobre el circuito Bidireccionalparafrenar el sistema.

Control de motor:Accionamiento del control para conmutar las fases del motor.

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CUK: Configuracin de fuente de conmutacin, que est en capacidad deaumentar o disminuir su voltaje y cuyo elemento de transferencia es un

condensador.Driver:Circuito manejador del encendido y apagado de un MOSFET, que actasobre el gate del mismo.

Efecto hall:Efecto que induce un voltaje sobre dos placas, las cuales atraviesa uncampo magntico.

Electrlisis:Descomposicin de un cuerpo producida por la electricidad

F.E.M. de retorno (B.F.E.M):Fuerza electromotriz inducida en los embobinados

del motor, debido al paso cercano del rotor (imn permanente) a las fases.Frenado regenerativo: Concepto que explica la transformacin de energacintica en elctrica para el frenado de un motor.

Generacin de plano de tierra: Tcnica de diseo de circuitos impresos paraaislar el ruido, generando una tierra continua, en toda la superficie de la tarjeta.

Half-bridges: Circuito en configuracin de medio puente, que se utiliza para laconmutacin de elementos pasivos, transfiriendo energa en los dos sentidos.

Motoreductor: Elemento mecnico, compuesto internamente de pionesdispuestos generalmente para reducir la revoluciones de giro de un motor,aumentando el torque.

Overflow:Desborde del tamao del dato en un registro.

Puente H trifsico:Circuito de conmutacin que se utiliza para manejar motorestrifsicos DC.

Pre-Scala:Escalizacin de la seal interna del reloj para obtener una resolucinadecuada.

PWM (Pulse Width Modulation):Modulacin por ancho de pulso.

Reaccin electroqumica: Reaccin qumica de un compuesto que produceelectricidad.

Ruteo en estrella:Tcnica de diseo de circuitos impresos para agrupar el nivelcero de voltaje en un pequeo espacio.

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Snubber:Condensador dispuesto en un elemento activo para suavizar los sobre-

picos debidos a la conmutacin.Switches de estado slido: Elemento activo conmutando entre dos estados,Transistor, diodo, etc.

Timer:Mdulo del microprocesador que aumenta progresivamente con una sealsncrona generada dentro del mismo.

Vehculo hbrido: Mvil que cuenta con dos o ms tipos de fuentes de energapara trasladarse.

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3 ESPECIFICACIONES DEL PROYECTO

En el proyecto se busca realizar un prototipo, que asemeje el funcionamiento deun carro, en el cual se pueda controlar la velocidad del motor y hacer frenadoregenerativo buscando la forma ms idnea de conseguirlo partiendo delimitaciones como tiempo de investigacin, diseo y montaje; costos, equipo ydisponibilidad de componentes.

Para cumplir con los objetivos del trabajo se utiliz el motor brushless DCPITTMAN N2311 (ver anexos), disponible en el laboratorio de la facultad de

ingeniera. ste debe ser capaz de ponerse en marcha, moviendo el prototipoelaborado con el peso necesario para lograr generar una energa cinticaconsiderable en pendientes descendentes y a la vez tener la capacidad de subirciertas pendientes necesarias para el estudio del proyecto.

Adicionalmente, el carro debe tener la autonoma suficiente para mantenerse enmovimiento durante un tiempo prudencial que permita tomar las medidas que sonobjeto de estudio en el anlisis del diseo.

Por ltimo, debe tener la capacidad de controlar la velocidad con unas variacionesmnimas y conmutar la fuente bidireccional, recopilando datos que le permitantomar decisiones de aceleracin y frenado para as poder cargar las baterascuando sea necesario. El usuario debe tener acceso a los datos tomados pormedio de una interfaz visual que le permita ver el desempeo del vehculo entiempo real.

Para cumplir con estos requerimientos se buscaron materiales y componentesque, partiendo de las limitaciones anteriormente mencionadas, permitan undesempeo aceptable del prototipo.

Se us el siguiente diagrama de bloques (Figura 3.1) para el desarrollo delproyecto, donde la funcin de cada uno determina las especificaciones necesariasdel prototipo. Y es en el diseo de cada uno de estos bloques, donde se tom ladecisin de qu componentes escoger para el desarrollo del proyecto.

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Figura 3.1 Diagrama en bloques

Ya que el motor escogido para este proyecto es el Brushless DC PITTMANN2311, se parti de las especificaciones de ste para generar las limitacionesiniciales del acople mecnico y etapa de salida.

3.1 ACOPLE MECNICO

Como se vio en la seccin 2.4.1, se requiere generar un voltaje mnimo a la

entrada para poder cargar las bateras. Para esto se necesita crear una inercia enel prototipo la cual se logra con velocidad en el motor y peso en el prototipo con elfin de almacenar energa cintica mientras el carro se encuentra en movimiento. Elpeso del prototipo, que no puede exceder ciertos lmites, se logra mediante loscomponentes intrnsecos del mismo, como lo son la batera, las llantas, loscircuitos y la carrocera, que se hizo en acero inoxidable ya que su densidad esbaja y su resistencia alta. Esto con el fin de permitir colocar una batera con mscapacidad sin sobrepasar los lmites de peso y espacio del automvil.

Como se ve ms adelante, el torque del motor [6] es muy bajo para poner enmarcha el prototipo. Adicionalmente, la velocidad del motor sera muy alta en las

condiciones que se requieren. Para esto se acopl un reductor mecnico,encargado de disminuir la velocidad real del carro, sin afectar la velocidad delmotor. Por otro lado, la implementacin de este reductor aumenta la fuerza delautomvil, permitiendo as, alcanzar pendientes de subida mayores.

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3.2 ETAPA DE SALIDA

Para manejar la conmutacin de voltaje en las fases del motor trifsicos brushlessDC, se usa un circuito llamado puente H1. Su diseo es dependiente de variablescomo la corriente mxima, con la cual va a trabajar el motor y la alimentacin devoltaje.

Para manejar estas conmutaciones, se hace necesario el uso de interruptores(MOSFET), los cuales deben soportar la corriente utilizada por el motor y manejarsu voltaje nominal. Estos valores son:

Imax =3 Amperios

Voltaje =24 Voltios

Los MOSFET IRF540 (canal n) e IRF9540 (canal p) cumplen con estascaractersticas, puesto que resisten un voltaje source drain de 36 Voltios y sucorriente mxima es de 17 Amperios.

3.3 FUENTE BIDIRECCIONAL

Teniendo claras las especificaciones del prototipo y las limitaciones dadas por el

motor y la etapa de salida, se calcul la fuente de alimentacin para cumplir losrequerimientos sin afectar las corrientes mximas que stos pueden soportar.

La fuente se dise para que est en capacidad de entregar una corriente mximapromedio al motor de 3A, a un voltaje nominal del motor de 24V, es decir, puedeentregar 72 W. La importancia de la eficiencia en este circuito se ve reflejada enoptimizar los clculos de componentes y el correcto ajuste del control, adems detener en cuenta la disposicin del impreso para minimizar las prdidas.

En el desarrollo de los clculos para la seleccin e implementacin decomponentes, se especificaron los valores mximos de corriente como se expone

en el numeral 4.3.3.

Para la disposicin del circuito impreso, se decidi disear la tarjeta de potenciadonde circula la corriente del motor y de la fuente. Se utilizaron tcnicas de

1 El diagrama del circuito puente H se encuentra en el numeral 4.1.1.1.

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elaboracin de impresos para minimizar el ruido y la prdida de eficiencia, como loson: ruteo en estrella y generacin de plano de tierra.

3.4 BATERAS

Conociendo las especificaciones de la fuente de conmutacin y el motor, seprocedi a la seleccin de la batera. Para esto se tuvieron en cuenta criterios dedecisin como peso, capacidad (seccin 2.5.2), tamao y precio. En la Tabla 3.1seenumeran las caractersticas fsicas y elctricas de la batera seleccionada.

VOLTAJE 12 VoltiosCapacidad 7.2 Ah

Corriente Mxima de carga 1.08 A2

Peso 2.5 KgDimensiones fsicas 15.1cm x 64.5 cm x 9.4cm

Tabla 3.1 Especificaciones de la fuente

El voltaje se determin con el fin de realizar una fuente inversora 2 : 1, ya questa permite manejar corrientes no muy altas (la corriente de la batera es el doblede la consumida por el motor)y, adicionalmente puede ser recargada con la BEMF.La capacidad es suficiente para darle una autonoma de alrededor de 3 horas, locual nos permite tomar medidas sin tener que recargarla repetidas veces.

Adicionalmente, el precio de la batera se determina por la capacidad.Por ltimo, su peso y dimensiones se acomodan a las exigencias del prototipo yaque colaboran con la inercia, sin daar las condiciones de peso mximo y es defcil acomodacin dentro del prototipo diseado.La corriente mxima de carga de la batera limita el proyecto, pero no se justificaaumentarla en grandes proporciones ya que la disminucin es baja y el precio seaumentara notablemente en la siguiente referencia comercial de capacidad (12

Ah) y no mejorara mucho la especificacin.

3.5 MICROPROCESADOR

Para la eleccin del procesador se tuvieron en cuenta los requerimiento para elmanejo del motor, el circuito bidireccionaly la transmisin de datos al computador.

2Especificacin para corriente de carga promedio.

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De esta manera los requerimientos ms importantes para la eleccin delprocesador son los siguientes:

Debe manejar 4 mdulos de PWM independientes, 3 de ellos dedicados al controlde la secuencia de funcionamiento del motor, y el otro disponible se debeconmutar para accionar los MOSFETs del circuito bidireccional.Debe estar en capacidad de manejar 2 entradas para conversin anloga-digital(ADC), de alta resolucin, una para el sensado de la fuente de 24 V y la otra paraestablecer la velocidad de funcionamiento deseada por el usuario a travs de unpotencimetro.Los requerimientos necesarios de memoria (programacin) y capacidad deprocesamiento (actualizacin de poscontroles y frecuencias de conmutacin), parael control del sistema, se confrontaron durante el desarrollo del proyecto.

Finalmente el procesador debe tener modulo de transmisin asncrono para lacomunicacin con el computador donde se corre una aplicacin de supervisin delfuncionamiento del sistema.

Despus de analizar los requerimientos ms importantes del procesador sedecidi utilizar el dsPIC30F6010, principalmente por tener la facilidad de manejar 4mdulos de PWM independientes al mismo tiempo.

3.6 ESPECIFICACIONES Y REQUERIMIENTOS DE SOFTWARE

El proyecto debe contar con una interfaz grfica que permita la supervisin delcomportamiento elctrico y mecnico del sistema.Por lo anterior se decidi desarrollar un programa en Lab-view 6.0. para visualizarel comportamiento de las variables ms significativas, entre ellas estn:

Velocidad real del sistemaVelocidad deseadaCiclo til de los MOSFET que controlan el circuito bidireccionaly los del motor.Estado de funcionamiento del sistema, que pueden ser: Frenado, marcha haciaadelante y proteccin.Voltaje de alimentacin del motor.

Por facilidad de manipulacin del prototipo, existen dos formas de establecer lavelocidad deseada: la primera es enviar desde la interfaz grfica el valor de lavelocidad que se quiere obtener, la segunda es a travs de un potencimetro. Decualquiera de las dos maneras es necesario habilitar la forma de obtener dichavelocidad al microcontrolador, por medio de la interfaz grfica.

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4 DESARROLLO

Basados en las especificaciones anteriores, se procedi al diseo de los bloquesque componen el sistema. Para empezar se desarrollaron los clculos de torque ycorriente mximos que el automvil debe soportar para permitir el funcionamientodel prototipo.

4.1 ACOPLE DE LOS BLOQUES MECNICO-ELCTRICOS

La constante de torque del motor PITTMAN N2311 es de 1.53E-02 N-m/A y eltorque continuo mximo es de 1.1E-01 N-m lo que significa que su fuerza serainsuficiente para poner en movimiento el prototipo debido a su peso y velocidadespecificadas (peso prototipo 12Kg; velocidad mxima 32 m/s). Es decir, si sequisiera conectar directamente el motor a los ejes, ste tendra una velocidad muyalta, pero nunca se pondra en marcha.

Para esto y, teniendo en cuenta los lmites fijados, fue necesario colocar unreductor mecnico como acople entre el motor y el eje de las llantas. Aunque sufuerza aumenta en una relacin de (40:1) su velocidad disminuye en la mismaproporcin. Adicionalmente, la eficiencia de este acople es bastante baja (Aunqueno se pudo tomar una medida exacta, se hizo una aproximacin del 80%), lo queimplica una prdida de energa de carga en la batera al momento de frenar.

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Si la eficiencia es del 80% en el acople de ida, tambin lo ser en el momento decarga. As, el prototipo tendra una eficiencia total del motor del 64%, la cual se

utiliz como eficiencia base para el anlisis de resultados de variables elctricas.

La eficiencia mecnica se puede aumentar haciendo mejores acoples y buscandoelementos de mejor calidad, pero para el fin del proyecto lo ms relevante es tenerun punto de partida para el anlisis de la carga de las bateras.

Para medir la eficiencia real del sistema, cuando el prototipo cargue las baterasmediante frenado regenerativo, se decidi aislar las perdidas mecnicas debidas alos acoples y al reductor mecnico, despreciando en los clculos la energa que sedisipa en ellos. Para tal efecto se midi la eficiencia del sistema mecnico

marchando hacia delante, y se encontr un factor de escalizacin para obtener laeficiencia elctrica cuando el sistema se encuentra regenerando energa.

En los siguientes clculos se busca determinar la fuerza, aceleracin y ngulomxima, tanto de subida como de bajada del carro, con el fin de limitar el alcancedel proyecto para el control de velocidad, frenado y carga de bateras del prototipo.

4.1.1 Torque en funcin de la corriente

[ ]AMNKT /1053.12

=

Basados en las limitaciones de corriente mxima de la batera escogida, la cual,para garantizar una autonoma de 1 hora a mxima carga, se defini una corrientemxima de 5A, con la cual se determina el torque mximo del motor.

[ ]MNT

T

M

M

CS

CS

=

=

0765.0

51053.1 4

Con el reductor 50:1, se aumenta el torque y se disminuye la velocidad,

[ ]MNT

T

M

M

CS

CS

=

=

825.3

500765.0

pero el reductor tiene una eficiencia del 80%, que se ve reflejado en la disminucindel torque.

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[ ]

[ ]MNT

MNT

M

M

CE

CE

=

=

06.3

825.38.0

Ahora, calculamos la fuerza mxima del carro debido al tamao de las llantas.

Radio de las llantas: 0.075m

NF

Nm

mF

CARROMAX

CARROMAX

8.40075.0

106.3

=

=

Teniendo la fuerza mxima que puede hacer el motor sobre la plataforma,

hacemos los clculos del ngulo mximo de subida en una rampa (ver Figura 4.1).

Peso aproximado del prototipo : 12KgAceleracin mxima : 1m/s2

Velocidad mxima : 1m/s

M = 12 Kg.

Figura 4.1 Angulo de elevacin de la rampa

= 0F

0)(/8.912)(/112 22 = sensmKgsensmKgFCARROMAX

0)()6.11712(8.40 =+ senNNN

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3.186.11712

8.40=

+

=arsenMAX

El ngulo mximo de elevacin es de 18.3para mover la masa a la aceleracinespecificada.

Determinamos un rango de funcionalidad continua para mxima velocidad delprototipo, disminuyendo en un 20% el ngulo mximo (14.6) calculado paraconservar la vida til de los elementos que componen el hardware del proyecto.

Para continuar con el desarrollo del prototipo, se realiz el diseo y clculos parael control de velocidad del prototipo.

4.2 CONTROL DEL MOTOR

4.2.1 Control trapezoidal

4.2.1.1 Diseo de drivers y etapa de potencia

Para realizar el control trapezoidal sobre el motor brushless DC se dise uncircuito puente H para manejar un motor trifsico en configuracin estrella, que

cuenta con seis MOSFETs, los cuales permiten la conmutacin entre losembobinados del motor (Figura 4.2). Se escogieron MOSFETs canal N IRF540 ycanal P IRF9540, por estar diseados para manejar conmutaciones de altavelocidad ( trr< 220ns ) y mediana corriente sobre las inductancias.Cada fase se encuentra en un estado determinado (Tabla 4.2) el cual se lograencendiendo y apagando los dos MOSFETs en serie de cada una, para conseguirun camino de corriente entre dos de los tres embobinados, mientras el otro seencuentra en alta impedancia. Para esto la salida del dsPIC30F6010 se debeencontrar de la siguiente manera: fase encendida (su control se hace a travs delPWM, pero se toma como encendida) con driverHen PWM y Len 1 (lgico); faseapagada con drivers Hy Len cero y fase en alta impedancia con Hen uno y Len

cero (Tabla 4.4).

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Figura 4.2 Puente H ( Fases en conexin Y ).

Los circuitos manejadores (Drivers), fueron diseados para obtener los niveles devoltajes apropiados para el Gate de cada MOSFET, adaptando la seal queproviene del microprocesador dsPIC30F6010 (0V a 5V) al requerido para queestos se enciendan correctamente (0V a 12V).

En la Figura 4.3 y la Figura 4.4 se muestra la configuracin de los dos tipos deDriversadaptadores de voltaje que se disearon para manejar la seal de Gatedelos MOSFETs. Debido a que el Vgs mximo es 20V y a que la referencia de

voltaje que se utiliz es entre 24V (Vmotor) y tierra, se hizo necesario trabajarlosen regin activa (no en saturacin) y corte, con el fin de limitar el voltaje de subidade las etapas de emisor-comn que hay en los dos drivers. Con la configuracinde resistencias que se muestra en la grfica Figura 4.4, se eleva el voltaje deentrada (seal digital de 0V a 5V) a la etapa AB alrededor de 15V con lo que selogr una rpida conmutacin y el voltaje que requieren los MOSFETs entre gateysourcepara conmutar.

Se lograron tiempos de conmutacin cortos en el encendido y apagado de losMOSFETs debido a que los transistores acopladores de seal trabajan en laregin activa y la de corte para el caso de los Drivers xHigh, que manejan

conmutaciones de 10 Khz.

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Figura 4.3 Driver xHigh

Figura 4.4 Driver xLow

4.2.1.2 Acople de fases y sensores (clculo de velocidad)

Como se observ en el marco terico, el motor Brushless DC con el que setrabaj, tiene tres sensores de efecto Hall, y cuatro polos en su rotor. Esto implicaque por cada revolucin mecnica hay dos revoluciones elctricas en cada uno delos sensores, como se muestra en la siguiente grfica:

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Figura 4.5 Diagrama de tiempos de sensores Hall

Estas seales entran a un puerto digital del microcontrolador (Puerto D) y ste seencarga de procesar las seales para el clculo de la velocidad del motor.

Este clculo se realiz basado en lo siguiente:

][5)( HzsensoresfMIN = ,

ya que se tienen tres seales desfasadas entre s 120, se calcul la velocidadhaciendo una lectura de un timercada vez que alguna de stas tenga un cambiode nivel.El clculo de velocidad se realiz usando la funcin de Change Notification (CN)que tienen algunos pines del dsPIC30F6010(entre stos el Puerto D). Cuando uncambio sucede, el proceso se interrumpe y entra a una subrutina.

En esta subrutina se toma el dato de un timer, con este valor se calcula lavelocidad del motor, y luego vuelve a iniciarse el conteo. Al bajar la bandera deinterrupcin, se vuelve a la rutina principal del procesador. El timercuenta hasta elsiguiente cambio de nivel en cualquiera de las tres entradas, y vuelve a ejecutar elciclo de interrupcin.

Para configurar el timer que realiza la funcin se tuvo en cuenta la frecuenciamnima de los sensores para que el registro de 16 bits no tenga overflow.

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][2,01

segf

TMIN

MAX ==

Por lo cual el periodo mximo de CNes:

][336

2,0_ msT MAXCN ==

El periodo de procesamiento del dsPIC30F6010es:

][50

4

][8011

nsMHzf

TdsPIC

dsPIC ===

Usando el timer con pre-escala de 1 : 64, ste cuenta cada:

][2,3][5064 snsTtimer ==

En 33ms este timer realiza 10.313 conteos para lo cual se necesitan 14 bits(16384 conteos), as que usando esta pre-escala es posible usar el timersin teneroverflow.

Teniendo el nmero de conteos se calcula la velocidad del motor en revoluciones

por segundo con la siguiente ecuacin:

][60*1

_

*2

*6*)(#

_

_

rpmT

motorVelocidad

TT

TconteosT

motorrevolucion

sensoresmotorrevolucion

timersensores

=

=

=

A partir de estos datos se expone la siguiente tabla con los valores de velocidadcon los que se realizaron las pruebas para facilidad del lector.

Valor enHEX

Valor enDEC

# Conteos RPS Motor RPS Llantas3 Vel.Prototipo

40 64 1562 33.3 0.833 0.2676 m/s60 96 1020 51.0 1.276 0.4099 m/s

3Debido al reductor y la cadena de transmisin, la velocidad de las llantas es menor en una proporcin 40:1

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78 120 833 62.5 1.563 0.5019 m/s80 128 781 66.6 1.666 0.5353 m/s

BB 187 534 97.4 2.434 0.7818 m/sFF 255 392 132.8 3.320 1.5640 m/s

Tabla 4.1 Conversin de velocidades

Por facilidad se tomaron los valores en DEC (Azul) en las grficas de las pruebas.

4.2.1.3 Control de Velocidad

Aplicando el mtodo backward difference se desarroll un control de velocidadpara el motor, basndose en la lectura de velocidad de los sensores de efecto Hall(Seccin 4.2.1.2), y controlando el ciclo til de los PWMque alimentan las fases

del motor.

4.2.1.3.1 Mtodo Backward Difference

Partiendo de la ecuacin continua del controlador PID ideal en el dominio detiempo, se hall la ecuacin de un PID discreto para su programacin en undsPIC30F6010, de la siguiente manera:

+++=t

dCi

CC udt

tdeTKdtte

T

KteKtu

0

0

)()()(*)(

Para discretizar esta ecuacin, se aproximan los trminos de la integral y laderivada a valores que puedan ser manipulables en el tiempo discreto.

t t

S

S

ieTdtte

T

tete

dt

tde

0 0

)()(

)1()()(

De esta forma el algoritmo del controlador PID discreto queda:

00

))1()(()()(*)( u

T

teteTKie

T

TKteKtu dC

t

ii

SCC +

++=

=

38


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Ya con esta ecuacin, se usa el mtodo de backward difference para laprogramacin del microcontrolador. El desarrollo se basa en obtener esta misma

ecuacin pero en un intervalo de muestreo anterior.

0

1

0

))2()1(()()1(*)1( u

T

teteTKie

T

TKteKtu

S

dct

ii

SCC +

++=

=

,

al desarrollar estas dos ecuaciones se lleg a un controlador PID con algoritmo develocidad:

)]2()1(2)([)()]1()([)1()( ++++= teteteT

TKte

T

TKteteKtutu

S

dC

i

SCC

4.2.1.3.2 Control de los PWMs de las fases

Se trabaj con un control PI sin tener en cuenta la parte derivativa de la anteriorecuacin debido al ruido que adiciona. El diagrama en bloques de este control esel siguiente:

Figura 4.6 Esquema de control de velocidad por PWMs

De aqu se observa que la seal de error con la cual trabaja el control PI es unadiferencia entre la velocidad deseada por el usuario y la velocidad real delprototipo. De esta forma mediante el ciclo til de los PWMs se controla la

velocidad del motor, la cual se realimenta calculando la velocidad como se explicen el numeral 4.2.1.2.

Este diagrama de bloques se representa de igual forma con las siguientesecuaciones:

velocidadvsetdiferencia =

39


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diferenciaT

TKantdiferenciadiferenciaKutilcicloutilciclo

S

iCC *)_(*__ ++=

Una vez calculado este ciclo til se le aplica la seal de PWM en la fasecorrespondiente (segn lo determinan los sensores de efecto Hall).

4.2.1.3.3 Acople de los sensores

Los sensores de efecto Halldel motor son pines del puerto D del dsPIC30F6010.stos se encuentran ubicados en los pines RD4, RD5 y RD6. Para poder tomar elvalor presente de los sensores se realiza una AND entre el puerto D y el valor

0x70 (valor hexagesimal, 01110000 en binario), donde los bits 4, 5 y 6corresponden a RD4, RD5 y RD6 respectivamente. De esta forma se obtienen seisdiferentes valores segn la ubicacin del rotor como se muestran a continuacin:

ValorAND

RD6(sensor 1)

RD5(sensor 2)

RD4(sensor 3)

ESTADOS

0x10 0 0 1Fase A: FuenteFase B: Alta impedanciaFase C: Tierra

0x20 0 1 0Fase A: Alta impedanciaFase B: Tierra

Fase C: Fuente

0x30 0 1 1Fase A: FuenteFase B: TierraFase C: Alta impedancia

0x40 1 0 0Fase A: TierraFase B: FuenteFase C: Alta impedancia

0x50 1 0 1Fase A: Alta impedanciaFase B: FuenteFase C: Tierra

0x60 1 1 0Fase A: TierraFase B: Alta impedanciaFase C: Fuente

Tabla 4.2 Estado de fases Vs Estado sensores

Segn cada ubicacin del rotor (tomando el dato de los sensores de efecto Hall),las 3 fases se tienen que polarizar de formas diferentes para obtener un

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movimiento del rotor en direccin de las manecillas del reloj. Esta polarizacin seda a travs de los pines PWMxH y PWMxL del dsPIC30F6010, los cuales son

entradas a los driversdel puente H.El orden de los estados se encuentra determinado por las especificaciones delmotor PITTMAN N2311A011, las cuales se exponen en la siguiente tablaespecificando el orden directo e inverso de rotacin:

DIRECTO INVERSO0x40 0x400x60 0x500x20 0x100x30 0x30

0x10 0x200x50 0x60

Tabla 4.3 Orden de rotacin

En la siguiente tabla se tiene la polarizacin configurada en el dsPIC30F6010paraponer cada fase en el estado determinado por la tabla anterior.

Fase A Fase B Fase CvalorAND

DriverHigh

DriverLow

DriverHigh

DriverLow

DriverHigh

DriverLow

0x10 PWM 5 0 5 0 00x20 0 5 0 0 PWM 50x30 PWM 5 0 0 0 50x40 0 0 PWM 5 0 50x50 0 5 PWM 5 0 00x60 0 0 0 5 PWM 5

Tabla 4.4 Seales del microprocesador hacia drivers PWMs

Cada vez que hay un CN (Change Notification) se calcula la velocidad real y seefecta el cambio de configuracin de las salidas de PWMdel dsPIC30F6010, las

cuales controlan los driversdel puente H.

El ciclo til calculado por el control PI se actualiza en los tres mdulos de PWMhaciendo que durante el movimiento, sin importar cul sea la lectura de lossensores de efecto Hall, al motor se le aplique un torque casi constante.

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4.2.1.4 Sintonizacin del control de velocidad

Para la sintonizacin se tuvieron en cuenta varios aspectos partiendo de laslimitaciones y el alcance del proyecto. La limitacin de ms relevancia para elprototipo fue la corriente que pueden soportar tanto las bateras, como el motor.Esto se ve reflejado en las corrientes pico que se generan al realizar un controlmuy rpido. Adicionalmente, aunque en teora se busca que la respuesta paso deun sistema sea igual al Set Point, en el caso de un automvil, sta debe estaratenuada , ya que cambios de velocidad abruptos no son lo que se busca para lacomodidad de los pasajeros; una aceleracin instantnea generara una fuerzaque un ser humano no podra soportar.

Los valores de Kc y Ti se muestran a continuacin,

001.0

144

04.0

=

=

=

S

i

C

T

T

K

Estos valores se programaron en el microcontrolador usando la ecuacin delcontrol PI con algoritmo de velocidad (4.2.1.3.1). y se obtuvieron despus de unproceso de prueba y error para lograr una respuesta subamortiguada con unsobrepico menor al 10%.

4.3 Fuente de alimentacin

Para el diseo de la fuente de alimentacin, fue necesario tener en cuenta variascaractersticas relevantes a la hora de determinar la configuracin ms adecuada:La primera y ms importante es que la fuente debe ser bidireccional, es decir,debe estar en capacidad de entregar corriente desde la batera hacia el motor yabsorver de la misma (para este caso en particular. Seccin 2.4.1).La segunda caracterstica es que la fuente debe estar en capacidad de manejarpotencia de entrada y salida entre 0 y 72 wattsaproximadamente. Para esto no se

puede elegir cualquier configuracin bidireccional, porque segn el elemento quetrasfiera la energa, puede ser menos eficiente y no tener la capacidad de entregaresta potencia [11].Por ltimo, la fuente debe estar en capacidad tanto de aumentar como dedisminuir el voltaje. Para esto es necesario encontrar una fuente que tenga unafuncin de transferencia del tipo (D/(1-D)), donde D representa el ciclo til de

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conmutacin, con el fin de lograr tanto elevacin como disminucin de voltaje a lasalida con respecto a la entrada.

4.3.1 Modelo escogido

Se analizaron tres configuraciones de circuitos bidireccionales, escogiendofinalmente la que mejor se adapta a los requerimientos del proyecto.En principio se analiz la posibilidad de implementar la configuracin boostbidireccional, la cual est diseada para trabajar con alta potencia, es no inversoray su elemento de transferencia de potencia es un transformador que asla labatera de la carga.

Debido a que el voltaje que genera el motor (FEM) oscila entre los 0 y 24V(dependiendo de la velocidad de ste), hay determinados momentos en los que elvoltaje es menor que el de la batera y, por su configuracin no inversora, seraimposible entregar corriente a sta al final del frenado, cuando la velocidad seacerca a cero, disminuyendo el rango de accin del frenado regenerativo a altasvelocidades.

Otra configuracin que se analiz para implementar el circuito bidireccional fueuna fuente CUK (Figura 4.7 Modelo Fuente CUK), por su funcin de transferencia noinversora (D/(1-D)), sin importar las velocidades bajas, ya que el condensadoralmacena un voltaje diferencial que trasmitira a la batera. La principal desventaja

de esta configuracin es que el elemento de transferencia de energa es uncondensador, generalmente de gran tamao, proporcional a la potencia, por lo quegeneralmente se utiliza en aplicaciones de baja potencia.

Figura 4.7 Modelo Fuente CUK

Finalmente, se escogi la configuracin Buck-boostque, aunque es inversora, sufuncin de transferencia puede elevar y disminuir el voltaje. El hecho de tener unafuente inversora implica tener una batera extra con el fin de alimentar el circuito

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de control, ya que en algunos casos no es suficiente con el voltaje de la salida,puesto que ste vara entre 0 y 24V lo cual impedira alimentar durante todo el

tiempo el control (que requiere 5V para el microprocesador, amplificadores y losdems componentes). Cabe anotar que para el caso de esta fuente es necesariopartir de un voltaje negativo de la batera para obtener uno positivo que alimenta elmotor.

Por otro lado, esta fuente est en capacidad de entregar niveles de potenciamucho mayores que los de la CUK, ya que el elemento de almacenamiento de laBuck-boost es una bobina, mientras que el de la CUK es un condensador quemaneja un voltaje diferencial, el cual, en el caso de aumentar, se elevaconsiderablemente provocando una sobresaturacin que estallara elcondensador. La Figura 4.8muestra la configuracin del circuito bidireccional que

se implement.

R3

50m

C210mFDriv er Fuente

V1

12Vdc

Vmotor

C1

10mF

L1

550uH

IRF540N/TO2

1

3IRF9540/TO

2

1

3L2

550uH

Driv er Frenado

Figura 4.8 Fuente de conmutacin Buck-Boost

4.3.2 Principio de funcionamiento

Cuando el motor requiere energa, es decir; cuando est funcionando en el primercuadrante y remolque el sistema, el MOSFET canal N ( IRF540) es controlado porel procesador para conmutar y mantener el voltaje nominal del motor, haciendoque el circuito funcione como una fuente controlada. En el momento en que seencuentre encendido este transistor, el voltaje de la bobina L1 es igual al voltajede la batera y eldiodo intrnseco del transistor canal P (IRF 9540) est apagado,durante ese momento su corriente aumenta linealmente hasta cuando se apaga.

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En el segundo instante, el diodo intrnseco del MOSFET canal P transfiere la

corriente almacenada en la inductancia L1 en el primer estado hacia la carga y elcondensador. La corriente en la bobina cae proporcionalmente al voltaje de salida.La Figura 4.9muestra las seales de corriente y voltaje sobre L1,

Figura 4.9 Voltaje y corriente en la bobina

donde Ton y Toff son el tiempo de encendido y de apagado del MOSFETrespectivamente.

La funcin de transferencia:

=

1Vi

Vo

Muestra que para este caso, en donde el voltaje de la batera es de 12V y elvoltaje nominal del motor es de 24V, su ciclo til debe estar alrededor del 66% enestado estable.

Cuando el sistema necesita frenar, el control acta sobre el MOSFET canal P,dando un ciclo til proporcional a la magnitud del error entre la velocidad deseaday la velocidad actual, de esta manera transfiere corriente del motor a la batera.

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Como el circuito es simtrico se realiza el mismo anlisis para cuando estfuncionando en el estado de frenado regenerativo.

La inductancia L2 y el condensador C1 corresponden a un filtro de segundo ordenque atena la corriente AC que circula por la batera de 12V puesto que los picosde corriente pueden reducir considerablemente la vida til de sta [10].

4.3.3 Clculo de componentes

Partiendo de la funcin de transferencia de la fuente buck-boost [11]se tiene,

=

1)(M

=

1MOTOR

BATT

V

V

Figura 4.10 Variacin de corriente en la bobina

Ya con esta grfica se hizo el clculo de la bobina partiendo de la variacin de ILas,

)1(5050 =

= usL

Vus

L

VI MOTORBATTL

El caso crtico en el que es mximo se da cuando Vbatt es mnimo (10V),LImximo,

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=

124

10

714.0=

Entonces,

714.05010

= usL

IL

partiendo de = 0.7 A,LI

uHAusL 5107.0 714.05010 == ,

ahora definimos la proteccin de corriente mxima para el motor de 2.5 A. De laFigura 4.11, obtenemos la ecuacin:

Figura 4.11 Corriente del diodo

T

ITIIpicoTI

LmxLmx

ac2)1()()1(

arg

+=

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21arg L

mx

ac IIIpico

=

AILPICO 1.9=

Se escogi 10 A como corriente pico sobre L1 para tener un margen prctico defuncionamiento en los clculos de la bobina.Partiendo de este valor mximo de corriente se determin el calibre del cable cuyovalor es AWG-18.

Para el clculo de N (nmero de vueltas) y el GAP del ncleo, se tomaron losdatos del material y el tipo de ncleo que se utiliz (Tabla 4.5 Especificaciones delncleo).

Material 77Tipo AETamao 625Ae 184mm2

Le 98mmVe 18000 mm3Bmax 2000Al 4150

r 2000Tabla 4.5 Especificaciones del ncleo

mJAmHLImJE

AI

uHL

PICO

20][2/1][

10

500

2 ==

=

=

La energa que debe almacenar la bobina es,

mJLI 402 =

el nmero de vueltas se determina as,

1000=Al

mHN

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1197.1010004150

5.0==N ,

con estos datos se calcula la saturacin del ncleo,

1498

10114=

=

H

28000142000 === HuB r

Como Bmax = 2000, el ncleo se satura sin GAP. Para esto se hizo el clculo dela distancia del GAPde la siguiente manera,

75.1034014150)( )( 2

2

=== mJmJALILIA LNGGNG

LG

50)(

)(2

2

==G

NGre LI

LIuu

mmmmuu

uull

er

ereG 9.1502000

50200098 =

=

=

Y con el GAP se determin el nmero de vueltas en el ncleo para alcanzar lainductancia deseada,

69100075.103

5.0 =N

Al elaborar la bobina, se obtuvo el valor real de 555 uH.

4.3.3.1 Clculo del condensador e inductancia del filtro de entrada

El condensador y la bobina hacen parte de un filtro de segundo orden para

atenuar la corriente AC que circula por la batera de 12 V. El anlisis planteado dela atenuacin es iterativo y, en una primera aproximacin, genera datosaceptables como prctica de diseo.

El voltaje del condensador est dado por:

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= T

CC ICV

0

1

Aproximando una corriente continua de 10 A sobre L1 en un tiempo de (1 -Dmx)T, es decir; en 35.7 us, la variacin de voltaje en el condensador de 10mFes:

mVVC 7.35=

Entonces, sobre L2 existe esta variacin de voltaje en 35.7 us. Siendo L2 de 555uH, el delta de corriente est dado por:

mAImVdtLI

L

T

L

3.27.35

1

2

02

=

Lo que resulta en una variacin menor al 0.1% de la corriente nominal de labatera (7 A-H), en un rango aceptable de operacin.

4.3.4 Drivers circuito bi-direccional

Para manejar la conmutacin de los MOSFETs del circuito bidireccional, se

disearon dos circuitos manejadores (Drivers). Para el MOSFET canal N IRF540la etapa acopladora de seal se muestra en la Figura 4.12.

Q3

Q2N2907

Q2Q2N2222

-Vbatt

R1

680

Q1

IRF540N/TO

2

1

3R3

2k

-Vbatt

R2

1k

-Vbatt

FUENTE

Q1

Q2N2907PWM

Figura 4.12 Driver fuente de 24V (IRF540)

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Esta grfica corresponde a una etapa base comn acopladora de seal, seguidade una etapa AB que funciona como buffery suministra la corriente necesaria para

encender el MOSFET.La etapa que maneja el encendido del MOSFET canal P encargado de frenar elsistema, se muestra en la Figura 4.13y corresponde a un transformador de bobinasacopladas, generalmente usado para fuentes aisladas de conmutacin forward. Sedecidi utilizar esta configuracin por tener el sourcedel MOSFET en un nivel devoltaje variable, como lo es la F.E.M. que genera el motor y que es proporcional ala velocidad del mismo.

Se dise el transformador de bobinas acopladas para obtener un rango demanejo de ciclo til de hasta 90%, esto se logr haciendo 10 veces la relacin de

vueltas entre la bobina de desmagnetizacin y la bobina del primario, paraalcanzar los niveles de voltaje de encendido del MOSFET. Esta relacin es de1:2.

R3

100

L2

Vmotor

Q1

Q2N2222

Q2

IRF9540/TO

2

1

3

D2

1N4148

R1

5k

R2100

PWM_F

1

D1

1N4148

0.1

FRENADO

+5V

L3

2.8uH

L1

2

Figura 4.13 Driver para frenado (IRF9540)

4.3.5 Control switchpara fuente de 24V

Este control consiste en el manejo del MOSFET IRF540para permitir la carga dela bobina por medio de la fuente de -12V. La realizacin del control se hacemediante el ciclo til de un PWMque va al gatedel IRF540.

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Figura 4.14 Esquema de control para fuente de 24V

En el diagrama de bloques el voltaje deseado por el usuario y el voltaje real de la

fuente se trabajan de forma discreta en el dsPIC30F6010, por lo tanto se hacenecesario el uso de un Conversor Anlogo Digital (ADC). Este conversor es de10 bits y se hace una lectura sobre la fuente de 24V, multiplicada por unaganancia de 1/10 (a travs del amplificador MCP6041SL), por lo tanto el nivel acontrolar es de 2,4V (0x1FF).

Como se trabaja con seales discretas de voltaje, se aplic el backwarddifference method implementando las siguientes ecuaciones:

realvoltajesetvoltdiferencia __ =

Esta diferencia es la seal de error y se calcula cada vez que hay una

actualizacin del ciclo til.

diferenciaT

TKantdiferenciadiferenciaKutilcicloutilciclo

S

iCC ++= )_(__

4.3.5.1 Sintonizacin

Partiendo de la ecuacin anterior se hizo la sintonizacin necesaria para lograruna respuesta rpida y con un sobre-pico menor al 5%, ya que es necesario

encender la fuente cada vez que el circuito conmuta entre aceleracin y frenado.Por esta razn, un sobre-pico alto, generara grandes picos de corriente en labatera, lo cual disminuye notablemente la vida til de sta.

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4.3.5.2 Proteccin

Para la proteccin de corriente de la fuente se us un circuito anlogo encargadode interrumpir al dsPIC30F6010cuando la corriente de la fuente de 24V supera los2 Amperios.La salida de este circuito tiene por defecto un uno lgico (5V), el cual entra al pinde INT0del procesador (pin de interrupcin externa), y cuando la corriente superalos 2 Amperios, este nivel de voltaje baja a 0V, produciendo as una interrupcinque se encarga de bajar el ciclo til del PWMde la fuente y as dejar al motor sinalimentacin. Una vez activada esta interrupcin, es necesario re-iniciar elsistema. Esto se hace con el fin de evitar mltiples interrupciones con picos decorriente que terminaran por quemar los componentes y, finalmente, la tarjeta decontrol y potencia.

4.3.6 Control switch frenado regenerativo

4.3.6.1 Carga de batera a corriente constante (Mtodo de prueba)

Una vez desarrollada la fuente de 24 Voltios, se procedi al diseo de la misma deforma inversa. Esto se realiz manejando el ciclo til del MOSFET IRF9540paraobtener una carga de corriente constante en la batera de -12V.

Para simular la BEMF se cambi el motor DC de salida por una fuente variable de

0 a 24 Voltios, sensando la corriente de entrada a la batera por medio de unaresistencia de 0,05 y un circuito de amplificacin del voltaje generado en estaresistencia, el cual entra a un conversor anlogo-digital del microprocesadordsPIC30F6010.

El diagrama de control usado para esta desarrollo fue el siguiente:

Figura 4.15 Esquema de control para carga de batera a corriente constante

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Una vez diseado, se carg la batera a una corriente constante, variando el

voltaje de entrada. De esta manera se observ un aumento en la corriente desalida de la fuente de prueba cuando sta disminua y viceversa. Tomandomedidas de corriente sobre la batera se observ el control de rechazo a fuenteque es la manera de explicar el cambio de la BEMFproporcional a la velocidad lemotor.

4.3.6.2 Modelo frenado regenerativo

El modelo que se us para el control de frenado regenerativo fue similar al usado

para carga de la batera con una corriente constante, con la diferencia de la sealde error entre los dos modelos. Como la variable a controlar es la velocidad delprototipo la seal de error se calcula con la velocidad deseada por el usuario y lavelocidad real del sistema. El diagrama de bloques para obtener este control es elsiguiente:

Figura 4.16 Esquema control de velocidad por frenado

De aqu se observa que la seal de error con la que trabaja el control proporcionales:

velocidadvsetdiferencia =

y el control para el ciclo til del PWM de frenado est calculado por la siguienteecuacin:

diferenciaKcutilcicloutilciclo *__ +=

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Para la sintonizacin de este control se desarrollaron pruebas de comportamientodel prototipo y por medio de iteracin se lleg a una constante proporcional de:

21=Kc

Con esta constante se obtuvo un control de freno, no muy brusco pero al mismotiempo rpido para controlar de forma eficiente la velocidad.

A continuacin se explica el diagrama de flujo en la programacin delmicroprocesador dsPIC30F6010.

4.4 Diagrama de flujo programacin

El software de programacin del dsPIC30F6010es el encargado de los mdulosde control para aceleracin, freno y fuente de 24V.

El programa consta de 4 interrupciones las cuales son:

- Interrupcin del timer #3: se encuentra el control de aceleracin delprototipo. Este control se encarga de la fuente de 24V y cuando sta

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[2005] Control de Un Motor Brushless DC Con Frenado Regenerativo