Desarrollo e Implementacin sobre FPGA de un controlador PWM para la regulacin Vf de una mquina asncr

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Desarrollo e Implementación sobre FPGA de un
controlador PWM para la regulación V/f de una
máquina asíncrona

• Proyecto Fin de Carrera para acceder al título de
• INGENIERO TÉCNICO DE TELECOMUNICACIÓN
• Autor Oiane Ruiz Morán
• Director Mario Mañana Canteli
• Santander, 5 de Julio de 2000

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ÍNDICE

• 1. Introducción
• 2. Conceptos Teóricos
• Motores de Inducción Monofásicos
• Inversores PWM
• FPGAs
• Software de Desarrollo
• 3. Desarrollo Físico
• 4. Resultados y Conclusiones

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1. INTRODUCCIÓN
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Objetivos del proyecto

• El objetivo principal es controlar la velocidad
  de un motor de inducción
• Estos motores necesitan ser alimentados mediante
  una señal alterna
• La señal se genera utilizando un inversor, que
  es un convertidor DC/AC
• El inversor debe ser alimentado de forma que el
  motor alcance la velocidad y valor eficaz
  adecuados
• El método utilizado para controlar el inversor
  es la modulación de un solo ancho de pulso

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Medios disponibles

• Se ha utilizado una FPGA para generar las ondas
  de alimentación del inversor adecuadas
• Las FPGAs son dispositivos lógicos programables
  por el usuario que ofrecen una gran versatilidad
  ya que son reconfigurables
• Se programan utilizando un completo software de
  desarrollo para PC y un cable de comunicación
  adecuado

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2. CONCEPTOS TEÓRICOS
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Motor de Inducción Trifásico
Motores de inducción monofásicos caso
especial dentro de los motores de inducción
trifásicos
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Elementos principales

• Estátor
• Marco de acero cuyo núcleo está
• formado por láminas apiladas

• Rotor
• Láminas apiladas de forma que dejen
  espacio para el tipo concreto de rotor

• rotor bobinado
• rotor de jaula de ardilla

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Principio de operación

• Ley de Faraday
• Si el flujo que atraviesa una espira varía en
  función del tiempo, se induce una tensión entre
  sus terminales proporcional a la velocidad de
  variación del flujo
• Fuerza de Lorentz sobre un conductor
• Cuando un conductor que porta corriente se
  encuentra dentro de un campo magnético, se ve
  sometido a una fuerza electromagnética (fuerza de
  Lorentz) que tiende a arrastrar al conductor a lo
  largo del campo

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Principio de operación (cont.)

• Si a un estátor simple se le aplica una tensión
  trifásica, fluyen por sus bobinados unas
  corrientes alternas que producen fuerzas
  magnetomotrices.

• Estas fmm crean un flujo magnético, el cual es
  giratorio porque las corrientes están desfasadas
  en el tiempo 120º

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Principio de operación (cont.)

• El campo da una vuelta completa durante un ciclo
  completo, cuya duración depende de la frecuencia
  de la fuente
• Esta relación de dependencia hace que a la
  velocidad del campo se le denomine velocidad
  síncrona
• La velocidad síncrona depende del número de
  polos del estátor, de forma que disminuye si
  éstos aumentan

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Principio de operación (cont.)

• El campo giratorio induce una tensión en el
  rotor, de forma que se producen grandes
  corrientes que se ven sometidas a una gran fuerza
  magnética.
• La suma de todas las fuerzas origina un par que
  tiende a arrastrar el rotor en la dirección del
  campo giratorio
• El rotor nunca llega a girar a la misma
  velocidad que el campo, y a la diferencia se le
  denomina deslizamiento
• El deslizamiento hace que estos motores se
  denominen también máquinas asíncronas

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Control V/f

• La velocidad del rotor depende de tres
  parámetros
• frecuencia de alimentación
• número de polos
• deslizamiento

La forma más eficaz de controlarlo es variando la
frecuencia, con la particularidad de que para
mantener constante el par máximo la tensión debe
variar en la misma proporción
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Motor de Inducción Monofásico

• Se diferencia del motor trifásico en que no
  puede arrancar por sí mismo
• El rotor debe ser impulsado en algún sentido
  para poder desarrollar el par interno que le
  permita conseguir la velocidad de trabajo
• Tres procedimientos distintos para crear el par
  de arranque
• Fase partida
• Arranque por condensador
• Espira de sombra

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Inversores
Convertidores DC/AC que se utilizan generalmente
para alimentar al estátor
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Inversores (cont.)
Los conmutadores G1 y G2, G3 y G4 se activan
simultáneamente por parejas, pero nunca más de
dos a la vez
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Inversores (cont.)

• Dos parámetros de rendimiento
• Tasa de Distorsión Armónica (THD)

• Factor de distorsión (DF)

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Modulación de un solo ancho de pulso
La señal de salida se genera comparando una
portadora triangular con una referencia
rectangular
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Características principales

• Índice de modulación

• Valor rms de salida

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Características principales (cont.)
Perfil de armónicos
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FPGAs

• Son circuitos lógicos programables por el
  usuario de manera sencilla, por lo que no se
  necesitan grandes medios técnicos
• Dos tecnologías
• FPGA de tipo RAM reprogramable
• FPGA de antifusibles no reprogramable

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FPGAs de tipo RAM

• Inventadas por Xilinx en 1984 para conseguir
  circuitos lógicos programables que no derrocharan
  recursos

• Solución ideal red de puertas programable por
  máscara
• Inconveniente sólo el fabricante puede colocar
  las máscaras

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FPGAs de tipo RAM

• Solución final adoptada pastilla de silicio
  rodeada por bloques de entrada/salida (IOBs) y
  cuyo interior está lleno de macroceldas (CLBs) en
  vez de puertas elementales
• Bajo la red lógica hay memoria RAM que contiene
  la configuración de conexiones de los bloques
• Ventajas gracias a la RAM se programan y borran
  eléctricamente
• Inconvenientes para no perder la configuración
  debe estar asegurada la alimentación

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CLBs

• Implementan la mayor parte de la lógica
• Se componen fundamentalmente de
• Generadores de funciones
• Flip-Flops
• Entrada de reloj
• Señal de habilitación del reloj
• Set/Reset, local o global
• Entradas y salidas de datos
• Señales de control

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CLBs (cont.)

• La estructura y elementos de un CLB pueden usarse
  para
• Diseñar registros de desplazamiento
• Obtener memoria RAM
• Obtener estructuras de lógica de carry rápido

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IOBs

• Interfaz entre los pines y la lógica interna
• Cada IOB controla un pin del encapsulado
• Opciones
• Señales de entrada para flip-flops, relojes TTL
  o CMOS
• Señales de salida de flip-flop, invertidas, o
  triestado
• Resistencias de pull-up y pull-down
• Relojes independientes
• Set/Reset Global, soporte JTAG

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Otros elementos importantes

• Buffers Triestado que ahorran recursos lógicos
• Decodificadores de muchas entradas para
  implementar funciones de más de nueve
• Oscilador On-Chip de 8MHz de frecuencia nominal

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Interconexiones Programables

• En un CLB
• Matrices de conmutación programables
• Líneas de longitud simple y de longitud
  doble
• Líneas largas
• En un IOB
• VersaRing Routing adicional
• Redes Globales Distribuyen las señales de reloj
  y de control

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Modos de Configuración

• Seis formas de configurar la FPGA, dependiendo de
  la aplicación
• Modos Maestro Serie, Paralelo Up/Down
• Modos Periféricos Síncrono o Asíncrono
• Modo Esclavo Serie El utilizado en el proyecto

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Software de Desarrollo

• Foundation Series, de Xilinx
• Proceso de creación del diseño

Esquemático
Tomar las especificaciones
Definir las entradas y salidas
Introducir diseño
HDL
Máquina de estados
Download del diseño verificación final
Sintetizar y Simular
Mapeo PlaceRoute
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Software de Desarrollo (cont.)
Editor de esquemáticos
Máquinas de estados
Interfaz gráfica
Editor HDL
Implementación
Simulador
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3. DESARROLLO FÍSICO
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Diseño del circuito

• Objetivo
• Generar las señales g1 y g4 que controlan el
  inversor
• Condiciones
• Las señales se generan mediante la modulación de
  un solo ancho de pulso
• Criterio valor eficaz y frecuencia de salida
• Entradas del circuito señal de referencia y
  frecuencia de reloj

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Circuito final implementado
Comparador Circuito selector de la salida
Detector Fin de Cuenta
Contador Up/Down
Contador de fin de cuenta
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(Por cortesía del Dpto. de Electrónica de la
Universidad de Alcalá de Henares)
Placa de la FPGA (U.A.H.)
FPGA
LED indicador
Conexión al XChecker
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Medidas en el laboratorio

• Se han realizado diez medidas de las señales g1
  y g4, correspondientes a diez índices de
  modulación distintos
• La señal del osciloscopio se ha capturado tanto
  en lo que respecta a imagen como a datos
• Se han tratado los resultados con Matlab para
  medir los armónicos y los factores de distorsión

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Medidas en el laboratorio (cont.)
M 0,1
M 0,3
M 0,6
M 0,9
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Medidas en el laboratorio (cont.)
THD
Armónicos
DF
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4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES
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Herramientas empleadas

• El Foundation Series es un completo software de
  desarrollo muy eficaz para configurar FPGAs
• Curva de aprendizaje muy pronunciada
• Teniendo en cuenta los pros y los contras, merece
  la pena su utilización porque es tremendamente
  preciso y permite programar las FPGAs simplemente
  a través del PC

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Motores e inversores

• Los motores de inducción trifásicos y
  monofásicos se encuentran presentes en muchas
  aplicaciones
• No se adaptan fácilmente a las técnicas de
  control de velocidad
• El avance de la electrónica ha permitido
  conseguir en este proyecto un controlador muy
  fiable y de sencilla implementación

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Conclusiones finales

• Si bien el sofware necesario para programar
  FPGAs es complejo en muchas ocasiones, resulta
  ser una herramienta muy potente
• Implementar circuitos sobre FPGAs es sencillo y
  barato
• La técnica PWM implementada funciona
  correctamente y origina señales cuyo perfil de
  armónicos es el esperado

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(No Transcript)