Circuito integrado ASIC para el control vectorial-borroso de un motor de inducción destinado a accionamiento de tráfico vertical

Circuito Integrado ASIC para el Control Vectorial-Borroso de un Motor de Ind ucción Destinado a Accionamiento de Tráfico Vertical J. L. Mora, F. Colodro., F. Barrero, A. Torralba, E.Galván y L. G. Franquelo (1), M.Barranco (2) (1) Dpto de Ingeniería Electrónica, Univ. de Sevilla, (2) Dpto 1 + D Mecanismos y Accesorios, S.A. Avda Reina Mercedes s/n, 41012-Sevilla (SPAIN) phone: +34-5-4556873 ; fax: +34-5-4556849; e-mail: [email protected]. es . .u.trcd- Con est.e trabajo ae describe el dilJeiío de un circuito integrado Aste para el Control Vectorial-Borroso de UD Motor de Inducdón De .. tinado a Accionamiento de Tráfico Vertical. Se presentan, ademáa , algunos resultados de .¡mu a ladón para la optimización del diseño desde el punto de vista del número de puertas. Estas simulacion es se han realizado mediant e lenguaje de alto nivel utilizándose un modelo real del motor de inducción junto con el inv er80 r trifúico encargado de su accionamiento y se ha simulado el compor - tamiento del diseño ASIe con todas IUI discretilaciones y retardos. Esta realización se enmarca dentro de la acción GAME (acción especial del programa ESPRlT) y ha sido desarr ollado en cola. boración con la empresa Mecaniemos y Accesorio. MAC S.A . Para ello se ha hecho uso de la herra· mientas de diseño VHDL SINOPSYS y programa de placement y roudng CADENCE . 1. INTRODUCTION La máquina de inducción es un sistema robusto de poco o nulo mantenimiento y bajo precio. Existen características que la hacen ideal para su uso en diferentes tipos de accionamientos incluyendo los sistemas de tráfico vertical. Sin embargo, en su visión más amplia, esta máquina es un sistema no lineal con múltiples entradas y salidas, por lo que su control resulta complejo cuando se compara con la máquina de corriente continua. Diferentes estrategias de control han sido propuestas Y. en suma, se han obtenido soluciones - 412- de compromiso entre la complejidad del controlador y las prestaciones del sistema. La estrategia que más popularidad ha alcanzado es el control denominado "Tensión-Frecuencia". En este método, la tensión y la fre cuencia son va· riables de control básicas del motor de inducción. No obstante, el par y el flujo, son función de dichas variables. Esta dependencia entre las variables de control es la responsable de la pobre respuesta dinámica del motor de inducción. Los métodos de control vectorial tratan de elimi nar esta limitación mediante un control electrónico de las componentes de corriente responsables del par y del flujo. De esta manera, el control e xt erno de la máquina de inducción se asemeja al control de la máquina de continua en la que el par y el flujo están desacoplados de forma natu ra l. La dependencia del control vectorial con los parámetros de la máquina provocan la necesi· dad de emplear controladores robustos. Distintos métodos de control han sido propuestos, tales como: • Controladores adaptativos. • Controlador es basados en métodos deslizantes. • Controladores borrosos. Los primeros requieren el empleo de estimadores de los parámetros de control del motor y, en general, de un software complejo de estimación y de adaptación. Loo controladores basados en métodos deslizantes son conceptualmente simples, pero requieren un control todo-nada en torno al modo deslizante que dan lugar al conocido fenómeno de "chattering"(variación brusca del par en torno a su valor medio). Los controladores borrosos son sencillos de implementar y programar. Poseen un comportamiento similar al razonamiento humano que les hace inherentemente robustos frente a variaciones de los parámetros de la planta (del motor). Por ello los controladores borrosos están siendo empleados en casi todos los campos del control industrial incluyendo el control del posicionamiento para accionamientos en sistemas de tracción (metro de Tokio) y el control de ascensores. Uno de los principales problemas que presentan los sistemas de control vectorial y borroso es su realización fisica. En general, requieren la utilización de sistemas de gran potencia de cálculo como es el caso de DSP's. Estos procesadores están diseñados para el tratamiento digital de señal utilizando un elevado número de bits. Esta ocupación de area de silicio generalmente es mucho mayor de la necesaria para unas prestaciones concretas. Con el circuito ASIC propuesto, al ser disenñado expresamente para esta aplicación, pretende reducir los costos de implementación reduciendo el nivel de ocupación al máximo. Otra ventaja de este diseño es que se ha podido incorporar algunos elementos adicionales de medida de variables del sistema (corrientes y velocidad del motor) y protecciones. n. DESCRIPCIÓN DE CIRCUITO INTEGRADO El circuito ASIC se encarga de realizar las siguientes tareas de manera independiente o COD- junta según se programen sus distintos modos de funcionamiento según se muestra en la figura 1: - 413- J. Adquisición de las intensidades trifásicas. 2. Adquisición de la velocidad y de la posición relativa, 3. Protección de las intensidades trifásicas. 4. Control Borroso de ,·elocidad. 5. Control Vectorial Indirecto. 6. Control de las intensidades trifásicas. 7. Generación trifásica de señales PWM. 8. Interface con el microprocesador. - Figare 1: Esquema General del Circuito Las distintas posibilidades de interconexión que permite la utilización de este a distintos niveles tal como se muestra en la figura 2. -, -, -, _. ~ -\-h=III~'"::r(~ __ , __ • __ t -, .• ')' 'O' '1 ' -'- , Y .iI..~."""""' __ ." ___ Figare ! : Partes del ASIC con funcionamiento independiente El bloque de contol vectorial realiza la funcionalidad de generación del vector unitario (senos y cosenos) medianta acceso a tabla . El cambio de coordenadas y el control de coriente se ha resuelto mediante la utilización de una estructura de Ud~ tapath tt . Esta está constituido por un multiplicador de de 13 por 11 bits y un sumador de 18 más 18 . La salida del control vectorial son las corrientes de consigna id e i; y la frecuencia eléctrica. El cambio de coordenadas que nos proporciona el valor deseado de 1 ... corrientes de fase i; , i¡ e i; se realiza en el módulo de generación senoidal de las corrientes de fase, quien las obtiene a partir de las siguientes expresiones: 1= = i;sen(8+ .. /2)+id8en8 (1) 16 = 1~.en(8 -."/6) + id8en(8 - 2 .. /3)(2) 1; = -(I: + m (3) El ángulo 8 se obtiene internamente mediante la integración de la frecuencia. El módulo de generación trifásica mantiene un coojunto de cuatro contadores con 106 ángul06 8,8 + 7r /2 , 8 - 7r /6 Y 8 - 2 .. /3) , que van barriendo una ROM interna de 7 bits con el contenido del seno. Para aborrar memoria, la ROM del aeno tan sólo contiene la onda entre O y .. en 225 posiciones de memoria. El controlador borroso es capaz de procesar un total de 64 reglas para tres antecedentes y un consecuente. Las reglas son de tipo triangular con centroide y base programables. El controlador etá dotado, además, de a~toaprendizaje . 111 . RESULTADOS DE SIMULACIÓN ~.r-----~------ ---- ---------------, .... , / ••• •• -v ......... ~ -,-..- ..•.•• 't' ....... ~ -'O'° O 'O'::------: •.• ::-----.;';.,------c.:;.,------;.';:.-----:! .. Fígne 3: Velocidad Angular del Motor. .J,---_.---------------------------, \ '. -_.~ ~- ... u •• --- _ ..... ......... E--.... Fi,.rt 4: Velocidad Angular del Motor cerca de la Parada. L ... simulaciones se han realizado mediante lenguaje de alto nivel. Se ha utilizado un modelo real del motor de inducción junto con el inversor trifásico encargado de su accionamiento y se ha simulado el comportamiento del diseño ASIe con todas sus discretizaciones y retard06. En la gráfica 3 puede observarse la respuesta en velocidad del motor de inducción controlado mediante el circuito descrito anterormente. La figura 4 muestra una ampliación de la respuesta a velocidades bajas. En esta ampliación, puede observarse la magnitud de error de di8cretización del encoder incremental y como:este pasa a medir cero por debajo de su velocidád mínima medible. La figura 5 representa la corriente de fase y la componente de corriente de par . También puede observarse la forma triangular del par motor correspondiente a una respuest,a de velocidad parabólica. - 414- oo.. "" - ... - -_ .... ··· · ··· ~ .. f_ ... ~. , .. _10.0 ... .• .. •• Fi,.re 5: Componentes de Comente y Par Motor. REFERENCES [1] B. K. Bose, Power E/edron;e and AC Drives, Prentice-Hall Englewood Cliffs, N. J ., 1987. [2] E. Galván, F. Barrero, M. A. Aguirre, A. Torralba, L. G. Franquelo,"A Robust Speed Control of AC Motor Drives based on Fuzzy Reasoning", IAS-93 Annua/ Meati.g, pp 2055-2058, Toronto 1993. [3] Toobiaki Kudor, Kazufumi lsbihara, Haruo N aitob, "Self-Comrnissioning for Vector Controlled Induction Motors ", IAS-93 Annua/ Meating, pp 528-535, Toronto 1993 [4] Sayeed A. Mir, Donald S. 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