Puesta en marcha de un sistema Rapid Control Pro totyping (RCP) para el control de convertidores de potencia y verificación experimental con un converti dor DC/DC reductor interleaved
Abstract
En este proyecto se lleva a cabo el diseño, construcción y puesta en marcha de un convertidor DC/DC reductor interleaved. El trabajo se plantea como un manual para su ensamblado y comprensión del hardware de control utilizado, la BBoard Pro de Imperix, así como el entorno que ofrece. El convertidor a construir sigue una topología buck y puede estar construido por un solo módulo, que se entiende como una sola etapa de potencia, o varios en paralelo, conformando un interleaved. Una vez finalizado el montaje, el proyecto realiza una comparativa entre la implementación de un sistema compuesto por un módulo único y tres módulos en interleaved, todos bajo la acción del mismo controlador. De forma paralela, se introduce el uso de herramientas de prototipado, como el Hardware In the Loop, para el diseño del controlador y validación en el sistema modelado.
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Trabajo Fin de Grado Ingeniería Robótica, Electrónica y Mecatrónica Puesta en marcha de un sistema Rapid Control Pro totyping (RCP) para el control de convertidores de potencia y verificación experimental con un converti dor DC/DC reductor interleaved Autor: Álvaro Castillo Pérez Tutor: Sergio Vázquez Pérez Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025
Trabajo Fin de Grado Ingeniería Robótica, Electrónica y Mecatrónica Puesta en marcha de un sistema Rapid Control Prototyping (RCP) para el control de convertido res de potencia y verificación experimental con un convertidor DC/DC reductor interleaved Autor: Álvaro Castillo Pérez Tutor: Sergio Vázquez Pérez Catedrático de universidad Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2025
Trabajo Fin de Grado:Puesta en marcha de un sistema Rapid Control Prototyping (RCP) para el control deconvertidores de potencia y verificación experimental con un convertidor DC/DCreductor interleavedAutor: Álvaro Castillo PérezTutor: Sergio Vázquez PérezEl tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores:Presidente:Vocal/es:Secretario:Acuerdan otorgarle la calificación de:El Secretario del Tribunal:Fecha:
IAgradecimientosEn primer lugar, agradecer a mi tutor Sergio Vazquez por su ayuda, explicaciones y apoyo. Sobre todo, agradecerle su paciencia para enseñarme y guiarme durante la realización del proyecto. A mis compañeros de laboratorio, Carmen y Matías por su ayuda y consejos a lo largo de todo este tiempo que hemos estado trabajando juntos. También agradecer a mi familia, en especial a mi padre Fernando, quien me introdujo en el gusto por la electrónica, a mi madre Margarita y mi hermana María José que siempre estuvieron junto a mí para apoyarme. Es gracias a ellos que he podido llegar a ser lo que soy hoy. Por último, agradecer a mis amigos, concretamente a 3 de ellos, David, Juan Carlos y Alfonso, que llevan acompañándome desde mi infancia y que siempre han estado ahí para apoyarme en los momentos más difíciles.
II ResumenEn este proyecto se lleva a cabo el diseño, construcción y puesta en marcha de un convertidor DC/DC reductor interleaved. El trabajo se plantea como un manual para su ensamblado y comprensión del hardware de control utilizado, la BBoard Pro de Imperix, así como el entorno que ofrece. El convertidor a construir sigue una topología buck y puede estar construido por un solo módulo, que se entiende como una sola etapa de potencia, o varios en paralelo, conformando un interleaved. Una vez finalizado el montaje, el proyecto realiza una comparativa entre la implementación de un sistema compuesto por un módulo único y tres módulos en interleaved, todos bajo la acción del mismo controlador. De forma paralela, se introduce el uso de herramientas de prototipado, como el Hardware In the Loop, para el diseño del controlador y validación en el sistema modelado.
III AbstractThis project aims to carry out the design, construction and commissioning of an interleaved buck DC/DC converter. The projects pretends to be treated as a manual for its assembly and understanding of the controller used, the BBoard Pro from Imperix, as well as the environment it offers. The converter to be built follows a buck topology and can be constructed with a single module, which uses a single power stage, or with several modules in parallel, forming an interleaved configuration. Once the assembly is completed, the project compares the implementation of a system composed of a single module and three interleaved modules, all operating under the same controller. In parallel, the use of prototyping tools such as Hardware In the Loop is introduced for controller design and validation on the modeled system.
1 1Introducción1.1 Marco social En la actualidad, el vehículo eléctrico ha ganado mucha relevancia por propiedades como la disminución de emisiones de gases nocivos a la atmósfera. Esto ha hecho que estos vehículos revolucionen el entorno automovilístico, trayendo consigo grandes avances técnicos frente a los modelos tradicionales de combustión. Según estudios realizados por la propia Unión Europea [1], en 2021 las emisiones de dióxido de carbono generadas por medios de transporte representaron casi el 23 % como se puede ver en el desglose de emisiones de la Figura 1.1. De este porcentaje, un 56 % está generada por turismos [2], como se puede ver en la Figura 1.2, contigua a la anterior. Esto suponía que durante este año el transporte sería la segunda mayor fuente de emisiones de gases de efecto invernadero en los países pertenecientes a la UE, después de la generación del suministro energético. Conllevando además el hecho de que sería el único sector económico en el que el nivel total de emisiones no habría disminuido desde 1990: Figura 1.1: Emisiones de gases de efecto inver nadero por sector (19902021)[1] Figura 1.2: Desglose de las emisiones de CO₂ procedentes del transporte (19902021)[1] De esta forma, con objeto de disminuir las emisiones de CO₂ [3], la Unión Europea elabora unos objetivos interanuales para la emisión de vehículos, recogidos en la Figura 1.3. Estos objetivos se distribuyen en grupos de varios años, conocidos como ciclos y representan el máximo de emisión media permitida entre todos los países que conforman la UE. Cada ciclo es más restrictivo que el anterior hasta llegar al 2035 año en el que se espera una elimi nación completa de la emisión de gases de efecto invernadero emitidos por vehículos de transporte.
2 Capítulo 1. Introducción Figura 1.3: Objetivos de la UE y emisiones medias de CO₂ en laboratorio de los vehículos nuevos [1] Volviendo entonces a la evolución de las emisiones debido al transporte, mostradas en la Figura 1.4, tanto en 2020 como en 2021 las emisiones medias de los automóviles por km disminuyeron un 12 % interanual conforme se empezaron a aplicar unos objetivos más estrictos. La tendencia a la baja continuó en 2022, con un descenso adicional del 6 % de las emisiones medias según datos provisionales. Esta disminución se produjo no solo en condiciones de laboratorio, sino también en la carretera. Figura 1.4: Emisiones medias en carretera y en laboratorio [1] A la vista de todos los datos presentados, se puede comprobar como el vehículo eléctrico cada vez supone una mejor opción para el medio ambiente si los comparamos a los vehículos de combustión convencionales, a pesar de otras desventajas que pueda tener. Esto se debe a su estructura eléctrica basada en el uso de baterías en lugar del motor de combustión.
1.2. Estructura del vehículo eléctrico y su cargador 3 1.2 Estructura del vehículo eléctrico y su cargador Una vez analizado el entorno social en el que se ubica el proyecto y vistas las razones del auge del vehículo eléctrico en la actualidad, se continúa indagando en su entorno técnico. Para ello, se va a describir la arquitectura interna del vehículo eléctrico, asi como la infraestructura que requiere para su carga, haciéndose con este aspecto el primer acercamiento a la aplicación real a la que se desea destinar el proyecto que se está realizando. La Figura 1.5, presenta un diagrama de bloques con la estructura interna del vehículo eléctrico. Para completarla se añade la Figura 1.6 que incluye el Power Path de la carga del vehículo desde el cargador exterior o Offboard, el objetivo final del proyecto. Figura 1.5: Estructura completa de un coche eléctrico y cargador [4] Figura 1.6: Infraestructura de carga [4] Se va a centrar la atención en la Figura 1.6, por su simplicidad para detallar la utilización de los equipos internos del vehículo. Como se puede ver, la carga del vehículo se puede abordar de dos formas, por medio de una toma de alterna, en la que estaría actuando el cargador Onboard (esta carga normalmente suele ser más lenta) o por medio de una toma de continua, en la que toda la electrónica de potencia se encuentra en el cargador Offboard y se ataca directamente a la batería del vehículo. A continuación se van a presentar los elementos más relevantes del cargador en sí, empezando por la toma de carga, la organización de los convertidores que se emplean y terminando con las caracterís ticas de la batería. 1.2.1 Toma de carga La toma de carga es el primer elemento de la cadena que conforma el cargador, y consiste princi palmente en un punto de acceso a la red eléctrica. En principio este bloque puede trabajar tanto con corriente continua y alterna. De hecho, como ya se dejaba ver en la introducción de la propia Sección 1.2, existen distintos estándares para la recarga de la batería del vehículo [4]: • Carga por medio de una sola fase (o también fase dividida). Que permite una carga lenta para largos periodos de inactividad del coche, cuidando así la vida útil de la batería. • Carga trifásica para media potencia, también usada para una carga lenta durante periodos de inactividad largos del vehículo. • Carga continua, que es capaz de ofrecer los mayores niveles de potencia, y por ello, una carga más rápida del vehículo. Un ejemplo de toma de carga genérico puede verse en la Figura 1.7. Además, las tomas de carga cuentan con una serie de elementos que garantizan un estandard de seguridad y protección vehículo usuario, así como un cierto grado de maniobra para la instalación: • Protección frente a contactos directos e indirectos, para lo que está provisto de interruptores diferenciales con una sensibilidad de deriva de 30 mA. • Protección frente a sobrecorrientes y cortocircuitos, que implica la presencia de PIAs, además de una interruptor general automático que proteja la instalación.
4 Capítulo 1. Introducción • Protección frente a sobretensiones generadas por causas externas a la red, que se consigue mediante la instalación de un pararrayos con derivas a tierra. • Iluminación, que se debe garantizar en la zona donde esté prevista la recarga de vehículos. Además de los elementos anteriores, de naturaleza obligatoria en la instalación, también se pueden añadir los siguientes: • Controlador para gestión y transmisión de los datos referentes a la transmisión de energía. Además pro porciona información sobre la correcta conexión entre el vehículo y la toma. • Contactor encargado de la activación de la toma de corriente según la acción del controlador. • Dispositivo de bloqueo, que impide la desconexión de la toma de corriente mientras se está realizando la carga. • Dispositivos de medición, que permiten la monitori zación de la energía consumida por el vehículo. Figura 1.7: Toma de carga [5] 1.2.2 Cargador Onboard (OBC) El siguiente elemento que se presenta es el OBC. Estos se empezaron a implementar en los vehículos debido a la falta de cargadores Offboard y debido a la baja capacidad de baterías que se usan, especialmente durante los inicios del vehículo eléctrico. De este modo, el OBC surge en un inicio con el objetivo de que el vehículo pueda cargarse directamente desde la red doméstica. La gran mayoría de OBCs disponibles en el mercado usan una topología sencilla de dos etapas, esquemati zada en la Figura 1.8 compuesta típicamente por un rectificador pasivo, que se opera como corrector del factor de potencia, y está en cascada con un convertidor Boost que gestiona la demanda de potencia de la bate ría. El dc link intermedio se diseña lo suficientemente grande como para desacoplar ambas etapas y absorber las posibles fluctuaciones de potencia. Finalmente, el convertidor Boost alimenta la batería y normalmente cuenta con aislamiento galvánico para aumentar la seguridad. Figura 1.8: Esquema del OBC Algunos equipos comerciales instalados en vehículos se recogen en la Figura 1.9 y Figura 1.10. Figura 1.9: Convertidor AC/DC[6] Figura 1.10: Convertidor DC/DC [7]
1.2. Estructura del vehículo eléctrico y su cargador 5 Esta estructura de dos etapas es la teórica que se suele seguir, sin embargo, los bloques de AC/DC y DC/DC se suelen implementar de formas muy variadas, como se ve en la Figura 1.11 y en la Figura 1.12. Figura 1.11: Topología OBC 1 [4] Figura 1.12: Topología OBC 2 [4] En la primera topología de la Figura 1.11 puede verse como el bloque AC/DC viene implementado con un rectificador pasivo seguido de un convertidor boost, mientras que el bloque DC/DC se monta con un inversor en cascada con un resonador LLC que llega hasta un segundo rectificador pasivo. La segunda topología en la Figura 1.12 es más sencilla, ya que implementa el bloque AC/DC con un rectificador activo. El bloque DC/DC se mantiene igual que el de la Figura 1.11. 1.2.3 Cargador Offboard Este equipo es externo a la estructura del vehículo eléctrico, lo cual permite que pueda abarcar unos rangos de potencia mucho mayor, ya que consiste en una estación fija y no móvil como ocurre con el Onboard. La estructura que sigue es similar a la de los cargadores Onboard, contando con una etapa de rectificación que corrige el factor de potencia y una etapa de DC/DC, sin embargo, no tiene porqué emplearse exclusivamente un boost para llevar a cabo la inyección de potencia al vehículo. Típicamente, muchos fabricantes emplean para el DC/DC topologías reductoras. Esto es así ya que permite emplear rectificadores de alta potencia y gran capacidad de corrección del factor de potencia para que generen una alta tensión, la cual solo requeriría de ser bajada, ofreciendo un rizado mucho menor del que permiten otras topologías. Además, si fuera necesario un rizado incluso menor se emplean distintos canales interleaved que incrementen la potencia total de trabajo del conjunto. Algunos fabricantes también usan implementaciones muy variadas para obtener las etapas de AC/DC y DC/DC originales, como ocurría con el OBC. Así, algunas topologías comerciales de cargadores Offboard son las presentes en la Figura 1.13 y en la Figura 1.14.
6 Capítulo 1. Introducción Figura 1.13: Supercharger V2 [4] Figura 1.14: Terra HP150 [4] Se puede ver en el cargador Supercharger V2 de la Figura 1.13 que además de usar un rectificador pasivo en cascada con un Boost para el conjunto AC/DC, la etapa DC/DC viene construida por un inversor de puente completo en cascada con otro rectificador. La topología del Terra HP150 (Figura 1.14) es más sencilla, compuesta por ramas de rectificadores activos en cascada con convertidores Buck interleaved, siendo este último similar al que se pretende poner en marcha en este trabajo. 1.2.4 Batería Por último en esta cadena de carga se encuentra la batería, cuya función será almacenar la energía suministrada por todo el sistema anterior para permitir posteriormente el funcionamiento del vehículo. Entrando en su estructura interna, generalmen te la batería de un vehículo eléctrico se basa en diferentes combinaciones de celdas de iones de litio [4], caracterizadas por su reducido peso y buena capacidad de carga. Pueden estar ubica das en la región inferior del vehículo como se puede ver en la Figura 1.15. Además, ningún elemento de los anteriormente mencionados se conecta directamente a ella, sino que deben de pasar por el BMS, para protegerla. Figura 1.15: Distribución interna de la batería [8] Dejando de lado su estructura, se va a pasar a analizar unas características más técnicas de la batería. Un dato fundamental que se requiere para que el convertidor trabaje con la batería es el rango de tensiones sobre el que esta suele operar. El rango es muy variado, y depende completamente del tipo de vehículo, pudiendo clasificarse entre los siguientes:
1.3. Fundamento de la carga 7 Tipo de vehículo Tensión nominal [V] Rango de tensión [V] Híbridos suaves [9] 48 36 52 Híbridos convencionales [10] 100 200 80 250 Híbrido enchufables [11] 200 300 150 350 Eléctricos [12] 350 400 300 450 Eléctricos de alto rendimiento [13] 800 550 850 Tabla 1.1: Rangos de tensiones según el tipo de vehículo eléctrico Como referencia para este proyecto, el rango de tensiones de la batería del coche eléctrico se va tomar entre 300 y 400 V, ya que es el rango más común en los vehículos eléctricos de gama media [12], [14]. 1.3 Fundamento de la carga En el apartado anterior se ha presentado la estructura interna del vehículo y se ha profundizado en la parte de la cadena de carga en que se pretende trabajar en este proyecto. El objetivo a continuación es aclarar el mecanismo de carga de la batería, que será clave para entender el funcionamiento y control del convertidor. Existen distintos mecanismos de carga de baterías [15]: • Método de carga a corriente constante. Sencillo y fácil de controlar, pero para una corriente muy pequeña el tiempo de carga puede ser muy largo. Del mismo modo si la corriente es demasiado grande an las últimas etapas de carga es posible sobrecargarla, dañando la vida de la batería sensiblemente. • Método de carga a tensión constante. También es sencillo de controlar y puede evitar la sobrecarga de la batería en las últimas etapas de carga. Sin embargo, en la etapa temprana de carga, debido a la poca tensión que pueda tener la batería, la corriente puede ser muy alta. Como consecuencia la batería puede deformarse y sufrir grandes aumentos de temperatura, de nuevo dañando su vida útil. • Método de carga por fases. Este tercer método combina los dos anteriores, usando cada uno de ellos en una etapa de carga en la que no puedan generarle daños a la batería. Por esta razón, es el método más usado en la carga de baterías de litio y es en el que se va a continuar indagando en este trabajo. De esta forma, antes de que la batería llegue a un nivel de carga concreto, se inyecta una potencia con corriente constante, donde la tensión irá evolucionando de una forma no lineal y poco predecible. Una vez que la batería alcance el nivel de tensión considerado como máximo, se pasa a una fase de tensión constante, donde la corriente irá disminuyendo hasta dar por finalizado el proceso de carga. La evolución de la corriente y la tensión en función de la carga de la batería se puede ver en la Figura 1.16. Figura 1.16: Curva de carga de una batería
8 Capítulo 1. Introducción Ahora se va a analizar este funcionamiento considerando que el encargado de llevarlo a cabo será el convertidor DC/DC. Para empezar, en la etapa de carga a corriente continua se requiere que el convertidor sea capaz de ir variando la tensión de salida en un amplio rango, dependiente de los límites entre los que trabaja la propia batería como ya se adelantaba en apartados anteriores. En la etapa de tensión constante, la función del convertidor consistirá sin embargo en bajar la corriente de salida de manera suave y gradual. De esta forma, se podría entender el controlador del convertidor como un selector, que va alternando entre una referencia en corriente para posteriormente pasar a una referencia en tensión, teniendo siempre en cuenta la potencia con la que trabaja. A raíz de esto, es importante mencionar que, a lo largo de todo el proceso la potencia del sistema no se mantiene completamente constante en ningún momento (sobre todo al final del proceso de carga), de hecho, esta variación en la potencia es lo que permite que se ajuste la carga de la batería de forma correcta. La variación ocurre de forma natural, aunque depende por completo de la potencia máxima que suministre la toma de carga, así como los limitadores que puedan tener los equipos. Todo lo mencionado se puede comprobar en la Figura 1.17, que representa la gráfica de la potencia de carga del vehículo Volkswagen e-Golf usando 2 tomas distintas [16]. Figura 1.17: Curva de potencia en la carga [16] 1.4 Objetivos del proyecto Ubicado el proyecto en el contexto social y tecnológico actual, la premisa fundamental del trabajo consiste en el diseño y montaje de un convertidor DC/DC reductor que implemente el cargador offboard de un vehículo eléctrico. Para ello, es necesaria la planificación de los componentes a utilizar, así como la disposición de los mismos en la estructura del equipo. Se requiere de un hardware muy especifico, como etapas de potencia y sensores con unos valores nominales de trabajo que se adecuen entre sí. Del mismo modo, se requiere de una tarjeta de control que implemente los algoritmos de control necesarios para el funcionamiento y gobierne el equipo de forma segura. Una vez preparado el hardware, se pretende implementar un controlador que se ajuste a las necesi dades de la actividad de la carga del vehículo, y que sea capaz de adaptarse a las distintas fases de la carga. La puesta en marcha de un convertidor es una tarea muy compleja, más cuando cabe la posibilidad de dañar algunos componentes durante las fases de prueba y prototipado. Por esta razón, antes de probar el prototipo del convertidor construido, se usarán métodos de validación como simulaciones y técnicas de Hardware In the Loop, que permiten asegurar que el montaje y el funcionamiento de los algoritmos implementados son seguros, tanto para el usuario como para el propio equipo. De este modo, con esta presentación de los objetivos del proyecto, los siguientes capítulos 2 y 3 se encargan de introducir todos los elementos Hardware y Software, respectivamente, que serán necesarios para la puesta en marcha.
9 2HardwarePara el montaje del convertidor se han hecho uso de varios dispositivos del fabricante Imperix, además de otras placas de fabricación propia. Entre los dispositivos Imperix se encuentran la tarjeta de control BBoard Pro, montada sobre una placa de acondicionamiento (denominada carrier board), y los módulos half-bridge PEB8024, que implementan la etapa de potencia haciendo uso de MOSFETs de carburo de silicio. A continuación, se detallan las especificaciones y características de los dispositivos usados: 2.1 BBoard Pro La BBoard Pro [17] es una tarjeta de control de alto rendimiento, fabricada por Imperix y planteada como plataforma de evaluación y desarrollo. Está basada en el SoC de Xilinx Zynq XC7Z0303FBG676E, el cual incluye una parte de microcontrolador y otra de FPGA. Por esta razón, es correcto decir que la BBoard está realmente basada en un FPSoC, el cual incluye un procesador ARM CortexA9 de 1GHz con doble núcleo junto con una FPGA Kintex 7 125K, también de Xilinx. La arquitectura interna de la BBoard se divide en dos bloques fundamentales, el Processing System (PS) y el Programmable Logic (PL). Su representación puede verse en la Figura 2.1. El primero de los bloques, el Processing System, es en el que se encuentra la memoria RAM (montada por medio de una DDR3 de 1GB) y los dos núcleos ARM. Uno de los núcleos está montado sobre un sistema operativo Linux y se encarga de cargar el código de aplicación, supervisar su ejecución y gestionar el registro de datos, mientras que el otro núcleo está montado sobre el sistema operativo BBOS, nativo del fabricante, y se encarga de ejecutar el código de control desarrollado por el usuario a nivel de capa de aplicación. El segundo bloque, el Programmable Logic, es aquel en el que se encuentra la FPGA accesible por el usuario, además de sus periféricos preim plementados. Figura 2.1: Estructura funcional del controlador de la BBoard Pro [17]
10 Capítulo 2. Hardware 2.1.1 Periféricos de la BBoard Pro Entre los módulos incluidos en el PL de la BBoard Pro se tienen los siguientes, cuya disposición de I/Os se presenta además en la Figura 2.3: CLK Genera la señal de reloj con hasta 4 bases de tiempo diferentes que pueden usarse en conjunto con otros periféricos. Esto garantiza una gestión precisa tanto de las frecuen cias como de los desfases entre los bloques internos. ADC Cuenta con 2 LTC23416 de 16 bits completamente diferenciales que hacen un total de 8 canales de entrada analógicos. Se garantiza muestreo simultáneo en todos los canales. DAC Cuenta con 4 canales de salida analógicas que actualiza constantemente. SBI Permite un fácil acceso al tráfico de datos entrante desde el área de la FPGA progra mable por el usuario (este área se denomina Sandbox). SBO Permite un fácil acceso al tráfico de datos saliente desde el área de Sandbox. DEC Permite la decodificación de señales de hasta 4 encoders incrementales para motores. Pueden configurarse como 4 sensores independientes o como 2 entradas diferenciales. CBPWM Incluye 32 moduladores de señal PWM con vencionales completamente configurables. Este bloque permite además añadir una modu lación en espacio vectorial, SVPWM. SSPWM Implementa una modulación multinivel para convertidores modulares usando la técnica de balance de tensiones Sort&Select. Permite soporte para 2 ramas de hasta 8 módulos. PPPWM Permite la generación de patrones de modula ción programados. Cuenta con soporte para las técnica de eliminación de armónicos selectiva (SHE). Figura 2.2: Estructura de los PWM [17] SBPWM Permite el acceso a las señales PWM desde el área de Sandbox. Este bloque permite al usuario implementar técnicas de modulación completamente personalizadas. Todos estos PWM se estructuran como se ve en la Figura 2.2. GPO Se incluyen una total de 16 salidas de propósito general, configurables desde la FPGA GPI Se incluyen una total de 16 entradas de propósito general, configurables desde la FPGA FLT Se incluyen 16 entradas de fallo, configurables desde la FPGA. Estas entradas pueden configurarse como entradas GPI adicionales. USR Permite un acceso directo a 36 lineas de I/O configurables de alta velocidad y completa mente configurables ETH Permite la comunicación con la BBoard Pro a través de un puerto Ethernet por medio de un protocolo TCP/UDP. CAN Permite la comunicación de la BBoard con otros periféricos CAN. Figura 2.3: Estructura de la BBoard [17]
2.4. Placa de entradas analógicas 17 Figura 2.19: Placa de entradas analógicas La placa de entradas analógicas cuenta con un total de 8 canales. Comparando sus conectores RJ11 con el pinout que tienen los de la placa de sensores (Figura 2.17) se deduce que en este caso la señal de datos no está duplicada (Figura 2.20), aunque las otras dos señales siguen el mismo esquema. Además, la placa de entradas analógicas cuenta con un conector de cable plano de 14 pines para alimentación y otro de 16 para la salida de datos, que conectaría con la BBoard. Los esquemáticos de ambos se muestran a continuación: Figura 2.20: Pinout RJ11 (Entradas Analógicas) En la Figura 2.21 se muestra el conector de alimentación, mientras que en la Figura 2.22 se muestra el de datos. Nótese que en este último, cada pin del conector se corresponde con uno de los canales en el mismo orden, es decir que no hay cruces de canales que dificulten el entendimiento del flujo de datos. Por esta razón el sentido de numeración de canales asignado es dependiente del usuario y en el caso de la Figura 2.22 ha sido escogido arbitrariamente. Por último, cabe destacar que en todos los conectores planos, la mitad opuesta a la muesca de los pines siempre se conecta a tierra. Figura 2.21: Pinout de cable plano de alimentación Figura 2.22: Pinout de cable plano de datos para entrada analógica
18 Capítulo 2. Hardware 2.5 Placa de conectores ópticos Estas placas también han sido diseñadas en el laboratorio y se emplean para la conversión de cable plano a fibra óptica. Las placas están pensadas para tener un propósito general, es decir, permiten montar receptores o transmisores ópticos, en función de los componentes soldados y la capa empleada. En general, pueden contar con hasta 8 conectores de fibra óptica (ya sean receptores o transmisores, pero no ambos a la vez). También tienen un conector de cable plano de 14 pines y un conector de alimentación de 16 pines (Figura 2.21). En el proyecto se han usado 2 placas con transmisores ópticos, para enviar los disparos a las etapas de potencia (Figura 2.23) y 1 placa con receptores (Figura 2.24), para recibir señales de error. Figura 2.23: Placa de transmisores Figura 2.24: Placa de receptores Además, el pinout de los conectores de datos de esta placa se muestran en la Figura 2.25. De nuevo, como pasaba con la placa de entradas analógicas, todos los pines están ordenados y se corresponden al receptor o emisor óptico que ocupa la misma posición bajo el mismo sentido de numeración. Figura 2.25: Pinout de cable plano de datos para placa de optos 2.6 Placa de alimentación Para llevar las alimentaciones al resto de componen tes hardware diseñados se usa la placa de alimenta ción. Esta placa es de diseño propio, y supone la simplificación de otras placas fabricadas anterior mente en el laboratorio. En esencia, consiste en una placa que convierte un conector de bloque de 4 vías, cuyo pinout se presenta en la Figura 2.27, a cable plano (Figura 2.21) para poder llevar los distintos niveles de tensión necesarios a las demás placas. Figura 2.26: Placa de alimentación Este elemento incluye también 2 filtros genéricos que combinan capacidades de alto y bajo valor para limpiar el ruido de alimentación. También cuenta con 3 LEDs montados para comprobar el correcto funcionamiento de la placa. En la Figura 2.26 se muestra el resultado de la placa montada. Además, para la mejorar el entendimiento del circuito se añade su esquemático de la placa en la Figura 2.28.
2.7. Placa de conexiones 19 Figura 2.27: Pinout de conector de bloque de 4 vías Figura 2.28: Esquemático de la placa de alimentación 2.7 Placa de conexiones Por último, dentro de la sección de hardware, se presenta otra placa de diseño propio, a la que se conectan todos los I/Os de la BBoard accesibles desde la Carrier Board. El objetivo de esta placa consiste en permitir la conversión de los distintos conectores de la BBoard a conectores de cable plano, que comuniquen fácilmente las demás placas. Es una placa muy sencilla de la que se han realizado dos versiones, ambas visibles en la Figura 2.29. La primera versión, vista a la izquierda en la figura anterior, incorpora una serie de puertas lógicas OR, para trabajar con las señales de fallo de las etapas de potencia de forma combinatoria. Para mejorar la visibilidad de errores, en la segunda versión (a la derecha en la Figura 2.29), toda la lógica se sustituye por pines de salida, que permiten llevar las señales de fallo directamente a los GPI de la BBoard. La versión usada para el montaje es la segunda, ya que su diseño brinda la posibilidad de mostrar los fallos de las etapas tanto en la propia placa (por medio de los LEDs soldados), como directamente por la interfaz gráfica de la BBoard. Figura 2.29: Placa de conexiones (Versión 1 a la izquierda, Versión 2 a la derecha)
20 3SoftwarePara el desarrollo de este trabajo han sido necesarios distintos programas y otras herramientas de software que han permitido llevar a cabo la implementación de controladores y la simulación del comportamiento del convertidor antes de su montaje. La propia naturaleza de la FPSoC utilizada tiene como consecuencia el uso de distintos programas para trabajar con la parte del microcontrolador y con la parte de la FPGA. Por esta razón, se detallan a continuación todas las herramientas empleadas, así como las configuraciones necesarias para su funcionamiento correcto: 3.1 Matlab Simulink Matlab ha sido fundamental para trabajar en este proyecto, concretamente Simulink [23], que ha permitido utilizar diagramas de bloques para modelar el comportamiento del convertidor y programar la tarjeta de control. La versión empleada ha sido la R2023b, sin embargo, lo más importante de mencionar son todos los toolbox que han sido de ayuda durante el desarrollo. La gran mayoría de ellos (excepto el de Imperix) son accesibles desde la interfaz de Matlab, en la pestaña Home, sección de Add-Ons, como se muestra en la Figura 3.1. Cada toolbox ha sido útil para ciertos aspectos concretos, que se comentan en las secciones siguientes. Figura 3.1: Interfaz superior de Matlab 3.1.1 Toolbox para componentes Para modelar el convertidor se ha empleado el paquete de Simscape [24], el cual permite montar y simular circuitos desde Simulink. El paquete en sí mismo no requiere de ninguna confi guración adicional, solo de la descarga del paquete Electrical [25], que incluye los bloques de los semiconductores requeridos. El uso principal de este toolbox ha sido durante la fase de diseño y preparación de las técnicas de Hardware in the Loop, ya que los modelos que incorporan son ideales. Para fases posteriores en el diseño se usan otros modelos de componentes, principalmente para los semiconductores, ya que las bobinas, resistencias y con densadores se siguen manteniendo de este toolbox. Los bloques del toolbox usados para el proyecto se presentan en la Figura 3.2. También se presenta el propio toolbox en la Figura 3.3. Figura 3.2: Componentes básicos
3.1. Matlab Simulink 21 Figura 3.3: Toolbox de Simscape 3.1.2 Toolbox para control Para implementar los controladores se emplea el paquete Control System Toolbox [26]. De nuevo, no requiere de ninguna configuración adicional simplemente introducir las variables necesarias para trabajar con los sistemas. En este caso, no solo se añaden nuevos bloques para Simulink, sino que también añade otras funciones útiles para usar en código de Matlab. Las de mayor interés en este caso son tf([num],[den]), que permite añadir la función de transferencia en el dominio de Laplace de un sistema como variable del workspace y c2d(sys,Ts), que permite pasar un sistema del dominio continuo al discreto. tf(num,den) %num y den son vectores cuyos elementos tienen una potencia de s c2d(sys,Ts) %sys es el sistema a pasar a discreto y Ts es su tiempo de muestreo Siguiendo ahora con las herramientas añadidas en Simulink, se usan dos bloques fundamentalmente, los vistos en la Figura 3.4. El primero de ellos permite implementar funciones de transferencia para usarlos en los diagramas de bloques (es equivalente a la función tf()), mientras que el siguiente permite implementar los controladores tanto de forma continua como discreta. El toolbox se muestra en la Figura 3.5. Figura 3.4: Bloques de control Figura 3.5: Control System Toolbox 3.1.3 Toolbox para máquinas de estado A lo largo del código, explicado en la Sección 5.2, se requiere del uso de máquinas de estado. Para su imple mentación se ha optado por utilizar el toolbox Stateflow, ya que permite la implementación de Máquinas de Estado Finitas de forma gráfica por medio de una tabla. Esto hace menos tedioso y más rápido su implementación en el código de control, ya que solo será necesario usar estados y transiciones, como se ve en la Figura 3.6. El toolbox se muestra en la Figura 3.7. Figura 3.6: Stateflow Toolbox Figura 3.7: Control System Toolbox 3.1.4 Toolbox de Imperix A continuación, se va a analizar en detalle el toolbox más importante del proyecto, el de Imperix, que permitirá la programación de código para la BBoard.
22 Capítulo 3. Software 3.1.4.1 Descarga del toolbox En primer lugar, se describe su proceso de descarga desde la propia página del fabricante [27]. Basta con acceder a la página principal de Imperix, para en la sección superior seleccionar el apartado Resources, y dentro de este, Downloads, donde se encuentra un recuadro como el de la Figura 3.8. Figura 3.8: Opciones disponibles para la descarga del software [28] La versión usada para este proyecto es la de AGC SDK 2025.1.1, la cual incorpora el paquete de bloques para Simulink junto con el software Cockpit en el que se indagará más adelante. Para que el paquete funcione correctamente se requiere de una versión de matlab superior a la 2016a, así como un sistema operativo Windows 10 o 11 (sin soporte para macOS) y unos toolbox de generación de código que se recogen en la Sección 3.1.4.2 siguiente [28]. La descarga también incluye una plantilla de código con dos subsistemas fundamentales, Controller y Plant a partir de los cuales deberán construirse todos los diagramas de bloques tanto para simulación como para pruebas definitivas con los equipos (solo será necesario modificar un bloque para permutar entre ambos modos). Se indagará en ambos modos en el Capítulo 6. Figura 3.9: Plantilla de Simulink La plantilla estará ubicada siempre en: C:\Imperix\BB3_ACG_SDK\simulink\user_template\Imperix_template.slx Cabe destacar que podría haberse usado el paquete CPP SDK 2025.1.1, que incorpora las librerías de C++ pertinentes para el desarrollo de un código propio, sin embargo este puede ser menos intuitivo que la programación en bloques para el tiempo que se disponía para el proyecto. 3.1.4.2 Bloques del toolbox En este caso, los bloques de este paquete si requieren una configuración más compleja en comparación con los toolbox anteriores. Por ello se va a dedicar esta sección a indicar las consignas más importantes de los bloques y como estas han sido ajustadas para el proyecto. Antes de continuar, en todos los bloques hay una consigna común, Device ID, que solo es útil cuando se usan varias tarjetas de control. En este proyecto se deja en su valor por defecto, debido a que solo se emplea una BBoard. •Bloque de configuración Es el bloque más importante para el diagrama [29] (Figura 3.10). Este permite sincronizar los bloques PWM y ADC, configurar los relojes internos y permite ajustar el propósito del modelo: simulación o generación de código, como se ve en la Figura 3.11. Además, permite el acceso a las librerías de elementos de control y a la de elementos de potencia. Figura 3.10: Bloque de configuración
3.1. Matlab Simulink 23 Su configuración permite cargar ficheros de inicialización y obtener un diagrama de la llamada a la interrupción de muestreo en cada periodo. Un ejemplo de esto último se encuentra en la Figura 3.12. Figura 3.11: Ajuste del propósito del modelo Figura 3.12: Periodo y tiempos de control Además de esto hay 4 páginas con elementos configurables para el bloque, las cuales se recogen a continuación: 1. Configuración de la frecuencia del reloj, del momento de inicio para el tiempo de cálculo dentro del periodo y de un postescalar para modificar el tiempo de cálculo según 𝑓cálculo=𝑓clock_0post-escalar. Se corresponde a la Figura 3.13. 2. Ajustes de sobremuestreo o para modificar el retardo del ADC. Se trata de la Figura 3.14. 3. Ajustes de tiempos de integración para la simulación. (Figura 3.15) 4. Configuración global para los elementos de la librería de potencia y acceso a ella. (Figura 3.16) Figura 3.13: Ajustes Bloque de Configuración (1) Figura 3.14: Ajustes Bloque de Configuración (2) Figura 3.15: Ajustes Bloque de Configuración (3) Figura 3.16: Ajustes Bloque de Configuración (4) •Analog to Digital Converter Los bloques de ADC permiten medir las entradas analógicas e incor porar las medidas al sistema [30]. Se sincroniza conectándose direc tamente al bloque de configuración o a cualquier otro reloj (Entrada inferior de la Figura 3.17). Además de la entrada de sincronización tiene una entrada para simulación, donde recibe el valor analógico que leería de los sensores. En cuanto a su ajuste, permite la elección del canal de lectura, que para la BBoard irán del 0 al 7. También cuenta con un apartado para ajustar el rango de entrada admisible, que en el caso de la BBoard debe ser de ±5V. Figura 3.17: Bloque del ADC
24 Capítulo 3. Software Cuenta con una opción para añadir directamente la función de transferencia de los sensores (sensibi lidad y offset de los dispositivos), además de otra opción para muestrear de forma síncrona o hacer multiples muestreos en el mismo periodo de reloj. Esto último es muy útil para el sobremuestreo o muestreo desfasado de un sistema interleaved. El menú de configuración está en la Figura 3.18. Figura 3.18: Configuración del ADC La implementación de la función de transferencia para el propósito de este proyecto requerirá de los datos de al menos dos sensores, uno de tensión y otro de corriente. En la Sección 6.2.1.3 y en la Sección 6.3.1.3 se llevan a cabo las calibraciones pertinentes para obtener la sensibilidad y offsets de los sensores usados, tanto para la implemen tación HIL como para la real, respectivamente. •General Purpose I/O Los bloques de I/O de propósito general, recogidos en la Figura 3.19, tienen una configuración muy sencilla [31], [32]. Simplemente permite escoger el puerto de salida o entrada con el que se corresponde en la tarjeta física, como se ve en la Figura 3.20 y en la Figura 3.21. Ambos trabajan de forma digital y solo con el propósito de simulación se le puede dar (para los GPI) o leer (para los GPO) un valor internamente, por medio de otros bloques. Figura 3.19: Bloques de propósito general Figura 3.20: Configuración del GPI Figura 3.21: Configuración del GPO •Sandbox I/O Los bloques I/O del Sandbox, vistos en la Figura 3.22, se encargan de comunicar la región de lógica programable per sonalizable por el usuario con la región del microcontrolador [33], [34]. De esta forma permite transmitir datos por medio de registros de 16 bits, para poder implementar caracterís ticas del controlador directamente dentro de la FPGA. Figura 3.22: Bloques del Sandbox Un mismo bloque puede acceder a uno o varios registros de datos, solo es necesario configurarlo para ello. En la Figura 3.23 se muestra el menú de configuración de los SBI, mientras que en la Figura 3.26 está el de los SBO.
3.1. Matlab Simulink 25 Figura 3.23: Configuración del SBI Figura 3.24: Configuración del SBO •Digital to Analog Converter Los bloques del DAC permiten generar una señal de tensión entre ±5V [35] . Su bloque se presenta en lla Figura 3.25 y son los más sencillos de ajustar, ya que su única opción de configuración es la elección del canal, que va del 0 al 3. El rango de valores en la entrada está comprendido entre ±5, es decir, el dato que se le da como entrada lo convierte directamente a un nivel de tensión de entre ±5V. Si la entrada es mayor que 5 o menor que −5, la salida analógica satura. Figura 3.25: Bloque del DAC •PWM Los bloques PWM permiten generar los disparos para los MOSFETs de potencia a partir de una señal de duty cycle dada por la entrada “D”. Se ofrecen muchos tipos de bloques de PWM, cada uno para implementar estrategias distintas de disparo, sin embargo en este proyecto se ha usado solo el Carrier-based [36], mostrado en la Figura 3.26. Figura 3.26: PWM Carrierbased Cabe recalcar que, a pesar de la elección, todos se sincronizan directamente con el bloque de confi guración o cualquier otro reloj y usando la entrada inferior vista en la Figura 3.26. En general, todos los PWM ofrecen una configuración muy personalizable de los canales a utilizar en cada caso y del modo de salida (Simple, Dual con salida normal y negada, Dual con salida normal y salida siempre activa). Además, permiten fijar de forma manual los deadtimes que habría entre una señal y su complementaria. Todo esto se recoge en la Figura 3.27. Figura 3.27: Configuraciones generales del PWM Entrando más en la configuración individual del Carrierbased, es posible escoger su portadora entre triangular, diente de sierra o sus versiones invertidas. También se pueden ajustar en todo momento la señal de duty cycle de entrada y el desfase que este pueda tener. Para este proyecto solo se ha trabajado variando el duty y dejando un desfase nulo. El menú de configuración de este PWM se muestra en la Figura 3.28.
26 Capítulo 3. Software Figura 3.28: Configuración del Carrierbased •Elementos de potencia En la librería de elementos de potencia, accesible desde la cuarta página del bloque de configuración, se encuentran los modelos de varios equipos que oferta Imperix [37]. De entre todos, el único que resulta de interés para el proyecto es el Half-bridge module cuya configuración será la del modelo PEB 8024. Figura 3.29: Librería de potencia Sus demás parámetros internos permiten escoger entre un modelo sencillo y rápido de la dinámica interna de la etapa o uno más detallado pero con mayor coste computacional. También permite configurar el modelo usado de los transistores para que se comporten como switches individuales o fuentes de tensión controladas. Su último parámetro permite precargar el DC link de entrada. Figura 3.30: Bloque del PEB Figura 3.31: Configuración del PEB A partir de la versión 2025.1 del toolbox de Imperix, todos los bloques de esta librería incluyen un puerto de salida activable que permite analizar sus modelos térmicos. Esta característica es útil para estudiar el desgaste que los elementos podrían tener en función del control aplicado, mediante modelos de simulación. A pesar de ser muy interesante solo se menciona para conocimiento del lector, ya que no se volverá a indagar en la característica.
4.1. Diseño del convertidor 33 Con este esquemático en mente se construyen ahora dos modelos de Simulink, con el objeto de analizar el comportamiento del circuito. Ambos circuitos son muy similares, solo cambia el modelo usado para los switches. En el primero, en la Figura 4.3, se usa el bloque del PEB8024 de Imperix, mientras que en el segundo, en la Figura 4.4, se usan transistores ideales de la biblioteca de Simscape. Intuitivamente, solo sería necesario el primer modelo, que implementa mucho mejor la dinámica del sistema real con el que se va a trabajar. Sin embargo, el mostrado en segundo lugar será el empleado para aplicar las técnicas de HIL, debido a que el equipo usado no es compatible con los bloques que facilita Imperix. Figura 4.3: Simulador con el PEB8024 Figura 4.4: Simulador con switches ideales pensado principalmente para HIL
34 Capítulo 4. Construcción del sistema Adicionalmente, se ha hecho la versión interleaved de tres módulos para su uso posterior. Se recalca que estos no se emplearán en la fase de diseño, pero serán necesarios para simulación (Figura 4.5) y para la aplicación de las técnicas HIL (Figura 4.6) una vez se amplíe el sistema. Figura 4.5: Versión de 3 módulos del simulador con el PEB8024 Figura 4.6: Versión de 3 módulos del simulador con switches ideales
4.1. Diseño del convertidor 35 4.1.1 Modelos matemáticos Para validar los valores de los componentes con los que montar el equipo se va a hacer uso de las ecuaciones matemáticas del circuito de la Figura 4.2. Así se obtendrán su modelo estático y dinámico para usarlos como herramientas de diseño. A continuación, se presentan ambos: 4.1.1.1 Modelo estático Todas las decisiones de diseño se toman considerando el modo de conducción en continuo (MCC) del convertidor. Teniendo esto en cuenta, es posible representar los dos posibles estados del circuito a lo largo de un periodo de conmutación completo, si se definen para ello las variables 𝑇 y 𝐷, periodo de conmutación y duty cycle respectivamente. Nótese que el Duty cycle se define para la llave SA de la Figura 4.2. Para la llave SA__ el duty aplicado sería el complementario de 𝐷: Figura 4.7: Circuito para 0≥𝑡≥𝐷𝑇Figura 4.8: Circuito para 𝐷𝑇>𝑡>𝑇Antes de continuar, es necesario definir la nomenclatura seguida para nombrar las variables: Para empezar, las variables en mayúscula con la forma Xy denotan un valor medio de la magnitud. Por otro lado, las de la forma xy denotan una magnitud instantánea. Para esta nomenclatura, el subíndice «y» puede ser mayúscula o minúscula sin influir en el valor que indique la variable. Este subíndice solo indica el nombre de la magnitud del circuito a la que se refiere la variable. Sabiéndolo, se definen la variables que van a emplear las ecuaciones que describen el comportamiento estacionario del circuito (aunque algunas ya aparecen en los esquemáticos anteriores): Entrada del convertidor 𝑉𝑖𝑛 ≡ Tensión de entrada del convertidor. 𝑖𝑠 ≡ Corriente instantánea de entrada. 𝐼𝑠 ≡ Valor medio de la corriente de entrada. Salida del convertidor 𝑣0 ≡ Tensión de salida instantánea. V0 ≡ Valor medio de la tensión de salida 𝑖0 ≡ Corriente de salida instantánea. I0 ≡ Valor medio de la corriente de salida. Bobina 𝑣𝐿 ≡ Tensión instantánea de la bobina. 𝑖𝐿 ≡ Corriente instantánea de la bobina. I𝐿 ≡ Valor medio de la corriente de la bobina. Condensador 𝑖0 ≡ Corriente de salida instantánea. I0 ≡ Valor medio de la corriente de salida. Otros 𝑖𝑟𝑒𝑓 ≡ Corriente de referencia obtenida a partir de la aplicación de la instantaneous power theory IPT. 𝑝 ≡ Potencia instantánea del sistema.
36 Capítulo 4. Construcción del sistema A partir de estas variables, se definen las ecuaciones que describen el comportamiento del circuito en cada uno de los estados de la Figura 4.7 y la Figura 4.8. 𝑉0=𝐷𝑉𝑖𝑛[𝑉](3)𝑖𝑐=𝑖𝐿−𝐼0[𝐴](4)𝐼𝑠=𝐷𝐼0[𝐴](5)𝐼0=𝐼𝐿[𝐴](6)𝐼0=𝑉0/𝑅[𝐴](7)𝑖máx𝐿=𝐼𝐿+Δ𝑖𝐿2[𝐴](8)𝑖min𝐿=𝐼𝐿−Δ𝑖𝐿2[𝐴](9)𝑖𝑐1=𝑖máx𝐿−𝐼0[𝐴](10)𝑖𝑐2=𝑖min𝐿−𝐼0[𝐴](11)Δ𝑉0=𝑇Δ𝑖𝐿8𝐶𝑉0·100[%](12)Δ𝑖𝐿=𝑉𝑖𝑛−𝑉0𝐿𝐷𝑇=𝑉0𝐿(1−𝐷)𝑇[𝐴](13)Siendo esta última ecuación la única con dos formatos, cada uno de ellos obtenido en uno de los dos estados del circuito. Las demás ecuaciones se mantienen idénticas en ambos circuitos o pueden obtenerse a partir de la conservación de potencia: 𝑝=𝑣0𝑖0=𝑣𝑖𝑛𝑖𝑠(14)Con estas expresiones, las gráficas de corriente en la bobina y en el condensador serían las vistas en la Figura 4.9 y en la Figura 4.10 respectivamente. Estas gráficas permiten hacer una idea de como serán los rizados que se verán en la corriente del inductor y del condensador. Figura 4.9: Gráfica de corriente del inductor Figura 4.10: Gráfica de corriente del condensador
4.1. Diseño del convertidor 37 4.1.1.2 Modelo dinámico Además del modelo estático, el modelo dinámico del convertidor también será importante para el diseño de controladores para el equipo. Como se tienen principalmente 2 elementos que introducen dinámicas, bobina y condensador, se obtienen ecuaciones que describan su comportamiento. Así, se usa el siguiente esquema simplificado de la Figura 4.11, donde los switches ideales se están tratando como una fuente de tensión controlada que pondría a su salida un cierto valor dado por el usuario, 𝐷·𝑉𝑖𝑛 en este caso. Además, todas las pérdidas que podrían tener todos los componentes se aúnan en una única resistencia 𝑅perd, en serie a la bobina y se asume que a la salida se está obteniendo la tensión 𝑉0 deseada. Figura 4.11: Montaje del modelo dinámico Figura 4.12: Bobi na Figura 4.13: Condensa dor En este esquema hay que centrar la atención en la corriente de la bobina y la energía que almacena el condensador, o más bien en la potencia con la que trabaja, ya que resulta más natural. De esta manera es posible obtener 2 ecuaciones dinámicas: •Usando la Figura 4.12 se puede obtener la expresión nodal directamente en el dominio de Laplace. Aunque se va a trabajar con ella en el dominio temporal (ecuación (15)). 𝑖𝐿=𝐷𝑉𝑖𝑛−𝑉0𝑠𝐿+𝑅𝑝𝑒𝑟𝑑⟹𝐷𝑉𝑖𝑛=𝑅𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝐿+𝐿𝑑𝑑𝑡(𝑖𝐿)+𝑉0(15)•Si ahora se usa la Figura 4.13 y se lleva a cabo un balance de potencias se obtiene la ecuación (16). En este caso, se hace uso de la Ley de Maxwell y la regla de la cadena para despejar la corriente del condensador y compactar más el término de potencia del condensador. 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑=𝑃𝑖𝑛−𝑃𝑜𝑢𝑡⟹𝐶𝑑𝑑𝑡(𝑉202)=𝑖𝐿𝑉0−𝐼0𝑉0(16)Posteriormente, se rescatarán ambas expresiones para el diseño de un controlador en cascada en la Sección 5.2.5 donde la referencia se impondrá en potencia para el primer controlador y en corriente para el segundo. Para ello se usa la Instantaneous Power Theory que permite obtener la referencia en corriente en función de la potencia deseada:𝑖𝑟𝑒𝑓=𝑝/𝑣0(17)4.1.2 Elección de componentes Finalmente, en esta sección se da comienzo al diseño teórico del convertidor. En primer lugar, se exponen las especificaciones de diseño exigidas: • Tensión de alimentación de 700 V • Rango de salida que abarque al menos de los 300 V a los 400 V (Rango de batería, Sección 1.2.4) • Potencia nominal de 20 kW para una salida de 350 V •Rizado de corriente Δ𝑖𝐿 < 3%, para el punto de potencia nominal •Rizado de tensión Δ𝑉 < 1%, para el punto de potencia nominal
38 Capítulo 4. Construcción del sistema La primera decisión que se toma es la elección de la frecuencia de conmutación. Los transistores usados en los módulos de potencia (Sección 2.2) son SiC, es decir, son capaces de conmutar a frecuencias del orden de los 100 kHz o más. Frecuencias tan altas conllevan otra serie de problemas que no son el propósito de este trabajo, por tanto se escoge una frecuencia de 30 kHz. Este es un valor aceptable para trabajar con los niveles de tensión que se plantean en este caso. Por el momento, en lo que resta de la sección, se va a trabajar con el modelo de la Figura 4.3, directamente en bucle abierto, configurado con un duty cycle de 0.5 (Usando para ello el template de Imperix). La condición de potencia nominal permite determinar el valor de 𝑅=350220𝑘=6.125Ω. Se sigue a continuación con el cálculo de la inductancia a partir de la condición de rizado. Usando la ecuación (6) y ecuación (7) es posible expresar la condición de Δ𝑖𝐿 en amperios: 𝐼𝐿=3506.125=57.14𝐴⟹Δ𝑖𝐿<3%·57.14=1.71𝐴Usando ahora la ecuación (13) y despejando L se puede conseguir el siguiente límite: 𝐿≥350·0.51.71·30000=3.4mHSe va a redondear este valor hasta L = 5mH. La última especificación que resta por cumplir es el rizado de tensión. En este caso, se despeja C de la ecuación (12), de nuevo haciendo uso del punto de operación nominal. De esta forma, se puede conseguir un límite para definir el condensador del filtro: 𝐶≥1.71·1008·350·30000=2035nFEsta capacidad es realmente bastante pequeña y en el montaje se usarían del orden de 𝜇F debido a la disponibilidad de componentes en el laboratorio. 4.1.3 Escalado del convertidor real Visto como sería el diseño de los componentes y las características del convertidor de 20 kW, este no sería implementable con la fuente de 600 V, 2.6 A por la alta demanda de potencia que exige. Para continuar, se opta por reescalar el sistema, de forma que se sigan cumpliendo las condiciones originalmente impuestas, pero también sea implementable a baja potencia. Así, se toman una tensión base de 700 V y una potencia base de 20kW, que van a permitir obtener los nuevos valores: Montaje original Relación de paso Montaje escalado 𝑉𝑖𝑛700 V ⟹·47⟹400 V 𝑉𝑁0350 V ⟹·47⟹200 V Rango Batería [300 V ; 400 V] ⟹·47⟹[171.43 V ; 228.57 V] 𝑃𝑁20 kW ⟹·122⟹909.09 W Estas primeras relaciones de paso se obtienen imponiendo unos valores del montaje escalado de menor potencia y coherentes. Además, el propio reescalado modifica también la carga R y los rizados de la siguiente forma: Para esta explicación se van a considerar las variables 𝑥𝑜 (originales) y 𝑥𝑒 (escaladas). De este modo, tomando la ecuación (15), en la situación original se tiene que: Δ𝑜𝑖𝐿=𝑉𝑜0𝐿(1−𝐷)𝑇en [A](18)
4.1. Diseño del convertidor 39 Por lo tanto, para pasarlo al sistema escalado se debe aplicar la relación de paso para la tensión, multiplicar por 47, quedando: Δ𝑜𝑖𝐿=74𝑉𝑒0𝐿(1−𝐷)𝑇=74Δ𝑒𝑖𝐿en [A](19)A continuación, el rizado debe pasarse a tanto por ciento, para ello se sigue con la expresión, obtenida a partir de la Ley de Ohm y la expresión de potencia: 𝐼𝑜0=(𝑉𝑜0)2𝑃𝑜en [A](20)Sobre esta se aplican las relaciones de paso para la potencia y tensión ( 122 y 47 respectivamente), quedando: 𝐼𝑜0=7·74·4·22(𝑉𝑒0)2𝑃𝑒=49352𝐼𝑒0en [A](21)Con todo esto, se expresa el rizado como: Δ𝑜𝑖𝐿[%]=Δ𝑜𝑖𝐿𝐼𝑜0=22·4·4·77·7·4Δ𝑒𝑖𝐿𝐼𝑒0=446.125Δ𝑒𝑖𝐿[%](22)Aplicando la ley de Ohm y la ecuación (20) se obtiene fácilmente el escalado de R: 𝑅𝑜=𝑉𝑜0𝐼𝑜0=22·4·4·77·7·4𝑉𝑒0𝐼𝑒0=446.125𝑅𝑒(23)También queda el rizado de tensión, sin embargo, al usar la ecuación (12) se puede ver que la relación de paso de 𝑉𝑜0 y la de Δ𝑜𝑖𝐿 se cancelarían entre sí, haciendo que Δ𝑜𝑉0=Δ𝑒𝑉0. Estas transformaciones dan como resultado la siguiente tabla: Montaje original Relación de paso Montaje escalado 𝑅6.125 Ω⟹·446.125⟹44 ΩΔmax𝑖𝐿3% ⟹·446.125⟹21.55% Δmax𝑉01% ⟹·1⟹1% Se recalca que el motivo de estas relaciones de paso tan peculiares es buscar un nivel de tensión más bajo, así como un valor de carga implementable en el laboratorio y un nivel de potencia suministrable por la fuente. Con todo esto claro ya se pueden elegir los componentes reales para el convertidor: • En primer lugar, la bobina se calculó como L = 5 mH para una f = 30 kHz. Sin embargo, debido a la disponibilidad de componentes en el laboratorio, se van a montar bobinas de L = 15 mH. Además, se va a conmutar el sistema a una f = 10 kHz, que también es un valor adecuado para el rango de potencias con el que se piensa trabajar, manteniéndose así la relación. • En segundo lugar, de nuevo debido a la disponibilidad de componentes, se usa un condensador de la empresa SEMIKRON [44] con capacidad nominal de 2200 𝜇F. Antes de montarlos se caracterizan adecuadamente para asegurar el buen comportamiento del componente. De este modo, el valor real del condensador usado se C = 2000 𝜇F. El valor tan elevado de la capacidad hace que la dinámica sea bastante más lenta, pero también hace que el rizado de la tensión sea prácticamente nulo.
40 Capítulo 4. Construcción del sistema Todos los cambios aplicados hacen que los rizados resultantes en el punto de operación nominal sean: Δ𝑖𝐿=14.67%<21.55%Δ𝑉0=0.0021%<1%Y para recuperar los valores del sistema original solo sería necesario multiplicar el rizado de corriente por 6.125 y dividir entre 44. A continuación, se plantea una gráfica que compara el sistema original con el escalado: Figura 4.14: Transformación aplicada al convertidor De esta forma, con el valor de los componentes conocido, se puede llevar a cabo la fase de montaje usando los valores asociados al diseño escalado: 𝐿=15mHC = 2000 𝜇𝐹R = 44 Ω
4.1. Diseño del convertidor 41 4.1.4 Fundamento y propiedades del interleaved En general, los convertidores de un solo módulo son buenos para usos de baja potencia y aplicaciones de baja corriente. Así, en la presente sección se expone la razón por la que construir el sistema inter leaved, que permite que cada uno de los módulos pueda seguir manteniendo tensiones y corrientes de trabajo relativamente bajas y que el resultado sea un equipo de alta potencia. Trabajar con unas magnitudes más pequeñas también puede ayudar a alargar la vida de los componentes, ya que cada módulo se encontraría en unas condiciones de trabajo razonablemente favorables. El inconveniente en este caso es que requiere de un mayor número de componentes para su montaje. En cualquier caso, uno de los motivos de mayor peso para construir este tipo de sistemas es la reducción del rizado de la corriente total obtenida. Esto ocurre debido a la compensación de los rizados de las corrientes individuales que da cada módulo. Cuando se monta un sistema interleaved, el procedimiento consiste en añadir módulos del convertidor en paralelo y posteriormente llevar la suma de todas las corrientes obtenidas a la carga de salida. Para que este montaje sea entonces beneficioso cada uno de los módulos debe estar desfasado de los anteriores, ya que en el caso con trario, los rizados de las corrientes se solaparían de la forma más desfavorable posible, aumentan do el rizado resultante. Con esta idea en mente, si se montan tres etapas en paralelo, y se usa una estrategia sencilla (des fases equidistantes), las portadoras quedarían de la forma en la que se representa en la Figura 4.15. Figura 4.15: Desfase de portadoras De este modo, pasar de 1 módulo a 3 requiere no solo de ajustar los desfases de portadoras, sino sincronizar correctamente cuando debe ser la medición de cada una de las corrientes de cada módulo. Si cada una se midiese en el mismo instante resultaría en un sistema muy inconsistente de controlar, ya que al estar desfasadas, cada corriente estaría en un punto distinto de la curva representada en la Figura 4.9, haciendo que los cálculos realizados a partir de ese punto sean poco útiles. El resultado en las corrientes se presenta en el gráfica de la Figura 4.16, que es un esquema genérico de los resultados de un interleaved. En ella puede verse que el solape de rizados disminuye el resultante, como se expuso anteriormente. Además, el desfase introducido entre módulos hace que la corriente total interprete una frecuencia de conmutación 3 veces mayor. Estas mejoras se analizan en detalle en las pruebas de la Sección 7.2. Figura 4.16: Corrientes interleaved
42 Capítulo 4. Construcción del sistema 4.2 Fabricación de cables personalizados Durante los siguientes apartados de montaje se han usado una gran variedad de tipos de cables para hacer las conexiones. La gran mayoría de estos han sido montados en el laboratorio a medida para el proyecto, por esta razón se incluye un apartado que documenta el proceso de fabricación de cada cable que irá apareciendo a lo largo de secciones próximas. Los únicos cables usados en el proyecto que no han sido fabricados directamente son cables dupont hembramacho de 200 mm de largo. 4.2.1 Cables de hilos En primer lugar, se presentan los cables de hilos clásicos. Su fabricación consiste en cortar la longitud de cable deseada, para posteriormente pelar los extremos de la cubierta y trenzar los hilos de ambas. Finalmente se crimpa el conector deseado. Todo el proceso se expone visualmente en la Figura 4.17, mientras que las herramientas usadas se encuentran en la Figura 4.26. Al terminar, se debe tirar del conector para asegurar que la unión es firme y no acabará por soltarse. La sección del cable puede variar en función del punto del proyecto en el que se empleen, así como los conectores que se usen. A continuación, se presenta el razonamiento detrás de la elección de cada conector (Figura 4.17): Figura 4.17: Ensamblado del cable •Conectores en Y: Se usa para extremos que quedan fijados con tornillos pasantes, pero que pueden estar sujetos a muchos cam bios durante las pruebas. El conector en Y permite que no sea necesario desatornillar el tornillo entero cada vez que se quiera modificar el cableado. •Conectores en O: Se usa para extremos que quedan fijados con tornillos pasantes, pero que una vez montados no se espera que estén constantemente siendo modificados. •Conectores en I: Se usan para extremos conectados directamente a clemas o a tornillos pasantes donde no hay espacio físico para los conectores anteriores. Figura 4.18: Conectores 4.2.2 Cables planos La fabricación de los cables planos tiene un proceso que requiere un poco más de atención que el anterior. De nuevo, se corta la longitud de cable deseada, teniendo en cuenta que el extremo quede con un corte limpio. El siguiente paso consiste en montar el conector, que consta de 3 piezas, 2 de ellas que permiten fijarlo al cable y otra que se encaja en las pestañas del conector (la ubicada más arriba en la Figura 4.19). Sabiendo esto, primero se toman las 2 piezas de fijación y se desplazan hasta el punto del cable donde se quiera situar. La herramienta a usar en este caso para crimpar este conector son unos alicates, preferiblemente de pico de pato (Sección 4.2.5). Figura 4.19: Conectores
4.3. Ensamblaje del convertidor 49 Figura 4.40: Estante de bobinas y resistencias Figura 4.41: Estante de capacidades de filtro 4.3.2.4 Otros estantes y conexiones Bajo los estantes anteriores se ubican otros cuyo propósito es más general o simplemente es poco relevante para el presente trabajo. Cae en esta categoría la bandeja de la fuente de alimentación, que se ubica en la base del armario para atenuar lo máximo posible los ruidos electromagnéticos que pueda llegar a generar. También está el otro convertidor ya mencionado en la Sección 4.3.2.1, el cual se ubica bajo el rack de etapas de potencia construido para este proyecto. A pesar de su ubicación, durante los ensayos realizados con el sistema, este otro convertidor permanecerá desconectado, por lo que tampoco contaminará los datos obtenidos, solo actúa como elemento estructural. Con todos los estantes preparados el último paso consiste en montarlos en sus respectivos huecos del armario para posteriormente conexionarlos entre sí. El armario resultante se puede ver en la Figura 4.42 y Figura 4.43. Figura 4.42: Armario completo (vista frontal) Figura 4.43: Armario completo (vista trasera)
50 Capítulo 4. Construcción del sistema Siguiendo con la misma dinámica de conexionado iniciada en secciones anteriores, se puede ver como los cables están trenzados y fijados por la estructura del armario, en un intento de atenuar los ruidos lo máximo posible. En la Figura 4.44 se presenta un esquemático de un módulo del convertidor conectado al completo. Nótese que en este caso, lo visto en este esquemático estaría triplicado, debido a que solo se han construido los 3 módulos de una rama, y se han dejado los 3 módulos restantes sin ninguna aparamenta conectada. Figura 4.44: Esquema de un módulo ensamblado completo 4.4 Ensamblaje del controlador Con el convertidor completamente construido, solo falta montar el controlador que lo gobierne. De esta forma, el presente apartado presenta el ensamblado de un rack específico de control para la B Board y las placas de conversión ya presentadas en el Capítulo 2. Los elementos de los que se parten son: un rack por piezas, la BBoard, cables planos fabricados a medida, cables dupont hembrahembra y las distintas placas de conversión. El primer paso consiste en llevar a cabo el montaje del propio rack (Figura 4.45), al que se le instala una fuente de alimentación simétrica de ±15V, +5V y tierra (Figura 4.46). El montaje del rack es similar al usado para los sensores, sin embargo, en este caso se montan 6 carriles, 2 de ellos específicamente ubicados para albergar a la BBoard. Figura 4.45: Rack montado Figura 4.46: Fuente instalada Como se puede ver, estos 2 carriles mencionados anteriormente ocupan algo más de la mitad del rack. Y permite encajar la BBoard haciendo uso de dos placas auxiliares. Los 4 carriles restantes se reservan para las demás placas de optos y entradas analógicas. A continuación, después de atornillar la fuente en el lateral más proximo a la BBoard, se procede a preparar la placa de control para su encaje en el rack.
4.4. Ensamblaje del controlador 51 La placa de control se prepara colocando pines dupont fijados en todos los conectores hembra verde de la BBoard. De esta forma se consigue una conexión a todos los I/Os de la placa de forma vertical. En la Figura 4.47 se puede ver un ejemplo. El siguiente paso consiste en montar la BBoard sobre las placas auxiliares, haciendo uso de los agujeros de sus esquinas. De este modo, la tarjeta de control se apoya sobre la placa de conexiones y otra placa de cobre, con las dimensiones de ancho y largo suficientes para ocupar correctamente todo el raíl en el que se pongan. Figura 4.47: Pines fijados Este apoyo se consigue ya que las esquinas inferiores de ambas placas tienen soldados conectores bornatornillo a 90º, que permiten actuar como escuadras para soportar firmemente la BBoard. El resultado se puede ver en la Figura 4.48. Una vez atornilladas con tornillos y arandelas de nylon, para aislar la unión, se puede comenzar con el conexionado de los pines usando cables dupont (Figura 4.49). Para ello cada conjunto de pines debe conectarse a los I/Os correspondientes de la tarjeta de control. Figura 4.48: BBoard (sin cablear) Figura 4.49: BBoard (cableada) Con este procedimiento se llevan todos los canales del DAC, del ADC, de los PWM y algunos GPI a un acceso más fácil desde la placa de conexiones. Todos estos canales salen en cable plano para conectarse a las placas que se van a ubicar en los 4 raíles restantes. Con esto, es posible insertar el bloque de la BBoard, como se ve en la Figura 4.50. Figura 4.50: BBoard montada en el Rack
52 Capítulo 4. Construcción del sistema En la parte trasera del rack (en el lado opuesto a sus aletas) de cualquiera de los raíles se coloca la placa de alimentación, que cuenta con las entradas ±15V, 5V y tierra. Estas son suministradas directamente desde la fuente del rack por medio de un cable de hilos, también son llevadas a todas las demás placas por medio de cable plano (Figura 4.51 y Figura 4.52). Al frente de los raíles se colocan las dos placas de emisores ópticos, la placa de receptores ópticos y la placa de entradas analógicas. Figura 4.51: Placas restantes Figura 4.52: Cableado plano de las placas Con todo montado, resulta un equipo como el de la Figura 4.53, con los siguientes I/Os para comuni cación con el convertidor: 12 salidas ópticas, 4 entradas ópticas y 4 entradas RJ11 de 2 canales cada una (Lo cual requerirá el uso de cables RJ con 2 conectores en un extremo y 1 conector en el opuesto). Figura 4.53: Cableado plano de las placas
4.4. Ensamblaje del controlador 53 Además, en la Figura 4.54 se muestra el pinout completo del rack de control de forma esquemática. Figura 4.54: Pinout del rack de control
54 Capítulo 4. Construcción del sistema Todo el montaje queda como se muestra en la Figura 4.55. Nótese que los cables RJ11 (Sección 4.2.3) y los optos (Sección 4.2.4) empleados están conectados unicamente para mostrar el montaje final de forma más cómoda. Para una operación real el rack de control se mueve a la posición que le corresponde, alejado del convertidor y utilizando para ello unos cables de mayor longitud. Figura 4.55: Convertidor y rack de potencia final
55 5Código del controladorEste capítulo se dedica al desarrollo y explicación del código usado en el tarjeta de control. De esta forma, en las siguientes secciones se presentan como se obtiene el controlador, del mismo modo que como se implementa en Simulink y como se pueden analizar parámetros importantes usando las herramientas que ofrece el fabricante de la BBoard. 5.1 Obtención del algoritmo de control Para obtener el controlador se parten de las ecuaciones calculadas en la Sección 4.1.1.2: 𝐷𝑉𝑖𝑛=𝑅𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝐿+𝐿𝑑𝑑𝑡(𝑖𝐿)+𝑉0(24)𝐶𝑑𝑑𝑡(𝑉202)=𝑖𝐿𝑉0−𝐼0𝑉0(25)Con ambas es posible crear un controlador en cascada, siendo el bucle interno el de la corriente (dinámica rápida) y el bucle externo el de la tensión (dinámica lenta). Además del controlador, el código requiere de otros elementos que dirijan y gestionen la actuación sobre el equipo, así como la interfaz usuariocontrol. Estos elementos se muestran a continuación: 5.2 Implementación en Simulink El código completo en bloques tiene la estructura vista en la Figura 5.1. En lo que resta de capítulo se explica en detalle la función de cada parte de este código, siguiendo un orden de izquierda a derecha. Además, se hace especial incapie en los bloques cuya implementación varía al usar 1 o 3 módulos. Figura 5.1: Estructura usada para la programación visual de la BBoard completo
56 Capítulo 5. Código del controlador 5.2.1 Botonera El primer elemento que se puede ver en el código en bloque es el conjunto de los tunable parameters más importantes para manejar las acciones sobre el controlador. Todos están vinculados con los elementos del GUI para facilitar el uso del equipo. La función de cada parámetro es: • ON: Habilita el funcionamiento general de la BBoard tanto en bucle abierto como cerrado. • Ref_Vout: Permite ajustar el valor de la referencia de tensión del controlador. • Reset_Control: Es un reset manual que permite reiniciar los integradores y el error acumulado en el control. • Clear_Fallos: Es una variable de confirmación que permite salir del estado de fallos para volver al estado de funcionamiento normal una vez resuelto un error ocurrido. •Parámetros de controlador: Permite ajustar los valores de 𝑘𝑃 y 𝑘𝐼 de ambos controladores mientras el código en bloques está operando. • ManAuto: Permite seleccionar entre trabajar en bucle abierto, fijando un duty de forma manual o en bucle cerrado. Figura 5.2: Botonera en bloques 5.2.2 Bloque de entradas analógicas – Un solo módulo El siguiente elemento de gran importancia es el que se encarga de la configuración de los ADC. Internamente cuenta con una serie de configuraciones de sensor precargadas que hay que escoger en función de si se va a usar el dispositivo para HIL, el prototipo real del convertidor o los valores de ADC por defecto. La función del bloque consiste en tomar directamente las señales analógicas de los sensores externos para incluirlas al sistema. Las señales con las que trabaja este bloque independientemente de estar en el sistema de un solo módulo son: 𝑉𝑖𝑛, 𝑉𝑜𝑢𝑡, 𝑖𝐿1 , 𝑖𝐿2 e 𝑖𝐿3. Todas son lecturas son instantáneas y se corresponden respectivamente con las variables V𝑖𝑛, V0 e i𝐿 de cada rama, vistas en los esquemas de la Sección 4.1.1. Además, hay variables que permiten llevar estos valores hasta el Cockpit. Figura 5.3: Entradas analógicas (módulo único) – Tres módulos interleaved Este es el primer bloque que requiere de una modificación adicional para la versión interleaved. Se debe a la necesidad de muestrear en 3 instantes equidesfasados, lo que implica una serie de modifi caciones tanto en el Bloque de configuración como en los ADC:
5.2. Implementación en Simulink 57 • Dentro del Bloque de Configuración (Sección 3.1.4.2), se ajusta un sobremuestreo de 3 muestras equidistantes para un periodo de muestreo lo que hace que el nuevo esquema de tiempo sea el mostrado en la Figura 5.4. • Por otro lado, en los ADCs destinados a recoger las medidas de corriente se habilita el historial de hasta 3 muestras anteriores. En el diagrama, se añaden una serie de demultiplexores para gestionar que muestra debe escogerse para hacer los cálculos en función de la corriente con la que se esté tratando. Esto puede verse en la Figura 5.5. Figura 5.4: Estructura de tiempos (interleaved) Figura 5.5: Entradas analógicas (interleaved) 5.2.3 Bloque de entradas digitales Este bloque tiene el propósito único de monitori zación. En él se encuentra la configuración de al gunas entradas GPI de la BBoard. Externamente a estas entradas se conectan las entradas de fallo que provienen directamente de las etapas de potencia. Toda la información que pueda dar cada entrada GPI se lleva a la interfaz gráfica del Cockpit y se usa para generar un flag de error. La lógica de los fallos de los PEB es negada, de ahí la elección de la puerta NOR en el código de bloques, que se muestra en la Figura 5.6. Figura 5.6: Entradas digitales 5.2.4 Máquina de estados de gestión En general, el microcontrolador tiene la función de ejecutar el control, pero también debe de incluir una forma de gestionar los errores y distintos comportamientos que puede tener el sistema. Para ello, se integra una máquina de estados finitos que lo dirija todo (Figura 5.7): Antes de entrar en profundidad en los estados, el subsistema cuenta con una serie de elementos adicionales. Por un lado, gestiona los errores en el GUI por medio del uso de los User fault. Los errores incluidos son, por el momento: • Referencia de la salida mayor que la tensión de alimentación cuando el bucle está cerrado. • Fallo en las etapas PEB. Además, hay variables destinadas a mostrar el estado en el que se encuentra tanto la máquina de estado implementada como la máquina de estado interna de la BBoard.
58 Capítulo 5. Código del controlador Figura 5.7: Subsistema máquina de estados Entrando ahora en el diseño de la propia máquina de estados (Sección 3.1.3) se tiene lo siguiente: Las entradas son, en el orden en que aparecen en la Figura 5.7: flag de errores, inicio del funciona miento, reseteo del control, reseteo de errores, estado de simulación, estado de la BBoard. A continuación, se presentan los estados creados: • ESPERA_INICIO: Es el estado en el que comienza el funcionamiento, en él tanto las salidas PWM como el control están desactivados. Se trata de un estado de espera para comprobar si el código de bloques está en modo de simulación. • MODO SIMULACIÓN: Si el simulink está en modo simulación se habilitan las salidas PWM y el control de forma permanente. Este estado permite probar por simulación todo el sistema, excepto el comportamiento ante errores reales. • REPOSO: Si el simulink no está en modo simulación en ESPERA_INICIO se pasa a este estado, que es esencialmente idéntico a este último. La principal diferencia es que todos los botones de la Botonera del GUI serán funcionales en tiempo real y provocarán transiciones hacia otros estados. • MARCHA: Mientras se esté en el estado REPOSO y se active el botón de inicio, siempre que no haya ningún error se entra en este nuevo estado. En él se habilitan tanto las salidas PWM como el control, lo que implica que este último se pueda activar y desactivar con el botón de ManAuto. Desactivando el botón de inicio se vuelve al estado de REPOSO. • RESET_MANUAL_CONTROL: Este estado permite volver del estado de MARCHA al de REPOSO de forma manual reiniciando los integradores. En principio, siempre que se vuelva al modo de reposo hay un reset automático, pero se añade esta funcionalidad para depuración. •FALLO: Si durante la MARCHA o el REPOSO ocurre algún error de los anteriores mencionados o propio de la BBoard (provocando el cambio de su estado en el bloque core) se entra en este estado. El estado se mantiene hasta que el error se solucione. En cuanto esto ocurre se pasa a un estado de confirmación CLEAR_FALLO. • CLEAR_FALLO: Se entra en este estado siempre que se soluciona un fallo. Para salir de este estado y volver a REPOSO es necesario confirmar que se ha solucionado el error con el botón de Clear_Fallos.
65 6Preparación para las pruebasEn los dos capítulos siguientes se encuentra recogido todo lo referente a las pruebas y validaciones hechas con el sistema construido. Este primer capítulo sirve de introducción a las distintas metodologías empleadas. De esta forma, se comienza por la simulación, que ya se ha mencionado en otros apartados. Se continúa con métodos basados en Hardware In the Loop y finalmente se presentan las pruebas con el sistema real fabricado. El objetivo de esta primera parte es dejar claro las condiciones en las que se encuentra el equipo en cada situación, así como comentar el procedimiento empleado en cada caso. De esta forma, las propias pruebas no comenzarán hasta el Capítulo 7. Aun así, cabe recalcar que a lo largo de ambos capítulos se hará uso de las herramientas de Imperix expuestas a lo largo del documento. 6.1 Simulación Se empieza entonces por la herramienta más básica en lo que a comprobación se refiere. En este caso, al estar la simulación basada en la plantilla que ofrece Imperix, se van a exponer ciertas consideraciones en la forma de implementación del conjunto de bloques del fabricante. 6.1.1 Consideraciones para la simulación Las simulaciones son via Simulink y principalmente permiten analizar como será la dinámica del contro lador con el modelo usado para el sistema real. En principio, no se tiene acceso al software Cockpit, sin embargo, desde los bloques tunable parameter se pueden establecer los valores concretos deseados y el instante de simulación en el que estos deben aplicarse, como se puede observar en la Figura 6.1. Figura 6.1: Tunable parameters en simulación Para entrar en el modo de simulación de un código de control basado en las plantillas de Imperix, simplemente se debe ajustar la consigna de Model execution purpose del bloque de configuración como Simulation (Figura 6.2). Esto habilita el subsistema Plant fuera del subsistema de control, Controller. En él se encuentra el modelo del convertidor que se pretende simular, que en este caso serán los presentados en la Sección 4.1. Figura 6.2: Bloque de configuración Figura 6.3: Subsistemas del template de Imperix
66 Capítulo 6. Preparación para las pruebas El funcionamiento en conjunto de ambos subsistemas es el siguiente: En la planta se calculan los valores de las corrientes y tensiones del circuito necesarias para el control. Estas se envían al subsistema controlador donde, a partir de la ley de control que se esté utilizando, se obtiene el duty cycle a aplicar. Este duty se envía de nuevo a la planta, para recalcular las magnitudes eléctricas. El esquema de funcionamiento se puede ver en la Figura 6.3. En el modo simulación, los bloques de ADC y PWM están pensados para recibir o enviar todos los valores anteriormente mencionados como señales de Matlab. Esto es por medio de los puertos nombrados como Sim, lo que facilita el paso rápido de un código de simulación a un código real posterior. Figura 6.4: Uso de la entrada de Sim del ADC Por otro lado, indagando ahora en el comportamiento del código de control implementado, si se recuerda de la Sección 5.2 las máquinas de estado usadas, tanto del controlador como la interna de la BBoard, estas tienen un comportamiento especial para la simulación. Así, en el momento en el que se entra en modo simulación ambas máquinas de estado se quedan en bucle en un mismo estado que permite el funcionamiento pleno del sistema como si no hubiera ningún error. Esto es útil, ya que permite simular el comportamiento normal del sistema, sin embargo, está limitado en el sentido de que no permite comprobar como se comporta el bloque de control ante fallos (sin hacer grandes modificaciones en la máquina de estado). El resto del código de control si que tiene un comportamiento similar al que tendría en una situación real. 6.2 Técnicas Hardware In the Loop (HIL) La simulación permite validar el sistema de forma muy teórica, siendo un método de prueba muy útil, sin embargo, en la validación práctica pueden suceder algunos fallos o acontecimientos inesperados difíciles de prever solo con simulaciones. Por esta razón se da un paso más, y se emplean técnicas de HIL. Estas consisten en el uso de un sistema real, en este caso el dispositivo OP4510 de OPALRT, que puede simular el comportamiento del convertidor real permitiendo hacer pruebas más cercanas a la realidad, sin necesidad de poner en riesgo los componentes del sistema real. Este acercamiento permite incluso el diseño directo de los parámetros del controlador eliminando la posibilidad de que los errores cometidos tengan consecuencias graves. 6.2.1 Preparación para las pruebas HIL En este caso, no es tan directo como la simulación, sino que requiere de calibraciones, así como de cablear correctamente ambos equipos. Por otro lado, desde la perspectiva de la BBoard, trabajar con un convertidor real o con la OP4510 es indiferente, ya que en ambas simplemente se usa la función generar código. Por ello es posible usar el Cockpit para monitorizarlo todo. 6.2.1.1 Consideraciones con la OP4510 Para que la OP4510 pueda comportarse como el convertidor real, será necesario implementar el modelo que se introdujo en la Sección 4.1. Para ello, se hace uso de su software RTLAB, que también permite el uso de Simulink, aunque su utilización no es el propósito de esta sección. Un aspecto importante a tener en cuenta para preparar la OPAL es que los rangos de las mediciones que genere deben ser similares a los del modelo real, para que así la calibración de la OP4510 y, posteriormente, del equipo real tengan magnitudes similares, resultando así más sencillo y coherente el proceso.
6.2. Técnicas Hardware In the Loop (HIL) 67 Los extremos de los rangos de los sensores son por diseño: 𝑅𝑉𝜖[0;820]V𝑅𝐼𝜖[0;12.3]AEl razonamiento seguido para obtenerlos se encuentra presente en la Sección 2.3.3. 6.2.1.2 Consideraciones en el Rack de control Una vez la parte software de la OP4510 está lista, es necesario adecuar el hardware del rack de la B Board con el que utiliza la OPAL. Para este caso, se va a usar como referencia el equipo preparado en el laboratorio para la OP4510, mostrado en la Figura 6.5 y esquematizado en la Figura 6.6. Figura 6.5: OP4510 montada con su rack de comunicaciones Figura 6.6: Esquema del rack de comunicaciones de la OP4510 desde la vista de la Figura 6.5 • En primer lugar, hay que tener en cuenta la numeración de entradas y salidas de cada equipo a la hora de conectarlos entre sí. En el caso del rack de la OP4510, la numeración va de abajo a arriba, mientras que en el caso de la BBoard, va de arriba a abajo. El objetivo es que la asignación de puertos en los respectivos softwares sea coherente con la conexión hardware usada, de ahí que haya multiples combinaciones válidas. El resultado del conexionado se muestra en la Figura 6.7. Figura 6.7: Conexión de los racks Figura 6.8: Esquemático de las conexiones Hay que tener en cuenta que en este caso, los cables que unen entradas analógicas de la BBoard y salidas analógicas de la OP4510 son RJ11 con conectores en igual sentido. En la Figura 6.8 se pueden ver las conexiones usadas, representando cada canal con un color. Cada color en un rack corresponde al mismo en el otro, de forma que no hay colores repetidos (es decir, no hay cables que vayan a varios puntos de un mismo rack).
68 Capítulo 6. Preparación para las pruebas • En segundo lugar, hay que considerar como conectar ambos equipos a una tierra común, ya que esta no se comparte por ningún cable. La problemática está ade más en que cada rack tiene su propia fuente de tensión simétrica de ±15V (con sus imperfecciones correspon dientes). Por esto, no es posible conectar directamente las tierras de ambos circuitos sin algunas modificacio nes. Así, durante las pruebas de HIL, la placa de entradas analógicas del rack de la BBoard se desconecta del cable plano de alimentación, dejando al menos un pin de la tierra y haciendo que solo reciba la alimentación de ±15V de la OPAL por el cable RJ11. Figura 6.9: Conector para unir las tierras De este modo, las tierras de ambos racks se pueden unir por un cable de hilos, como se ve en la Figura 6.9. En esta figura se ve además el conector añadido, en el rack de la BBoard (habiendo uno similar en el de la OP4510), que permite simplificar la unión cada vez que sea necesario utilizar el HIL. De esta manera ya no habría ningún punto en el que las alimentaciones de ambos racks se enfrenten. 6.2.1.3 Calibrado para la OP4510 Finalmente, en los bloques ADC del código de bloques de la BBoard será necesario cargar los valores de un proceso de calibrado para la OP4510. En este caso, dado que la cadena de medición que hay entre la OPAL y la BBoard se puede aproximar bien linealmente, basta con realizar una estimación de la recta de calibración por medio de varios puntos, como se ve en la Figura 6.10. En esta gráfica se representa en azul la relación ideal que se esperaría y en rojo la relación real debido a la cadena de medición que hay de por medio. 012345 Tensión vista en la B-Board [V] 0 200 400 600 800 Tensión que da la OPAL [V] Calibrado para la tensión en la OPAL relación ideal relación real datos experimentales 012345 Tensión vista en la B-Board [V] 0 2 4 6 8 10 12 Corriente que da la OPAL [A] Calibrado para la corriente en la OPAL relación ideal relación real datos experimentales Figura 6.10: Rectas de calibrado para la tensión y la corriente (OP4510) Los valores a cargar para los sensores de tensión y para los sensores de corriente son los siguientes: 𝑆𝑣=0.0058[VV]Off𝑣=−0.0123[V]𝑆𝑖=0.3930[VA]Off𝑖=−0.0144[V]En este caso, la calibración es muy sencilla ya que que se puede considerar que las cadenas de medición de tensión y corriente son todas iguales. Esto es posible debido a que, en definitiva, la OPAL convierte valores internos directamente a un valor de tensión dentro del rango de ±15V con muy poco ruido. Estos valores de tensión llegan hasta la BBoard a través de caminos compuestos por los mismos tipos de componentes. Es importante también que el calibrado se haga respecto al instrumento que se considere que está dando la medida real. En este caso, la medida de tensión y corriente interna de la OP4510.
6.3. Pruebas con el prototipo real del convertidor 69 6.3 Pruebas con el prototipo real del convertidor Si se ha hecho un uso correcto del HIL, la secuencia a seguir sería tan sencilla como conectar el rack de control al convertidor, activar el controlador y que idealmente este comience a dar resultados coherentes sin mostrar ningún inconveniente. Sin embargo, siempre es bueno tener en cuenta una serie de procedimientos antes de cerrar el lazo de control. 6.3.1 Preparaciones previas Al igual que pasaba al preparar la OP4510 para el HIL, aquí también es necesario un cableado correcto de los sensores, así como un calibrado. Además, nuevamente el Cockpit vuelve a ser muy útil para visualizar todas las variables e interactuar con el controlador rápidamente. Sobre todo, es muy útil para ver si hay algún inconveniente en las etapas de control, o si hay alguna variable interna que no reacciona como debería en el montaje real. 6.3.1.1 Consideraciones para los sensores En la Sección 2.3.3 se veía que cada uno de los sensores cuenta con un puerto de salida RJ11 individual con señales +15 V, −15 V y data que se envían por pines duplicados. Por otro lado, las placas de entradas analógicas cuentan con una señal de data que no es doble. Así, la comunicación de estas dos placas requieren de un cable RJ11 con doble conector en un extremo y un único conector en el otro. Su montaje es similar al expuesto en la Sección 4.2.3, y además deberá tener los conectores de cada extremo invertidos entre sí. De esta forma, 2 conectores RJ11 de los sensores llegan a un único conector RJ11 de las entradas analógicas (que correspondería a 2 canales distintos). 6.3.1.2 Consideraciones para el cableado Teniendo en cuenta lo mencionado en la sección anterior respecto a los cables RJ11 y sabiendo que ahora sería necesario conectar también las señales de fallo y disparo de los PEB, se proporciona un esquema de la conexión entre el rack de potencia y el rack de control en la Figura 6.11: Figura 6.11: Esquemático de conexiones reales (1 sola rama)
70 Capítulo 6. Preparación para las pruebas Como en esquemas anteriores, se usan colores para indicar que conectores de cada rack están conec tados entre sí. Nótese que el Rack de Potencia se ha esquematizado, en el montaje real los conectores ópticos están en la parte frontal, mientras que los conectores RJ11 están en la parte posterior. Cabe destacar también que cada PEB ha sido representado con solo 3 entradas ópticas, en orden descendente serian: señal de disparo normal, señal negada y señal de fallo. En el caso de las placas de sensores no hay lugar a confusión, ya que se indica la medida que toma cada canal. 6.3.1.3 Calibrado de los sensores En este caso, los ADCs de la placa toman las medidas de sensores reales, no de un “emulador” como ocurre con la OPAL. Esto introduce fuentes de error distintas para cada uno de los sensores montados en las placas, por lo que hace necesario un calibrado individual de cada uno de ellos. A continuación, se muestran los calibrados de los 2 sensores de tensión y de los 3 sensores de corriente. En cada gráfica se representa en azul la relación ideal que tendría el sensor si su sensibilidad fuera la ideal y su offset nulo. En rojo se representa la relación obtenida experimentalmente. •Sensores de Tensión: 012345 Tensión vista en la B-Board [V] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Tensión que lee el sensor 1 [V] Calibrado para el sensor de tensión 1 relación ideal relación real datos experimentales 012345 Tensión vista en la B-Board [V] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Tensión que lee el sensor 2 [V] Calibrado para el sensor de tensión 2 relación ideal relación real datos experimentales Figura 6.12: Rectas de calibrado para la tensión (Sistema Real) Los resultados de calibración de los sensores de tensión para el convertidor real se muestran en la Figura 6.12. En ella se puede ver como ambos tienen unas características muy similares pero no idénticas, debido a las imperfecciones que pueda tener cada uno, al contrario de lo que pasaba con la calibración de la OP4510. Los valores a cargar para los sensores de tensión en el código de control son: 𝑆𝑣1=0.0061[VV]Off𝑣1=0.0009[V]𝑆𝑣2=0.0060[VV]Off𝑣2=0.0165[V]•Sensores de Corriente: 012345 Tensión vista en la B-Board [V] 0 2 4 6 8 10 12 Corriente que lee el sensor 1 [A] Calibrado para el sensor de corriente 1 relación ideal relación real datos experimentales 012345 Tensión vista en la B-Board [V] 0 2 4 6 8 10 12 Corriente que lee el sensor 2 [A] Calibrado para el sensor de corriente 2 relación ideal relación real datos experimentales 012345 Tensión vista en la B-Board [V] 0 2 4 6 8 10 12 Corriente que lee el sensor 3 [A] Calibrado para el sensor de corriente 3 relación ideal relación real datos experimentales Figura 6.13: Rectas de calibrado para la corriente (Sistema Real)
6.3. Pruebas con el prototipo real del convertidor 71 En este caso, los valores a cargar en los bloques son: 𝑆𝑖1=0.3997[VA]Off𝑖1=0.0137[V]𝑆𝑖2=0.3893[VA]Off𝑖2=0.0249[V]𝑆𝑖3=0.3873[VA]Off𝑖3=0.0218[V]Destacar que el calibrado realizado para el sistema real (Figura 6.13) no será tan exacto en el tiempo, como ocurre tal vez con la OPAL. Esto se debe a que, para obtener las medidas, se usan componentes como resistencias, cuyo valor puede variar por culpa de incrementos de temperatura generados en el propio convertidor, apareciendo así ciertas derivas.
72 7Pruebas y resultadosEste capítulo se dedica a los experimentos realizados a partir de las preparaciones expuestas en el capitulo anterior. A continuación, se presentan todas las pruebas realizadas con un solo módulo y con el sistema interleaved de 3 módulos. Todas se llevan a cabo para el nivel de tensión 𝑉𝑖𝑛 = 400V. Esto es debido al escalado realizado durante la Sección 4.1.3 para lidiar con la limitación de la fuente de tensión de baja potencia que se emplea. El rango de la batería después del escalado es [171.43V ; 228.57V], sin embargo para poner a prueba el sistema se usará un rango de [150V ; 200V]. Con esto, se plantea el modelo de experimento descrito en la Figura 7.1. Además, se recoge toda la información de interés para la replicación de los experimentos en la Tabla 7.1. Figura 7.1: Esquema de los experimentos Símbolo Valor Descripción 𝑉𝑖𝑛400 V Tensión de alimentación del convertidor (escalado) 𝑉𝑚𝑎𝑥0200 V Tensión de salida mínima admisible por la batería (escalado) 𝑉𝑚𝑖𝑛0150 V Tensión de salida mínima admisible por la batería (escalado) Δ𝑚𝑎𝑥𝑖𝐿21.55% Rizado de corriente máximo admisible por diseño (escalado) Δ𝑚𝑎𝑥𝑉01% Rizado de tensión máximo admisible por diseño (escalado) 𝑅44 ΩResistencia de carga del convertidor 𝐿15 mH Inductancia de salida del convertidor 𝐶2000 𝜇FCapacitancia de salida del convertidor 𝑓10 kHz Frecuencia de conmutación del equipo 𝑇𝑠100 𝜇sTiempo de muestreo del controlador 𝑇𝑠𝑖𝑚1 𝜇sPaso de integración para el circuito en simulación 𝐾𝑝10.015 WV2Ganancia proporcional del controlador de tensión 𝐾𝑖10.7 WV2·sGanancia integral del controlador de tensión 𝐾𝑝215 VAGanancia proporcional de los controladores de corriente 𝐾𝑖23000 VA·sGanancia integral de los controladores de corriente Tabla 7.1: Parámetros de interés para los experimentos
7.1. Pruebas para un solo módulo 73 7.1 Pruebas para un solo módulo El procedimiento seguido es el siguiente: Primero se presenta la simulación del módulo, donde se validan teóricamente los rizados y tiempos obtenidos. A continuación, se presentan los resultados mediante técnicas HIL, donde se espera analizar una respuesta del controlador más próxima a la real. Finalmente, con los experimentos reales se analizan tanto los resultados de tensión y corriente como la medición de los sensores, para evaluar el correcto funcionamiento del lazo completo. 7.1.1 Validación por simulación De este modo, se inicia la validación con el experimento expuesto en la Figura 7.2, que se va a segmentar para analizarlo en detalle. Aun así, como primera observación general, destaca el transi torio de las corrientes, que debido al rizado genera una serie de picos oscilantes. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 time [s] 0 50 100 150 200 250 Tensión [V] Seguimiento en Tensión Vout Ref 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 time [s] 0 1 2 3 4 5 6 Corriente [A] Seguimiento en Corriente iL1 Ref Figura 7.2: Simulación completa Figura 7.3: Cierre de lazo (Simulación) Se toma en primer lugar el cierre de lazo (Figura 7.3), en el que se puede ver un comportamiento abrupto que perturba inicialmente el seguimiento de la referencia en tensión. Esto es debido a que la referencia en corriente empieza a generarse solo tras el cierre del lazo y tarda en estabilizarse unos 250ms. La solución más inmediata sería añadir un antiwindup que permita una transición suave entre el modo manual y el automático, sin embargo, como no se generan picos importantes por el momento se ha decidido no complicar el control para el sistema escalado. Una vez llega al régimen permanente se tiene un Δ𝑖𝐿=19.63%<21.55%, que cumple especifica ciones aun habiendo aumentado el rango de trabajo real por debajo del valor mínimo).
74 Capítulo 7. Pruebas y resultados Figura 7.4: Subida de referencia (Simulación) La siguiente es la dinámica de subida (Figura 7.4), con un salto de referencia del 25% del rango de entrada. El tiempo de establecimiento de la salida en tensión es en este caso de unos 200 ms. Por otro lado, en el régimen permanente se tiene un rizado Δ𝑖𝐿=15.91%<21.55%. Figura 7.5: Bajada de referencia (Simulación) La última es la dinámica de un cambio de referencia hacia abajo un 25% del rango de entrada (Figura 7.5). El punto de operación que se recupera es el mismo en el que se inicia el experimento, por tanto cabría esperar un rizado similar al del cierre de lazo: Δ𝑖𝐿=20.14%<21.55%. El tiempo de establecimiento además vuelve a ser en torno a 200 ms. Analizando ambas dinámicas en conjunto, lo importante es la ausencia de picos bruscos, que son los que podrían dañar la electronica o hacer que las protecciones salten para proteger al equipo. De este modo, teóricamente se esperan unas dinámicas suaves, con leves sobreoscilaciones.
7.2. Pruebas para los 3 módulos interleaved 81 7.2.2 Validación HIL Se pasa ahora al análisis del HIL, en el que no solo se van a estudiar los rizados, sino que también se van a comparar las frecuencias a las que conmuta la corriente de una rama y la total. Como ya se venía haciendo en la sección anterior, las gráficas se han extraído con el osciloscopio del Cockpit y se han exportado a Matlab. Adicionalmente, se usa un osciloscopio externo para ver y comparar los rizados. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 100 110 120 130 140 150 Tensión [V] Cierre de lazo (Tensión) Vout Ref 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] -1 0 1 2 3 4 Corriente [A] Cierre de lazo (Corriente) iL Ref (total) iL1 Ref (rama) Figura 7.20: Cierre de Lazo (HIL Interleaved) La primera gráfica que se presenta es el cierre de lazo (Figura 7.20). Es necesario hacer notar que las tensiones siguen tratándose de forma promediada, sin embargo, las corrientes se han ajustado de forma individual, ya que el modo de promediado no es compatible con el modo historial del ADC (Sección 3.1.4.2). Por esta razón es posible ver los rizados de corriente. A parte de esto, el tiempo de establecimiento se sigue manteniendo en 200 ms. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 140 160 180 200 Tensión [V] Subida de referencia Vout Ref 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 0 2 4 6 Corriente [A] iL Ref (total) iL1 Ref (rama) Figura 7.21: Subida de referencia (HIL Interleaved) La siguiente vuelve a ser la dinámica de subida (Figura 7.21). En esta gráfica ya se pueden ver más ventajas del interleaved: La sobreoscilación en corriente es mucho menor, lo cual siempre es bueno para la vida útil de los componentes.
82 Capítulo 7. Pruebas y resultados 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 140 160 180 200 Tensión [V] Bajada de referencia Vout Ref 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 0 1 2 3 4 5 Corriente [A] iL Ref (total) iL1 Ref (rama) Figura 7.22: Bajada de referencia (HIL Interleaved) A continuación, se presenta la dinámica de bajada (Figura 7.22). En ella se vuelve a ver el mismo comportamiento que en la subida, con un tiempo de establecimiento similar. En general, el HIL muestra un comportamiento del sistema muy adecuado a lo que se esperaba. Cabe destacar que el controlador implementado es el mismo que se usaba con un solo módulo y que en su momento se calculó iterando con el HIL. Para terminar con el HIL, se presentan los rizados de corriente en los dos puntos de operación trabajados (𝑉0=150V y 𝑉0=200V): Figura 7.23: Régimen Permanente (𝑉0=150V) Figura 7.24: Régimen Permanente (𝑉0=200V) Inicialmente, ya se puede ver como la conmutación de la corriente total es 3 veces más rápida que en la de una sola rama, lo cual es una de las propiedades del interleaved. Además, el rizado de las ramas vuelve a ser grande, siendo en cada gráfico respectivamente Δ𝑖𝐿1,2,3=44.96% y Δ𝑖𝐿1,2,3=39.37%. Sin embargo, el importante es el rizado total, que vuelve a tener la reducción esperada, siendo sus valores respectivos Δ𝑖𝐿=5.4% y Δ𝑖𝐿=5.38%, que además son menores que los obtenidos en simulación.
7.2. Pruebas para los 3 módulos interleaved 83 7.2.3 Validación experimental en el prototipo Los resultados representados a continuación son los más importantes del proyecto, ya que son los que muestran el valor de la configuración interleaved y sus propiedades. La metodología de repre sentación es idéntica a la que se ha seguido en el apartado anterior del HIL. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 100 110 120 130 140 150 160 Tensión [V] Cierre de lazo (Tensión) Vout Ref 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] -1 0 1 2 3 4 5 Corriente [A] Cierre de lazo (Corriente) iL Ref (total) iL1 Ref (rama) Figura 7.25: Cierre de lazo (Real Interleaved) Primero se tiene el cierre de lazo (Figura 7.25), que en este caso se puede ver que tiene un tiempo de establecimiento de un poco más de 200 ms, algo esperable, ya que ahora se está tratando con el sistema real. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 140 150 160 170 180 190 200 Tensión [V] Subida de referencia Vout Ref 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 1 2 3 4 5 6 Corriente [A] iL Ref (total) iL1 Ref (rama) Figura 7.26: Subida de referencia (Real Interleaved) La siguiente es la dinámica de subida (Figura 7.26), con un establecimiento menor de 200 ms, pero una sobreoscilación algo más notoria que la estimada en el HIL. Aún así, se puede ver que la forma obtenida es similar a la esperada. La sobreoscilación en la corriente es también algo mayor, asemejándose más a la estimada por simulación. En cualquier caso la dinámica se corresponde de una forma bastante buena a todo lo visto anteriormente.
84 Capítulo 7. Pruebas y resultados 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 140 160 180 200 Tensión [V] Bajada de referencia Vout Ref 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time [s] 1 2 3 4 5 Corriente [A] iL Ref (total) iL1 Ref (rama) Figura 7.27: Bajada de referencia (Real Interleaved) A continuación, está la dinámica de bajada (Figura 7.27), que presenta los mismos rasgos destacables que la dinámica de bajada, siendo en este caso algo más pronunciados pero suficientemente acepta bles. Para aclarar definitivamente las propiedades del interleaved se presentan los rizados de corriente en los dos puntos de operación trabajados (𝑉0=150 V y 𝑉0=200 V), y además en la Figura 7.30 se presenta el espectro de frecuencia de la corriente total. Figura 7.28: Régimen Permanente (𝑉0=150 V) Figura 7.29: Régimen Permanente (𝑉0=200 V) En primer lugar, con los rizados de corriente se pueden ver que reaparecen los artefactos debido al instrumento de medida. Incluso se puede ver la influencia de una rama en las demás. En cualquier caso, si se analizan los rizados cuantitativamente se tiene para las ramas respectivamente Δ𝑖𝐿1,2,3=66.67% y Δ𝑖𝐿1,2,3=53.62%. Para las corrientes totales en cambio se tienen los rizados de Δ𝑖𝐿=5.91% y Δ𝑖𝐿=5.69%, que son prácticamente los previstos con el HIL. En segundo lugar, a la vista del espectro de la Figura 7.30, se puede ver como la frecuencia de 10 kHz (marcado por el cursor X1) está muy atenuada, a unos −65 dBV, mientras que el armónico de 30 kHz es el principal (cursor X2) con una atenuación de tan solo −30 dBV, siendo prácticamente 10 veces mayor en escala natural. Esto permite justificar el hecho de que la corriente total conmute 3 veces más rápido que la de una sola rama.
7.2. Pruebas para los 3 módulos interleaved 85 Figura 7.30: Espectro en frecuencia de la corriente total 7.2.4 Influencia en las mediciones del interleaved Antes de dar por terminados los experimento se pretende comparar como son las mediciones de los sensores en cada caso, para hacer notar la influencia del ruido EMI en el equipo. Durante el montaje se ha tratado de ser lo más escrupuloso posible para menguarlo, sin embargo, a continuación se puede ver su influencia: Figura 7.31: Medida de 𝑖1 en módulo único Figura 7.32: Medida de 𝑖1 en interleaved En la Figura 7.31 se puede ver como la conmutación afecta levemente, más allá de los picos producidos de alta frecuencia que son filtrados. Sin embargo, en la Figura 3.4 se puede ver como las conmutaciones de las otras ramas afectan en la medida de la corriente de una rama. Esto es en parte inevitable pero podrían emplearse técnicas de aislamiento y filtrado para reducirlo.
86 8Conclusión y lineas futuras de investigación8.1 Conclusiones A lo largo de todo el proyecto salta a la vista lo complejo que resulta el diseño de convertidores. Esto se puede ver en los multiples condicionantes que se han ido teniendo, no solo a nivel de especificaciones, sino también en cuanto a los componentes que se podían usar o incluso las relaciones concretas que debían tener, para que estas casasen correctamente con parámetros como la frecuencia de conmutación o la alimentación disponible. Tales han ido siendo estos condicionantes que en un determinado punto del proyecto fue necesario escalar el diseño para poder llevarlo a la realidad. Siguiendo en esta linea, con este proyecto se ha aprendido también que la disposición de los cables puede suponer un factor determinante en cuanto al ruido que se tendría en los resultados del equipo. Esto fuerza que la organización de los componentes y sus cableados deban guardar un cierto orden, para intentar atenuar los ruidos electromagnéticos lo máximo posible. Así, tras enfrentar las situaciones que han permitido aprender las lecciones anteriormente expuestas, se ha logrado un equipo bien organizado y completamente funcional bajo especificaciones. Esto queda demostrado en el Capítulo 7, sin embargo, el proyecto no debería darse por concluido hasta probar que el sistema real sin escalar es capaz de cumplir con las características deseadas, pese a que teóricamente se ha probado que así lo haga. Adicionalmente, durante este trabajo se ha probado la utilidad de métodos de validación de sistemas como el Hardware In the Loop que permiten diseñar y probar rápidamente los controladores inte grados de una forma mucho más segura que enfrentarse directamente al sistema real. Tanto ha sido esto, que los problemas tenidos durante la puesta en marcha han estado todos ligados a la parte de hardware del equipo, mientras que la parte software se ha podido implementar en todo momento sin ninguna complicación. Otra conclusión muy importante que deja este proyecto hace referencia a la programación y el tiempo que se dispone para ello. En la mayoría de los casos, la programación en bloques, aunque mucho más intuitiva y rápida, puede inducir a errores debido a la forma y orden en la que cada bloque se compila (que en la mayoría de los casos es desconocido para el usuario). Por esta razón, la programación escrita directamente tiene un mayor valor, siendo su principal problema que requiere de un tiempo considerable para habituarse a su sintaxis y a la forma de trabajar con ella. En este trabajo se ha hecho un balance y con el tiempo del que se disponía resultaba mucho mejor emplear la programación en bloques y usar una mayor parte de este tiempo en otros aspectos de diseño y montaje.
8.2. Lineas futuras de investigación 87 8.2 Lineas futuras de investigación El presente trabajo puede servir como prototipo del sistema de un cargador real, sin embargo abre varias líneas de trabajo interesantes, tanto a nivel de hardware como software: En cuanto al hardware: • El sistema original se pensó para ir conectado a la red eléctrica. Esto exige el diseño e implemen tación de un convertidor de potencia inversor, con un transformador correspondiente para conseguir a la salida la tensión de 700V para la que estaba diseñada la entrada del convertidor Buck. • Por otro lado, con la conexión a red preparada o usando una fuente de mayor potencia, sería posible construir el convertidor Buck original, sin escalar, el cual habría que probar si sus resultados reales se ajustan a los estimados a partir del escalado. •Otras implementaciones para mejorar la seguridad del sistema incluirían el rediseño de algunas placas del Rack de Control, para añadir mecanismos que puedan proteger el sistema bajo ciertos criterios propios. (Por el momento, el sistema solo estaría protegido bajo los criterios del fabri cante). Este punto implicaría añadir una lógica que desactive los disparos de la placa via hardware para proteger al equipo completo cuando se usan cargas cuyo consumo es menor a los típicos que emplea el equipo. • El mayor problema enfrentado en el sistema ha sido sin duda los ruidos EMI, por lo que otra posible línea de trabajo sería implementar unos elementos pasivos de filtrado que sean capaces de mitigar este problema. Esta propuesta implicaría utilizar un instrumento menos sensible a los ruidos que las sondas amperimétricas, o aislar su medición de una mejor forma. En cuanto al software: • Para una aplicación real, el código de control puede resultar insuficiente. Por ello, se propone trabajar en nuevas implementaciones que añadan mejoras tales como un cierre de lazo suave o un mecanismo de precarga, que resulta imprescindible conforme aumenta la potencia con la que se trabaja. • Del mismo modo, se propone la implementación de un filtro que pueda eliminar los efectos de los ruidos de medición. Esta propuesta se deja como vía alternativa a la propuesta en la parte de hardware para afrontar los problemas de EMI. • Otra forma de aprovechar el sistema construido podría ser aumentando la frecuencia de muestreo ya que los semiconductores SiC lo permiten. De este modo se podrían explorar todas las consecuencias que tendría en el funcionamiento. • Todo lo referente a la programación de la FPGA de la BBoard se ha tratado muy de pasada en este proyecto, sin embargo, indagar en esta parte permitiría optimizar el código de control, facilitando mejoras como el aumento de frecuencia del punto anterior. Esta propuesta requeriría de un cierto conocimiento de VHDL y de la forma de trabajo de Imperix con Vivado.
88 Índice de Figuras1.1.Figura 1.1: Emisiones de gases de efecto invernadero por sector (1990-2021)[1]11.1.Figura 1.2: Desglose de las emisiones de CO₂ procedentes del transporte(1990-2021)[1]11.1.Figura 1.3: Objetivos de la UE y emisiones medias de CO₂ en laboratorio delos vehículos nuevos [1]21.1.Figura 1.4: Emisiones medias en carretera y en laboratorio [1]21.2.Figura 1.5: Estructura completa de un coche eléctrico y cargador [4]31.2.Figura 1.6: Infraestructura de carga [4]31.2.1.Figura 1.7: Toma de carga [5]41.2.2.Figura 1.8: Esquema del OBC41.2.2.Figura 1.9: Convertidor AC/DC[6]41.2.2.Figura 1.10: Convertidor DC/DC [7]41.2.2.Figura 1.11: Topología OBC 1 [4]51.2.2.Figura 1.12: Topología OBC 2 [4]51.2.3.Figura 1.13: Supercharger V2 [4]61.2.3.Figura 1.14: Terra HP150 [4]61.2.4.Figura 1.15: Distribución interna de la batería [8]61.3.Figura 1.16: Curva de carga de una batería71.3.Figura 1.17: Curva de potencia en la carga [16]82.1.Figura 2.1: Estructura funcional del controlador de la B-Board Pro [17]92.1.1.Figura 2.2: Estructura de los PWM [17]102.1.1.Figura 2.3: Estructura de la B-Board [17]102.1.2.Figura 2.4: Conectores de B-Board [17]112.1.2.Figura 2.5: B-Board montada en la Carrier Board [18]11
89Índice de Figuras 2.1.2.Figura 2.6: Regiones de la Carrier Board [19]112.2.Figura 2.7: Topología de la etapa de potencia [20]122.2.Figura 2.8: Corriente en función del duty cycle [20]122.2.Figura 2.9: Corriente en función de la tensión del DC link [20]122.2.Figura 2.10: Corriente en función de la frecuencia [20]122.2.Figura 2.11: Lógica de protección para las entradas de disparo [20]132.2.Figura 2.12: Leds de fallo [20]132.3.1.Figura 2.13: Pinout del LA25-NP [21]142.3.2.Figura 2.14: Pinout del LV25-P [22]142.3.3.Figura 2.15: Placa de sensores de tensión152.3.3.Figura 2.16: Placa de sensores de corriente152.3.3.Figura 2.17: Pinout RJ11(Placa de Sensores)162.4.Figura 2.18: Montaje operacional de las placas de entrada162.4.Figura 2.19: Placa de entradas analógicas172.4.Figura 2.20: Pinout RJ11(Entradas Analógicas)172.4.Figura 2.21: Pinout de cable planode alimentación172.4.Figura 2.22: Pinout de cable plano de datospara entrada analógica172.5.Figura 2.23: Placa de transmisores182.5.Figura 2.24: Placa de receptores182.5.Figura 2.25: Pinout de cable plano de datospara placa de optos182.6.Figura 2.26: Placa de alimentación182.6.Figura 2.27: Pinout de conector de bloque de 4 vías192.6.Figura 2.28: Esquemático de la placa de alimentación192.7.Figura 2.29: Placa de conexiones (Versión 1 a la izquierda, Versión 2 a laderecha)193.1.Figura 3.1: Interfaz superior de Matlab203.1.1.Figura 3.2: Componentes básicos203.1.1.Figura 3.3: Toolbox de Simscape21
90 Índice de Figuras 3.1.2.Figura 3.4: Bloques de control213.1.2.Figura 3.5: Control System Toolbox213.1.3.Figura 3.6: Stateflow Toolbox213.1.3.Figura 3.7: Control System Toolbox213.1.4.1.Figura 3.8: Opciones disponibles para la descarga del software [28]223.1.4.1.Figura 3.9: Plantilla de Simulink223.1.4.2.Figura 3.10: Bloque de configuración223.1.4.2.Figura 3.11: Ajuste del propósito del modelo233.1.4.2.Figura 3.12: Periodo y tiempos de control233.1.4.2.Figura 3.13: Ajustes Bloque de Configuración (1)233.1.4.2.Figura 3.14: Ajustes Bloque de Configuración (2)233.1.4.2.Figura 3.15: Ajustes Bloque de Configuración (3)233.1.4.2.Figura 3.16: Ajustes Bloque de Configuración (4)233.1.4.2.Figura 3.17: Bloque del ADC233.1.4.2.Figura 3.18: Configuración del ADC243.1.4.2.Figura 3.19: Bloques de propósito general243.1.4.2.Figura 3.20: Configuración del GPI243.1.4.2.Figura 3.21: Configuración del GPO243.1.4.2.Figura 3.22: Bloques del Sandbox243.1.4.2.Figura 3.23: Configuración del SBI253.1.4.2.Figura 3.24: Configuración del SBO253.1.4.2.Figura 3.25: Bloque del DAC253.1.4.2.Figura 3.26: PWM Carrier-based253.1.4.2.Figura 3.27: Configuraciones generales del PWM253.1.4.2.Figura 3.28: Configuración del Carrier-based263.1.4.2.Figura 3.29: Librería de potencia263.1.4.2.Figura 3.30: Bloque del PEB263.1.4.2.Figura 3.31: Configuración del PEB263.1.4.2.Figura 3.32: Parameter y Probe273.1.4.2.Figura 3.33: Ajustes del Tunable Parameter273.1.4.2.Figura 3.34: Otros bloque Imperix27
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