Control Del Sistema de Traccion de Un Vehiculo Electrico

7/24/2019 Control Del Sistema de Traccion de Un Vehiculo Electrico

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INSTITUTO POLITCNICO NACIONALINSTITUTO POLITCNICO NACIONALINSTITUTO POLITCNICO NACIONALINSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA YELCTRICA

SECCIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN

CONTROL DELCONTROL DELCONTROL DELCONTROL DEL SISTEMA DESISTEMA DESISTEMA DESISTEMA DETRACCINTRACCINTRACCINTRACCIN DEDEDEDE UN VEHUN VEHUN VEHUN VEHCULOCULOCULOCULO

ELCTRICOELCTRICOELCTRICOELCTRICO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:

Maestro en Ciencias en Ingeniera ElctricaMaestro en Ciencias en Ingeniera ElctricaMaestro en Ciencias en Ingeniera ElctricaMaestro en Ciencias en Ingeniera Elctrica

P R E S E N T A:

ING. JORGE SANTANA GARCAING. JORGE SANTANA GARCAING. JORGE SANTANA GARCAING. JORGE SANTANA GARCA

MXICO, D.F.MXICO, D.F.MXICO, D.F.MXICO, D.F. DICIEMBRE DE 2012DICIEMBRE DE 2012DICIEMBRE DE 2012DICIEMBRE DE 2012


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RESUMEN.

El desarrollo de esta tesis est enfocado al diseo e implementacin de un sistema detraccin para un vehculo elctrico impulsado por una mquina sncrona de imanespermanentes controlada por medio de la tcnica de control por campo orientado yempleando un sistema de almacenamiento de energa basado en supercapacitores. Laestacin de carga de los supercapacitores fue desarrollada en otra tesis, al igual que eldesarrollo de un convertidor CD-CD requerido para el accionamiento de la MSIP. Esta tesisforma parte del proyecto Desarrollo de un prototipo de Vehculo Elctrico SUPERCAPpara la Ciudad de Mxico (Proyecto:PICC010-95).

Para desarrollar el sistema de traccin elctrica se realizo la simulacin en el programa

MATLAB/SIMULINK para evaluar el desempeo y obtener los ajustes adecuados pararealizar la implementacin. La implementacin se llevo a cabo en el laboratorio deelectrnica de potencia y se monto en la estructura de un automvil con el cual sedesarrollaron las pruebas. Para lograr la implementacin se utiliz un DSC TMS320F28335marca Texas Instruments, un inversor fuente de voltaje marca Powerex 1200 V-75 A, unafuente de voltaje TDK-Lambda GEN 300 V-17 A, una mquina sncrona de imanespermanentes marca Control Techniques de 5 HP 240 V-13 A, un mdulo de 6supercapacitores marca Maxwell de 145 F 48 V-130 A cada uno y la estructura de unvehculo marca GEM 150E, adems de un cargador de supercapacitores y un convertidor

CD/CD realizados en otras tesis.Se obtuvieron resultados experimentales satisfactorios en la implementacin del control porcampo orientado de la mquina de imanes permanentes, cumpliendo con el objetivoprincipal.


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ABSTRACT.

This thesis addresses the design and implementation of an Electric Vehicle Traction System

powered by a Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) which is controlled byusing Field Oriented Control and energy storage system based in ultracapacitors. Theultracapacitors charging station and the DC/DC converter necessary for driving the PMSMwere developed in other thesis. This thesis is part of the project: Desarrollo de un prototipode Vehculo Elctrico SUPERCAP para la Ciudad de Mxico (Proyecto:PICC010-95).

In order to develop the traction system a simulation was carried out on MATLAB/Simulink to evaluate the performance and get the appropriate settings for deployment.Whole implementation was carried out in the power Electronics Laboratory and assembledin a chassis of a car in which the tests were made. A TMS320F28335 Texas InstrumentsDigital Signal Controller, a Powerex 1200V-75A Source Voltage Inverter, a ControlTechniques 5HP-240V-13A PMSM, six Maxwell 145F-48V-130A ultracapacitors and theGEM chassis of a car were used to get the functional system.

In the development of this work were gotten satisfactory experimental results in theimplementation of the PMSM controlled by FOC, achieving the main objective.


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RESUMEN. ............................................................................................................................. iABSTRACT. .......................................................................................................................... ii

CONTENIDO ........................................................................................................................ iiiLISTA DE FIGURAS. .......................................................................................................... viLISTA DE TABLAS. ............................................................................................................ ixGLOSARIO DE TRMINOS. ............................................................................................... x

CAPTULO I. INTRODUCCIN. ......................................................................................... 11.1. Estado del Arte.

1.2. Justificacin.

1.3. Objetivo de la tesis.

1.4. Alcance.

1.5. Estructura de la Tesis.

CAPTULO II. DESCRIPCIN DEL SISTEMA DE TRACCIN DEL VE. ...................... 62.1. Introduccin.

2.2. Historia del . 2.3. Mquinas Elctricas Empleadas en Vehculos Elctricos.

2.4. Tcnicas de Control Vectorial para Mquinas Elctricas de CA.

2.4.1. Control Directo de Par.

2.4.2. Control de Campo Orientado.

2.5. Partes que Conforman el Sistema de Traccin.

2.5.1. La Mquina Sncrona de Imanes Permanentes.

2.5.2. El Inversor.

2.5.3. El 2.5.4. Los Supercapacitores.

2.5.5. El Diferencial.

2.6. Modelo de la MSIP.

2.7. Modelo Promedio del Inversor.

2.8. Sintonizacin de los Lazos de Control PI.

2.9.1. Diseo del Lazo de Control de Corriente.

2.9.2. Diseo del Lazo de Control de Velocidad.

2.9. Descripcin General del Movimiento del Vehculo.

2.9.1. Fuerzas de Oposicin al Movimiento del Vehculo.

2.9.2. Ecuacin Dinmica del Vehculo.


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CAPTULO III. SIMULACIN DEL SISTEMA DE TRACCIN DEL VEHCULOELCTRICO. ....................................................................................................................... 34

3.1. Introduccin

3.2. Modelo General del Sistema de Traccin.

3.3.

Simulacin del Modelo del Vehculo.

CAPTULO IV. DESARROLLO, COMPROBACIN E IMPLEMENTACIN DELSISTEMA EN EL LABORATORIO. .................................................................................. 51

4.1. Introduccin

4.2. Descripcin del Equipo Utilizado en el Desarrollo del Prototipo.

4.2.1. Fuente de . 4.2.2. El Inversor.

4.2.3. El . 4.2.4. La Mquina Sncrona de Imanes Permanentes.

4.2.5. Los Supercapacitores.

4.2.6. El Chasis del Vehculo.

4.3. Uso de Code Composer Studio.

4.3.1. Registros para la Habilitacin de Perifricos.

4.3.2. Mdulo de Reloj del DSC.

4.3.3. Mdulo PWM.

4.3.4. Modulo de Interrupciones.

4.3.5. Mdulo QEP.

4.3.6. Mdulo ADC.

4.4. Macros con Funciones Predeterminadas.

4.4.1. Biblioteca IQ-Math.

4.4.2. Macro de Transformacin CLARKE-PARK.

4.4.3. Macro de Generacin de Vectores Espaciales SVGEN.

4.4.4. Macro de Clculo de Velocidad SPEED REF.

4.4.5. Macro de los Controladores Digitales PID.

4.4.6. Macro del Controlador de Pulsos del Decodificador de Cuadratura QEP.

4.5. Implementacin de los Algoritmos de Control.

4.6. Diagramas de Conexin.

CAPTULO V. ANLISIS DE RESULTADOS EXPERIMENTALES. ............................ 865.1. Introduccin.

5.2. Resultados Experimentales del Control por Campo Orientado.


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CAPTULO VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ....................................... 926.1. Introduccin.

6.2. Conclusiones.

6.3. Recomendaciones.

REFERENCIAS. .................................................................................................................. 94

APNDICE A. TRANSFORMACIN DE CLARKE Y PARK. ....................................... 98A.1 . Transformacin de Coordenadas.

A.2 . Obtencin del Modelo de la MSIP.

APNDICE B. CDIGO PARA EL CONTROL POR CAMPO ORIENTADO. ............ 104B.1 . Inclusin de Archivos Cabecera y Llamado de Funciones.

B.2 . Cdigo Principal.

APNDICE C. DISEO DE LA BRIDA. ......................................................................... 110


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CAPTULO II. DESCRIPCIN DEL SISTEMA DE TRACCIN DEL VE.

Figura 2. 1. Representacin del Control Directo de Par. ...................................................... 10Figura 2. 2. Trayectoria del Comando del Vector de Flujo. ................................................. 11Figura 2. 3. Representacin del Control por Campo Orientado. .......................................... 13Figura 2. 4. Modelo General del Sistema de Traccin del VE. ............................................ 16Figura 2. 5. MSIP Empleada en este Proyecto [32] ............................................................. 17Figura 2. 6. Inversor Empleado en este Proyecto [33]. ........................................................ 18Figura 2. 7. DSP Empleado en este Proyecto [34]. .............................................................. 19Figura 2. 8. Mdulo de SC Empleados en este Proyecto [36]. ............................................. 20Figura 2. 9. Transeje Empleado en este Proyecto................................................................. 21Figura 2. 10.Circuitos Equivalentes en Coordenadas

. .................................................... 22

Figura 2. 11. Modelo Promedio del Inversor........................................................................ 24Figura 2. 12. Diagrama a Bloques del Motor en el Eje . ................................................. 25Figura 2. 13. Diagrama a Bloques del Lazo de Corriente. ................................................... 26CAPTULO III. SIMULACIN DEL SISTEMA DE TRACCIN DEL VEHCULOELCTRICO.

Figura 3. 1. Modelo General del Sistema de Traccin. ........................................................ 34Figura 3. 2.Diagrama de Simulacin del Modelo . ........................................ 35Figura 3. 3. Diagrama de simulacin del bloque

. ........................................... 35

Figura 3. 4. Seales de Voltaje de Control (, ) de Entrada al Inversor. .............. 36Figura 3. 5. Seales de Voltaje a la Salida del Inversor. ...................................................... 36Figura 3. 6. Diagrama de Simulacin del Bloque . .................................................... 37Figura 3. 7. Diagrama de Simulacin para Ajustar las Seales , y . .................... 37Figura 3. 8. Transformacin directa. a) Transformacin de Clarke. b) Transformacin dePark. ...................................................................................................................................... 38Figura 3. 9. Transformacin Inversa. a) Transformacin de Park. b) Transformacin deClarke. .................................................................................................................................. 38Figura 3. 10. Diagrama de Simulacin del Bloque . ................................... 39Figura 3. 11. Diagrama de Simulacin del Bloque

. ..................................................... 39

Figura 3. 12. Diagrama de Simulacin para la Obtencin de las Tres Corrientes. ............... 40Figura 3. 13. Simulacin de una Integral Discreta en Simulink. .......................................... 40Figura 3. 14. Simulacin de la Comparacin de la Velocidad Real y la Velocidad deReferencia. ............................................................................................................................ 40Figura 3. 15. Controlador de Velocidad. ......................................................................... 41Figura 3. 16. Saturacin del Controlador para Mantener el Valor Nominal de Salida. ....... 41Figura 3. 17. Diagrama Completo del Control por Campo Orientado en el Bloque . .. 42


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Figura 3. 18. Diagrama de simulacin del bloque . ......................................... 43Figura 3. 19. Diagrama de simulacin en el bloque . .......................................... 43Figura 3. 20. Perfil Empleado para la Simulacin del Vehculo Avanzando al Frente. ....... 45Figura 3. 21. Perfil Empleado para la Simulacin del Vehculo Avanzando Hacia Atrs. .. 45Figura 3. 22. Corrientes de Fase y Voltajes de Lnea en las Terminales del Motor. ............ 46Figura 3. 23. Resultados Obtenidos de la Simulacin del Comportamiento del Vehculo. . 48Figura 3. 24. Grficas de las Corrientes en el Marco . .................................................... 49Figura 3. 25. Grfica del Clculo de la Posicin Mantenida Dentro del Lmite . .... 49Figura 3. 26. Voltajes del Motor en el Marco de Referencia . ........................................ 50CAPTULO IV. DESARROLLO, COMPROBACIN E IMPLEMENTACIN DELSISTEMA EN EL LABORATORIO.

Figura 4. 1. Fuente TDK Lambda Gen 300-17. ................................................................... 51

Figura 4. 2. Montaje de la Jaula de Faraday. ........................................................................ 53

Figura 4. 3. a) Base de Acoplamiento C2000 b) Tarjeta de Control TMS320F28335. ....... 54Figura 4. 4. Esquema de la Arquitectura del F2833x. .......................................................... 55Figura 4. 5. Acoplamiento Mecnico Motor-Diferencial. .................................................... 56Figura 4. 6. Cargador de Supercapacitores [21]. .................................................................. 57Figura 4. 7. Carrocera del VE [26]. ..................................................................................... 57Figura 4. 8. Diagrama a Bloques de los Pines de Propsito General. .................................. 58Figura 4. 9. Diagrama del Mdulo del Reloj. ....................................................................... 59Figura 4. 10.Subregistros del registro SYSCLKOUT. ......................................................... 60Figura 4. 11. Diagrama a Bloques del Mdulo ePWM. ....................................................... 61

Figura 4. 12. Subregistros del Registro TBCTL. .................................................................. 61Figura 4. 13. Fuentes de Reinicio. ........................................................................................ 62Figura 4. 15. Registros Necesarios para obtener una Interrupcin. ...................................... 63Figura 4. 14.Distribucin de Interrupciones por medio del PIE. .......................................... 63Figura 4. 16. Habilitacin de Registros para Obtener Interrupciones. ................................. 64Figura 4. 17. Estructura Interna del PIE. .............................................................................. 64Figura 4. 18. Registros Correspondientes del PIE. ............................................................... 65Figura 4. 19. Diagrama a Bloques del QEP. ......................................................................... 65Figura 4. 20. Diagrama a Bloques del ADC. ........................................................................ 66Figura 4. 21.Subregistros del Registro ADCTRL 1. ............................................................ 67

Figura 4. 22. Representacin Fraccionaria de un Nmero Binario. ..................................... 68Figura 4. 23. Representacin de un Nmero en diferentes Formatos IQ. ............................ 69Figura 4. 24. Uso de la Biblioteca IQ-Math. ........................................................................ 69Figura 4. 25. Conversin de operaciones IQ Math a Punto Fijo y Flotante. ........................ 70Figura 4. 26. Diagrama de la Implementacin por Campo Orientado. ................................ 76Figura 4. 27. Diagrama General de los Procesos del DSC. .................................................. 79Figura 4. 28. Diagrama de Flujo de la Interrupcin de Proteccin. ..................................... 80


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Figura 4. 29. Diagrama del Sistema de Potencia. ................................................................. 81Figura 4. 30. Diagrama de Control para el Accionamiento de los Relevadores. .................. 81Figura 4. 31. Bateras RODA de 12 VCD. ........................................................................... 82Figura 4. 32. Diagrama de Conexin del VE. ...................................................................... 82Figura 4. 33. Tarjeta de Control y DSC Montados. .............................................................. 83Figura 4. 34. Tablero con Indicadores LED. ........................................................................ 84Figura 4. 35. Conexin de la Protecciones. .......................................................................... 84Figura 4. 36. Modulo de SCs Montado en el VE. ................................................................ 85Figura 4. 37. Montaje del Inversor en el VE. ....................................................................... 85

CAPTULO V. ANLISIS DE RESULTADOS EXPERIMENTALES.

Figura 5. 1. Seales de Salida del modulo SVGEN. ............................................................ 87Figura 5. 2. Calculo de los Voltajes de Fase y Conversin de las Corrientes de Fase. ........ 88Figura 5. 3. Obtencin de la Posicin de la MSIP. ............................................................... 88Figura 5. 4. Corrientes Medidas y Graficadas de las Fases Ay B. ....................................... 89Figura 5. 5. Seales de posicin y del Mdulo PWM. ......................................................... 90Figura 5. 6. Grficas de las Seales de Corriente en el Marco . ...................................... 91Figura 5. 7. Grafica Comparativa de la Velocidad Simulada y Velocidad Real. ................. 91

APNDICE A. TRANSFORMACIN DE CLARKE Y PARK.

Figura A. 1. Transformacin Clarke . ............................................................. 98Figura A. 2. Transformacin de Coordenadas a . .................................................. 99APNDICE C. DISEO DE LA BRIDA.

Figura C. 1. Vistas de la Brida empleada para el montaje de la . ............................. 110Figura C. 2. Vista en Isomtrico de la Brida. ..................................................................... 111


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LISTA DE TABLAS.

CAPTULO II. DESCRIPCIN DEL SISTEMA DE TRACCIN DEL VE.

Tabla 2. 1. Tabla de Vectores ptimos de Voltaje. .............................................................. 12Tabla 2. 2. Parmetros de la MSIP Control Techniques. ..................................................... 17Tabla 2. 3. Parmetros del Inversor Powerex. ...................................................................... 18Tabla 2. 4. Parmetro del DSC Texas Instrument C2000. ................................................... 19Tabla 2. 5. Parmetros Supercapacitores Maxwell............................................................... 20Tabla 2. 6. Datos del Diferencial. ......................................................................................... 21

CAPTULO III. SIMULACIN DEL SISTEMA DE TRACCIN DEL VEHCULOELCTRICO.

Tabla 3. 1. Parmetros empleados para la simulacin. ......................................................... 44

CAPTULO IV. DESARROLLO, COMPROBACIN E IMPLEMENTACIN DELSISTEMA EN EL LABORATORIO.

Tabla 4. 1. Descripcin de las Terminales de Interfaz con el DSC. ..................................... 52Tabla 4. 2. Parmetros del Cargador. ................................................................................... 56Tabla 4. 3. Voltajes Correspondientes a las Terminales. ...................................................... 83Tabla 4. 4. Indicadores del Tablero. ..................................................................................... 83


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rea frontal del vehculo.

A Ampere. Convertidor analgico-digital. Anti-Windup. Brazo de palanca donde se aplica la fuerza sobre la llanta. ngulo de inclinacin de la calle. Coeficiente de friccin viscosa. Coeficiente de arrastre aerodinmico. Capacitancia

Corriente Alterna.

Corriente Directa., , Seales de control para el modelo promedio del inversor que representan alos voltajes de fase en el estator de la mquina. , , Seales de control para el modelo promedio del inversor que representan alos voltajes de lnea en el estator de la mquina. Factor de proporcin de par en el eje., Marco de referencia sncrono referido al rotor de la mquina. , Marco de referencia rotatorio referido al rotor de la mquina.

dB Decibeles.

Controlador de Seales Digitales.

Procesador de Seales Digitales. Control directo de par. Control directo de par y flujo. Eficiencia mecnica del sistema de engranes del diferencial. Frecuencia de muestreo.F Faraday Fuerza debida a la inclinacin de la calle.

Fuerza de resistencia debido al rodamiento.

Fuerza de traccin proporcionada por la mquina.

Fuerza de oposicin al movimiento del vehculo. Fuerza de arrastre aerodinmico. Coeficiente de resistencia de rodamiento. Fuerza electromotriz. Control por campo orientado. Ganancia del controlador en lazo abierto.


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GPIO Multiplexor de entrada/salida de propsito general. Aceleracin de la gravedad. Angulo entre el flujo del rotor y flujo del estator.H Henry.

Hz Hertz. Nivel de salida digital del controlador de par. Nivel de salida digital del controlador de flujo. Ancho de la banda de histresis del controlador de par. Ancho de la banda de histresis del controlador de flujo. Corriente en el bus de directa del inversor. Corriente de la mquina a rotor bloqueado. Corriente de armadura en una mquina de CD.

Corriente de campo en una mquina de CD.

Corriente nominal de la mquina. Vector de corriente del estator de la mquina., , Corrientes de fase en el estator de la mquina. Componente en el eje directo del vector de corriente del estator. Componente cero del vector de corriente del estator. Componente en el eje de cuadratura del vector de corriente del estator. Vector de corriente en el estator de la mquina. Instituto de Ciencia y Tecnologa de Distrito Federal.

Transistor bipolar de compuerta aislada.

Inercia del rotor. Inercia en las ruedas. Inercia en la flecha del motor. Constante del inversor empleando una modulacin sinusoidal. Ganancia integral del controlador de corriente. Ganancia integral del controlador de velocidad. Ganancia proporcional del controlador de corriente. Ganancia proporcional del controlador de velocidad.

Constante de proporcionalidad inherente a cada mquina

Kilmetro. Componente de la inductancia de magnetizacin en el eje directo. Componente de la inductancia en el eje directo. Inductancia de magnetizacin. Componente de la inductancia de magnetizacin en el eje de cuadratura. Componente de la inductancia en el eje de cuadratura. Inductancia del rotor de la mquina.


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Inductancia del estator de la mquina. Inductancia de dispersin del estator de la mquina.m Metro.

Peso del vehculo.

Margen de fase. Mquina de Induccin. Mquina Sncrona de Imanes Permanentes. MinutoNdFeB Neodimio-hierro-boro. Newton-metro. Relacin de engrames Potencia nominal de la mquina.

Numero de polos de la mquina.

Controlador Proporcional-Integral. Modulacin por ancho de pulso. P Fuerza de reaccin del suelo sobre la llanta.PIE Bloque de expansin de interrupcin de perifricos. Resistencia del estator de la mquina.rad Radin. Revolucin.

Revoluciones por minuto.

Radio efectivo de la llanta. Densidad del aire.s Segundo Variable en el dominio de Laplace. Supercapacitores., . . , Sectores para la ubicacin del vector de flujo en el estator. Par electromagntico de referencia para la mquina. Par electromagntico desarrollado por la mquina.

Par electromagntico desarrollado por la mquina a rotor bloqueado.

Par de carga. Par que acta en la flecha del motor. Par de resistencia debido al rodamiento. Par que acta sobre las ruedas. Tiempo de muestreo. Tiempo de muestreo del DSC. Posicin elctrica del rotor de la mquina.


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V Volt., , Voltajes trifsicos de referencia para el estator de la mquina. Valor pico de la seal triangular para realizar la modulacin sinusoidal.

Voltaje en el bus de directa del inversor.

, , Voltajes en el estator de la mquina. Voltaje nominal de la mquina. Componente en el eje directo del vector de voltaje en el estator. Componente en el eje de cuadratura del vector de voltaje en el estator. Velocidad del vehculo. Vehculos Elctricos. Vehculos Hbridos. Inversor Fuente de Voltaje.

Fase de la funcin de transferencia en lazo abierto.

Ohm.W Watt.Wb Webber. Velocidad angular de las ruedas. Velocidad mecnica del rotor de la mquina. Velocidad elctrica del flujo en el estator de la mquina. Frecuencia de corte de la funcin de transferencia del lazo de velocidad. Frecuencia de corte de la funcin de transferencia del lazo de corriente.

Velocidad nominal desarrollada por la mquina.

Velocidad mxima desarrollada por la mquina. Vector de flujo de referencia de la mquina. Flujo de los imanes permanentes de la mquina. Componente en el eje directo del vector de flujo en el estator. Componente cero del vector de flujo en el estator. Componente en el eje de cuadratura del vector de flujo en el estator. Vector flujo del rotor. Vector del flujo del estator.


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CAPTULO I. INTRODUCCIN.

En la actualidad los vehculos elctricos () son una alternativa a los vehculos decombustin interna, especialmente porque son amigables con el medio ambiente, no emiten

partculas ni gases contaminantes, adems presentan una mejora en la eficiencia el consumode energa [1]. En los prximos aos se espera que la produccin de incrementeconsiderablemente [2]. El sistema de propulsin es la parte fundamental del , el cualbsicamente consiste del motor, la transmisin y las ruedas. De hecho el motor emplea unconjunto de dispositivos para su accionamiento como son el convertidor y los controladoreselectrnicos. Una opcin viable para el sistema de traccin del se ha centrado en lasmquinas de por su robustez, menor peso y menor volumen.La tecnologa en el control de los accionamientos de mquinas de

ha mejorado

considerablemente. Esto se debe principalmente al avance logrado en las tcnicas decontrol desarrolladas por varios aos. La implementacin de estos conceptos fue posiblegracias al desarrollo de la tecnologa de los microcontroladores, procesadores de sealesdigitales () y los avances en semiconductores de potencia [3].El control del par o velocidad en las mquinas elctricas son componentes imprescindiblesen casi todos los procesos industriales. En el pasado estos procesos eran realizados por lasmquinas de , pero durante los ltimos aos los motores de han alcanzado un granauge. Para aplicaciones de bajo desempeo se utiliza el control voltaje-frecuencia en lazoabierto. Si se requiere un control de mayor desempeo, se pueden emplear tcnicas decontrol vectorial como: el Control de Campo Orientado (), o ms recientemente elControl Directo de Par (). Al usar estas tcnicas, tanto la mquina de induccin ()como la mquina sncrona de imanes permanentes () pueden ser empleadas enaplicaciones de alto desempeo donde alguna vez fue dominio exclusivo de las mquinasde CD.

El y el son tcnicas que permiten el desacoplamiento del par y el flujo de formaque sean controlados independientemente. En un motor de con excitacinindependiente, del desacoplamiento se obtiene cuando se vara la corriente en el devanado

de campo, logrando controlar el flujo al igual que la velocidad; mientras que para controlarel par, se vara la corriente de armadura. En un motor de se puede lograr eldesacoplamiento implementando transformaciones de Clark e y Park para el modelo decontrol en un marco de referencia donde se trabaje con voltajes y corrientes con magnitudescontinuas y puedan ser controladas ms fcilmente.


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Las tcnicas de control mencionadas anteriormente han sido investigadas, sin embargoalgunos problemas continan sin solucionarse. Por ejemplo el es muy dependiente delconocimiento de la constante de tiempo del rotor cuando se usa una mquina de induccin.En el

, en su forma ms general se obtiene una frecuencia de conmutacin del inversor

no constante, lo cual puede generar grandes prdidas en el motor y en el propio inversor.Las tcnicas que se emplean para solucionar este problema dependen grandemente de losparmetros de la mquina. En esta tesis se lleva a cabo la seleccin de la plataforma decontrol, as como la seleccin del motor adecuado para realizar el sistema de traccin paraun vehculo elctrico. Se desarrolla tambin la simulacin en Matlab/Simulink de elsistema de traccin, para posteriormente realizar la implementacin.

1.1.Estado del Arte.

El uso de la mquina de induccin en los

ha sido amplio. En 1993 Joachim Fetz,

Kazuyoshi Obayashi presentaron un trabajo empleando una

con la tcnica

y

desarrollando un algoritmo con proteccin de sobrecorriente, para obtener un altodesempeo y una alta eficiencia en bajas velocidades para aplicaciones en [4]. En 2008D. Casadei, F. Milanesi, G. Serra, A. Tani, L. Zarri analizaron el motor de induccin en unvehculo elctrico para un amplio intervalo de velocidad, empleando un algoritmo paraobtener un mejor desempeo en bajas velocidades aplicado en el control de campoorientado, presentando sus resultados experimentales del sistema en modo de recuperacinde energa [5]. En 2009 A. M. Bazzi, A. P. Friedl, S. Choi, P. T. Krein presentaron unanlisis de la sensibilidad de los parmetros y desempeo dinmico de la tcnica de controlvectorial

y

para aplicaciones de traccin en

[6].

Sin embargo desde la aparicin de los materiales magnticos como el NdFeB y el Samario-Cobalto (SmCo), el desarrollo de la ha sido acelerado, lo cual la convierte en unabuena opcin para la aplicacin en . La tiene una mayor densidad de potencia,mayor densidad de par, menor tamao, mayor eficiencia debido a la ausencia de prdidasen el rotor y una mayor eficiencia en la zona de operacin de potencia constante sobre la[7]. Otra ventaja de la es que opera con alto factor de potencia aun para cargasligeras. En el 2009 Michael J. Melfi, Steve Evon, y Robbie Mcelveen presentan unacomparacin entre una y una de las mismas caractersticas [8], en el cual se lograobservar una ligera ventaja de la

para aplicaciones de traccin elctrica, en este

trabajo se presentan los resultados del anlisis desarrollado en un sistema real. Msrecientemente en el 2010 D. G. Dorrell, M. Popescu, L. Evans, D. A. Staton y A. M. Knightpresentan una comparacin para dos mquina similares una y otra [9], en estetrabajo se realiza el anlisis del diseo para la implementacin en un VE hibrido, presentanlos resultados obtenidos, as como conclusiones donde se observa una mayor eficiencia porparte de la mquina sncrona. En los ltimos aos se ha extendido el uso del motor sncronopor sus caractersticas favorables en los sistemas de traccin elctrica.


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Sobre estas tcnicas se han realizado muchos estudios por ejemplo en [3] y [10], pormencionar solo algunos se realiza el anlisis de desempeo el y el , obteniendoprcticamente los mismos resultados y sealando que dependiendo de la aplicacin ser latcnica que se utilizar. Generalmente para control de motores se emplea mucho el

como se puede ver en [11, 12, 13].

1.2.Justificacin.

Los vehculos elctricos se han convertido en una alternativa a los vehculosconvencionales de combustin, sobre todo porque son amigables con el medio ambiente, locual lo convierte en una gran ventaja en la actualidad. Los se han visto como unaposible solucin al problema de la contaminacin, debido a que no requieren el uso decombustibles fsiles y adems se incrementa considerablemente la eficiencia en el uso dela energa. Los

generalmente utilizan bateras como fuente de almacenamiento de

energa, la desventaja es que una vez descargadas toman un tiempo de carga muy grandepara recargarse. A diferencia de las bateras los supercapacitores () se cargan muyrpido aunque la energa almacenada es menor que en las bateras. Este proyecto estenfocado hacia el desarrollo de un vehculo elctrico con sistema de almacenamiento deenerga con supercapacitores evitando el uso de bateras, que permita un recorrido dedistancias cortas sin cables y evite la contaminacin en el centro de la ciudad. Esta tesisest financiada por el Instituto de Ciencia y Tecnologa del Distrito Federal (),mediante el proyecto: Desarrollo de un prototipo de Vehculo Elctrico SUPERCAP parala Ciudad de Mxico (Proyecto:PICC010-95).

1.3.Objetivo de la tesis.

Objetivo general.

Desarrollar e implementar el sistema de traccin de un vehculo elctrico accionado por unamquina de CA y una tcnica de control vectorial que utilice un sistema de almacenamientode energa basado en supercapacitores.

Objetivos especficos.

Seleccionar la mquina de traccin requerida para el . Seleccionar la plataforma de control. Desarrollar los algoritmos de control de traccin y frenado elctrico.

Desarrollar un programa de simulacin para probar los algoritmos(Matlab/Simulink).

Desarrollar pruebas de laboratorio y de campo con el .


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1.4.Alcance.

Esta tesis forma parte de un proyecto que comprende el desarrollo de varias partes delvehculo, y se enfocar en el desarrollo del sistema de traccin del vehculo, es decir,controlar el motor sncrono por medio del control de campo orientado y un inversor. Sedesarrollarn todos los clculos para el control adecuado y se desarrollar las simulacionesen MATLAB/Simulink para posteriormente implementarlo.

1.5.Estructura de la Tesis.

Capitulo 1. Introduccin.Se da una breve descripcin de los trabajos realizados en el desarrollo de los

, se

describen los objetivos, la justificacin de esta tesis, as como los alcances de la misma.

Capitulo 2. Descripcin del Sistema de Traccin del VE.Se explican las tcnicas de control vectorial, los motores empleados en traccin elctrica, seselecciona la mquina y tcnica que se emplear. Se obtienen los modelos de cada uno delos elementos que se utilizaran para la simulacin del sistema y se da una descripcin decada uno de ellos.

Capitulo 3. Simulacin y Anlisis de Resultados del Modelo del VE.En este captulo se realiza la simulacin del sistema de traccin, con la tcnica de controlseleccionada y la mquina de . Se describe a grandes rasgos cada una de la partes delsistema que se emplearon. Se muestran y describen los resultados obtenidos.Capitulo 4. Desarrollo, Comprobacin e Implementacin del Sistema enel Laboratorio.En este captulo se realiza la construccin del sistema de traccin, se describe el desarrollodel programa implementado para el control de la mquina, as como el ensamble del equipodentro del prototipo del , adems se describe la funcin de cada uno de los equiposutilizados en la implementacin.

Capitulo 5. Pruebas y Anlisis de Resultados.En este captulo se analizan los resultados obtenidos en el sistema de traccin realizado enel laboratorio con la tcnica de control seleccionada y la mquina empleada, adems secomparan con los resultados obtenidos de la simulacin.


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Capitulo 6. Conclusiones y Recomendaciones.En este captulo se hacen sugerencias de cmo mejorar el hardware y el softwaredesarrollados, se valoran los resultados obtenidos y se analiza el cumplimiento del objetivode la tesis, y se realizan recomendaciones para trabajos futuros.


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CAPTULO II. DESCRIPCIN DEL SISTEMADE TRACCIN DEL VE.

2.1.

Introduccin.En este captulo se da una breve descripcin de la historia del , se describen las partesque conforman el sistema de traccin del , as como la descripcin de los modelosmatemticos de los elementos empleados para el accionamiento de la mquina elctrica. Serealiza una descripcin de las tcnicas de control vectorial y mquinas empleadas para elsistema de traccin elctrica. Se elegir solo alguna de las tcnicas y una mquina para serempleadas en el sistema de traccin. Se proceder a realizar los modelos matemticos delmotor, el control vectorial, el inversor y el comportamiento dinmico del , paraposteriormente realizar la simulacin por medio del programa MATLAB/Simulink el

cual se describe en el captulo tres.

2.2.Historia del .Actualmente la mayora de los vehculos dependen del combustible fsil como fuente deenerga necesaria para su propulsin. El calor liberado durante la combustin es convertidaen energa mecnica, mientras que los residuos de la combustin son liberados al aire. Enun vehculo elctrico el motor elctrico presenta algunas ventajas sobre el de combustininterna, como una alta eficiencia, ausencia de emisiones, y sobre todo, no depende delpetrleo y la operacin del motor es silenciosa [38].

Las principales desventajas de los hasta hace unos aos eran principalmente un mayorpeso, baja eficiencia y poca confiabilidad, lo cual lo convertan en una opcin de uso pocoviable en comparacin a su contraparte el vehculo de combustin interna [14].Actualmente con el desarrollo de la tecnologa se han perfeccionado nuevas y mseficientes formas de almacenar energa, se han creado materiales ms ligeros motores mseficientes, microcontroladores con mayor capacidad de procesamiento, lo cual hapropiciado el avance y desarrollo de vehculos ms eficientes y precios ms accesibles [40].

El primer vehculo elctrico fue desarrollado por Frenchman Gustave Trouv en el ao de

1881 [41]. Era un triciclo impulsado por un motor de 0.1 HP alimentado por bateras deacido-plomo. El peso total del vehculo era de aproximadamente 160 kg incluyendo el pesodel conductor. En 1883 dos profesores britnicos construyeron un vehculo similar,desafortunadamente no era lo suficientemente eficiente para las necesidades del pblico,por lo cual no llamaron mucho la atencin. La velocidad mxima alcanzada era de 15 km/h,y alcanzaban a recorrer una distancia de hasta 16 km.


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El primer comercial fue elMorris and Saloms Electroboaty fue utilizado como taxi enla ciudad de Nueva York por una compaa creada por sus mismos inventores. ElElectroboat era usado con tres cambios de 4 horas con periodos de carga de 90 minutosentre cada cambio. Este vehculo era impulsado por dos motores de 1.5 HP que permitanalcanzar una velocidad de 32 km/h y recorrer una distancia total de 40 km [42].

En el ao de 1987 la invencin del frenado regenerativo por Frenchman M. A. Darracqensu vehculo produjo un gran avance para los . Con esta invencin se logro recuperarparte de la energa cintica del vehculo y recargar las bateras al momento que se estfrenando, con lo cual se puede recorrer una distancia mayor. Esto contribuye grandemente ala eficiencia de la energa, por lo cual es una de las contribuciones ms grandes en latecnologa para y .Debido a que los vehculos de combustin interna se volvieron ms potentes, ms flexibles

y ms fciles de manejar, pronto desplazaron a los provocando su desaparicin, el costoelevado y la poca distancia capaz de recorrer, as como, su bajo desempeo contribuyerontambin. Durante casi 60 aos los nicos que se comercializaban eran los carros de golfy coches repartidores [43].

La invencin del transistor en 1945 significo la evolucin del mundo de la electrnica y laelectricidad, el cual reemplazo rpidamente los tubos de vacio para seales electrnicas ydio paso a la invencin del tiristor, con lo cual se logro conmutar a altas corrientes y altosvoltajes. Esto permite regular la frecuencia para controlar un motor, sin la necesidad deemplear un restato que es ms ineficiente [15]. En 1966 General Motors construy la

Electrovan el cual empleaba motores de induccin que eran alimentados por un inversorconstruido con tiristores.

El ms significativo de aquella poca fue el Lunar Roving Vehicleque fue utilizado enla luna por los astronautas del Apolo, el vehculo pesaba 209 Kg y poda cargar un peso de490 Kg, era capaz de recorrer una distancia total de 65 km. La ausencia de aire y la pocagravedad de la luna hicieron que los astronautas alcanzaran grandes distancias con unalimitada tecnologa [42].

Entre los aos 60s y 70s el desempeo y autonoma de los eran obstculos, a pesar delos avances en la tecnologa de las bateras y el avance en la electrnica de potencia. En1980 y cerca de 1990 culmino la era moderna de los , cuando compaas tales comoGeneral Motors y Peugeot Socit Anonyme construyeron el EV1 y el 106 Electricrespectivamente. Estos vehculos representan un alcance considerable, comparados con losvehculos que se desarrollaron antes de ellos, pero nunca pudieron competir con sucontraparte, los vehculos de combustin interna.


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2.3.Mquinas Elctricas Empleadas en Vehculos Elctricos.

Los motores son los principales elementos de trabajo en la industria y juegan un papelimportante en la industria del transporte. Los accionamientos de velocidad variable son

usados en toda la industria para controlar de forma precisa la velocidad de los motores queaccionan cargas que van desde bombas, ventiladores y gras, hasta sistemas que requierende controladores con altos desempeos dinmicos [16]. Para el sistema de propulsin delvehculo hay una gran cantidad de motores que pueden ser empleados como son: el motorde induccin, el motor sncrono de imanes permanentes, el motor de y el motor dereluctancia variable, aunque los ms usados son los dos primeros.

Las aplicaciones bsicas de los motores muestran que el control de movimiento de unamquina elctrica puede enfocarse a uno o ms de los siguientes aspectos: control develocidad, par o posicin [45].

Los motores se pueden emplear en diferentes aplicaciones pero las ms importantes son lassiguientes:

Par constante: este requerimiento es para mantener el par constanteindependientemente de la velocidad. Esta aplicacin es adecuada para motores concarga con poca inercia que requieren un par de arranque muy grande.

Par variable: es empleado cuando se requiere un par pequeo en bajas velocidades yun alto par en altas velocidades. Esto es usado para cargas tales como bombas yventiladores.

Potencia constante: se emplea cuando se requiere de un alto par en bajasvelocidades y un bajo par en altas velocidades. Esto es usado en herramientasindustriales donde generalmente se usan mquinas de . En esta categora tambinse puede considerar los vehculos elctricos y los sistemas detraccin en general[46].

Inicialmente las mquinas de eran usadas ampliamente en donde se requera unaoperacin de alto desempeo en velocidad variable y control de par. En un motor de con excitacin separada, el flujo y el par pueden ser fcilmente controlados por medio delas corrientes de campo y de armadura. La principal desventaja de la mquina de es eluso del conmutador y de las escobillas, lo cual conlleva a un constante mantenimiento, ascomo, su uso limitado en aplicaciones de alta velocidad y alto voltaje.


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Las mquinas de presentan varias ventajas sobre su contraparte de , los cuales sonms robustos y pequeos para la misma potencia. Entre las mquinas de , el motor jaulade ardilla tiene ventajas adicionales, ya que es simple, robusto y es una de las mquinasms econmicas disponibles en el mercado. Las ventajas de la mquina de induccintambin incluyen la ausencia de conexiones elctricas que puedan generar chispas oacumulacin de polvo. Por lo cual son adecuados para ambientes explosivos y lugaresdonde se requiere poco mantenimiento. Hoy en da la mquina de induccin se ha impuestoen el mercado, sin embargo, tambin ha aumentado el uso de la mquina sncrona deimanes permanentes (), esto a consecuencia de la introduccin del material neodimio-hierro-boro (NdFeB) empleado para la fabricacin de los imanes [40].

Los imanes son usados para generar el flujo magntico en lugar de emplear unacomponente de magnetizacin de la corriente del estator como en el motor de induccin,adems en este motor no hay prdidas en el rotor como en el motor de induccin [44]. Lasventajas surgen por la simplificacin en su construccin logrando una reduccin deprdidas y mejorando la eficiencia. Las mquinas sncronas con imanes de alta densidad deflujo como el NdFeB son adecuados para control de alto desempeo donde se requiere deun alta aceleracin. Actualmente las mquinas de induccin y los son utilizadosampliamente en una gran cantidad de aplicaciones donde se requiere una rpida respuestadinmica y un control exacto de la velocidad y la posicin [6].

En las ltimas tres dcadas ha habido avances considerables en los semiconductores de

potencia y en la tecnologa de control ha permitido el desarrollo de los accionamientos develocidad variable para las mquinas de [15]. Desafortunadamente los modelosmatemticos de la mquina de son ms complejos que los de la mquina de , por talrazn requiere de esquemas de control ms complejos y convertidores ms costosos paralograr el control de par y velocidad. Usando enfoques de control como el y el , sepueden lograr desempeos dinmicos semejantes al de una mquina de .

2.4.Tcnicas de Control Vectorial para Mquinas Elctricas de CA.

Las tcnicas de control vectorial empleadas en las mquinas elctricas de son dos elcontrol orientado de campo (, por sus siglas en ingls) y el control directo de par(), aunque existen variaciones de cada uno de ellos el principio es el mismo, solopresentan algunas mejoras en ciertos aspectos, aunque no se han resuelto todos susinconvenientes por completo [10]. A continuacin se presenta una breve descripcin deestas tcnicas.


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2.4.1. Control Directo de Par.

El control directo de par y flujo () o tambin llamado control directo de par ()fue desarrollado por investigadores japoneses, al mismo tiempo que los alemanesdesarrollaban la tcnica de auto control directo (

), ambas caracterizadas por su buen

desempeo, robustez y simplicidad, lo convierten en una buena opcin en el accionamientode servomotores [3]. Esta tcnica se dio a conocer a mediados de 1980, y actualmente haprovisto una alternativa al . El es una tcnica de control que logra eldesacoplamiento entre el par y flujo del estator mediante la seleccin de vectores espacialesde voltaje del inversor por medio de una tabla de vectores ptimos. A diferencia del esta tcnica no requiere reguladores de corriente, generadores de seales otransformaciones a un marco de referencia. La figura 2.1 representa el esquema del .

Para implementar los lazos de control, el flujo del estator y del par electromagntico soncalculados mediante un estimador a partir de los voltajes y las corrientes del estator. Elcomando de flujo del estator y par son comparados con dichos valores estimados yel error resultante es procesado a travs de un controlador de histresis. El controlador dellazo de flujo tiene dos niveles de salida digital de acuerdo a las siguientes relaciones:

Figura 2. 1. Representacin del Control Directo de Par.


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= 1 > + = 1 < Donde 2HB es igual al ancho total de la banda de histresis del controlador de flujo. Elcontrolador del lazo de par tiene tres niveles de salida digital, el cual tiene las siguientesrelaciones:

= 1 > + = 1 < = 0 < < La trayectoria circular del comando del vector flujo del estator

rota en direccin

contraria a las manecillas del reloj como se muestra en la figura 2.2. El flujo se vaconstruyendo dentro de un camino limitado por la banda de histresis en forma de zigzag[15].

Dependiendo de la variable que se desee controlar, solo existir un vector de voltaje que seaplicar para obtener el comando requerido, a partir de esto se puede realizar una tabla querepresente los vectores adecuados y se puede observar en la Tabla 2.1.

Figura 2. 2. Trayectoria del Comando del Vector de Flujo.


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Tabla 2. 1. Tabla de Vectores de Voltaje. 1

1

0 -1 -1

1 0 -1

El flujo del estator es la integracin de la del estator [27]:= ( ) (2.1)=32 2 sin() (2.2)

Donde es la inductancia de magnetizacin, es la inductancia del rotor, es , es el flujo del rotor y es el ngulo entre ambos flujos.Por lo tanto la magnitud del flujo depende fuertemente del voltaje del estator. As como el

voltaje del estator cambie, el flujo del estator lo seguir rpidamente, y de igual forma elflujo del rotor cambia ms lento y menos pronunciado. Esto efecto modifica el ngulo entreel flujo del estator y el flujo del rotor y consecuentemente el par incrementara o disminuir.Por tal razn el flujo del estator y el par desarrollado pueden ser controlados directamentemediante la seleccin apropiada del voltaje del estator.

2.4.2. Control de Campo Orientado.

Esta tcnica de control se desarrollo alrededor de 1970. Existen varios tipos de control

vectorial: orientacin del flujo del estator, orientacin del flujo del rotor y orientacin delflujo de magnetizacin [16]. La finalidad de esta tcnica de control es ser capaz decontrolar el par electromagntico de una forma equivalente al de una mquina de conexcitacin separada. El permite controlar el flujo, as como el par mediante eldesacoplamiento, sin embargo el mtodo de orientacin de flujo del rotor permite undesacoplamiento completo.


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El objetivo del es mantener la magnitud del flujo del rotor a un valor constante,excepto durante la operacin en campo debilitado u optimizacin de flujo, y solo semodifica la componente de la corriente que produce el par para controlarlo la figura 2.3muestra el esquema general del

. Para obtener un desacoplamiento completo de par y

flujo, las corrientes trifsicas del motor se transforman en dos corrientes en un marco dereferencia rotatorio. Una componente genera el flujo (), y est alineada con el eje , laotra genera el par () esta es perpendicular al eje del flujo. De esta forma se logra obteneruna relacin lineal entre el par generado y la corriente , que de forma anloga seobtendra en una mquina de , esto se puede expresar como [20]:

= (2.3)Donde es la corriente de armadura, es la corriente de campo y es la constante deproporcionalidad inherente a cada mquina. Para la mquina de

se tiene:

= (2.4)Donde es la corriente alineada con el eje que controla el par,es la magnitud delflujo de los imanes permanentes.

Figura 2. 3. Representacin del Control por Campo Orientado.


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El puede ser implementado como indirecto o directo dependiendo del mtodo paraobtener el vector unitario. El control vectorial de retroalimentacin o directo, fuedesarrollado por Blaschke, este mtodo toma los valores de voltaje y corriente de lasterminales del motor para calcular el flujo en coordenadas

, as como el vector unitario

con la ayuda de un estimador de voltaje. El control vectorial de antealimentacin oindirecto, fue desarrollado por Hasse, en este mtodo el vector unitario se obtiene a partirde los valores de corriente y voltaje de la alimentacin, y los valores de la seal dereferencia.

En el control de una se debe considerar hacer = 0 debido a que se requiere uncontrol en la regin de flujo constante para obtener el mayor aprovechamiento e = ,de tal forma que exista un ngulo de 90 entre el flujo del estator y el par electromagntico.Por lo cual la expresin del par ser:

= 32 2 (2.4)Donde es el nmero de polos de la , es la corriente en el marco de referenciasncrono y es el flujo de los imanes permanentes. La transformacin de coordenadas serealizan conociendo el valor de , el cual se obtiene de la integracin de la velocidadangular:

= (2.6)

El esquema del control vectorial en una es ms sencillo que el de una y seobserva en la figura 2.3. En este diagrama se observa que se utilizan controladores , msadelante se ver como se obtienen las constantes de proporcionalidad.

2.5.Partes que Conforman el Sistema de Traccin.

Analizando las tcnicas de control vectorial se puede ver que el tiene algunas ventajassobre el

, ya que no se emplea la transformacin de coordenadas, reguladores de

corriente ni generadores de seales . A pesar de su simplicidad permite un buencontrol del par y un desempeo dinmico muy rpido, pero tambin cuenta con algunascaractersticas desfavorables como: dificultad de controlar el par a bajas velocidades, sepresentan altas corrientes y un rizado en el par, se tiene una frecuencia de conmutacinvariable, un alto nivel de ruido en bajas velocidades y es muy sensible a la desintonizacindebido a la variacin de los parmetros de la mquina.


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Por otra parte el necesita el empleo de controladores , del uso de transformacin decoordenadas, generador de , pero a diferencia del el rizado en el par en menor, yla frecuencia de conmutacin es constante por lo cual se pueden implementar filtros paraminimizar el contenido armnico, lo cual lo convierte en una buena opcin para lossistemas de traccin [17].

De acuerdo a lo presentado en el estado del arte y lo visto hasta el momento se decideemplear un motor sncrono de imanes superficiales de distribucin sinusoidal, el cual sercontrolado por medio de la tcnica de control vectorial de control de campo orientado. Pararealizar el modelado, primeramente se deben desarrollar los modelos matemticos de cadauno de los elementos que conforman el sistema de traccin. La figura 2.4 representa elesquema general del sistema de traccin que se implementa en el vehculo elctrico, comose puede observar los componentes principales son el motor, el controlador, la fuente dealimentacin y el diferencial.

La mquina elctrica es una , y la fuente de alimentacin son los supercapacitores.Partiendo de la red de alimentacin se utilizara un convertidor empleado para la carga delos supercapacitores que se realizara en otro proyecto de tesis. Los supercapacitorestransferirn la energa al motor a travs de un inversor alimentado por voltaje, el motor estconectado al diferencial por medio de un transeje que transmite el movimiento al eje dondese montan las ruedas.

Las flechas color rojo muestran el flujo de energa cuando los supercapacitores se

encuentran cargando, en este momento el interruptor 1 se encuentra cerrado, mientras queel 2 se encuentra abierto, la carga se realiza por medio del cargador compuesto por elrectificador y el convertidor. En la figura aparece como monofsico, aunque el cargador fuediseado para trabajar tanto en un sistema monofsico como trifsico.

Las flechas azules muestran el flujo de energa cuando el motor se encuentra traccionando,en este momento el interruptor 2 se encuentra cerrado, mientras que el interruptor 1 estabierto, la es alimentada a travs del convertidor y el inversor.Las flechas amarillas muestran el flujo de energa cuando el motor frena, este frenadoregenerativo debido a la inercia del propio motor devuelve energa a la fuente dealimentacin () logrando la recarga de los . Es necesario que el convertidor seabidireccional, es decir que trabaje en los cuatro cuadrantes para que el flujo de energa seaen ambos sentidos. A continuacin se da una breve descripcin de las caractersticas de loselementos empleados en el sistema de traccin.


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2.5.1. La Mquina Sncrona de Imanes Permanentes.

Como se menciono anteriormente, en este tipo de mquina el devanado de campo del rotores reemplazado por los imanes permanentes. Esto propicia la eliminacin de las prdidas decobre, y se obtiene una alta densidad de potencia y una baja inercia en el rotor. Lasdesventajas son la prdida de flexibilidad del control del flujo y un posible efecto dedesmagnetizacin [8]. Esta mquina tiene una mayor eficiencia que la perogeneralmente es ms costosa.

Figura 2. 4. Modelo General del Sistema de Traccin del VE.


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Existen dos tipos de mquinas de imanes permanentes: de imanes superficiales y de imanesinteriores. La primera tiene un devanado trifsico en el estator lo cual crea un flujo rotatoriosncrono en el entrehierro y los imanes estn pegados en el rotor usando un adhesivoepxido, se considera que este tipo de mquina tiene pequeas saliencias, por lo cual lainductancia en ambos ejes es prcticamente igual, esto es

= . El rotor tiene un

ncleo de hierro, el cual debe ser slido o hecho de laminaciones perforadas parasimplificar su fabricacin. En la segunda los imanes estn dentro del rotor, lo cual hace quela mquina sea ms robusta, permitiendo una velocidad de operacin mucho mayor, ademsel entrehierro efectivo en el eje es ms grande que en el eje lo cual ocasiona que lainductancia en el eje sea mayor que en el eje , es decir que > . En la tabla 2.2se presentan los parmetros y la figura 2.5 muestra la mquina que se utiliz en este trabajo.

Tabla 2. 2. Parmetros de la Control Techniques [25].Parmetro Smbolo ValorNo. de polos 6Resistencia del estator 0.31

Inductancia eje directo 2.1 Inductancia eje cuadratura 2.1 Flujo imn permanente 0.14814 Corriente rotor bloqueado 16.5 Corriente nominal 13.1 Voltaje nominal 220/240 Par electromagntico rotor bloqueado

15.3 m

Par electromagntico 12.2 mPotencia nominal 3.83 Inercia del rotor 0.00222 mVelocidad nominal 3000 Velocidad mxima 4200

Figura 2. 5. MSIP Empleada en este Proyecto [32]


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2.5.2. El Inversor.

Un inversor es utilizado cuando se requiere una seal de a partir de una seal de . Laseal de

se puede obtener de la rectificacin y filtrado del voltaje de lnea, pero en este

caso se obtendr la seal directamente de los

, y el flujo de potencia ser de forma

reversible, es decir, el flujo de potencia ser de a cuando el motor est traccionando,pero cuando el motor frena, la energa cintica asociada con la inercia del rotor hace quetrabaje como generador, provocando que la energa fluya en sentido inverso. La energagenerada durante el frenado se emplear para recargar los . Para lograr esto se necesitaque el convertidor trabaje en cuatro cuadrantes para que la corriente pueda ser reversible,este convertidor es denominado convertidor en modo conmutado, o tambin inversor fuentede voltaje o por sus siglas en ingles (). La figura 2.6 muestra el convertidor empleadoen este proyecto. La tabla 2.3 muestra los datos del inversor.

Tabla 2. 3. Parmetros del Inversor Powerex [23].Parmetro Valor

Corriente nominal 75 Voltaje de 1200 Voltaje de 440 Peso Aprox. 9.5 Frecuencia de conmutacin 20 Capacitor 3300 Tiempo de descarga del Cap.

240

Figura 2. 6. Inversor Empleado en este Proyecto [33].


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2.5.3. El Para lograr implementar el algoritmo de control es necesario contar con un dispositivo quesea capaz de realizar los clculos necesarios para la ejecucin de todo el programa decontrol, as como, generar las seales de disparo para los

, para as lograr el control de

la mquina. Este dispositivo es un controlador digital de seales (), el cual combina lapotencia de procesamiento de un y un microcontrolador en un solo dispositivo capazde proporcionar la mejor solucin para aplicaciones de control embebido en tiempo realque requieren de una gran cantidad de operaciones matemticas. Este dispositivo tambinser necesario para la implementacin de los controladores y filtros para la reduccin decontenido armnico. La tabla 2.4 muestra las caractersticas del TMS320F28335. Lafigura 2.7 muestra el utilizado en esta tesis.

Tabla 2. 4. Parmetro del

Texas Instrument C2000 [24].

Frecuencia 150 MHzTimer del 32 bits 12 bitsMemoria Flash 256KBMemoria 32 KBPerifricos

ePWM (6), eCAP (6), eQEP (2),ADC, eCAN (2), SCI (3). SPI, I2C,I/O (88)

Arquitectura Harvard (Harvard Modificada)Procesador Punto fijo y punto flotanteInterface JTAG Tiempo realProgramas C/C++/Ensamblador

Figura 2. 7. DSP Empleado en este Proyecto [34].


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2.5.4. Los Supercapacitores.

Actualmente en los vehculos elctricos e hbridos emplean diferentes sistemas dealmacenamiento de energa como son: bateras, volantes de inercia, as como, lossupercapacitores (

). Esta nueva tendencia de usar

ha incrementado

considerablemente, ya que cuenta con caractersticas como una alta densidad depotencia/energa, rpida capacidad de carga, un ciclo de vida muy grande y una altaeficiencia [28]. A diferencia de las bateras no utilizan algn medio qumico para almacenarenerga. Los han sido considerados muy superiores a las bateras en casi todos losaspectos, excepto porque no pueden entregar energa durante un tiempo prolongado. Lafigura 2.8 muestra el modulo de empleado en el proyecto y la tabla 2.5 presenta suscaractersticas.

Tabla 2. 5. Parmetros Supercapacitores Maxwell [35].

Parmetro ValorCapacitancia 145 Voltaje Nominal 48 Voltaje Mximo 51 Corriente Nominal 130 Corriente Mxima por 1 segundo 1900 Energa Almacenada 52.8 Densidad de Energa 3.9 /Densidad de Potencia 3.3 /Peso

13.5

Ciclo de Vida 1000000Corriente de Corto circuito 7600

Figura 2. 8. Mdulo de SC Empleados en este Proyecto [36].


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2.5.5. El Diferencial.

Debido a que se utiliza un motor elctrico que tiene una curva par-velocidad casi ideal, esdecir, es muy parecida a la curva caracterstica del vehculo, puede o no utilizarse latransmisin, lo cual simplifica la construccin del

, as como, disminuye su costo.

Adems para transmitir el movimiento del motor al eje de las ruedas o transeje, se empleael diferencial, en este caso no se utiliza la transmisin dado que el motor est montadodirectamente como se muestra en la figura 2.9. Al no emplear la transmisin se obtiene unahorro de espacio y una mayor eficiencia dado que las prdidas mecnicas disminuyen. Alemplear el diferencial solo hay que tomar la relacin de cambio debido a los engranes quese encuentran en su interior. Las caractersticas del transeje empleado en este proyecto semuestran en la tabla 2.6.

Tabla 2. 6. Datos del Diferencial [37].

Modelo del eje HB8062Forma estructural Eje de suspensin rgidaReductor principal Engrane de diente sesgadoDiferencial Engranaje epicicloidalSemieje SemiflotanteCaja del eje Placa de acero soldado tipo integralFreno de pedal Aceite a presinFreno de estacionamiento Mecnico tipo cuerda flojaPotencia asociada Hasta 4.5 kWRelacin de transmisin 10.25:1 12.49:1No. Dientes del reductor 19

Figura 2. 9. Transeje Empleado en este Proyecto.


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A continuacin se desarrollan los modelos matemticos de cada una de las partes queconstituyen el sistema de traccin, para posteriormente realizar la simulacin.

2.6.Modelo de la MSIP.

Para simular la , es necesario encontrar el modelo dinmico en un marco dereferencia rotatorio para simplificar su anlisis, basado en el modelo obtenido en [10], yconsiderando que la mquina no tiene hilo neutro, los circuitos equivalentes utilizados paraun anlisis dinmico se observan en la figura 2.10 y se obtienen en el apndice A.

De aqu se obtienen las siguientes ecuaciones:

VVV = 0 00 00 0

+ +

0 0 0 00 0 0 +

00 (. 18)

Figura 2. 10.Circuitos Equivalentes en Coordenadas .


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Y la representacin del par electromagntico es [31]:

=3

2

2( ) + (2.1)

Y la velocidad angular es:

= 2 ( ) (2.2)2.7.Modelo Promedio del Inversor.

En el anlisis y diseo de sistemas electrnicos de potencia muy complejos como en estecaso el accionamiento de un motor se emplean varios niveles de modelado y anlisis comoson el modelo detallado, el modelo promedio y el modelo de pequeas seales o lineal [29].

Cada uno cuenta con un nivel de complejidad distinto y todos tienen el mismocomportamiento, solo depende de que tan exacto se requiere que sean los valores de salida.En este caso por conveniencia se emplear el modelo promedio en el cual se obtendrn tresseales de voltaje con la frecuencia fundamental sin el contenido armnico debido a laconmutacin de los elementos electrnicos, esto propicia la aceleracin de la ejecucin delprograma para el anlisis del control. La figura 2.11 presenta el diagrama del inversor,donde , son las seales de control. Las ecuaciones que se obtienen del modeloson las siguientes [30]: =

= (2.3)

= El valor de las fuentes de voltaje que representan las seales de voltaje que alimentan a lamquina se pueden obtener como:

= =

= (2.4)

Igualando la potencia de entrada con la potencia de salida se obtiene la corriente

que

representa la corriente en el bus de .= = (2.5)De esta ecuacin se obtiene que: = (2.6)


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2.8.Sintonizacin de los Lazos de Control PI.

Los controladores de par y velocidad del motor se emplean para hacer menos vulnerable alsistema ante disturbios y cambios en los parmetros del sistema [17]. Las variables desalida tales como par y velocidad son medidas y retroalimentadas para ser comparados convalores deseados o de referencia. El valor entre la referencia y el valor medido esamplificado y por medio del controlador se minimiza o elimina. El controlador es diseadocon los siguientes objetivos:

Obtener error cero en estado estable.

Una buena respuesta dinmica lo que implica una respuesta transitoria rpida con unpequeo tiempo de estabilizacin y un pequeo sobretiro.

La estructura de control en cascada en comnmente utilizada para los accionamientos demotores debido a su flexibilidad. Este consiste de distintos lazos de control el interno, ellazo de corriente (par) y el que le sigue es el lazo de velocidad, en caso necesario se puedeutilizar un tercer lazo de control de posicin. El control de cascada requiere que el ancho debanda (velocidad de respuesta) incremente en el lazo interno, es decir, el lazo de par es elms rpido y el de velocidad es ms lento. A continuacin se presentan los pasos a seguirpara disear los controladores [11]:

1. El primer paso es asumir que alrededor del punto de operacin en estado estable loscambios en la entrada y los disturbios en la carga son pequeos. Todo el sistemapuede ser considerado como lineal en el punto de operacin en estado estable si seconsidera un anlisis en pequea seal, de esta forma se pueden aplicar losconceptos bsicos de la teora de control lineal.

Figura 2. 11. Modelo Promedio del Inversor.


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2. Basado en la teora de control lineal y una vez que el controlador ha sido diseado,el sistema completo puede ser simulado bajo condiciones de grandes seales paraevaluar el desempeo del controlador. El controlador deber trabajarapropiadamente.

Una vez contemplados los puntos anteriores se proceder al diseo. Primero por cuestin dediseo se asumir que el voltaje del bus de () es constante. Relacionando el voltaje con el valor pico del voltaje de la seal triangular ( ) se define la constante deproporcionalidad del inversor, esto es:

= (2.7)El motor y la carga son modelados con los circuitos equivalentes de la figura 2.10. Lasecuaciones

(.18),

(2.1) y

(2.2) deben ser expresadas en el dominio de Laplace, por lo

tanto se tiene: = + (2.8)= + + (2.9)

=32 2 (2.10)

= 2 (2.11)

Con las ecuaciones anteriores se puede obtener un diagrama de bloques que represente a laMSIP. La figura 2.13 representa este modelo.

Figura 2. 12. Diagrama a Bloques del Motor en el Eje .


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2.9.1. Diseo del Lazo de Control de Corriente.

Para disear el lazo de control de corriente se tomar en cuenta el diagrama de bloquespresentado en la figura 2.14.

Figura 2. 13. Diagrama a Bloques del Lazo de Corriente.

Tomando en cuenta la figura anterior la funcin de transferencia en lazo abierto es:

= + () 1+ (2.12)= 1 + / () 1/1 + / (2.13)

Seleccionando el cero / e igualndolo con el cero del motor (/) paracancelarlo se obtiene:

= (2.14)Ahora la ganancia tiene la siguiente forma:= 1 (2.15)En esta funcin de transferencia se le asignara la frecuencia de corte = 2, donde lafrecuencia es de un orden menor que la frecuencia de conmutacin del inversor (1 kHz).Por lo tanto se tiene:

= (2.16)A partir de aqu se obtienen las constantes proporcional e integral.


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= =(10002)(0.31)300/(1/3) = 3.7485 (2.17)

= =(10002)(0.0021)300/(1/3) = 0.0253 (2.18)

2.9.2. Diseo del Lazo de Control de Velocidad.

Para este lazo de control se seleccionar la frecuencia de cruce de un orden de magnitudmenor que la frecuencia de cruce del lazo de corriente (100 Hz) y considerando que lossistemas elctricos son ms rpidos que los sistemas mecnicos se tomara como unitario ellazo de control de par. En la figura 2.9 se presenta el diagrama a bloques del lazo de controlde velocidad.

Figura. 2.9. Diagrama a bloques del lazo de velocidad.

De la figura 2.9 se obtiene la siguiente funcin de transferencia:

= 1 + / 34 (2.19)En la ecuacin (2.19) se tiene que la frecuencia a la cual la ganancia es unitaria es para

0dB. El retraso de fase generado a la frecuencia de corte por la funcin de transferencia en

lazo abierto debe ser menor a 180 para que el sistema sea estable. A este ngulo de lafuncin en lazo abierto y medido respecto a 180se le llama margen de fase (). Parauna respuesta dinmica satisfactoria el margen de fase deber ser mayor a 45, sin embargocomnmente se selecciona con un valor de 60.

= + 180 (2.20)


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Igualando (2.19) a la unidad y tomando en cuenta (2.20) se obtiene:

1 + /

34

= 1 (2.21)

1 + / 34 = 180 (2.22)Resolviendo simultneamente estas ecuaciones se obtienen las constantes deproporcionalidad.

=2 ()

cos ( 180)3 (/2) =2(1002)

(0.00222) cos(120)3(3)(0.14814)= 217.1432 (2.23)=2() sin( 180)3 (/2) =2(1002)(0.00222) sin(120)3(3)(0.14814)= 0.60402 (2.24)

2.9.Descripcin General del Movimiento del Vehculo.

El comportamiento dinmico del vehculo elctrico est basado en principios de lamecnica [18]. En un vehculo actan una gran cantidad de fuerzas, lo cual lo convierten enun sistema muy complejo, por tal razn solo se analizaran las fuerzas ms importantes y sedescribirn a continuacin.

2.9.1. Fuerzas de Oposicin al Movimiento del Vehculo.

Cuando el vehculo se encuentra en movimiento, existe una fuerza que lo impulsa haciaadelante denominada , esta fuerza aparece donde el suelo y la llanta hacen contacto.Dicha fuerza es producida por el par que genera el sistema de propulsin del vehculo(mquina elctrica). Asimismo existe una fuerza que trata de oponerse a su movimiento,dicha fuerza es el resultado de la suma de la resistencia de rodamiento, el arrastreaerodinmico, resistencia debida inclinacin del camino y una fuerza transitoria que surgecuando el vehculo acelera o frena [14].


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En la figura 2.10 se observan las fuerzas que interaccionan en el vehculo. De acuerdo conla segunda ley de Newton se puede describir la aceleracin del vehculo como [39]:

=

(2.25)

Donde es la velocidad del vehculo, representa el esfuerzo de traccin, es laresistencia total que se opone al movimiento del vehculo y es la masa del vehculo.A continuacin se describen cada una de las fuerzas que actan sobre el auto enmovimiento.

Figura. 2.10. Fuerzas que actan sobre el vehculo.

2.10.1.1. Resistencia al Rodamiento.

La resistencia de rodamiento es causada principalmente por la histresis de los materialesde las llantas cuando estn rodando sobre superficies slidas. Esto es debido a la deflexinde la cubierta. La histresis causa una distribucin asimtrica de las fuerzas de reaccinsobre la superficie de contacto del neumtico con el suelo, esto se puede observar en lafigura 2.11. La presin en la mitad delantera del rea de contacto es ms grande que en lamitad trasera, esto da lugar a una fuerza que se opone al desplazamiento del automvil (

),

esta fuerza producir un par .El par producido debido a la fuerza de rodamiento se puede expresar como:

= P (2.26)


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La segunda es ocasionada por la diferencia de velocidades que existe entre las molculas deaire que estn cercanas a la superficie del automvil y las que estn ms alejadas, de estaforma ocasiona una friccin que resulta en la segunda componente del arrastreaerodinmico. Esta fuerza se puede representar como:

=12 (2.29)Donde es la velocidad del vehculo, es la densidad del aire, es el rea frontal delvehculo y es el coeficiente de arrastre aerodinmico.

2.10.1.3. Resistencia Debida a la Inclinacin de la Calle.

Cuando un vehculo sube una pendiente, su peso produce una componente que va endireccin contraria a la que avanza, lo cual causa una oposicin en su movimiento o ayudacuando desciende la pendiente. Esta fuerza se puede describir como:

= sin() (2.30)Donde es la aceleracin de la gravedad y es la masa del vehculo.

2.9.2. Ecuacin Dinmica del Vehculo.

De todas las fuerzas que actan sobre el vehculo, las fuerzas que actan con mayor gradoson las mencionadas anteriormente, la fuerza de resistencia al rodamiento (), la fuerzadebida al arrastre aerodinmico (), la fuerza debida a la inclinacin del camino (), yuna fuerza transitoria que surge cuando el vehculo acelera o frena ( ). Por lo tanto laecuacin que representa el modelo dinmico del vehculo se puede escribir retomando laecuacin (2.25), y despejando la fuerza de traccin total se obtiene:

= + + + (2.31)Esta ecuacin representa la fuerza que acta sobre el vehculo, por lo cual el par en lasllantas ser: = + (2.32)


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Donde es el par que acta sobre las ruedas, es la inercia en las ruedas, es lavelocidad angular de las ruedas y es el factor de proporcin de par en el eje.Incorporando la eficiencia de los engranes y la eficiencia del sistema mecnico se tiene:

= + 1 (2.33)Donde es el par que acta en la flecha del motor, es la inercia en la flecha del motor,es la velocidad angular del motor, es la relacin de engrames y es la eficienciamecnica del sistema. Expresando la velocidad mecnica en velocidad lineal se tiene:

= = (2.34)Sustituyendo (2.32)en (2.33)se tiene:= + 1 1 + (2.35)Sustituyendo (2.30)y (2.31)se tiene:

=

+ 1

+ + + 12 + (2.36)Finalmente agrupando trminos se obtiene:

= + 1 +

+ + + 12 (2.37)O de igual forma despejando la aceleracin angular se obtiene:


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+ 1 + =

+ + 1

2

(2.38)

Y finalmente se obtiene:

= + + 12 + 1 ( + ) (2.39)

La ecuacin (2.39)representa la velocidad en el eje del motor. En esta ecuacin se puedeapreciar que en el momento en que la parte negativa del numerador sea un poco mayor que

, se da la inversin de giro del motor provocando que la velocidad sea negativa, mientrasque cuando sea igual que la aceleracin ser cero.


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CAPTULO III. SIMULACIN DEL SISTEMADE TRACCIN DEL VEHCULO ELCTRICO.

3.1.Introduccin

En este captulo se describe las partes que constituyen el modelo realizado enMatlab/Simulink del modelo del vehculo elctrico obtenido en el captulo anterior. Elmodelo constituye los bloques que representan al inversor, la mquina elctrica, el vehculoelctrico y el bloque de control por campo orientado. Tambin se presentan los resultadosobtenidos de cada uno de dichos modelos. El modelo ser implementado y descritoposteriormente.

3.2.Modelo General del Sistema de Traccin.

El modelo completo del sistema de traccin del vehculo obtenido en Simulink se muestraen la figura 3.1, el cual representa los elementos fsicos mostrados en la figura 2.4, dondelos supercapacitores y el convertidor de /se han representado por una fuente de .Este modelo est conformado bsicamente por la fuente de que representa el bus de que alimenta al inversor, y este a su vez proporciona las seales de voltaje modulado quealimenta al motor trifsico. El control por campo orientado se realiza en el bloquedenominado como , en el cual las seales de entrada son las corrientes de fase, ascomo, la velocidad real medida del motor para compararlo con el comando de velocidad aseguir.

Figura 3. 1. Modelo General del Sistema de Traccin.


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Fuente de CD.

Como se mencion anteriormente el bloque del modelo representa el bus de en el cual se encuentran conectados los supercapacitores proporcionando un voltaje de300

. En un sistema real, cuando la

trabaja como motor o generador se

presentaran variaciones de voltaje en las terminales de la fuente, esto se debe a que cuandola trabaja como motor habr una disminucin del voltaje en el bus, debido a que elmotor est consumiendo energa, de forma inversa cuando la mquina trabaja comogenerador habr un incremento de voltaje debido a que se est entregando energa hacia lafuente. Para lograr observar este comportamiento es necesario colocar un filtro en lasterminales de la fuente de . La figura 3.2 muestra el modelo de dicha fuente, as como elfiltro.

El inversor.

En el capitulo anterior se analiz el modelo promedio del inversor (ver figura 2.11), ahorase realiza el diagrama de simulacin y se encuentra en el bloque

. La figura 3.3

muestra el diagrama contenido en el bloque.

Figura 3. 2.Diagrama de Simulacin del Modelo .

Figura 3. 3. Diagrama de simulacin del bloque .


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A partir de las seales de control denominadas como , se obtiene una fuente devoltaje controlada una vez que las seales de control son convertidas en seales elctricas,cabe mencionar que estas seales son sinusoidales para que las salidas tambin

sinusoidales. El valor de la seal de salida

es igual a

, donde

=

ya que este es

el valor mximo de salida del inversor, para el caso de la modulacin vectorial del ancho delos pulsos, en la figura 3.4 se muestran las seales de control. Las seales , tienen un valor unitario (ec. 2.4), o tambin =3 . En este caso el voltaje del busde es de 300 , por lo cual el voltaje de salida de fase tiene un valor pico de = ,lo mismo ocurre para y aunque desfasados 120 entre cada una. La figura 3.5 muestralos voltajes de fase de salida mximo considerando la mxima trayectoria circular delvector espacial de voltaje del estator para el caso del vectorial.

Figura 3. 4. Seales de Voltaje de Control (, ) de Entrada al Inversor.

Fi ura 3. 5. Seales de Volta e a la Salida del Inversor.


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La MSIP

Utilizando las ecuaciones (. 18), (2.1)y (2.2)se desarrolla el modelo del motor, en estecaso solo se empleo el diagrama en el eje y en el eje . En la figura 3.6 se muestra eldiagrama del motor en Simulink.

En el primer bloque de la izquierda las seales , y son seales que se manejancomo variables fsicas utilizando los puertos conectores de Matlab, por lo cual es necesario

convertirlas a seales numricas comunes, lo cual se logra con el bloque que se muestra enla figura 3.7.

Figura 3. 6. Diagrama de Simulacin del Bloque .

Figura 3. 7. Diagrama de Simulacin para Ajustar las Seales , y .


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En los bloques y , bsicamente se realiza la transformacin decoordenadas de un marco de referencia trifsico estacionario a un marco de referenciasncrono, en el cual es el ngulo de posicin obtenido a partir de la integracin de lavelocidad del motor. En el apndice A, en las ecuaciones

. 1,

. 2,

. 3y

. 4representan

las transformaciones de Clarke y de Park forma directa e inversa. La figura 3.8 muestra latransformacin directa ( ); la figura 3.8.a es la transformacin de Clarke, mientrasque la 3.8.b es la transformacin de Park, ambas son desarrolladas empleando el bloque deSimulink para funciones.

La transformacin inversa ( ) se muestra en la figura 3.9, en estas simulacionesno se emplea la transformacin en el eje cero debido a que se trabaja en con un sistema

trifsico sin hilo neutro y balanceado, por lo cual el valor en el eje cero es cero. La figura3.9.a muestra la transformacin de Park y la figura 3.9.b muestra la transformacin deClarke.

Figura 3. 8. Transformacin directa. a) Transformacin de Clarke. b) Transformacin de Park.

Figura 3. 9. Transformacin Inversa. a) Transformacin de Park. b) Transformacin de Clarke.


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El bloque contiene los diagramas realizados a partir de la figura 2.10 y lafigura 3.10 muestra este diagrama de simulacin. La figura 3.11 muestra el diagrama querepresenta el par desarrollado por el motor de la ecuacin (2.1).

El control por campo orientado.

En el bloque

se desarrolla el algoritmo que se emplea para controlar al motor y que se

implementa en el controlador de seales digitales, donde claramente se pueden ver los lazosde control de par y flujo, los controladores y el comando de velocidad a seguir. En estemodelo se observa que las variables medidas son las corrientes de fase , a partir delas cuales se obtiene para poder transformarlas al sistema con el conocimiento previodel ngulo de posicin. En la figura 3.12 se observa el bloque donde se realiza esteprocedimiento.




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A partir de la ecuacin (2.2)se puede obtener la posicin elctrica para realizar latransformacin de coordenadas, debido a que se est trabajando en un sistema discreto se

debe emplear una integral discreta. La figura 3.13 muestra una integral discreta realizada enSimulink.

Otra de las variables medidas es la velocidad del motor, la cual es comparada con lavelocidad de referencia. Para realizar el control es necesario que ambas velocidades seanconvertidas de a /, lo cual se logra empleando el diagrama de la figura 3.14, unavez que se obtiene el error debido a la resta de ambas variables se emplea como entradapara los controladores

Figura 3. 12. Diagrama de Simulacin para la Obtencin de las Tres Corrientes.

Figura 3. 13. Simulacin de una Integral Discreta en Simulink.

Figura 3. 14. Simulacin de la Comparacin de la Velocidad Real y la Velocidad deReferencia.


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El controlador se emplear para lograr eliminar el error entre el valor medido y el valor dereferencia, por lo cual se emplean tres controladores, el primero es el de velocidad cuyavariable de entrada es el error de la comparacin de velocidad de referencia y real, dandocomo variable de salida la corriente de referencia en el eje

. La comparacin de la

corriente de referencia en el eje

con la corriente real, dar como resultado la variable de

entrada al controlador de corriente, y cuya variable de salida ser un valor de voltaje dereferencia. Lo mismo sucede para el controlador en el eje . La figura 3.15 muestra elbloque del controlador , as como, el diagrama contenido en el bloque.

Usualmente cuando se trata de sintonizar lazos de control en sistemas reales, la planta esmodelada sin tomar en cuenta sus limitaciones fsicas, tales como voltajes y corrientes, locual puede causar que la salida del controlador incremente hasta un valor indefinido. Paraevitar que esto suceda se pueden utilizar saturaciones para mantener la salida dentro de los

lmites nominales. La figura 3.16 muestra este diagrama.

Cuando los valores de salida del controlador son limitados, el error se va acumulando en el

PI externo, es decir el de velocidad, lo cual produce un gran sobretiro, este fenmeno sellama Windup y se caracteriza por la saturacin del sistema. El resultado puede ser ladegradacin del desempeo del sistema y por consecuencia la inestabilidad [19]. Porejemplo en el accionamiento de un motor este fenmeno podra ocasionar que las corrientesy voltajes incrementen y por consecuencia se dae el motor, as como, el convertidor. Paraevitar esta situacin, un integrador con valor de salida mximo, ser utilizado paramantener los valores dentro de los lmites, lo cual se conoce como Anti-Windup ().

Figura 3. 15. Controlador de Velocidad.

Figura 3. 16. Saturacin del Controlador para Mantener el Valor Nominal de Salida.


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Otra solucin puede ser la sintonizacin continua de los parmetros del PI para mantener lasalida amortiguada todo el tiempo. En este caso se emplea el modelo bsico del , y enla figura 3.14 se muestra como se implementa en la parte integral del controlador paramantener la salida dentro de los limites nominales de la mquina.

Todos lo diagramas descritos anteriormente conforman el

Control Del Sistema de Traccion de Un Vehiculo Electrico

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