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CONTROLADOR PWM PARA MOTORES DE CC.

Maximiliano A. Freije

Directores: Ing Walter Kloster, Ing. Sergio González

1. RESUMEN

En este artículo se presenta el diseño de uncontrolador para motores de CC que permitecontrolar velocidad y sentido de giro. Seevaluó el compartimiento de este tipo demotores en los cuatro cuadrantes y lasdistintas topologías de convertidoresexistentes. Se desarrolló el hardware para eltipo de controlador PWM y se presentanresultados experimentales.

2. INTRODUCCIÓN

Un motor de CC puede ser operado en cualquierdirección y su torque electromagnético puedeinvertirse para el proceso de frenado.Dependiendo del sentido de circulación de lacorriente de armadura y la tensión, se logra elcambio de estado en el funcionamiento delmotor. Los distintos estados pueden observarseen la Fig. 1.

Fig. 1: Funcionamiento en los cuatro cuadrantes

A fin de lograr el estado de funcionamientodeseado para el motor se requiere controlar en

forma dinámica la corriente y tensión sobre elmismo. El elemento que realiza esta función selo denomina convertidor o driver.Las topologías de convertidores se clasificansegún el número de cuadrantes que gobiernan;estas son:

• Convertidor de un cuadrante (step down)• Convertidor de dos cuadrantes (half-bridge)• Convertidor de cuatro cuadrantes (full-

bridge)La elección de la topología del convertidor sebasa fundamentalmente en el tipo de control quese requiere para el funcionamiento del motor.

Si se necesita controlar la velocidad en un solosentido de giro, la topología adecuada es la delconvertidor de un cuadrante.Si no se requiere una inversión de marcha, perosí controlar el proceso de frenado; la topologíaapropiada es la del convertidor de doscuadrantes.Para poder controlar la velocidad en ambossentidos de giro y poder frenar la marcha, latopología a utilizar es la del convertidor decuatro cuadrantes.Distintas técnicas pueden ser utilizadas para

controlar la potencia aplicada al motor, demanera de lograr el comportamiento deseado.Una técnica que presenta alto rendimiento es laPWM. Esto se debe, a que en los convertidoresPWM los transistores operan como llaves, esdecir en corte y saturación, minimizando así lasperdidas de energía.Los controladores PWM son los circuitos quetransforman pulsos lógicos (baja potencia) enpulsos de corriente (potencia) para excitar losbobinados de los motores.En este trabajo se presenta el diseño, desarrolloy ensayo de un controlador PWM para variar la

velocidad y sentido de giro del motor,basándose en un convertidor de cuatrocuadrantes.

3. DISEÑO DEL CONTROLADOR

Las especificaciones de diseño que se tuvieronen cuenta son las siguientes:

• Posibilidad de controlar motores dedistintas tensiones nominales.

• Frecuencia de conmutación fs > 100Khz.• Protección por sobrecorriente en el puente.

El funcionamiento del controlador se basa en unsistema a lazo cerrado. Esto se debe a que serequiere: velocidad de respuesta y que elsistema evolucione siguiendo una tensión dereferencia. Éste, se bosqueja en el diagrama enbloques de la Fig. 2. En él se observan las tresetapas que conforman al diseño.

• Etapa de potencia• Etapa de control• Etapa de protección

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Fig. 2: Diagrama en bloques

La etapa de potencia es la que se encarga degenerar los pulsos de disparo de potenciasnecesarios para controlar al convertidor. Estaetapa se divide en, la topología del convertidor yen la circuiteria que proporciona el disparo delas llaves.La etapa de control se encarga de generar lamodulación PWM, necesaria para el disparo delas llaves del convertidor, partiendo de unatensión de referencia aplicada en su entrada.Proporciona el retardo en el encendido de lasllaves para evitar cortocircuitos en las ramas delconvertidor; y por medio de un amplificadordiferencial realimenta la tensión sobre el motor.Variando la ganancia de este amplificador esposible controlar motores de distintas tensionesnominales.Finalmente, la etapa de protección porsobrecorriente limita la corriente máxima quepuede circular por las ramas del puente. Estaprotección actúa cortando el disparo de lasllaves cuando se supera la corriente máximapermitida.Para el diseño de cada etapa se tuvo en cuentaque la misma cuente con dispositivos de últimatecnología. En la etapa de potencia se utilizaronllaves Power MOSFET de canal N, modeloIRF634 de International Rectifier. EsteMOSFET provee un diseño con una mejorcombinación de velocidad de conmutación ybaja resistencia RDS(on). En la Fig. 3 seobservan las cuatro llaves que conforman latopología del puente completo, las cualestrabajan de a pares. Los pares están

conformados de la siguiente manera: Q1-Q4 yQ2-Q3. Cuando Q1-Q4 están en el estado "on",Q2-Q3 están en el estado "off” y viceversa. Estasecuencia de encendido permite que para unamodulación PWM del 50% el motor seencuentre en reposo, ya que el mismo tiempoque un par de llaves esta en el estado "on" elotro par esta en "off", logrando de este modotener una tensión media nula sobre bornes delmotor.Para el disparo de las llaves se utilizó el driverIR2110 de Internacional Rectifier. El IR2110 esun driver para Power MOSFET de alta

velocidad y alta tensión, con canales de salidaindependientes para el disparo de las llaves de la

parte alta y baja de cada rama del puente (VerFig. 3).

Fig. 3: Convertidor cuatro cuadrantes

Para el disparo de las llaves de la parte superior,el driver esta diseñado para una operación debootstrap, ya que el pulso de disparo flotarespecto de GND.Para implementar el modulador PWM, en laetapa de control, se utilizó el circuito integradoTL494 de Texas Instruments. La modulación delos pulsos de salida se logra comparando unaforma de onda diente de sierra, generada por unoscilador interno, con una señal de control. Estamodulación esta disponible durante el tiempo enque la tensión de la señal diente de sierra es másgrande que la tensión de control. A medida que

la tensión de control aumenta, el tiempo deduración de los pulsos de salida decrece. Locontrario ocurre cuando la tensión de controldisminuye.Para sensar la corriente se utilizaron resistenciasno inductivas MP915 de 0,1Ω (15W) deCaddock en cada una de las ramas delconvertidor. La manera en que se sensa lacorriente es tomando la caída de tensión que seproduce sobre las resistencias, la cual esamplificada para llevarla a valores de trabajorazonables. En este caso, se tomó una relacióntensión-corriente de uno a uno.

4. DISEÑO DEL PCB

Los circuitos impresos (PCB) son una parteconstitutiva de fundamental importancia de lossistemas electrónicos de potencia. Su correctodiseño desde el punto de vista electromagnético,debe asegurar un funcionamiento confiable enlas condiciones de perturbación impuestas por elmedio en el que debe operar (externas), a lasque deben sumarse las perturbaciones propiasdel circuito (internas).En este trabajo se utilizó un PCB de doblelámina conductora, lo cual facilita el ruteo y

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permite obtener una reducción de lasimpedancias características.Un punto importante es la distribución de lossubsistemas que componen el circuito impreso.Como criterio de layout se tomó el que semuestra en la Fig. 4. En la misma se observa

una secuencia ordenada en función de lafrecuencia y la potencia de trabajo. En todomomento se debe tratar de no mezclar señalesde distinta frecuencia y potencia, evitandoposibles interferencias entre ellas.

Fig. 4: Disposición física de las etapas en elPCB

Para la implementación del controlador seutilizaron componentes SMD (SurfaceMounting Device). Estos presentan importantesventajas frente a los componentes tradicionales:Lo primero es la reducción de tamaño del PCB.Logrando diseños que se reducen hasta una

cuarta parte, permitiendo una conexión entrecomponentes mucho mas cercana.Otra ventaja es la eliminación de las patas delcomponente. Esto implica una reducción en lainductancia y en la resistencia parásita queofrece el encapsulado. Es por este motivo quetodo circuito PWM debe usar tecnología SMD,ya que presenta un mejor comportamiento enaltas frecuencias.En la Fig. 5, se observa el diseño terminado deeste controlador.

Fig. 5: PCB terminado

5. RESULTADOS EXPERIMENTALES

Los ensayos se realizaron a distintas tensionesde Bus de continua y a distintas cargas. Paraesto el driver cuenta con la posibilidad de setearla tensión de trabajo mediante la utilización de

jumpers. Los distintos ensayos realizadospretenden mostrar el comportamiento delcontrolador a distintas tensiones y poderobservar las señales en distintas condiciones detrabajo.El motor que se utilizó para las medicionespresenta las siguientes características eléctricas:

Volts: 115DC; 3450rpm;Amp: 1A; 3/16HP

En la Fig.6 se observa la señal diente de sierragenerada por el circuito integrado TL494 para la

modulación por ancho de pulso. La misma esimportante, ya que determina la frecuencia deconmutación del driver, en este casofs=111KHz.

Fig. 6: Diente de sierra. (fs =110 Khz.)

En la Fig. 7 se observa los retardos (tiemposmuertos) impuestos en las señales de control delas llaves para que no se produzcancortocircuitos en las ramas del convertidor.

Fig. 7: Tiempo muerto (t =520nseg)

En la Fig. 8 se muestra la señal PWM y la forma

de onda de la tensión realimentada para unamodulación del 50%. En la misma se observaque la señal realimentada (canal 2) presenta un

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valor medio nulo. Lo que representa al motor ensu estado de reposo.

Fig. 8: PWM y realimentación (m = 0:5)

En la Fig. 9 se muestra la tensión y corrientesobre el motor para una modulación del 50%. Sepueden observar, en la corriente, los picos quese producen por la conmutación de la tensiónsobre el motor (canal 1: 2A/div).

Fig. 9: Tensión y corriente sobre el motor(VBUS= 60v)

En las figuras 10 y 11 se observan la tensión ycorriente sobre el motor para una tensión de100V y con cargas de 200W y 300Wrespectivamente. Se puede apreciar unincremento en la corriente media sobre el motor,así como en los picos que se producen en laconmutación sin presentar grandes cambios enla forma de onda.

Fig. 10: Tensión y corriente sobre el motor.(100V, 200W de carga)

Fig. 11: Tensión y corriente sobre el motor.(100V, 300W de carga)

6. CONCLUSIONES

Se presentaron las diferentes topologías deconvertidores para motores de CC. Se analizó elprincipio de funcionamiento y se los comparó

de acuerdo a la funcionalidad que brindan almotor. A partir de este análisis, se eligió latopología del convertidor de cuatro cuadrantes,la cual, permite controlar la velocidad y sentidode giro del motor.En base al convertidor elegido, se desarrolló eldiseño del hardware del driver.Se implementó y probó dicho diseño, lograndocumplir con las especificaciones.Un punto importante para destacar en esteproyecto, es el de haber logrado trabajar con unafrecuencia de conmutación de 110Khz., quehasta este momento, en el mercado, es poco

frecuente. Por otro lado, esto trajo aparejado,complicaciones en el diseño del PCB, dado quea esta frecuencia se incrementan lasinterferencias electromagnéticas.

BIBLIOGRAFÍA

[1] P. Krause, Analysis of Electric Machinery.IEEE Press, 1994.

[2] P. Vas, Power Electronics – Converters,Applications and Design. John Wiley and Sons,Inc., 1995.

[3] M. Benedetti, D. Calcoen, Walter Kloster, R.Petrocelli, Control de la InterferenciaElectromagnética. AADECA, 2000