Diseño Detallado (II)
Ajuste de los reguladores PI. (Comportamiento a velocidades muy bajas).
He trabajado en ajustar las constantes que definen el comportamiento de los reguladores PI, principalmente para ajustar el arranque, aceleración y el comportamiento a velocidades muy bajas.
Se trata de eliminar el efecto de aceleración que se produce, cuando trabamos el eje, y a continuación lo destrabamos: el motor se acelera debido al exceso de par.
Para corregirlo, en los casos extremos, el IGBT ha de pasar completamente al corte. En casos normales, es suficiente con ajustar el comportamiento del integrador, para que el ajuste sea más rápido.
IGBT seleccionados.
Esta foto muestra los dos posibles IGBT que finalmente he seleccionado para esta placa.
He seleccionado componentes muy sobredimensionados, en cuanto a tensión inversa máxima, ya que esta es la mayor amenaza para el componentes, en máquinas de esta naturaleza, con muchas inductancias parásitas, y posibilidad de trabado de la máquina, cuando está trabajando en condiciones nominales.
Esta es el funcionamiento sobre la gráfica SOA, para uno de los IGBT, y ambos motores: El de Proxxon y el de Optimum/Quantum.
Hemos representado el punto de trabajo más desfavorable: Tensión y corriente máxima en la máquina.
Vemos que el de Proxxon (gráfica verde) podría estar funcionando en régimen permanente, a corriente máxima, durante años, jajaja sin que pasase nada.
La línea inclinada es el limite para un pulso de esa duración (1mSg, 100USg, etc). Por eso es posible mayores valores de corriente y tensión, a medida que el periodo del pulso disminuye. Y todo esto, sin tener en cuenta que con el disipador, el margen de maniobra será mayor....
Esquemas del Circuito.
Estas imágenes nos muestran el estado actual del prototipo, que ya se aproxima mucho a lo que será la versión definitiva.
Inferir la velocidad, a partir del modelo matemático del motor, y del conocimiento de las condiciones de trabajo.
En este vídeo se muestra como es posible conocer -de manera aproximada- la velocidad de la máquina, a partir de la modelización del motor, y de la medida de la tensión aplicada, y la corriente consumida. Por supuesto, no ofrece la precisión de un sistema basado en un sensor, pero en muchos casos será suficiente.
Dudas y puntualizaciones que han ido surgiendo hasta el momento.
y que me han llegado a través de mensajes privados, o en alguno de los post del hilo. No se trata de discutirlas, sino de recopilarlas...
¿Por qué emplear reguladores PI, existiendo PID?
Es cierto que una regulación Proporcional-Integral-Diferencial (PID) realiza un control más complejo y elaborado de la señal, que un PI.
Sin embargo, la parte Diferencial provoca grandes variaciones en señales que llevan un cierto rizado, ya que lo amplifican. Este es el caso de las formas de onda PWM, y por ello es difícil ver sistemas de regulación para motores industriales, que lleven reguladores PID.
¿Por qué emplear dos micro-controladores, en vez de uno?
La primera razón es que me gusta un diseño tan estructurado, y que es además barato, ya que el coste de los micros es cada vez menor. Es una decisión propia.
Pero hay más razones que sustentan este diseño: Aunque es cierto que los micro-controladores actuales son muy potentes, este diseño permite subdividir las tareas asignadas, en:
• Tareas de tiempo crítico.
• Tareas normales.
• Tareas muy lentas.
y asignar las tareas críticas a un solo micro, mientras que las más lentas se asignan al otro micro.
Entre las tareas de Tiempo crítico están aquellas referidas a la generación y atención a interrupciones, tanto del PWM como del bus SPI.
La tarea más crítica en tiempo de ejecución, es la que implementa los bucles de regulación PI, ya que han de ejecutarse en un tiempo tan corto como podamos, para poder atender a las variaciones que se experimenten en las condiciones del motor, en tiempo real.
Entre las tareas normales estarían las referidas al tacómetro basado en sensor, controles generales del sistema, etc.
Entre las tareas muy lentas, está el acceso a la pantalla de visualización de datos. Estos dispositivos son tan lentos, que hay que acceder a ellos lo menos posible, o hacerlo una vez, al arrancar y luego retocar lo mínimo posible la imagen.
¿Qué tiempos de ejecución se manejan?
Para poder comparar las tareas, podemos decir, grosso modo, que:
• Cada bucle de control PI se ejecuta en unos cientos de micro-Segundos.
• Las tareas muy lentas, como acceso a pantalla, se ejecutan en decenas de mili-Segundos.
Es decir, la pantalla es del orden de cientos de veces más lenta que los bucles PI. Como además actualizar una pantalla conlleva inevitablemente varios accesos a la misma, podemos decir que la pantalla suele ser mil veces más lenta que un bucle PI.
¿Por qué empleamos un IGBT?
He decidido emplear IGBT como semiconductor de control de potencia, por su extremada resistencia a las sobretensiones, y la facilidad de control, ya que se puede disparar con corrientes casi nulas.
Este es el semiconductor más usado en grandes convertidores industriales, para control de máquinas.
¿Qué compilador es el más indicado para programar estos chips?
En mi opinión, el Atmel Studio es la opción más equilibrada para quienes quieran desarrollar código avanzado para estos chips.
El compilador está basado en el software de Microsoft Visual C++, que es una herramienta magnífica. Este compilador AVR es también una herramienta muy estable y madura.
¿Puede el estimador de la velocidad, substituir al tacómetro basado en sensor de pulsos?
Cuando no se dispone de un tacómetro con sensor de pulsos, una solución habitual es utilizar estimadores software.
El estimador emplea un modelo matemático del motor, que previamente habremos tenido que caracterizar con precisión.
A partir del consumo de corriente, se puede inferir la velocidad con una precisión que llega al 5% de error. Más que suficiente para muchos casos, pero lejos de la precisión de un tacómetro basado en sensor.
Además, hay que tener en cuenta que esta estimación se refiere a la velocidad de giro del eje del motor, no del husillo de la máquina, por lo que si empleamos poleas intermedias para cambiar de velocidad (caso habitual de un torno), el dato mostrado deberá ser “arreglado” multiplicando por la desmultiplicación aportada por las poleas.