Comando de Inversores de Tensão Utilizando DSPs

Os sinais digitais são aqueles transmitidos dentro ou entre computadores e cuja informação é representada por estados discretos, por exemplo, um nível alto e um nível baixo de tensão (0 e 1), em lugar dos níveis variarem continuamente como em um sinal analógico.

O processamento de sinais digitais é uma das mais poderosas tecnologias que moldaram a ciência e a engenharia no final do século XX. Ela se distingue de outras áreas da ciência da computação pelo único tipo de dado usado: sinais. Em muitos casos, estes sinais têm origem no mundo real: vibrações sísmicas, imagens visuais, ondas sonoras, etc.

O grande avanço e o potencial que se encontra hoje na área dos microcontroladores tiveram seu início com o desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados (CI). Esse desenvolvimento tornou possível a integração de centenas de milhares de transistores em uma única pastilha semicondutora de silício. Esse poder de integração foi um pré-requisito para a produção dos processadores e possibilitou o surgimento dos primeiros computadores mediante adição de alguns periféricos, tais como memória, linhas de entrada e saída, temporizadores (timers) e outros. Posteriormente, com o avanço cada vez maior da microeletrônica, foi possível colocar no mesmo circuito integrado, o processador e os periféricos. Surgiram então os microcontroladores.

Um processador de sinais digitais é um circuito integrado projetado para manipulação de dados em alta velocidade, com um grande poder de processamento e

confiabilidade. O DSP reúne a matemática, os algoritmos e as técnicas usadas para manipular sinais externos depois que eles forem convertidos em uma forma digital. Ele é usado atualmente em diversas áreas, como áudio (reconhecimento e geração de voz), comunicações (compressão de dados para armazenamento e transmissão), tratamento de imagens visuais, controle de movimento e outras aplicações em aquisição e controle de dados.

As raízes do DSP remotam aos anos de 1960 a 1970 quando os computadores digitais começaram a se tornar disponíveis. Naquela época os computadores eram bastante caros e os DSPs eram limitados a somente poucas aplicações críticas. Nos EUA, esforços pioneiros foram feitos em quatro áreas chaves: 1) radar e sonar, onde a segurança nacional era um risco; 2) exploração de petróleo, que poderia gerar fortunas em dinheiro; 3) exploração espacial, onde os dados eram insubstituíveis; 4) e imagens médicas, onde vidas poderiam ser salvas.

A revolução gerada pelos computadores pessoais nos anos entre 1980 a 1990 possibilitou que os DSPs fossem explorados em novas áreas. No lugar de serem motivados apenas pelas necessidades militares e governamentais, os DSPs começaram a ser repentinamente utilizados por outros setores e comercializados. Por fim, os DSPs alcançaram o público em produtos como telefones celulares, reprodutores de CD, correio eletrônico de voz, etc. Hoje, o processamento de sinais digitais é uma necessidade dos cientistas e engenheiros em muitas áreas do conhecimento.

O desenvolvimento de um sistema para acionamento de motores envolve vários aspectos da engenharia elétrica, incluindo a teoria de circuitos, circuitos digitais, teoria de controle, eletrônica de potência e a tecnologia dos dispositivos semicondutores de potência. O projetista deste sistema deve então combinar o processamento de sinais digitais e a tecnologia de software de computador para obter a máxima eficiência das técnicas de acionamento.

Muitos trabalhos científicos utilizam DSPs para geração dos pulsos de comando para os interruptores dos inversores fonte de tensão e no processamento dos sinais para o acionamento e o controle de máquinas elétricas.

Na década de 90, LIU, CHOI e CHO (1991) propuseram um método de PWM para inversores de três níveis considerando o problema da equalização das tensões nos capacitores do barramento CC. Cada vetor de tensão, no plano dos vetores espaciais, foi classificado em relação à ação de carregar e descarregar estes capacitores. Assim uma estratégia de modulação foi sugerida baseada no princípio da seleção dos vetores de tensão. O algoritmo foi implementado no DSP 5600 da Motorola. Os resultados experimentais comprovaram a eficiência do método. Outra técnica de PWM para comando de inversores de três níveis utilizando um DSP foi proposta em 1992 por KOYAMA et al. (1992). A estratégia se baseia na escolha de um fator de controle que determina a duração dos vetores de tensão em um período da modulação com o objetivo de minimizar as componentes harmônicas da tensão de saída e suprimir a flutuação na tensão do ponto central do divisor capacitivo. Já TZOU (1995) utilizou um DSP para regulação da tensão CA na saída de um inversor de dois níveis monofásico com controle digital de tensão e corrente. Os resultados mostraram que o sistema de controle baseado no DSP possibilita alcançar respostas dinâmicas rápidas e com baixa distorção harmônica total (DHT).

Em 1997, MAZUMDER (1997) também utilizou um DSP para comando de um inversor de dois níveis utilizando PWM. O autor tentou descrever completamente a implementação digital do sistema, com ênfase inicial nos problemas práticos relacionados com a montagem. Os resultados demonstraram que o sistema fornece um índice de DHT menor que 5% para a corrente de linha, um fator de potência perto da unidade e variações nas tensões dos capacitores do barramento CC menores que 5%.

Em 2002, YU et al. (2002), utilizaram um DSP TMS320LF2407 para comandar um inversor de três níveis com diodos de grampeamento usando o princípio Volts/Hertz constante e a técnica de modulação por largura de pulso com eliminação seletiva de harmônicos. Foram mostrados resultados experimentais e de simulação para comprovar a eficiência do sistema de controle.

LI e XU (2003) apresentaram uma modificação no projeto do DSP TMS320LF2407 para comandar inversores de três níveis com PWM vetorial a partir

do uso de dispositivos com lógica programável (PLD – Programmable Logic Device). Resultados experimentais foram mostrados para validar o projeto da interface.

Foi proposta por LIU et al. (2004) uma técnica simples de compensação do tempo morto baseada na direção da corrente na fase em inversores de três níveis utilizando um DSP com aritmética em ponto flutuante como unidade central para implementar a estratégia de controle e comandar o inversor. Dispositivos com lógica programável foram usados para gerar os pulsos de PWM. Resultados de simulação e experimentais validaram a técnica proposta.

Diversos outros trabalhos utilizam FPGA (Field Programmable Gate Arrays) para implementação experimental com inversores multiníveis (HASENKOPF, WEIGAND, XIE, 2002; SALIM, AZLI, 2003; EBERSOHN, GITAU, 2004; SANABRIA, RAMIREZ, 2004; KRUG, MALINOWSKI, BERNET, 2004). Estes dispositivos emulam todas as características de um DSP, porém, possuem um processamento paralelo que possibilita uma dinâmica bem melhor. Mesmo assim, os DSPs ainda são os dispositivos de comando mais utilizados em aplicações industriais.