Uma vez implementados todos os componentes que farão parte do módulo de potência do sistema de carregamento rápido, é necessário implementar o hardware responsável pela parte de controlo deste. Na Figura 5.12 está representada a plataforma de controlo que é responsável por controlar todo o sistema de carregamento.
Figura 5.12 – Caixa com os componentes responsáveis pelo controlo do sistema de carregamento rápido e fonte de alimentação.
Trata-se de uma caixa em alumínio, que permitiu colocar todas as placas de controlo num único espaço de forma compacta, e que por sua vez, protege as mesmas de eventuais fontes de ruído externas. De referir, que as alterações efetuadas à caixa para instalação das placas de controlo, foram efetuadas durante a realização desta dissertação.
Tal como é possível observar através da Figura 5.12, é através das fichas XLR mini, que se encontram no lado direito da caixa, que se obtêm os valores de tensão e corrente das diferentes partes do sistema de carregamento, medidos através dos sensores de tensão e corrente implementados. Após a obtenção dos valores de tensão e corrente por parte da placa de condicionamento de sinal, são aplicados os algoritmos de controlo, mencionados durante o Capítulo 4, no microcontrolador que efetuará as operações necessárias para gerar os sinais de PWM para controlar os IGBTs. Posteriormente os sinais são enviados para as placas de comando que se encontram localizadas no lado esquerdo da caixa e através de fichas DB9 comunicam com os drives de cada módulo de IGBTs. É também possível monitorizar as diferentes variáveis internas referentes ao controlo aplicado ao microcontrolador através da placa DAC (Digital-to-Analog Converter) que se encontra assinalada na parte frontal da caixa, tal como se pode facilmente identificar na figura.
A ordem pela qual é efetuado o controlo do sistema de carregamento pode ser visualizada no diagrama de blocos da Figura 5.13.
Sinais de Comando
Alimentação +15V/-15V
Sinais dos Sensores de Tensão e Corrente Caixa de Controlo
Figura 5.13 – Diagrama de blocos da ordem pela qual é efetuado o controlo do sistema de carregamento.
Tal como já foi mencionado durante várias vezes ao longo desta dissertação, todo o hardware implementado, fará parte de um protótipo criado no âmbito de uma tese de doutoramento, onde o sistema de controlo não é exceção, incluindo este todos os componentes necessários para posterior integração no mesmo. Na Figura 5.14 está apresentada a disposição interna das diferentes placas de controlo.
Figura 5.14 – Caixa com os componentes responsáveis pelo controlo do sistema de carregamento rápido (vista superior).
A alimentação requerida para os sensores de tensão, placa de condicionamento de sinal, placas de comando e placas driver dos IGBTs, foi feita através da fonte que está identificada na Figura 5.12. Esta fonte é o modelo TXL 060-0533TI da Traco Power que é alimentada através de 100 ou 240 V eficazes e fornece uma potência máxima de 60 W, e tensões de saída de +15 V, -15 V e 5 V, com correntes de 3 A, 1 A e 7 A, respetivamente [99].
Ao longo dos próximos itens são apresentadas as caraterísticas de cada componente do sistema de controlo, pela ordem que se encontram na Figura 5.13.
Sensor de Tensão
Para se poder controlar o sistema de carregamento rápido é necessário adquirir os diferentes sinais de tensão em vários pontos deste, tais como, as tensões da rede, do
Sensor de Tensão Sensor de Corrente Placa de Condicionamento de Sinal DSC DAC Placa de Comando Placa de Driver DSC, Placa de Adaptação e Placa de Condicionamento de Sinal Placas de Comando DAC
barramento CC e à saída do conversor CC-CC. Para isso, utilizou-se o sensor de tensão de efeito de Hall CYHVS5-25A da ChenYang que consegue medir tensões em CA e CC, com uma elevada precisão e linearidade, isolação galvânica entre o primário e o secundário de 2,5 kV, permite medir tensões até 1500 VRMS e tem uma razão de
transformação entre o primário e secundário de 5000:1000[100], o que quer dizer que a corrente no secundário é 5 vezes superior à do primário que apresenta um valor nominal de 5 mA.
O sensor de tensão e respetiva placa são apresentados na Figura 5.15. Neste sensor a alimentação é feita através do secundário, com valores de tensão de ±15 V e GND.
Figura 5.15 – Placa com sensor de tensão CYHVS5-25A da ChenYang.
Na Figura 5.16 encontra-se o esquema elétrico da placa com o sensor de tensão. Tal como se pode identificar através da figura está colocada uma resistência em série com a entrada do sensor, resistência esta que serve para garantir que a corrente nominal do primário (5 mA) não é excedida.
Figura 5.16 – Esquema elétrico do sensor de tensão na respetiva placa.
Para calcular o valor da resistência R1 utiliza-se a equação (5.1), em que VP
corresponde à tensão RMS entre os terminais de entrada e IP à corrente RMS no primário.
𝑅1= 𝑉𝑃
𝐼𝑃 (5.1)
Uma vez que os valores das tensões da rede são diferentes das tensões no barramento CC e à saída do conversor CC-CC, calcularam-se dois valores de resistências
ChenYang CYHVS5-25A IS +15 V -15 V Sinal R1 V+ V- IP GND RM Placa de Condicionamento de Sinal
diferentes, considerando que as tensões da rede não devem ultrapassar os 390 V e as do barramento CC e saída do conversor CC-CC os 470 V, valores estes já com uma margem de 15% no valor de tensão que o sensor permite. Sendo assim, utilizando a equação (5.1) obtiveram-se os seguintes valores de R1 através das equações (5.2) e (5.3).
𝑅1= 390
0,05= 78 kΩ (5.2)
𝑅1= 470
0,05= 94 kΩ (5.3)
Os valores obtidos para R1, foram divididos em duas resistências em série devido à
potência que é necessário dissipar, obtendo assim duas resistências de 39 kΩ para os sensores que vão medir as tensões da rede e duas de 47 kΩ para os sensores que vão medir as tensões no barramento CC e na saída do conversor CC-CC.
Uma vez que o sinal de saída do sensor é sob a forma de corrente, e para que este possa ser medido pelo ADC (Analog-to-Digital Converter) do microcontrolador, é necessário que o valor esteja compreendido entre 0 e 3 V. Para obter esse valor de tensão é colocada uma resistência de medida (RM) que está conectada ao secundário do sensor,
e que se encontra na placa de condicionamento de sinal, em que a queda de tensão aos seus terminais deve estar entre 0 e 3 V. O valor da resistência RM recomendada pelo
fabricante deve estar dentro da gama de valores que se encontram no datasheet do sensor [100]. Ainda na Figura 5.16, os condensadores que estão representados nesta servem para filtrar possíveis ruídos da alimentação do sensor.
Sensor de Corrente
À semelhança dos sensores de tensão, também é necessário adquirir os valores de corrente, contínua e alternada, em diversos pontos do sistema de carregamento rápido, razão pela qual dadas as caraterísticas dos sensores de corrente de efeito de Hall, foi utilizado o modelo LA 100-P da LEM que pode ser visualizado na Figura 5.17 e que já se encontra instalado na respetiva placa.
O LA 100-P apresenta uma razão de transformação entre o primário e o secundário de 1:2000, o que quer dizer que a corrente no secundário é duas mil vezes inferior à corrente do primário que tem um valor nominal de 100 ARMS [101].
Figura 5.17 – Placa com sensor de corrente LA 100-P da LEM.
Tal como nos sensores de tensão, é necessário incluir uma resistência de medida (RM) à saída do sensor que também se encontra na placa de condicionamento de sinal e
tal como se pode visualizar na Figura 5.18, o valor desta deve encontrar-se dentro dos parâmetros mencionados pelo fabricante, para que se possa obter uma queda de tensão o mais próximo do valor do ADC do microcontrolador para minimizar os erros de medição, em que o valor da queda de tensão aos seus terminais deve estar compreendido entre 0 e 3 V. O esquema elétrico da placa com o sensor de corrente pode ser observado na Figura 5.18, e mais uma vez os condensadores utilizados também servem para fazer a filtragem de possível ruído na alimentação do sensor. O ligador laranja (que se encontra do lado direito da placa) que está na Figura 5.17, além de através deste que são fornecidas as tensões de alimentação (±15 V e GND), serve também para transmitir o sinal medido para a placa de condicionamento de sinal.
Figura 5.18 – Esquema elétrico da placa com o sensor LA 100-P da LEM.
Para fazer a medição de corrente nestes sensores, é necessário passar o fio condutor de corrente pelo orifício do sensor, sendo que o valor da corrente medida vai ser diretamente proporcional ao número de voltas dadas com o fio condutor pelo sensor, e, uma vez que as correntes medidas são inferiores aos 100 A nominais do sensor, houve a necessidade de passar o fio três vezes pelo orifício, o que corresponde a um valor de corrente medido três vezes superior.
Placa de Condicionamento de Sinal
A placa de condicionamento de sinal utilizada foi desenhada em exclusivo para a tese de doutoramento na qual se enquadra o tema deste dissertação, razão pela qual não
LEM LA 100-P IS Sinal -15 V GND +15 V RM Placa de Condicionamento de Sinal
será exibida nenhuma foto da mesma. Esta tem como função receber os sinais de tensão e corrente fornecidos pelos sensores de cada uma das grandezas elétricas e fazer o condicionamento de sinal destes, isto é, adicionar-lhes um valor de offset para torná-los sinais unipolares e o DSC os possa receber e proceder à sua conversão analógica para digital através dos seus ADCs internos. A necessidade de tornar os sinais recebidos da rede unipolares existe pois deve-se garantir que estes respeitem a gama de tensão dos ADCs do DSC, nomeadamente de 0 V a 3,3 V.
Esta placa permite receber até 16 sinais de tensão e corrente diferentes, sendo bastante compacta visto a sua arquitetura ser toda composta por componentes de tecnologia de montagem superficial, isto é, por SMDs (Surface-Mount Technology).
Além das resistências de medida RM necessárias para a aquisição dos sinais de
tensão e corrente, a placa também contém os circuitos de deteção de erro que são posteriormente enviados para as placas de comando, e que têm como função não permitir a ligação com as placas de driver dos IGBTs caso esse valor não esteja entre ±15 V necessários para o funcionamento destas.
No diagrama da Figura 5.19, é possível ver a forma como é feita a aquisição dos sinais e como são transmitidos ao longo do sistema de controlo até chegarem às placas de comando.
Figura 5.19 – Diagrama da sequência de controlo.
DSC (Digital Signal Controller) e Placa de Adaptação
O microcontrolador utilizado para implementar os algoritmos de controlo, e que servirá como “cérebro” de todo o sistema de carregamento rápido, foi o Digital Signal Controller (DSC) TMS320F28335 da Texas Instruments. Este DSC é ideal para aplicações de controlo em tempo real devido ao alto desempenho que oferece, tendo como principais caraterísticas [102]:
CPU de 32 bits da série delfino com uma frequência de clock de 150 MHz;
Sensores de Tensão e Corrente Condicionamento de Sinal Deteção de Erros DSC (Digital Signal Controller) Placa de Comando Placa de Condicionamento de Sinal
Operações com vírgula flutuante (floating-point); 18 canais de saída de PWM;
16 canais de ADC com resolução de 12 bits;
Módulos de comunicação SPI (Serial Peripheral Interface), SCI (Serial
Communication Interface), CAN (Controller Area Network) e I2C (Inter
Integrated Circuit);
3 timers de 32 bits.
O DSC é programado através de um software disponibilizado pela Texas Instuments, nomeadamente o Code Composer Studio 5.0, que permite que o mesmo possa ser programado através de linguagem C e C++.
Seguidamente, na Figura 5.20 (a) está o DSC instalado na sua controlCARD que contém alguns periféricos inerentes a este, tais como o oscilador, resistências de pull-up, entre outros.
(a) (b)
Figura 5.20 – (a) DSC TMS320F28335 na controlCARD; (b) Docking Station TMDSDOCK2833 [103].
A controlCARD faz a comunicação com os periféricos externos através de 100 pinos DIMM, no entanto é necessário aplicá-la primeiro numa placa que contenha um conetor do mesmo tipo para se puder fazer a comunicação com as restantes placas do sistema de carregamento e para fazer a interface com o computador de forma a se conseguir programar o DSC.
Para fazer a programação do DSC na controlCARD é utilizada a docking station TMDSDOCK28335 da Texas Instruments (Figura 5.20 (b)), que permite a programação do DSC com um emulador JTAG através de ligação USB e que inclui as funções de debug, escrita e leitura das memórias, entre outras [104]. No entanto, a docking station apenas é utilizada para fazer a programação do DSC.
Para acoplar a controlCARD que contém o DSC, é utilizada a placa de adaptação que está representada na Figura 5.21, e que foi desenvolvida no GEPE. O programador
da docking station TMDSDOCK28335 é conectado a esta placa de adaptação através de um flat cable de 14 pinos.
Figura 5.21 – Placa de adaptação do DSC.
A placa é alimentada com uma tensão de 5 V e GND, e a ligação com a controlCARD do DSC é feita através de um socket DIMM de 100 pinos. Contém as mais diversas fichas para fazer a comunicação com as restantes placas utilizadas para o controlo do sistema.
A ligação com a placa de condicionamento de sinal é feita através de conetores que se encontram no lado esquerdo da placa de adaptação, para que encaixem diretamente uma na outra. Para a transmissão dos sinais de PWM são utilizadas duas fichas de encaixa de flat cable de 14 pinos, cada uma com capacidade para emitir 3 pares de sinais de PWM diferentes, que são enviados para as placas de comando. A comunicação com a placa de DAC é feita por uma das duas fichas DB9 disponíveis através do protocolo SPI, onde a segunda pode ser utilizada para comunicação série via RS232 ou também para protocolo SPI.
Placa de DAC
De forma a poder monitorizar as variáveis internas do sistema de controlo aplicado no DSC, é necessário transformar os sinais digitais fornecidos por este para sinais analógicos, isto é, transformar as variáveis digitais em tensões analógicas, que são posteriormente possíveis de visualizar através de um osciloscópio.
Para isso foi utilizada a placa de DAC (Digital-to-Analog Converter) que se pode observar na Figura 5.22, que contém o DAC TLV5610 da Texas Instruments, que tem 8 canais com 12 bits de resolução e compatibilidade para comunicação através do protocolo SPI do DSC [105], feita através de uma ficha DB9.
Ligação à Placa de Condicionamento de Sinal Ligação ao Programador da TMDSDOCK28335 Ligação às Placas de Comando Ligação à Placa de DAC
A tensão à saída do DAC é unipolar, pelo que foi implementado na placa um circuito de condicionamento de sinal que permitiu converter essa tensão, numa tensão que varia entre ± 5 V.
Figura 5.22 – Placa de DAC (Digital-to-Analog Converter).
Como a placa contém 8 canais de saída, possibilita monitorizar 8 variáveis de cada vez através de fichas BNC que estão conectadas às saídas do DAC e permitem uma fácil ligação com o osciloscópio.
Placa de Comando
A placa de comando representada na Figura 5.23 foi a utilizada na implementação desta dissertação para fazer a transmissão dos pulsos de PWM gerados pelo DSC para as placas de driver dos IGBTs. Esta tem como função elevar os valores de tensão fornecidos pelo DSC (3,3 V) para valores em que os drivers possam operar corretamente (15 V).
Figura 5.23 – Placa de comando.
Esta placa tem na sua construção um LED (Light Emitting Diode) que acenderá sempre que as placas de driver detetem algum erro, interrompendo imediatamente a
transmissão dos sinais de PWM para os IGBTs até que seja enviado um sinal de reset por parte do DSC.
A ligação entre a placa de comando e a placa de adaptação do DSC, tal como mencionado no item 5.3.3, foi feita através de um flat cable de 14 pinos, enquanto a ligação com as placas de driver foi efetuada através de fichas DB9.
Cada placa de comando consegue transmitir os pulsos de PWM para três placas de driver de IGBTs diferentes, que por consequência controlam três módulos de IGBTs diferentes, e, uma vez que é necessário o controlo de quatro módulos de IGBTs houve a necessidade de utilizarem-se duas placas de comando.
Conclusão
Ao longo deste capítulo foram descritos os diferentes elementos implementados para a construção do sistema de carregamento rápido, incluindo os diferentes elementos de potência, assim como os elementos necessários para o controlo do sistema, e a forma como estão conectados entre si.
Durante a implementação foram realizados testes individuais aos diferentes componentes do sistema para verificar o seu correto funcionamento, verificando que as placas de comando fazem a passagem dos sinais de PWM gerados pelo DSC de 3,3 V para 15 V, e que por sua vez os sinais de PWM à saída das placas de driver dos IGBTs assumem os valores de +15 V e -15 V, tal como esperado.
Após a implementação de todos os elementos constituintes do sistema de carregamento rápido (Figura 5.24), chega-se à conclusão de que para a realização deste trabalho existe a necessidade de ter conhecimentos não só na área de Eletrónica de Potência mas também nas áreas de Informática, para a programação do microcontrolador, e de Instrumentação, para compreender o funcionamento dos sensores e o condicionamento dos sinais.