Proposta de um sistema de desenvolvimento para
acionamentos elétricos
Wilian Soares Lacerda1
Paulo Fernando Seixas2
Neste trabalho é proposto um equipamento para acionamento de máquinas elétricas de um modo geral. O sistema consiste basicamente de um inversor trifásico polo ressonante e um microcomputador (PC-AT486) com interfaces dedicadas à medição das grandezas elétricas e mecânicas da máquina e comando das chaves do conversor estático. O controle do conjunto máquina/conversor estático é implementado em programa, assegurando uma alta versatilidade ao sistema de acionamento. O trabalho tem por objetivo criar um ambiente amigável para o desenvolvimento e teste de algoritmos de controle e comando de sistemas de acionamento CC ou CA de alto desempenho. Os algoritmos podem ser implementados tanto em linguagem de máquina (80486), quanto em linguagem de alto nível (Pascal, C, etc).
PALAVRAS-CHAVE: Acionamento elétrico
Conversor de energia elétrica Controle de máquina elétrica
1 INTRODUÇÃO
O sistema de acionamento de uma máquina elétrica pode ser dividido em duas partes básicas:
• equipamento responsável pela conversão da energia na forma
adequada ao acionamento;
• a parte responsável pelo controle do sistema, implementado em
eletrônica de baixa potência.
O controle do sistema de acionamento pode ser integralmente implementado em "hardware" (eletrônica analógica e/ou digital). Entretanto, o sistema realizado desta forma torna-se dedicado apenas a um tipo de acionamento (CC ou CA) e a um método específico de controle. Desta forma, qualquer modificação posterior no controle do acionamento geralmente implica em reprojetar todo o sistema.
Sistemas de acionamento microprocessados permitem a implementação dos algoritmos de controle em "software". Isto facilita enormemente o desenvolvimento e testes do sistema, por permitir modificações no controle sem alterações no "hardware". Entretanto, o microprocessador a ser utilizado em um sistema de acionamento deve ser rápido o suficiente para permitir a implementação dos algoritmos de controle das variáveis de interesse e o comando do conversor estático em tempo real.
Os processadores de sinais possuem esta característica de alta velocidade. No entanto, sua utilização é limitada pela indisponibilidade e/ou alto custo de ferramentas de desenvolvimento eficientes e por dificuldades de interfaceamento destes processadores [9].
A utilização de um microcomputador PC-AT486 no desenvolvimento de um sistema de acionamento torna-se bastante atraente, devido às seguintes características [7]:
• alta velocidade de processamento em ponto flutuante;
• facilidade de programação, tanto em alto nível (linguagem Pascal, C,
• facilidade de interfaceamento com o ambiente externo através do barramento de expansão.
Devido a estas características, optou-se neste trabalho pela utilização desse microcomputador para instalação das interfaces necessárias ao acionamento de máquinas elétricas de forma geral.
Estas interfaces devem permitir a medição das variáveis elétricas e mecânicas normalmente necessárias em tais sistemas de acionamento de máquinas CC e CA (correntes, tensões, posição e velocidade) e o comando por modulação em largura de pulso (MLP) programável do conversor estático [2]. Este conjunto permitirá a implementação e teste de algoritmos de controle e comando para diversos sistemas de acionamento de máquinas elétricas.
2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE ACIONAMENTO
Na FIG. 1 a seguir, é apresentado o sistema de acionamento completo, proposto neste trabalho.
ia ib ic posição + ia ib ic velocidade
Retificador Inversor Motor CA
Resolver Taco-gerador Interface MLP Interface Aquisição Interface Resolver ia ib ic ia ib ic -PC-AT486
A tensão da rede trifásica é retificada por uma ponte completa a diodos e filtrada. Como este retificador é unidirecional em corrente e em tensão, um chopper e resistência (não indicados na figura) são acoplados ao barramento CC para dissipar a energia excedente, quando do funcionamento em regime de frenagem da máquina elétrica.
O inversor trifásico possui características de comutação suave (não dissipativa), o que diminui o ruído eletromagnético produzido durante a comutação das chaves [5][6]. Isto minimiza ruídos elétricos que possam interferir no funcionamento do microcomputador e interfaces. Além disso, o inversor pode operar em frequências mais elevadas (20kHz), eliminando o ruído audível produzido pelo chaveamento.
A interface MLP (modulação por largura de pulso) gera pulsos de largura programável para comandar os seis interruptores do inversor. Esta interface, uma vez programada pelo microcomputador, sintetiza pulsos de mesma largura nos períodos de modulação subsequentes, até que seja reprogramada com uma nova largura de pulso. Deste modo, a frequência de chaveamento do inversor não fica dependente dos períodos de amostragem e cálculo dos algoritmos de controle. O período de MLP pode, portanto, ser menor que o passo de cálculo como mostra a FIG. 2. Vários métodos de modulação de largura de pulso digitais podem ser implementados utilizando esta interface [9].
Período da MLP Atualização de pulso Atualização de pulso Período da MLP Período da MLP Passo de cálculo da largura da largura
A interface de aquisição de dados possui conversores A/D [4] para leitura das variáveis elétricas e mecânicas de interesse. São disponíveis no sistema sensores com saídas analógicas para medição das seguintes grandezas:
• três sensores de efeito Hall para as correntes de saída do inversor;
• um tacogerador para medição de velocidade da máquina.
Além disso, são disponíveis nesta interface dois conversores D/A, que podem ser utilizados na monitoração de variáveis internas aos algoritmos de controle (por exemplo, saídas de observadores). Estes conversores também podem ser utilizados como saída de variáveis de atuação intermediárias do sistema de controle, quando parte do controle é realizado externamente ao microcomputador (por exemplo, referências de corrente para malhas de controle de corrente externas).
A interface "resolver" é responsável pela conversão dos sinais analógicos, provenientes de um transdutor resolver [1], para a forma digital. Esses sinais contêm a informação de posição do eixo da máquina, que serão utilizados no controle da máquina.
A posição do eixo da máquina também pode ser obtida através de um sensor do tipo "encoder" incremental. A interface para o encoder possui a vantagem de ser mais simples que a interface resolver, pois se trata simplesmente de um contador de pulsos. É necessário, no entanto, que a máquina realize uma volta completa no início da operação do circuito, para inicializar o contador com a posição absoluta correta.
Os algoritmos de controle são geralmente desenvolvidos em linguagem de alto nível. O compilador C [3], em especial, possui a característica de produzir um código objeto eficiente, isto é, com um número de instruções próximo do mínimo necessário para implementar cada algoritmo. Consequentemente, o tempo de execução do programa também é mínimo.
3 MULTIPROCESSAMENTO
Na implementação de algoritmos de controle muito complexos, o tempo de execução pelo 486 pode ser elevado o bastante para impossibilitar sua utilização
em tempo real. Para contornar esse problema, pode-se optar pela utilização de um processador de sinais (PS) adicional, conectado ao barramento de expansão do PC-AT486, conforme arquitetura mostrada na FIG. 3.
B A R R A M E N T O 486 Memória PS comum Interfaces
Placa processadora de sinais
FIGURA 3 - Placa processadora de sinais conectada ao PC-486
O processador 486 faz a aquisição dos sinais do processo, via interfaces de entrada. As informações, necessárias ao cálculo dos algoritmos de controle, são transmitidas à placa processadora de sinais através de uma memória comum aos dois processadores. O processador de sinais executa, então, o algoritmo de controle e, ao final dos cálculos, armazena os resultados na memória comum, sinalizando ao 486 que a tarefa já foi executada. O 486 lê esses resultados e programa a interface de comando do inversor. Assim, o 486 funciona como um supervisor do sistema, enquanto o processador de sinais executa todos (ou em parte) os algoritmos de controle. O 486 é então liberado para outras tarefas, como atualizar a tela, atender ao teclado e executar qualquer outra função que não necessite ser executada em tempo real.
Cabe salientar que, nessa arquitetura, todas as interfaces são realizadas com o barramento PC-AT. Os "softwares" de desenvolvimento (compilador C, assembly, simulador) para estes processadores de sinais são disponíveis em
ambiente DOS [9]. Evitam-se, assim, os inconvenientes citados anteriormente na utilização desses processadores de sinais.
4 CONCLUSÃO
O sistema de desenvolvimento para acionamento elétrico apresenta-se, como um todo, altamente eficiente, versátil e eficaz para o objetivo proposto: acionamento de máquinas elétricas de modo geral. Através desse sistema é possível implementar a grande maioria dos acionamentos CC e CA. A limitação está principalmente na velocidade de processamento do 486. Para a execução de algoritmos mais sofisticados em tempo real, pode-se optar por utilizar um PC-AT com um microprocessador mais rápido (Pentium, 586, etc). Nesse caso, bastaria deslocar as interfaces para este PC-AT. Daí a versatilidade do sistema para modificações futuras. Ou então, a utilização de uma placa processadora de sinais conectada ao barramento do PC-AT, que utilizaria todo o suporte do PC-AT e executaria o algoritmo de controle.
5 ABSTRACT
In this work, an equipment to drive electric machines is proposed. The system consists basically of a resonant pole three-phase inverter and a microcomputer (PC-AT486) with special interfaces to measure electrical and mechanical parameters of the machine and static converter switches. The control system is implemented in software, assuring a high versatility to the drive system.
This work aims to create a friendly environment to the development and test of control algorithms and command of high performance DC/AC drive systems. The algorithms can be written either in assembly language (80486) or in high level language (Pascal, C, e.g.).
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 BEIGBEDER, G. A special transducer for the control of brushless motors. Revista PCIM, Estados Unidos, p. 24-28, ago. 1987.
2 BOWES, S. R. et al. Microprocessor control of PWM inverters. IEE Proceedings, Inglaterra, v. 128, pt. B, n. 6, p. 293-305, nov. 1981.
3 BORLAND C++ version 3.1: user’s guide. Estados Unidos: Borland International, 1992. 425 p.
4 DATA CONVERSION PRODUCTS: data book. Estados Unidos: Analog Devices, 1990. 1636 p.
5 DONCKER, R. W., LYONS, J. P. The auxiliary resonant commutated pole converter. IEEE - Industry Applicatons Society Conference Records, [s. l.], p. 1228-1235, out. 1990.
6 DONCKER, R. W., LYONS, J. P. An auxiliary quasi-resonant DC link inverter for switched reluctance machines. In: European Power Electronics Conference, 4, 1991, Firenze. Anais. Firenze: [s. n.], 1991. v. 4, p. 18-23.
7 EGGEBRECHT, Lewis C. Interfacing to the IBM personal computer. 2. ed. Estados Unidos: Howard W. Sams, 1990. 345 p.
8 LACERDA, Wilian Soares. Sistema de desenvolvimento para acionamentos elétricos, aplicação ao controle de posição de uma máquina síncrona a ímas permanentes. Belo Horizonte: UFMG, 1994. 210 p. (Tese, Mestrado em Engenharia Elétrica).
9 SEIXAS, Paulo F. Commande numérique d'une machine synchrone autopilotée. Toulose: Institut National Polytechnique de Toulose, 1988. 237 p. (Tese,
10 TMS32010 - user’s guide: 16/32 bit digital signal processor. Estados Unidos: Texas Instruments, 1983. 332 p.
