ES2245576B1 - Circuito electronico para medida de tension generada mediante tecnicas de modulacion de anchura de pulsos (pwm). - Google Patents

Circuito electronico para medida de tension generada mediante tecnicas de modulacion de anchura de pulsos (pwm). Download PDF

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Circuito electrónico capaz de medir la duración de los pulsos de tensión de salida en dispositivos para alimentación de máquinas eléctricas que emplean modulación de anchura de pulsos (PWM) mediante el que se puede conocer en tiempo real el valor de tensión que se esté aplicando a cada fase de la máquina y se puede emplear ese valor en el algoritmo de control. El circuito está formado por un divisor de tensión (1), un amplificador de aislamiento (2), tres interruptores de estado sólido (3), (4) y (9), dos integradores de señal (7) y (8), dos monoestables (5) y (9) y un amplificador operacional (19). El circuito proporciona numerosas ventajas en el desarrollo de sistemas de control de máquinas eléctricas, midiendo los valores de tensión y logrando con ello una mejora de su dinámica de operación.

Description

Circuito electrónico para medida de tensión generada mediante técnicas de modulación de anchura de pulsos (PWM).
Campo de la invención
La invención se refiere a un circuito electrónico diseñado y construido para medir la tensión de alimentación de dispositivos eléctricos generada mediante técnicas de modulación de anchura de pulsos (PWM).
Antecedentes de la invención
Cuando se emplea una máquina eléctrica como accionamiento se requiere que la tensión de alimentación de la máquina tenga en cada instante el valor requerido para llevar a cabo la acción dinámica exigida. Ese valor de tensión queda determinado por el algoritmo de control del accionamiento. El método más frecuente para obtener en cada instante un valor determinado de tensión es el de modulación de anchura de pulsos (PWM, Pulse Width Modulation), en el que se alimenta a la máquina con pulsos de tensión constante y duración (anchura) variable. La tensión de alimentación de la máquina en cada instante depende de la duración del pulso de tensión.
Para unos requerimientos dinámicos determinados de la máquina deben aplicarse unas consignas de control adecuadas. Estas consignas se traducen finalmente en señales de tensión de control, que generalmente se envían a un inversor de transistores tipo IGBT que generará la tensión de alimentación de la máquina.
El estado de la máquina en cada instante se calcula a partir de los datos extraídos durante su funcionamiento (posición, corriente, tensión), datos que son empleados para el cálculo de las consignas de control a enviar en el siguiente instante.
Es necesario conocer el valor de la tensión de alimentación fundamentalmente por dos razones: saber la tensión real de alimentación en cada instante, y poder introducir el valor de esa tensión en el sistema para ser empleado en el algoritmo de control.
Existen medidores de tensión, analizadores de ondas, y otros dispositivos capaces de mostrar la onda de tensión PWM que se está generando al alimentar una máquina eléctrica, pero no se ha encontrado ningún dispositivo que no sólo mida la tensión media de cada periodo de muestreo, sino que además permita introducir esa medición en el sistema de control que gobierna la máquina.
Sumario de la invención
La invención consiste en un circuito electrónico realizado con componentes electrónicos de bajo coste y fácil localización en el mercado, capaz de medir el valor de tensión de entrada en cualquier dispositivo eléctrico alimentado mediante técnicas PWM, y enfocado a su utilización en máquinas y accionamientos alimentados mediante un inversor de transistores tipo IGBT, u otros.
El circuito consta de varias partes, cada una de las cuales realiza una función determinada, y que se describen brevemente a continuación.
Una primera parte consiste en un divisor de tensión, compuesto por una resistencia fija y una resistencia variable, cuya misión es reducir la amplitud de los pulsos PWM de alimentación, de valor considerable, hasta los valores de tensión de trabajo del resto de componentes del circuito (10 V).
Posterior al divisor de tensión se encuentra un amplificador de aislamiento, cuya finalidad es aislar completamente la máquina y la etapa de potencia del sistema de medida, control y adquisición de datos. A la entrada y a la salida del amplificador de aislamiento se tiene exactamente la misma tensión, pero con diferentes referencias (tierras), y estando la entrada y la salida completamente aisladas eléctricamente entre sí.
Este amplificador de aislamiento se puede sustituir por un optoacoplador, que aísle eléctricamente la parte del circuito que se halla en su entrada de la parte del circuito que se halla en su salida u otro componente que desarrolle funciones análogas.
La tensión de salida del amplificador de aislamiento se envía a dos interruptores de estado sólido (switches), que trabajan alternativamente: cuando uno se encuentra cerrado (cortocircuito), el otro se encuentra abierto (circuito abierto), y viceversa. La apertura de los interruptores se controla mediante un tren de pulsos de frecuencia adecua-
da.
La parte fundamental del circuito de la invención consta de dos subsistemas integradores de señal mencionados en el resumen de este documento. Cada subsistema consiste en un circuito que integra la señal proveniente de cada uno de los interruptores. La tensión de salida de cada integrador va aumentando hasta alcanzar un valor proporcional a la duración del pulso PWM de alimentación que se desea medir. Ese valor de tensión de salida del integrador se mantiene durante el siguiente periodo de muestreo, para que pueda ser leído y registrado por el sistema de control y adquisición de datos.
La última etapa del circuito es un amplificador operacional que amplifica la tensión de salida de los circuitos integradores, con el fin de aumentar la precisión y resolución del circuito, y reducir las posibles interferencias producidas por ruido electromagnético.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa, y en ningún sentido limitativa, de su objeto en relación con los dibujos que se acompañan.
Descripción de las figuras
La Fig. 1 representa una forma habitual en que se puede emplear el circuito de la invención. El circuito electrónico medidor de tensión puede recibir como entrada la tensión de alimentación de una de las fases de una máquina eléctrica, y proporciona como salida el valor de tensión, que ya se puede introducir en el sistema de control y adquisición de datos.
La Fig. 2 muestra el modo de trabajar del circuito medidor, basado en la integración de una onda de pulsos de tensión de amplitud constante y duración variable.
La Fig. 3 explica con más detalle lo mostrado en la Fig. 2 el caso específico de alimentación mediante modulación de anchura de pulsos (PWM).
La Fig. 4 describe un divisor de tensión convencional que emplea dos resistencias, y las conexiones pertinentes para tener en su salida una tensión regulable y menor que en su entrada.
La Fig. 5 representa un amplificador de aislamiento de ganancia 1, que aísla y separa eléctricamente el divisor de tensión y la máquina eléctrica del resto del circuito medidor.
La Fig. 6 muestra esquemáticamente un interruptor (switch) de estado sólido, conmutado mediante pulsos de tensión.
La Fig. 7 explica el modo de trabajo alternativo de los dos subsistemas integradores con los que cuenta el circuito.
La Fig. 8 es el esquema eléctrico de uno de los dos subsistemas integradores idénticos de los que consta el circuito, en el que aparecen detallados sus componentes electrónicos y terminales de conexión.
La Fig. 9 representa un esquema de un monoestable, sus terminales de entrada y salida, la resistencia y capacidad externas para su regulación, y una descripción de su modo de funcionamiento.
La Fig. 10 explica el modo de trabajo de los dos subsistemas integradores particularizado para el caso de una entrada de tensión constante y un periodo de disparo y muestreo T, fijado por el sistema de control y adquisición de datos.
La Fig. 11 es una figura explicativa del modo de funcionamiento global del circuito electrónico medidor, particularizado para el caso de una entrada de tensión constante.
La Fig. 12 es una vista esquemática del circuito electrónico medidor al completo, especificando sus módulos o partes funcionales.
La Fig. 13 es una fotografía del prototipo de circuito construido.
Descripción detallada de la invención
La Fig. 1 representa la configuración más habitual en la que se puede emplear el circuito electrónico medidor de tensión. Con la invención se puede medir de manera directa la tensión de alimentación en cualquier fase de la máquina y utilizar la información en tiempo real en el algoritmo de control.
Los pulsos de tensión de alimentación PWM son de amplitud constante y anchura (duración) variable. El método empleado por el circuito permite obtener la integral de la onda de tensión PWM de entrada a la máquina. Si la integral de una señal constante es una rampa de una pendiente determinada, la de un pulso tendrá la forma mostrada en la Fig. 2. Aunque el pulso no fuese de amplitud constante y presente un rizado, el procedimiento determinaría correctamente el valor de la tensión.
El valor final de la integral del pulso será proporcional a su duración. Si se mide el valor alcanzado por la integral, se podrá determinar la anchura (duración) que ha tenido cada pulso PWM, y por tanto conocer la tensión con que se ha alimentado la máquina en cada periodo.
Es necesario anular el valor de la integral antes de que comience el siguiente periodo de muestreo, es decir, antes de que el sistema de adquisición tome un nuevo dato. Si no se anulase, el valor de la integral crecería indefinidamente por la llegada de nuevos pulsos, y no se podría conocer la duración de cada pulso. La Fig. 3 muestra lo que se pretende conseguir.
Para la tarea descrita se ha desarrollado un circuito representado esquemáticamente por la Fig. 12. A continuación se explican pormenorizadamente cada una de sus diferentes partes, citadas en el anterior apartado (sumario de la invención).
Divisor de tensión 1
El divisor de tensión 1 se emplea porque los niveles de tensión que alcanzan los pulsos de alimentación a la máquina son demasiado elevados para los componentes electrónicos del circuito. Dichos pulsos pueden tener valores elevados de tensión (la tensión de bus DC puede llegar a ser del orden de kV), mientras que en la medición no es conveniente trabajar con tensiones mayores de 10 V. La Fig. 4 representa el divisor de tensión 1 incluido en el circuito, en el que
\frac{V_{in}}{R_{1}+R_{2}}=\frac{V_{out}}{R_{2}} \rightarrow V_{out}=\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}V_{in}
En el circuito construido se ha utilizado R_{1}=1 M\Omega (elemento 11) y R_{2} (elemento 12) variable entre 0 y 100 k\Omega. Ello permite disminuir la tensión de salida hasta 11 veces por debajo de la de entrada.
Amplificador de aislamiento 2
Como medida protectora el circuito cuenta con un amplificador de aislamiento 2 que no modifica la señal que recibe, pero aísla completamente la parte del circuito que llega a su entrada de la parte que se halla en su salida. Se representa en la Fig. 5. La diferencia de tensión entre los terminales de la entrada es exactamente igual que la diferencia de tensión entre los terminales de salida, pero están completamente aislados unos de otros.
La señal de salida del amplificador de aislamiento es una onda semejante a la onda de pulsos PWM generada por la etapa de potencia, pero con una amplitud reducida y completamente aislada de aquella. Dicha onda es la que se analiza por medio del resto de componentes del circuito para obtener la medida de tensión que se desea.
Interruptores de estado sólido (switches 3 y 4)
El sistema de adquisición de datos realiza la lectura de datos en un determinado instante del periodo de muestreo. Dicho instante se desconoce, pero se sabe que es siempre el mismo dentro de cada periodo. Para obtener una medida de tensión fiable se busca conservar el valor de salida de cada integrador durante todo el periodo de muestreo siguiente a la integración, y realizar la lectura en ese intervalo. Se emplean dos integradores 7 y 8 que trabajan alternativamente, y para conseguir esa alternancia se emplean dos interruptores de estado sólido 3 y 4, mostrados en la Fig. 6.
Integradores de señal 7 y 8
En un periodo un integrador realiza la integral de su señal de entrada y guarda el valor de esa integral durante todo el periodo siguiente. En este mismo periodo, el otro integrador está conservando el valor de la integral correspondiente al periodo anterior, tal como muestra la Fig. 7. Los switches 3 y 4 se encargan de hacer que las señales lleguen a los integradores 7 y 8 de forma alternativa.
Para abrir y cerrar los interruptores 3, 4 y 9 se emplea un bit, es decir, una señal de pulsos de 5 V. Esta señal tiene una frecuencia mitad de la de disparo de los transistores empleados en la etapa de potencia, controlados mediante la estrategia PWM. Este mismo bit se empleará también en la operación de puesta a cero (reset) de los integradores 7 y 8.
La Fig. 8 muestra la parte fundamental del circuito, que realiza la integración propiamente dicha. Como ha quedado explicado en el anterior apartado, los integradores 7 y 8 trabajan alternativamente y se reinicializan (cada 2 periodos de trabajo T): integran la señal recibida durante un periodo T (operación de sample) y conservan ese valor durante el siguiente (operación de hold).
Para la operación de reset es necesario un pulso de tensión. Mientras este pulso esté en nivel alto el circuito no integrará, lo hará cuando esté en nivel bajo. Por eso es necesario suministrar a los integradores 7 y 8 un pulso de reset lo suficientemente ancho para que realice el borrado sin problemas, pero lo suficientemente estrecho para que no se pierda señal de entrada, es decir, que se comience a integrar lo antes posible al comienzo de cada periodo. Los dos pulsos de reset se consiguen por medio de dos monoestables 5 y 6.
La captación del valor de tensión medido se produce con un retraso de al menos un periodo de muestreo T, al que hay que sumar los retrasos propios de los componentes electrónicos del circuito medidor de tensión, debido al propio diseño y modo de trabajo del circuito. Ese retraso tendrá mayor o menor influencia en el control del dispositivo con que se trabaje según sea mayor o menor el periodo de muestreo T que se elija.
Monoestables 5 y 6
La Fig. 9 muestra el funcionamiento de los monoestables 5 y 6, en este caso disparándose al detectar un flanco de subida en la señal de entrada. La señal de entrada es el bit procedente del sistema de control. La salida son pulsos de tensión cuya duración se puede regular variando los parámetros R_{ext} y C_{ext}, una resistencia 21 y una capacidad (22) externas.
Dependiendo de cómo se realicen las conexiones al implementar el circuito, se puede hacer que los monoestables 5 y 6 se activen al recibir un flanco de subida, o uno de bajada, en la señal de entrada. Trabajando un monoestable para cada integrador, el primer monoestable 5 se dispara cuando detecta un flanco de subida en el bit de entrada, mientras que el otro monoestable 6 lo hace al detectar un flanco de bajada.
Se considera que un pulso de reset de 5 \mus es un valor adecuado en el prototipo empleado ya que es suficientemente largo como para permitir que se lleve a cabo la operación de reset, y suficientemente corto para que el valor de la integral de salida sea el correcto en cada período de integración. La duración del pulso de reset se debe elegir en función de la aplicación a la que vaya destinada el circuito medidor de tensión, y del periodo de muestreo T con que se trabaje.
Interruptor de estado sólido (switch 9)
El tercer interruptor 9 tiene 2 señales de entrada, y emite una de ellas como salida, al contrario que los interruptores 3 y 4, que reciben una señal de entrada y emiten dos señales de salida (Fig. 12).
Los switches 3 y 4 se encargan de enviar la señal alternativamente a los dos integradores 7 y 8, y el switch 9 se encarga de recoger alternativamente la señal proveniente de cada integrador. A la salida de este switch 9 se tendrá el valor de integral que cada integrador conserva hasta ser reinicializado, como se indica en la Fig. 10, que muestra como ejemplo el caso de una señal de entrada continua y valor constante.
Amplificación de la señal de salida. Amplificador operacional 10
La salida de los integradores, y posteriormente del interruptor 9, tiene un nivel de tensión bajo. Esto provoca que cualquier interferencia de ruido electromagnético tenga una influencia muy grande en la señal capturada. Para minimizarlo se coloca al final del circuito un amplificador operacional 10 que eleva la tensión de salida hasta un rango cercano a los 10 V. Así se tendrá además una lectura de datos más precisa al poder emplear un fondo de escala mayor.
Resultado final
El circuito completo realiza la integral de la señal de entrada, pudiendo variarse el intervalo de integración, su frecuencia, la pendiente de la integral y el nivel de reset.
La Fig. 11 ayuda a comprender el funcionamiento general del circuito, mostrando las entradas y salidas de las partes que lo componen. En dicha figura se supone una señal de entrada continua.
Aunque se ha descrito y representado una realización de la invención, es evidente que pueden introducirse en ella modificaciones comprendidas dentro del alcance de la misma, no debiendo considerarse limitado éste a dicha realización, sino al contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims (5)

1. Circuito electrónico para medida de tensión generada mediante técnicas de modulación de anchura de pulsos (PWM), caracterizado porque consta de los siguientes módulos:
- un divisor de tensión (1) que recibe la tensión PWM a medir y proporciona una onda de tensión similar a la recibida pero reducida en amplitud a un valor adecuado para el funcionamiento del resto de componentes del circuito;
- un amplificador de aislamiento (2) que recibe la tensión de salida del divisor de tensión (1) y tiene como salida una tensión exactamente igual, y aísla eléctricamente la parte del circuito que se encuentra a su entrada de la parte que se encuentra a su salida;
- dos interruptores de estado sólido (3) y (4) que permiten enviar la señal de salida del amplificador de aislamiento (2) de forma alternativa a dos subsistemas integradores de señal (7) y (8);
- dos subsistemas integradores (7) y (8) que reciben las señales de salida de los interruptores (3) y (4) respectivamente y proporcionan como salida la integral de la señal de entrada;
- dos monoestables (5) y (6) que proporcionan cada uno un pulso de tensión, de duración ajustable, y que es enviado a cada uno de los subsistemas integradores (7) y (8) para que sean reinicializados cuando se requiera;
- un interruptor de estado sólido (9) que recibe de forma alternativa las señales de salida de los subsistemas integradores (7) y (8), y proporciona una señal de salida que es combinación de las dos señales de entrada;
- un amplificador operacional (10) que recibe la señal del interruptor (9) y la amplifica aumentando su valor de manera que se mejore la precisión y resolución del sistema completo, y se reduzcan las posibles interferencias provocadas por ruido electromagnético.
2. Circuito electrónico para medida de tensión generada mediante técnicas de modulación de anchura de pulsos (PWM) según la reivindicación 1, caracterizado porque los pulsos de tensión de alimentación son de amplitud constante.
3. Circuito electrónico para medida de tensión generada mediante técnicas de modulación de anchura de pulsos (PWM) según la reivindicación 1, caracterizado porque los pulsos de tensión de alimentación presentan un rizado.
4. Circuito electrónico para medida de tensión generada mediante técnicas de modulación de anchura de pulsos (PWM) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en él se sustituye el amplificador de aislamiento (2) por un optoacoplador.
5. Utilización del circuito electrónico para medida de tensión generada mediante técnicas de modulación de anchura de pulsos (PWM) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 para controlar la tensión de alimentación de cualquier máquina eléctrica gobernada mediante técnicas de modulación de anchura de pulsos (PWM), conectándose en su entrada a la tensión de alimentación de una fase de la máquina eléctrica y en su salida al sistema de control que gobierna la máquina eléctrica.
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