MXPA00008054A - Procedimiento de control por angulo de fase. - Google Patents

Abstract

Para realizar un dispositivo de control de fase que este exento de los constrenimientos de las derivaciones debidas a la frecuencia da alimentacion o a la temperatura de los componentes que lo constituyen, se preconiza un procedimiento en el cual una senal de consigna distribuida por un mando o control es modificada por un convertidor con el fin de que la actividad del accionador controlado por este dispositivo se una funcion lineal, en todos los casos, de una senal de control. A manera de perfeccionamiento, se toma en cuenta la variacion de la frecuencia de la senal de alimentacion, multiplicando la senal convertible por un medicion de la duracion del periodo de senal de potencia.

Description

PROCEDIMIENTO DE CONTROL POR ÁNGULO DE FASE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención tiene por objetivo un procedimiento de mando o control por ángulo de fase, utilizable tanto en los dominios industriales como en los dominios domésticos. Ésta se refiere en particular, respectivamente, al control variable de los motores y los variadores de luz. El Principio del control por ángulo de fase es utilizar una señal alternativa de potencia, y provocar la conmutación en una carga de esta señal de potencia a una fecha útil, siempre la misma, en un periodo de esta señal alternativa de potencia. El calaje de este dato o fecha útil con relación a un dato o fecha inicial permite, por sincronización, regular la potencia. La frecuencia de la señal de potencia utilizada es una característica esencial del dispositivo de regulación que pone en operación este principio. Subsiste un primer problema por el hecho de la variación de las frecuencias utilizadas: ya sea 60 Hz en América y 50 Hz en Europa y el resto del mundo. La concepción de los dispositivos correspondientes debe ser pues diferenciada. Por otra parte, el margen de regulación del control o mando de la fase deriva en función de los constreñimientos de utilización del circuito integrado que realiza esta función de conmutación. De este modo, este margen de regulación es principalmente dependiente de la frecuencia de reloj del microcontrolador utilizado, de su temperatura, y de su tensión de alimentación. Sobre todo si la sensibilidad de regulación no es lineal. Este tipo de inconveniente puede ser redhibitorio en el caso donde el variador utilizado es de control manual. Aún cuando la comodidad de utilización sea alternada, sobre todo si es en un sitio del margen de regulación, los resultados del control se vuelven mucho más sensibles que en otro sitio . Por el contrario, en el dominio de las retroalimentaciones , la variación de la sensibilidad encontrada a todo lo largo del margen de regulación con los dispositivos de control de fase, no es tolerable. Esta sensibilidad condiciona la actividad de un accionador en función de una señal de mando. En efecto, si el control debe ser esclavizado o dominado, la ganancia en el bucle abierto de esclavizamiento o servicio puede entonces ser diferente de acuerdo a que el valor de consigna se sitúe en un sitio del margen de regulación o en otro. Para evitar los fenómenos de bombeo, de oscilación de servidumbre o esclavitud, se obliga a tener en cuenta la ganancia máxima. Esto tiene por consecuencia que, en las zonas del margen de regulación donde la ganancia es baja, la reactividad de la esclavitud o servidumbre es igualmente baja. De cualquier manera, la reunión de la actividad del accionador al valor de consigna que le es impuesto, es más o menos rápida de acuerdo a la sensibilidad del margen de regulación en cuestión . La invención tiene por objetivo remediar este problema previendo en el circuito de comando, un medio de linearización de la actividad del accionador utilizado (una lámpara, un calentamiento, un motor u otro) a la señal de mando o control disponible. Este medio es interpuesto entre el circuito de consigna y el accionador utilizado. Se mostrará que esta forma de realización conduce a regular todos los problemas evocados anteriormente. La invención tiene pues por objetivo un procedimiento de mando o control en el cual se aplica una señal eléctrica periódica a un accionador, por mediación de un interruptor de corte automático, se produce una señal de mando, se determina una diferencia temporal de una fecha o dato útil de mando con relación a una fecha característica de esta señal periódica en función de esta señal de mando o control, se controla el cierre periódico del interruptor en esta fecha útil en cada periodo, aplicando esta señal de control al interruptor, se regula la actividad del accionador modificando la señal de control, caracterizado porque se convierte la señal de control mediante una conversión, en una señal convertida diferente cuya aplicación provoca un comportamiento lineal de la actividad del accionador, en función de esta señal de control y se utiliza la señal convertida para determinar la diferencia temporal. Cuando la actividad es la velocidad, la conversión es ventajosamente del- tipo arco-seno. Cuando la actividad es la potencia, la conversión es ventajosamente del tipo arco-seno al cuadrado. La invención será mejor comprendida a la lectura de la descripción siguiente y con el examen de las figuras que la acompañan. Éstas no se dan más que a manera indicativa y nulamente limitantes de la invención. Las figuras muestran: - Figura 1: un dispositivo utilizable para poner en operación el procedimiento* de la invención; - Figuras 2a y 2b: las representaciones de una función de transferencia habitual y de la función de transferencia reciproca puesta en operación, en la invención, para corregir la no linearidad de esta función de transferencia habitual; - Figura 3: una representación esquemática de una modalidad de elaboración de la función reciproca; - Figura 4: una representación esquemática de una modalidad de elaboración de la corrección de linearidad en función de la expresión tabulada de la función reciproca; - Figura 5: diagramas temporales de señales utilizables en el procedimiento de la invención; - Tabla 1: una tabla de conversión reciproca correspondiente a una linearización en potencia . La Figura 1 muestra un dispositivo utilizable para poner en operación el procedimiento de la invención. Una señal eléctrica periódica SI es proporcionada por una fuente eléctrica 1. Ésta es aplicada a un accionador 2 por mediación de un interruptor 3 de corte automático. Como se verá más adelante, el interruptor 3 incluye esencialmente los tiristores bidireccionales, o tiristores. En éstos, la conducción es provocada en un momento particular del ciclo de la señal periódica producida por la fuente 1. Esta conducción se corta automáticamente cuando esta señal eléctrica se invierte en polaridad. Un potenciómetro 4, o un dispositivo similar, permite producir una señal de control o mando K. El procedimiento de la invención que es un procedimiento de control por ángulo de fase, se localiza una diferencia temporal entre una fecha útil de control del interruptor 3 con relación a una fecha característica de la señal periódica SI. En la práctica, la fecha característica de la señal SI es una fecha de paso por 0 de la tensión de esta señal, al cambio de la polaridad. Se verá subsiguientemente, que esta fecha puede, en ciertos casos, ser difícil de medir y que convendrá tener en cuenta la diferencia, el error de medición efectuado sobre la detección de esta fecha característica. En otros términos, se determina la diferencia temporal de una fecha útil de control con relación a una fecha característica de la señal periódica en función de la señal de control K. De una manera habitual, la señal K es una función lineal de la diferencia temporal que se va a imponer. Por ejemplo, si el valor de la señal K es de 100% de su valor útil, el retardo de encendido del interruptor será nulo. Por el contrario, si el valor de K es de 0%, el retardo del encendido del interruptor 3 será total: igual a un semiperiodo de la señal periódica. El interruptor 3 no será entonces encendido. De esta manera, se regula la actividad del accionador 2 modificando la señal de mando o control, en la práctica aqui, modificando la posición del cursor 5 del potenciómetro 4. El potenciómetro 4 es alimentado entre el VCC y la masa. Su cursor distribuye una tensión proporcional al VCC. La señal K en este ejemplo es analógica. En la invención, se convierte la señal de comando K por una conversión, en una señal convertida K' cuya aplicación provoca luego un comportamiento lineal de la actividad del accionador en función de esta señal de control K. La actividad a la que se hará referencia en lo subsiguiente de esta exposición, es la potencia desarrollada por el accionador 2. Ésta puede ser otro parámetro: por ejemplo su velocidad. Si se trata del elemento de calentamiento éste puede ser su temperatura, o la luminosidad si se trata de un elemento de alumbrado.

Para convertir una señal de control K, se utiliza de preferencia en la invención, un microcontrolador 6.. El microcontrolador 6 incluye esencialmente una unidad aritmética y lógica 7 que sirve de microprocesador. El microprocesador 7, está en relación por una barra colectiva de comandos, de direcciones y de datos 8 con una interfaz de entrada 9, un convertidor analógico, numérico 10, una memoria de programa 11 y, una memoria de trabajo 12 provista de registros. De acuerdo a lo que Iserá explicado más adelante, la conversión de la señal puede ser calculada a demanda, o de preferencia precalculada . En este último caso, los cálculos previos son registrados en una memoria no volátil 13 del microcontrolador 6 bajo la forma de una tabla. Para comandar el accionador 2, el microcontrolador 6 incluye todavía dos registros 14 y 15 que permiten respectivamente disponer de un estado lógico, relacionado al instante real de presencia de la fecha característica en el periodo, y de la orden o control a imponer en el interruptor 3. El interruptor 3 es de preferencia un interruptor de tipo optoacoplador. Éste incluye un diodo electroluminiscente 16 en relación con el registro 15 y que emite una radiación luminosa 17 cuando el contenido del registro 15 está activo (estado lógico 1) . Éste no emite en el caso contrario. La luz 17 emitida por el diodo 16 excita las palancas de disparo 18 de un juego 19 de tiristores bidireccionales montados cabeza-pata. Estos tiristores bidireccionales 19 son por otra parte, insertados en serie en el circuito que conecta la fuente 1 al accionador 2. El instante donde el diodo 16 emite' es la fecha útil. Al comienzo de cada alternancia, cuando el juego 19 de los tiristores bidireccionales no es conductor, la fuente 1 es conectada al accionador 2 por una derivación que comprende una resistencia 20 y un juego de diodos electroluminiscentes 21. Los diodos electroluminiscentes 21 excitan la base de un fototransistor 22 donde el emisor está conectado a una entrada de un amplificador operacional de gran ganancia 23. La salida del amplificador operacional 23 distribuye un estado eléctrico r _*epresentativo del estado de conducción de uno de los diodos de un juego de diodos 21. En principio, al comienzo de cada alternancia, cuando el juego de los tiristores bidireccionales está en circuito abierto, la señal distribuida por el amplificador 23 está convencionalmente en el estado 0. Ésta pasa al estado 1 cuando los diodos 21 son sometidos a cortocircuito por los tiristores bidireccionales 19 conductores. Este estado lógico es almacenado en el registro 14. El optoacoplador 3 está pues conectado por una parte a la carga 2 y a la fuente 1, y por otra parte al microcontrolador 6. Las Figuras 2a y 2b muestran los efectos habituales de un circuito de control de fase del estado de la técnica. La Figura 2a informa sobre la actividad supervisada en función de la anchura K de consigna impuesta. Por ejemplo, la actividad supervisada y la potencia. Tomando en cuenta los principios del mando o control de fase (aplicación de la potencia durante las porciones del periodo), y de la necesaria elevación al cuadrado de la tensión para determinar la potencia, se puede expresar esta última en función de K, de la siguiente manera: Fórmula 1 : K - (255/2p) . (sen 2pK/255) En esta fórmula, K que de una manera normalizada puede valer entre 0 y 1, ha sido cuantificada sobre 8 bitios y puede de este modo valer en binario de 0 a 255. Se constata fácilmente que la ganancia de la función transferida es máxima para K = 128, y que ésta es muy baja para K cercana de O ó de 255. El problema de la reunión para el valor 0 no es muy grave, tomando en cuenta que la potencia disipada debe ser nula: ésta es fácil de reunir. Por el contrario, para los valores elevados, la reactividad de la servidumbre o esclavitud que utilizaría estos valores sería reducida. El valor numérico de K es obtenido tomando el valor analógico distribuido por el potenciómetro 4 sobre la entrada 9, y haciéndolo sufrir una conversión analógica-numérica por mediación del convertidor 10. El valor K, normalizado de este modo sobre ocho bitios, puede ser almacenado en uno de los registros de trabajo de la memoria 12. En la invención, para line~arizar el fenómeno de control, se ha previsto reemplazar K por un valor K' , como se muestra en la Figura 2b, que muestra K en las abscisas y K' en las ordenadas. ! La Figura 2b representa de hecho, la función de transferencia recíproca correspondiente a la fórmula precedente. Tomando en cuenta el carácter complejo de esta fórmula precedente, no es posible disponer de una función de transferencia recíproca K=f (P) analítica simple. K es aquí el inverso del retardo con el cual se dispara el juego de tiristores bidireccionales a la fecha útil con relación a la fecha característica. Si K es nutlo, el retardo es máximo: la potencia disipada es nula. Por el contrario, si K es nominal, el retardo es nulo, la potencia disipada es máxima. La Figura 2b, además de la función recíproca, efectúa, en el presente caso, una inversión del valor de K. En efecto, primero que trabajar sobre el inverso del retardo, se ha preferido trabajar sobre el retardo mismo: éste es el valor típico que se puede utilizar para controlar el interruptor 3. La obtención de la función de transferencia recíproca (y el inverso según el caso) representada por la Figura 2b, es tabulada en la memoria 13 a partir del conocimiento del cálculo de la función de transferencia de la Figura 2a. El cálculo de esta función de transferencia se expresa bajo la forma de una tabla que incluye a la izquierda los valores de K que evolucionan de 1 a 255 para cada línea de la tabla, y a la derecha en cada línea, el valor de la potencia P correspondiente a la fórmula anterior. A partir de esa tabla, como lo muestra la Figura 3, es posible leer al revés, por dicotomía. De este modo, se busca en esta tabla, en el curso de una etapa 24 un valor de P=j (j vale 0 al comienzo) . Para este valor de P=j , se considera, en una etapa 25, si existe en la tabla, un valor de K correspondiente. Si se encuentra un valor tal, se dice, en una etapa 2 6 , que el valor K' es igual a K (o a 255 - K si se invierte) . Luego se vuelve a comenzar incrementando j en j+l en la etapa 27, hasta que j alcanza 255. Si el valor de P deducido no corresponde a un valor de la tabla, se modifica P en P-l y se vuelve a comenzar la prueba. Se vuelve a comenzar hasta que se encuentra un valor de P para el cual un valor de K está presente en la tabla. Para el valor de P=j de partida, se le atribuye pues el valor de K, entonces el valor de K' , encontrado en correspondencia. Haciendo esto se dispone de una tabla que incluye en la entrada (en la dirección) los valores de P, y en la salida (en los datos almacenados para estas direcciones) los valores de K' . Es pues posible constituir una tabla que incluya en la entrada los valores de K (tales como los distribuidos por el potenciómetro 4) y en la salida ios valores de K' cuya aplicación a manera de control (o de consigna en la servidumbre) lineariza el control o mando del fenómeno. Para otro fenómeno,* se utiliza otra fórmula. En la Tabla 1 se ha representado la conversión tabulada efectuada en el caso del control de potencia. La Figura 2b muestra la función de transferencia recíproca (e inversa) . Ésta muestra igualmente una modificación del cálculo de K' ligado a la variación, conjuntamente, en las condiciones de utilización del microcontrolador 6 ,y de la frecuencia de la señal alternativa SI. En efecto, si el periodo de esta señal alternativa es más prolongado (su frecuencia es menos elevada) , es importante para controlar con la fase conveniente el accionador 2, retardar en consecuencia la aplicación de impulsión luminosa 17 sobre los tiristores bidireccionales 19. En definitiva, para un valor K' calculado, el retardo a imponer no es K' sino K" que toma en cuenta el periodo real de la señal Si, medida en las condiciones reales de utilización del microcontrolador 6. Con este objetivo, este microcontrolador posee un reloj 29 en relación con un contador 30. El reloj 29 es por ejemplo un reloj a 15 Khz, el contador 30 es un contador de ocho bitios. Las figuras 4 y 5 permiten comprender el funcionamiento de este contador. En la Figura 5, se distinguen, respectivamente, las señales temporales representativas de la señal eléctrica de la potencia SI, de una señal S2 que pasa en el juego de los diodos 21, de una señal S3 de conteo. La señal S3 es aquella que es almacenada provisionalmente en el registro 14. La señal S2 es representada para los diferentes valores del ángulo de fase de comando. En la parte superior, el comando control es a 33%, en la parte media éste es de 66%, y en la parte inferior es de 100%. La señal S3 presenta impulsiones positivas cuando la corriente pasa en los tiristores bidireccionales 19. Es posible, con el microprocesador 7 que recibe el estado binario S3 en el registro 14, detectar los frentes de descenso 31 de S3 para poner a 0 el contador 30, y para disparar el conteo. Haciendo esto, el contador 30 es capaz, al cabo de un semiperiodo, producir un resultado, almacenado en un registro de la memoria 12, correspondiente a la duración del semiperiodo de SI, correspondiente pues al periodo de SI. La Figura 4 muestra tres registros de la memoria 12. Un primer registro 32 contiene el valor K tal como éste es numerado por el convertidor analógico-numérico 10. Un segundo registro 33 muestra el valor K' correspondiente al valor K, después de su extracción de la Tabla 1 de la memoria 13. En la práctica, esta extracción se hace introduciendo como dirección en la tabla de la memoria 13, el valor K y tomando el valor K' memorizado para esta dirección en esta memoria. La cuenta binaria correspondiente a la duración del periodo es almacenada en un registro 34 de la memoria 12. En sincronismo y de antemano con la puesta a cero del contador, el microprocesador 7 lee los contenidos de los registros 33 y 34 y se provoca la multiplicación de uno por el otro para almacenar el resultado K" en un registro 35. De una manera preferida, los registros 33 y 34 son registros de ocho bitios. El registro 35 es pues normalmente un registro de 16 bitios. Con el fin de normalizar el cálculo, el valor resultante es dividido por 255, lo que viene a realizar un truncamiento de los ocho bitios de menor peso del registro 35. Se dispone entonces en los ocho bitios de mayor peso del registro 35, un valor representativo de la duración durante la cual es necesario alcanzar antes de controlar, la emisión de la excitación luminosa 17. Para este disparo, el microprocesador 7 compara en permanencia el estado del contador 30 a los ocho bitios de peso mayor almacenados en el registro 35. Esta comparación es mostrada esquemáticamente por la señal S4 de la Figura 5 donde los impulsos de reloj son presentados durante una duración correspondiente a la apertura del interruptor 3 (éste es el control a 33%) . Cuando el contador 30 llega a la cuenta del registro 35, el microprocesador 7 carga en el registro 15, un bitio representativo de la activación de la excitación 17. Esta activación cesa automáticamente a la inversión de la polaridad mediante desaprestamiento de los tiristores. Luego el procedimiento vuelve a comenzar para un periodo siguiente. Actuando de esta manera, se toma en cuenta de una manera particularmente simple las derivadas del funcionamiento debidas a la vez al microcontrolador 6 y a la alimentación de la fuente 1. Se notará que si el control o mando es al 100%, el hecho de mantener el diodo 16 iluminado en permanencia hace perder la información de sincronización y de corrección de las derivadas. No obstante esto no es embarazoso, tomando en cuenta que en estas condiciones, el accionador funciona con su actividad máxima: no se puede hacer mejor. es almacenado en un registro de la memoria 12. Para obtener el valor útil de corrección es suficiente dividir este resultado por dos. En la práctica, se hace saltar el bitio del peso menor de la cuenta obtenida. A 50 Hz, el periodo T de señal alternativa es del orden de 10 milisegundos. El contador 30 de ocho bitios, que es un contador material es previsto para contar a 125 Khz . El microcontrolador 6 será de preferencia cadenciado por el reloj 29 a una frecuencia de 4 MHz. La realización de la multiplicación de la Figura 4 no tomará en la práctica más que 32 microsegundos, es decir 3 centésimas de la duración de un ciclo. Esto es insignificante. En resumen, se propone de acuerdo a la invención un procedimiento de servidumbre de un accionador en el cual se produce una señal de consigna, se mide en una señal de medición" la actividad del accionador, se mide en una señal de error la diferencia entre esta señal de consigna y esta señal de medición, y se controla el accionador con esta señal de error caracterizada porque se convierte la señal de error por una conversión, en una señal convertida diferente cuya aplicación al accionador provoca un comportamiento lineal de la actividad del accionador en función de esta señal de error. es almacenado en un registro de la memoria 12. Para obtener el valor útil de corrección es suficiente dividir este resultado por dos. En la práctica, se hace saltar el bitio del peso menor de la cuenta obtenida. A 50 Hz, el periodo T de señal alternativa es del orden de 10 milisegundos. El contador 30 de ocho bitios, que es un contador material es previsto para contar a 125 Khz . El microcontrolador 6 será de preferencia cadenciado por el reloj 29 a una frecuencia de 4 MHz. La realización de la multiplicación de la Figura 4 no tomará en la práctica más que 32 microsegundos, es decir 3 centésimas de la duración de un ciclo. Esto es insignificante. En resumen, se propone de acuerdo a la invención un procedimiento de servidumbre de un accionador en el cual se produce una señal de consigna, se mide en una señal de medición la actividad del accionádor, se mide en una señal de error la diferencia entre esta señal de consigna y esta señal de medición, y se controla el accionador con esta señal de error caracterizada porque se convierte la señal de error por una conversión, en una señal convertida diferente cuya aplicación al accionador provoca un comportamiento lineal de la actividad del accionador en función de esta señal de error.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de control en el cual: se aplica una señal eléctrica periódica a un accionador por mediación de un interruptor de corte automático; se produce una señal de control; se determina una diferencia temporal de una fecha útil de control con relación a una fecha característica de esta señal periódica en función de la señal de control; se controla el cierre periódico del interruptor en esta fecha útil en cada periodo, aplicando esta señal de control al interruptor; se regula la actividad del accionador modificando la señal de control; caracterizado el procedimiento porque se convierte la señal de control por una conversión, en una señal convertida diferente cuya aplicación provoca un comportamiento lineal de la actividad del accionador en función de esta señal de control; se utiliza la señal convertida para determinar la diferencia temporal .

2. Procedimiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la actividad es la velocidad, y porque la conversión es del tipo arco-seno .

3. Procedimiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la actividad es la potencia y porque la conversión es del tipo arco-seno al cuadrado.

4. Procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la conversión es realizada por una tabulación de la señal de control en una señal convertida .

5. Procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se mide la duración del periodo de señal periódica y se modifica la conversión en función de esta medición.

6. Procedimiento de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque se multiplica la conversión por la medición de la duración del periodo de la señal periódica.

7. Procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se controla el interruptor con un optoacoplador.

8. Procedimiento de conformidad con las reivindicaciones 5 y 7 conjuntamente, caracterizado porque para una regulación máxima de la actividad del accionador, no se modifica la conversión en función de la duración del periodo de señal periódica.