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Capítulo 3 – Implementación hardware mediante plataforma en tiempo real 33
Capítulo 3:
Implementación hardware mediante plataforma en tiempo
real
En el presente capítulo se va a describir los desarrollos experimentales que se han realizado utilizando
una plataforma de control en tiempo real SpeedGoat. El capítulo está estructurado como sigue…
En este capítulo también se mostrará la máquina de estados que gobierna el control de las secuencias
que tiene que seguir el funcionamiento del convertidor y el que proporciona la seguridad software del
equipo. En otro apartado se muestran los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio, en los
cuales se ha controlado un convertidor mediante esta plataforma.
3.1. Descripción de la plataforma SpeedGoat
SpeedGoat es un equipo diseñado para realizar pruebas en tiempo real utilizando el programa de
simulación Matlab-Simulink. Con este equipo se puede realizar la verificación y validación continua de
los modelos de controladores y plantas desde la etapa de diseño y simulación hasta un primer prototipo
de laboratorio. Los pasos principales que es necesario realizar en las tareas de diseño de un dispositivo
que necesita una etapa de control pueden resumirse en los siguientes pasos:
Simulación de sistemas dinámicos. El objetivo de esta etapa es realizar las simulaciones del
controlador y planta a controlar para verificar el correcto funcionamiento del primero ante
diversas situaciones. SpeedGoat permite la realización de estas simulaciones prácticamente en
tiempo real lo que reduce bastante el tiempo de desarrollo.
Rapid Prototyping Controller (RCP). Una vez superada la etapa anterior y verificado el
comportamiento del controlador se necesita realizar una validación experimental del mismo
sobre la planta propiamente dicha. El controlador puede ser implementado de forma muy simple
y con poco esfuerzo mediante la utilización de SpeedGoat a partir de las simulaciones realizadas
en la etapa anterior.
Hardware-in-the-Loop (HIL). En este caso, y una vez que ha sido validado el controlador
diseñado mediante RCP, la plataforma SpeedGoat puede ser utilizada para realizar la validación
del controlador cuando se pasa a un dispositivo de control standard basado en DSPs o FPGAs. En
este caso SpeedGoat emulará la planta a controlar mientras que el controlador ya estará
implementado en la plataforma que será utilizada en el prototipo hardware final.
34 Capítulo 3 – Implementación hardware mediante plataforma de control en tiempo real
Las principales ventajas de este proceso de diseño se pueden resumir en los siguientes puntos:
Probar e implementar continuamente nuevas ideas utilizando una plataforma independiente.
Probar el correcto funcionamiento de los diseños de sistemas en una primera etapa antes de
su montaje real.
Automatizar y repetir las condiciones de prueba y las interacciones entre todos los
componentes y equipos.
Evitar el riesgo de daños al hardware de prueba y el personal técnico.
Algoritmos de control de prueba, incluso en los casos en que un prototipo físico no está
disponible.
Con esta plataforma se pueden alcanzar velocidades de muestreo altas, las cuales son importantes para
la aplicación basada en electrónica de potencia que se está desarrollando en este caso. Para la mayoría
de aplicaciones HIL la tasa de muestro es suficiente con una relación de hasta 10 - 20kHz para ejecutar
modelos físicos complejos. Para aplicaciones RCP se puede llegar incluso hasta 100 kHz en función de la
necesidad del controlador y la velocidad en las entradas y salidas del sistema.
En la Figura 27 se puede ver el equipo en tiempo real utilizado para realizar el RCP del STATCOM. La
aplicación para la que se ha utilizado este equipo en el presente proyecto fin de master es en el RCP de
un convertidor en STATCOM. No obstante, como paso previo al funcionamiento en modo STATCOM se
ha realizado una prueba o test del controlador mediante una carga RL (resistencia e inductancia) y una
alimentación del bus de continua mediante una fuente externa. Ambos procedimientos se exponen en
el apartado 3.4 de este capítulo.
FIGURA 27 – SPEEDGOAT, EQUIPO EN TIEMPO REAL
Capítulo 3 – Implementación hardware mediante plataforma en tiempo real 35
La aplicación para la que se ha utilizado este equipo en el presente proyecto fin de master es en el RCP
de un convertidor en STATCOM. En un primer paso, antes de realizar el RCP en modo STATCOM, se ha
realizado una prueba o test del controlador mediante una carga RL (resistencia e inductancia) y una
alimentación del bus de continua mediante una fuente externa. Ambos procedimientos se exponen en
el apartado 3.4 de este capítulo.
Este equipo viene provisto con una serie de tarjetas de entrada y salida que se van a poner en uso en
este proyecto y algunas otras que no son de utilidad en las primeras fases de prototipado y control del
dispositivo. El modelo de SpeedGoat del que se dispone contiene cinco tipos de tarjetas adicionales al
equipamiento básico:
Módulo IO106: 64 entradas analógicas simples (32 entradas diferenciales).
Módulo IO111: 16 salidas analógicas con una resolución de 16bits.
Módulo IO203: 64 canales configurables como entrada/salida digital, tipo TTL o CMOS/TTL.
Módulo IO311: 19 parejas de salidas PWM y 18 capturadores.
Módulo IO601: dos puertos CAN con un microcontrolador de 40MHz.
En el RCP utilizado para controlar el convertidor se han utilizado:
Módulo IO106 para obtener las medidas de tensiones e intensidades del equipo
Módulo IO311 para salidas PWM que ataquen al convertidor
Módulo IO203 para habilitar las salidas PWM en la placa de seguridad que se ha incorporado al
montaje por unos motivos que serán explicados posteriormente.
3.2. Tarjetas de seguridad desarrollada
Debido a que la aplicación que se le va a dar a SpeedGoat es un RCP, hay que tener presente el
comportamiento del dispositivo cuando está conectado al VSC. Es de vital importancia tener en cuenta
que en el momento del arranque de SpeedGoat, compilación del programa y conectividad con el equipo
Host (ordenador base), pueden producirse comportamientos anómalos o inesperados que provoquen
deterioro en el VSC.
Por estos motivos, en la programación que se realiza en Matlab-Simulink, se han implementado una
serie de sistemas de seguridad, software en este caso, que contemplan los posibles fallos que se pueden
producir en el sistema y la seguridad necesaria en el funcionamiento normal del equipo. No obstante, en
el momento de la compilación, arranque y conectividad, estos elementos software no están
funcionando. Por este motivo se ha diseñado una placa externa que se va a colocar entre el equipo de
control SpeedGoat y el VSC. En la Figura 28 se puede ver la placa de seguridad hardware que se ha
diseñado para impedir que SpeedGoat pueda producir algún problema o deterioro en el convertidor en
el proceso de inicio hasta que este operativo completamente.
36 Capítulo 3 – Implementación hardware mediante plataforma de control en tiempo real
FIGURA 28 – PLACA DE SEGURIDAD HARDWARE PARA SPEEDGOAT
La placa de seguridad hardware de Figura 28 consta de 3 partes diferenciadas, que se analizan en los
siguientes puntos:
Lógica de seguridad. Es la parte fundamental de la placa y consta de 4 integrados de puertas
lógicas que se encargan de impedir que dos IGBTs de la misma columna se cierren a la vez y
provoquen un cortocircuito en el convertidor. Además se ha incluido una seguridad adicional
mediante estos integrados incluyendo una entrada digital “Enable” que habilita o deshabilita la
salida PWM hacia el convertidor aunque SpeedGoat la esté generando. En la Figura 29 se puede
ver la lógica de seguridad que impide que se cierren los IGBTs de una misma columna. En esta
figura se pueden diferenciar 3 niveles de lógica. El primer nivel es una puerta lógica NAND. Esta
puerta proporciona una señal de control que es cero en el caso de que las dos señales PWM
coincidan en nivel alto, es decir, ambos IGBTs intentan cerrarse, y uno en caso contrario. Esta
señal de control se utiliza para el siguiente nivel de control. En el siguiente nivel se proporciona
la salida PWM de cada IGBT en el caso de que no se encuentren ambas en nivel alto, este nivel
se realiza con dos puertas AND. Por último, el tercer nivel, proporciona la salida PWM que va
hacia el convertidor en el caso de que la entrada “Enable” esté habilitada.
FIGURA 29 – LÓGICA DE CONTROL PARA IGBTS DE LA MISMA COLUMNA
Capítulo 3 – Implementación hardware mediante plataforma en tiempo real 37
Filtrado de la señal PWM. Este filtro es necesario ya que la salida directa de PWM desde
SpeedGoat tiene un nivel elevado de ruido que hace que los drivers de control del convertidor
tengan un funcionamiento anómalo. Este ruido provoca el disparo de las faltas del driver,
impidiendo así un funcionamiento estable del convertidor.
Monitorización de faltas. Esta monitorización consiste en el encendido de un led en el caso de
que el driver del convertidor se active en caso de falta. Esta falta puede deberse a un mal
funcionamiento del driver, destrucción del IGBT o una señal PWM de entrada con demasiado
ruido. En la Figura 30 se puede ver el circuito que monitoriza las faltas. Este circuito consiste en
un led alimentado a 5 voltios y una resistencia de 680 ohmios que limita la corriente que va al
convertidor. La falta en el driver provoca el cierre del circuito conectando la resistencia de 680
ohmios a la masa del circuito.
FIGURA 30 – MONITORIZACIÓN DE LAS FALTAS DEL CONVERTIDOR
3.3. Resultados experimentales con carga RL
En este apartado se van a exponer los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio cuando
se alimenta a una carga RL. El objetivo primordial de estos ensayos es comprobar que el VSC realiza
la conmutación de forma adecuada y que la máquina de estados funciona correctamente. En estos
ensayos se alimenta el bus de corriente continua mediante una fuente externa y el VSC alimenta
una carga RL tal y como se muestra en la Figura 31.
FIGURA 31 – ESQUEMA UNIFILAR DEL MONTAJE RL
En la Figura 32 se muestra la tensión de suministro a la carga cuando se alimenta el bus de continua a
700V y un ciclo de trabajo de 0.4. En esta figura se puede apreciar los armónicos de orden alto debido a
la conmutación.
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FIGURA 32 – TENSIÓN DE SUMINISTRO A LA CARGA RL
En la Figura 33 se muestra la intensidad de suministro a la carga RL que absorbe la carga en el test de
prueba. La intensidad de suministro tiene una cantidad menor de ruido de conmutación debido al
filtrado que tanto el filtro de conexión a red como la propia carga RL realizan.
FIGURA 33 – INTENSIDAD DE SUMINISTRO A LA CARGA RL
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3.4. Resultados experimentales STATCOM
El segundo ensayo consiste en la conexión del convertidor utilizando la topología STATCOM. Esta
topología consiste en conectar la salida del convertidor a la red y que el sistema de control sea el
encargado de mantener la tensión del bus de continua En la Figura 34 se muestra el esquema
unifilar del montaje para esta topología. Como se puede observar, la fuente de tensión continua se
ha eliminado y se conecta a la red de suministro.
FIGURA 34 – ESQUEMA UNIFILAR DEL MONTAJE STATCOM
Debido que el convertidor tiene que controlar el bus de continua sólo se tiene un grado de libertad, y
por lo tanto, sólo se pude controlar la potencia reactiva del sistema. En la Figura 35 se ven tres
magnitudes obtenidas en este experimento. La primera gráfica de esta figura son los etas que el
controlador proporciona para obtener la referencia pedida. La segunda gráfica de la figura es la tensión
de red en el punto donde se ha conectado el VSC. Por último, la tercera gráfica de esta figura muestra la
intensidad de suministro en el punto de conexión a la red, el valor pico de dicha intensidad es de 10
amperios.
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FIGURA 35 – VARIABLES DE SUMINISTRO A LA RED EN LA CONFIGURACIÓN STATCOM
En la Figura 36 se muestran dos gráficas. En la primera gráfica se puede ver la tensión de referencia del
bus de continua en 730 voltios y la dinámica del control para mantener la tensión del bus de continua en
el valor seleccionado. En la segunda gráfica se puede ver la intensidad Id de referencia y la dinámica del
controlador para mantener la intensidad en dicho valor. El valor de esta intensidad Id es el valor de la
intensidad pico de suministro a la red que se puede ver en la tercera gráfica de la Figura 35.
FIGURA 36 – TENSIÓN DEL BUS DE CONTINUA Y REFERENCIA ID
Capítulo 3 – Implementación hardware mediante plataforma en tiempo real 41
En la FIGURA 37 se muestra el espectro armónico completo de la intensidad obtenida de los ensayos en
el laboratorio sobre la plataforma en tiempo real SpeedGoat. En esta gráfica no se puede apreciar con
facilidad la cantidad de contenido armónico ya que es muy leve.
En la FIGURA 38 se muestra el espectro armónico anterior con más detalle. En el diagrama de barras
superior se muestran los armónicos, en tanto por ciento con respecto al armónico fundamental, desde
el 2 al 13, dado que son los más representativos. En el diagrama de barras inferior se muestran los
armónicos de orden alto. La conmutación del VSC se realiza a 10kHz. El THD de la intensidad es del
0.022%
FIGURA 37 – ESPECTRO ARMÓNICO COMPLETO
FIGURA 38 - ARMÓNICOS DE LA INTENSIDAD
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