Amplificadores Corriente Continua

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  • ELECTRNICA DE CONTROL CONTINUO. 1

    DEPARTAMENTODE ELECT RNICA

    Universidad de Alcal

    TEMA 4TEMA 4

    ELECTRNICA DE

    CONTROL CONTINUO

    SISTEMAS ELECTRNICOS DE CONTROL CONTINUO

    I.T.T. SISTEMAS ELECTRNICOS

    Curso 2000/2001

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    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 1 Curvas de relacin velocidad, par,corriente y rendimiento de un motor DC enrgimen permanente.

    1. REVISIN DEL MODELADO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA.

    Los motores de corriente continua, gracias a la combinacin de eficacia,facilidad de control y excitacin y durabilidad, se emplean con profusin en lamayora de los sistemas robticos y de control. Por ello, es necesario conocer cmoson y cmo funcionan los circuitos electrnicos empleados para su excitacin.

    La ecuacin elctrica que define el comportamiento del motor de continua es:

    .V R i t Ldi t

    dtK ta a a

    aE= + +( )

    ( )( )w

    En rgimen permanente, las relaciones bsicas de un motor DC son:

    IV K

    RT K Ia

    E

    aM a=

    - =

    wh

    w= =

    PP

    TVI

    util

    entrada a

    Que representadas quedan (fig. 1)

    Luego en un motor de DC puede actuarse sobre dos parmetros:

    a) Variar la corriente para modificar el par. (Control de corriente). Lacorriente por el motor determina el par que ste produce. Cuando el motor norealiza un trabajo til o no debe vencer un rozamiento, un aumento/disminucin dela corriente se traduce en una aceleracin o desaceleracin del motor,independiente de la velocidad con la que se encuentre girando.

    b) Modificar la tensin, dado un par, para variar la velocidad del motor.(Control de tensin). Como la corriente por el motor viene determinada por la sumade pares que debe vencer, un aumento/disminucin de la tensin aplicada al motorse traduce en un aumento/disminucin de la velocidad de giro del mismo.

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    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    2. POSIBILIDADES DE CONTROL DE UN MOTOR DC.

    Un motor se puede controlar en lazo abierto o cerrado. Un control en lazocerrado garantiza la velocidad o posicin del motor (dentro de ciertos lmites),incluso en el caso de la aparicin de perturbaciones externas o cambios en losparmetros de los elementos que componen el control.

    El control en lazo abierto es til cuando la precisin del control no esesencial, como por ejemplo en elevalunas elctricos, limpiaparabrisas, ventiladoreselctricos, etc.

    A su vez, en cualquiera de los dos modos de control anteriores, puedeelegirse por actuar sobre el motor variando la tensin (control por tensin) ovariando la corriente (control por corriente)

    3. MODOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DC.

    Considerando la tensin y corriente por el motor, pueden definirse los modosde funcionamiento. Como un motor, desde el punto de vista elctrico, introduce unelemento inductivo, la corriente y tensin del motor no suelen encontrarse en fase.Eligiendo un sistema de coordenadas con abscisas Ia o T y ordenadas V o T,pueden distinguirse los siguientes cuadrantes de funcionamiento:

    * Primer cuadrante: Tanto la tensin del motor, como la corriente que loatraviesa son positivas, esto es, la energa fluye de la batera al motor.

    * Segundo cuadrante: La tensin del motor es positiva, pero la corriente esnegativa, esto es, la energa fluye del motor a la batera (funcionamientoregenerativo).

    * Tercer cuadrante: Tanto la tensin como la corriente del motor sonnegativas. En este caso la batera entrega energa la motor, pero el motor gira ensentido contrario al caso del primer cuadrante..

    * Cuarto cuadrante: La tensin del motor es negativa y la corriente positiva.La energa fluye del motor a la batera.

    Para determinar el cuadrante de funcionamiento debe resolverse el sistemade ecuaciones diferenciales que rigen al motor, cuyo resultado depender de losvalores de los parmetros del mismo( Ra, La, Km y Ke), del par aplicado (T) y dela carga (J, f).

    Por ejemplo, para un motor con Km=0.09, Ke=0.03, L=0.1, R=1, J=0.01,f=0.0001, siendo la entrada un tren de pulsos de amplitud 5 y un par de frenado de1, resultar (fig. 2):

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    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4- 6

    - 4

    - 2

    0

    2

    4

    6

    8

    1 e r C

    2 C

    3 e r C

    4 C

    Fig.2. Formas de onda de la corriente y tensin de un motor DC.

    Fig. 3. Amplificador de potencia clase A.

    4. TIPOS DE CIRCUITOS EXCITADORES.

    Los dispositivos activos constitutivos de los circuitos empleados para excitarmotores (transistores bipolares, unipolares, IGBT, etc), pueden trabajar en modolineal o en conmutacin. A su vez, pueden ser discretos, como por ejemplotransistores bipolares, unipolares, etc (para potencias elevadas) o integrados (parapotencias pequeas).

    4.1. Excitacin lineal.

    Los elementos activos actan en zona lineal, con lo que se facilita el diseodel sistema de control y se evitan, hasta cierto punto, respuestas transitoriasindeseables. Sin embargo, las elevadas potencias que deben disipar los elementosactivos, hacen que su rendimiento no sea muy elevado, quedando limitado su uso a sistemas que controlan potencias medias. A menudo exigen la incorporacin a losmismos de sistemas de proteccin ante corrientes elevadas.

    Tipos de amplificadores lineales:

    a) Amplificadores depotencia clase A: son tilespara motores que slofuncionan en un cuadrante.Suelen componerse de variasetapas diseadas contransistores, unas paraamplificar en tensin y otrasen corriente (fig 3) .

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    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 4. Amplificador en T.

    Fig. 5. Puente en H

    b) Amplificadores de potencia clase AB,tambin denominada configuracin en T (fig 4). Permiten excitar un motor en los cuatrocuadrantes, aunque requieren alimentacinsimtrica y transistores complementarios. Sinembargo, en esta configuracin es muy sencillomedir la corriente y tensin en los extremos delmotor, que suelen necesitarse para completarel lazo de realimentacin. Por otro lado, esnecesario prestar especial atencin a algunosde los riesgos que conlleva esta configuracin:

    * Conduccin simultnea de los dostransistores, debido a desequilibrios entre lostransistores o al circuito de prepolarizacin.Esta circunstancia puede degenerar en uncortocircuito entre las dos fuentes dealimentacin.

    * Zona muerta en la funcin de transferencia entrada salida, debido a unaincorrecta prepolarizacin de los transistores.Para disminuir los efectos de esta no linealidad,basta con realimentar convenientemente.

    c) Amplificador en H o etapa de salida enpuente. Esta configuracin requiere de una nicafuente de alimentacin para excitar al motor en loscuatro cuadrantes.

    Sin embargo, tambin presenta ciertos problemas:

    * Necesita 4 transistores, aunque todos delmismo tipo.

    * No es fcil de conseguir la excitacin delos transistores de la parte superior del puente(tensin de emisor adecuada). Adems, unaexcitacin inadecuada puede dar lugar a la

    conduccin simultnea de los transistores de una misma rama, pudiendo degeneraren un cortocircuito de la fuente de alimentacin.

    * Como el motor est flotante (sin ningn terminal a masa) es difcil medir latensin y corriente que circulan por l.

    Tanto en la configuracin T como H deben aadirse diodos de librecirculacin, tambin denominados en antiparalelo, para facilitar el trnsito de

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    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 6. Control por tensin de un motor, con alimentacinsimtica.

    corriente cuando dejan de aplicarse seales de entrada a las etapas de potencia, ocuando se realizan inversiones bruscas del sentido de giro del motor (la corriente yla tensin en el motor son de sentido contrario)

    d) Amplificadores operaciones, con corrientes de salida elevadas (hastavarios amperios).

    Esta alternativa para la excitacin lineal de motores, presenta la ventaja delempleo de circuitos integrados, lo que conlleva circuitos ms fciles de montar ydisear. Sin embargo su uso est limitado a aplicaciones donde las potenciasmanejadas no superen los 100 w.

    d.1) Control por tensin. Estos circuitos permiten trabajar en los cuatrocuadrantes, requiriendo una o dos fuentes de alimentacin, segn la configuracin. La corriente en la carga es variable segn las exigencias del motor y su cargaasociada, con un valor mximo determinado por el A.O.

    * Con alimentacin simtrica (fig. 6):

    * Con alimentacin nica. Segn cmo se establezca el sentido de giro delmotor, pueden distinguirse dos tipos de circuitos de excitacin, a saber, con dosentradas, una para mdulo y otra para signo, o con una nica entrada que llevaimplcito el sentido de giro (tensiones positivas, un sentido de giro y tensionesnegativas, el otro).

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    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 7. Circuito de excitacin de un motor, con entrada nica y alimentacinasimtrica.

    Fig. 8. Control por tensin de un motor DC, con entrada para mdulo y sentido de giro.

    En el circuito de la figura 7, la tensin en los extremos del motor es .VRR

    Vm e= -21

    En el circuito de la figura 8, el mdulo de la tensin depende de Ve y el sentido degiro de los valores de L y R, que debern ser complementarios. El valor de la

    tensin en el motor es: VR R

    RVm e= -

    +2 11

    d.2) Como amplificadores de corriente. Proporcionan una corriente de salidaproporcional a la tensin aplicada a la entrada. Adems ,incorporan una pequearesistencia para poder medir la corriente de salida y realizar la correspondienterealimentacin. La resistencia mxima de carga estar limitada por la tensin desaturacin del A.O: V I R f c emo mmax max . . . . +

    Al fijar la corriente por el motor, se fija el par y por tanto se pueden obtenercaractersticas de aceleraciones y desaceleraciones independientes de la

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    Figura 9. Amplificador de transconductancia.

    Fig. 10. Amplificador de transconductancia, con una alimentacin.

    velocidad. Para el caso de disponer de alimentaciones simtricas puede emplearse

    el circuito de la figura 9, donde, siendo Rs

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    Fig. 11. Puente en H

    Arquitectura en puente en H:

    Mtodos para variar la tensin media en la carga:

    Dado que los niveles instantneos de tensin en el motor pueden ser slotres, para modificar la velocidad de giro del mismo, debe actuarse sobre el nivelmedio de la tensin en el motor. Como no se pueden modificar los nivelesinstantneos, se puede optar por:

    a) Variar la frecuencia de la seal de excitacin: PFM (Modulacin de pulsosen frecuencia). Esta tcnica presenta problemas de disipacin de potencia.

    b) Variar el ciclo de trabajo de la seal de excitacin: PWM( Modulacin depulsos en anchura). Es la tcnica ms empleada, teniendo en cuenta que lafrecuencia de la seal debe cumplir ciertos requisitos:

    : el periodo de la seal debe al menos diez veces menorT motor tresp de los dispositivos en conmutacin: como los dispositivosactivos deben conmutar de conduccin a corte y viceversa, debe elegirse T demodo que se permita la conmutacin. Si no se cumple con esta condicin losdispositivos se encontraran continuamente en la fase de conmutacin.

    Evitar ruido audible. T< 50 s. La seal de PWM puededescomponerse en infinitas componentes de frecuencia, algunas de las cualespueden ser molestas al odo humano. Para evitarlo, deben elegirse frecuencias porencima del rango audible.

    4.2.1.Circuitos para generar PWM.

    La utilizacin de un puente en H en un circuito de control, requiere laconversin del nivel de error, generalmente una tensin analgica, en una seal de

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    Figura 13. Circuito para general PWM.

    Figura 12. Circuito para generar una sealtriangular

    PWM. La tcnica clsica para realizar esta conversin consiste en comparar unaseal triangular con el nivel de tensin a convertir en PWM.

    Para generar la seal triangular pueden emplearse diversos circuitos dondela carga de un condensador se haga con corriente constante, como es el caso delos mostrados en las figuras 12 y 13.

    En el circuito de la figura 12, se utiliza el c.i. LM555. La carga delcondensador se hace a corriente constante, desde un disparo hasta el siguiente.Por tanto, la frecuencia de la seal triangular (y la de PWM) la determina lafrecuencia de la seal de disparo.

    Si la carga del condensador no se realiza con corriente constante, la relacinentre la tensin de entrada y el valor medio de la seal PWM no es lineal, pero estano linealidad puede reducirse realimentando el circuito de excitacin. En este caso,podra emplearse el circuito de la figura 13.

    Control por tensin con puente en H.

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    Fig. 14. Circuito para excitar un puente en H (L6203) en modo bipolar

    En este tipo de excitacin se trata de conseguir una tensin media en elmotor proporcional a una tensin de entrada. Para ello pueden emplearse diversasestrategias de conmutacin, cada una de ellas con sus ventajas e inconvenientes.

    A) Funcionamiento bipolar: en este caso, siempre hay una diagonalconduciendo, ya sea a travs de los transistores o de los diodos en antiparalelo, deforma que la tensin en los extremos del motor podr ser +Vcc o -Vcc. En estemodo, basta con una seal de control (PWM) para establecer el valor medio de latensin en el motor y el sentido de giro. Normalmente, el funcionamiento es :

    50% de PWM: motor parado.

    50%

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    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig 15. Excitacin de un puente en H en modo unipolar

    El valor medio de la tensin en el motor, suele responder a la expresin:Vm=(signo) Vcc.D, siendo D el ciclo de trabajo de la seal de PWM. En la figura 15puede apreciarse un ejemplo.

    Anlisis de la problemtica del funcionamiento de un puente en H:

    Las situaciones de ms estrs para los dispositivos del puente en H,aparecen en los cambios de sentido de giro o en la parada del motor. En loscambios de sentido, la corriente por el motor, salvo en situaciones muy especales,debe cambiar de sentido. Como no puede hacerlo bruscamente, los diodos de librecirculacin permiten que la tensin y la corriente sean de signo contrario durante unperiodo transitorio.

    Cuando se pretende la parada del motor, pueden distinguirse dos situacionesdiferentes: carga friccional (con par de frenado externo) o carga inercial (sin par defrenado externo o de bajo valor). En el primer caso, la parada del motor se vefavorecida por el par de frenado exterior, por lo que no se presentan problemasespeciales en el diseo del puente.

    Por el contrario, cuando la carga es inercial, toda la energa acumulada porla misma debe perderse durante el proceso de frenado. Bsicamente pueden darsedos alternativas, a) la energa acumulada se disipa en los elementos del puente enH o b) parte de la energa se devuelve a la batera y parte se disipa en loselementos del puente. La primera solucin pasa por cortocircuitar el motor,haciendo que conduzcan simultneamente los elementos enfrentados en la parteinferior del puente. En este caso se habla de corriente de recirculacin lenta (puestarda mucho en desaparecer). Los riesgos de esta solucin estriban en la cantidadde energa que deben disipar los elementos del puente, pudiendo llegarse al caso

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    Fig. 16. Control por corriente mediante un puente en H

    de que se estropeen. La segunda solucin se consigue empleando una estrategiade conmutacin bipolar. El motor se para ms rpidamente y la corriente se agotaantes ( corriente de recirculacin rpida).

    Control de corriente con puente en H.

    Para conseguir una determinada corriente en la carga empleando un puenteen H, debe medirse la corriente que circula por el motor, mediante alguna/sresistencia/s pequea/s que se aade/n al puente, como puede apreciarse en lafigura 16. La tensin en los extremos de estas resistencias permite realimentar elcircuito y conseguir el objetivo deseado.

    Limitacin de la corriente que circula por el motor en un puente en H.

    Cuando se emplea un puente en H para excitar un motor DC, se presentandiversas situaciones en las que es necesario limitar la corriente que circula por elmismo. Las ms habituales son:

    - Control de corriente.

    - Limitacin de la corriente mxima para evitar la destruccin de loselementos que componen el puente o evitar daos al motor. Las situaciones dondems riesgo de sobrecorrientes existe son en el frenado (especialmente si la cargaes inercial) y en la inversin de giro.

    En los casos en los que se detecta sobrecorriente, la manera ms usual deactuar es aadiendo un subcircuito que trocea (anula durante cierto tiempo) la sealde PWM (chopeado). Cuando la sobrecorriente cesa, vuelve a aplicarse la seal dePWM tal cual.

    En la figura 17 puede apreciarse un circuito donde mediante Rs se mide lacorriente. Cuando la tensin en Rs supera Vref, el circuito asociado, trocea la seal

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    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 17. Control de corriente en un puente en H.

    Figura 18. Circuito para medir la corriente que circula por un motor, incluso durante elfrenado.

    de PWM, hasta que la corriente disminuye.

    Sin embargo, el circuito anterior, no es capaz de medir la corriente cuando secortocircuita el motor, durante el frenado, por medio de T2 y T3. Como en estasituacin pueden darse tambin sobrecorrientes, es necesario modificar el circuito,segn lo mostrado en la figura 18.

    Los circuitos anteriores se emplean esencialmente para proteger almotor y a los elementos del puente ante sobrecorrientes. Sin embargo, existen

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    SISTEMAS ECOS DE CONTROL CONTINUO.

    Fig. 19. Circuito para medida de la corriente en un puente en H.

    Figura 20. Medida de la corriente en un puente en H

    aplicaciones donde es necesario disponer de una medida precisa de la corrientepor el motor, para realizar una realimentacin o un control por corriente. En esecaso pueden emplearse los circuitos de las figuras 19 y 20. El circuito de la figura20 presenta la ventaja de poseer una nica resistencia de medida, pero, la corrientepor ella es de sentido contrario cuando entran en funcionamiento los diodos enantiparalelo, por ello debe aadirse al circuito, el subcircuito de ganancia 1 o -1segn el nivel de la seal PWM.

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