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Hardware & Control Technology Laboratory

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Control digital

La línea de control digital se centra en la regulación de convertidores de potencia conmutados, utilizando FPGAs (Field Programmable Gate Array). Esta línea es multidisciplinar ya que combina conceptos de electrónica digital, de potencia e instrumentación, sensores, etc., resultando así un campo muy adecuado para la realización de un doctorado en electrónica.

El uso del control digital junto a la flexibilidad del diseño con FPGA permite realizar algoritmos de control complejos, aumentando las posibilidades de control respecto al control analógico, además facilitar enormemente el diseño.

Dentro de la línea de control digital desarrollada por HCTLab, se encuentran dos principales líneas de investigación: Corrección de factor de potencia, y Hardware-in-the-loop

Corrección de factor de potencia

La corrección de factor de potencia es una técnica de conversión AC/DC que permite reducir el contenido armónico de la corriente de entrada, mientras que a la salida se obtiene la tensión deseada.

Típicamente la corrección de factor de potencia (o PFC según sus siglas en inglés) se realiza utilizando dos lazos de control que operan sobre el control de un convertidor conmutado. Entre los convertidores más usados para PFC se encuentra el convertidor boost (que permite elevar la tensión de entrada a la salida).

De los dos lazos de control que se utilizan, el lazo de tensión es un regulador lento que controla la tensión de salida del convertidor, mientras que el lazo de corriente es controlado por un regulador rápido que reduce el contenido armónico de la corriente de entrada, para cumplir con las normativas eléctricas. Según se puede ver en la siguiente imagen, es necesario medir tres magnitudes para realizar el control: tensión de salida, tensión de entrada y corriente de entrada.

PFC control basico

Una de las líneas de investigación de HCTLab es realizar la técnica de PFC, eliminando el sensado de la tensión de entrada, y especialmente de la corriente de entrada, puesto que presenta más problemas (pérdidas o precio del sensor) que las otras medidas. La idea es aprovechar que las formas de onda de las corrientes, tensiones y el propio control PWM del convertidor son periódicas, por lo que la actuación PWM se puede precalcular en un ordenador y ser guardado en una memoria. De esa forma, se puede realizar un sistema PFC de bajo coste.

PFC señales periódicas

En el caso ideal, sincronizando la lectura de la memoria con la tensión de entrada y aplicando únicamente los ciclos de trabajo del PWM guardados en la memoria, se puede obtener la corrección de factor de potencia. En la práctica, la tensión de salida esperada no será la correcta. Es posible que la carga esperada a la salida haya cambiado, o incluso la tensión o frecuencia de la entrada. Por tanto, sobre esa memoria de ciclos de trabajo se debe realizar regulaciones para adaptar el sistema a las condiciones de trabajo actuales.

PFC señales periódicas

Estas regulaciones ofrecen robustez al sistema, sensando únicamente la tensión de salida. Entre las condiciones detectadas y corregidas se encuentran:

  • Cambios en la tensión de entrada
  • Cambios en la carga del convertidor
  • Cambios en la frecuencia de entrada

Ejemplo de publicación en este área:

A. Sanchez, A. de Castro, V. M. Lopez, F. J. Azcondo & J. Garrido, "Single ADC Digital PFC Controller using Pre-calculated Duty Cycles", in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 2, pp. 996-1005, feb 2014.


Hardware-in-the-loop

Hardware-in-the-loop o HIL es una técnica de simulación que utiliza hardware para la aceleración de modelos matemáticos.

Uno de los problemas al diseñar un regulador digital es que dicho regulador debe ser simulado antes de ser probado junto al convertidor real. En caso contrario, un mal funcionamiento puede provocar daños al convertidor debido a la gran cantidad de energía que puede estar manejando. Evidentemente existen simuladores anlógicos-digitales comerciales, pero suelen ser muy lentos y no permiten simular el regulador una vez codificado. Por ejemplo, una vez implementado el control en un microcontrolador o en una FPGA, es posible que pueda haberse producido algún error de implementación, y los simuladores comerciales no podrían haberlo detectado.

Depuración de controladores digitales

La propuesta es desarrollar un modelo matemático sencillo del convertidor de potencia e implementarlo en una FPGA, para que pueda ser ejecutado en tiempo real, y con un paso de simulación muy pequeño para hacerlo preciso. De esa forma, ayudándose de unos conversores digital-analógicos, la FPGA podrá componer la misma respuesta que un convertidor real. El regulador digital, implementado en microcontrolador, FPGA, ASIC u otro dispositivo, no deberá modificarse para poder ser utilizado junto al sistema de emulación. La gran ventaja de este sistema es que se puede probar el regulador en su estado final. Por tanto, se puede asegurar que un correcto funcionamiento con el sistema HIL conllevará también un correcto funcionamiento junto al convertidor real.

Depuración HIL de controladores digitales

Ejemplo de publicación en este área:

A. Sanchez, A. de Castro & J. Garrido, "A comparison of simulation and hardware-in-the-loop alternatives for digital control of power converters", in IEEE Transactions on Industrial Informatics, vol. 8, no. 3, pp. 491-500, ago 2012.


Hardware & Control Technology Laboratory
(Anteriormente Human Computer Technology Laboratory)
Persona de contacto Javier Garrido
Mantenido por Fernando López-Colino