Onde V ) e Ψ ) são os fasores de tensão e fluxo do estator, e V e Ψ são suas magnitudes, respectivamente. Deste modo, tem-se que, (3)

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1 APLICAÇÃO DE ÉCNICAS DIGIAIS E DSP EM ACIONAMENO DE MÁQUINAS ELÉRICAS Darizon Alves de Andrade, Luciano Cinho Gomes Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica CEP , C.P. 593, Uberlândia - MG Brasil darizon@ufu.br, lcgomes@ufu.br Resumo - O objetivo deste trabalho é apresentar o processador digital de sinais, DSP de ponto fixo, como uma ferramenta eficiente para o acionamento di gital de máquinas elétricas. Será mostrado que a estratégia de chaveamento Modulação por Largura de Pulsos utilizando Vetores Espaciais, SVPWM, consiste numa alternativa eficiente para o acionamento digital via DSP. Para aplicação prática, utilizou-se um sistema de controle V/Hz para acionar um motor de indução trifásico em malha aberta. Palavras-Chave Processador Digital de Sinais (DSP), Motor de Indução rifásico (MI), Modulação por Largura de Pulso (PWM), PWM por Vetores Espaciais (SVPWM), Controle V/Hz. ELECRIC MACHINES DRIVES APPLICAIONS USING DIGIAL ECHNICS AND DSP Abstract - he objective of this paper is to present the Fixed Point Digital Signal Processor, DSP, as an efficient tool for electric machine driving applications. It will be shown that the Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM, is a reasonable switching strategy for electric machines drives using DSP. For testing the DSP and the designed hardware, an open loop control system using V/Hz principle was applied to a 3-phase induction motor. Keywords Digital Signal Processor (DSP), 3-Phase Induction Machine (MI), Pulse Width Modulation (PWM), Space Vector PWM (SVPWM), V/Hz Control. I. INRODUÇÃO O Processador Digital de Sinais (DSP) é uma poderosa ferramenta para o manuseio de sinais digitais, e a cada dia tem ocupado um espaço maior dentro da Engenharia Elétrica e da Ciência da Computação. Na maioria dos casos, estes sinais são originados do sensoriamento de dados do mundo real: vibrações, imagens visuais, ondas de som, temperatura, tensão, corrente, etc. Entende-se por Processamento Digital de Sinais o conjunto composto pela a matemática, o algoritmo e as técnicas utilizadas para manipular tais sinais depois de terem sido convertidos para a forma digital. Isto inclui uma infinidade de aplicações, tais como: Artigo publicado na IV Conferência de Estudos em Engenharia Elétrica (IV CEEL) realizada no período de a 5 de Novembro na Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia MG. reconhecimento de imagens visuais, recondicionamento e geração de falas, compressão de dados para armazenamento e transmissão, acionamentos digitais, monitoramento online de plantas industriais, etc. Os primeiros Processadores Digitais de Sinais surgiram nas décadas de 60 e 70 quando computadores digitais já eram existentes. Os computadores eram caros nesta época, e o DSP era limitado às aplicações críticas. Esforços pioneiros foram feitos em quatro áreas principais: Radar e Sonar, onde a segurança nacional estava em risco; exploração de petróleo, onde grandes montantes de dinheiro estavam sendo investidos; exploração do espaço, devido à corrida pela conquista espacial; e imagens médicas, onde vidas poderiam ser salvas. A. ipos de DSPs Dois tipos de DSP s podem ser encontrados no mercado: - DSP com ponto numérico fixo (6 e 4 bits); - DSP com ponto numérico flutuante (tipicamente 3 bits ou mais). Os DSPs de ponto fixo não apresentam uma interface numérica para números de ponto flutuante, e portanto o manuseio de grandezas reais requer manipulação binária para representar a parte fracionário do número. Entretanto, para aplicações em acionamentos elétricos, os DSPs de ponto fixo são suficientemente eficientes, apesar da complexidade do manuseio. Os DSPs com ponto flutuante são mais rápidos, sendo que somente tornam-se vantajosos em aplicações onde se necessita de alta qualidade de controle e de processamento de dados, como áudio, telefonia, etc. Os pacotes de desenvolvimento para estes DSPs custam até cinco vezes mais caros do aqueles direcionados para os DSPs de ponto fixo. B. Aplicação do DSP em Acionamentos Elétricos Os avanços tecnológicos em dispositivos de potência de estado sólido e em microprocessadores permitira m que o acionamento de motores de indução alimentados através de conversores de potência em aplicações com velocidade variável fossem cada vez mais comuns. Os conversores oferecem um modo fácil de regular amplitude e freqüência da tensão e da corrente aplicada ao motor. Como resultado, pode-se conseguir melhor eficiência e desempenho, além de diminuir a poluição na rede de alimentação. O tipo mais comum e mais conhecido de acionamento é o princípio V/Hz constante, o qual estabelece que a razão entre a amplitude e a freqüência da tensão de alimentação do estator do motor de indução seja constante.

2 π 3 π π Fig. Comparação entre as formas de onda V A0 para as diversas estratégias de Chaveamento. A estratégia de chaveamento utilizada é a modulação por largura de pulso (PWM) por vetores espaciais (SVPWM). Este tipo de modulação permite a utilização de 90,6% do link DC, enquanto que a modulação por PWM senoidal utiliza 78,5% []. A figura apresenta uma comparação entre as formas de onda de tensão vista pelo motor para as estratégias de chaveamento, SVPWM, 6 Pulsos e PWM Senoidal, considerando-se a mesma tensão de link DC. C. Objetivo deste rabalho O objetivo principal deste trabalho é apresentar a utilização do DSP em acionamentos elétricos. Para isto, foi montada uma bancada experimental para implementar um sistema de controle escalar,. V/Hz, para acionamento de motores de indução trifásicos (MI) em malha aberta. Neste trabalho será detalhado o funcionamento do acionamento via DSP numa estratégia de mo dulação por largura de pulsos (PWM) por vetores espaciais (SVPWM). O DSP utilizado é o MS30LF407A (x407) fabricado pela exas Instruments (I) [] e o Kit de Desenvolvimento da Spectrum Digital, ezdsp407 [3]. Será utilizada a biblioteca de Controle Digital de Motores (DMCLib) [4] desenvolvida pela I. O DSP da I, x407, é um microcontrolador especialmente projetado para acionamentos elétricos, e alguns dos recursos são clock de 40MHz, Evet Manager com imers e geradores de PWM para controle digital de motores, interface de comunicação serial, conversor AD de 0 bits e menor tempo de conversão de 375 ns, interface de periférico serial, watchdog timer, 8 pinos digitais bidirecionais de propósitos gerais, etc [5]. A função do kit de desenvolvimento ezdsp407 é prover uma interface de conexão para os recursos do DSP e para o computador através da porta paralela. II. CONROLE V/HZ UILIZANDO O DSP X407 Assumindo que a tensão de alimentação aplicada ao MI seja senoidal, e desprezando as perdas por efeito joule na resistência do estator, tem-se, ) ) V jωψ () i.e., V ωψ () Onde V ) e Ψ ) são os fasores de tensão e fluxo do estator, e V e Ψ são suas magnitudes, respectivamente. Deste modo, tem-se que, V V Ψ = (3) ω π f e, uma vez, que a razão V f seja mantida constante com a variação de f, então Ψ mantém-se constante o que torna o conjugado independente da freqüência da tensão de suprimento do estator. Numa montagem experimental, a razão entre a magnitude e a freqüência é baseada nos seus valores nominais, ou nas condições de operação nominal da máquina. No entanto, se a freqüência for baixa, e consequentemente, a tensão for baixa, a queda de tensão na resistência do estator não pode ser desprezada, devendo, portanto, ser compensada. Para freqüências acima da nominal, o princípio V/Hz não pode ser aplicado, uma vez que a tensão de alimentação do estator não pode ultrapassar o seu valor nominal, o que causaria danos ao isolamento da máquina. Este princípio de acionamento é mostrado na figura. Fig. ensão x Freqüência Acionamento por V/Hz Constante Para implementação no DSP, o princípio V/Hz é modificado impondo um limite inferior, fmin, para a freqüência, como mostrado na figura. odos os dados estão em p.u. Fig. ensão x Freqüência Acionamento V/Hz Modificado III. SVPWM UILIZANDO O DSP X407 [6] A estrutura típica do inversor VSI é mostrada na figura 3. Q a Q6 são as chaves de potência, IGBs, a e a são variáveis lógicas complementares representando os sinais de gate em um braço do inversor. Se a=0, a chave Q está aberta, se a=, a chave Q está fechada. Os sinais Va, Vb e Vc alimentam os enrolamentos do motor.

3 Fig. 3 Diagrama do inversor de potência trifásico A relação entre o vetor de chaveamento [a,b,c] t e o vetor das tensões de linha [Vab,Vbc,Vca] t é dado por Vab 0 a Vbc = Vdc 0 b Vca 0 c (4) Da equação (4) chega-se à equação (5) que relaciona o vetor tensão de fase com o vetor de chaveamento [4]. Va a Vb = Vdc b 3 Vc c (5) O SVPWM refere -se a uma seqüência especial de chaveamento que gera menos harmônicos nas tensões e correntes do motor, e ainda, provê um uso mais eficiente da tensão do link DC. Para o inversor mostrado na figura 4, há oito combinações possíveis para as variáveis de chaveamento. Estas combinações, as tensões de linha e as tensões de fase são mostradas na tabela em função de Vdc. ABELA I Variáveis de Chaveamentos e as ensões Instantâneas Resultantes, de Fase e de Linha a b c V AN V BN V CN V AB V BC V CA /3 -/3 -/ /3 /3 -/3-0 0 /3 /3 -/ /3 -/3 /3 0-0 /3 -/3 / /3 /3 / Assumindo que d e q sejam os eixos, horizontal e vertical, do sistema de referência do estator, então a equação (6) é a matriz que transforma tensões trifásicas [a,b,c] t para tensões bifásicas [d,q] t, que representam a soma espacial das tensões trifásicas. = abc dq (6) As tensões de fase correspondentes às 8 combinações das variáveis de chaveamento estão mostradas na figura 4, juntamente com as transformações d-q. Os oito vetores espaciais são denominados U 0, U 60, U 0, U 80, U 40, U 300, O 000 e O. O ângulo entre dois vetores não-nulos é Os vetores nulos, O 000 e O, estão na origem e aplicam tensão nula no motor. A transformação abc-dq pode ser aplicada a uma determinada tensão de saída desejada para se conseguir o vetor de referência, U, no plano dq. O objetivo da estratégia SVPWM é aproximar o vetor de referência, U, numa combinação das oito variáveis de chaveamento. Um modo simples de aproximar é estabelecer que a tensão média na saída do inversor (num período de chaveamento, ) deve ser o mesmo que a média de U no mesmo período. Isto é mostrado na equação (7), onde e são as durações, respectivamente, dos vetores U x e U x± 60, num determinado período para um vetor de saída U dentro do setor determinado pelos vetores U x e U x± 60. Assumindo que o período do PWM, PWM, seja pequeno, e que a taxa de alteração de U seja relativamente lenta, da equação (7) chega-se à equação (8). ( n+ ) U = ( U x + U x± 60 ) n = 0,,,..., + (7) n ( n+ ) PWM U = U PWM= U x + U x± 60 U 80 ( 0), 0 3 npwm n =,,,..., + U 0 ( 00), 0 (8) O 000 ( 000) O ( ) PWM U 60 ( 0) U U 300 ( 0), 6,, U 0 ( 00),0 3 U 40 ( 00) Fig. 4 Vetores Espaciais e Variáveis de Chaveamento A equação (8) mostra que a cada período PWM a tensão de referência, U, pode ser determinada pelo chaveamento dos vetores U x e x± 60 U durante e, respectivamente. Uma vez que a soma de e é menor ou igual à PWM, o inversor precisa que os vetores O (000 ou ) sejam inseridos durante o restante do período. Deste modo a equação (8) torna-se U = U + U ± O ou (9) ( ) PWM x x O Onde = PWM.

4 O vetor tensão de referência, U, é o resultado da decomposição das tensões trifásicas da saída no plano d-q. Este vetor de referência gira ao redor da origem com a freqüência igual à freqüência das tensões trifásicas. A envoltória hexagonal, mostrada na figura 4 é o lugar máximo de U, sendo que sua magnitude pode ser limitada para o raio da menor circunferência circunscrita neste hexágono. Isto resulta numa magnitude de V dc para U, que corresponde ao valor RMS da tensão fundamental de linha. O da tensão de fase é V dc 6, a qual é 3 vezes maior daquela gerada pelo PWM senoidal. IV. MONAGEM EXPERIMENAL O sistema de controle V/Hz foi implementado no DSP. Para isto foi desenvolvido uma placa de condicionamento de sinais, o conversor de potência, retificador e inversor. O esquema de controle é mostrado na figura 5, e é totalmente digital. 4 Hz e vai até 09 V e 48.5 Hz. A relação tensão de linha e tensão do sensor é de V/V. A figura 8 apresenta a corrente de linha, valor I RMS é.09 A. A relação corrente de linha e tensão no sensor é de,65 A/V. A figura 9 apresenta a tensão de linha para a estratégia de chaveamento SVPWM. ) Rampa: 500 mvolt s Fig. 7 Rampa de Aceleração, 500mV/Div. Fig. 5 Esquema do controle V/Hz. 6. O esquema completo da montagem é mostrado na figura ) Corrente de Linha: 500 mvolt 5 ms Fig. 8 Corrente de Linha, 500mV/Div. COMMS I/O F407A DSP DAC ADC PWM ADC Fig. 6 Esquema da Montagem Experimental. Os dados do motor são: Potência: 3 CV, ligado em Y. Resistência do Estator: R S =,85? Resistência do Rotor: R R =,638? Indutância de Magnetização: L M = 4,38 mh Indutância de Dispersão do Estator: L LS = 6,945 mh Indutância de Dispersão do Rotor: L LR = 6,945 mh Número de Pólos: P = 4. Encoder com 000 pulsos/volta. Os dados utilizados estão em p.u. para facilitar sua manipulação no DSP em ponto fixo. A rampa do controle V/Hz, em p.u. é mostrada na figura. Os valores de base são 0 V para ensão, e 0 Hz para freqüência. A velocidade de referência adotada é de 400 RPM que corresponde a 48 Hz, ambos 0.4 p.u., 0x3333 em Q4. A figura 7 mostra a componente fundamental da tensão de linha. É possível perceber uma rampa de aceleração condiz com a rampa definida na figura. Ela inicia-se com 4 V e ) ensão de Linha: 00 Volt 0 ms Fig. 9 ensão de Linha, 00V/Div. V. CONCLUSÃO Este trabalho apresentou o DSP de ponto fixo como uma ferramenta eficaz no acionamento de máquinas elétricas. Foi apresentada a estratégia SVPWM aplicada ao princípio de controle V/Hz em malha aberta. odo o controle foi implementado digitalmente, e os resultados experimentais correspondem aos esperados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

5 [] Analog Devices Inc., Implementing Space Vector Modulation with ADMC40, AN40-7, ions/motorcontrol/applicationcode/admc40/pdf/svpw m.pdf, (current January 000). [] exas Instuments Inc., MS30LF407 DSP Controllers, (current January 000). [3] Spectrum Digital Inc., ezdsp M LF407 echnical Reference, ocs/ezlf407a_techref.pdf, (current August 00). [4] exas Instruments Inc., Digital Motor Control Software Library, (current August 00). [5] exas Instruments Inc., MS30LF/LC407A DSP Controllers Reference Guide System and Peripherals, a.html, spru357.pdf, (current January 000). [6] exas Instruments Inc., C4x & F4x ACI3_: 3-Phase Sensorless MRAS Control with Constant V/Hz, l, (current April 003).