Prototipado rápido para control de motores de corriente continua usando la SpCard

摘要

SP Control Technologies es una start-up de reciente creación que ha desarrollado dos novedosos productos: la placa SpCard y el software SpTool. Ambas herramientas se complementan permitiendo al usuario realizar controles tanto en lazo abierto como en lazo cerrado de diversos sistemas de potencia. udLa placa SpCard está compuesta por una FPGA de Xilinx, la Zynq APSOC XC7Z020 la cual combina un procesador ARM de doble núcleo Cortex-A9 con 85.000 celdas lógicas programables de la Serie 7. Es por tanto un SoC (Sistema en Chip) mediante el cual se pueden diseñar circuitos digitales en las celdas lógicas programables a la par que es posible programar el microprocesador. Ambas partes (el microprocesador y la lógica programable) se comunican entre sí, ampliando enormemente las posibilidades de creación de proyectos en comparación con otra placa sin estas características. udAdemás, la SpCard provee de un conjunto de entradas y salidas específicamente diseñadas para facilitar la conexión con el sistema a controlar, así como aislar las diferentes partes de la placa.udPor su parte SpTool es una aplicación para Windows que mediante una interfaz sencilla permite al usuario instanciar diferentes tipos de controles para configurar diversos convertidores de potencia. El software SpTool incluye además una herramienta de mayor complejidad denominada Microgenius. Esta aplicación permite al usuario crear programas en C, compilarlos y enviarlos al microprocesador, el cual se encarga de ejecutarlo. Además el usuario puede acceder a cualquier diseño digital instanciado en las celdas lógicas programables y desarrollar con éste su propio algoritmo de control, ofreciendo posibilidades más allá de las opciones pre configuradas que ofrece la aplicación SpTool.udDebido a la gran versatilidad del conjunto de herramientas desarrolladas por SP Control Technologies se decidió ampliar su mercado de aplicación hacia el de control de motores, proyecto que se aborda en este documento. Así, los resultados de este proyecto podrán ampliar la biblioteca de controles prediseñados en la SpTool, ampliando su funcionalidad. udTras el estudio de mercado se decidió comenzar con motores de corriente continua, e ir desarrollando nuevos controles en función de las especificaciones de los clientes. Durante el tiempo en el que se desarrolló este proyecto se han diseñado cinco controles: motor de corriente continua con escobillas, motor paso a paso unipolar, motor paso a paso bipolar, servomotor de corriente continua y encoder cuadrático incremental. udDichos controles se diseñaron en lenguaje VHDL (lenguaje de descripción hardware) creando un módulo que, posteriormente a su simulación, se instanció dentro de la parte de la lógica programable de la SpCard. udA continuación se detallan brevemente las características de cada tipo de control implementado:uda)Motor de CC con escobillas: tras un intenso estudio de los motores clásicos de CC con escobilla se desarrolló un control mediante modulación PWM.udb)Motor PaP unipolar/bipolar: estudiando las características constructivas de ambos tipos de motor se desarrollaron diferentes técnicas de control mediante la excitación udconsecutiva de sus devanados. udc)Servomotor de CC: el control de este dispositivo se realizó mediante modulación PWM al igual que los motores de CC pero con unas propiedades diferentes. udd)Encoder rotativo incremental: atendiendo a las estrategias de control de este tipo de sensores se implementó un diseño que permite obtener la posición en función del número de pulsos proporcionados por el encoder así como la velocidad de giro y el sentido de rotación. udUna vez realizados y simulados los diferentes módulos de control se procedió a su implementación en la parte de la lógica programable de la SpCard mediante el software Vivado de Xilinx. Dicha lógica programable está formada por una arquitectura denominada Block Diagram (Diagrama de Bloques) que permite la comunicación entre los diferentes módulos VHDL y el microprocesador. A su vez el diagrama de bloques instanciado en la SpCard es propio de la empresa SP Control Technologies por lo que hubo que atender a las características de este antes de proceder a la instanciación de los módulos. udUna vez instanciados, se procedió a la experimentación para comprobar el correcto funcionamiento de los diseños implementados. Para ello se adquirieron diferentes clases de motores junto con los drivers requeridos. El control de todos los motores se realizó mediante el software SpTool, pudiendo también utilizar Microgenius para este cometido.udPor su parte, el experimento del encoder cuadrático incremental se realizó mediante la aplicación Microgenius, debido a que posee integrada una biblioteca para dibujar gráficas, pudiendo apreciar de forma más directa los resultados obtenidos.udTodos los experimentos dieron lugar a resultados positivos demostrándose que no es necesario la adquisición de una placa de control específica para cada dispositivo, sino que es posible el control de diversos actuadores y sensores desde una única placa de carácter general junto con el driver correspondiente a cada dispositivo. Además aunque en la implementación ha sido necesario atender a las características específicas de la arquitectura de SP Control Technologies, cada módulo se ha desarrollado de forma genérica, pudiendo ser implementados en otras placas y arquitecturas, por lo que son totalmente portables a otros proyectos.