Desarrollo de un variador de velocidad trifásico: enfoque de programación multitarea

Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 26 Nº 2, 2018, pp. 213-224 Desarrollo de un variador de velocidad trifásico: enfoque de programación multitarea Develop of speed three-phase variator: programing focused on multitasking Santiago Benavides-Córdoba1  Nicolás Muñoz-Galeano1*   Juan B. Cano-Quintero1 Recibido 21 de junio de 2016, aceptado 26 de junio de 2017 Received: June 21, 2016   Accepted: June 26, 2017 RESUMEN Este artículo presenta la programación multitarea para el desarrollo de un variador de velocidad trifásico. Este enfoque no se ha reportado en la literatura técnica, aunque es de relevancia para estudiantes de ingeniería, investigadores e ingenieros desarrolladores de equipos de electrónica de potencia. Se propone la programación multitarea para la implementación de las tareas que debe realizar el variador de velocidad. Las tareas necesarias en un variador de velocidad son descritas y programadas en el microcontrolador (dsPIC30F4012) utilizando máquinas de estados, considerando tiempos y prioridades mediante multitarea preferente y cooperativa. Este artículo propone una forma de programación para variadores de velocidad que permite el desarrollo del software desde etapas incipientes. La estructura de programación propuesta permite el uso de microcontroladores de menores prestaciones y, por ende, la reducción de los costos de producción. Se presenta un variador de velocidad trifásico que puede cambiar la amplitud y la frecuencia del voltaje de salida sin paros o interrupciones. La validación de la programación multitarea se realiza en un prototipo experimental desarrollado en el laboratorio evaluando la ejecución y los tiempos de las tareas. Palabras clave: Multitarea, programación, variador de velocidad trifásico, bajo costo, máquinas de estados, microcontrolador. ABSTRACT This paper presents multitasking programing of a three-phase speed variator development. This focus has not been reported in technical literature, although it is relevant for engineering power electronics developers, students, and researchers. Hybrid multitasking programing is proposed for the implementation of task that speed variator must carry out. Needed tasks in the speed variator are described and programed in a microcontroller (dsPIC30F4012) using state machines, considering times and priorities with preemptive and cooperative multitasking. This paper proposes a programing form for speed variator that allow software develop since its early stage. The programing structure enables the use of microcontrollers with lower performance. Thus reduction of production costs could be achieved. A three-phase speed variator is presented that can change output-voltage frequency and amplitude without stops or interrupts. Validation of multitasking programming is done on an experimental prototype developed in the laboratory, evaluating the execution times of tasks. Keywords: Multitasking, programing, three-phase speed variator, low cost, state machines, microcontroller. 1 Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Eléctrica. Grupo de Manejo Eficiente de la Energía - GIMEL. Universidad de Antioquia. Calle 67 Nº 53-108, Oficina 19-437. Medellín, Colombia. E-mail: ; ; * Autor de correspondencia. Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 26 Nº 2, 2018 INTRODUCCIÓN Un variador de velocidad tiene como función principal cambiar la frecuencia de la tensión en su salida para obtener velocidades variables en motores de inducción. Sin embargo, para poder cambiar la frecuencia, el variador requiere ejecutar múltiples tareas. Los enfoques comunes de los artículos referente a variadores de velocidad son: 1) diseño y control de variadores de velocidad [1-4], 2) Dimensionamiento de elementos reactivos [5], 3) estrategias de modulación que permiten cambiar la magnitud y la frecuencia de la tensión de salida: control escalar [6-7] y control vectorial [8-9]. No se encontró en la revisión bibliográfica el enfoque, para variadores de velocidad, que realice la programación multitarea, es por esto que este artículo presenta el desarrollo de los algoritmos que permiten la programación multitarea para variadores de velocidad trifásicos. Este artículo facilita el desarrollo porque presenta los algoritmos como máquinas de estados, que se pueden programar en etapas, y comprende detalles necesarios para el desarrollo de variadores de velocidad desde etapas incipientes. La programación multitarea permite la ejecución de tareas en paralelo en dispositivos programables [10]. Este tipo de programación se ha desarrollado en dos diferentes filosofías: programación cooperativa [11] y programación preferente [12-14]. Este articulo presenta la programación de un variador de velocidad utilizando la programación multitarea cooperativa con interrupciones para realizar las tareas necesarias considerando su importancia en la ejecución. Se selecciona esta filosofía porque la modulación no puede ser interrumpida y el resto de tareas pueden esperar la finalización entre ellas mismas. La programación multitarea ha sido desarrollada y se han estudiado factores como el tiempo de retraso que puede tener una tarea [15]. En la literatura se han reportado diferentes formas de realizar la programación multitarea en microcontroladores, dos de estas formas son: máquinas de estado [16] y sistemas operativos en tiempo real [17]. Los sistemas operativos de tiempo real pueden tener un alto costo y ocupa más recursos en el microcontrolador, por tanto, se selecciona máquinas de estados por su simplicidad y los pocos recursos que requiere. Cada máquina de estados es una tarea del variador y las diferentes tareas del sistema son ejecutadas secuencialmente en un ciclo infinito [16]. Cada tarea 214 debe realizar sus operaciones y actualizar su estado en un intervalo corto de tiempo, permitiendo al ciclo avanzar de forma efectiva a la siguiente tarea sin interrumpir el normal funcionamiento del variador. El desarrollo de la electrónica de potencia se apoya en la evolución de los sistemas embebidos y utiliza las diferentes formas de programación para su diseño. Una de las tareas fundamentales de un variador de velocidad es la modulación senoidal de ancho de pulso SPWM (Senoidal Pulse Width Modulation) y su implementación se ha realizado utilizando dispositivos como [18]: controlador digital de señales (DSC, Digital Signal Controller), procesador digital de señales (DSP, Digital Signal Processor) [19], microcontroladores (MCU, Microcontroller) o arreglos de compuertas programables por campo (FPGA, Field Programmable Gate Arrays) [20-22]. Entre estos dispositivos los MCU’s y DSC’s se destacan por su bajo costo y menores requerimientos de hardware pero, a su vez, por una menor potencia de cálculo y capacidad de memoria. Algunos de estos dispositivos tienen módulos independientes para realizar tareas específicas, por tanto, en ellos se pueden programar varias tareas al mismo tiempo. La programación propuesta prescindirá de sistemas embebi (...truncated)