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• Luis Francisco Herrera Garay

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INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN

Development of a 12V to 5V Reducer Converter with a PID Controller in LaVIEW Desarrollo de un covertidor reductor de 12 V a 5 V con un controlador PID en LabVIEW Ferreira Gómez Daniel, Herrera Garay Luis Francisco, Martínez Muñiz Ricardo, Medina González Brenda Edith, Ruíz Galván Verónica. ABSTRACT It presents the development and design of a reducer or Buck converter. First it is simulated and implemented in open loop applying different loads to know its behavior. Consequently, a PID controller in LabVIEW is implemented to regulate the voltage at the output of the Buck, with a dynamic load resistor. The behavior of the down-converter and ignition timer is described in addition to the internal operation of the code used in the VI of the controller in general. Finally, we analyze the performance of the closed-loop converter by reviewing the graphs obtained in the LabVIEW interface.

Keywords: graphical interface, LabVIEW, real-time, design, simulator, power electronics. RESUMEN Se presenta el desarrollo y diseño de un convertidor reductor o Buck. Primeramente se simula e implementa en lazo abierto aplicando diferentes cargas para conocer su comportamiento. Por consiguiente, se implementa un controlador PID en LabVIEW para regular el voltaje a la salida del Buck, con una resistencia de carga dinámica. Se describe el comportamiento del convertidor reductor en tiempo de apagado y de encendido, además del funcionamiento interno del código empleado en el VI del controlador de manera general. Finalmente se analiza el desempeño del convertidor en lazo cerrado revisando las gráficas obtenidas en la interfaz de LabVIEW.

Palabras clave: Interface converter, LabVIEW, shutdown time, power-on time, open loop, closed loop, PID controller.

Metodología Problemática Las fuentes lineales suelen ser ineficientes. Esto se debe al componente de regulación que siempre se encuentra en la zona activa haciendo que el consumo de potencia siempre este presente. Además de que el tamaño y el costo de las fuentes lineales suelen ser muy grandes debido a los filtros y transformadores que utiliza, por lo general, no son muy prácticas, pues su voltaje de salida tiende a ser menor de lo que se espera por lo que su eficiencia es muy baja y no se puede aprovechar al máximo. Convertidor CC-CC Es un circuito electrónico de potencia que convierte una tensión continua en otro nivel de tensión continua (W. Hart, 2001) y, normalmente proporciona una salida regulada. Convertidor Reductor (Buck) Mohan (2009) explica que un convertidor reductor produce un voltaje medio de salida más bajo que el voltaje CC de entrada 𝑣𝑖𝑛 . Su aplicación principal es en fuentes de energía de CC regulada y el control de velocidad de motores de CC (ver Fig.1).

Figura 1. Circuito de un convertidor reductor (Buck) CC-CC

Estados del circuito de un convertidor reductor y voltaje de salida Cuando el interruptor está encendido para una duración de tiempo 𝒕𝒐𝒏 , el interruptor conduce corriente y el diodo se vuelve de polarización inversa (Mohan, 2009). Esto resulta en un voltaje positivo 𝒗𝑳 = 𝒗𝒊𝒏 − 𝒗𝒐 a través del inductor en la figura 2. Este voltaje causa un aumento lineal en la corriente del inductor 𝒊𝑳 .

Figura 2. Etapas requeridas para la adquisición de datos de un BJT.

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Cuando el interruptor está apagado, debido al almacenamiento de energía inductiva, 𝒊𝑳 continúa fluyendo. Esta corriente fluye ahora a través del diodo, y 𝒗𝑳 = −𝒗𝒐 en la figura 3.

Voltaje de salida 5

V

Voltaje en el diodo 0.7

V

Voltaje en el transistor 3.3

V

Frecuencia de operación 100

kHz

Rizo de corriente en el inductor 2

%

Rizo de voltaje en el capacitor 2

%

Al introducirlos a la calculadora, ésta nos arrojó los resultados mostrados en la tabla 2. Tabla 2. Parámetros arrojados por la calculadora. Figura 3. Etapas requeridas para la adquisición de datos de un BJT. PARÁMETRO

Se sabe que el voltaje en el inductor equivale a 𝒅𝒊𝑳 𝒗𝑳 = 𝑳 𝒅𝒕 Para el tiempo de apagado 𝒕𝒐𝒇𝒇 ,

V

𝑉𝑜𝑢𝑡

5

V

Corriente de carga

1

A

100

kHz

𝑉𝑟𝑖𝑧𝑜 Ciclo de trabajo

y para el tiempo de encendido 𝒕𝒐𝒏 ,

𝐼𝑝𝑝 Inductor

𝒅𝒕 = 𝑫𝑻

𝐼𝑝𝑘 inductor

donde 𝑫 es el ciclo de trabajo, y T corresponde al periodo. Por lo tanto, el voltaje de salida en el tiempo de apagado que da como, 𝒅𝒊𝑳 (𝟏) 𝑻

Y el voltaje de salida en el tiempo de encendido se ve reflejado en la siguiente ecuación, (𝒗𝒊𝒏 − 𝒗𝒐 )𝑫 = 𝑳

UNIDADES

12

Frecuencia

𝒅𝒕 = (𝟏 − 𝑫)𝑻

−𝒗𝒐 (𝟏 − 𝑫) = 𝑳

VALOR 𝑉𝑖𝑛

𝒅𝒊𝑳 (𝟐) 𝒅𝒕

Con las ecuaciones (𝟏) y (𝟐), se obtiene que,

0.25

V

41.7475

%

0.05

A

1.025

A

𝐼𝑟𝑚𝑠

0.97510683

A

𝐿

500.97087

uH

𝐶

16.6990291

uF

Simulación Después de obtener los parámetros, se prosiguió a simular el circuito de la figura 1 en el software de PSIM, con los parámetros obtenidos en la calculadora, para conocer su comportamiento en lazo abierto y revisar que se comportara como se esperaba. Al analizar el voltaje de salida en el circuito simulado, se obtiene un voltaje de 5𝑉 y una corriente de salida de 1𝐴 (ver Fig. 4 y 5).

𝒗𝒐 = 𝒗𝒊𝒏 𝑫 (𝟑) Diseño Se propuso hacer un Buck con entrada de 𝟏𝟐 𝑽 y una salida de 𝟓𝑽, a 𝟏 𝑨 y que operara a 𝟏𝟎𝟎 𝒌𝑯𝒛. Para los valores de los elementos que se requieren (ver Fig. 1), tales como el inductor, el capacitor y la resistencia de carga, se utilizó una calculadora virtual llamada “Switching Converter Calculator”, en la cual, como entradas fueron introducidos los valores de los siguientes parámetros: 

Voltaje de entrada



Voltaje de salida



Voltaje en el diodo



Voltaje en el transistor



Frecuencia de operación



Rizo de corriente en el inductor



Rizo de voltaje en el capacitor

Figura 4. Voltaje a la salida en la simulación.

En donde, nuestros parámetros deseados se enlistan a continuación en la tabla 1. Tabla 1. Parámetros de entrada para la calculadora. PARÁMETROS DESEADOS VALOR UNIDADES Voltaje de entrada 12

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Desarrollo El desarrollo del control PID para el buck descrito anteriormente se diseñó en el software LabVIEW (ir a Anexo I para ver la pantalla del controlador y su VI esquemáico). Controlador PID La parte mostrada código (ver Fig. 8) corresponde al PID implementado con LabVIEW en el circuito en lazo cerrado, para ello se utilizó como tarjeta de adquisición de datos una DAQ con la finalidad medir el voltaje en la entrada y reducir el error respecto a nuestro Set-point con ayuda del controlador y mandar una acción de control hacia nuestro circuito. Las ganancias se ajustaron por medio de sintonización. Figura 5. Corriente a la salida en la simulación.

Buck en lazo abierto Se implementó la topología mostrada en la figura 6, la cual no está controlada, es decir que ante perturbaciones externas el voltaje se ve afectado. Para ajustar el voltaje se debe mover el tiempo de encendido en el Mosfet para aumentar la potencia suministrada al final.

Figura 8. Parte del VI Esquemático del controlador PID

Acoplamiento digital En esta parte del código (ver Fig. 9) se muestra un acoplamiento digital para evitar el sobre voltaje en un rango de 1v a 3v y además se invierte el voltaje, esto es debido a la naturaleza de circuito que controla el PWM que un voltaje menor aumenta el ciclo de trabajo y uno mayor lo disminuye.

Figura 6. Etapas para prueba del Buck en lazo abierto.

Buck en lazo cerrado

Figura 9. Parte del VI esquemático para el acoplamiento digital.

Ganancias del controlador Las ganancias del controlar se obtuvieron por medio de la sintonización, se hizo de esta manera debido al comportamiento impredecible que puede tener el circuito a causa del componente inductivo (ver Fig. 10).

Figura 7. Etapas para prueba del Buck en lazo cerrado.

Usando la topología del Buck en lazo abierto se agregó un controlador PID para cerrar el lazo, que permite mantener el voltaje constante a la salida. Se usó una DAQ para la adquisición de datos y se implementó un control PID en LabVIEW (ver Fig. 7)

Figura 10. Sección del VI donde se muestran las ganancias del controlador PID.

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Resultados 1.0

Controlador PID

0.8

corriente (A)

A continuación se muestran los resultados obtenidos en lazo cerrado.

3.5

0.6

0.4

0.2

3.0

control (V)

0.0

2.5

corriente 0

200

400

600

800

Tiempo (ms) 2.0

Setpoint control

1.5

0

200

400

600

800

Tiempo (ms)

Conclusiones Con la implementación del convertidor reductor (Buck), se tuvieron algunos detalles que se fueron resolviendo a medida que se avanzaba con el proyecto. El más significativo fue la correcta elección de núcleo del inductor, ya que además de que no existe un proveedor especializado, tampoco se conocen las características de mismo, por lo que es difícil calcular con exactitud el comportamiento o alcanzar la meta de corriente deseada debido a que el inductor se satura.

Figura 12. Comportamiento del PID implementado.

Voltaje

6.5

Otro problema que se tuvo fue al implementar el control PID. Inicialmente se propuso hacerlo de manera analógica, pero al no conocer las propiedades de la planta fue difícil cambiar las constantes del control; otra opción era usar un microcontrolador, pero debido a la frecuencia de operación y el modo en que los microcotroladores funcionan, este dispositivo no era un opción. Al final se usó una DAQ, puesto que cuenta con dos salidas analógicas.

6.0

Voltaje (V)

Figura 14. Corriente a la salida en lazo cerrado implementado.

5.5

5.0

4.5

Referencias

4.0

Voltaje 3.5 0

200

400

600

800

Tiempo (ms)

Figura 13. Voltaje a la salida en lazo cerrado implementado.

Corriente

N. Mohan, Tore M. Undeland & William P. Robbins. (2009). Electrónica de potencia. Convertidores, aplicaciones y diseño. México: McGraw-Hill. p.144. Daniel W. Hart. (2001). Electrónica de potencia. Madrid, España: Pearson Educación S.A. p.201.

Biografía Mi nombre es Herrera Garay Luis Francisco curso el 8° semestre en Ingeniería Mecatrónica. Mis intereses esta enfocados a los sistemas de control inteligente, todo lo relacionado con la visión artificial; me gusta también el área de diseño mecánico, o la robótica.

Mi nombre es Ruiz Galván Verónica curso el 8° semestre en Ingeniería Mecatrónica. Mis intereses van dirigidos al área de diseño mecánico, pero enfocado al diseño aeronáutico. También me gusta el área de inteligencia artificial y sistemas inteligentes.

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Mi nombre es Daniel Ferreira Gómez de Maravatio del Encinal, Salvatierra Gto. Actualmente estoy cursando el octavo semestre de ingeniería Mecatrónica en el Instituto Tecnológico de Celaya. Me interesa mucho la automatización y el diseño además me gustaría realizar una maestría en alguna de estas ramas y en un futuro llegar a ser un empresario exitoso. Mi nombre es Brenda Edith Medina González, soy de Celaya Gto. Actualmente curso el octavo semestre de la carrera de Ingeniería Mecatrónica en el Instituto Tecnológico de Celaya. Me interesa el diseño de piezas mecánicas, hacer una maestría en Electrónica, trabajar en la industria por una temporada, y después fundar mi empresa.

Mi nombre es Ricardo Martínez Muñiz, soy de Celaya Gto. Curso el octavo semestre de la carrera Ingeniería Mecatrónica en el Instituto Tecnológico de Celaya. El interés que tengo dentro de la carrera es la automatización, control y diseño enfocado a la innovación. En mi residencia me gustaría realizarlas en GM y hacer una maestría en diseño enfocado en ANSYS.

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Anexo I

Figura 15 . Interfaz gráfica del controlador PID.

Figura 16 . Diagrama de bloques del controlador PID.

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