Implementación en FPGA de un controlador robusto de velocidad del motor de cd accionado mediante convertidores en paralelo: con enfoque al rechazo activo de perturbaciones

Abstract

En la actualidad, el diseño de accionadores de motores de CD mediante convertidores electrónicos de potencia es una práctica común a nivel industrial. En la práctica, la mayoría de estos sistemas funcionan en ambientes no controlados, ruidosos o contaminados, además, en la mayoría de los casos no se cuenta con un modelo matemático preciso de la planta. Asimismo, la naturaleza de muchos, si no es que todos, los problemas de control es el rechazo de perturbaciones, y la pregunta clave en el diseño de este tipo de sistemas es ¿cómo tratar tales perturbaciones? El controlador proporcional-integral-derivativo (PID, Proportional Integral Derivative), trata las perturbaciones de forma pasiva, de manera predeterminada, es decir, simplemente reacciona al error de seguimiento causado por las perturbaciones. Además, el enfoque empírico de este controlador es una limitante para su sintonización, ya que requiere de una amplia experiencia y un buen conocimiento de la planta. Una alternativa, y mejor solución, es rechazar las perturbaciones activamente, estimándolas directamente y cancelándolas mediante la ley de control, antes de que afecte significativamente el sistema, este es el corazón del control mediante rechazo activo de perturbaciones (ADRC, Active Disturbance Rejection Control) técnica de control que se utiliza en esta investigación. En esta tesis de doctorado se presenta el análisis, diseño, simulación e implementación de un accionador de motores de CD compuesto principalmente por la conexión en paralelo de convertidores CD/CD reductores, un motor de CD de excitación separada y un controlador lineal multi-variable, funcionando bajo la perspectiva de la planitud diferencial y el rechazo activo de perturbaciones. Las metas principales de la ley de control propuesta son regular la velocidad angular del motor de CD y equilibrar las corrientes de los convertidores. Además, el controlador deberá rechazar activamente perturbaciones internas y externas, las cuales varían con el tiempo pero con la restricción de ser acotadas. En el desarrollo de este trabajo de investigación se utiliza la metodología de diseño basada en modelos (MBD, Model Based Design). La implementación física del algoritmo de control se lleva a cabo en un arreglo de puestas programables en campo (FPGA, Field Programmable Gate Array) configurado mediante una herramienta de creación rápida de prototipos tal como system generator de xilinx (XSG, Xilinx System Generator) que trabaja bajo el ambiente de Matlab/Simulink. Para validar el funcionamiento del sistema propuesto, se presentan resultados de simulación y experimentales bajo diferentes condiciones de operación del motor y cambios de los parámetros del convertidor.