Integración de un sistema de conversión analógico-digital en un sistema Hardware-in-the-Loop

Abstract

El control de convertidores conmutados ha tenido un cambio de tendencia hacia controladores digitales por las ventajas que presentan frente a los controladores analógicos, quedando así sistemas mixtos en los que la planta es analógica y el controlador digital. En los convertidores de potencia es de especial importancia su simulación y verificación de un correcto funcionamiento, ya que al trabajar con valores elevados de potencia un fallo podría ocasionar la destrucción del convertidor, generando así tanto costes materiales como posibles daños personales. Hay diferentes formas de simular estos sistemas mixtos, aunque todas ellas emplean tiempos elevados de simulación. La solución a esto pasa por crear un modelo digital de la planta generando un modelo matemático de la misma, de forma que se pueda ejecutar en hardware y este pueda ser simulado desde una FPGA o sistema embebido, quedando así un único sistema digital que permite la emulación en tiempo real. A este tipo de simulación se le llama HIL (Hardware-In-the-Loop). El principal problema de sustituir la planta analógica por un modelo digital de la misma es que el regulador debe seguir sensando una señal similar a la esperada. Normalmente las señales sensadas de la planta son de tipo tensión analógica, así que el modelo de la planta digital debería generar señales idénticas para evitar que el regulador deba ser cambiado para adaptarse al sistema de emulación. Por tanto, es recomendable que el sistema HIL tenga una etapa de conversión digital-analógica de forma que el controlador no pueda discernir si está controlando la planta real o el modelo digital de la misma. Una vez conseguido esta etapa, se podrá maximizar la utilidad del sistema HIL Este TFG tratará de comprobar las características de los módulos de conversión DA presentes en el mercado cuando se trata de sistemas de alta frecuencia (100 kHz). Como se verá más adelante estos conversores no son capaces de trabajar a tan alta frecuencia de conmutación, por lo que se diseñará un módulo conversor que sea capaz de suplir las carencias de los módulos comerciales. Para probar los módulos de conversión comerciales y el diseñado en este TFG se empleará primero una señal triangular. Dicha forma triangular es habitual en los convertidores de potencia, en la que la corriente de la bobina tiene forma triangular según se alternan los diferentes estados del convertidor. Se comprobará que los módulos de conversión comerciales son capaces de representar correctamente la señal triangular cuando ésta tiene baja frecuencia (alrededor de 3 kHz). Sin embargo, con frecuencias en torno a los 100 kHz, se comprobará que los conversores comerciales no pueden obtener una salida precisa mientras que el conversor diseñado ofrece una reconstrucción fiel la señal original. Además de esto también se simulará la salida de un sistema HIL al completo con un convertidor buck, haciendo un cambio desde un punto de estabilidad a otro comprobando así que las perturbaciones de alta frecuencia presentes en el transitorio se representan de forma mucho más precisa en el conversor construido que en los comerciales. Por tanto, el presente trabajo se centra en el diseño, construcción y prueba de un módulo de conversión DA (Digital-Analógico) capaz de reconstruir señales de alta frecuencia