Microcontroller Resource Optimization in Non- Resonant Ballast Applications

Transcripción

1 Microconroller Resource Opimizaion in Non Resonan Ballas Applicaions R. Osorio, R. Balderas, N. Vázquez, M. Marínez and S. Pino Absrac This paper presens a way o opimize he program of a sliding mode conrol implemened in a microconroller, which incorporaes an analog comparaor as an inernal peripheral. The main idea is "o save microconroller processing capabiliy by avoiding he use of he analog o digial converer. This saved capabiliy can be used for oher asks ha depend in he applicaion. In our case, he saved processing capabiliy was used o generae he necessary signals o conrol an inegraed ballas. The ballas seleced as an example is a nonresonan ballas ha inegraes in a single sage a fullbridge inverer and a Buck converer. This ballas is responsible for feeding an HI lamp wih alernaing curren, and i is also responsible for sabilizing is curren. Therefore, he conrol signals necessary o achieve boh asks are more complicaed han hose signals which are used o conrol an ordinary fullbridge inverer. The proposed algorihm for he sliding mode conrol is a good alernaive for applicaions where power converers are used. xperimenal resuls are shown. Keywords Sliding mode conrol, microconroller, volage analog comparaor, Nonresonan ballas, HI amp. I. INTROUIÓN ONTRO por modos deslizanes es conocido por hacer que el sisema, al cual se aplica, enga una buena respuesa dinámica. Adicionalmene ese ipo de conrol no lineal se caraceriza por ayudar a que el sisema sea robuso ane cambios de carga, de variaciones en los valores de los componenes debido a las olerancias, y variaciones en el volaje de alimenación []. a implemenación de un conrol por modos deslizanes en un microconrolador ha mosrado buenos resulados [5]. Sin embargo, exise la forma de manener ese desempeño ya la vez que ahorrar capacidad de procesamieno, de la Unidad de Procesamieno enral (UP) que esá denro del microconrolador, si se reemplaza el converidor analógico a digial, el cual consume recursos del UP, por un comparador de volaje analógico. Por oro lado, si ese comparador esá incluido denro del microconrolador, enonces no se incremena la canidad de circuios empleados en la eapa de conrol. Acualmene exisen microconroladores que incluyen un comparador de volaje analógico como periférico, y el cual puede ser habiliado y su salida leída por la UP del microprocesador, es decir ese comparador es conrolado por R. Osorio, Universidad de Guadalajara, Ameca, México, reneosorios@yahoo.com. R. Balderas, onsrulia, Queréaro, México, ruben.balderas@consrulia.com.mx. N. Vázquez, Insiuo Tecnológico de elaya, elaya, México, n.vazquez@ieee.org. M. Marínez, Universidad de Guadalajara, Ameca, México, mariom@valles.udg.mx. S. Pino, Universidad aina de Panamá, Panamá, República de Panamá, serpico67@homail.com. sofware. n ese arículo se presena un conrolador por modos deslizanes empleando un microconrolador PI6HV66 de la compañía Microchip que incorpora un comparador de volaje analógico como periférico inerno para aplicaciones de balasros elecrónicos NoResonanes [58], y que ambién podría uilizarse en aplicaciones donde se usen converidores de poencia [9]. l balasro noresonane que se seleccionó fue un balasro inegrado, el cual es la unión de un inversor puene compleo con un converidor Reducor, es decir un inversor con capacidad de reducción de volaje o inversor Reducor [68]. a función de la pare inversora es la de alimenar a un lámpara de AI (Ala Inensidad de escarga) con formas de ondas cuadradas, y la función del converidor Reducor es la de esabilizar la corriene en la lámpara. Por lo ano, las señales empleadas para conrolar ese balasro inegrado son más complejas que las empleadas en un inversor puene compleo ípico. l documeno esá organizado de la siguiene forma: en la sección II se explica brevemene el funcionamieno del balasro NoResonane. n la sección III se explica el funcionamieno de la eapa de conrol. l análisis de la eapa de conrol se presena en la sección IV. l algorimo de la eapa de conrol se explica en la sección V. n la sección VI se muesran resulados experimenales. Por úlimo, se muesran las conclusiones en la sección VII. II. BRV XPIAIÓN FUNIONAMINTO BAASTRO NORSONANT l balasro NoResonane seleccionado para probar el algorimo de conrol propueso es un balasro inegrado. se balasro es la unión de un converidor Reducor y un inversor puene compleo. l diagrama esquemáico del balasro se muesra en la Fig. [68]. Por oro lado, el balasro requiere un circuio generador de picos de alo volaje (ignior) de aproximadamene.5 kv a kv para encender la lámpara, el cual solo funciona durane un breve iempo (00 μs) durane el la eapa de encendido de la lámpara y después se desaciva, por lo que en esado esable su efeco es despreciable. as señales de conrol que se deben aplicar en las compueras de los ransisores M a M se muesran en la Fig. juno con la forma de onda de la corriene i () en el inducor, la corriene en la lámpara i a () y el volaje en la lámpara v a (). a forma de onda cuadrada en la corriene y volaje en la lámpara son para reducir los efecos del fenómeno de las resonancias acúsicas que afeca principalmene a las lámparas de AI, y que puede provocar un parpadeo moleso en la luz emiida por las lámparas o incluso en casos exremos la desrucción de la lámpara [59].

2 M M Ignior i () v a () M 3 M i a () 3 v () deslizamieno, pero eso incremenaría la complejidad del conrolador, y por oro lado se han enido buenos resulados conrolando solo corrienes [59]. Por lo ano, en base a lo anerior se propone la siguiene superficie de deslizamieno en función de la corriene del inducor, la cual se muesra a coninuación: = () Figura. iagrama esquemáico del balasro noresonane. i () onde: s es una consane que sirve para ajusar el conrolador. i r es la referencia para la corriene i (). Para poder realizar la resa en la ecuación () se debe omar el valor absoluo de la corriene i () porque esa corriene es bipolar y la referencia i r es consane. Oro aspeco imporane del conrol por modos deslizanes, es que la frecuencia de conmuación iende en forma ideal al infinio, por lo que es necesario limiarla. sa area se puede hacer fácilmene en un microconrolador programando un reardo de iempo n la Fig. 3 se muesra el diagrama a bloques de conrol aplicado al balasro NoResonane. i a () v a () Q Q Ignior i () Q 3 Q 3 G Figura. Graficas de las señales de conrol y variables más imporanes del balasro noresonane. III. XPIAIÓN FUNIONAMINTO A TAPA ONTRO n el diseño de un conrolador empleando la esraegia de conrol por modos deslizanes es conveniene usar la siguiene ley de conrol u() porque es fácil de implemenar con un comparador analógico: = = 0 > 0 < 0 onde: σ() se le conoce como la superficie de deslizamieno. a superficie σ() comúnmene se propone en función de las variables de esado, en nuesro caso las variables de esado son la corriene i () en el inducor y el volaje v () en el capacior. Por oro lado la variable que queremos conrolar en un balasro noresonane es la corriene en la lámpara i a (), sin embargo como no es una variable de esado se debe buscar una corriene que si sea variable de esado para conrolar en forma indireca la corriene en la lámpara. n nuesro caso esa corriene es la corriene en el inducor i (), la cual es una variable de esado y esá relacionada con la corriene en la lámpara. Se podría incluir la variable v () en la superficie de () Señales de conrol i r imiador de σ frecuencia u = sign(σ) s Figura 3. iagrama a bloques del balasro no resonane en lazo cerrado. e i i () Para eludir el bloque de resa, y sobre odo la necesidad de usar el converidor A/ del microconrolador para discreizar la variable i (), se puede buscar usar direcamene un comparador analógico para comparar la corriene i () con su referencia de corriene i r. so puede jusificarse maemáicamene si susiuimos la ecuación () en la () y simplificamos con lo cual se obiene la siguiene ecuación: = = > 0 < a forma de implemenar la ecuación (3) es usando un comparador analógico, lo cual se muesra en la Fig.. n donde el bloque Inv es un inversor lógico. l comparador en la Fig. e encuenra disponible denro del microconrolador PI6HV66. l limiador de frecuencia es implemenado en el microconrolador por medio de la lecura de la salida cada deerminado iempo (después de un (3)

3 deerminado reardo de iempo) por la UP del microconrolador. Por oro lado para eviar el inversor (Inv) se pueden inercambiar las enradas del comparador. Por lo ano eliminando el bloque llamado limiador y considerando que se va a usar el comparador que se encuenra inerno en el microconrolador, así como inercambiando las enradas de ese comparador en la Fig. se obiene el diagrama de la Fig. 5. Q Q Ignior i () Q 3 Q 3 G Señales de conrol imiador de frecuencia Inv omparador i () Figura. Implemenación de la ecuación (3) con un comparador analógico. i r Q Q Ignior i () Q 3 Q 3 R V x=hi () Amp. Op. R R 3 R 5 R =R =R 3=kΩ R =kω R 5=0kΩ 5= 6=N8 Amp. Op. Figura 6. Recificador de precisión de onda complea. PI6HV66 6 V y=h i () Q Q Ignior i () Q 3 Q 3 Señales de conrol omparador i r R 5 Ηi () Figura 7. Bloque de ganancia del sensor agregado al diagrama del balasro noresonane en lazo cerrado. Para el circuio de la Fig. 7, se deben acualizar las ecuaciones () y (3) por las siguienes ecuaciones: H Señales de conrol PI6HV66 omparador i () Figura 5. Implemenación de la ecuación (3) empleando comparador de volaje analógico inerno en el microconrolador PI6HV66. Por simplicidad, en esa eapa del proyeco, se usó un sensor de efeco Hall (S5 de la compañía F.W. Bell) para sensar la corriene i (). Sin embargo, se esá buscando la forma de sensar esa corriene i () solo con resisencias de sensado para reducir el coso del balasro. ebido a que la corriene en ese inducor es alerna se iene que obener el valor absoluo de esa corriene, para lo cual se debe uilizar un recificador de onda complea. n nuesro caso se uilizó el recificador de precisión de onda complea mosrado en la Fig. 6. a ganancia del sensor esá represenada por la variable H, para el sensor S5 esa H vale Por lo ano incluyendo la ganancia H del sensor de corriene en el diagrama de la Fig. 5 se obiene el diagrama de la Fig. 7. i r = = > 0 < () = (5) IV. ANAISIS A TAPA ONTRO omúnmene para realizar el análisis de la eapa de conrol primero se obiene el modelo de la eapa de poencia (inversor Reducor), y después se hace un análisis de exisencia del modo de deslizamieno. Para realizar el modelado de la eapa de poencia se debe considerar algunas simplificaciones. Primero el proceso de inversión en la lámpara se puede eliminar debido a que el circuio equivalene es prácicamene el mismo durane el semiciclo posiivo y el semiciclo negaivo. s decir para ambos casos se iene como circuio equivalene un converidor Reducor. so puede corroborarse observando las Figs. 8 y 9, las cuales muesran los circuios equivalenes para los dos semiciclos del inversor [68]. n la Fig. 8 se muesra el circuio equivalene para el primer semiciclo posiivo de la corriene i (), en el cual se obiene como circuio equivalene un converidor Reducor compueso por los elemenos Q, 3, y.

4 Q 3 i () 0 x x = x x 0 R a 0 onde: x = i (), x = v (), u = u(), R a0 es la resisencia de la lámpara en el puno de operación nominal. u (6) l análisis de exisencia es úil para deerminar las condiciones en las cuales el sisema en lazo cerrado va a converger al puno de operación. Para lograr eso se debe cumplir la siguiene inecuación: σσ < 0 (7) i () O en forma similar: Figura 8. ircuio equivalene durane el semiciclo posiivo. Para el segundo semiciclo de la corriene i () se muesra oro converidor Reducor formado por los elemenos Q,, y, lo cual puede observarse en la Fig. 9. i () Q Si σ < 0 enonces σ > 0 (8) Si σ > 0 enonces σ < 0 (9) as ecuaciones (8) y (9) se puede explicar en forma alernaiva de la forma siguiene: primero, la ecuación (8) muesra que cuando el error de corriene es negaivo, es decir i () < I r, o ambién σ < 0, enonces la corriene i () debe incremenarse, es decir la pendiene de la corriene i () o la derivada de la corriene i () debe ser posiiva. Algo similar ocurre con la ecuación (9), cuando el error de corriene es posiivo, es decir i () > I r ó ambién σ > 0, enonces la corriene i () debe decremenarse, es decir la pendiene de la corriene i () o la derivada de la corriene i () debe ser negaiva. Puede decirse que las ecuaciones (8) y (9) esablecen las condiciones de exisencia del modo de deslizamieno. Para aplicar las ecuaciones (7) y (8) se requiere calcular el valor deσ durane el semiciclo posiivo (ambién puede ser el semiciclo negaivo), eso con la finalidad de eliminar el valor absoluo). Por lo anoσ se obiene derivando la ecuación (5) con lo cual se obiene la siguiene ecuación: σ = Hx (0) i () e la ecuación (6) se puede obener el valor de cual se obiene la siguiene ecuación: x, con lo Figura 9. ircuio equivalene durane el semiciclo negaivo. Por lo ano, podemos concluir que como los dos circuios mosrados en las Figs. 8 y 9 son prácicamene idénicos, el modelo en ambos modos de operación del inversor es el mismo, es decir es el modelo de un converidor Reducor. Por lo ano, el modelo en variables de esado de la eapa de poencia (inversor Reducor) es el de un converidor Reducor, el cual se muesra a coninuación: x = x u () Subsiuyendo la ecuación () en la ecuación (0) se obiene la siguiene ecuación: σ = Hx = H x u ()

5 a ecuación (8) solo es válida cuando u =, y la ecuación (9) solo es válida cuando u = 0. onsiderando eso, se obienen los siguienes dos casos: Inicio onfiguración del Microconrolador aso, Si σ < 0 enonces u = y σ > 0, aso, Si σ > 0 enonces u = 0 y σ < 0. Por lo ano, considerando ambos casos se obienen las siguienes inecuaciones considerando solo la ecuación de σ : σ > 0 H x > 0 (3) nciende el converidor Reducor No sablecer el período T de la señal del inversor argar los capaciores de los impulsores Obener el resulado de la comparación l resulado es? yes Apaga el converidor Reducor H σ < 0 x < 0 () n el puno de operación el valor de x es posiivo y menor a, por lo ano las ecuaciones (3) y () solo se cumplen para valores de H > 0. n nuesro caso H = 0.75, por lo ano el sisema en lazo cerrado debe converger al puno de operación. Manener la polaridad en el inversor No Figura 0. Algorimo del conrolador. Aplicar un reardo para limiar la frecuencia de conmuación T=0? yes Inverir la polaridad del inversor V. AGORITMO A TAPA ONTRO l algorimo del conrol por modos deslizanes se implemenó en el microconrolador PI6HV66. se algorimo se muesra en la Fig. 0. a primera fase es configurar el microconrolador, eso incluye configuración de los pueros y habiliar el comparador de volaje analógico. espués de eso se esablece el período del inversor (00 Hz). l siguiene paso es cargar los capaciores floados (boosrap) de los impulsores o drivers que acivan los ransisores durane 5 ms, para eso se encienden solo los dos ransisores inferiores (Q 3 y Q ). espués de eso se pasa al modo en lazo cerrado, y se enciende la lámpara. a corriene se conrola por medio del comparador analógico, cuya salida es monioreada por el microconrolador después de esperar un iempo prudene ( 5 μs) para limiar la frecuencia de conmuación. l periodo del inversor ambién es monioreado consanemene por el microconrolador. Se implemenó un lazo infinio para realizar el conrol en lazo cerrado, limiar la frecuencia y generar las señales de conrol. VI. RSUTAOS XPRIMNTAS Se consruyó un prooipo, cuya foografía se muesra en la Fig., en la cual se eiquean a la eapa de poencia (inversor Reducor), la eapa de conrol (microconrolador), y el recificador de precisión de onda complea. os daos de diseño del prooipo se resumen en la Tabla. n donde P a0 es la poencia nominal de la lámpara, I a0 es la corriene nominal de la lámpara, V a0 es el volaje nominal de la lámpara, Δ V es el rizado de volaje en el capacior, Δ I es el rizado de corriene en el inducor, f R es la frecuencia de conmuación del converidor Reducor, f i es la frecuencia del inversor onrolador Inversor Reducor Figura. Foografía del prooipo. TABA I ATOS ISÑO Recificador = 00 Vdc P a0 = 70 W I a0 =.6 A V a0 = 5 V Ra0 = 3.5 Ω ΔV =.5 % V Δ I = 0 % i f B = 00 khz f i = 00 Hz as ecuaciones de diseño del Inversor Reducor son las mismas de un converidor Reducor convencional, las cuales se muesran en la Tabla II. n donde es el ciclo de rabajo TABA II UAIONS ISÑO V a0 ( ) = = frδi Va0 ( = ) 8 f ΔV R os resulados del diseño se muesran en la Tabla III

6 TABA III RSUTAOS ISÑO = 0.5 =.56 mh = 53.8 nf n la Fig. se muesran los resulados experimenales del prooipo, en la cual se muesran el volaje y la corriene en la lámpara. También se observan formas de ondas cuadradas y esables. Por lo que se puede decir que se cumplieron los objeivos de diseño del balasro propueso. Figura. Resulados experimenales del volaje v a () y la corriene i a () en la lámpara. VII. ONUSIONS n ese arículo se presenó un méodo para opimizar recursos en un microconrolador cuando se emplea la esraegia de conrol por modos deslizanes empleado para conrolar un balasro no resonane para lámparas de AI. a capacidad de procesamieno ahorrada se puede usar para realizar oras areas, en nuesro caso se uilizó para generar las señales para conrolar un inversor inegrado conocido como Inversor Reducor. Se uilizó un microconrolador que incorpora un comparador analógico como periférico y cuya salida puede ser leída por la unidad de procesamieno en el momeno que se requiera ese dao. on el uso de ese comparador se evió el uso del converidor analógico a digial, con lo cual ahorro capacidad de procesamieno del microconrolador, y debido a que el comparador esá incluido denro del microconrolador no se incremenó el amaño de la eapa de conrol. os resulados obenidos fueron saisfacorios. l volaje y a corriene en la lámpara ienen formas de ondas cuadradas y esables, con lo cual se cumplió el objeivo del diseño del sisema propueso. RFRNIAS [] J.Y. Hung, W. Gao, J.. Hung, Variable srucure conrol: a survey, I Transacions on Indusrial lecronics, Vol. 0, Issue, pp., Feb 993. [] V.I. Ukin, Sliding mode conrol design principles and applicaions o elecric drives, I Transacions on Indusrial lecronics, Vol. 0, Issue, pp. 336, Feb 993. [3] V. I. Ukin, Sliding Modes and Their Applicaión in Variable Srucure Sysems, MIR Publishers, Moscow, 97. [] Ukin, V., Variable srucure sysems wih sliding modes, Transacions on Auomaic onrol, 977, pps:.. eng, "I. Negaive incremenal impedance of fluorescen lamp", Ph.. Thesis, alifornia Insiue of Technology, Pasadena, 995. [5] Y. Hu, Analysis and design of highinensiydischarge lamp ballas for auomoive head, Maser Thesis, Virginia Polyechnic Insiue, Unied Saes of America, November 00. [6] Miaosen Shen, Zhaoming Qian, Fang Zheng Peng, esign of a wosage lowfrequency squarewave elecronic ballas for HI lamps, I Transacions on Indusry Applicaions, 003, pp: 30. [7] Miaosen Shen, Zhaoming Qian, Fang Zheng Peng, onrol sraegy of a novel wosage acousic resonance free elecronic ballas for HI lamps, Power lecronics Specialiss onference, PS 0, pp: 09. [8] Miaosen Shen, Zhaoming Qian, Fang Zheng Peng, A novel wosage acousic resonance free elecronic ballas for HI lamps, Indusry Applicaions onference, IAS 0, pp: [9] J. osp and H. Marínez, esign of an Onhip Hybrid / onverer, I lain america ransacions, vol. 3, no. 7, july 05, pp: 005. [0] M. Orega, F. Jurado,. Vera, Novel Topology for Full Bridge Unidirecional onverer for Renewable nergies, I lain america ransacions, vol., no. 8, december 0, pp: [] R.. arballo, R. O. Núñez, V. H. Kurz and F. Boerón, iseño e Implemenación de un onveridor A Trifásico para Microredes Basadas en Fuenes Renovables de nergía, I lain america ransacions, vol., no., feb. 03, pp: 8. René Osorio, was born in Veracruz iy, México, in 977. He received he r. Ing. degree from he Naional ener of Research and Technological evelopmen, uernavaca, México, in 007. He is currenly a Teacher and Researcher wih he Universidad de Guadalajara. His Research ineress Include lighing sysems, and he applicaion of conrol sraegies o power converers. Rubén Balderas was born a orázar, Guanajuao, México in 983. Received he degree of lecronic ngineer from he Insiuo Tecnológico de elaya, elaya, México, in 007, and he M.Sc degree in elecronics engineering in 0. He is he es engineer in onsrulia ighing Inernaional since 0. Nimrod Vazquez (M 98, SM ) was born in México iy, México, in 973. He received he B.S. degree in elecronics engineering from he Insiuo Tecnológico de elaya, elaya, México, in 99, and he M.Sc degree in elecronics engineering and he r. Ing. degree from he enro Nacional de Invesigación y esarrollo Tecnológico (NIT), uernavaca, México, in 997 and 003, respecively. Since 998, he has been wih he eparmen of he lecronics ngineering, Insiuo Tecnológico de elaya. His fields of ineres include uninerrupible power supplies, /A converers, powerfacor correcion, nonlinear conrol echniques, and renewable energy. Mario Marinez, has Ph in educaional research and innovaion, holds a Masers in Informaion Technology and his basic a raining ompuer ngineer, was born on May 3, 979, is currenly Head of eparmen of ompuer Science and ngineering a he enro Universiario de los Valles a he Universiy of Guadalajara and fullime as a eacher in he same area since 005, has four paens (Auor s Righs in Mexico o he SP) sofware performed and a paen a he IMPI, six inernaional publicaions, four naional publicaions and paricipaion in several naional and inernaional forums and conferences has conribued o inernaional research projecs wih he universiy of Málaga and direcion of work and eaching a he universiy of Sano Toribio de Mogrovejo, Perú.

7 Sergio Pino was born in Panama in 967. He received he B.ng. degree from he lecrical and Mechanical ngineering School (SIM), Naional Polyechnic Insiue (IPN), México iy, México, in 996, he M.Sc. degree in elecronic engineering from he enro Nacional de Invesigación y esarrollo Tecnológico (NIT), uernavaca, México, in 00, and he Ph.. degree in conrol sysem engineering in he Indusrial onrol enre, Universiy of Srahclyde, Glasgow, U.K., in 03. His curren research ineress include nonlinear modeling and conrol, inelligen conrol, faul diagnosis and reconfiguraion, indusrial conrol applicaions, hybrid naural renewableenergy conrol sysems, and bioengineering processes.