hardware-in-the-loop para desenvolvimento de

Universidade Federal do Rio de Janeiro
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA COM ÊNFASE EM ELETROTÉCNICA
PROJETO DE FIM DE CURSO
Autor: Bruno Wanderley França
HARDWARE-IN-THE-LOOP PARA DESENVOLVIMENTO DE
SOFTWARE EMBARCADO EM DSPs UTILIZANDO AMBIENTE
PSCAD/EMTDC.
Aprovado por:
___________________________________________.
Maurício Aredes. Dr.-Ing.
___________________________________________.
Luís Guilherme Barbosa Rolim, Dr.-Ing.
___________________________________________.
Mauro Sandro dos Reis, Eng.
Rio de Janeiro
Maio de 2009
FRANÇA, BRUNO WANDERLEY
HARDWARE-IN-THE-LOOP PARA DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE
EMBARCADO EM DSPs UTILIZANDO AMBIENTE PSCAD/EMTDC.
[Rio de Janeiro] 2009
(DEE-POLI/UFRJ, Engenharia Elétrica, 2009)
p.52
vii
29,7 cm
Projeto de Formatura – Universidade Federal do Rio de Janeiro,
Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Elétrica,
Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrotécnica
1 – Hardware-in-the-loop,
2 – Simulador de sistemas elétricos,
3 – Processador digital de sinais,
4 – Eletrônica de Potência,
5 – Buck-Boost,
6 – STATCOM (Static Synchronous Compensator).
i
Dedicatória
Dedico este trabalho ao meu avô, Carlos Wanderley da Costa. Ele me ensinou que uma boa vida
é feita de uma família unida, amigos leais e muito trabalho.
ii
Agradecimentos
Agradeço a Deus por me permitir realizar este trabalho, assim como permitiu que eu
cursasse a Engenharia Elétrica durante esses cinco anos. Aprendi com ele que, mesmo sendo o
campo da engenharia extremamente racional, às vezes é indubitável a existência de uma força
superior.
Agradeço a minha mãe Katia Wanderley da Costa, o suporte, a atenção e todos esses
anos de renúncia em prol da minha evolução como cidadão e como profissional. Agradeço a
minha tia Darci Rodrigues da Rosa, o carinho e dedicação de uma mãe. Saibam que o esforço
de vocês tem como conseqüência não só a formação de um engenheiro eletricista, mas
principalmente de uma pessoa com ética e ciência de seu papel dentro da sociedade.
Agradeço aos meus familiares e amigos, por compreender minha ausência em muitos
momentos importantes, devido aos compromissos acadêmicos, sempre me apoiando e
incentivando. Agradeço também a Carolina Silva Brandão, por todos esses anos de
companheirismo, amizade e incentivo, que me deu forças para superar muitos momentos
difíceis.
Agradeço ao meu orientador e amigo Mauricio Aredes, que confiou no meu trabalho
desde o início da graduação e me deu a oportunidade de aprender em diversos setores do
laboratório. Dentro do LEMT/ELEPOT complementei meu aprendizado e tive a chance de
conhecer profissionais de alto nível. Fica também meu agradecimento aos meus amigos que
trabalharam comigo em diversos projetos importantes dentro do laboratório. Em especial
agradeço ao Leonardo Francisco da Silva, o qual participou de toda minha vida profissional, se
tornando um grande amigo, ao Mauro Sandro dos Reis, por toda a ajuda e trabalho conjunto
diário, e ao Carlos Fernando Teodósio Soares, por esclarecer minhas dúvidas durante a
graduação. Agradeço também ao professor Luís Guilherme Barbosa Rolim, pelos ensinamentos
durante o curso de Projeto de Sistemas com Microprocessadores, essencial para a realização
deste trabalho.
Sendo assim, fica meu agradecimento a todos que diretamente ou indiretamente
tenham contribuído na minha caminhada até aqui.
iii
Resumo do Projeto de Fim de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola
Politécnica, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Rio de Janeiro,
como um dos requisitos necessários para a obtenção de grau de Engenheiro Eletricista.
HARDWARE-IN-THE-LOOP PARA DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE
EMBARCADO EM DSPs UTILIZANDO AMBIENTE PSCAD/EMTDC.
Bruno Wanderley França
Maio /2009
Orientador: Mauricio Aredes.
Palavras-chave: Hardware-in-the-loop, Simulador de sistemas elétricos, Processador digital de
sinais, Eletrônica de Potência, Buck-Boost, STATCOM (Static Synchronous Compensator).
Resumo
O número de equipamentos controlados por microcontroladores cresce à medida que
aumenta a disponibilidade do uso desses. Entretanto, durante o desenvolvimento de um código
de controle, existe o processo de teste e validação do mesmo, que deve garantir a operação
correta do microcontrolador.
Deficiências no desenvolvimento de algoritmos ou softwares de implementação podem
ser difíceis de detectar. Para solucionar este problema pode ser utilizado um Hardware-in-theloop (HIL), que consiste na simulação, através de um ou mais hardwares, do sistema real onde
o microcontrolador atua. Se o microcontrolador atuar de forma adequada no sistema simulado,
então ele atuará também de forma adequada no sistema físico real.
Este trabalho consiste na concepção de um Hardware-in-the-loop utilizando o programa
de simulações de sistemas elétricos PSCAD/EMTDC, para validar códigos embarcados em um
DSP. O desenvolvimento da ferramenta HIL se deu em três etapas, onde a primeira utiliza um
variador de tensão observável, o segundo um conversor Buck-Boost e o terceiro é um DSTATCOM controlado por correntes de referência.
iv
Sumário
Dedicatória .................................................................................................................................... ii
Agradecimentos ........................................................................................................................... iii
Resumo..........................................................................................................................................iv
Sumário ......................................................................................................................................... v
Índice de figuras ............................................................................................................................vi
Introdução ..................................................................................................................................... 1
Motivação.................................................................................................................................. 1
Objetivo ..................................................................................................................................... 3
Organização do trabalho ........................................................................................................... 4
Conceitos básicos .......................................................................................................................... 6
Hardware-in-the-loop ............................................................................................................... 6
PSCAD/EMTDC........................................................................................................................... 9
DSP ............................................................................................................................................ 9
Variador de tensão observável ................................................................................................... 11
Proposta do equipamento ...................................................................................................... 11
Execução.................................................................................................................................. 12
Resultados ............................................................................................................................... 15
Conclusão ................................................................................................................................ 16
Simulação HIL para controle de um Buck-Boost. ........................................................................ 17
Proposta do equipamento ...................................................................................................... 17
Introdução teórica ................................................................................................................... 18
Execução.................................................................................................................................. 19
Resultados ............................................................................................................................... 27
Conclusão ................................................................................................................................ 27
D-STATCOM controlado por correntes de referência ................................................................. 29
Proposta do equipamento ...................................................................................................... 29
Introdução teórica ................................................................................................................... 31
Execução.................................................................................................................................. 34
Resultados ............................................................................................................................... 39
Conclusão ................................................................................................................................ 48
Observações finais e trabalhos futuros ....................................................................................... 50
v
Bibliografia .................................................................................................................................. 52
Índice de figuras
Figura 1: Fluxograma dos processos básicos de um projeto......................................................... 2
Figura 2: a) Diagrama de blocos do microcontrolador conectado ao simulador HIL. b)
Componentes simplificados de um simulador HIL. ....................................................................... 8
Figura 3: Piloto automático sendo testado pelo simulador HIL. ................................................... 8
Figura 4: Comunicação serial entre o computador e o DSP. ....................................................... 11
Figura 5: Circuito do variador de tensão observável .................................................................. 12
Figura 6: Bean da Comunicação Serial. ....................................................................................... 13
Figura 7: Sistema simulado no PSCAD/EMTDC. .......................................................................... 14
Figura 8: Resultado...................................................................................................................... 15
Figura 9: Circuito Buck-Boost. ..................................................................................................... 18
Figura 10: Fluxograma do protocolo de comunicação do PSCAD/EMTDC.................................. 20
Figura 11: Bloco RS232_1. ........................................................................................................... 21
Figura 12: Bloco de condicionamento de sinais. ......................................................................... 22
Figura 13: Controlador PI. ........................................................................................................... 23
Figura 14: Bloco de disparo do GTO. ........................................................................................... 23
Figura 15: Tensão Ea. .................................................................................................................. 24
Figura 16: Corrente Ia.................................................................................................................. 24
Figura 17: Referência para o disparo do GTO. ............................................................................ 24
Figura 18: Comparação entre as referências geradas pelo PSCAD/EMTDC e pelo DSP. ............ 25
Figura 19: Bloco de disparo do GTO com referência igual a Rx1 (DSP)....................................... 25
Figura 20: Tensão Ea para os novos parâmetros. ....................................................................... 26
Figura 21: Corrente Ia para os novos valores. ............................................................................. 26
Figura 22: Comparação entre as referências geradas pelo PSCAD/EMTDC e pelo DSP para os
novos valores. ............................................................................................................................. 26
Figura 23: Diagrama trifilar do D-STATCOM. .............................................................................. 30
Figura 24: Modelo ideal do D-STATCOM conectado ao sistema elétrico. .................................. 32
Figura 25: Controle da potência reativa. ..................................................................................... 32
Figura 26: RS232_1 para utilização no D-STATCOM. .................................................................. 35
Figura 27: Configuração do registrador do AD para o DSP MC56F8323. .................................... 35
Figura 28: Fluxograma do protocolo de comunicação do DSP. .................................................. 36
Figura 29: Sinalizador da interface IO. ........................................................................................ 37
Figura 30: Sistema de potência simulado. .................................................................................. 38
Figura 31: Bloco STATCOM. ......................................................................................................... 38
Figura 32: Tensão Vab sem D-STATCOM e sem carga (220 Vrms) - HIL...................................... 40
Figura 33: Tensão Vab sem D-STATCOM e sem carga (220 Vrms) - Bancada. ............................ 40
Figura 34: Tensão Vab com D-STATCOM regulando tensão e sem carga – HIL. ......................... 41
Figura 35: Tensão Vab com D-STATCOM regulando tensão e sem carga – Bancada. ................ 41
Figura 36: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e sem D-STATCOM (209 Vrms) – HIL ............ 42
Figura 37: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e sem D-STATCOM (209 Vrms) - HIL. ............ 42
Figura 38: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e com D-STATCOM regulando tensão (221
Vrms) - HIL. .................................................................................................................................. 43
vi
Figura 39: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e com D-STATCOM regulando tensão (221
Vrms) - Bancada. ......................................................................................................................... 43
Figura 40: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e sem D-STATCOM (50,0°) - HIL. ...... 44
Figura 41: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e sem D-STATCOM (50,0°) - Bancada.
..................................................................................................................................................... 44
Figura 42: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e com D-STATCOM (31,6°) – HIL. ..... 45
Figura 43: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga e com D-STATCOM (31,6°) – Bancada.
..................................................................................................................................................... 45
Figura 44: Histórico do controle do fator de potência - HIL........................................................ 46
Figura 45: Histórico da tensão no elo cc - HIL.. ........................................................................... 46
Figura 46: Corrente de entrada da barra no carregamento do elo cc - HIL. ............................... 47
Figura 47: Corrente de entrada da barra no carregamento do elo cc - Bancada. ...................... 47
vii
Capítulo I
Introdução
A energia elétrica é um dos requisitos primários para a sustentabilidade da civilização. Isso se
dá pela sua facilidade de transporte, controle e conversão em outros tipos de energia, o que a torna
um dos principais meios de prover e utilizar bens de consumo. Naturalmente, a complexidade destes
bens de consumo aumenta de acordo com a evolução dos estudos acerca da eletricidade.
Com o surgimento da automação e do controle as cargas passaram a ter, incorporadas em
suas funcionalidades, sistemas de controle que determinam como essas devem se comportar. Além
disso, a criação e a posterior difusão dos microcontroladores intensificaram a utilização das técnicas
de lógica de programação, principalmente após o surgimento da programação digital.
Este trabalho tem como finalidade o desenvolvimento de uma ferramenta que valida o
código de controle embarcado em microcontroladores (Embedded Systems), garantindo que esses
não irão operar de forma indevida nos sistemas reais aos quais se destinam. Para tal, serão utilizados
sistemas elétricos constituídos de equipamentos baseados em Eletrônica de Potência conectados à
rede elétrica, sendo esses equipamentos controlados por Processadores Digitais de Sinais (DSP).
Motivação
O desenvolvimento de protótipos baseados em Eletrônica de Potência cresce à medida que
novas tecnologias relacionadas a esta área surgem com diversos objetivos, tais como solucionar
problemas relacionados à qualidade de energia, fazer o controle de máquinas elétricas e de fluxo de
potência, dentre outros. Sua característica principal é a utilização de chaves semicondutoras que, na
sua grande maioria, necessitam de um controle para determinar o instante que devem entrar em
condução. Neste caso são utilizados os microcontroladores, tais como os processadores digitais de
sinais (Digital Signal Processor – DSP).
Os processos básicos de concepção desses protótipos estão apresentados no fluxograma da
Figura 1, e podem ser divididos em duas etapas, conforme destacado na própria figura.
1
Figura 1: Fluxograma dos processos básicos de um projeto.
A primeira etapa engloba os processos teóricos e de simulação, já a segunda engloba os
processos de execução prática. Dentro da etapa 2, o processo crítico se dá na produção do código
embarcado no DSP, visto que este tem que reproduzir de forma fiel a malha de controle simulada na
etapa 1. Além disso, a produção de um código errado pode causar danos ao equipamento quando
este for ensaiado, devido à operação errônea dos componentes ativos do sistema.
Outro problema encontrado diz respeito à interface do DSP com o usuário durante os ensaios
do equipamento. Alguns DSPs apresentam uma interface amigável ao usuário, podendo este
visualizar em tempo real os valores nos registradores desejados, seja numericamente ou através de
gráficos. É possível também alterar estes valores diretamente pelo software de programação,
chamado de Ambiente integrado de Desenvolvimento (Integrated Development Environment – IDE).
Porém, existem DSPs que não possuem tal interface, dificultando a verificação do programa
embarcado, pois a possibilidade de visualizar e alterar registradores no momento da operação do
microcontorlador é uma forma eficaz de localizar erros no código, caso eles existam.
O DSP da Motorola (MC56F8323) utiliza o IDE Metrowerks Code Warrior para embarcar
códigos em sua memória de programa. Este software (versão 7.3) não permite a visualização nem a
alteração de variáveis em tempo real, porém permite uma fácil configuração de periféricos, através
dos chamados beans de periféricos. Sendo assim, este é um exemplo de ambiente que não possui
interface amigável com o usuário, apesar de sua fácil configuração.
Objetivo
O objetivo deste trabalho é desenvolver uma ferramenta que auxilie a transição de
equipamentos simulados no PSCAD/EMTDC para os equipamentos reais (protótipos), visto que os
protótipos utilizam microcontroladores com um código embarcado, o qual deve ser equivalente à
malha de controle simulada. Essa ferramenta deve ser capaz de submeter a simulação do sistema à
atuação do código embarcado, fazendo com que esse sistema seja controlado pelo
microcontrolador.
Para tal, será necessário estabelecer uma comunicação entre o DSP e o simulador, para
possibilitar a troca de informações entre eles. Deverão então ser criados protocolos de comunicação,
os quais permitem um tráfego de informações padronizado que garantem a utilização dos dados
corretos entre ambas as partes. Vale lembrar que se o número de componentes ativos for
3
aumentado, aumentará também o número de variáveis enviadas e recebidas, necessitando assim de
um protocolo de comunicação mais complexo.
A escolha do programa PSCAD/EMTDC como software de simulação de sistemas elétricos é
devido à sua utilização pelos pesquisadores do Laboratório de Eletrônica de Potência e Média Tensão
da Universidade Federal do Rio de Janeiro (LEMT/UFRJ), e ainda pelo software permitir a criação de
componentes capazes de atuar no sistema simulado, sendo estes compostos de programas em
código C, o que é um atributo importante para a realização do trabalho.
Com o desenvolvimento desta ferramenta, uma vez que o código embarcado no DSP produz
um resultado igual ao da malha de controle previamente simulada, resta apenas configurar os
periféricos do microcontrolador, para que o protótipo atue de forma desejada no sistema elétrico
real.
Organização do trabalho
Este trabalho irá apresentar a concepção e o desenvolvimento da ferramenta proposta, os
quais foram feitos utilizando-se de equipamentos que aumentam seu nível de complexidade em
relação ao nível do equipamento anterior. Com isso, ao longo do trabalho, será observado que o HIL
poderá atender a uma gama cada vez maior de equipamentos.
Sendo assim, primeiramente será feita uma breve explanação a respeito dos principais
elementos presentes neste documento, sendo eles: o conceito Hardware-in-the-loop, o programa de
simulação de sistemas elétricos PSCAD/EMTDC e o processador digital de sinais (DSP). Esta
explanação tem o objetivo de habilitar o leitor a entender o conteúdo deste trabalho.
Feito isso, o próximo passo é descrever a criação dos componentes básicos da ferramenta
proposta. Para tal, foi utilizado um variador de tensão observável. A escolha deste equipamento é
devido a sua simplicidade, exigindo apenas uma comunicação inicial que permita a troca de
informações.
Com esta comunicação estabelecida, é possível utilizá-la no controle de um equipamento
mais complexo. Para isso, foi escolhido o controle de um conversor cc-cc abaixador-elevador (Buck-
Boost). Este conversor possui um controle simples e poucas variáveis, mas exige um protocolo de
comunicação, por isso sua escolha.
4
Com o HIL utilizado no Buck-Boost, agora é necessário utilizar esta ferramenta em
equipamentos que possuam uma malha de controle complexa, com diversas variáveis a serem
utilizadas. Para isso escolheu-se o D-STATCOM controlado por correntes de referência.
A apresentação destes equipamentos será feita como se fossem pequenos experimentos,
porém sempre focando as melhorias do HIL. Por fim, serão feitas as conclusões gerais e apresentadas
as possibilidades de trabalhos futuros.
5
Capítulo 2
Conceitos básicos
Neste capítulo serão apresentados os principais conceitos envolvidos no projeto. Além disso,
serão descritas as principais características dos componentes utilizados. Sendo assim, as informações
apresentadas aqui são necessárias para o entendimento dos próximos capítulos.
Hardware-in-the-loop
A simulação de sistemas utilizando Hardware-in-the-loop (Hardware-in-the-loop Simulator HILS) não é uma ferramenta nova. De acordo com (Maclay, MAY 1997), esta técnica já era utilizada
na indústria aeroespacial para desenvolver sistemas de controle de vôo. Porém, o aumento da
quantidade de produtos que possuem microcontroladores, associado aos intensos esforços para
redução do tempo e custo de desenvolvimento dos mesmos, despertou o interesse dos engenheiros
e pesquisadores de diversas áreas pelo HIL. Atualmente, essa ferramenta é utilizada também nas
áreas da indústria, sistemas mecânicos e elétricos (como por exemplo, em sistemas de transporte e
energias renováveis), dentre outros.
Testar equipamentos sem a garantia de que os mesmos estejam sendo controlados de forma
correta é perigoso e pode causar danos irreversíveis, além de ser um risco à integridade dos
operadores. Esta é uma das razões para a utilização do Hardware-in-the-loop. Outra forma de se
testar códigos embarcados é inserir um breakpoint para interromper o processamento do código a
cada iteração, comparando as saídas atuais com a saída desejada e as anteriores. Porém, em alguns
casos é inviável inserir breakpoints, pois com isso não é possível analisar os efeitos dos atrasos de
processamento quando, por exemplo, o tempo é uma variável do sistema. Além disso, pode ser que
seu sistema possua algum periférico, sensor, ou atuador que possua um código embarcado em si.
Sendo assim, com o uso do breakpoint no microcontrolador principal, os demais processos não irão
parar no mesmo instante. Novamente, para estes casos, é interessante o uso do Hardware-in-the-
loop.
6
Deficiências no desenvolvimento de algoritmos ou softwares de implementação podem ser
difíceis de detectar. Constituído de um ou mais Hardwares, a função do simulador HIL é fazer com
que o microcontrolador opere como se estivesse operando com entradas e saídas reais, no tempo
real. Deste modo é possível testar os algoritmos embarcados, pois a simulação do sistema real
submete o programa principal às condições que serão encontradas na prática.
Conjuntos de hardwares podem ser utilizados de forma que cada hardware simule um
componente específico do sistema real, para que, em conjunto, possa ser obtida a simulação do
sistema completo. No entanto, desenvolver esses hardwares pode ser uma tarefa tão difícil como a
de testar os códigos embarcados, principalmente se o sistema real for complexo.
Mais recentemente, estes conjuntos de hardwares estão sendo substituídos por softwares de
simulação em tempo real baseados em modelos matemáticos, aumentando a viabilidade do uso
desta ferramenta. No caso de softwares de simulação em tempo virtual, esses podem ser utilizados
desde que o microcontrolador possa operar também no tempo virtual da simulação.
Como exemplo de um HILS genérico, será apresentado um simulador de condições de vôo
para testar software de piloto automático, de acordo com (Gomez, 2001). Em aviões modernos, os
sistemas de piloto automático são implementados em softwares e suas entradas são: a velocidade do
ar, a velocidade do avião, o ângulo de pitch (ângulo do bico do avião em relação ao horizonte), a
aceleração normal (ou “força g”) e a velocidade em que o bico do avião está subindo ou descendo. A
saída é composta da deflexão do flap (uma superfície de controle localizada na asa que é responsável
pela subida ou descida da aeronave).
O controle deve ser tal que mantenha a velocidade e o ângulo de pitch conforme desejado.
Pela complexidade do sistema envolvido é natural que as relações entre entradas e saída, que são
todas calcadas pelas leis da física, não sejam triviais. Tratando-se de um controlador que será
utilizado em diversas situações de vôo, é necessário garantir sua confiabilidade, principalmente por
transportar pessoas. Sendo assim, o simulador HIL será necessário para testar tais situações,
conforme ilustrado na Figura 2.
O papel do simulador neste caso é fazer com que o piloto automático receba as informações
equivalentes às que receberia se estivesse voando. O item a da Figura 2 mostra como são conectados
o microprocessador e o simulador. Note que a saída de um é ligada à entrada do outro e vice versa.
Esta é a lógica básica de um HILS, realçando a idéia de que ele tem o objetivo de fornecer as entradas
do programa principal, e que ainda terá seu comportamento baseado nas respostas do
microprocessador frente a essas entradas. O item b mostra que o simulador tem a estrutura básica
7
semelhante à estrutura do hardware principal, com conversores A/D e D/A, entradas e saídas de
software e um microcontrolador com o programa embarcado que contém a modelagem do sistema
físico real.
Figura 2:: a) Diagrama de blocos do microcontrolador conectado ao simulador HIL. b) Componentes simplificados de um
simulador HIL.
A Figura 3 mostra com detalhes as entradas e saídas dos dois componentes. A única entrada
que não é fornecida pelo simulador é a referência que o piloto automático
automático deve seguir.
Figura 3:: Piloto automático sendo testado pelo simulador HIL.
PSCAD/EMTDC
O PSCAD/EMTDC (Power Systems Computer Aided Design) é um simulador computacional de
transitórios eletromagnéticos e sistemas elétricos. Possui interface gráfica, possibilidade de
configuração dos parâmetros de simulação (como por exemplo, o passo de execução, de
amostragem e a duração da simulação), biblioteca de componentes elétricos e de controle, dentre
outros atributos.
Uma ferramenta importante é a possibilidade de criar componentes novos. Isso possibilita
uma mobilidade para criação dos componentes não existentes na biblioteca. Além disso, o
componente criado pode ser um programa escrito em linguagem C, onde as entradas e saídas do
programa são as entradas e saídas do bloco, respectivamente. Nos capítulos seguintes, onde serão
utilizados componentes criados no PSCAD/EMTDC, tais particularidades poderão ser vistas com
clareza. É permitido também agrupar um conjunto de elementos em um único bloco, simplificando o
esquemático do projeto.
A interface gráfica permite traçar gráficos no tempo virtual da simulação. Aliado a isso, existe
a possibilidade de alterar os parâmetros de controle durante a simulação, permitindo uma
interatividade com o usuário para a obtenção de resultados desejados.
Todas as ferramentas descritas serão de suma importância na operação dos diferentes
equipamentos utilizados no projeto.
DSP
Um DSP (Digital Signal Processor) é um microcontrolador especializado em processamento
digital de sinais. Dentro do âmbito da pesquisa e desenvolvimento de equipamentos em sistemas de
potência, sua finalidade é controlar os componentes ativos do sistema de acordo com a lógica de
controle embarcada.
Na maioria das suas aplicações, o DSP atua no controle da planta em malha fechada da
seguinte forma; embarcado no microcontrolador encontra-se o código ou programa que contém a
9
lógica de programação, cujas entradas são os sinais necessários para o controle do equipamento e as
saídas são os sinais de controle dos componentes ativos (atuadores do sistema). Os parâmetros de
entrada são modificados como resultado da operação dos atuadores, fechando assim a malha do
sistema.
Os DSPs são diferenciáveis em diversos aspectos, tanto internos quanto externos. Os
aspectos internos podem ser divididos em arquitetura e organização. A arquitetura diz respeito às
características físicas (ou de hardware) do microcontrolador, como por exemplo, o tamanho da
memória interna, registradores, modo de endereçamento, dentre outros. A organização pode ser
vista como a forma de utilização desta arquitetura, ou seja, como a arquitetura é interconectada.
Quanto aos aspectos externos, estes são mais comumente chamados de periféricos do DSP. São
circuitos auxiliares conectados ao processador com as funcionalidades utilizadas com mais
freqüência, como por exemplo, LEDs, interface de entrada e saída (I\O), botoeira, PWM etc.
Para escrever e embarcar o programa no processador é utilizado um software disponibilizado
pelo próprio fabricante do DSP. Este pode conter um suporte de desenvolvimento do referido
programa, para auxiliar o programador, já que os códigos geralmente são complexos e com
nomenclaturas específicas de acordo com a organização interna supracitada.
Sendo assim, para uma mesma lógica de controle podem ser necessários códigos diferentes
para serem embarcados em DSPs distintos, dependendo dos parâmetros de cada microcontrolador.
Portanto, se um código utilizado em um DSP for portado para outro de modelo ou fabricante
diferente, o processo de teste e validação deste código deverá ser repetido para garantir que a
adequação do código foi feita de forma correta.
10
Capítulo 3
Variador de tensão observável
Neste capítulo será apresentada a primeira das três etapas experimentais deste trabalho. Sua
finalidade é estabelecer uma comunicação serial entre o DSP da Motorola (MC56F8323) e o
computador ao qual ele está conectado, utilizando o programa PSCAD/EMTDC.
Proposta do equipamento
Comunicação serial
DSP
Figura 4: Comunicação serial entre o computador e o DSP.
O objetivo é possibilitar uma comunicação bidirecional entre o usuário e o DSP no momento
que este estiver atuando em um sistema ao qual está conectado, possibilitando ao usuário, por
exemplo, alterar valores de variáveis declaradas no código fonte (comunicação “usuário para DSP”) e
visualizar em tempo real valores de variáveis através de gráficos ou numericamente (comunicação
“DSP para usuário”).
Para realizar este trabalho, será necessário adicionar ao DSP os componentes do circuito de
comunicação serial, além de utilizar um cabo que conecte o DSP na porta serial do computador.
Deverá ser utilizado no computador um programa que possibilite receber e enviar dados ao DSP de
forma correta, através de um método de sincronização que determine os instantes de envio e
recebimento de informação de ambas as partes.
11
Sendo assim, deseja-se ao final do capítulo embarcar um código no microcontrolador que
interaja com o programa utilizado no computador, de forma a possibilitar a visualização e alteração
das variáveis declaradas no código. Para tal será montado o circuito da Figura 5.
Comunicação serial
DSP
Vc
PWM
R
C
Figura 5: Circuito do variador de tensão observável
A comunicação “usuário para DSP” será feita pela alteração da referência do PWM (dutycicle)
no PSCAD/EMTDC. Conseqüentemente, a tensão do filtro no ponto conectado ao pino Vc (pino do
conversor A/D) será afetada. Por fim, a comunicação “DSP para usuário” será feita pela visualização
desta tensão no PSCAD/EMTDC. Com isso está estabelecida a comunicação bidirecional citada
anteriormente.
Execução
O DSP MC56F8323 foi utilizado em todas as etapas deste projeto. Este possui o IDE
Metrowerks Code Warrior, que também foi utilizado para programar o DSP em todo o projeto. Sendo
assim, qualquer explicação sobre configurações de DSP daqui por diante será referido a este
hardware e software.
A programação de um determinado periférico do DSP pode ser feita de duas formas; pela
configuração direta dos registradores ligados ao periférico ou pela utilização do Processor Expert, que
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é uma ferramenta que realiza a configuração automática dos registradores de acordo com os
parâmetros exigidos pelo usuário.
Neste capítulo, os periféricos utilizados serão:
•
Comunicação Serial;
•
PWM;
•
Conversor A/D.
A fim de explicar de forma breve a programação de um periférico através do Processor
Expert, forma escolhida para a programação dos periféricos, será descrita a seguir, como exemplo, a
configuração da comunicação serial para atender aos requisitos desta etapa.
Figura 6: Bean da Comunicação Serial.
A configuração feita neste auxiliar utiliza os chamados beans de periféricos, ou apenas beans.
A configuração do bean da Comunicação Serial é feita conforme a Figura 6. Note que a interrupção
foi permitida. Assim sendo, o corpo do programa principal pode ficar dentro da função de
interrupção de recebimento da porta serial.
Para que o PSCAD/EMTDC utilize a porta serial do computador é necessário que haja um
programa que, por conveniência, foi escrito em linguagem C (arquivo duda1.C ilustrado na Figura 7).
Este programa habilita a porta serial de acordo com a função API do Windows. Sendo assim,
utilizando (Messias, 1999-2006), foi possível criar o bloco (RS232_1) que recebe do sistema simulado
no PSCAD/EMTDC um valor inteiro em Tx1, exportando para porta serial, e envia para o mesmo
sistema um sinal Rx1 vindo desta porta, conforme a Figura 7. Devido ao RS232_1 enviar os dados
pela porta serial, o programa principal do DSP precisa ser escrito na interrupção de recebimento da
serial, para poder receber e processar os dados vindos do PSCAD/EMTDC a cada recebimento. Esta é
a razão pela qual a configuração do bean da comunicação serial foi feita de forma a permitir a
interrupção de recebimento da porta serial.
Figura 7: Sistema simulado no PSCAD/EMTDC.
Note que na entrada Tx1 foi posto um conector ligado a um Slider (cursor para variação de
valores), onde este é capaz de excursionar de 0 até 70. Este valor é enviado para a porta serial e
representa o tempo em microssegundos que o PWM estará em nível alto. O limite máximo foi posto
em 70, pois acima deste valor a tensão na entrada A/D pode estar acima do valor de operação
máximo permitido.
Resultados
Executando simultaneamente a simulação do PSCAD/EMTDC e o programa embarcado no
DSP observou-se que, ao alterar o valor no Slider do PSCAD/EMTDC alterava proporcionalmente o
valor da tensão no capacitor, mostrado através do gráfico de Rx1. Com o intuito de obter uma escala
em Rx1 proporcional à escala real de tensão, foi ajustado no PSCAD/EMTDC o ganho de Rx1 de
acordo com o sinal de tensão do pino Vc aferido em um osciloscópio. Sendo assim, foi possível obter
uma relação onde 10 kV no gráfico de Rx1 é equivalente a 1 V aferido no osciloscópio.
Como ilustração, variou-se o valor do Slider e observou-se o gráfico de Rx1 na Figura 8.
Figura 8: Resultado.
Conclusão
A partir dos resultados obtidos é possível concluir que a comunicação entre o programa
PSCAD/EMTDC e o DSP se deu de forma satisfatória. Com isso é possível utilizar esta comunicação
criada como ferramenta em simulações de sistemas que possuem microprocessadores com
programa embarcado. É possível ainda utilizá-lo como comunicação em tempo real do usuário com o
microprocessador, mesmo se esse estiver atuando em um sistema, podendo modificar assim suas
variáveis internas. Porém esta comunicação pode apresentar um atraso devido ao tempo de
processamento e da comunicação serial, conforme verificado durante a execução. Tratando-se do
tempo da comunicação, este poderia ser diminuído se a taxa de transferência de dados fosse
aumentada (nesta etapa foi usada a taxa de 9600 bps).
Quanto à monitoração de variáveis dinâmicas recebidas pelo DSP, é difícil afirmar se seria
possível uma monitoração em tempo real de um sinal de alta freqüência, pois observou-se que havia
certa lentidão na constituição da imagem no gráfico de Rx1, se comparado o dinamismo da imagem
do osciloscópio. Isto se deve ao intervalo de amostragem do A/D do DSP (tempo necessário para a
atualização da variável dinâmica monitorada), ao tempo de processamento da simulação do
PSCAD/EMTDC e principalmente à velocidade da comunicação serial (estes últimos já citados
anteriormente). Assim, para estudar tal possibilidade seria necessário um programa de monitoração
específico, onde o arquivo de simulação do PSCAD/EMTDC fosse o mais simples possível (poucos
comandos a serem executados), a velocidade de comunicação fosse a maior possível e o intervalo de
amostragem do A/D do DSP fosse o menor possível, para que o sistema tenha um dinamismo
adequado. Feito isso, deveria ser variada a freqüência da forma de onda monitorada para saber qual
é a máxima freqüência observável possível, sem que haja a deformação desta forma de onda
causada pela aquisição de um número insuficiente de pontos. Outra alternativa é a de armazenar em
vetores no DSP o sinal que se deseja analisar, em um período de tempo determinado. Assim, após o
período de aquisição dos dados, esses seriam enviados em pacotes para o PSCAD/EMTDC. Nesse
caso, a precisão do sinal observado é limitada pelo tempo da iteração do DSP e o a forma de onda
apresentada no PSCAD/EMTDC é a que foi aquisitada em instantes anteriores (instantes do
armazenamento das variáveis no vetor).
16
Capítulo 4
Simulação HIL para controle de um
Buck-Boost.
Com a comunicação serial entre DSP e PSCAD/EMTDC estabelecida é possível realizar uma
simulação HIL para testar códigos que fazem o controle de equipamentos conectados a sistemas de
potência. Como primeira tentativa será realizada a simulação de um conversor de corrente contínua
abaixador-elevador (Buck-Boost). Note que foi escolhido este conversor pela simplicidade do
algoritmo de controle e pelo reduzido número de variáveis utilizadas na comunicação.
Neste capítulo será apresentada com detalhes a lógica do protocolo de comunicação
presente no PSCAD/EMTDC, a partir de um diagrama de blocos. Ainda descreve a criação de um
bloco de apoio ao HIL, chamado de bloco de condicionamento de sinais, além dos demais blocos
utilizados para controle e disparo do GTO (atuador).
Proposta do equipamento
De acordo com o circuito do conversor Buck-Boost apresentado na Figura 9, pretende-se
inicialmente realizar o controle da tensão de saída (Ea) com a malha de controle simulada no
PSCAD/EMTDC. Esta malha consiste de um controlador proporcional-integral (controlador PI) que
deverá seguir a referência de tensão desejada. Perceba que o valor da capacitância é elevado para
garantir baixo valor de ripple e apenas será utilizado para fins teóricos experimentais, ou seja, o valor
do capacitor não condiz com valores reais utilizados neste tipo de equipamento.
Após realizar o controle no PSCAD/EMTDC, o mesmo deve ser implementado através de um
código embarcado no DSP, fazendo com que ambos os controladores recebam as variáveis de
entrada do equipamento (tensão Ea e referência do controlador PI). Posteriormente, as saídas das
duas malhas devem ser comparadas. Se elas forem iguais, significa que os controles são similares, e
então o código embarcado no DSP é capaz de controlar o Buck-Boost simulado no PSCAD/EMTDC.
Sendo assim, a saída do controlador embarcado no DSP deve ser conectada no atuador do sistema
17
(chave controlada simulada no PSCAD/EMTDC), observando o mesmo comportamento de Ea que foi
obtido com o controlador simulado no PSCAD/EMTDC.
Vd
Ia
1.0 [ohm]
1000000.0 [uF]
5.0e-005 [H]
R=0
g 2
Ea
Figura 9: Circuito Buck-Boost.
Para concretizar esta tarefa será necessário adicionar ao bloco RS232_1 mais um canal de
transmissão de dados (Tx), pois agora serão enviados ao DSP os valores da tensão controlada e da
referência. Como o sinal de saída continua singular, devido à utilização de apenas uma chave, não
será necessário adicionar canais de recebimento.
A freqüência de chaveamento, assim como a freqüência de cálculo do programa principal,
será de 10 kHz. Desta forma, para incluir na simulação os efeitos causados pelo atraso de resposta do
controlador, o PSCAD/EMTDC deve simular este tempo necessário para a atualização dos resultados
do cálculo, utilizando um bloco que armazena a última informação recebida e a atualiza na
freqüência de amostrgem (sampler).
Introdução teórica
Conforme (Mohan, Undeland, & Robbins, 2003), o conversor Buck-Boost é uma combinação
do conversor abaixador (Buck) com o elevador (Boost) e difere destes na disposição do atuador
(chave), do indutor e do diodo. De acordo com as tensões indicadas na Figura 9, o Buck-Boost
operando em regime permanente contínuo tem a seguinte relação:
1 Onde D é a razão entre o tempo que a chave permanece fechada (ton) e o período de
chaveamento (Ts):
Sendo assim, para 0 0,5 o módulo da tensão de saída do conversor é igual a
0 e para 0,5 1 o módulo da tensão de saída fica igual a ∞. Para
operar com segurança, o conversor Buck-Boost deve ter um limite para o valor máximo de D, com o
intuito de não obter valores elevados do módulo da tensão de saída Ea.
Execução
As configurações dos beans do DSP, assim como o programa em código C que permite a
comunicação serial do computador com o DSP, continuam as mesmas do variador de tensão
observável. Apenas será acrescida ao protocolo de comunicação do PSCAD/EMTDC uma variável de
transmissão de dados. Para melhor compreensão deste protocolo de comunicação foi montado um
diagrama de blocos, mostrado na Figura 10.
Quando H é verdadeiro significa que o DSP tem que processar o algoritmo de controle, sendo
assim, H será verdadeiro na freqüência de cálculo desejada. Portanto, a abertura da porta serial e o
tratamento das variáveis enviadas e recebidas só serão executados quando necessário, reduzindo o
tempo de simulação. A escolha da freqüência de cálculo é feita a partir de um gerador de impulsos
conectado ao bloco RS232_1. Esse bloco teve que ser ampliado para esta funcionalidade e para
receber mais um sinal (Tx2). O gerador de impulsos irá disparar os impulsos na freqüência de cálculo,
permitindo a habilitação de H, conforme a Figura 11.
A adequação das variáveis Tx e Rx é necessária para normalizá-las de acordo com o padrão
utilizado em comunicação serial (palavras de 8 bits). Assim é preciso fazer um desmembramento das
variáveis TX, para enviá-las em pacotes de 8 bits, e uma recombinação das variáveis Rx para
utilização no PSCAD/EMTDC.
19
Figura 10:: Fluxograma do protocolo de comunicação do PSCAD/EMTDC.
Figura 11: Bloco RS232_1.
Outro comentário importante é sobre o envio e recebimento de confirmações de
recebimento. Este procedimento foi criado para aumentar a confiabilidade do protocolo de
comunicação. Sendo assim, o PSCAD/EMTDC só prossegue com a simulação se e somente se o DSP
recebeu a variável corretamente e vice versa. Em contrapartida, as confirmações de recebimento
aumentam o tempo de processamento do protocolo. Portanto, é recomendado que posteriormente
estas confirmações sejam eliminadas de tal forma que se mantenha a confiabilidade do protocolo e
se reduza o tempo de simulação.
Com o intuito de simplificar a adequação das variáveis Tx e Rx foi criado um bloco de
condicionamento de sinais. Esse bloco, apresentado na Figura 12, recebe sinais do sistema simulado
nas entradas In1 e In2 e também envia sinais para o mesmo pela variável Out3. A conexão das saídas
Out1 e Out 2 e da entrada In3 é feita com o bloco RS232_1 e são as conexões Tx e a conexão Rx,
respectivamente.
O bloco de condicionamento difere os sinais alternados e contínuos, acrescentando um nível
cc aos sinais alternados para que sejam transmitidos, já que os sinais transmitidos na comunicação
serial são todos positivos (unsigned). Ele também possui um fundo de escala que determina a
máxima amplitude admissível dos sinais e consegue, com isso, manter a precisão destes sinais para
diferentes amplitudes, ou seja, se dois sinais com ordens de grandeza distintas serão enviados, cada
um deve ser conectado em um bloco de condicionamento com seu respectivo fundo de escala.
Figura 12: Bloco de condicionamento de sinais.
Em suma, o bloco de condicionamento de sinais executa um algoritmo utilizando a variável
recebida. Por exemplo, esse algoritmo para a variável In1 tem como saída Out1 e está apresentado
na equação a seguir:
Onde In1 e Out1 são a entrada e a saída do bloco, respectivamente, FE é o fundo de escala e
ACDC é a variável responsável pelo nível cc do sinal, caso seja alternado.
A partir da equação acima fica clara a normalização de qualquer variável em um sinal positivo
de amplitude máxima igual a 3000 pu. Essa amplitude foi escolhida pela semelhança com a faixa de
tensão do A/D do DSP (de 0 a 3,3V) e é utilizada no tratamento das variáveis já explicitadas no
fluxograma do protocolo de comunicação. Assim, na adequação das variáveis Tx, será necessária
apenas uma conversão, que é padronizada, para que um valor de amplitude 3000 seja convertido em
um valor de 256 (estrutura 8 bits). Vale lembrar que sinais com amplitude maior que 3000 pu serão
perdidos, pois na adequação das variáveis ocorrerá o estouro da palavra de 8 bits a ser enviada.
Conforme desejado na proposta do capítulo, primeiramente o Buck-Boost foi controlado pelo
PSCAD/EMTDC. Este controle é composto de um PI com uma referência igual a 15 volts, conforme a
Figura 13.
Figura 13: Controlador PI.
Para disparar o GTO foi utilizada uma ferramenta de disparo disponível pelo PSCAD/EMTDC,
mostrada na Figura 14,, onde é comparada uma referência (saída do controlador PI após passar por
um Sampler)) com uma triangular de freqüência
f
10 kHz e amplitude 1 V.
Figura 14: Bloco de disparo do GTO.
O primeiro passo foi simular o sistema apenas com o uso do PI do PSCAD/EMTDC,
PSCAD/EMTDC para
encontrar os valores dos ganhos proporcional (Kp) e integral (Ki) adequados ao controle da tensão Ea,
ou seja, valores que proporcionem um tempo de acomodação e um máximo sobre-sinal
sobre
adequados.
Após o ajuste destes valores (Kp = 5, Ki = 560), foram obtidos os sinais de Ea, Ia e Ref mostrados nas
figuras seguintes.
Figura 15: Tensão Ea.
Figura 16: Corrente Ia.
Figura 17: Referência para o disparo do GTO.
Com a implementação do controle PI através do código embarcado no DSP, espera
espera-se que as
respostas destes parâmetros (Ea, Ia e Ref ) sejam iguais às apresentadas acima,, que servirão como o
caso base.
Após definido o caso base, agora é necessário incluir os blocoss de condicionamento e da
comunicação serial já descritos anteriormente,
anteriormente, estabelecendo a comunicação entre o DSP e o
PSCAD/EMTDC.. Deste modo é possível comparar o sinal de referência gerado pelos dois
controladores. A Figura 18 mostra esta comparação.
comparação Neste caso, apesar de ser obtido o sinal Rx1
vindo do DSP, o Buck-Boost continua sendo controlado pelo PI do PSCAD/EMTDC.
Figura 18:: Comparação entre as referências geradas pelo PSCAD/EMTDC e pelo DSP
SP.
Para fins ilustrativos, foram alterados os valores da referência (igual a 35 V), do capacitor
(igual a 100 µF) e da resistência (igual a 50 Ω). Agora o controle do Buck-Boost será feito pelo DSP.
Para tal, basta alterar o sinal que vai para o bloco de disparo do GTO,
GTO ou seja, substituir
substitui o Ref pelo
Rx1, conforme a Figura 19. Nas figuras que seguem são mostrados os resultados
resultados pertencentes a esta
simulação.
Figura 19:: Bloco de disparo do GTO com referência igual a Rx1 (DSP).
Figura 20: Tensão Ea para os novos parâmetros.
Figura 21: Corrente Ia para os novos valores.
Figura 22: Comparação entre as referências geradas pelo PSCAD/EMTDC e pelo DSP para os novos valores.
valores
Resultados
A Figura 15 mostra que a tensão Ea rastreou a o valor desejado, que era de 15 volts, com um
máximo sobre-sinal de 8,3% e com um tempo de acomodação de aproximadamente 0,27 segundos.
Os sinais de Ia e Ref apresentados nas figuras subseqüentes obtiveram o mesmo comportamento
devido à carga resistiva ligada ao conversor.
Na Figura 18, os sinais de referência do PSCAD/EMTDC (Ref) e do DSP (Rx1) estão
sobrepostos. Uma análise detalhada destes sinais mostra uma pequena diferença entre eles, devido
à precisão inferior do sinal Rx1 (32 bits), mas macroscopicamente eles podem ser considerados
equivalentes.
Com a alteração do capacitor, do resistor e da referência o sistema continuou controlado,
pois a tensão de saída continuou sendo igual à desejada (Figura 20). O resultado pode ser
considerado ainda melhor, pois não há sobre-sinal e o tempo de acomodação caiu para
aproximadamente 0,1 segundos.
Neste trabalho não foi realizado nenhum estudo de perturbações ou alterações elaboradas
nos sistemas estudados. Isto se deve ao fato do foco do trabalho ser o desenvolvimento da
ferramenta Hardware-in-the-loop e não dos controles aqui aplicados. Estes servem apenas para
validar a correspondência entre o código embarcado no DSP e os blocos de controle utilizados no
PSCAD/EMTDC, através das formas de onda das referências geradas pelos dois controladores.
Conclusão
Observando os gráficos do conversor Buck-Boost verifica-se que o controle da tensão de
saída se deu de forma satisfatória. Além disso, fica claro que os valores dos ganhos proporcional e
integral estão satisfatórios para cargas e níveis de tensão da mesma ordem de grandeza que os
simulados.
Porém, o resultado mais importante para esse estudo é observado na Figura 18, onde
percebe-se que é possível realizar o controle de simulações de sistemas elétricos com componentes
27
ativos através de um programa embarcado em um DSP, utilizando a comunicação serial. Em outras
palavras, o controlador PI programado no DSP está correto e pronto para ser utilizado em um
conversor real, desde que este tenha as mesmas características do simulado.
A precisão das palavras enviadas e recebidas na comunicação serial é um fator determinante
para a correta utilização do HIL. Esta será responsável pela diferença entre os sinais de referência do
DSP e do PSCAD/EMTDC. A comunicação serial é feita com palavras de 8 bits, e assim, no processo de
adequação das variáveis Tx e Rx (apresentadas no fluxograma do protocolo de comunicação - Figura
10) é necessário o desmembramento e recombinação da palavra tratada, respectivamente, para que
se possa trabalhar com palavras de maior precisão, conforme a necessidade do nível de precisão a
ser utilizado.
Durante os testes foi constatado que quando os valores das variáveis conectadas em In1 e
In2 (entrada do bloco de condicionamento) ultrapassavam o valor do fundo de escala (variável
conectada em FE do mesmo bloco), o controlador do DSP não atuava corretamente. Isso acontece,
pois estas variáveis ultrapassavam o valor máximo permitido pelo registrador do DSP, ocorrendo um
estouro (overflow) da variável e decorrente perda do controle. Fica aqui então salientada a
necessidade de conhecer os limites das variáveis utilizadas no HIL, para determinar corretamente o
fundo de escala do condicionamento do sinal enviado ou recebido. Se utilizado um valor insuficiente
em FE, pode-se imaginar que há um erro no código embarcado no DSP, quando na verdade isso pode
não ocorrer, apenas existindo valores incorretos chegando ao controlador. Da mesma forma, se
utilizados valores demasiadamente elevados em FE, os sinais que chegam ao controlador embarcado
no DSP podem ter precisão insuficiente para serem processados adequadamente, prejudicando o
desempenho do controlador.
Com o último exemplo, onde se utilizou a variável Rx no bloco de disparo do GTO, ficou
comprovado que este bloco consegue trabalhar com Rx da mesma forma que trabalhava com Ref.
Assim não é necessária nenhuma adaptação para disparo de chaves controladas por variáveis
recebidas do DSP através da comunicação serial.
Para validar completamente esta ferramenta de auxílio no processo de criação do código
fonte do DSP, resta executar o último processo da etapa II apresentado na Figura 1, ou seja, resta
obter sucesso nos ensaios dos protótipos que tenham utilizado o Hardware-in-the-loop. O próximo
capítulo tratará deste ponto.
28
Capítulo 5
D-STATCOM controlado por correntes
de referência
Para concluir a criação da ferramenta HIL, resta ampliá-la para utilização em equipamentos
que necessitem controlar não apenas uma chave, mas um conjunto dessas, como por exemplo, o
controle de uma ponte trifásica de IGBTs. Também seria útil a ampliação do RS232_1 para comportar
um DSP com periféricos, testando assim a programação dos mesmos.
Este capítulo expande o bloco RS232_1, para que seja possível o HIL de equipamentos que
utilizam conversores trifásicos em ponte completa e possuam interface IO. Faz ainda uma
comparação entre os resultados obtidos na simulação e no ensaio do mesmo em uma bancada,
como forma de validação da ferramenta em estudo
Por fim, faz uma avaliação de todo o processo, ressaltando os principais pontos da execução
deste trabalho e descrevendo as peculiaridades do HIL utilizando o PSCAD/EMTDC.
Proposta do equipamento
O D-STATCOM deve regular a tensão na barra, ou ponto elétrico ao qual está conectado, ou
então deve corrigir o fator de potência de uma determinada carga. Para isso, deverá ser simulado um
sistema de acordo com o diagrama visualizado na Figura 23, onde se considera a fonte como uma
barra infinita, ou seja, com tensão invariante em módulo e fase. O indutor de afundamento será
utilizado para causar um afundamento de tensão no ponto de conexão do D-STATCOM e a carga terá
configurações indutivas e capacitivas para testar a correção do fator de potência.
Basicamente o D-STATCOM é composto de um conversor trifásico em ponte completa a
IGBT, de um capacitor ou banco de capacitores (capacitores do elo cc do conversor), de um indutor
de comutação e de um filtro, além de um sistema de medição dos parâmetros elétricos e do
controlador das chaves. Na Figura 23 o filtro é composto apenas de capacitores conectados em
estrela, porém outras configurações podem ser usadas dependendo da aplicação.
29
A escolha do controle de tensão ou fator de potência deve ser feito por uma chave seletora
sinalizada por um dispositivo visual. Além desta sinalização ainda podem ser instaladas lâmpadas de
emergência e erro.
Figura 23: Diagrama trifilar do D-STATCOM.
Esta proposta força a ampliação do RS232_1 para que transmita e receba do DSP os sinais
descritos na tabela a seguir:
Sentido
Sinais
IO
Vab
Chave do controle de tensão
Vbc
Chave do controle de fator de potência
Ia
Botão de emergência
Ib
Botão de habilitação do PWM
Vcc
Botão de Stand by
Tensão da carga
PSCAD/EMTDC → DSP
Corrente da carga
Tensão do elo CC
Sinalização do contorle de tensão
Rx1
Sinalização do contorle de fator de potência
Sinalização de emergência
PSCAD/EMTDC ← DSP
Referência do PWM
Rx2
Sinalização PWM
Sinalização Stand by
Rx3
Sinalização do controle do elo cc
Tabela 1: Entradas e saídas do RS232_1.
Desta vez, as variáveis recebidas no DSP devem ser recombinadas de tal forma que seus
formatos fiquem semelhantes aos sinais reais que serão tratados em um protótipo. Significa dizer
que as variáveis de tensão e corrente recebidas devem ficar formatadas como se fossem sinais
recebidos pelo conversor A/D e as variáveis da IO devem ser formatadas igualmente à configuração
da IO do DSP.
Quanto ao bloco de condicionamento de sinais, note que serão necessários três blocos para
comportar os sinais descritos acima, pois os mesmos são de ordem de grandeza distintas.
Sendo assim, espera-se que, ao final da execução, o D-STATCOM tenha controlado a tensão
da barra à qual está conectado e fator de potência da carga, com valores de tensão próximos de 127
volts (tensão fase-neutro) e fator de potência próximo à unidade, utilizando para isso o HIL. Por
conseguinte, é preciso comparar a simulação HIL com um protótipo de bancada com características
semelhantes e mesmo código embarcado.
Introdução teórica
O D-STATCOM é um compensador estático de distribuição. Para entender seu princípio de
funcionamento, de acordo com (Cavaliere, 2001), observe a Figura 24, onde se encontra um modelo
simplificado do D-STATCOM conectado a uma fonte. Essa simplificação pode ser feita partindo do
equivalente Thévenin da fonte, constituído de uma fonte ideal em série com indutor, e do
equivalente Thévenin do equipamento, também constituído de uma fonte de tensão em série com
um indutor. Então forma-se uma fonte de tensão ideal em série com um indutor equivalente conectado à fonte de tensão ideal de saída do compensador .
Para evitar confusões no entendimento deste princípio de funcionamento atente à
convenção adotada para o sentido positivo das tensões e corrente descritas na Figura 24. Esses
sentidos irão se manter, independente do sentido real das variáveis, e os fasores relativos às
variáveis também terão os mesmos sentidos convencionados.
31
Figura 24:: Modelo ideal do D-STATCOM
D
conectado ao sistema elétrico.
As relações das potências ativa e reativa entre as duas fontes de tensão podem ser descritas
conforme as equações que seguem,
seguem, onde mostram ser dependentes das amplitudes das tensões, do
ângulo de defasagem entre elas e do valor da reatância equivalente.
;
;
;
As equações acima permitem verificar qualitativamente que é possível controlar as potências
.
.
entre as fontes com a variação dos módulos e ângulos
ângulo das tensões VS e VC . Fixando o ângulo entre
as tensões ( θ = 0° ),, a potência reativa é controlada apenas com a variação da amplitude da tensão
VC e pode ser indutiva ou capacitiva, apenas fazendo com que seja menor ou maior que VS . Esse
controle é ilustrado na Figura 25.
25
Figura 25: Controle da potência reativa.
Para uma tensão do conversor menor que a tensão da fonte, a tensão é positiva
(lembrando da convenção da Figura 24) e a corrente está atrasada de 90° em relação a essa tensão.
Sendo assim, o resultado é que para a fonte do sistema existe uma corrente indutiva sendo drenada
pelo equipamento (D-STATCOM no modo indutivo). A amplitude desta corrente depende do módulo
de , que depende de , ou seja, a amplitude da corrente depende do quanto é menor que .
Da mesma forma, quando é feito ser maior que , a tensão fica negativa, mas a
corrente continua sendo atrasada de 90° em relação a essa tensão, por se tratar de uma corrente no
indutor em relação à tensão deste mesmo indutor. Por isso, para a fonte do sistema existe agora
uma corrente capacitiva sendo drenada pelo equipamento (D-STATCOM no modo capacitivo).
Novamente a amplitude desta corrente depende da diferença entre e .
Fazendo o D-STATCOM comportar-se como um indutor é possível corrigir o fator de potência
capacitivo ou reduzir a tensão da barra, dependendo de qual dos dois parâmetros deseja-se
controlar. Já com o D-STATCOM comportando-se como um capacitor é possível corrigir o fator de
potência indutivo ou elevar a tensão na barra, dependendo também do parâmetro a ser controlado.
Existem duas formas distintas de controlar este equipamento, fazendo o controle direto da
corrente drenada ou controlando a tensão na saída do conversor. O controle da corrente drenada é
menos oscilante, porém utilizando o controle de tensão é possível adicionar às funcionalidades do
equipamento a compensação de harmônicos
Os parâmetros utilizados no controle de corrente são baseados na teoria de potências ativa e
reativa instantânea (Teoria p-q). Neste caso, a potência média ativa é responsável pelo controle da
tensão do elo cc e pelo suprimento das perdas, enquanto a parcela média da potência imaginária
será responsável pela compensação da tensão ou do fator de potência, dependendo do controle
escolhido. De posse dessas potências é possível obter matematicamente as correntes de
compensação a serem drenadas pelo D-STATCOM. Após obtidas as correntes de referências resta
utilizar uma estratégia de chaveamento conveniente, como por exemplo, o controle por banda de
histerese.
Já no controle de tensão, os parâmetros utilizados são a defasagem angular das tensões,
responsável pelo controle do elo cc, e a amplitude da tensão fundamental de , responsável pela
regulação da tensão e correção do fator de potência. Para tal, também é utilizado a Teoria p-q. A
partir desses parâmetros é gerada a tensão de referência que será utilizada como comparação com
uma portadora triangular, realizando o chaveamento através da técnica PWM.
33
Como o controle de corrente força a corrente drenada pelo equipamento a ser igual à
corrente de compensação, é fácil perceber que para a barra de conexão o D-STATCOM comporta-se
como uma fonte de corrente. Assim, as correntes harmônicas encontrarão através da fonte do
sistema elétrico o caminho de menor impedância e o D-STATCOM será um caminho de alta
impedância. O contrário acontece no controle de tensão, pois o parâmetro imposto agora é a tensão
. Assim, para a barra de conexão, o D-STATCOM comporta-se como uma fonte de tensão
conectada a ela. Como na maior parte dos casos a impedância de comutação é menor que a
impedância da fonte, o caminho preferencial para as correntes harmônicas será o D-STATCOM,
funcionando este então como um filtro que reduz o fluxo de correntes harmônicas para a fonte do
sistema elétrico.
Execução
A Figura 26 mostra a ampliação feita no RS232_1 para comportar as variáveis requisitadas
pelo D-STATCOM. Veja que do lado esquerdo do bloco continuam as variáveis que são transmitidas
pelo PSCAD/EMTDC e do lado direito estão as que são recebidas. A novidade está na ampliação do
número de Tx e Rx e a criação das entradas e saídas da IO.
A adequação dos dados Tx será feita de acordo com padrão do registrador destinado ao A/D
do DSP MC56F8323. Este padrão é mostrado na Figura 27. Portanto, no programa principal
embarcado no DSP, será necessária a adequação das variáveis recebidas pelo PSCAD/EMTDC
relativas aos sinais Tx. Note que agora a transmissão desses dados pode ser feita com uma precisão
de 16 bits, ainda superior aos 12 bits usados no A/D.
Da mesma forma que existe um protocolo de comunicação no PSCAD/EMTDC, deve existir
um protocolo de comunicação no DSP, onde esses dois devem ser compatíveis. O fluxograma do
protocolo de comunicação do DSP está ilustrado na Figura 28. Esse protocolo deve especificar as
áreas onde se encontram os comandos pertencentes ao HIL e as áreas onde se encontram os
comandos pertencentes ao controle principal (controle em teste). A definição dessas áreas é
importante, pois depois de constatado o correto funcionamento do controle principal, os comandos
pertencentes a este devem ser usados para construir o programa que será utilizado na bancada,
onde será acrescida a configuração dos periféricos usados.
34
Figura 26: RS232_1 para utilização no D-STATCOM.
Figura 27:: Configuração do registrador do AD para o DSP MC56F8323.
Figura 28:
28 Fluxograma do protocolo de comunicação do DSP.
A interface IO utiliza a álgebra booleana e, portanto, para cada canal é necessário apenas um
bit. Com isso é possível agregar até oito canais em apenas uma palavra, onde cada bit desta palavra
contém a informação de um canal da IO. Como os sinais das chaves (sinais da interface IO enviados
ao DSP) e os sinais de sinalização (sinais da interface IO recebidos do DSP) não totalizam os oito bits
cada, será necessária apenas uma palavra para as chaves e outra para a sinalização. No DSP, a
identificação dos canais é feita na parte da adequação dos sinais recebidos pelo PSCAD/EMTDC (Tx).
Já no PSCAD/EMTDC, a identificação dos canais é feita na adequação dos sinais recebidos pelo DSP
(Rx).
Os sinais da IO destinados à sinalização precisam ser conectados a um sinalizador do
PSCAD/EMTDC. A lógica destes sinais é inversa, ou seja, quando há sinal zero significa que a lâmpada
deve acender. O dual acontece para o sinal com nível lógico um, que indica que a lâmpada deve estar
apagada. Os sinalizadores com os sinais mencionados estão mostrados na Figura 29.
Figura 29: Sinalizador da interface IO.
Com estas configurações resta agora montar o sistema para simulação no PSCAD/EMTDC. O
sistema de potência montado é observado na Figura 30, sendo análogo ao sistema apresentado na
Figura 23. O bloco Disparo é constituído basicamente de blocos análogos ao da Figura 14. Ele recebe
os sinais Out3, Out6 e Out9, vindos do DSP, e envia para o bloco STATCOM os sinais de disparo dos
IGBTs. O bloco STATCOM contém os IGBTs e os capacitores do elo cc, como pode ser visto na Figura
31.
BRK_i
BRK_afund
A
0.00001 [ohm]
B
5E-3 [H]
C
Vab
B
Vbc
12 [ohm]
12e-3 [H]
6 [ohm]
580 [uF]
I_carga
P = 0,3483
Q = 0,001053
V = 0,1267
BRK_c
A
V
C
Ea
E1
Filtro
I_conv
I_conv
E2
Linha
G1
G1
G2
G2
G3
G3
Dis paro
V_compA
STATCOM
V_compB
G4
G4
V_compC
V_dc
G5
G5
G6
G6
tri
Figura 30: Sistema de potência simulado.
1
3
5
G5
2
G3
2
G1
2
4500 [uF]
4500 [uF]
A
B
Linha
V_dc
6
2
2
2
G6
2
Figura 31: Bloco STATCOM.
G2
4
G4
4500 [uF]
C
out3
out6
out9
liga
tri
V_dc
4500 [uF]
2.5e-3 [H]
A
liga
O código do controle a ser embarcado no D-STATCOM é o de correntes de referência. A
escolha deste controle foi devido à existência de um protótipo já testado com sucesso em
(ENCARNAÇÃO, MONTEIRO, FILHO, & AREDES, 2006) com este controle. Portanto, basta utilizar o
mesmo controle no HIL e comparar os resultados da simulação com os resultados da bancada. Uma
vez que os mesmos são semelhantes, pode-se afirmar que o HIL é capaz de validar um código de
controle embarcado no DSP.
Resultados
A seguir serão apresentadas as formas de onda encontradas na simulação HIL. Para
posteriormente poder ser feita uma comparação dos resultados obtidos com esta simulação e os
resultados obtidos em bancada, serão apresentados os gráficos pertencentes ao HIL e logo a seguir
os gráficos equivalentes obtidos pela operação do D-STATCOM de bancada.
Primeiramente são observadas as Figura 32 e a Figura 33, que apresentam a tensão na barra
de conexão do D-STATCOM, com este inoperante e sem carga. Essa situação será vista como o caso
base para futuras comparações. Suas características principais são: tensão com 220 V RMS,
freqüência igual a 60 hertz e onda senoidal. Para operar desta forma é preciso que o controle não aja
sobre o D-STATCOM, que as chaves que ligam as cargas ao sistema fiquem abertas e que a chave
responsável pelo curto-circuito da indutância de afundamento fique fechada, garantindo corrente e
tensão nulas nessa indutância.
39
Figura 32: Tensão Vab sem D-STATCOM
D
e sem carga (220 Vrms) - HIL.
Figura 33: Tensão Vab sem D-STATCOM e sem carga (220 Vrms) - Bancada.
A Figura 34 e a Figura 35 mostram a mesma tensão na barra de aplicação do D
D-STATCOM,
agora com este atuando na regulação da tensão da barra. Os estados das chaves de carga e
afundamento permanecem os mesmos do caso base.
Figura 34:: Tensão Vab com D-STATCOM regulando tensão e sem carga – HIL.
Figura 35: Tensão Vab com D-STATCOM
D
regulando tensão e sem carga – Bancada
Bancada.
Deseja-se
se agora mostrar a mesma tensão na barra com a queda de tensão proveniente da
conexão de uma carga que drena uma corrente de 10 A indutiva. O D-STATCOM
STATCOM não deve agir no
sistema para este caso. Assim, são mostradas a Figura 36 e a Figura 37, onde se notam as tensões na
ordem de 209 V RMS.
Figura 36:: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e sem D-STATCOM (209 Vrms) – HIL
Figura 37: Tensão Vab com carga (10 A indutiva) e sem D-STATCOM
D
(209 Vrms) - HIL.
Para esta queda de tensão,
tensão o controle do D-STATCOM
STATCOM deve ser selecionado para regular a
tensão na barra. Isto feito, a Figura 38 e a Figura 39 retratam a tensão na barra, que alcança um valor
de 221 V RMS.
Figura 38: Tensão
ão Vab com carga (10 A indutiva)
indutiva e com D-STATCOM
STATCOM regulando tensão (221 Vrms) - HIL.
Figura 39: Tensão
ão Vab com carga (10 A indutiva)
indutiva e com D-STATCOM regulando
egulando tensão (221 Vrms) - Bancada.
A partir do caso base, as tensões mostradas até agora permitem uma análise dos resultados
para o controle da regulação de tensão
tens na barra de conexão do D-STATCOM.
STATCOM. Para possuir o mesmo
material na análise do controle de correção do fator de potência, é necessário agora mostrar, além
da tensão na barra, a corrente drenada pela carga. Seguindo o procedimento adotado até agora,
primeiramente
iramente são mostradas na Figura 40 e na Figura 41 as tensões e correntes com carga e sem o
D-STATCOM,
STATCOM, através do HIL e da aquisição dos sinais em bancada, respectivamente.
Figura 40: Tensão
são Vab e corrente da fonte Ia, com carga e sem D-STATCOM (50,0°) - HIL.
Figura 41:: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga
car e sem D-STATCOM (50,0°) - Bancada
Bancada.
Observe que neste caso está sendo apresentada a tensão de linha com a corrente de fase.
Portanto,
ortanto, para obter o fator de potência unitário, a defasagem
defasag entre estes sinais tem que ser de 30°.
Resta agora realizar o controle do fator de potência através do D-STATCOM.
D STATCOM. A Figura 42 e a
Figura 43 mostram os resultados destes controles, novamente seguindo a ordem de apresentação
mencionada anteriormente, primeiro o resultado da simulação HIL e depois o resultado de bancada.
Em ambos os casos a defasagem entre tensão e corrente ficou em aproximadamente 31,6°.
Figura 42: Tensão
são Vab e corrente da fonte Ia, com carga e com D-STATCOM (31,6°) – HIL.
Figura 43: Tensão Vab e corrente da fonte Ia, com carga
car e com D-STATCOM (31,6°) – Bancada.
Bancada
Uma vantagem da simulação HIL é a possibilidade de registrar o histórico da simulação. Isso
permite avaliar o tempo de resposta do controle para diferentes ganhos.. Além disso, da mesma
forma que nas simulações do PSCAD/EMTDC,
PSCAD/EMTDC, o tempo em que cada controle é acionado pode ser
configurado, assegurando que os resultados obtidos são relativos ao controle que se deseja observar
observar.
Como exemplo, a Figura 44 mostra o fator de potência da carga alimentada no tempo de 1 segundo
de simulação. O controle do fator de potência é acionado em 1,6 segundos, regulando o fator de
potência em aproximadamente 1,72 segundos de simulação. Sendo assim, é possível afirmar que o
tempo de resposta para a correção do fator de potência desta carga foi de 0,12 segundos. Outro
exemplo está apresentado na Figura 45,, onde mostra a tensão do elo cc durante todo o período
desta simulação.
Figura 44: Histórico do controle do fator de potência - HIL.
Figura 45: Histórico da tensão no elo cc - HIL..
A simulação HIL permite a análise dos transitórios do sistema, tais como o carregamento dos
capacitores do elo cc, as perturbações da tensão da barra no momento do início do chaveamento,
dentre
ntre outros. Esta análise pode ser útil no estudo do controle, verificando sua robustez e sua
influência transitória, ou seja, o HIL permite um ajuste fino dos ganhos do controlador. Como
exemplo desta análise, a Figura 46 mostra a corrente de entrada da barra (corrente da fonte de
alimentação) no momento em que o D-STATCOM
D STATCOM é alimentado, ou seja, no momento em que são
carregados os capacitores do elo cc.
cc A Figura 47 mostra a mesma situação na aquisição da bancada.
Figura 46:: Corrente de entrada da barra no carregamento do elo cc - HIL.
Figura 47:: Corrente de entrada da barra no carregamento do elo cc - Bancada.
Analisando as figuras acima
acima, percebe-se
se que apesar das amplitudes dos picos de corrente na
simulação
o HIL serem maiores que as da bancada,, as formas de onda são semelhantes.
Um ponto importante que deve ser comentado diz respeito à taxa de transferência de dados
da comunicação serial. Para o caso do variador de tensão observável e do Buck-Boost esta taxa era
de 9600 bps. Porém, para a simulação do D-STATCOM, devido à complexidade da simulação e ao
elevado número de informações transmitidas, a taxa de 9600bps deixava a simulação lenta, então
esta foi alterada para a maior taxa compatível entre o computador e o DSP, que foi de 115200 bps.
Por fim, é preciso relatar uma vantagem encontrada neste HIL no processo de construção do
código de controle. Devido à interdependência dos protocolos de comunicação do DSP e do
PSCAD/EMTDC, quando ocorre alguma falha em qualquer um desses protocolos há a uma espécie de
perda do sincronismo, ou seja, a comunicação pára no instante da falha. Quando essa falha ocorre
dentro do protocolo do DSP é possível verificar o estado das variáveis internas do programa principal
(código do controle) neste momento. Isto é possível, pois, como a comunicação foi interrompida, o
processamento do DSP encontra-se na última iteração realizada, sendo assim, os valores das
variáveis não sofreram as atualizações de uma nova iteração. Isso pode ser útil, por exemplo, na
ocorrência da atuação da proteção. O padrão da malha de proteção inclui um looping infinito que
impede a execução do programa, não permitindo que o equipamento continue a funcionar na
presença da falha. Se por qualquer motivo alguma proteção atuar, automaticamente a comunicação
entre o DSP e o PSCAD/EMTDC é interrompida e então o usuário pode verificar qual foi a proteção
que atuou e quais eram os valores das variáveis envolvidas no instante da interrupção da simulação.
Ainda é possível ter uma visão geral do sistema elétrico observando o mesmo na simulação,
permitindo verificar o que aconteceu com ele até o momento em que atuou a proteção.
Conclusão
As ampliações do bloco RS232_1, juntamente com as ampliações dos protocolos de
comunicação do DSP e do PSCAD/EMTDC, proporcionaram a realização do HIL para o D-STACOM,
mostrando que códigos de controle de equipamentos baseados em Eletrônica de Potência podem ser
testados virtualmente antes dos testes em bancada. Com isso, pode ser proposta uma modificação
no fluxograma dos processos básicos de concepção dos protótipos deste tipo de equipamento,
previamente apresentado na Figura 1. Trata-se apenas da substituição do processo crítico de
produção do código embarcado no DSP, que antes não era testado, pelo processo de criação e teste
deste código utilizando o HIL, eliminando assim o processo crítico.
48
Outra vantagem no novo processo diz respeito ao maior dinamismo deste se comparado com
o processo crítico antes mencionado. Como a simulação é interrompida mediante qualquer falha
(seja ela uma falha no código ou a atuação de alguma proteção), o tempo de identificação e correção
dos erros é reduzido, conseqüentemente o tempo total de desenvolvimento do protótipo também é
menor.
Observando os resultados obtidos no HIL e nas aquisições em bancada, é possível afirmar
que, em ambos os casos, tanto o controle de tensão quanto o controle de fator de potência
funcionaram corretamente. Comparando os respectivos resultados, há uma igualdade entre eles,
principalmente no que diz respeito às características principais de funcionalidade do D-STATCOM
(valor da tensão na barra e do fator de potência).
Existem algumas diferenças entre as formas de onda da simulação HIL e as da bancada.
Tratam-se basicamente de ruídos nos sinais aferidos em bancada, tanto nas formas de onda da
tensão quanto nas da corrente, e são observadas desde o caso base (compare a Figura 32 e a Figura
33). Para poder igualar as formas de onda do HIL com as da bancada, seria necessária uma
modelagem mais fiel da fonte de alimentação, assim como seria necessário inserir na simulação os
efeitos das diversas cargas eletrônicas conectadas a esta fonte que produzem tais ruídos. Como o
foco do estudo não é a eliminação de ruídos, não foi necessária tal modelagem para validar o código
de controle.
No controle de tensão, após a escolha deste pelo acionamento da chave de controle de
tensão, a tensão da barra passou de 209 para 221 volts RMS. Através do registro histórico da tensão
RMS obtida no HIL, foi visto que o tempo para regulação desta tensão foi de aproximadamente 0,2
segundos.
Para o controle de fator de potência, o acionamento do controle através da IO também
funcionou adequadamente, e após isso a defasagem entre a tensão de linha e a corrente de fase
passou de 50,0° para 31,6 °, ou seja, o fator de potência era de 0,9397 e passou para 0,9996.
Para terminar a validação deste código de controle seria necessário testar outras
configurações, como por exemplo, o controle de tensão e fator de potência para a conexão de cargas
capacitivas. Porém, para a validação do HIL, alvo deste trabalho, os testes aqui apresentados são
suficientes, não necessitando destes testes adicionais.
49
Capítulo 6
Observações finais e trabalhos futuros
Este trabalho apresentou a ferramenta HIL, desde sua criação para pequenos sistemas
elétricos até sua utilização em equipamentos de grande porte. Agora, esta ferramenta pode ser
usada para validar códigos de controle de equipamentos baseados em Eletrônica de Potência, ou
seja, equipamentos que possuam chaves ativas controladas por microprocessadores com código de
controle embarcado. Esta ferramenta utiliza o DSP MC56F8323 da Motorola e o programa de
simulações de sistemas elétricos PSCAD/EMTDC.
O uso do HIL deve ser estimulado como forma de prevenção de acidentes em processos de
desenvolvimento de protótipos dos equipamentos supracitados. Com a vasta utilização desta
ferramenta, é provável que surjam otimizações desta e, conseqüentemente, melhorias na interface
com o usuário. Algumas destas melhorias de interface seriam, por exemplo, a escolha pelo usuário
do número de entradas e saídas elétricas e de interface IO, efetuando as escolhas destes parâmetros
através de uma janela de configurações de bloco, como é feito nos blocos do PSCAD/EMTDC, e ainda
a união do bloco RS232_1 com o bloco de condicionamento de sinais.
Para facilitar a disseminação desta ferramenta, uma opção é a de adaptar o protocolo de
comunicação do DSP para ser utilizado em diversos DSPs, aumentando gradativamente sua
compatibilidade com os diversos fabricantes destes processadores. Para os outros DSPs, parâmetros
como a maior taxa de transferência possível e a configuração dos dados transmitidos e recebidos
(adequações das variáveis Tx e Rx) devem ser adaptados conforme as configurações ótimas dos
mesmos.
Para DSPs que não possuem softwares que permitem a visualização das variáveis internas em
tempo real, poderia ser desenvolvida uma ferramenta que possibilitasse esta visualização no
PSCAD/EMTDC, para auxílio dos ajustes finais nos ensaios de bancada. Para isso, os protocolos de
comunicação criados aqui devem ser utilizados. Porém, o fator limitante seria a necessidade de se
comunicar em tempo real, já que o equipamento está operando no sistema elétrico real, podendo
não ser viável a comunicação de um número grande de variáveis ou então limitando a resolução dos
gráficos visualizados.
50
Quanto às melhorias na simulação, uma sugestão interessante é a de buscar uma forma
eficaz de modelagem das fontes de alimentação, acrescentando a estas os efeitos da conexão de
outras cargas, tais como as cargas eletrônicas. Isso acarretaria em uma semelhança maior entre os
resultados obtidos no HIL e os obtidos posteriormente nos ensaios de bancada. Porém, o campo de
melhorias na parte da simulação é limitado pelas limitações do próprio PSCAD/EMTDC.
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Bibliografia
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Filtros Ativos e FACTS —.
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