Esquema de comunicaciones avanzado para convertidores modulares

Abstract

Los convertidores modulares son una solución competitiva para muchas aplicaciones como la producción de energía que está continuamente creciendo ante una demanda también creciente. Sin embargo, en determinadas condiciones de funcionamiento, principalmente en un comportamiento no balanceado, las técnicas tradicionales de control no son admisibles ya que el resultado no es bueno en aspectos de eficiencia. Es necesario aplicar por tanto, técnicas de control avanzado para lo cual es necesario tomar datos en cada intervalo de funcionamiento de un convertidor, es decir, a una frecuencia muy alta. Además estos datos deben ser transmitidos a un módulo encargado de ejecutar el control y generar una referencia que es devuelta al convertidor. El punto más sensible de este proceso son las comunicaciones, ya que no existe una solución eficiente para comunicaciones tan rápidas como las necesarias. Estudiaremos por tanto, diferentes posibilidades de comunicaciones. Partiremos de un protocolo desarrollado por Abraham Márquez, tutor de este Trabajo de Fin de Grado, en su doctorado y lo adaptaremos a las potenciales soluciones encontradas. Nos centraremos principalmente en los protocolos de bajo nivel SPI y UART que permiten mayor flexibilidad en el mensaje y su cabecera, realizando experimentos al límite superior de velocidad permitida por los microcontroladores. Analizaremos también el hardware necesario para las comunicaciones, partiendo del sistema ideado por A. Márquez, y desarrollaremos diseños de PCBs que hagan posibles las comunicaciones. Como medios físicos tendremos cable plano, cable RJ45 y fibra óptica, cuyos adaptadores a las señales de los microcontroladores diseñaremos, probaremos y evaluaremos. Para estas evaluaciones realizaremos experimentos que repetiremos con las mismas condiciones hasta en 7 ocasiones cada uno con el fin de obtener datos fiables. Además de comparar los diferentes enlaces y protocolos, realizaremos pruebas donde comprobemos diferentes esquemas de comunicaciones, entre dos o más dispositivos que nos permitirán analizar la respuesta del protocolo y los elementos hardware diferentes modos de funcionamiento como pueden ser comunicaciones punto a punto, comunicaciones con múltiples esclavos con pregunta y respuesta y comunicaciones con múltiples esclavos con respuesta multiplexada en el tiempo. Se utilizará también el protocolo I2C para el control de un expansor de pines de entradas y salidas digitales, creando además una librería para facilitar su uso: leer las entradas, escribir las salidas, manejar las interrupciones, configurar los pines... Tras las distintas pruebas veremos como aumentar la frecuencia manteniéndonos por debajo de los 10MHz supone una mejora del comportamiento importante. Sin embargo, a frecuencias altas, subidas similares o mayores en la tasa de datos no producen resultados tan notables, posiblemente porque la frecuencia limitadora en estos casos es la del microcontrolador y no la del periférico. También veremos como la UART es más fiable en primera instancia, pero en determinadas condiciones el SPI puede también tener un comportamiento óptimo.

Modular converters are a competitive solution to many applications as power production that is increasing because of an also increasing demand. However, traditional control techniques do not work well in some operational conditions, such as unbalanced ones. Advanced control techniques are needed to be applied. Those control methods require a continuous measurement of electric data of the converter in each working interval. The data should be transmitted to a control module that executes the algorithm and generates a signal that is sent back to the converter. The communications in this proccess must be very fast and efficient. There is not a developed solution to be inmediately applied. So we are going to study different communication possibilities. This document is based on a system developed by Dr. Abraham Márquez in his doctoral thesis, where he designed a general idea about hardware and a software protocol that will be adapted to the proposed solutions. We are going to focus on SPI and UART protocols, that allow us to configure the message and its header, in order to improve efficiency. We will do experiments in which communications frequency will be set at upper limit stablished by microcontrollers. Futhermore, we will analize hardware needed in this communicatios and we will develop different PCB designs to achieve the required speed. Flat cable, RJ45 cable and optic fiber will be used as physic link between communicated devices. We will focus our design on the adapters of this links to the microcontrollers signals. Every experiment will be repeated 7 times at least, so that we can store reliable information. In addition to this test, we are going to make other ones in which different communications schemes will be compared, such as point to point and multislave with two modes: The first one, ask and reply and the second one, broadcast ask and time-multiplexed reply. The I2C protocol will be used to control a digital input-output expansor and a library will be created to give easier ways to read inputs, write outputs, configure pins and handle interrupts. After multiple test, we will see that a frequency increase at low frequencies (less than 10 MHz) result in an important reduction in communication times. However, at high frequencies the result of increasing bit rate is not so noticeable. Maybe, this is due to the microcontroller frequency, which is limiting the peripheral speed. Furthermore, we will see that UART is more reliable but in some cases, SPI is able to behave as well as UART.