Inversor Trifásico em Malha Aberta

O que vamos fazer

• Montar o inversor BOOSTXL-3PHGANINV sobre a LaunchPad F28379D;
• Gravar um programa que liga e desliga as chaves do inversor (PWM), sem controle: as medidas não voltam para o cálculo, por isso o nome malha aberta;
• Ver os sinais no osciloscópio, em duas etapas:

Material: as duas placas, cabo USB, osciloscópio de dois canais (100 MHz ou mais), fonte CC com limite de corrente, carga RL trifásica (4,7 Ω e 1 mH por fase) e fita Kapton.

O inversor trifásico

• Transforma a tensão contínua da fonte (\(V_{dc}\)) em três tensões alternadas, uma em cada fase;
• Faz isso ligando e desligando seis chaves muito rápido (20 mil vezes por segundo);
• Cada coluna de duas chaves (A+ e A−, por exemplo) é um braço.

Um braço do inversor

• A placa de controle manda dois sinais para cada braço: saída A (chave de cima) e saída B (chave de baixo);
• Entre desligar uma chave e ligar a outra, espera-se um pouco: o tempo morto.

Razão cíclica e tensão média

Num período de PWM (50 µs), a chave de cima fica ligada uma fração \(d\) do tempo, a razão cíclica. A fase fica em 12 V durante essa fração e em 0 V no resto. Em média:

\[ v_{\text{média}} = d \cdot V_{dc} \]

Mudando \(d\) devagar, como uma senoide, a tensão média vira uma senoide: é assim que o inversor gera corrente alternada.

Como a placa gera o PWM

Um contador sobe de 0 a 2500 e desce de volta, sem parar. A saída A fica em nível alto enquanto o contador está abaixo do valor de comparação (CMPA); a saída B é o contrário.

Os números do PWM

No programa: FREQ_PWM, TOPO, TEMPO_MORTO e CONTAGENS_MORTO, no começo do main.c.

Tempo morto

• Uma chave não desliga instantaneamente: se a outra ligasse no mesmo instante, as duas conduziriam juntas e haveria um curto no barramento;
• Durante 100 ns, as duas saídas ficam em 0. Não existe instante com as duas em 1;
• O módulo de PWM cria esse atraso sozinho (submódulo dead-band).

Os três modos de teste

No modo 2, para cada fase,

\[ d = 0{,}5 + 0{,}5 \cdot \text{indice} \cdot \sin(\theta - \text{defasagem}), \quad \text{defasagem} = 0^\circ,\ 120^\circ,\ 240^\circ \]

com o índice de modulação entre 0 e 1 (0,5 no início).

Modos 0 e 1 no osciloscópio

• Modo 0: as três fases idênticas;
• Modo 1: a largura do pulso identifica a fase (estreito = A, médio = B, largo = C);
• Os pulsos ficam centrados nos instantes em que o contador vale zero.

Modo 2: as razões cíclicas giram

As três razões cíclicas oscilam em torno de 50 %, deslocadas de um terço de ciclo (120°). Um ciclo completo dura 1/60 s ≈ 16,7 ms.

Modo 2 no osciloscópio

Em 5 ms/div os pulsos de 50 µs ficam muito juntos; o que se vê é uma faixa mais escura (pulsos largos) e mais clara (pulsos estreitos), repetindo a cada 16,7 ms.

O programa: um arquivo só

main()                       roda uma vez
├─ ConfiguraPinos()          habilitação desligada; GPIO0..5 viram saídas de PWM
├─ ConfiguraModuloPWM() ×3   contador, comparação, tempo morto, proteção na pausa
├─ ConfiguraADC()            conversões disparadas pelo PWM da fase A
├─ liga a interrupção        AtualizaPWM a cada 50 µs
└─ laço infinito             copia "habilita" para o pino de habilitação

AtualizaPWM()                a cada 50 µs (contador = 0)
├─ calcula razaoCiclica[3]   de acordo com o modo
├─ EscreveRazao()            razão → CMPA (limitada entre 5 % e 95 %)
└─ LeTensoes()               lê as tensões e grava, se pedido

InversorTrifasico/Firmware/VSI01MalhaAberta/main.c: cerca de 300 linhas, com comentários em cada passo.

Variáveis que você pode mudar

No CCS, essas variáveis vão para a janela Watch. Para mudar um valor: pausar o programa (Suspend), digitar o valor novo e continuar (Resume).

Variáveis para observar

O que o programa faz pela segurança

• Habilitação ativa em nível baixo: o inversor só liga com o pino GPIO124 em 0. O programa começa com 1 e só escreve 0 quando habilita = 1;
• Pausa do depurador: quando o programa está pausado, as saídas A e B vão para 0 (as duas chaves desligam). Sem isso, o PWM congelaria com uma chave ligada direto;
• Limites da razão cíclica (5 % a 95 %): nenhum pulso fica mais curto que o tempo morto;
• Os três contadores partem juntos (o relógio comum é liberado depois de configurar os três).

Montagem: onde ficam J1–J4 na LaunchPad

LAUNCHXL-F28379D (SPRUI77C, fig. 1). O inversor usa os conectores J1, J2, J3 e J4, na metade de cima, perto da USB, e não J5–J8.

Montagem: o inversor na posição de encaixe

Montagem: alinhamento

Antes de encaixar

1. Tudo desligado: sem USB e sem fonte;
2. Retirar o jumper J6 do inversor: ele levaria 3,3 V do inversor para a LaunchPad, que já é alimentada pela USB;
3. Fita Kapton (ou espaçadores) entre as placas, sobre J5–J8 e os jumpers da LaunchPad;
4. Ver a revisão impressa na LaunchPad: na revisão 1.1, o pino J3-29 está em curto com a referência do ADC, e esse pino recebe a medida de corrente da fase C. Nesse caso, falar com o professor antes de encaixar;
5. Encaixar com 3V3 sobre 3V3, sem forçar e sem entortar os pinos.

No Code Composer Studio (Mac)

1. File → Open Folder: a pasta InversorTrifasico/Firmware (ou a pasta descompactada do .zip);
2. Selecionar o projeto VSI01MalhaAberta e compilar (ícone do martelo, Build);
3. Ligar a LaunchPad na USB e iniciar a depuração (ícone do inseto, Debug): o programa é gravado e fica parado no início do main;
4. Na janela Watch, acrescentar modo, habilita, indice, frequencia e razaoCiclica;
5. Resume (▶): o PWM começa.

Etapa A: onde ligar o osciloscópio

Só a LaunchPad, alimentada pela USB. As pontas vão direto nos pinos de J4:

Escala vertical de 1 V/div: os sinais vão de 0 a 3,3 V.

Etapa A: os pinos na placa

LaunchPad vista de cima, com a USB para cima: J4 é a coluna de dentro, à direita, com o pino 40 no alto; J2 é a de fora, com o GND (pino 20) ao lado do 40.

Etapa A: roteiro

1. modo = 0, J4-40 e J4-39 em 10 µs/div: 20 kHz, 50 %, um sinal o inverso do outro;
2. Zoom numa borda (50 ns/div): os dois em 0 durante ≈ 100 ns, nunca os dois em 1;
3. modo = 1: J4-40, J4-38 e J4-36 com 25 %, 50 % e 75 % (troque a ponta de pino);
4. modo = 2, 5 ms/div: a largura do pulso varia como senoide; mudar indice (0,2 e 0,9) e frequencia (30 Hz e 60 Hz) e ver a diferença;
5. Pausar o programa: todas as saídas vão para 0.

Ver a senoide: um filtro RC

O osciloscópio mostra pulsos; a senoide está na média deles. Um filtro passa-baixas de primeira ordem faz essa média:

Ligação do filtro

• Um RC por canal; a ponta vai no ponto entre o resistor e o capacitor;
• O resistor fica sempre entre o pino e o capacitor: ele protege o pino (sem ele, o capacitor descarregado seria um curto a cada pulso);
• Monte numa protoboard e ligue à placa com jumpers fêmea-macho.

Etapa A com o filtro RC

modo = 2, indice = 0,5, 60 Hz, 0,5 V/div e 5 ms/div: senoide de 1,65 ± 0,78 V (de 0,87 a 2,43 V), com 120° (5,6 ms) entre A e B. Mude indice e frequencia e veja a senoide acompanhar. No modo 1, o filtro mostra só tensões constantes: 0,83, 1,65 e 2,48 V.

Etapa B: ordem de ligação

1. Placas encaixadas, sem carga nos bornes VA, VB, VC;
2. LaunchPad na USB, programa rodando com habilita = 0 e modo = 0;
3. Fonte ajustada em 12 V com limite de 0,5 A, ainda desligada; ligar nos bornes +48V (positivo) e GND (negativo);
4. Ligar a fonte: a corrente deve ficar perto de zero; acendem os LEDs 5V e 3V3 do inversor;
5. habilita = 1.

Para desligar, a ordem inversa: habilita = 0, fonte, USB.

Cuidado com o terra do osciloscópio

• A garra de terra das pontas comuns é ligada ao terra da tomada;
• Ela só pode ir no GND do inversor (borne GND, negativo da fonte);
• Nunca prender a garra de terra em VA, VB ou VC: isso põe uma fase em curto com o terra;
• A tensão entre duas fases se mede com duas pontas (VA e VB contra o GND) e a função matemática A − B do osciloscópio.

Etapa B sem carga

Ponta em VA, terra no GND, 10 µs/div e 5 V/div:

Com habilita = 0, as chaves ficam desligadas e o borne fica solto: o osciloscópio não mostra os pulsos.

Etapa B com o filtro RC

Um RC em cada borne (VA, VB, VC), no lugar da carga RL; capacitores de 50 V. Com 12 V, modo = 2 e indice = 0,5: cada fase com 6 ± 2,8 V; a diferença A − B (função matemática do osciloscópio) com 4,9 V de pico, √3 vezes a amplitude de uma fase. A fonte quase não fornece corrente (alguns miliampères): um bom primeiro teste com carga, antes da RL.

Gravar as tensões das fases

O inversor mede a tensão de cada borne (dividida por 24,7 e filtrada em 1 kHz) e o programa lê esses sinais a cada 50 µs:

1. Com o inversor ligado e o modo escolhido, escrever grava = 1 na Watch e dar Resume;
2. Esperar grava voltar a 0 (2000 amostras = 100 ms, seis ciclos de 60 Hz);
3. Pausar, acrescentar tensaoA, tensaoB e tensaoC na Watch e exportar para CSV (botão direito na janela Watch, Export);
4. python3 analise/plota_tensoes.py arquivo.csv: monta o tempo, plota e grava um CSV com as colunas t_ms, vA, vB, vC.

O filtro da placa já faz a média dos pulsos: no modo 2 aparece a senoide (com uma ondulação de alguns décimos de volt), sem filtro externo.

Etapa B com carga: modos 0 e 1

Desligar a fonte, ligar a carga RL nos bornes VA, VB, VC e religar (limite em 0,5 A).

• Modo 0: as três fases iguais o tempo todo, então não há tensão entre elas: corrente nula, e a fonte quase não fornece corrente;
• Modo 1: tensões médias de 3, 6 e 9 V; o centro da estrela fica em 6 V, então as fases ficam com −3, 0 e +3 V:

\[ i_A = \frac{-3}{4{,}7} = -0{,}64\ \text{A}, \qquad i_B = 0, \qquad i_C = +0{,}64\ \text{A} \]

São correntes contínuas: os resistores esquentam (1,9 W em A e em C) e a fonte fornece ≈ 0,32 A.

Etapa B com carga: modo 2

Simulação (analise/figuras.py): 12 V, índice 0,5, 60 Hz.

Tensão de fase com 3 V de pico, corrente com 0,64 A de pico e 60 Hz, quase em fase com a tensão (a indutância de 1 mH pouco pesa a 60 Hz).

Medir a corrente sem ponta de corrente

O próprio inversor mede a corrente e a tensão de cada fase e entrega os sinais nos pinos de J3 (acessíveis pela face de cima do inversor):

• O sinal de J3-27 é invertido: corrente positiva faz a tensão cair;
• Modo 2 com índice 0,5: J3-27 oscila entre 1,59 e 1,71 V; J3-24 entre 0,12 e 0,36 V (a média dos pulsos aparece como senoide).

Valores esperados (12 V)

Para o índice 0,8, subir o limite da fonte para 1 A. Se a fonte entrar em limitação de corrente com valores bem menores, desligue e confira a montagem.

Se algo não funcionar

Próximo passo

• Com o chaveamento conferido, o experimento seguinte mede as correntes no próprio microcontrolador e controla a corrente da carga: projeto VSI02ControleCorrente, apresentação Controle de Corrente do Inversor Trifásico;
• Documentos da TI usados aqui: guia do BOOSTXL-3PhGaNInv (SLUUBP1A), guia da LaunchPad (SPRUI77C) e o projeto de referência TIDA-00909 (TIDUCE7B).