Diseño de un accionamiento de servo síncrono de imanes permanentes de 200W basado en ESP32

Abstract

[ES] Este trabajo fin de máster (TFM) presenta el diseño de un accionamiento de servo síncrono de imanes permanentes de 200 W basado en ESP32, un microcontrolador de bajo coste y alto rendimiento. El objetivo principal es el diseño del sistema de control mediante la técnica Space Vector Modulation (SVM) de un inversor trifásico para el motor, lo que permite generar una señal de salida de corriente alterna trifásica de alta calidad, aprovechando al máximo la tensión del inversor y reduciendo las pérdidas del sistema. Para ello, se realiza un análisis dinámico del motor, identificando los parámetros clave que afectan a su comportamiento, como la constante kT y la constante ke. Se explica la estructura y el funcionamiento del inversor trifásico, la técnica SVM, las transformadas de Clarke y Park, y la implementación sobre ESP32. Después se describe el proceso de obtención de datos, modulación, generación PWM, calibración de sensores y protecciones. Seguidamente se diseña el control en bucle cerrado para regular la tensión, la corriente y la velocidad del motor y e implementan dos controladores PI, uno para el lazo de corriente y otro para el de velocidad, con sus respectivas protecciones y se determinan los parámetros kp y ki para cada uno de ellos. Se optimiza el tiempo de respuesta y se analiza la estabilidad del sistema mediante el ajuste de los controladores. Así mismo, se optimiza el cálculo para reducir el tiempo de ejecución y mejorar la respuesta del motor. Con todo esto, los resultados obtenidos muestran que el sistema diseñado es capaz de controlar con precisión el motor, alcanzado una buena respuesta dinámica del sistema y la estabilidad del sistema

[CA] Aquest treball fi de màster (TFM) presenta el disseny d’un accionament de servo síncron d’imans permanents de 200 W basat en ESP32, un microcontrolador de baix cost i alt rendiment. L’objectiu principal és el disseny del sistema de control mitjançant la tècnica Space Vector Modulation (SVM) d’un inversor trifàsic per al motor, el que permet generar un senyal de sortida de corrent altern trifàsic d’alta qualitat, aprofitant al màxim la tensió de l’inversor i reduint les pèrdues del sistema. Per a això, es realitza una anàlisi dinàmic del motor, identificant els paràmetres clau que afecten al seu comportament, com la constant kT i la constant ke. S’explica l’estructura i el funcionament de l’inversor trifàsic, la tècnica SVM, les transformades de Clarke i Park, i la implementació sobre ESP32. Després es descriu el procés d’obtenció de dades, modulació, generació PWM, calibratge de sensors i proteccions. Seguidament es dissenya el control en bucle tancat per a regular la tensió, la corrent i la velocitat del motor i s’implementen dos controladors PI, un per al llaç de corrent i un altre per al de velocitat, amb les seues respectives proteccions i es determinen els paràmetres kp i ki per a cadascun d’ells. S’optimitza el temps de resposta i s’analitza l’estabilitat del sistema mitjançant l’ajust dels controladors. Així mateix, s’optimitza el càlcul per a reduir el temps d’execució i millorar la resposta del motor. Amb tot això, els resultats obtinguts mostren que el sistema dissenyat és capaç de controlar amb precisió el motor, assolint una bona resposta dinàmica del sistema i l’estabilitat del sistema.

[EN] This Master’s thesis (TFM) presents the design of a 200 W permanent magnet synchronous servo drive based on ESP32, a low-cost and high-performance microcontroller. The main objective is the design of the control system using the Space Vector Modulation (SVM) technique of a three-phase inverter for the motor, which allows generating a high-quality three-phase alternating current output signal, taking full advantage of the inverter voltage and reducing system losses. For this, a dynamic analysis of the motor is carried out, identifying the key parameters that affect its behavior, such as the kT constant and the ke constant. The structure and operation of the three-phase inverter, the SVM technique, Clarke and Park transforms, and implementation on ESP32 are explained1. Then the process of obtaining data, modulation, PWM generation, sensor calibration and protections is described2. Next, closed-loop control is designed to regulate the voltage, current and speed of the motor and two PI controllers are implemented, one for the current loop and another for the speed loop, with their respective protections and kp and ki parameters are determined for each of them. The response time is optimized and the stability of the system is analyzed by adjusting the controllers. Likewise, the calculation is optimized to reduce execution time and improve motor response. With all this, the results obtained show that the designed system is capable of accurately controlling the motor, achieving a good dynamic response of the system and system stability.