Control PI discreto de iluminacion con ATmega8a

La corriente eléctrica es una señal alterna sinusoidal como la de la figura:

  

Al pasar esta corriente eléctrica por el bombillo haremos que se ilumine al 100 %.

Si logramos hacer que la señal aplicada al bombillo se recorte como se ve en la figura siguiente, obtendremos valores de iluminación entre un 0% y un 100%.

           

El objetivo del proyecto es controlar el ángulo de disparo de un TRIAC que estará conectado en serie con el bombillo, mediante el controlador PI, de acuerdo a la intensidad de luz que perciba un sensor LDR.  

Etapas

Sensor y acondicionamiento

El sensor que se utiliza es una fotorresistencia, el cual varía su valor, dependiendo de la intensidad de luz que se le aplique. La señal de salida alta en caso de baja intensidad de luz, y baja en caso contrario.

Como la salida del sensor (LDR) varia de 0-2.5v y la entrada del microcontrolador ATMEGA8 recibe voltajes de 0-5v, amplificamos este valor en un factor de 2 para aprovechar la sensibilidad del ADC del microcontrolador.

Referencia

Este potenciómetro se utilizará para elegir la intensidad de luz de referencia que se requiera mantener. También irá conectado a uno de los pines ADC del microcontrolador.

Control

El esquema muestra las conexiones de los pines del microcontrolador.

Se utiliza este bloque de circuito para poder sincronizar el programa con la señal sinusoidal del circuito de potencia que se quiere controlar. Este circuito enviará un pulso de interrupción cuando la señal cruce por 0, iniciando la rutina correspondiente en el programa. 

Circuito de Potencia

El diodo D1 se utiliza para proteger al microcontrolador. El MOC3031 es un optotriac que enviará una señal de activación al triac U6 cuando la salida del circuito de control sea 1 lógico (5 V), lo cual hará que el bombillo se encienda; caso contrario, si la salida del circuito de control es 0 lógico (0 V) el bombillo no se encenderá.

Circuito Completo

Programa en Basic

$regfile = "m8def.dat"     'ATmega8
$crystal = 8000000         'Frecuencia de cristal=8 MHz
$hwstack = 32              'Hardware Stack
$swstack = 10              'Software Stack
Config Portb = Output      'Puerto B como salida
Config Portc = Input       'Puerto C como entrada

'Definicion de variables

Dim Sensor As Word         'Dato medido en ADC1=Sensor
Dim Ref As Word            'Dato medido en ADC0=Referencia
Dim Ek As Single           'Error actual
Dim Ek_1 As Single         'Error anterior
Dim Pk As Single           'Componente Proporcional
Dim Ik As Single           'Componente Integral actual
Dim Ik_1 As Single         'Componente integral anterior
Dim Kp As Single           'Ganancia Proporcional
Dim Ki As Single           'Ganancia Integral
Dim Uk As Single           'Señal de control
Dim Uk_dig As Word
Dim Ukmax As Word          'Límite máximo de Uk
Dim Ukmin As Word          'Límite mínimo de Uk
Dim T As Single            'Periodo de muestreo
Dim Rampa As Word          'Señal escalón

'Configuracion ADC

Config Adc = Single , Prescaler = Auto
'Configuracion de unterrupciones
Config Timer1 = Timer , Prescale = 256                      'Configuración TIMER1, f=31.25 KHz
On Compare1a Int_timer1                                     'Interrupción por comparación
Enable Compare1a                                            'Habilitación interrupción por comparación
Config Int1 = Low Level                                     'INT1, flanco de bajada
On Int1 Int_zc                                              'Interrupción externa INT1
Enable Int1                                                 'Habilitación INT1
Enable Interrupts                                           'Habilitación global de interrupciones

Timer1 = 0
Stop Timer1


'Programa principal
   Ik_1 = 0
   Ek_1 = 0
   T = 0.0083       'Periodo de muestreo T=1/120=0.0083 s
   Kp = 1
   Ki = 0.04
   Ukmax = 32       'Ukmax=32 escalones
   Ukmin = 0        'Ukmin=0 escalones
   Rampa = 0                                                'Reinicialización de Rampa
 Do
   nop              'Bucle infinito
 Loop

'Rutinas de interrupción

'Interrupcion cruce por cero
 Int_zc:
   Stop Timer1
   Timer1 = 0       'Reinicialización de Timer1
   Compare1a = 7                                            'Interrupción cada 7*1/31250= 0.22 ms = 7.5ms/32
   Rampa = 0        'Reiniciar Rampa en cada Interrupción
   Portb.0 = 0      'Señal a Triac =0
   'Obtensión de señales Referencia y Sensor
   Start Adc
   Ref = Getadc(0)
   Sensor = Getadc(1)
   Stop Adc
   'control PI
   Ek = Ref - Sensor
   Pk = Ek * Kp         ' P(k)=Kp*e(k)
   Ik = Ek + Ek_1       ' I(k)=I(k-1)+Ki*T*(e(k)+e(k-1))/2
   Ik = Ki * Ik
   Ik = Ik * T
   Ik = Ik / 2
   Ik = Ik + Ik_1
   Uk = Pk + Ik         ' u(k)=P(k)+I(k)
   Uk_dig = Uk + 1023   ' Ajuste en rango 0 - 32 escalones
   Uk_dig = Uk_dig / 63
   Ek_1 = Ek
   Ik_1 = Ik

   'limitación de rango de señal de control
   If Uk_dig > Ukmax Then
      Uk_dig = Ukmax
   Elseif Uk_dig < Ukmin Then
      Uk_dig = Ukmin
   End If

   Start Timer1
   Return

'Interrupcion Timer  cada 0.22 ms 32 escalones por semiciclo
  Int_timer1:
   Stop Timer1
   Timer1 = 0         'Reiniciar Timer1
   Rampa = Rampa + 1                                             'Incrementar rampa por cada interrupción

   'Determinar instante en que se envia señal al TRIAC
   If Uk_dig > Rampa Then
      Portb.0 = 0     'Señal a Triac = 0
   Else
      Portb.0 = 1     'Señal a Triac =1
   End If

   Return

End

Funcionamiento:

El funcionamiento del programa es el siguiente:

• Se establece un nivel de iluminación deseado en un ambiente mediante el potenciómetro RV1.
• La iluminación se debe mantener en el nivel deseado, ya sea por acción del bombillo o por fuentes externas, como por ejemplo luz solar.
• El programa principal no realiza ninguna operación (se puede implementar alguna rutina). El control se realiza mediante una rutina de interrupción, por lo que no se tendrá al microcontrolador ocupado todo el tiempo.
• La rutina de interrupción, que se ejecuta en cada cruce por cero de la señal de potencia, consiste en un control PI discreto, en el que se implementan los siguientes algoritmos:

         Se debe determinar el periodo de muestreo:

  La señal de interrupción se genera en los cruces por cero. En la rutina de interrupción se obtienen las   

  señales del ADC, por lo tanto el periodo de muestreo es igual al periodo de los pulsos de interrupción:

                                                    T=1 / (120 Hz) = 8.33 ms

• Se implementa una segunda rutina de interrupción por comparación que se ejecuta 32 veces en cada semiciclo de la señal de potencia. En cada interrupción una señal rampa se incrementa en una unidad y se reinicia en cada interrupcion de cruce por cero.

                   Se determina el valor en Compare1a:

                   El programa debe ejecutar una interrupción por comparación cada:

                                          t = 7.5 ms / (32 escalones) = 0.23 ms

                   Frecuencia de Tiner1:

                                           f = 8 MHz/256 = 31.25 KHz

                   Valor numérico en Compare1a:

                                        Compare1a = 0.23 · 10^(-3) · 31.25 · 10^(3) = 7.18

                                        Compare1a = 7

•  Esta señal rampa se utiliza junto a la señal de control para determinar el ángulo de disparo del TRIAC.

         La señal de control “Uk” puede tomar un valor 0 -32 dependiendo de la intensidad de 
         iluminación (mayor intensidad àUk mayor y viceversa). 

                Si Uk > Rampa entonces el TRIAC no se dispara, el bombillo no se enciende.

                Si Uk <= Rampa entonces el TRIAC se dispara, el bombillo se enciende.

           La forma de la señal en el bombillo, que varía según el ángulo de disparo, hace que el
           voltaje eficáz también varíe; en consecuencia la intensidad de iluminación se controla.