Control de Motores DC sin Escobillas para
Vehículos Eléctricos usando un µC Doble Núcleo
Brushless DC Motor Control for Electric Vehicles using a Dual Core Microcontroller
Ramiro A. Ghignone
1
, Federico J. Calá, Julián G. Giampetruzzi, Sharon M. Domanico, Cristian G. Juarez
Universidad Tecnológica Nacional
Facultad Regional Haedo
Haedo, Buenos Aires, Argentina
embebidos@frh.utn.edu.ar
1
rghignone@frh.utn.edu.ar
Resumen — El presente trabajo describe el proceso de
desarrollo y verificación de un sistema de potencia para motores
de corriente continua sin escobillas para vehículos eléctricos.
Esta propuesta está motivada por la actual expansión de
las tecnologías de movilidad eléctrica como solución para
reducir las emisiones contaminantes en actividades de
transporte. El diseño implementa funcionalidades adicionales
que son fundamentales para este tipo de aplicaciones, como
frenado regenerativo y telemetría mediante una aplicación
móvil. El prototipo fue construido y verificado mediante
diversos ensayos de laboratorio.
Palabras clave: BLDC; freno regenerativo; vehículo eléctrico;
electrónica de potencia; ARM Cortex; multicore; CIAA
Abstract — The present document describes the development
and verification process of a power system for brushless direct
current motors, specially designed for its usage in electric
vehicles. This proposal is motivated by the current expansion of
the electric mobility technologies as a solution to reduce the
contaminant emissions in transport activities. The proposed
design implements additional features which are fundamental
for this kind of applications, as regenerative braking and
telemetry through a mobile application. The prototype was built
and verified through several laboratory tests.
Keywords: BLDC, regenerative braking; electric vehicle; power
electronics; ARM Cortex; multicore; CIAA
I. INTRODUCCIÓN
En los últimos años los efectos del cambio climático a
nivel mundial han motivado la investigación, desarrollo,
financiamiento e implementación de nuevas tecnologías que
reduzcan las emisiones de efecto invernadero. Como
referencia, la inversión mundial en materia de eficiencia
energética alcanzó los U$S 231 billones en 2016 [1], siendo
Europa el principal foco de inversiones en el área. En 2018,
se agregaron 178 GW de generación a partir de fuentes
renovables a nivel mundial [2].
Hoy en día, las actividades relacionadas al transporte
representan el 32% del consumo de energía global, [2] y los
Vehículos Eléctricos (VE) aparecen como la solución de
mayor crecimiento para reducir las emisiones derivadas de la
quema de combustibles fósiles en vehículos convencionales.
Los VE representaron el 32% de las ventas mundiales de
vehículos en 2017, y se estima que un 26% de la energía
consumida en VE ese mismo año provino de fuentes
renovables [2].
El formato de VE con mayor nivel de ventas en el mundo
es la bicicleta eléctrica o e-bike: casi 30 millones se venden
por año, siendo China el principal mercado [2]. Su
popularidad se debe a que son más livianas, económicas y
fáciles de recargar que otros vehículos eléctricos, lo cual las
hace ideales para entornos urbanos, a pesar de su menor
autonomía.
Como consecuencia del intenso trabajo en investigación y
desarrollo de VE, surgieron varias tecnologías con un fuerte
impacto en su eficiencia. Por ejemplo, los sistemas de frenado
regenerativo permiten reutilizar la energía cinética del
vehículo para recargar su batería [3]. Otra función común es
el monitoreo y control de variables como el consumo de
potencia, el estado de la batería y la velocidad del motor a
través de aplicaciones móviles. Además, se han reemplazado
las baterías de plomo por baterías de litio con cada vez mayor
capacidad. Finalmente, hay una fuerte apuesta por el
desarrollo de motores con imanes permanentes que puedan
manejar alta potencia con reducido peso y volumen.
Bajo estas premisas, se desarrolló un controlador para
motores de corriente continua sin escobillas (BLDC, del
inglés Brushless DC) que soporta tanto frenado regenerativo
como monitoreo remoto. Se utilizó para ello un
microcontrolador LPC4337, que ofrece un costo accesible y
un buen desempeño debido a su arquitectura de doble núcleo.
En la siguiente sección se dará una descripción general del
prototipo, y en las secciones III y IV se analizarán en detalle
los módulos de potencia y control respectivamente.
II. VISTA GENERAL DEL PROTOTIPO
La Fig. 1 muestra un diagrama en bloques del prototipo,
en el cual podemos identificar los siguientes módulos, que
serán desarrollados en las secciones subsiguientes:
• Conversor DC/DC bidireccional: Regula el flujo
bidireccional de potencia entre la batería y el bus de
continua (DC Bus) que interconecta ambos conversores.
• Conversor DC/AC bidireccional: Genera una señal
alterna trifásica a partir de la tensión del bus DC, y también
rectifica la tensión alterna provista por el motor durante el
frenado.
• Unidad de control: Mide tensiones y corrientes del
sistema, genera las señales de conmutación para la
electrónica de potencia, y se comunica con el usuario a
través de la conexión Bluetooth o los botones de comando.
Recibido: 05/09/19; Aceptado: 22/10/19
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Fig. 1 – Arquitectura general del prototipo
• Motor BLDC: Para este prototipo se utilizó un motor
BLDC A2212/13T [4] sin sensor de posición, el cual
puede entregar hasta 150 W de potencia mecánica.
• Batería: En lugar de una batería de ion de litio, esta
versión emplea una batería de Polímero de Litio (LiPo) de
2200 mAh, con una tensión de 11,1V y una capacidad de
descarga de 30C. Este modelo fue sugerido por el
proveedor del motor como una opción óptima.
• Interfaz de usuario: La unidad de control se conecta de
forma serial con un módulo Bluetooth HC-06 [5], que se
comunica con la aplicación móvil. También se lee el
estado de los botones de comando y se provee conexión
JTAG/USB para funciones de depuración.
El subsistema compuesto por los conversores de potencia
y la unidad de control se denominó IRMA (Inertial
Regenerative Motor Assistant).
III. ETAPAS DE POTENCIA
A. Control y Estructura de Motores BLDC
Un motor DC sin escobillas [6] está compuesto por un
rotor de imanes permanentes y un estator de bobinado
trifásico. Usualmente, los motores BLDC de mediana y alta
potencia también tienen integrados sensores de posición de
efecto Hall, que proveen la realimentación necesaria para
mejorar el control del motor [7].
La principal diferencia entre este tipo de motor y otro
sincrónico de imán permanente o PMSM (del inglés
Permanent Magnet Synchronous Motor) es que los devanados
del BLDC se concentran en cada polo del estator. En cambio,
los devanados del motor PMSM están distribuidos de forma
homogénea alrededor del estator, como ilustra la Fig. 2.
Fig. 2 – Devanados de un motor PMSM (derecha) y BLDC (izquierda)
Como resultado de esta configuración, su fuerza
contraelectromotriz o BEMF (del inglés Back Electro-Motive
Force) es trapezoidal. Muchas técnicas de control de motores
BLDC sin sensores de posición se basan en este principio [7].
Sin embargo, también pueden ser controlados usando
modulación de ancho de pulso senoidal (SPWM, por sus
siglas en inglés) [8], el cual es sencillo de implementar en
microcontroladores y no requiere de realimentación. Por esta
razón se eligió el uso de control SPWM para el motor
sensorless A2212/13T utilizado.
Existen métodos más avanzados, basados en técnicas de
control orientado al campo (FOC, del inglés Field Oriented
Control) o en el uso de modulación vectorial en lugar de
SPWM [9]. Estas técnicas requieren medir tensión y corriente
en las tres fases del motor, pero permiten obtener un mayor
rendimiento y un torque mecánico más estable. La ventaja
adicional de estos enfoques, es que son también aplicables a
motores PMSM e incluso a motores de inducción, al igual que
el SPWM.
B. Conversor DC/AC Bidireccional
A fin de mantener un diseño simple pero flexible, se
implementó un inversor trifásico básico, que se muestra en la
Fig. 3. Este circuito emplea SPWM, pero también puede
adaptarse a las otras técnicas de control antes mencionadas.
Fig. 3 – Conversor DC/AC bidireccional
El circuito tiene dos modos de trabajo:
• Modo motor: los transistores son conmutados por la
unidad de control y alimentan al motor.
• Modo regenerativo: los transistores permanecen
apagados, y los diodos en antiparalelo rectifican la BEMF
del motor.
La Fig. 4 muestra las formas de onda típicas para la
modulación SWPM. La señal resultante equivale a la
comparación de una señal modulante senoidal de referencia
con una señal triangular o portadora de alta frecuencia. La
relación entre las amplitudes de ambas señales se conoce
como “índice de modulación” y se simboliza como ‘m’:
(1)
Se puede demostrar que, para minimizar la distorsión total
armónica de la señal SPWM, es necesario usar un valor de ‘m’
igual a uno [10]. Esto implica que la amplitud de tensión de la
componente fundamental solo depende de la tensión del bus
DC, la cual será regulada por el conversor DC/DC, como se
explica en la próxima sección.
Fig. 4 – Formas de onda típicas de la modulación SPWM
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La Fig. 5 muestra el conversor DC/AC construido. Los
seis transistores MOSFET que lo componen conmutan según
las señales SPWM recibidas desde la unidad de control y
amplificadas por los drivers integrados que se observan en la
parte izquierda de la imagen.
Fig. 5 – Placa del conversor bidireccional DC/AC
C. Conversor DC/DC Bidireccional
Como se mencionó en la sección II, el conversor DC/DC
tiene una doble función: reducir la tensión de batería para
proveer un nivel de bus DC adecuado para el inversor y
además aumentar la tensión entregada por el motor y
rectificada por el conversor DC/AC para recargar la batería
durante el frenado regenerativo.
Ambos objetivos se alcanzan mediante la estructura
semipuente propuesta en la Fig. 6, que muestra un conversor
DC/DC bidireccional capaz de implementar una topología
Buck o Boost, según el flujo de potencia y el estado de sus
transistores. Este esquema se conoce como pulsador de Clase
C o de “dos cuadrantes” [11]. Se empleó dicho circuito dado
que no era necesario poder reducir y elevar en ambos sentidos;
en tal caso se hubiese empleado una topología de puente
completo o Clase E, como se propone en [11] o [12].
Al igual que el circuito DC/AC, este módulo también tiene
dos modos de trabajo, según el sentido del flujo de potencia:
• Modo motor: el transistor T2 permanece al corte,
mientras que los componentes T1 y D2 forman un
conversor Buck que reduce la tensión de la batería al valor
necesario en el bus DC.
• Modo regenerativo: el transistor T1 permanece al corte,
mientras que los componentes T2 y D1 forman un
conversor Boost que aumentan la tensión del bus DC para
cargar la batería.
Fig. 6 – Conversor DC/DC bidireccional
La Fig. 7 muestra el conversor DC/DC terminado. El
inductor de almacenamiento de energía magnética fue
diseñado y construido usando un toroide de ferrita cuya
sección fue intencionalmente sobredimensionada. Esto reduce
el riesgo de saturación de flujo magnético en caso de
producirse altas corrientes al manejar potencias mayores [13].
La Fig. 8 muestra el montaje de las dos etapas de potencia.
Fig. 7 - Placa del conversor bidireccional DC/DC
Fig. 8 – Montaje final de las etapas de potencia
IV. UNIDAD DE CONTROL
A. Placa EDU-CIAA-NXP y Microcontrolador LPC4337
Para el desarrollo de este proyecto, se usó una placa EDU-
CIAA-NXP como unidad de control. Esta placa es resultado
del Proyecto CIAA (Computadora Industrial Abierta
Argentina) [14], que tiene por objetivo diseñar y producir
sistemas embebidos de propósito general con múltiples
aplicaciones en ámbitos industriales y académicos.
La placa EDU-CIAA-NXP se basa en un
microcontrolador LPC4337 [15], el cual contiene dos núcleos
ARM Cortex de 32 bits, así como un gran número de
periféricos (USART, I2C, SPI, ADC, DAC, Ethernet, SCT,
GPIO, etc.) que permiten su uso en un amplio espectro de
aplicaciones.
El núcleo principal del LPC4337 es un ARM Cortex-M4F
[16] que cuenta con soporte de instrucciones SIMD (del inglés
Single Instruction Multiple Data) para procesamiento digital
de señales (DSP, por sus siglas en inglés) y unidad de punto
flotante en hardware para realizar operaciones sobre datos en
formato IEEE 754 [17] en un único ciclo de reloj.
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El segundo núcleo es un ARM Cortex-M0 [18], el cual
actúa como un coprocesador para el M4F. Está diseñado para
gestionar los periféricos y así liberar al núcleo principal para
tareas de mayor complejidad computacional. Ambos núcleos
pueden funcionar hasta una frecuencia máxima de 204 MHz,
y están conectados a los periféricos a través de una matriz
AHB (del inglés Advanced High-performance Bus). Además,
pueden intercambiar datos a través de una zona compartida de
memoria, e interrumpirse mutuamente a través de una línea
dedicada, con la instrucción SEV (del inglés Send Event).
B. Arquitectura de Firmware
La Fig. 9 resume la arquitectura del firmware embebido
representando los núcleos, periféricos y tareas involucradas.
Éste fue escrito en C, y las secciones críticas se optimizaron
en lenguaje ensamblador.
El núcleo ARM Cortex-M4F funciona como maestro, y
sus tareas incluyen:
• Selección del modo de operación: según los comandos
del usuario, el sistema configura diversos valores de
referencia, principalmente la frecuencia de salida trifásica
y la tensión del bus DC. Dicha tensión se calcula a partir
de una función lineal conocida como “relación V/f” o
“relación tensión-frecuencia”, que depende de cada
motor y expresa la tensión que debe aplicarse según la
frecuencia modulante SPWM, a fines de mantener un flujo
magnético constante en el interior de la máquina.
• Controlador DC/AC: En modo motor, se usa la
frecuencia de referencia para actualizar fase y ciclo de
trabajo de las señales trifásicas de salida provistas al
inversor. Se utiliza para ello una LUT (del inglés Look-Up
Table) precargada que reduce el tiempo de cálculo.
• Driver ACS712: La unidad de control mide la corriente
en el bus DC mediante un sensor de efecto Hall ACS712
de la empresa Allegro [19], el cual debe ser
adecuadamente calibrado y filtrado para obtener una
medición exacta.
• Gestión Bluetooth: Este bloque reporta el estado del
sistema (tensión, corriente y frecuencia) y los eventos
asíncronos (comandos) a la aplicación móvil mediante un
módulo Bluetooth HC-06 [5] conectado al LPC4337
mediante USART. También recibe comandos del usuario
a través de dicha aplicación y actualiza el modo de
operación.
• DSP y control digital DC/DC: Como se ve en la Fig. 10,
el núcleo M4F implementa un controlador digital PI
(Proporcional - Integral) para calcular el ciclo de actividad
que regula la tensión del bus DC a un valor de referencia
dado por la relación V/f configurada en la unidad de
control. Este método de control de la tensión aplicada a la
máquina se conoce como control escalar [20]. Los
coeficientes del controlador se calcularon inicialmente
mediante simulaciones y luego se ajustaron
empíricamente.
Fig. 10 – Esquema de regulación de la tensión del bus DC
El controlador PI fue implementado como una estructura
IIR (del inglés Infinite Impulse Response) canónica o de
forma directa II [21]. Para evaluar el desempeño de este filtro
se escribió el mismo algoritmo usando tres variantes:
lenguaje C, lenguaje ensamblador ARM Thumb y lenguaje
ensamblador optimizado mediante instrucciones SIMD. La
tabla I muestra el tiempo medio de filtrado por muestra para
cada variante y la mejora obtenida respecto al caso base de
código en C.
TABLA I - C VS ASM VS SIMD EN EL NÚCLEO ARM CORTEX-M4F
Mediciones al filtrar 256
muestras en formato Q14
Implementación del filtro
C
ASM
SIMD
Ciclos de reloj consumidos
55148
17456
16428
Tiempo por muestra en nseg
(a 204 MHz)
1055,98
334,25
314,56
Mejora respecto de código C
0%
68,35%
70,21%
Se puede ver que la implementación en C insume 3,36
veces más tiempo de cálculo que la variante optimizada
mediante SIMD. Al aumentar la tasa de muestreo del lazo de
control para mejorar su desempeño o agregar nuevas
funcionalidades al núcleo, el consumo excesivo de tiempo
podría llevar a la sobrecarga del microcontrolador y el mal
funcionamiento del firmware. Esto podría provocar fallas en
las secuencias de conmutación de las etapas de potencia. Por
lo tanto, es importante optimizar las secciones de
procesamiento para mejorar la confiabilidad del sistema.
Fig. 9 – Arquitectura de firmware y uso de hardware del microcontrolador LPC4337
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El modo de operación y los ciclos de trabajo calculados
en los lazos de control son almacenados por el M4F en una
región de memoria accesible por ambos núcleos. El ARM
Cortex M0 lee estos valores y genera las salidas PWM a 20
kHz. Como el M0 carece de un System Timer (SysTick)
dedicado, depende de timers periféricos para actualizar su
estado. Además, usa el SCT (del inglés State Configurable
Timer) para automatizar la conmutación del conversor
DC/DC.
La arquitectura doble núcleo que se propone en este
trabajo ofrece varias ventajas respecto a una implementación
mononúcleo. Por un lado, al reducir las tareas del M4F se
reduce el riesgo de sobrecarga y se mejora su confiabilidad.
En aplicaciones donde el consumo o disipación de potencia
sean factores críticos, esto se puede aprovechar para dejar al
núcleo en un estado inactivo. Por el otro, al dedicar el M0 de
forma exclusiva a la gestión de periféricos, éstos se utilizan
más eficientemente y no se requieren dispositivos externos. El
firmware diseñado sigue un patrón productor-consumidor, y
los núcleos M4F y M0 asumen respectivamente esos roles.
C. Diseño de una Nueva Unidad de Control
Una vez que el firmware fue implementado y verificado
con la placa EDU-CIAA-NXP se diseñó una unidad de
control ad-hoc también basada en el LPC4337. El objetivo de
este nuevo diseño fue obtener un controlador de menor costo
y tamaño, más adecuado para una eventual versión de
producción del sistema propuesto.
La nueva placa (cuya fotografía se muestra en la Fig. 11)
usa un módulo step-down para reducir la tensión de la batería
a 5V, y un regulador lineal LM7833 [22] para generar la
alimentación de 3,3 V. También incluye los módulos HC-06
y ACS712, así como la interfaz de debug [23] y los diversos
componentes auxiliares necesarios para la operación del
microcontrolador (capacitores, cristal, reset, interfaz JTAG).
Fig. 11 – Unidad de control final, conectada a las etapas de potencia
V. APLICACIÓN MÓVIL
Como se explicó en la sección I, este prototipo se
comunica con el usuario mediante un enlace Bluetooth,
reportando datos y recibiendo comandos. A este fin se diseñó
una aplicación móvil para sistemas operativos Android,
empleando la herramienta libre Android Studio [24].
La aplicación muestra una interfaz gráfica que se muestra
en la Fig. 12 y que permite al usuario conectarse al
dispositivo, monitorear su velocidad o estado de batería,
enviar comandos y ver o almacenar gráficos de potencia
consumida y regenerada.
Fig. 12 – Pantalla principal de la aplicación Android
La arquitectura de la aplicación se compone por seis
clases escritas en Java, mientras que los recursos gráficos y
el layout de la interfaz están descritos en archivos XML.
VI. RESULTADOS
A. Prototipo Mecánico
Además de los sistemas descritos, se construyó un
modelo mecánico de una e-bike, a fin de simular un entorno
de operaciones real para el prototipo. Dicho modelo se
muestra en la Fig. 13, y está compuesto por la batería LiPo y
el motor BLDC conectado a un volante de inercia realizado
mediante impresión 3D. Además, se agregó un manubrio real
que contiene los botones de comando, un soporte para
teléfono móvil y un freno de bicicleta modificado para
combinar los frenos mecánico y eléctrico (regenerativo)
según la fuerza ejercida.
B. Mediciones
Se realizaron diversas pruebas y mediciones a cada uno de
los módulos del proyecto durante su desarrollo. Por ejemplo,
la Fig. 14 muestra la salida del inversor DC/AC en modo
motor. Las formas de onda de la tensión coinciden con las
observadas en las simulaciones realizadas en la fase de diseño.
Fig. 13 – Prototipo final y modelo mecánico
Fig. 14 –Salida del inversor (tensión fase-neutro)
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Haciendo uso del conector USB para debug en la placa se
realizaron mediciones sobre el regulador DC/DC. La Fig. 15
muestra la tensión del bus DC en función de la frecuencia de
salida, y la recta de regresión lineal entre ambas variables. Por
acción del controlador PI, el regulador sigue la relación V/f
configurada, de 100 mV/Hz con un valor a 10 Hz de 500 mV.
El error cuadrático medio de la tensión de salida fue de 39,85
mV; es decir, un error relativo del 2,66%.
Fig. 15 – Mediciones y regresión lineal de la relación tensión-frecuencia
Las Fig. 16 y 17 muestran el comportamiento de la tensión
y la corriente en el bus DC durante una rampa de aceleración
seguida de frenado del motor.
Fig. 16 – Tensión en el bus DC
Fig. 17 – Corriente en el bus DC
El volante de inercia utilizado posee una masa de 198 g,
con un diámetro de 10 cm, dando por resultado un momento
de inercia aproximado de 495 µKg.m
2
. Para estos valores, la
energía cinética acumulada en los ensayos está en el orden de
2,71 J a una velocidad de 1000 RPM.
Las mediciones de energía regenerada están en torno al
3%, muy cerca del 5% típico para vehículos eléctricos
livianos como e-bikes. Para VE con mayor masa, como
automóviles, la recaptura de energía se ubica entre el 20 y el
30 %. Sin embargo, estos valores dependen en gran medida
del escenario, entorno y forma de manejo del usuario [25].
VII. CONCLUSIONES
A lo largo de este trabajo se describe el desarrollo de una
unidad completa de control y potencia para motores BLDC
en vehículos eléctricos. El diseño partió de un estudio de las
tendencias actuales y la definición de una arquitectura capaz
de cumplir con las especificaciones surgidas de ese análisis.
De acuerdo a los requerimientos de flujo de potencia entre
la batería y el motor, se desarrollaron dos conversores
bidireccionales DC/DC y DC/AC, los cuales se diseñaron,
ensayaron y verificaron individualmente.
Se ensayaron dos placas (EDU-CIAA-NXP y la diseñada
ad-hoc para el presente trabajo) basadas en el
microcontrolador LPC4337 como unidades de control,
aprovechando su arquitectura de doble núcleo. Las tareas de
firmware se distribuyeron entre los núcleos ARM Cortex
M4F y M0, y las secciones de DSP se optimizaron empleando
instrucciones SIMD, obteniendo mejoras notorias en los
tiempos de cálculo. También se diseñó una aplicación móvil
que facilita la interfaz de usuario mediante una conexión
Bluetooth.
En este punto, se demuestra que el estudio profundo de
las posibilidades ofrecidas por el microcontrolador empleado
(arquitectura doble núcleo, periféricos, set de instrucciones)
fue clave para optimizar el desempeño del mismo en términos
de costo, consumo y capacidad de procesamiento.
Finalmente, el sistema completo fue ensayado mediante
el modelo mecánico de una e-bike. El tren de potencia y la
interfaz de usuario cumplieron las funciones esperadas, y se
identificaron varios puntos de posible mejora para trabajo
futuro. Por ejemplo, mediante la adición de nuevos sensores
para implementar técnicas de control vectorial o FOC.
El proyecto desarrollado muestra las numerosas
cuestiones técnicas involucradas en el desarrollo de
subsistemas para vehículos eléctricos, que involucran desde
el diseño de etapas de potencia y el estudio de máquinas
eléctricas a la programación de sistemas embebidos. Estos
temas serán ampliamente estudiados en los próximos años, a
medida que los sistemas de movilidad eléctrica evolucionen
y se vuelvan más utilizados en todo el mundo.
VIII. AGRADECIMIENTOS
El prototipo descrito conforma el Proyecto Final para la
carrera de Ingeniería Electrónica de los autores, quienes
desean agradecer a todos aquellos que ayudaron en su
desarrollo, incluyendo amigos, colegas, docentes, tutores y
familiares.
También agradecen al Departamento de Ingeniería
Electrónica y al grupo de Aplicaciones de Sistemas
Embebidos de la UTN FRH por poner a disposición los
laboratorios, instrumentos y recursos técnicos requeridos para
este desarrollo.
Finalmente, se agradece a CITEDEF (Instituto de
Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa) por
su colaboración en la fabricación de la unidad de control.
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Revista elektron, Vol. 3, No. 2, pp. 84-90 (2019)
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