[Conversor Buck] Artigo Controle Digital

7/27/2019 [Conversor Buck] Artigo Controle Digital

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UTFPR PB Controle Digital 1

PROJETO E IMPLEMENTAO DE UM CONVERSOR BUCK

Diego Dias Pinheiro, Felipe Crestani dos Santos, Marcio SbeghenUNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN

CAMPUS PATO [email protected]; [email protected]; [email protected];

Resumo: Este artigo aborda as etapas de projeto eimplementao de um conversor CC-CC abaixador,denominado conversor Buck. Ser descrito as etapas demodelagem do circuito, determinao de parmetros de tensoe corrente, bem como filtros, e ainda como foi realizado o

processamento digital de sinais para o controle de tenso deste

conversor.Palavras Chaves: Conversor Buck, Controlador,Processamento Digital de Sinais.

Abstract: This article discusses the steps of design andimplementation of a step-down DC-DC converter, called Buckconverter. Steps will be described modeling circuit,determination of parameters of voltage and current, as well asfilters, as well as done the digital signal processing to controlthe voltage of this converter.

Keywords: Buck Converter, Controller, Digital SignalProcessing.

1 INTRODUO

As estruturas mais simples, como as dos conversoresbuck, boost e buck-boost, so largamente utilizadas em umgrande numero de aplicaes, assim como as verses isoladasderivadas, como os conversores fly-back, forward e em ponte.Alm destas topologias, devem-se considerar ainda osconversores Cuk, SEPIC e Zeta, com suas variantes, que

permitem caractersticas estticas dos tipos abaixadora,elevadora e abaixador-elevadora de tenso [1].

Neste trabalho iremos detalhar as etapas de projeto deum conversor CC-CC, abaixador (Buck) onde a alimentao

pode ser de uma fonte contnua, como por exemplo, de umbanco de baterias, ou pode ser de um circuito de correntealternada (CA) onde ter uma retificao e filtragem destesinal. O controle do fluxo de potncia feito por componentessemicondutores de potncia (diodos, MOSFETs, IGBTs, etc).Por utilizarem elementos passivos no dissipativos edispositivos semicondutores, a dissipao de potncia emconversores estticos baixa, fazendo com que alcancemrendimentos superiores a 90%.

Para que se tenha uma aplicao prtica, estes

conversores devem ter uma constncia das grandezas,principalmente de tenso e corrente, de forma que ao adicionarou retirar cargas este continue fornecendo uma tensoconstante. Para isso ser detalhado o projeto e implementaode um sistema de controle, utilizando processamento digital desinais.

2 CONVERSOR BUCK

O conversor CC-CC Buck um conversor que tem comofuno principal rebaixar a tenso de entrada. Para este projetofoi utilizado uma fonte de tenso em corrente alternada (CA)de 90 V, onde esta tenso passou por um circuito retificador,

utilizando uma ponte retificadora e filtro.A figura 1 mostra de uma forma geral o funcionamento de umconversor Buck, onde consiste basicamente de uma fonte dealimentao CC, uma chave S, esta chave na prtica umelemento de chaveamento, pode ser um mosfet, transistor, ououtro componente para trabalhar em altas frequncias, umdiodo D, um indutor L, um capacitor C e uma carga resistiva R[2].

O conversor Buck tem uma tenso nos seus terminais de sada(Vo) com valor mdio inferior ao valor da tenso aplicada emsua entrada (Vi), da o nome abaixador.

Figura 1 Circuito de um conversor Buck

A chave S possui dois estagios de funcionamento, umquando esta aberta e outro quando esta fechada. Quando a

chave esta fechada o diodo esta polirizado reversamente e atenso de entrada vai estar sendo aplicado sobre a carga e ocapacitor de saida, de forma que vai estar carregando estecapacitor.

Quando a chave estiver aberta a tenso de entrada no vai estarpassando para o resto do circuito. Neste momento a correnteque circular pela carga ser proveniente da descarga docapacitor. Na figura 2 pode ser verificado como fica o circuitode conversor durante o instante de tempo em que a chave ficaaberta e em conduo.


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Figura 2 Circuito Equivalente Conversor Buck. (a) Com achave em conduo. (b) Com a chave Aberta.

O tempo que a chave ficar fechada dado pelarelao de tenso de entrada no conversor e a tenso de saida,esta relao chamada razo ciclida (D), e dado pelaexpresso abaixo.

= O efeito do chaveamento pode ser observado pela

ocorrncia de pequenas oscilaes na tenso de sada. A

velocidade de comutao de S e o filtro LC interferemdiretamente na amplitude dessa variao e, desta maneira, noripple da tenso de sada fornecida pelo conversor.

2.1 Modo de Conduo Contnua edescontnua

O modo de conduo contnua (CCM) definido nomodo em que a corrente que circula no indutor no vai a zeroantes que a chave seja religada. A obteno da relaoentrada/sada pode ser feita a partir do comportamento doelemento que transfere energia da entrada para a sada. Sabe-seque a tenso mdia sobre uma indutncia, em regime, nula, a

forma de onda deste modo de conduo pode ser verificado nafigura 3.

Outro modo de conduo o modo de conduodescontnua (DCM) O modelamento que se segue pressupeum comportamento de corrente constante na sada. Caso ahiptese seja de resistncia constante ou de potncia

constante, as equaes resultantes so diversas daquelas oraapresentadas. Normalmente este modo de conduo ocorrequando esta carga resistiva muito grande ou a frequncia dechaveamento muito baixa.

Figura 3

Formas de onda de um conversor Buck emmodo de conduo contnua e descontinua.

2.2 Modelagem do Conversor Buck

O modelo Matemtico que descreve este conversor dado em funo da chave S, uma equao para quando achave esta aberta e outra para quando a chave esta emconduo. O modelo foi encontrado em funo de equaes (1-4) de espaos de estados, que seguem:

Para a chave aberta:

= + (1) = (2)

Para a chave Fechada:

= + (3) = + (4)

Com as equaes de chave aberta e chave fechada, o modelo de

espao de estados pode ser representado pelas equaes (5-6):

Chave aberta:

= 1 1 1 0

+ 00 (5)Chave fechada:

= 1

1

1 0 + 01

(6)Percebe-se que as equaes de espaos de estados a

mesma em ambos os circuitos (chave aberta e chave fechada),sendo assim o que vai mudar a tenso de entrada doconversor (Vi).

Uma vez obtidas as matrizes de espaos de estados,foi utilizado o software Matlab para simular os ndices dedesempenho do conversor.

Para os clculos dos componentes foi verificado requisitos do

projeto, que seguem:

Vo = 60V (tenso de sada) Io = 3A (corrente de sada) Il = 1,5 A (Variao de corrente no indutor) f = 12KHz (frequncia de chaveamento) Po = 180 Watts (Potncia de sada)

Resistor de carga:

= 2 = 602180 = 20Clculo do capacitor

= 2... = 0,5.32. . 12000.0,05.60 = 6,7


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Clculo do Indutor

Para o clculo do indutor precisamos saber a razo cclica (D)de modo que se tenha o modo de conduo contnua.

=

=

60

63,5

2= 0,66

= . ().. = 60. 89,8 6090.1,5.12000 = 1,12.3 FILTRO E SATURADOR DE TENSO

Foi montado um circuito divisor resistivo paragarantir que a tenso no ultrapasse os 3,1V, tenso suportada

pelo conversor analgico digital (A/D) do microcontrolador.Para garantir que esta tenso no ultrapasse este valor foi aindaadicionado um circuito saturador, ou seja se por algum tipo defalha em outra parte do circuito, o divisor de tenso devermanter a tenso que vai para o conversor A/D domicrocontrolador no supere 3,1V. Foi ainda adicionado aocircuito um filtro ativo passa baixa de segunda ordem.

A figura 4 mostra o circuito do filtro passa baixajuntamente com o divisor resistivo. Considerando uma tensode sada (Vo) igual a 3,1V e uma tenso de entrada (Vi) igual a60V. Aplicando a equao (7) abaixo pode-se encontrar osvalores dos resistores do circuito divisor resistivo.

= (7)

Figura 4Filtro Passa Baixa e divisor resistivo.

A funo de transferncia deste filtro dado pelaexpresso abaixo:

E o ganho (G) dado pela equao (8):

= 1 + 34 (8)Como queremos um ganho untrio o resistor R4 ser

um circuito aberto e o resistor R3 ser um curto-circuito. Sendo

assim, os valores encontrados para os componentes do filtro edo divisor resistivo foram os seguintes:

Ra = 10k; Rb = 1k; R1 = 4,7 k; R2 = 470 ;

C1 = 330uF; C2 = 22nF.

2.4 OPTO ACOPLADOR

Para proteo do microcontrolador foi utilizado umacoplador tico, de modo que no se tenha um acoplamentofisico ente o microcontrolador e o conversor. O dispositivoutilizado foi 4N25. Para que se tivesse este isolamento, foiutilizado um trafo isolado de 127VCA, com saida 12+12VCA,

esta tenso foi retificada e filtrada. E o mosfet (IRF640)utilizado como chave do conversor bucknecessitando de umatenso de 20VCC para seu acionamento, utilizando umregulador de tenso para garantir esta alimentao.

3 CONTROLADOR

Para realizar o controle deste conversor foi utilizadoum controlador do tipo PI.

A relao entre a sada Y(s) e a entrada X(s) dada pela funode transferncia apresentada na equao (9):

= + (9)Onde: Kp o ganho proporcional e Ti o ganho integral,sendo, portanto, os parmetros de ajuste do controlador.

A principal funo da ao integral fazer com quedeterminados processos sigam, com erro nulo, um sinal dereferncia do tipo degrau. Entretanto, a ao integral seaplicada isoladamente tende levar o sistema para instabilidade.Para contrabalanar este fato, a ao integral em geralutilizada em conjunto com a ao proporcional constituindo-seo controlador PI, cujo sinal de controle dado pela equao(10):

= [ + 1 ()]0 (10)A ao de controle proporcional cresce na medida em

que cresce o erro entre o valor real e o desejado, contudo noconsegue fazer com que o erro seja nulo. Maiores valores de Kdiminuem o erro em regime permanente, diminuem o tempo deresposta, contudo podem tornar o sistema oscilatrio.

O objetivo da ao integral complementar a aoproporcional e permitir que o valor da sada permanea novalor desejado, sem que haja problema com a estabilidade do

sistema.

Para implementao do controlador necessriodiscretizar a equao do controlador de forma que se possaimplementar de forma digital no microcontrolador. A equaodo controlador discretizada pode-se utilizar a aproximao


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retangular para a integral, obtm-se uma forma recursiva naequao (11):

= 1 + 0 + 1 1 (11)Onde: 0 =

1 =

1

Sendo que: Ts o perodo de amostragem.

Para implementao deste controlador foi utilizado omicrocontrolador Piccolo da Texas Instruments. O cdigo deimplementao comentado em anexo.

4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

O conversor pode ser visualizado na figura 5, ondeconsta as partes do projeto.

Figura 1 - Circuito Buck

Foram realizados testes com o conversor em malhafechada, com a atuao da ao de controle, sendo realizadostestes com diversas cargas, e tambem alterando os ganhos

proporcional e integral do controlador.

Na figura 6 podemos ver como ficou razo ciclca do

PWM e a tenso de saida do conversor quando aplicado umacarga de 80.

Figura 6 Forma de onda saida conversor com carga de80.

Na figura 7 podemos ver como ficou razo ciclca doPWM e a tenso de saida do conversor quando aplicado umacarga de 160.

Figura 7 Forma de onda sada conversor com carga de160.

Na figura 8 podemos ver como ficou razo ciclca doPWM e a tenso de saida do conversor quando aplicado uma

carga de 300.


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Figura 8 Forma de onda sada conversor com carga de300.

Um ultimo teste foi realizado alterando online porsoftware o ganho Kp e o melhor ganho encontrado para foiKp = 0.001, onde o sistema se tornou mais estvel em relaoaos demais testes. Na figura 9 pode ser verificado o resultadodo teste com a mesma carga apresentado na figura 7.

Figura 9 Forma de onda sada conversor com carga de160 com melhor ganho testado.

5 CONCLUSES

Algumas alteraes tiveram que ser realizadas durante oprojeto e implementao deste conversor, tais como valores decomponentes que tiveram que ser adquiridos com valores

comerciais, tambm teve o indutor que teve que ser enroladomanualmente, pois com valores comerciais no foi encontado.

O que podemos concluir que a regulao de tensoindependente da carga foi satizfatria, ainda teve um tempo deacomodamento muito rpido. Quanto a overshut no foi

possivel detectar, mesmo quando alterado a carga de maneirabrusca.

De um modo geral o conversor se comportou de acordo com asespecificaes de projeto.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] J. A. Pomilio, Fontes Chaveadas, apostila de ps-graduao, FEEC UNICAMP,http://www.dsce.fee.unicamp.br/%7Eantenor/fontchav.html

[2] L. LaraTajiri, Proposio de um controlador digital paraconversores Buck e Boost usando a teoria de conjuntosaproximados, tese Msc., PPGEE, Univ. Fed. Itajub, MG,2009.

[3] A. Pertence Junior, Filtros ativos em Amplificadores

operacionais e filtros ativos, 2a Edio, So Paulo Brasil:

McGraw-Hill, pp. 182-203.

[4] B. C. Kuo. Digital Control Systems, 2 ed. OxfordUniversity Press, 1992.

ANEXOCDIGO COMENTADO (AO DECONTROLE)

#include"DSP28x_Project.h"...interrupt void epwm2_interrup(void){EPwm2Regs.ETCLR.bit.INT = 1;//Apagar o flag de

interrupo

PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP3;//Reconheceresta interrupo para poder receber mais interrupes dogrupo 3, ou seja do ePWm1 at ePWM2

GpioDataRegs.GPBSET.bit.GPIO34=1;//fazer piscar ledpara ver se a interrupo est funcionandotensao = (AdcResult.ADCRESULT0);// Tenso medida nacarga.

GpioDataRegs.GPBCLEAR.bit.GPIO34=1; // Pisca ledindicando que entrou na interrupo

ef = tensao - Vref; // Sinal de erro

//intf = intf + ef;uf = ui + ef*(Kp + Ki*Ts) - ei*Kp; // Ao de Controle

//uf = Kp*ef + Ki*intf*Ts;

// Saturadorif (uf > 4080){

uf = 4080;}if (uf < 0){

uf = 0;}

// Final da Saturao

ei = ef; // Atualizando o sinal do erroui = uf;// Atualizando a ao de controle

duty_cycle = uf;// Enviando para o PWM

}...
http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/fontchav.htmlhttp://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/fontchav.html

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