Monitoraggio e Valutazione delle Monitoraggio e Valutazione delle Prestazioni dei ConvertitoriPrestazioni dei Convertitori

U NIVERSITÀ di P ^ISA

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria Informatica

Monitoraggio e Valutazione delle Monitoraggio e Valutazione delle

Prestazioni dei Convertitori Prestazioni dei Convertitori

Anno Accademico 2005/2006

Pisa, 20 Luglio 2006

Relatori:

Chia.mo Prof. Ing. Aldo BALESTRINO Prof. Ing. Alberto LANDI

Candidato:

Emanuel LUCHETTI

Obiettivo

Ricavare regole di corrispondenza tra:

● le grandezze caratteristiche di un processo

● le variabili di misura che lo rappresentano

al fine di rilevare eventuali variazioni del punto di lavoro dovute a:

● disturbi temporanei

● cambiamenti parametrici dell’impianto per:

● determinare e/o valutare lo stato di

funzionamento del processo in tempo reale.

Processo considerato

Anello di controllo:

● Convertitore di Potenza Switching Buck.

● Controllore di Tipo PI.

Ambito di interesse

Determinare una relazione tra:

● la tensione di uscita V

_o

del convertitore

● un parametro circuitale del dispositivo

mediante:

● Tecniche Automatiche di Predisposizione per Controllori a Relè (Relay Autotuning Method) per la stima della Pulsazione Critica caratteristica

associata al processo per monitorare la sua dinamica.

Sommario

● Modellazione del Convertitore Buck.

● Ambito di Interesse del Monitoraggio.

● Monitoraggio con Tecnica a Relè - Mod. Medio SSA.

● Identificazione del Convertitore Buck.

● Monitoraggio con Tecnica a Relè - Mod. Identificato.

● Conclusioni e Sviluppi Futuri.

Modellazione Convertitore Buck

● Tecnica di media nel tempo delle equazioni che descrivono il circuito nello spazio di stato State- Space Averaging SSA.

● Il modello tiene conto delle resistenze parassite dei componenti circuitali, determinanti per la dinamica della risposta del convertitore.

Modello Medio SSA con Resistenze Parassite

1 1 1 1

) 1

)(

1 (

2  



 

 

 







 



s R RC

s L LC

s V Crc

G(s) ⁱⁿ

 



 ^R

D rd D

rt rl

rc      '

 

R rd rt

D(  )







ratio V duty

D V

in

o 



Modellazione Convertitore Buck

● Implementaziontazione mediante Matlab Ver. 7.0 (The Mathworks, Inc.), con toolbox Simulink Ver. 6.0 e libreria SimPowerSystems.

● Il modello tiene conto delle resistenze parassite dei componenti circuitali, e dei circuiti serie R

s

C

s

di snubbers degli elementi di commutazione.

Modello Switching: Implementazione Simulink

Modellazione Convertitore Buck

Analisi Modello Medio SSA

1 1 1 1

) 1

)(

1 (

2  



 

 

 







 



s R RC

s L LC

s V Crc

G(s) ⁱⁿ

 





R

D rd D

rt rl

rc      '

 

R rd rt

D(  )







in o

V D  V

● Il convertitore è caratterizzato da una dinamica del secondo ordine decisa dal filtro di uscita RLC.

● Una variazione della tensione di alimentazione V

_in

comporta una variazione del guadagno del processo a ciclo aperto.

● Una variazione dei parametri circuitali (R,L,C) comporta

una variazione dei poli del processo a ciclo aperto.

Modellazione Convertitore Buck

Analisi Modello Switching (Simulink)

● A causa delle commutazioni dell’elemento di switch è presente sulla tensione di uscita una ondulazione residua (ripple), considerata ”rumore”.

● Per il buon funzionamento del sistema occorre ridurre tale effetto negativo sulla stima della Pulsazione Critica effettuata, mediante filtri di tipo passa-basso o dispositivi a relè dotati di isteresi.

Ambito Interesse Monitoraggio

Idea

Utilizzare questa ”sorta” di separazione tra gli effetti

della tensione di alimentazione V

in

del convertitore e

dei parametri circuitali sul sistema in modo da capire

il suo stato di funzionamento monitorando in tempo

reale la tensione di uscita V

o

.

Ambito Interesse Monitoraggio

●

V_in nota o di facile determinazione: predisporre un sistema di controllo in base a sue possibili variazioni non presenta particolari problemi.

●

Variazioni della resistenza di carico R comportano una desintonizzazione del controllore (prestazioni scadenti).

Una sua misura diretta in implementazioni allo stato solido non è fisicamente possibile.

Ambito Interesse Monitoraggio

V_in V_o duty-ratio

24V 12V D=0.5

Resistenza di Carico: 210

Frequenza di Commutazione: 20kHz

Determinare possibili variazioni di resistenza di carico R solamente monitorando la tensione di uscita V

o

del Convertitore Buck (grandezza di misura facilmente disponibile).

Scopo

Punto di

Lavoro Convertitore:

Parametri Nominali

Componenti Convertitore:

C 470F rc 0.1

L 0.94mH rl 0.258

rt 0.01

rd 0.01

Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA

Schema di Taratura Robusta Automatica a Relè di K.K. Tan, T. H. Lee e X. Jiang

● La non linearità (Relè con Isteresi) è chiusa in

retroazione su un anello esterno costituito dal

processo completo (Convertitore Buck-Controllore PI).

Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA

● La stima del punto critico viene effettuata senza interferire con l’anello interno di controllo che non è aperto durante le operazioni di stima e/o monitoraggio.

● Il periodo dell’oscillazione indotta dal relè è quello

dell’oscillazione richiesta dai metodi automatici di

predisposizione per controllori di tipo PI/PID.

Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA

● Per rilevare la Pulsazione Critica del sistema è utilizzato il blocco “misuratore_pulsazione”

(Simulink).

● Rileva la pulsazione del segnale in ingresso mediante una misura del suo periodo (intervallo di tempo tra due successivi passaggi per lo zero).

Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA

Implementazione Simulink schema rilevazione Pulsazione Critica

● Impl. Switching Convertitore Buck (PWM+Convertitore)

● Modello Medio SSA Convertitore Buck

● Misuratore

Pulsazione Critica

Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA

Riepilogo Risultati delle Simulazioni

● Il valore della Pulsazione Critica è funzione della resistenza di carico del convertitore.

● All’aumentare del carico alimentato la Pulsazione Critica diminuisce.

● I valori restituiti dalle

simulazioni per i due

modelli analizzati sono

diversi tra loro.

Identificazione Convertitore Buck

● Il Modello Medio SSA non è un “buon” modello dinamico poiché il relè mantiene il convertitore sempre in uno stato transitorio.

● Identificazione mediante Metodo Funzioni Modulanti.

● Libreria Matlab basata sulle funzioni spline di Maletinsky (Ing. L. Sani – DSEA).

● Identificazione Modello Medio “Lineare” Convertitore Buck (Matlab/Simulink) nell’ipotesi di piccole variazioni attorno ad un determinato punto di lavoro (small- signals model).

Tecnica delle Funzioni Modulanti

Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Identificato

● Impl. Switching Convertitore Buck (PWM+Convertitore)

● Modello Medio

Lineare Convertitore Buck Identificato

(Funzioni Modulanti)

Implementazione Simulink schema rilevazione

Pulsazione Critica

Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Identificato

Confronto tra la Pulsazione Critica del Processo Identificato e del Modello Switching in funzione della resistenza di carico

● Il valore della Pulsazione Critica è funzione della resistenza di carico del convertitore.

● All’aumentare del carico alimentato la Pulsazione Critica diminuisce.

● I valori restituiti dalle

simulazioni per i due

modelli analizzati sono

sostanzialmente uguali.

Monitoraggio con Tecnica a Relè Confronto tra i Modelli

Pulsazione Critica del Processo in funzione della

resistenza di carico per i modelli analizzati

Conclusioni

● Il Modello Medio SSA e il Modello Switching (“reale”) hanno valori di Pulsazione Critica in funzione del carico resistivo alimentato.

● All’aumentare della resistenza di carico la Pulsazione Critica del processo diminuisce.

● Esiste una differenza tra i valori di Pulsazione Critica rilevati.

● Con schemi a Relè Robusto il Modello SSA non risulta molto accurato (il processo opera sempre in regime transitorio; parametri non precisi).

● Utilizzando il Modello Identificato (Tecnica delle

Funzioni Modulanti) è possibile dimostrare che la

relazione tra Pulsazione Critica e resistenza di carico

è valida.

Conclusioni

E’ possibile così stabilire il valore del

carico alimentato da un convertitore a

commutazione di tipo Buck monitorando

la sua tensione di uscita, inserendo in

modo intermittente un relè con isteresi

utilizzando lo Schema a Relè Robusto di

K. K. Tan, T. H. Lee e X. Jiang.

Sviluppi Futuri

● Riproporre lo stesso studio con software specifici per la simulazione di circuiti elettronici e di potenza (Spice; PSpice; Saber; MicroCap).

● Riproporre lo stesso studio in chiave strettamente sperimentale (Convertitore Buck reale e misure di laboratorio).

● Utilizzare lo stesso impianto concettuale per rilevare

le prestazioni del sistema in funzione dell’elemento di

commutazione discreto adottato nella

implementazione del convertitore (BJT,MOSFET).