Plano de Trabalho de Iniciação Científica

Fonte CC Controlada Baseada em Conversor Buck: Modelagem, Identificação e Controle

Autor

Kauã dos Santos Oliveira

Campo Informação
Aluno(a) Kauã dos Santos Oliveira
Matrícula 202433940013
Curso Engenharia Elétrica
Orientador Prof. Dr. Raphael Barros Teixeira
Unidade Faculdade de Engenharia Elétrica – Campus Universitário de Tucuruí (UFPA)
Projeto de pesquisa vinculado Identificação, Estimação e Controle Baseados em Dados e Inteligência Computacional Aplicados a Conversores de Potência e Acionamentos Elétricos
Período de execução 12 meses
Carga horária 20 horas semanais
Nota

Documento original (PDF assinado): PlanoIC01.pdf.

Resumo

Este plano de trabalho propõe o estudo, a modelagem, a simulação computacional e a implementação física de uma fonte CC controlada, composta por um retificador de onda completa a diodo, filtro capacitivo e conversor CC-CC Buck, com sensoriamento de tensão de saída e de corrente no indutor e acionamento das chaves por circuito de gate drive. A partir da planta implementada, será conduzida a identificação de sistemas da relação entre a razão cíclica (duty cycle) aplicada ao conversor Buck e a tensão de saída regulada, obtendo-se modelos lineares para uso em projeto de controladores. Serão então projetados, simulados e implementados três estratégias de controle em malha de tensão e de corrente: controlador Proporcional-Integral (PI) convencional, compensador PI Tipo 2 (amplamente utilizado em fontes chaveadas comerciais) e controlador preditivo baseado em modelo (MPC).

Objetivos

Objetivo Geral

Estudar, modelar, simular e implementar uma fonte CC controlada composta por retificador a diodo, filtro capacitivo e conversor CC-CC Buck, realizando a identificação de sistemas da relação entre razão cíclica e tensão de saída e o projeto, a simulação e a implementação de controladores de tensão e de corrente do tipo PI, PI Tipo 2 e preditivo (MPC).

Objetivos Específicos

  • Estudar os fundamentos teóricos da retificação de onda completa a diodo, do filtro capacitivo e do conversor CC-CC Buck, incluindo modos de condução contínua (MCC) e descontínua (MCD) e o princípio de modulação por largura de pulso (PWM);
  • Realizar o projeto analítico do estágio de potência da fonte CC, contemplando o dimensionamento da ponte retificadora, do capacitor de filtro, do indutor e do capacitor de saída do conversor Buck, e a escolha do dispositivo de chaveamento (MOSFET);
  • Estudar e especificar o circuito de gate drive para acionamento da chave do conversor Buck;
  • Estudar e especificar os circuitos de sensoriamento de tensão de saída e de corrente no indutor, incluindo condicionamento de sinal para aquisição em microcontrolador ou DSP;
  • Derivar o modelo de pequenos sinais do conversor Buck pela técnica de média no espaço de estados, obtendo a função de transferência entre razão cíclica e tensão de saída;
  • Simular o sistema completo (retificador, filtro, Buck, sensores e malhas de controle) no ambiente MATLAB/Simulink, validando o comportamento estático e dinâmico em malha aberta e malha fechada;
  • Implementar a bancada física da fonte CC controlada no laboratório de eletrônica de potência da FEE-CAMTUC;
  • Aplicar técnicas de identificação de sistemas por mínimos quadrados (convencional e recursivo) sobre a planta física implementada;
  • Projetar e implementar o controlador PI, o compensador PI Tipo 2 e o controlador MPC para as malhas de tensão e de corrente;
  • Comparar experimentalmente o desempenho das três estratégias de controle quanto a tempo de acomodação, sobressinal, erro em regime permanente e rejeição a perturbações de carga;
  • Elaborar relatórios técnicos parciais e final, e produzir material para eventual submissão a evento científico ou periódico.

Metodologia

O plano de trabalho será executado em oito etapas ao longo de 12 meses.

Etapa 1 — Revisão bibliográfica e fundamentação teórica

Estudo dos fundamentos de retificação a diodo, filtro capacitivo, conversor CC-CC Buck, modulação PWM, circuitos de gate drive e técnicas de sensoriamento de tensão e corrente em conversores estáticos.

Etapa 2 — Projeto analítico do estágio de potência

Dimensionamento da ponte retificadora e do capacitor de filtro; dimensionamento do indutor e do capacitor de saída do Buck para MCC; especificação do MOSFET, do gate drive e dos circuitos de condicionamento dos sensores. Derivação do modelo de pequenos sinais do conversor Buck no espaço de estados médio, obtendo a função de transferência entre razão cíclica e tensão de saída.

Etapa 4 — Implementação da bancada física

Montagem do estágio de potência, gate drive e sensoriamento no laboratório de eletrônica de potência da FEE-CAMTUC. Interface de aquisição de dados e geração de PWM em microcontrolador/DSP. Caracterização estática e dinâmica em malha aberta.

Etapa 5 — Identificação de sistemas

Excitação (PRBS ou degraus) na razão cíclica, com aquisição da tensão de saída, para identificação por mínimos quadrados convencionais (modelo ARX) e recursivos (fator de esquecimento variável). Validação cruzada frente ao modelo analítico de pequenos sinais da Etapa 2.

Etapa 6 — Projeto dos controladores de tensão e de corrente

  • PI: alocação de polos, estrutura em cascata (malha interna de corrente, externa de tensão);
  • PI Tipo 2: projeto por resposta em frequência (margem de fase/ganho), otimizado para rejeição a perturbações de carga;
  • MPC: horizonte de predição finito, com restrições de razão cíclica e corrente máxima, a partir dos modelos ARX identificados.

Etapa 7 — Implementação embarcada e testes experimentais

Implementação dos três controladores em microcontrolador/DSP, testes de regulação em malha fechada frente a variações de referência e perturbações de carga.

Etapa 8 — Análise de resultados e redação

Análise comparativa das três estratégias de controle e redação do relatório técnico final.

Ferramentas computacionais

MATLAB/Simulink (Control System Toolbox, Model Predictive Control Toolbox, Simscape Electrical) e Python (numpy, scipy, matplotlib, python-control).

Cronograma de Atividades (12 meses)

Etapa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 – Revisão bibliográfica ● ●
2 – Projeto analítico do estágio de potência ● ●
3 – Simulação em MATLAB/Simulink ● ●
4 – Implementação da bancada física ● ● ●
5 – Identificação de sistemas ● ●
6 – Projeto dos controladores (PI, PI Tipo 2, MPC) ● ●
7 – Implementação embarcada e testes ● ● ●
8 – Análise de resultados e redação final ● ●

Resultados Esperados

  1. bancada física funcional de fonte CC controlada; (ii) modelos dinâmicos identificados experimentalmente entre razão cíclica e tensão de saída; (iii) três controladores de tensão e de corrente implementados e validados (PI, PI Tipo 2 e MPC), com avaliação comparativa; (iv) relatório técnico final e material para submissão a evento científico ou periódico; (v) formação prática do aluno bolsista em todo o ciclo de desenvolvimento de fontes chaveadas controladas.

Referências

  • AGUIRRE, Luis Antonio. Introdução à Identificação de Sistemas: Técnicas Lineares e Não-Lineares Aplicadas a Sistemas Reais. 4. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2015.
  • ÅSTRÖM, Karl J.; WITTENMARK, Björn. Adaptive Control. 2. ed. Mineola: Dover Publications, 2008.
  • BALOGH, Laszlo. Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits. Texas Instruments (Unitrode), Application Note SLUP169, 2001.
  • BASSO, Christophe P. Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies: A Tutorial Guide. Norwood: Artech House, 2012.
  • CAMACHO, Eduardo F.; BORDONS, Carlos. Model Predictive Control. 2. ed. London: Springer, 2007.
  • ERICKSON, Robert W.; MAKSIMOVIĆ, Dragan. Fundamentals of Power Electronics. 3. ed. Cham: Springer, 2020.
  • HAFIZ, Faizal et al. Multi-objective evolutionary approach to grey-box identification of Buck converter. IEEE Transactions on Circuits and Systems I, v. 67, n. 2, p. 584-597, 2020.
  • LJUNG, Lennart. System Identification: Theory for the User. Upper Saddle River: PTR Prentice Hall, 1999.
  • MOHAN, Ned; UNDELAND, Tore M.; ROBBINS, William P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. 3. ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2003.