Plano de Trabalho de Iniciação Científica
Fonte CC Controlada Baseada em Conversor Buck: Modelagem, Identificação e Controle
| 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 |
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 3 — Simulação computacional em MATLAB/Simulink
Construção do modelo de simulação do sistema completo (retificador, filtro, Buck, sensores, gate drive) com Simscape Electrical. Validação estática e dinâmica em malha aberta. Implementação inicial das malhas de controle em ambiente simulado, gerando dados de entrada/saída para a identificação de sistemas.
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
- 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.