Simulador de conversor Buck

Introdução

Muitas vezes é necessário simular vários parâmetros para uma determinada planta e com compensadores para cada tipo. Desta maneira propõem-se um sistema de simulação de um conversor Buck implementado por amp-ops. Assim sendo, é possível verificar a dinâmica de uma planta em um circuito real e trocar de parâmetros mais rapidamente do que se fosse o próprio conversor. Esse tipo de simulação pode ser utilizado como um “simulador real” na ausência do equipamento (devido ao tamanho, por exemplo), componentes, etc.

Circuito Buck

O circuito do conversor buck pode ser visualizado na Figura 1, é utilizado para baixar tensões.

Figura 1: Circuito do conversor Buck

A função de transferência da malha de tensão é dada por:

O conversor foi dimensionado para as seguintes características: C=2.5*10^(-4)F, L=10mH, R=1ohm, Vin=4, D=0.5, Vo=2V, Fs=20Khz; A resposta em frequência pode ser visualizada na Figura 2 (Azul, resposta em frequência e em preto, Margem de fase).

Figura 2: Resposta em frequência do conversor Buck.

Circuito Equivalente

O conversor buck, no domínio da frequência, possui uma equação de segunda ordem, então para representá-lo, é necessário um circuito no mínimo de segunda ordem. A estrutura utilizada é um filtro passa baixa multi-feedback e pode ser visualizado na Figura 3.

Figura 3: Filtro passa baixa multi-feedback.

A função de transferência é dada por:

Realizando as equalizações é possível obter o mesmo resultado (R1=470, R2=470, R3=1870, C1=1.2u, C2=2.4u).

Comparação das Malhas e Circuitos

Para visualizar a resposta ao grau, ver Figura 4.

Figura 4: Comparação da reposta ao degrau, para o conversor buck (azul), função de transferência do conversor (marrom) e circuito do passa baixa (Vermelho).

Compensador Pi

O Circuito em malha fechada do circuito pode ser visualizado na Figura 5.

Figura 5: Circuito em malha fechada.

A função de transferência de laço aberto é dada por:

Devido aos parâmetros do conversor, foi escolhida uma frequência de corte de 200 Hz e margem de fase de 65° (frequência de corte mais elevada fazia com que Wz<0 ), resultado na resposta em frequência que pode ser observada na Figura 6.

Os valores do compensador são Kc = 25,27 e 1/Wz = 0,004

Figura 6: Resposta em frequência do conversor com compensador. Vermelho , sem compensação. Azul, com compensação. Preto, margem de fase do compensado.

A resposta em grau e com perturbação, com controlador PI, pode ser visualizado na Figura 7 .

Figura 7: Resposta ao degrau e perturbação com compensador. Em vermelho (Superior), circuito equivalente (filtro multi-feedfback). Em marrom (Superior), planta buck. Saída do compensador, em vermelho (abaixo).

Discretização do Compensador

O compensador PI possui a seguinte resposta no domínio da frequência.

Utilizando a transformada Z, onde e 

é possível discretizar o compensador:

Sendo

e

Código em C:

O Resultado da simulação com compensador discretizado pode ser visualizado na Figura 8.

Figura 8: Simulação com compensador discretizado

Esquemático e Layout

A PCI foi desenvolvida para ser adaptada ao kit InstaSPIN™-MOTION (and InstaSPIN-FOC) enabled C2000™ Piccolo LaunchP.

Figura 9: Esquemático parte 1.
Figura 10: Esquemático parte 2
Figura 11: Esquemático parte 3
Figura 12: Layout (Vista 3d)

Resultados Obtidos

Nas figuras 13 e 14 pode ser visualizada a placa do simulador real e também o Kit anexado a mesma.

Figura 13: Vista superior da placa.
Figura 14: Placa kit anexada ao simulador.

Na Figura 15 as formas de onda obtidas.

Figura 15: Formas de onda obtidas. Em azul Saída do conversor (Com ganho ajustado a 0.1V) e em Verde perturbação (Ganho ajustado de 0.5V).

Considerações Finais

Simuladores reais podem ser muito úteis, pois simulam equipamentos, podendo adiantar muitas tarefas, além do que modelo é físico, requer aquisição real de sinal, código real e demostra uma resposta não idealizada. Por não possuir uma resposta idealizada, os testes estão sujeitos a problemas do ambiente. Estes simuladores podem ser expandidos para outros equipamentos, para motores, por exemplo, realizando testes preliminares antes de executar no equipamento real.

Referências

SLOA049B – Application note texas.

Franklin, Gene F. , Powell, J. David. Feedback Control of Dynamic Systems, 4th Edition . Prentice Hall; 4th edition (January 15, 2002).

Buso, Simone. Mattavelli, Paolo. Digital Control in Power Electronics.

Erickson, Robert W. , Maksimovic. Dragan. Fundamentals of Power Electronics 2nd ed.

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