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

 

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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Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Carlos Eduardo Novelletto Ricardo
Possui graduação em Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial pelo IFSC (2007). Além de atuar na área de desenvolvimento de hardware, como projetista e coordenador, também cursou o programa CI Brasil (Fase I e II) e Pós-Gradução em desenvolvimento de produtos eletrônicos pelo IFSC. Tem experiência em hardware embarcado, eletrônica de potência e metrologia.Atualmente cursando Engenharia de Controle na UFSC/BNU.

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