CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR
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Arquitetura Distribuída de Sistema de Energia para CubeSat Acadêmico: Guilherme Vieira Hollweg Orientador: Prof. Dr. Mário Lúcio da Silva Martins O PROJETO CUBESAT • Criação • Objetivos • Custos • Restrições (massa, potência, etc) ARQUITETURAS DE EPS PARA PICOSATÉLITES • Dois tipos: DET x PPT • Arquitetura de conexões de barramento Conversor Unico DC Barramento de Saída Conversor Unico Multiplas Cargas DC Vo1 Vo2 Vo3 DC Multiplas Tensões centralizado Fonte: (LUO, 2005) Conversores Multiplos Multiplas Cargas DC DC DC Vi Vi Barramento de Saída Vo DC Cargas Vi DC Unica Tensão distribuído Vo1 Vo2 DC DC Vo3 DC DC Conversores de Ponto de Carga Multiplas Cargas DC DC DC Barramento de Saída DC Multiplas Tensões modular Cargas PROPOSTA Projeto e desenvolvimento de uma arquitetura distribuída em cascata para a regulação de tensão de carga de baterias e tensão de barramento utilizando dois conversores CC-CC. OBJETIVOS - Definir as topologias dos conversores; - Projetar os conversores; - Modelar e definir o projeto dos controladores dos conversores; - Implementar um protótipo; - Realizar a avaliação experimental. CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Valores de entrada/saída: -Tensão de entrada: 3,4 a 4,2V. -Tensão de saída regulada: 15V. Restrições para análise: - Os componentes que integram o conversor são ideais. - Foi considerado constante a fonte de entrada do conversor. CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Restrições para análise: - Conversor opera em regime permanente (variações nulas para um período de operação). - O capacitor de saída é muito grande e praticamente não se descarrega durante a operação do conversor. A ondulação da tensão de saída do conversor é desprezível. Assim, pode-se considerar sua tensão de saída constante. CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Modelo do conversor Boost CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Modos de Operação CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Análise da Fronteira entre os modos CCM e DCM: • Relação entre Iob e Vo (cte) CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Projeto dos Elementos Reativos: - Frequência de chaveamento: 100kHz - Corrente de saída máxima: 0,3A - d máximo: 0,77 - d mínimo: 0,72 - Valor mínimo do indutor: 9,16^(-5)H - Valor mínimo do capacitor: 1,54^(-5)F (ripple 1%) CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Modelagem do Conversor Boost: - Linearização do circuito. (válido para um ponto de operação e suas redondezas) - Modelagem desenvolvida pelo método de espaços de estados CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Validação do Modelo: - Comparação da variável a ser controlada do conversor - Perturbações na tensão de entrada (0,1V) e razão cíclica (0,005). CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Validação do Modelo: CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Projeto do Controlador: - Método de projeto pela resposta em frequência - Requisitos: Erro nulo para entrada constante Rejeição de variação paramétrica Oscilção não signifativa em transitórios Pequeno tempo de acomodação CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO • Controlador PID CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Conversão controle analógico para digital: - Vantagens de implementar um controle digital - S -> Z -> W -> Z - Expansão por frações parciais para obtenção dos ganhos CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Simulação do Conversor CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO Valor da tensão entrada: 3,4 a 9V. Valor da tensão de saída: 3,4 a 4,2V. CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO • Por mais que se deseje regular a corrente de saída, a tensão de saída deve sofrer variação nula. CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO Projeto dos Elementos Reativos: - d máximo: 0,55. - d mínimo: 0,38. - Valor mínimo do indutor: 15µH. - Valor mínimo do capacitor: 560µF (ripple 0,5%). CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO Modelagem do Conversor Buck-Boost P (W) Vbat (V) Rbat (Ω) 9 4,2 1,96 9 3,4 1,28 4,5 4,2 3,92 4,5 3,4 2,56 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO Validação do Modelo: - Comparação da variável a ser controlada do conversor - Perturbações na tensão de entrada (1V) e razão cíclica (0,01 ). CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO Projeto do Controlador - Resposta em Frequência - Mesmas restrições observadas para o conversor elevador. CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO • Controlador PID CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO Conversão do controle analógico para digital Função de transferência da planta discreta (OL) Função de transferência da planta discreta (CL) CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO Simulação do Conversor CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO • Ripple: 0,42% CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO • 3,92Ω para 1,28Ω RESULTADOS EXPERIMENTAIS RESULTADOS EXPERIMENTAIS Sistema embarcado para implementação do controle: - DSP TMS320F28335 (TI) - 150MHz e 32b - Arquitetura Harvard - IEEE 754 (default) RESULTADOS EXPERIMENTAIS • Forma de onda da corrente do indutor do conversor buckboost RESULTADOS EXPERIMENTAIS • Forma de onda da tensão e corrente de bateria do conversor buck-boost RESULTADOS EXPERIMENTAIS • Forma de onda da corrente do indutor do conversor boost RESULTADOS EXPERIMENTAIS • Forma de onda da tensão e corrente de barramento do conversor boost RESULTADOS EXPERIMENTAIS Boost: 83 a 87%. Buck-Boost: 80%. Sistema: 66 a 71%. CONCLUSÕES • Foi apresentada uma metodologia para o projeto de conversores estáticos, utilizando suas equações de fronteira. • Foi desenvolvido um EPS para picosatélite a fim de regular o processo de carga de bateria e tensão de barramento. • A arquitetura em cascata se mostra como uma possível opção para um EPS de CubeSat. Obrigado!
