CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR

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)
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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!