O PREDMETU

1. UPRAVLJANJE UČINSKIM PRETVARAČIMA O PREDMETU Web stranica predmeta http://www.fer.unizg.hr/predmet/uup Prof.dr.sc. Željko Jakopović zeljko.jakopovic@fer.hr Prof.dr.sc. Viktor Šunde viktor.sunde@fer.hr Marinko Kovačić, dipl. ing. marinko.kovacic@fer.hr mr. sc. Marinko Miletić Ak. god. 2014/2015 Zagreb, 2014.

2. Glavne teme predmeta: • Zašto upravljanje ? - Uvodno predavanje. Nužnost upravljanja i prednosti, na primjeru uzlazno-silaznog pretvarača;utjecaj promjene ulaznog napona pretvarača na izlazni napon bez upravljanja i s unaprijednim upravljanjem. Regulacija struje armature istosmjernog motora napajanog iz usmjerivača. Analogno (kontinuirano) upravljanje i digitalno upravljanje. Primjeri izvedbi upravljanja. Izbor modela. Odzivi uzlazno-silaznog pretvarač s proporcional-nim regulatorom. • Klasični modeli pretvarača – Simulacija Mogućnosti modeliranja pretvarača. Programska podrška (MATLAB/SIMULINK, SIMPLORER, ostali). Kako se može realizirati model upravljanja, kratak pregled, uvod u simulacijske mogućnosti.

3. Glavne teme predmeta: • Usrednjeni modeliIzvod i primjena modela, realizacija usrednjenih modela u simulacijskim alatima, primjeri u SIMPLORERu. • Prijenosne funkcije pretvaračaZnačenje prijenosne funkcije pretvarača u regulaciji. Izvodi prijenosnih funkcija, pregled izvedenih prijenosnih funkcija pretvarača. Mogućnosti realizacije prijenosnih funkcija u simulacijskim alatima. Analiza prijenosnih funkcija pretvarača. Jedan prikaz slučaja (case study). • Prikaz u prostoru stanja (state space)Modeliranje učinskih pretvarača u prostoru stanja, nekoliko jednostavnih primjera. Osnovni primjer: silazni (buck) istosmjerni pretvarač. Realizacija u simulacijskim alatima. Prednosti i mane. • Usrednjeni modeli u prostoru stanja (averaged state space) Načelo usrednjavanja modela u prostoru stanja na detaljno razrađenom primjeru istosmjernog pretvarača. Primjene. Prikaz slučaja.

4. Glavne teme predmeta: • Primjena stečenih znanja iz kontinuiranih modela (Projekt regulatora)Case study. Detaljna analiza jednog ili dvaju primjera. Intenzivna primjena simulacijskih alata. • Diskretni modeli učinskih pretvaračaTeorijske osnove, temeljni izvodi, zbog čega je diskretno modeliranje bolje kod digitalnog upravljanja. Diskretizacija kontinuiranog modela. Detaljna usporedba modela i rezultata kontinuiranog i diskretnog modeliranja na jednom ili dva konkretna primjera. Simulacijska usporedba. • Simulacija učinskih pretvaračaPonavljanje stečenih znanja, radionica, rješavanje problema, napredne metode modeliranja i simulacije. Usporedba simulacijskih alata.

5. Glavne teme predmeta: • Odabrani praktični problemi Rad na digitalnim pretvaračima Texas Instruments (dvostruki silazni pretvarač; sustav za obnovljive izvore, s uzlaznim i silaznim pretvaračem te trofaznim izmjenjivačem), te na drugim pretvaračima s upravljačkom platformom TI.Upoznavanje sustava i programskih alata, samostalni rad u skupinama. Analiza programske podrške, usporedba sa stečenim znanjima, mjerenja i usporedba sa rezultatima simulacije. • Odabrani dodatni problemi Pregled najvažnijih praktičnih problema u digitalnom upravljanju učinskim pretvaračima. Pobudni stupnjevi i senzori, mrtva vremena. Modulacija širine impulsa, digitalna i analogna, pregled rješenja. Sinkronizacija uzorkovanja i PWM-a, realizacija digitalnog regulatora, učinak kašnjenja.

6. Literatura: • J.G. Kassakian et al., Osnove učinske elektronike, II. dio - Dinamika i upravljanje, prijevod • S. Ang, A. Oliva, Power-Switching Converters • S. Buso, P. Mattavelli, Digital Control in Power Electronics • H.A. Toliyat, DSP-BASED ELECTROMECHANICAL MOTION CONTROL, Chapter 7: DSP-Based Implementation of DC-DC Buck-Boost Converter • R.W. Erikson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics – II Converter Dynamics and Control • P.T. Krein, Elements of Power Electronics, IV – Control Aspects • D.W. Hart, Introduction to Power Electronics – App. B State-Space Averaging • N. Perić, I. Petrović, Automatsko upravljanje – Predavanja • Takač, Diplomski rad • TMSDCDC2 Kit literatura, Texas Instruments Tutoriali • Različiti Web portali i dodatni materijali

7. Provedba: • Domaće zadaće Samostalna izrada - odabrani primjeri modeliranja i simulacije.Tijekom semestra 3 do 5 domaćih zadaća; donose ukupno 30 bodova. • Međuispitni zadatakSamostalna izrada, veća složenost od domaćih zadaća; bodova 30. • Završni ispitU obliku seminarskog rada. Samostalna izrada; predstavlja cjelovitu razradu problema modeliranja, simulacije, sinteze sustava upravljanja i analize odabranog primjera učinskog pretvarača.

8. Ocjenjivanje:

9. Potrebno upoznati software: • MATLAB/SIMULINK • PLECS : PLECS 32/64bit:http://tinyurl.com/nlwpyos • Code Composer Studio – CCSProgramska podrška za implementaciju i ispitivanje sustava upravljanja s DSP Texas Instruments u C/C++ okruženju • VisSimAlat za analizu, simuliranje, implementaciju i ispitivanje sustava upravljanja s DSP Texas Instruments u grafičkom okruženju.Prihvaća projekte napravljene u CCS, te modele iz Simulinka.

10. Lab. vježbe: osnovne platforme Texas InstrumentsDigital Power Experimenter Kit Texas Instruments Renewable Energy Developer’s Kit (Solar / Renewable EVM)

11. Lab. vježbe: pult za modeliranje • Na pultu za modeliranje sklopova učinske elektronike mogu se izvesti razni spojevi učinskih pretvarača • Putem digitalnog i analognog sučelja pretvarač se povezuje s upravljačkom platformom

12. Vin Vout PWM Regulator Sklopke (IGBT) LC član Upravljanje (regulacija) učinskog pretvarača PWM(DAC) DSC ADC Pretvarač Opći prikaz sustava s učinskim pretvaračem-informacijska (signalna) strana procesa - Izvedbeni prikaz sustava s digitalno upravljanimučinskim pretvaračem 0110101100 1011011101 0010100111

13. Upravljački uredjaj i objekt upravljanja Upravljački uredjaj (primjer): mikrokontroler iz porodice TMS320F280x Primjeri učinskih pretvarača: Povratni signali (mjereni naponi i struje) Upravljački signali za tranz. sklopke • Sadrži 32 bitovnu jezgru i funkcijski specijalizirane podsklopove: ADC, ePWM, GPIO, eCAP, eQEP, CAN, I2C, SCI, SPI • Harvard arhitektura

14. Primjer za upravljački uredjaj i objekt upravljanja:dvostruki silazni pretvatač (Texas Instruments DPEK) DPEK = Digital Power Experimenter Kit Povratni signali (mjereni naponi i struje) Upravljački signali za tranz. sklopke • Za realizaciju digitalnog sustava upravljanja nužno je poznavanje djelovanja specijaliziranih podsklopova • Gledano u cjelini, za realizaciju digitalno upravljanog učinskog pretvarača nužna su znanja iz područja učinske elektronike (poznavanje sklopova i komponenata), analognih i digitalnih elektroničkih sklopova, regulacije, programiranja (programske implementacije upravljačkih algoritama) • Pri fizičkoj izvedbi sustava treba poštovati načela elektromagnetske kompatibilnosti !!!

15. Načelna i el. shema dvostrukog silaznog pretvarača TI DPEK • Silazni pretvarač izveden je kao sinkroni (umjesto nul-diode ima tranzistor koji radi protutaktno pre-ma glavnom tranzistoru. Nema diskontinuiranog režima struje zavojnice! • Sve učinske komponente i pobudni sklop (DRV) smješteni su na modul. Radi nadzora stanja, modul daje signale struje, temperature i greške. • Opterećenje kanala 1 je kombinacija fiksnog (1 om) i impulsnog operećenja (1 om). Operećenje kanala 2 je konstantno. • Ulazni napon i oba izlazna napona mjere se putem otporničkih djelila.

16. Izvedba digitalnog silaznog pretvarača TI DPEK na pločici JP1 Priključak vanjskog napona (9 V) SW1 Uključenje vanjskog napona SW2 Uključenje ulaznog napona za pretvarače SW3 Izbor izlaznog napona za prikaz na DMM M1 Energetski modul J2 Utor za pločicu s DSP • Za spoj s računalom potreban je JTAG emulator • LE diode su za slobodno korištenje • Na donjem rubu pločice nalaze se konektori za spajanje na vanjske signale/sklopove. Za proširenje funkcija osnovnog sklopa, ili gradnju prototipa nekog drugog sustava. Modul za 10A: TI PowerTrain PTD08A010W Digitalni Voltmetar Impulsni teret SW1 LED • mjerenje struje. • mjerenje temperature • prekostrujna zaštita • zastavica prekostruje • bez hladila ! SW2 controlCard 2808 SW3

17. Izgled pločice digitalnog silaznog pretvarača TI DPEK Impulsni teret 1(1 om) SW2 JP1 SW1 Teret 2(sijalica) Teret 1(1 om) Impulsni teret 1(1 om) SW1 JP1(priključak vanjskog napona) Voltmetar SW2 SW3 Konfiguracijaza Boot Serijskakomunikacija Pretvarač 2 Pretvarač 1

18. Blokovska shema pretvarača za obnovljive izvore Ulazni napon(iz panela) Relej Uzlazni pretvarač Trofazni izmjenjivač Silazni pretvarač; za punjenje baterije Sinkronizacija s mrežom • Ulazni napon je promjenljiva iznosa • Uzlazni pretvarač održava konstantnu vrijednost napona na ulazu u trofazni izmjenjivač • Regulacijom amplitude izlaznog napona izmjenjivača i faznog odnosa prema naponu mreže, prenosi se u mrežu zadana snaga

19. Izgled pretvarača za obnovljive izvore controlCard SCI/GUIsučelje Baterija Mreža Vanjski napon9 V Sinkronizacijas mrežom Izlaznifilter

20. Raspored podsklopova u pretvaraču za obnovljive izvore Trofazni (jednofazni)izmjenjivač controlCard Relej JTAG Baterija SCI/GUIsučelje Ulazni napon(iz panela) Mreža Uzlaznipretvarač Silazni pretvaračza punjenje baterije Vanjski napon9 V Sinkronizacijas mrežom Izlaznifilter

21. Analogno / digitalno upravljanje Regulator Analogni ili Digitalni ?? Učinski pret. PWM Senzor(i)

22. Analognisustav upravljanja “Analogno računanje” Diferencijalne jednadžbe Diferencijalne jednadžbe 1., 2., 3.,…reda Laplaceovatransformacija Odrediti: R1, R2, C1, C2

23. Digitalnisustav upravljanja Jednadžba diferencija Odrediti: a1, a2, b0, b1, b2 Diferencijalne jednadžbe 1., 2., 3.,…reda Laplaceovatransformacija ILI Z transformacija

24. Funkcijski blokovi (funkcije) i biblioteke Matematičke funkcije, logičke i sekvencijalnefunkcije, generiranje signala Funkcije za upravljanje specijaliziranim podsustavima(sučeljem)

25. Oblikovanje zatvorenog kruga Komponente u zatvorenom krugu; blokovski (funkcijski) prikaz:

26. Zatvoreni krug: značajke blokova i prijenos podataka • Ovisnost samo o CPU: • Matematičke funkcije / algoritmi • Obično per-unit vrijednosti (0-100%) • Neovisnost o sklopovlju Izlazni (električki) signal ovisi o ulaznom podatku i načinu (modu) rada podsklopa // pointer & Net declarations int *CNTL_Ref1, *CNTL_Fdbk1, *CNTL_Out1; int *BUCK_In1, *ADC_Rslt1; int Vref, Duty, Vout; // “connect” the modules CNTL_Ref1 = &Vref; CNTL_Out1 = &Duty; BUCK_In1 = &Duty; CNTL_Fdbk1 = &Vout; ADC_Rslt1 = &Vout; • Izlazni podatak ovisi o: • # bitova ADC (10 / 12 ?) • tipu signala (unipolarni, bipolarni) • pomaku nule (offset)

27. Dodatne funkcije • Oblikovanje reference: brzina promjene, vremensko zatezanje promjene • Izbor načina rada: otvoreni krug (“Ručno”), zatvoreni krug (“Automatski”) • Promjena parametara, izbor skupa parametara • Oblikovanje izlaznog PWM signala (Dead Band)nadzor rada PWM (Fault Trip)

28. Podjela funkcija • Odvajanje funkcija regulaci-je od dodatnih funkcija • Funkcije regulacije izvode se u pravilnom ritmu;vremenski su kritične • Izvodjenje regulacijskih funkcija pokreće se putem mehanizma vremenskih prekida • Dodatne funkcije ne trebaju istu brzinu izvodjenja kao regulacijske • Dodatne funkcije obično se izvode kao pozadinski (BG) zadaci.

29. Podjela funkcija: primjer dvostrukog silaznog pretvarača • Sve regulacijske funkcije izvode se u predidnoj rutini (ISR) • Frekvencija izvodjenja je svakog reg. kruga (i svakog bloka u njima) je 400 kHz • Frekvencija mjerenja izl. napona takodjer je 400 kHz

30. Izvodjenje programa: dvostruki silazni pretvarač • Regulacijski zadaci:izvodjenje u ritmu 400 kHz • Izvodjenje potaknuto prekidom • Pozadinski, spori zadaci(zadaci niskog prioriteta)