Monitoraggio e Valutazione delle Prestazioni dei Convertitori

1. UNIVERSITÀ di PISA Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Monitoraggio e Valutazione delle Prestazioni dei Convertitori Candidato: Relatori: Emanuel LUCHETTI Chia.mo Prof. Ing. Aldo BALESTRINO Prof. Ing. Alberto LANDI Anno Accademico 2005/2006 Pisa, 20 Luglio 2006

2. Obiettivo Ricavare regole di corrispondenza tra: • le grandezze caratteristiche di un processo • le variabili di misura che lo rappresentano al fine di rilevare eventuali variazioni del punto di lavoro dovute a: • disturbi temporanei • cambiamenti parametrici dell’impianto per: • determinare e/o valutare lo stato di funzionamento del processo in tempo reale.

3. Processo considerato Anello di controllo: • Convertitore di Potenza Switching Buck. • Controllore di Tipo PI.

4. Ambito di interesse Determinare una relazione tra: • la tensione di uscita Vo del convertitore • un parametro circuitale del dispositivo mediante: • Tecniche Automatiche di Predisposizione per Controllori a Relè (Relay Autotuning Method) per la stima della Pulsazione Critica caratteristica associata al processo per monitorare la sua dinamica.

5. Sommario • Modellazione del Convertitore Buck. • Ambito di Interesse del Monitoraggio. • Monitoraggio con Tecnica a Relè - Mod. Medio SSA. • Identificazione del Convertitore Buck. • Monitoraggio con Tecnica a Relè - Mod. Identificato. • Conclusioni e Sviluppi Futuri.

6. Modellazione Convertitore Buck Modello Medio SSA con Resistenze Parassite • Tecnica di media nel tempo delle equazioni che descrivono il circuito nello spazio di stato State-Space Averaging SSA. • Il modello tiene conto delle resistenze parassite dei componenti circuitali, determinanti per la dinamica della risposta del convertitore.

7. Modellazione Convertitore Buck Modello Switching: Implementazione Simulink • Implementaziontazione mediante Matlab Ver. 7.0 (The Mathworks, Inc.), con toolbox Simulink Ver. 6.0 e libreria SimPowerSystems. • Il modello tiene conto delle resistenze parassite dei componenti circuitali, e dei circuiti serie RsCs di snubbers degli elementi di commutazione.

8. Modellazione Convertitore Buck Analisi Modello Medio SSA • Il convertitore è caratterizzato da una dinamica del secondo ordine decisa dal filtro di uscita RLC. • Una variazione della tensione di alimentazione Vin comporta una variazione del guadagno del processo a ciclo aperto. • Una variazione dei parametri circuitali (R,L,C) comporta una variazione dei poli del processo a ciclo aperto.

9. Modellazione Convertitore Buck Analisi Modello Switching (Simulink) • A causa delle commutazioni dell’elemento di switch è presente sulla tensione di uscita una ondulazione residua (ripple), considerata ”rumore”. • Per il buon funzionamento del sistema occorre ridurre tale effetto negativo sulla stima della Pulsazione Critica effettuata, mediante filtri di tipo passa-basso o dispositivi a relè dotati di isteresi.

10. Ambito Interesse Monitoraggio Idea Utilizzare questa ”sorta” di separazione tra gli effetti della tensione di alimentazione Vin del convertitore e dei parametri circuitali sul sistema in modo da capire il suo stato di funzionamento monitorando in tempo reale la tensione di uscita Vo.

11. Ambito Interesse Monitoraggio • Vin nota o di facile determinazione: predisporre un sistema di controllo in base a sue possibili variazioni non presenta particolari problemi. • Variazioni della resistenza di carico R comportano una desintonizzazione del controllore (prestazioni scadenti). Una sua misura diretta in implementazioni allo stato solido non è fisicamente possibile.

12. Ambito Interesse Monitoraggio Scopo Determinare possibili variazioni di resistenza di carico Rsolamente monitorando la tensione di uscita Vo del Convertitore Buck (grandezza di misura facilmente disponibile). Punto di Lavoro Convertitore: Parametri Nominali Componenti Convertitore:

13. Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA Schema di Taratura Robusta Automatica a Relè di K.K. Tan, T. H. Lee e X. Jiang • La non linearità (Relè con Isteresi) è chiusa in retroazione su un anello esterno costituito dal processo completo (Convertitore Buck-Controllore PI).

14. Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA • La stima del punto critico viene effettuata senza interferire con l’anello interno di controllo che non è aperto durante le operazioni di stima e/o monitoraggio. • Il periodo dell’oscillazione indotta dal relè è quello dell’oscillazione richiesta dai metodi automatici di predisposizione per controllori di tipo PI/PID.

15. Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA • Per rilevare la Pulsazione Critica del sistema è utilizzato il blocco “misuratore_pulsazione” (Simulink). • Rileva la pulsazione del segnale in ingresso mediante una misura del suo periodo (intervallo di tempo tra due successivi passaggi per lo zero).

16. Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA Implementazione Simulink schema rilevazione Pulsazione Critica • Impl. Switching Convertitore Buck (PWM+Convertitore) • Modello Medio SSA Convertitore Buck • Misuratore Pulsazione Critica

17. Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Medio SSA Riepilogo Risultati delle Simulazioni • Il valore della Pulsazione Critica è funzione della resistenza di carico del convertitore. • All’aumentare del carico alimentato la Pulsazione Criticadiminuisce. • I valori restituiti dalle simulazioni per i due modelli analizzati sono diversi tra loro.

18. Identificazione Convertitore Buck Tecnica delle Funzioni Modulanti • Il Modello Medio SSA non è un “buon” modello dinamico poiché il relè mantiene il convertitore sempre in uno stato transitorio. • Identificazione mediante Metodo Funzioni Modulanti. • Libreria Matlab basata sulle funzioni spline di Maletinsky (Ing. L. Sani – DSEA). • Identificazione Modello Medio “Lineare” Convertitore Buck (Matlab/Simulink) nell’ipotesi di piccole variazioni attorno ad un determinato punto di lavoro (small-signals model).

19. Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Identificato Implementazione Simulink schema rilevazione Pulsazione Critica • Impl. Switching Convertitore Buck (PWM+Convertitore) • Modello Medio Lineare Convertitore Buck Identificato (Funzioni Modulanti)

20. Monitoraggio con Tecnica a Relè Mod. Identificato Confronto tra la Pulsazione Critica del Processo Identificato e del Modello Switching in funzione della resistenza di carico • Il valore della Pulsazione Critica è funzione della resistenza di carico del convertitore. • All’aumentare del carico alimentato la Pulsazione Criticadiminuisce. • I valori restituiti dalle simulazioni per i due modelli analizzati sono sostanzialmente uguali.

21. Monitoraggio con Tecnica a Relè Confronto tra i Modelli Pulsazione Critica del Processo in funzione della resistenza di carico per i modelli analizzati

22. Conclusioni • Il Modello Medio SSA e il Modello Switching (“reale”) hanno valori di Pulsazione Critica in funzione del carico resistivo alimentato. • All’aumentare della resistenza di carico la Pulsazione Critica del processo diminuisce. • Esiste una differenza tra i valori di Pulsazione Critica rilevati. • Con schemi a Relè Robusto il Modello SSA non risulta molto accurato (il processo opera sempre in regime transitorio; parametri non precisi). • Utilizzando il Modello Identificato (Tecnica delle Funzioni Modulanti) è possibile dimostrare che la relazione tra Pulsazione Critica e resistenza di carico è valida.

23. Conclusioni E’ possibile così stabilire il valore del carico alimentato da un convertitore a commutazione di tipo Buck monitorando la sua tensione di uscita, inserendo in modo intermittente un relè con isteresi utilizzando lo Schema a Relè Robusto di K. K. Tan, T. H. Lee e X. Jiang.

24. Sviluppi Futuri • Riproporre lo stesso studio con software specifici per la simulazione di circuiti elettronici e di potenza (Spice; PSpice; Saber; MicroCap). • Riproporre lo stesso studio in chiave strettamente sperimentale (Convertitore Buck reale e misure di laboratorio). • Utilizzare lo stesso impianto concettuale per rilevare le prestazioni del sistema in funzione dell’elemento di commutazione discreto adottato nella implementazione del convertitore (BJT,MOSFET).