سیستم کنترل فازی مبتنی بر میکروکنترلر DSP یک کانورتر تشدیدی موازی DC/DC

چکیده

مقصود- آنالیز عملکرد عملیاتی یک کانورتر تشدیدی موازی ac-dc-ac-dc PWM عملیاتی در مد ضریب قدرت تاخیری کنترل شده براساس روش کنترل منطق فازی.

طراحی\متدولوژی\رویکرد- محدوده‌ی کارهای انتشار یافته مرتبط با کانورترهای dc-ac-dc و روش‌های کنترل آن‌ها براساس تکنیک PWM ارزیابی شده‌اند و محدودیت‌های آن‌ها در کنترل ولتاژ خروجی کانورتر در بخش اول این مقاله اشاره شده است. مدل Simulink و مراحل متفاوت کانورتر در بخش دوم توصیف شده‌اند. در بخش 3، مدل ریاضیاتی کلی این سیستم استنتاج شده است و تکنیک سوئیچینگ  PWM جابجایی فاز توصیف شده است. مدار معادل ترانسفورمر فرکانس-بالای ولتاژ-بالای استفاده شده در کانورتر و اثرات پارامترهای ترانسفورمر روی عملکرد کانورتر در بخش 4 ارائه شده‌اند. در بخش 5، سیستم کنترل منطق فازی و مفهوم‌های اساسی این روش توصیف شده‌اند و کاربرد آن برای سیستم کنترل ولتاژ خروجی کانورتر پیشنهادی توصیف شده است. در بخش 6، نتایج شبیه سازی Simulink بکارگیری سیستم منطق فازی برای شرایط عملیاتی متفاوت داده شده است. در بخش 7، بررسی ای از سخت افزار استفاده شده در این مطالعه ارائه شده است و نتایج آزمایشی برای نمایش عملکرد کنترلر داده شده‌اند. سرانجام بخش 8، نتیجه گیری از این مطالعه را ارائه می‌دهد. 

یافته‌ها- سیستم کنترل منطق فازی که یک روش مناسب برای سیستم های غیرخطی همانند کانورتر پیشنهادی در این مقاله می‌باشد با موفقیت برای سیستم ولتاژ خروجی کانورتر بکار رفته است. عملکرد کنترلر خوب بوده است. زاویه جابجایی فاز کانورتر به عنوان پارامترکنترل استفاده شده است. این مقاله همچنین ارائه می‌دهد که چگونه پارامترهای پارازیتی ترانسفورمر استفاده شده در کاربردهای ولتاژ بالا می‌توانند به عنوان مولفه های تشدیدی مداری استفاده شوند. 

محدودیت‌ها\مفاهیم تحقیق- در آماده سازی این مقاله، کتاب‌های منبع و ژورنال‌های دوره ای موجود در کتابخانه دانشگاه ما و همچنین منابع انگلیسی مرتبط با کانورترهای dc-ac-dc قابل دسترس از طریق اینترنت مورد جستجو واقع شده بودند. 

مفاهیم تجربی- روش کنترل پیشنهادی می تواند در کنترل سیستم های خطی و غیرخطی استفاده شود. این مطالعه همچنین یک رویکرد بسیار خوب برای استفاده شدن در سیستم کنترل ولتاژ خروجی کانورتر های فرکانس بالای ولتاژ بالا می‌باشد. 

اصالت\اعتبار- ازانجاکه رویکرد کنترل پیشنهادی در این مقاله به اطلاعات راجع به پارامترهای کانورتر و ترانسفورمر که بر ولتاژ کانورتر خروجی اثر می‌گذارند نیاز ندارد بنابراین می‌تواند به طور موثر در مفاهیمی استفاده شود که در آن‌ها مسائل تغییر پارامتر وجود دارند. طراحی ترانسفورمر برای بار مورد نیاز، با یافتن یک فرکانس عملیاتی بهینه برای کانورتر و با استفاده از پارامترهای ترانسفورمر به عنوان عناصر تشدیدی مدار برای کاهش تلفات سوئیچینگ، قسمت‌های این مقاله هستند.

 1. مقدمه 

بسیاری کاربردهای تبدیل قدرت dc-dc وجود دارند که در آن‌ها ولتاژ ورودی باید به یک ولتاژ خروجی بالا تبدیل شود. برای افزایش ولتاژ خروجی به سطح ولتاژ بار مورد نیاز یک ترانسفورمر نسبت بالا در خروجی اینورتر بکار می‌رود. غیرخطی های ترانسفورمر ولتاژ بالا به عنوان عناصر رزونانس مدار تشدیدی استفاده می‌شوند. عملکرد سیستم در رزونانس و تاخیر مد ضریب توان مزیت‌های بسیاری دارد که در (بات و سومی، 1989؛ 1990) به خوبی آورده شده‌اند. برای استفاده در تشخیص پزشکی، یک شکل موج ولتاژ تیوب شکن  پایین با زمان خیز سریع مورد نیاز می‌باشد که با افزایش فرکانس عملیاتی اینورتر به فرکانس تشدید بدست می‌آید. افزایش فرکانس عملیاتی نیز حجم و وزن ترانسفورمر ولتاژ بالا را کاهش می‌دهد. با توجه به محدوده تعدیل پهنای بار، روش مدولاسیون پهنای پالس جابجایی فاز برای کنترل ولتاژ تیوب استفاده شده است؛ با تغییر زاویه جابجایی فاز اینورتر از 180 درجه به صفر، ولتاژ تیوب از صفر به مقدار ماکزیمم آن تغییر می‌کند. تعدیل ولتاژ خروجی با استفاده از روش کنترل فیدبک با داشتن فیدبک از ولتاژ تیوب بدست می‌آید. رابطه‌ی پیچیده ای بین ولتاژ خروجی و زاویه جابجایی فاز وجود دارد. برای کنترل چنین سیستم پیچیده ای یک روش کنترل کلاسیکی می‌تواند استفاده شود اما با تعدادی فرض‌های ساده سازی یا با طراحی یک الگوریتم کنترل بسیار پیچیده که به محاسبه ای قدرتمند، تجهیزات اکتساب داده دقیق و سریع نیاز دارد. طراحی کنترلر مرسوم، مشکلاتی را ارائه می‌دهد ازانجاکه مدل سازی سیستم به واسطه غیر خطی بودن آن بسیار مشکل می‌باشد. هرچند تکنیک فازی که عمومیتی را در سال‌های اخیر بدست آورده است، به نظر برای این کاربرد بسیار امیدبخش می‌باشد. طراحی کنترل کننده فازی همراه با شبیه سازی MATLAB/SIMULINK و نتایج تجربی در این مقاله توصیف شده‌اند. این نتایج نشان می‌دهند که چقدر این کنترل کننده می‌تواند بخوبی شکن 100Hz را در خروجی حذف کند و زمان خیز بسیار سریعی را ارائه دهد. شبیه سازی ریاضیاتی و نتایج تجربی با به‌کارگیری روش کنترل فازی بدست آمده‌اند. 

Abstract

Purpose – To analyze the operating performance of an ac-dc-ac-dc PWM parallel resonant converter operating at lagging power factor mode controlled based on fuzzy logic control method.

Design/methodology/approach – A range of published works relevant to dc-ac-dc converters and their control methods based on PWM technique are evaluated and their limitations in converter output voltage control are indicated in the first section of this paper. The Simulink model and different stages of the converter are described in the second section. In Section 3, the general mathematical model of the system is derived and the phase-shift PWM switching technique is explained. The equivalent circuit of the high-voltage high-frequency transformer usedin the converter and the effects of the transformer parameters on the converter operation are presented in Section 4. In Section 5, fuzzy logic control and the basic concepts of this method are described and its application to the proposed converter output voltage control is explained. In Section 6, the Simulink simulation results of the fuzzy logic control application are given for different operating conditions. In Section 7, an overview of the hardware used in this study is presented and the experimental results are given to show the performance of the controller. Finally, Section 8 gives the conclusions of the study.

Findings – The fuzzy logic control which is a suitable method for nonlinear systems such as the converter proposed in this paper, is successfully applied for output voltage control of the converter. The controller performance is satisfied. The phase-shift angle of the converter is used as the control parameter. The paper also presents how the parasitic parameters of the transformer used in high-voltage applications can be used as the circuit resonant elements.

Research limitations/implications – In preparing this paper, the resources books and periodic journals existing in our university library and also the English resources relative to dc-ac-dc converters reachable through the internet were researched.

Practical implications – The suggested control method can be used in the control of linear and nonlinear systems. The study carried out in this paper is also a very good approach to be used in high-voltage high-frequency converters output voltage control.

Originality/value – Since, the control approach proposed in this paper does not require the information on converter and transformer parameters that affect the converter output voltage, so it can effectively be used in applications where there are parameter variation problems. The design of the transformer for the required load, finding an optimum operating frequency for the converter, and using the transformer parameters as resonant elements of the circuit to decrease the switching losses are the other contributions of this paper.

1. Introduction

There are many dc-dc power conversion applications where the input voltage has to be converted into a high output voltage. To increase the output voltage to the required load voltage level a high-ratio transformer is used at the output of the inverter. The non-linearities of the high-voltage transformer are used as the resonance elements of the resonant circuit. The operation of the system at resonance and lagging power factor mode has many advantages, which are well documented in (Bhat and Swamy, 1989; 1990). For the medical diagnostic use, a low ripple tube voltage waveform with fast rising time is required which is obtained by increasing the operating frequency of the inverter to resonance frequency. Increasing the operating frequency also reduces the volume and weight of the high-voltage transformer. Owing to wide adjustment range of the load, the phase-shift pulse width modulation method is used to control the tube voltage; by varying the phase-shift angle of the inverter from 1808 to zero, the tube voltage changes from zero to its maximum value. The output voltage regulation is achieved by using feedback control method by having feedback from the tube voltage. There is a complex relationship between the output voltage and the phase-shift angle. For controlling such a complicated system a classical control method can be used, but with a number of simplifying assumptions or by designing a very complex control algorithm which requires powerful computing, fast and precise data acquisition equipment. Designing a conventional controller presents problems since modeling the system is very difficult due to its non-linearity. However, fuzzy technique, which has gained popularity in recent years, looks very promising for this application. The design of the fuzzy controller together with the MATLAB/SIMULINK simulation and experimental results are described in this paper. The results show how well this controller eliminates the 100 Hz ripple at the output and provides a very fast rise time. The mathematical simulation and the experimental results have been obtained by employing the fuzzy control method.

چکیده

1. مقدمه

2. توصیف مدار کانورتر

3. مدل ریاضیاتی

3.1 یکسوساز ورودی

3.2 مدل کانورتر DC-DC

4. ترانسفورمر

5. کنترل ولتاژ خروجی

6. شبیه سازی سیستم

7. نتایج تجربی

8. نتیجه گیری

Abstract

1. Introduction

2. Description of the converter circuit

3. Mathematical model

3.1 Input rectifier

3.2 DC-DC converter model

4. Transformer

5. Output voltage control

6. Simulation of the system

7. Experimental results

8. Conclusions