مقاله کنترل پیش‌بین جریان مبتنی بر مدل برای مبدل Z¬ - Source DC - DC

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله، روش کنترل پیشبین مبتنی بر مدل - MPC - بر روی یک مبدل Z-source dc-dc پیاده-سازی شده است. در ابتدا مبدل را با استفاده از ماتریسهای حالت در فضای گسسته مدلسازی کرده و سپس روش کنترل پیشبین جریان بهمنظور کنترل ولتاژ خروجی مبدل در محیط نرمافزار متلب پیاده-سازی شده است. در این روش، جریان سلف با استفاده از مدل گسسته مبدل، پیشبینیشده و با توجه به تابع هدف تعیینشده که کاهش خطای جریان است، عملیات کلیدزنی صورت گرفته است.

نتایج حاصل از تغییرات بار، ولتاژ مرجع و ولتاژ ورودی در این مبدل با روش پیشبین و سایر روشهای گذشته مقایسه شده و برتری این روش نسبت به سایر روشها بیان گردیده است. قابلیت اعمال به سیستمهای مختلف و چند متغیره، اعمال ساده محدودیتها، پیادهسازی آسان، ردیابی مناسب مرجع، پاسخ دینامیکی مناسب و انعطافپذیری در انتخاب تابع هزینه ازجمله مزایای این روش است. این روش به علت اینکه برخلاف سایر روشها که با توجه به خطای لحظهای تصمیم میگیرند، با توجه به رفتار پیشبینیشده سیستم در آینده تصمیمگیری میکند، دارای پاسخ دینامیکی سریعتر است.

مقدمه

مبدلهای dc-dc مدارهای الکترونیک قدرتی هستند که یک ولتاژ dc را به یک سطح dc دیگر تبدیل کرده و خروجی تنظیمشدهای را تولید میکنند. امروزه مبدلهای dc-dc بهطور گسترده در منابع تغذیه سوئیچینگ و تجهیزاتی مانند درایو موتور dc مورداستفاده قرار میگیرند. بهطورمعمول، ولتاژ ورودی این مبدلها یک ولتاژ dc غیرقابل تنظیم است که از یکسوسازی ولتاژ ac به دست میآید.

مبدلهای dc-dc به گروههای مختلفی تقسیم میشوند. گروه اول مبدلهایی هستند که با استفاده از سلف و خازن و قطعات کلید زنی این کار را انجام میدهند از ساختارهای معروف این گروه میتوان به مبدل باک، مبدل بوست، مبدل باک بوست و... اشاره کرد.

گروه دیگری از مبدلها شامل ترانسفورماتور هستند که علاوه بر تأمین ولتاژ موردنیاز بار ایزولاسیونی بین بار و منبع انرژی ایجاد میکنند. در این مبدلها میتوان با استفاده از نسبت تبدیل و مدتزمان قطع و وصل کلید زنی، بهره ولتاژ را بالا برد. گروه دیگری از مبدلها بر پایه شبکه امپدانسی هستند. در چند دهه اخیر استفاده از مبدلهای افزاینده بسیار زیاد شده است، علت آن استفاده از آنها در اینورترهایی است که به ولتاژ ورودی بالا نیاز دارند. در مبدل بوست معمولی بهره ولتاژ وابسته به زمان وظیفه کلید است؛ بنابراین برای رسیدن به بهره بالا باید زمان وظیفه کلید را افزایش داد که باعث افزایش تلفات بازیابی معکوس دیود میشود

درنتیجه برای افزایش بهره بهتر است از ساختارهای دیگر این مبدل استفاده کرد. در میان مبدلهای با بهره بالا در مبدل Z-source dc-dc با استفاده از شبکه امپدانسی تعداد قطعات کاهشیافته و بهره بسیار بالایی فراهمشده است

روشهای کنترلی مختلفی برای تنظیم ولتاژ خروجی این مبدلها پیادهسازی شده است که میتوان به دو روش کنترل جریان و کنترل ولتاژ اشاره کرد. هردو این روشها بر مبنای اندازهگیری ولتاژ خروجی و مقایسه آن با مرجعی خاص است. روش کنترل مد ولتاژ به علت طراحی راحت و اجرا ساده آن موردتوجه قرارگرفته است. مد کنترل ولتاژ، دارای یک حلقه فیدبک از ولتاژ خروجی هست.

هدف این روش کاهش خطای ولتاژ خروجی اندازهگیری شده با مقدار مرجع هست. این روش با یک تک حلقه بهصورت مستقیم ولتاژ خروجی را کنترل میکند. در مد کنترل ولتاژ، هر تغییری در ولتاژ ورودی، دگرگونی در بهره ایجاد مینماید و باعث تغییر در رفتار دینامیکی سیستم میشود. مشکلی که برای مد کنترل ولتاژ وجود دارد این است که اختلال را تا زمانی که در خروجی احساس نشود، نمیتواند تشخیص دهد روش دیگر، روش کنترل مد جریان است که با دو حلقه پیادهسازی میشود.

حلقه خارجی برای تنظیم ولتاژ است که جریان مرجع برای کنترل جریان را فراهم میکند. حلقه داخلی برای تنظیم جریان است که جریان سلف اندازهگیری شده یا تخمین زده را با مرجع آن کنترل میکند. عملیات کلید زنی نیز با استفاده از یک مدولاتور انجام میگردد. باوجوداینکه کنترل مد جریان شامل دو حلقه است اما طراحی آن سادهتر هست و سیستم را به یک سیستم مرتبه اول تبدیل میکند

روشهای مختلفی برای کنترل جریان وجود دارد ازجمله این روشها میتوان به روشهای تخمینی - Qiu et al,2010 - ، پیش- بین - Aguilera and Quevedo, 2015 - ، هیسترزیس - Dhanasekaran and Vijaybalaji, 2014 - ، - Yang and Sen, 1999 - PI و ... اشاره کرد. در تمام این روشها سعی بر این است که مقدار متوسط یا پیک جریان سلف از جریان مرجعی کهمعمولاً از طریق جبران ساز ولتاژ به دست میآید، پیروی کند.

از مزایای دیگر این روش میتوان به محافظت در مقابل اضافهبار، پاسخ سریعتر و امکان استفاده از آن برای مبدلهای موازی اشاره کرد. اشکال این روش این است که به ازای چرخه کار حالت دائمی بزرگتر از 0,5 خروجی ناپایدار میشود برای حل این مشکل ناپایداری،معمولاً با اضافه نمودن یک موج دندانارهای خارجی به سیستم کنترل، شکل موج جریان سیستم را تصحیح میکنند

روش کنترل هیسترزیسذاتاً دارای پاسخ سریع، پیادهسازی آسان و پاسخ گذرای خوب است. با توجه به این مزایا این روش یک روش مناسب و خوب برای کنترل مبدلها است. ولی با همه این مزایا مشکل پایداری مسئله مهمی در این روش کنترلی است. درروش کنترلی هیسترزیس سعی میشود که ولتاژ خروجی در یک محدوده هیسترزیس بهوسیله تغییر حالت کلیدزنی مبدل نگهداشته شود و از آن خارج نشود. به علت آنکه زمان روشن شدن و زمان خاموش شدن رله هیسترزیس ثابت نیست، فرکانس عملکرد متغیر است و تحت تأثیر پارامترهای مبدل و نیز باند هیسترزیس است. ازاینرو، باوجودی که پیادهسازی مبدلهای با کنترل هیسترزیس ساده بوده و به تغییرات ناگهانی بار بهسرعت پاسخ میدهد، آنها دارای طیف نویز غیرقابلپیشبینی هستند که کنترل تداخل الکترومغناطیسی را دشوارتر میسازد. همچنین به علت تلفات کلیدزنی استفاده از کنترل هیسترزیس را برای سطوح قدرت کوچکتر محدود میسازد .

کنترل پیشبین بهعنوان یکی از موفقترین روشهای کنترل فرآیند از سال 1970 توسعه پیداکرده است. این روش در ابتدا در فرآیندهای صنایع شیمیایی مانند نفت و پتروشیمی مورداستفاده قرارگرفته و سپس در سایر صنایع مانند تولید سیمان، مواد غذایی، رباتیک و... به کار رفت.

کاربردهای اولیه آن در الکترونیک قدرت از دهه 1980 با پیادهسازی این روش کنترلی بر روی سیستمهای با توان بالا با فرکانس کلیدزنی پایین صورت گرفت. با توسعه ریزپردازندههای سریع و قدرتمند استفاده از این روش بهطور قابلتوجهی مورد استقبال قرارگرفته است. از مزایای کنترل پیشبین میتوان به قابلیت اعمال به سیستمهای مختلف و چند متغیره، اعمال ساده محدودیتها، پیادهسازی آسان، ردیابی مناسب مرجع و پاسخ دینامیکی مناسب اشاره کرد.

روشهای کنترل مختلفی بر روی مبدلهای امپدانسی پیادهسازی شده است که میتوان به روشهای کنترل مد ولتاژ و جریان - Sen and Elbuluk, 2010 - ، کنترل با - Sarode et al, 2013 - PI و کنترل هیسترزیس - Zaman et al, 2016 - اشاره داشت. در این روشها ریپل خروجی زیاد و پاسخ دینامیکی کند بوده است. در این میان، روش کنترل پیشبین به علت اینکه برخلاف سایر روشها که با توجه به خطای لحظهای تصمیم میگیرند، با توجه به رفتار پیشبینیشده سیستم در آینده تصمیمگیری میکند، دارای پاسخ دینامیکی سریعتر است . - Young et al, 2014 - همانطور که در مقالههای - Karamanakos et al, 2013 - و - Karamanakos et al, 2014 - ذکرشده کنترل پیشبین جریان به علت سریعتر بودن و حجم محاسباتی کمتر بسیار مناسبتر از روش کنترل پیشبین ولتاژ است. ازاینرو به علت مزایای ذکرشده در این مقاله یک روش کنترل پیشبین برای اولین بار بر روی یک مبدل امپدانسی جریان مستقیم به مستقیم پیادهسازی شده است و عملکرد و برتری آن با سایر روشها مقایسه گردیده است.

کنترل پیشبین مبدل Z-source dc-dc

MPC به خانوادهای از کنترلکنندهها اطلاق میشود که با استفاده از مدلی از پروسه و با حداقل کردن یک تابع هزینه، سیگنال کنترلی را به دست میآورند. برای طراحی کنترلکننده MPC برای کنترل مبدلهای الکترونیک قدرت مراحل زیر باید انجام گردد:

-1 مدلسازی تمام حالتهای کلید زنی مبدل و ارتباط آن با ولتاژ و جریانها - مدل گسسته زمان - .

-2 تعریف یک تابع هزینه که رفتار مطلوب سیستم را بیان میکند.

رویکرد کنترل MPC اعمالشده به مبدلهای الکترونیک قدرت در شکل 1 نشان دادهشده است:

شکل :1 بلوک دیاگرام MPC برای مبدلهای الکترونیک قدرت