Arquitetura Distribuída de Sistema de Energia para CubeSat Acadêmico: Guilherme Vieira Hollweg Orientador: Prof. Dr. Mário Lúcio da Silva Martins 1
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 centralizado distribuído modular Fonte: (LUO, 2005)
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. BALANÇO DE TENSÃO DO INDUTOR E BALANÇO DE CARGA DO CAPACITOR
CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Modelo do conversor Boost
CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Modos de Operação CCM DCM BCM
CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO Análise da Fronteira entre os modos CCM e DCM: Relação entre Iob e Vo (cte) Para a regulação da tensão de saída
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 3,4 1,28 4,5 3,92 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)
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 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 buck- boost
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! 59