Arquitetura Distribuída de Sistema de Energia para CubeSat

Apresentação em tema: "Arquitetura Distribuída de Sistema de Energia para CubeSat"— Transcrição da apresentação:

1 Arquitetura Distribuída de Sistema de Energia para CubeSat
Acadêmico: Guilherme Vieira Hollweg Orientador: Prof. Dr. Mário Lúcio da Silva Martins 1

2 O PROJETO CUBESAT Criação Objetivos Custos
Restrições (massa, potência, etc)

3 ARQUITETURAS DE EPS PARA PICOSATÉLITES
Dois tipos: DET x PPT Arquitetura de conexões de barramento centralizado distribuído modular Fonte: (LUO, 2005)

4 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.

5 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.

6 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.

7 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

8 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO
Modelo do conversor Boost

9 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO
Modos de Operação CCM DCM BCM

10 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

11 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%)

12 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

13 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).

14 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO
Validação do Modelo:

15 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

16 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO
Controlador PID

17 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

18 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

19 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

20 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

21 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

22 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

23 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

24 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO
Simulação do Conversor

25 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

26 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

27 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

28 CONVERSOR CC-CC ELEVADOR DE TENSÃO

29 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.

30 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

31 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.

32 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%).

33 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

34 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 ).

35 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

36 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO
Projeto do Controlador - Resposta em Frequência - Mesmas restrições observadas para o conversor elevador.

37 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO
Controlador PID

38 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

39 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

40 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

41 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)

42 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

43 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

44 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

45 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO
Simulação do Conversor

46 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

47 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

48 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO

49 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO
Ripple: 0,42%

50 CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR-ELEVADOR DE TENSÃO
3,92Ω para 1,28Ω

51 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

52 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Sistema embarcado para implementação do controle: - DSP TMS320F28335 (TI) - 150MHz e 32b - Arquitetura Harvard - IEEE 754 (default)

53 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Forma de onda da corrente do indutor do conversor buck- boost

54 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Forma de onda da tensão e corrente de bateria do conversor buck-boost

55 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Forma de onda da corrente do indutor do conversor boost

56 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Forma de onda da tensão e corrente de barramento do conversor boost

57 RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Boost: 83 a 87%. Buck-Boost: 80%. Sistema: 66 a 71%.

58 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.

59 Obrigado! 59