Control en modo deslizante aplicado a la generación de señal en convertidores conmutados DC/DC
Authors:   , Biel Solé Domingo 
Published: August 2023

Tradicionalmente, el diseño de sistemas de control en convertidores conmutados DC/DC se ha realizado mediante técnica de modulación de anchura de pulsos (PWM); sin embargo, la utilización de la teoría de sistemas de estructura variable aplicada a las topologías convertidotas, así como la teoría de control no lineal permiten obtener características de mayor robustez en insensibilidad frente a variaciones paramétricas y perturbaciones externas. De este modo, existe la posibilidad de desarrollar sistemas electrónicos de control diseñados mediante la teoría de control en modo de deslizamiento aplicada a este tipo de estructuras. Existe un abanico de posibilidades respecto a las especificaciones requeridas sobre el diseño de leves de control, aplicadas a los convertidores conmutados, en función de las propiedades exigibles al sistema. Estas propiedades vienen referidas, fundamentalmente, a características de la propia regulación (precisión, distorsión armónica, desviación máxima del punto de trabajo nominal, robustez frente a variaciones de carga o perturbaciones en la fuente de entrada, etc.). Las referencias actuales de diseño de leyes de control no lineal mediante la técnica comentada muestran que los circuitos de control realizados superan en prestaciones a las estructuras de control clásicas en cuanto a la regulación DC/DC se refiere.<br/><br/>En la presente tesis se ha abordado el problema de la generación de señal AC mediante esta técnica de control. Para lograr este objetivo se ha desarrollado una metodología de diseño para la generación de señal AC con amplitud, frecuencia y offset ajustables en los convertidores de topología lineal y topología bilineal. La ley de control logra que el convertidor presente robustez frente a variaciones de la tensión de entrada y perturbaciones de la carga, manteniendo las características de precisión, bajo nivel de interferencias electromagnéticas y baja distorsión armónica.<br/><br/>Las conclusiones más relevantes de este trabajo son:<br/>· Se ha establecido una metodología de diseño de las leyes de control no lineal en modo de deslizamiento para generación de señal en los topologías básicas de convertidores conmutados DC/DC.<br/><br/>· El procedimiento anteriormente indicado impone la señal a la salida del convertidor como solución de la ecuación diferencial característica del sistema, ecuación de Abel. La utilización de la solución de la ecuación de Abel como señal de referencia de un control de seguimiento de señal en modo deslizante, conlleva un control indirecto de la tensión de salida.<br/><br/>· En el caso del convertidor reductor Back, la ecuación de Abel se reduce a una ecuación algebraica, lo cual permite conocer la señal de referencia a utilizar en el control indirecto de la tensión de salida. De este modo, en este convertidor puede obtenerse, mediante la aplicación del teorema de la función inversa, una superficie de conmutación autónoma que proporciona la dinámica deseada de la señal de salida en régimen deslizante. El sistema de control tiene las siguientes características:<br/><br/>· La dinámica ideal en régimen deslizante presenta características de robustez frente a las variaciones de la carga y frente a las perturbaciones de la tensión de entrada. De hecho, tal y como se demuestra para cargas resistivas, reactivas y no lineales, estas variaciones afectan exclusivamente a la existencia de régimen deslizante.<br/>· A partir del análisis del dominio de deslizamiento para cargas resistivas y reactivas se ha presentado un método de diseño de los parámetros del convertidor en función de la amplitud, offset y frecuencia de la señal que se pretende generar, basado en la utilización de la respuesta frecuencial del filtro de salida del convertidor conjuntamente con la impedancia de carga.<br/><br/>· El convertidor adquiere la tensión de salida deseada en régimen permanente en tiempo mínimo para un conjunto de condiciones iniciales. El estudio realizado permite conocer dicho conjunto de condiciones iniciales en el plano de fase.<br/><br/>Se ha analizado el efecto de las resistencias de pérdidas de los elementos reactivos sobre la dinámica en régimen deslizante, llegando a la conclusión de que un ajuste de los parámetros de la superficie de conmutación propuesta permite obtener la señal de salida deseada.<br/><br/>Los resultados experimentales y por simulación validan el diseño propuesto. El prototipo electrónico realizado se basa en una implementación del control sobre un dispositivo lógico programable (EPROM). Para ello se ha utilizado una normalización de las variables que admite un ajuste externo de los parámetros de la tensión senoidal generada, de este modo, la ley de control únicamente se programa una vez.<br/><br/>La ecuación de Abel debe resolverse mediante procedimientos numéricos en el caso de los convertidores elementales bilineales. El método de control en modo deslizante propuesto se basa en un seguimiento indirecto de la tensión de salida mediante una señal de referencia, que es una aproximación en serie de Fourier truncada de una solución periódica de la ecuación de Abel. Este estudio se ha detallado para los convertidores Boost y Back-Boost.<br/>Aplicando el teorema de la función inversa se han obtenido las superficies de conmutación autónomas que proporcionan generación de señal senoidal en régimen deslizante. Sin embargo, algunos comentarios adicionales deben realizarse:<br/><br/>· El procedimiento utilizado se basa en una resolución numérica, lo cual conlleva que no pueda parametrizarse la superficie de conmutación en función de los elementos del convertidor ni de los parámetros de la señal deseada.<br/><br/>· Las resistencias de pérdidas asociadas a los elementos reactivos muestran ser relevantes y, por este motivo deben considerarse en el desarrollo del diseño propuesto.<br/><br/>Se han aplicado las técnicas de seguimiento y generación de señal sobre el convertidor de cuarto orden Boost-Buck. El diseño del control en modo deslizante propuesto permite lograr generación o seguimiento de señal senoidal en modo deslizante propuesto permite lograr generación o seguimiento de señal senoidal a la salida del convertidor con característica elevadora de tensión respecto a la fuente de entrada en un amplio rango de frecuencias. El método de control propuesto se basa en descomponer el convertidor en dos etapas (etapa Back y etapa Boost) de modo que el control en modo deslizante de cada una de ellas proporcione generación o seguimiento de la señal deseada (en el caso de la etapa Buck) y garantizar la existencia de régimen deslizante en la etapa Buck (en el caso de la etapa Boost). Los resultados experimentales y por simulación corroboran el diseño propuesto.