Identificação empírica de modelos matemáticos de conversores CC-CC: modelagem, projeto de controladores e validação via simulação em ambiente hardware-in-the-Loop

Introdução

A modelagem matemática de conversores CC-CC é fundamental para a análise de seu comportamento dinâmico e para o projeto de sistemas de controle. Entretanto, a obtenção de modelos a partir de equações físicas pode apresentar maior complexidade, especialmente em sistemas com diferentes topologias e dinâmicas. Nesse contexto, métodos de identificação empírica permitem obter modelos matemáticos a partir da resposta temporal do sistema, utilizando dados de entrada e saída. Este trabalho aborda a identificação empírica de funções de transferência de conversores CC-CC, visando simplificar o processo de modelagem e possibilitar sua aplicação no projeto de controladores.

Objetivo

Desenvolver e avaliar uma metodologia para obtenção empírica de funções de transferência de conversores CC-CC a partir de dados de entrada e saída, considerando diferentes ordens e características dinâmicas dos sistemas. Busca-se ainda utilizar os modelos identificados no projeto de controladores e avaliar sua capacidade de representar o comportamento dinâmico do conversor.

Método

A metodologia consiste na aplicação de perturbações ao sistema e na aquisição de sua resposta temporal, a partir da qual são extraídos parâmetros utilizados na aproximação por funções de transferência. Foram considerados modelos de primeira ordem, segunda ordem sobreamortecida, segunda ordem subamortecida e terceira ordem com comportamento de fase não mínima. Métodos de identificação baseados em características da resposta temporal e técnicas de integração da curva de resposta foram empregados para determinação dos parâmetros dos modelos. Posteriormente, os modelos identificados foram utilizados no projeto de controladores, sendo suas respostas comparadas com as do sistema original. A validação foi realizada por meio de simulações em ambiente Hardware-in-the-Loop (HIL).

Resultados e discussão

Foram avaliadas quatro classes de funções de transferência a partir de diferentes topologias de conversores. Para a aproximação de primeira ordem, utilizou-se um conversor PFC, considerando a relação entre a tensão e a amplitude da corrente, obtendo-se boa correspondência com a resposta transitória e desempenho satisfatório do controlador. A aproximação de segunda ordem subamortecida foi realizada em um conversor SEPIC, considerando a relação entre a tensão e a razão cíclica, apresentando resultados adequados na modelagem e no controle. Para a terceira ordem de fase não mínima, empregou-se um conversor Boost Quadrático, cuja aproximação permitiu representar adequadamente a dinâmica do sistema e viabilizou o projeto do controlador. Por fim, a aproximação de segunda ordem superamortecida foi aplicada a um conversor SEPIC, considerando a relação entre a tensão e a corrente de entrada, também apresentando boa concordância com o sistema e desempenho satisfatório no controle.

Conclusão

A metodologia desenvolvida mostrou-se aplicável à identificação empírica de funções de transferência de conversores CC-CC, permitindo representar diferentes comportamentos dinâmicos a partir de dados de entrada e saída. A utilização dos modelos identificados no projeto de controladores e sua validação em ambiente Hardware-in-the-Loop demonstraram o potencial da abordagem como alternativa à modelagem convencional baseada diretamente nas características físicas do conversor. Dessa forma, o método contribui para a simplificação do processo de modelagem e análise de sistemas de controle aplicados à eletrônica de potência.

Palavras-chave

• Conversores CC-CC
• Identificação de sistemas
• Função de transferência
• Sistemas de controle
• Hardware-in-the-Loop