Proiectarea Si Implementarea Micro Controlelor Bazate pe Convertorul Flyback Pentru Drivere cu Led

Dezvoltarea rapida a diodelor emitoare de lumina si aplicarii acestora au permis crearea unei noi generatii de dispositive de iluminare cu eficienta mai mare si o durata de viata mai lunga.

Folosind un convertot Flyback conectat cu partea primara si a seriei de micro-controler PIC18F, un driver LED poate obtine urmatoarele doua caracteristici: (1) Compatibiliatea cu sistemele de iluminare existente, (2) reducerea pretului de productie.

Convertorul Flyback a fost ales pentru simplitate, costul redus si posibilitatea de a asigura un curent de iesire constant, ceea ce este un factor important necesar pentru un driver LED, in acelasi timp seria de micro-controlere PIC18F ofera diverse caracteristici ce include dar nu sunt limitate la modulatia in latime de puls (PWM), convertor analog la digital cu 13 canale in 10 biti (ADC), etc. Ceea ce intruneste cerintele de stabilizare a unei parti primare a unul convertor Flyback.

Primul proces de proiectare a fost efectuat in stadiul de simulare cu ajutorul matlab-simulink si cadence, orcad capture CIS (Pspice).

Utilizand o schema de control bazata pe PI si folosind complet blocurile incorporate de modelare de comportament analog (ABM), probleme legate de simpla simulare datorate lipsei unui model exact de serie de micro-controler PIC18F au fost complet rezolvate, rezultatele simularii au coincis cu specificatiile de proiectare: tensiune de iesire este de 32 VDC in timp ce sarcina este de 350mA.

Mai mult de atat rezultatele simularii au demonstrat fezabilitatea utilizarii unui convertor Flyback primar in conjunctie cu un micro-controler PIC18F ca si driver LED. Un cablaj demonstrativ (PCB) a fost realizat utilizand editorul Orcad PCB.

In cele din urma micro-controlerul PIC18F4550 a fost programat sa preia sarcinile de control ale driverului LED. Rezultatele experimentale arata succesul proiectului cu toate partile driverului conlucrand asa cum era de asteptat.

Capitolul I

INTRODUCERE

Prefata

Cand vine vorba de consumul de energie electrica, un adevar ii uimeste pe multi, conform agentiei internationale de energie iluminatul reprezinta 20 % din consumul mondial de energie, de fapt omniprezenta becurilor cu incadescenta este motivul unui procent asa de ridicat de consum de energie, becul cu incandescenta care este total depasit, transforma doar 5% din energia de intrare in lumina si disipa restul in mediul inconjurator sub forma de caldura.

Asta inseamna ca unul din cele mai populare aparate eletrice din lume este si de asemenea si cel mai inefficient. In ciuda introducerii unor noi dispositive de iluminare, cum ar fi lampa fluorescenta (CFL), costul relativ redus si obiceiurile de cumparare ale consumatorilor fac ca becul cu incandescenta sa fie indispensabil pe piata corpurilor de iluminat. Consumatorii pur si simplu nu vor sa cumpere un nou produs de iluminare ca apoi sa schimbe si aparatura de iluminat.

Din punctual de vedere a consumatorului, ei vor sa cumpere un produs nou cu un pret redus dar sa fie si usor de utilizat. Acesta este un lucru foarte important pe care proiectantii trebuie sa il aibe in considerare in timpul procesului de proiectare, o solutie pentru inlocuirea dispozitivelor de iluminare ineficiente este utilizarea noii generatii de becuri cu diode luminoase (LED).

Dezvoltarea tehnologiei semiconductoarelor inbunatateste abilitatea de iluminare a ledurilor in mod semnificativ de la an la an, un LED este in esenta o dioda semiconductoare cu exceptia abilitatii de a emite lumina cand prag frontal. Un bec LED va furniza mai multa lumina in timp ce va consuma mai putina energie. Mai important de atat pretul ii va scadea in viitorul apropiat.

Acesta din urma este unul din cei doi factori important ce previn introducerea becurilor LED pe piata dispozitivelor de iluminare din cauza ca pretul unui bec LED este in continuare relativ ridicat in comparatie cu doua din oponentele sale: CFL si becul cu incandescenta. Cheltuind aceasi suma de bani pe un bec LED, consumatorii ar putea cumpara 3 CFL, sau chiar 20 de becuri cu incandescenta de aceasi putere. Totusi, aceasta corelatie se schimba in mod continuu.

Desi are un pret neatractiv becul LED este invincibil cand vine vorba de eficacitate, ceea ce inseamna ca becul LED poate atinge un nivel impresionant de lumina redata per watt. In afara de aceasta caracteristica uimitoare, durabilitatea unui bec LED este un alt mare avantaj ce este de obicei ignorat de catre consumatori.

Multi producatori afirma ca durata de viata medie a unui bec LED este mai mare de 20 de ani, ceea ce l-ar face un supravietuitor intre restul de aparate pe care le-ati cumpara in aceasi zi. In plus, beneficiul pe termen lung al becului LED va demonstra eficacitatea sa unica mentionata mai sus cand se va lua in considerare costul sau total de intretinere[2].

Un experiment efectuat de revista Men's Journal evidentiaza costul total de utilizare al unui sistem de iluminare de catre o familie americana constand in 40 de becuri cu incandescenta timp de 20 de ani (3 ore de utilizare zilnica cu un pret mediu al electricitatii la nivel national), depaseste de patru ori (6300$) costulunui sistem identic dar care utilizeaza becuri LED (1431$). Chiar si cu becul CFL, caruia i se face reclama ca fiind foarte economic, costul total al acestui sistem de iluminare este de o data si jumatate mai mare (2106$) decat al sistemul LED.

Comparatia completa este aratata in figura 1.1. Este de mentionat faptul ca costul total nu a inclus cheltuiala inlocuirii becului nou, avand in vedere ca durata de viata a unui LED este de peste 20 de ani, nu ne asteptam ca un bec LED sa fie inlocuit in acest interval, intre timp fiecare bec cu incandescenta cu greu depaseste o durata de viata mai mare de un an.

Asadar consumatorii cu sisteme de iluminare cu incandescenta ar pute di nevoiti sa inlocuiasca de cel putin 19×40=760 de ori pe o durata de 20 de ani (in caz ca nu isi inceteaza functionarea mai mult de un bec la un moment dat). Situatia este oarecum imbunatatita cu becurile CFL deoarece acestea pot rezista pana la 6 ani dar costurile de inlocuire vor submina abilitatea lor de a atrage clientii.

FIGURA 1.1 – Costul total al utilizarii becurilor cu incandescenta , CFL si LED pe o perioada de 20 de ani

Asa cum a fost mentionat si mai sus pretul prohibitiv care se va reduce in curand este una din cele doua bariere ce opresc becurile LED din a deveni un produs de iluminare larg utilizat. Celalalt factor este compatibilitatea noilor generatii de becuri LED. In ciuda faptului ca beneficiile pe termen lung, cum ar fi: durata de viata lunga, reducerea costurilor si faptul ca sunt produse ecologice, becurile LED nu ar putea sa atraga clienti daca ar fi necesara achizitionarea de accesorii aditionale din punct de vedere al proiectarii, este mai bine sa avem becuri LED ce functioneaza perfect cu fasungurile existente.

Cumparand un produs de iluminare nou cu un pret putin mai ridicat, ar trebui sa pastreze clientul satisfacut cu decizia acestuia pe termen lung datorita faptului ca este usor de montat in fasungul de acasa.

Capitolul 1.2

Scopul si organizarea acestei lucrari

Scopul principal al acestei lucrari este proiectarea unui convertor flyback bazat pe un micro-controler pentru actionarea sarcinii de iluminare a LED-ului. Procesul de proiectare incepe cu sarcina de simulare in Matlab/Simulink si Cadence'PSice (OrCAD Capture CIS).

Dupa obtinerea cu succes a rezultatelor identice cu proiectul un cablaj demonstrativ va fi proiectat in OrCAD PCB editor. Atunci este transferata schema unui producator de cablaje PCB spre executie.

In final micro-controlerul va fi programat in scopul controlarii driverului LED. O scurta introducere legata de specificatiile de proiectare si considerentelor acestora, va fi prezentata in capitolul 2 (specificatii de proiectare si considerente).

Detalii despre modul de functionare al simularii si implementrariilor hardware vor fi regasite in capitolul 3 (simularea unui convertor flyback cu primar bazat pe micro-controler pentru un driver LED), si in capitolul 4 (implementare hardware).

Capitolul 5 se refera la rezultatele experimentale, iar capitolul 6 va incheia lucrarea.

Capitolul 2

Specificatii de proiectare si considerente

2.1. Specificatii de proiectare

Pentru a proiecta un driver LED ce asigura toate avantajele mentionate in capitolul precedent, inginerii proiectanti ar trebui sa ia in considerare in mod meticulos toate dimensiunile.

Forma acestuia ar trebui sa fie indeajuns de mica incat sa incapa in fasungurile disponibile in comert la ora actuala, iar acest mic driver ar trebui sa indeplineasca toate specificatiile tehnice cerute (factorul de putere PF, luminozitate, etc.).

Construirea unui driver LED bazat pe un invertor DC-DC unde sarcina de control este preluata de un micro-controler, a inceput sa atraga de curand din diferite motive.

Micro-controlerele moderne sunt nu doar extrem de puternice dar si indeajuns de mici pentru a fi integrate intr-un driver LED. Ofera o flexibilitate ridicata cu numeroase functii integrate cum ar fi: modulatia in latime de puls (PWM) convertor de la analog la digital (ADC), timer, etc., ce permit proiectantilor sa realizeze multe sarcini fara ajutorul circuitelor dedicate.

Mai mult, beneficiind de avansurile in industria semiconductoarelor, micro-controlerul devine din ce in ce mai ieftin, acesta aduce mari contributii in efortul de a scadea pretul driverului LED.

Munca de selectie a unui invertor DC-DC pentru un LED, ar trebui sa ia in considerare unele caracteristici cum ar fi: topologia, performanta si costul de implementare. Convertorul flyback vine ca o obtiune optimizata datorita simplitatii relatiei excelente vizavi de tensiunea curentului de intrare si costului scazut.

Simplitatea intregului circuit driver va fi mult imbunatatita prin stabilizarea iesirii primare a transformatorului. Utilizarea unui primar inteligent si stabilizarea, nu ajuta doar la reducerea dimensiunii cablajului prin eliminarea componentelor nefolositoare cum este optocuplorul dar elimina deasemenea efectele nedorite de instabilitate.

Asadar pretul driverului LED ar scadea in continuare in vreme ce s-ar imbunatatii performanta. Specificatiile de proiectare ale unui convertor flyback cu primar inteligent bazat pe micro-controler pentru driver LED sunt redate in tabelul 2.1. Schema pentru acest driver este ilustrata in figura 2.1

TABEL 2.1 – Specificatii de proiectare

FIGURA 2.1 – schema unui convertor flyback cu primar inteligent bazat pe micro-controler pentru driver LED

´

Procesul de proiectare al unui driver LED va incepe cu simularea, utilizand Matlab-Simulink si PSpice (OrCAD Capture CIS).

In continuare cablajul prototip (PCB) va fi proiectat utilizand OrCAD PCB Editor Lite, ce este inclus in acelasi pachet gratuit de la Cadence.

Atunci vor fi transferate fisierele schema spre un producator PCB pentru productie.

In scop demonstrativ, componentele PCB sunt selectate doar in baza specificatiilor tehnice.

Asadar multe dintre componente sunt dispozitive through-hole, ce au o amprenta mare.

Dimensiunea cablajului ar trebui sa scada in mod considerabil prin utilizarea dispozitivelor cu montare pe suprafata (SMD), in cazul in care placa prototip a functionat impecabil si a fost gata de comercializare.

2.2. Micro-controlerul ca si controler de driver

Controlerele in comutatie cu semnale mixte dedicate, erau de obicei principala alegere in sarcina de stabilizare a unui convertor flyback.

Insa nu sunt la fel de flexibile ca micro-controlerele moderne si sunt trreptat inlocuite de numeroase familii de micro-controlere moderne puternice si multifunctionale [3].

Avand numeroase functii incorporate, micro-controlerele permit proiectantiilor sa adauge mai multe caracteristici aceluiasi circuit prin simpla schimbare a algoritmilor de control.

Nu este necesara adaugarea de circuite noi, asadar, placa curenta nu ar deveni mai complicata.

Asta inseamna ca proiectantii pot asigura clientilor mai multe utilizari ale aceluiasi produs fara un cost prea ridicat de modernizare.

Selectarea unui micro-controler adecvat nu este o sarcina usoara. Fiecare producator cum ar fi Atmel sau Microchip Tehnology, are multiple familii de chipuri ce pot indeplinii fiecare scop de control.

In fiecare familie sunt sute de tipuri ce difera unul de altul prin forma, cantitate de memorie, viteza, etc.

In general sarcina de selectare a unui micro-controler pentru un anumit proiect, ar trebui sa fie bazata pe urmatoarele criterii [4]: (1) posibilitatea

micro-controlerului de a asigura forta necesara la un pret rezonabil pentru a indeplinii toate cerintele de proiectare, (2) cat de usor este de programat, incarcat si testat micro-controlerul?, si (3) sursa de provenienta a micro-controlerului.

Micro-controlerul selectat pentru proiectul curent este PIC18F4550 de la Microchip Tehnology (figura 2.2).

In primul rand acest controler pe 8 biti este echipat cu doua module captura/comparatie/PWM (CCP), ce sunt adecvate controlarii unui convertor flyback.

Avand 4 module timer (3 pe 16 biti si unul pe 8 biti), in 35 de porturi I/O cu convertor ADC cu 13 canale pe 10 biti, sarcina de achizitie a semnalului devine o munca mult mai usoara [5].

Cei 32 Kbytes de memorie program si cei 2048 bytes de memorie pentru date ai lui PIC18F4550 sunt mai mult decat indeajuns pentru acest mic circuit driver LED.

In plus pretul pentru o singura bucata este relativ mic, putin mai jos de 5$ pentru 10 unitati [6] si va scadea dramatic in cazul in care cantitatea depaseste 100 de bucati.

Programatorul acestuia, PicKit3 ne asigura un kit software prietenos si include gratuit un compilator C.

Acest produs are de asemenea o sursa de provenienta stabila de la producatorul acestuia, Microchip Tehnology, sau de la alti distribuitori de componente electronice, cum ar fi Digikey sau Mouser.

In concluzie, micro-controlerul PIC18F4550, indeplineste toate cerintele acestui proiect de driver LED

TABELUL 2.2 – Principalele caracteristici ale micro-controlerului PIC18F4550

FIGURA 2.2 – Micro-controlerul PIC18F4550 si programatorul PicKit3

Capitolul 2.3

Convertorul flyback

Convertorul flyback a fost selectat dintre multiple topologii de convertoare DC-DC in comutatie pentru multiplele sale avantaje comparativ cu altele.

Absenta inductorului de iesire contribuie foarte mult la costul scazut al convertorului flyback datorita faptului ca dimensiunea cablajului a putut fi micsorata in vreme ce pretul inductorului nu trebuie sa fie inclus in buget (figura 2.3).

Este inlocuit de catre un transformator ce va putea sa asigure o izolare intre sarcina si partea de intrare [7].

Fara o legatura directa intre cele doua parti siguranta nu mai este o problema pentru un circuit bazat pe flyback.

Acest transformator de asemenea stocheaza si elibereaza energie magnetica, fiecare operatiune corespunzand respectiv intervalelor de conductibilitate si neconductibilitate ale diodei de pe partea secundara.

FIGURA 2.3 – Un convertor flyback

Una din caracteristicile ce fac topologia flyback sa devina alegerea principala pentru driverul LED, este abilitatea acesteia de a asigura un curent sau tensiune de iesire constanta, depinde de modul de operare in curent discontinuu (DCM) sau continuu (CCM).

In cazul becurilor LED luminozitatea lor depinde in mod direct de curentul de inaintare ce trece prin acesta [8].

Asadar, un driver LED ar trebui proiectat cu un curent de iesire constant pentru a obtine performanta ceruta.

Din aceste motive un convertor flyback ce opereaza in modul de lucru DCM este raspunsul exact pentru acest proiect.

In plus, topologia flyback are o relatie liniara excelenta intre curentul mediu de intrare si tensiune ce are ca rezultat un factor de putere foarte ridicat.

(2.1)

In formula de mai sus, D este ciclul de lucru, T este perioada de comutatie, iar Lp este inductanta de magnetizare a infasurarii primare.

Aceasta relatie face convertorul flyback sa fie una din obtiunile cel mai des alese cand vine vorba de corectarea factorului de putere.

Cel mai mic factor de putere permisibil este o cerinta importanta pentru noile aparate casnice si trebuie sa adere la reglementarile specific in functie de utilizarea in scopuri rezidentiale sau comerciale. In afara de convertorul flyback conventional, o alta caracteristica distincta din acest proiect este stabilizarea pe primar. Autoidentificarea si stabilizarea primarului este metoda preferata pentru acest convertor izolat, deoarece face circuitul sa fie mai putin complicat si contribuie la efortul de reducere a pretului pentru intregul circuit. In acest proiect, nu este nevoie de circuit feedback izolat deoarece functionarea secundarului poate fi monitorizata prin utilizarea unei bobine auxiliare de transformator impreuna cu contorul micro-controlerului. Eleminarea optocuplorului in circuitul de feedback nu doar micsoreaza complexitatea circutului dar de asemenea elimina efectele nedorite ale optocuplorului datorate schimbarilor de temperature.

Tensiunea de intrare pentru convertorul flyback din acest proiect este un current continuu cu (formula), care este ajustata direct din sursa de current alternative. Cand tranzistorul de comutatie Q este in pozita pornit, curentul didn primar este crescut liniar pana cand atinge valoarea maxima de:

FORMULA 2.2

unde ton este intervalul de conductibilitate a tranzitorului de comutatie. Aceasta baza de timp, poate fi reglata de la 0,5 µs la 5µs. Valoarea selectata aici este de 0.83µs, ceea ce este echivalentul la 0.005% dintr-un ciclu complet al unei surse de curent alternativ la 60 Hz (aproximativ 16.6 ms). In timpul intervalului ton, dioda din secundar va avea prag inversat datorita polaritatii inversate iar curentul de sarcina este asigurat de catre condensatorul de iesire.

La ton, tranzistorul de comutatie este in pozita oprit iar polaritatea infasurarii primare a transformatorului se inverseaza imediat. In dioda din secundar are acum pragul normal si conduce curentul din infasurarea secundara pentru a incarca. Acest curent va scadea liniar, incepand de la valoarea sa de varf Ismax ce are urmatoarea relatie cu curentul de varf din primar:

formula 2.3

Daca acest curent este calculat sa dispara total inainte ca tranzistorul de comutatie sa se somute dinou pe pozitia pornit, acest mod se numeste mod de curent discontinuu. Sarcina medie la care ne asteptam, pentru a actiona un LED de un watt, este de 0,35 A. Intervalul de conductabilitate al diodei din secundar poate fi stiut daca se identifica momentul la care curentul din secundar ajunge la 0 (t2) Valoarea lui t2 poate fi obtinuta din:

formula 2.4

formula 2.5

Valoarea calculata demonstreaza ca modul de operare este DCM, deoarece t2<T=1/f. Modul de operare DCM asigura un curent de iesire constant dorit, ofera un raspuns la supratensiune initiala excelent si deasemenea va fi capabil sa asigure caracteristica corectiei factorului de putere pentru convertorul flyback. Modul de operare DCM necesita totusi unele componente cu valori mai mari. Asa cum am mentionat mai sus convertorul flyback din acest proiect va asigura caracteristicile de autoidentificare si stabilizare pe partea primara. O bobina auxiliara a transformatorului va fi folosita pentru a monitoriza modul de lucru al secundarului. Presupunand ca inductanta bobinei auxiliare este de 1µHz, tensiunea sa va fi:

formula 2.6

Un senzor de tensiune este format de catre o dioda zener si un rezistor. Acest nivel de tensiune va fi luat si apoi comparat cu un prag de tensiune predefinit ce este stocat de catre micro-controler pentru a putea detecta intervalul de conductibilitate al diodei din secundar. Intervalul de conductibilitate al diodei din secundar va fi combinat cu semnalul de la detectorul de curent de varf, cu o mostra de semnal a curentului de intrare corectat si cu curentul de comutatie al primarului prin patru intrari ale micro-controlerului. Caracteristica de PWM a micro-controlerului proceseaza datele si apoi compara cu o valoare prestabilita stocata intr-un registru, inainte de a lua decizia. Daca nepotrivirea dintre valoarea calculata si cea prestabilita nu se afla in intervalul de toleranta permisibil, ciclul de lucru va fi ajustat. In caz contrar nu va fi declansata nicio actiune din partea micro-controlerului.

Capitolul 2.4

Simulare

Simularea este un pas vital la inceputul oricarui proces de proiectare. Din pacate este imposibil sa pregatim un mediu direct pentru felul in care se comporta micro-controlerul PIC18F4550, utilizand uneltele disponibile. Facand uz de modelul matematicde prim ordin pentru convertorul flyback si utilizand Cadence PSpice (OrCAD Capture CIS) si o schema de control bazata pe PID, pot fi simulate cateva caracteristici critice ale micro-controlerului (PWM, contor, etc.) Procesul de simulare va fi prezentat mai pe larg in Capitolul 3.

Capitolul 2.5

Proiectarea cablajului demonstrativ

Pentru a minimaliza aparitia oricaror eventuale nepotriviri in proiectare, procesul de proiectare al PCB-ului va incepe cu OrCAD Capture CIS pentru desenul schemei iar apoi se va exporta in OrCAD PCB Editor pentru asezare in plan. Cele doua parti ale aceleiasi suite de la Cadence, ajuta la buna desfasurare a procesului de proiectare.

Majoritatea componentelor pasive au amprente definite. Totusi, unele componente cum ar fi transformatorul si micro-controlerul, ale caror amprente nu sunt furnizate de catre producatori, necesita proiectarea manuala a unei amprente. Acest proces devine mai putin dificil cu ajutorul lui OrCAD PCB Editor Footprint Wizard. De fapt acesta permite proiectantului sa deseneze orice tip de amprenta, atata vreme cat este disponibila fisa tehnica a componentei.

Avand in vedere ca placa de aici este doar o versiune demonstrativa, selectarea componentelor nu a fost optimizata. Unele componente ar putea avea o amprenta mare si nu se conformeaza la tendinta de miniaturizare datorita utilizarii tehnologiei through-hole. Dimensiunea cablajului poate fi micsorata prin inlocuirea dispozitivelor through-hole cu componente SMD cu aceleasi specificatii. Aceasta sarcina va fi executata daca: (1) cablajul demonstrantiv functioneaza corect si (2) daca driverul este comercializat.

Procesul de proiectare al PCB-ului se finalizeaza prin compararea desenelor generate cu asezarea din cele precedente. Desi desenele generate pot fi investigate chiar de catre PCB Editor, rezultatele proiectarii ar trebui vizualizate cu ajutorul unei unelte independente. Daca aceste programe diferite ajung la acelasi rezultat, inseamna ca desenele sunt corecte.

Capitolul 2.6

Programarea

Limbajul oficial de programare ce va fi utilizat pentru micro-controlerul PIC18F4550 este C. IDE-ul si compilatorul sunt disponibile gratuit pe siteul producatorului (www.microchip.com). Codul va fi usor incarcat in micro-controler utilizand programatorul PicKit3 prin interfata USB.

Capitolul 3

Simularea unui convertor flyback cu autodetectare pe primar bazata pe micro-controler pentru un driver LED

Capitolul 3.1

Introducere

Simularea joaca un rol vital in procesul de proiectare in ingineria electrica. Pe masura ce circuitele si sistemele electronice au devenit mai complicate, simularea pe calculator si-a dovedit utilitatea in compararea verificarii de proiectare traditionale cu montaj provizoriu [9]. Odata cu dezvoltarea tehnologiilor de calcul moderne si algoritmilor, rezultatele simularii pot reflecta perfect comportamentul componentelor electrice. Simularea ajuta inginerul proiectant sa economiseasca nu doar din costuri dar si timp din moment ce asigura informatii utile despre efectul fiecarei componente asupra rezultatului final. De aceea procesul de proiectare al driverului LED din acest proiect a inceput cu sarcina de simulare.

Cand vine vorba de simularea in ingineria electrica PSpice de la Cadence (OrCAD Capture CIS), vine ca una din cel mai des alese solutii de catre inginerii proiectanti. Este convenabil, puternic si are o interfata cu utilizatorul foarte prietenoasa. PSpice nu doar asigura un volum imens de componente dar de asemenea motiveaza creativitatea proiectantului prin dezvoltarea de noi componente pe cont propriu. Datorita acestei caracteristici exista mii de librarii cu componente realizate de utilizatori distribuite pe internet, incluzand atat pachete gratuite cat si cu plata. In plus, multi comercianti de componente electronice, considera PSpice un standard industrial si ofera public in mod gratuit propriile librarii de produse.

In ciuda faptului ca exista numeroase librarii compatibile cu PSpice gata de lucru pentru micro-controlere, este greu de gasit una care sa il contina pe cel ales de noi din familia PIC18F. Acest motiv isi are originea in faptul ca aceasta serie de microcipuri ofera prea multe caracteristici avansate pentru a fi reprezentate intr-un singur model matematic. Asta inseamna ca la exact primul pas al sarcinii de simulare, trebuie sa gasim o solutie pentru a deasi absenta librariei familiei PIC18F.

Au fost propuse doua solutii. Primul a fost construirea unui model matematic pentru micro-controlerul PIC18F4550 ce reprezinta exact toate comportamentele de care avem nevoie de la acest chip (PWM, contor, etc.). Aceasta solutie pare sa fie coplesitoare cat si consumatoare de timp cu randament scazut. A doua este sa se utilizeze librariile Analog Behavioral Model integrate de catre Cadence in conjunctie cu algoritmul de control bazat pe PID pentru a putea prezenta caracteristicile necesare ale lui PIC18F4550. Acest plan promite sa asigure aceleasi rezultate echivalente dar necesita un interval de timp mult mai redus.

Capitolul 3.2

Schema de control bazata pe PID

PID este unul din cele mai folosite controlere din industrie deoarece asigura nu doar o buna performanta de iesire intr-o gama variata de conditii de lucru dar si simplitate, strategie de ajustare gata de lucru [10]. In aceasta simulare functia de transfer populara de trei termeni PID in domeniu de frecventa va fi folosita dupa cum urmeaza:

FORMULA 3.1

in care Kp, K1 si KD sunt coeficienti proportionali integrali si derivati ce reprezinta termenii coresponenti. De fapt, termenul derivat are urmatoarea functie de transfer:

FORMULA 3.2

unde τD este indeajuns de mic comparativ cu constanta de timp a procesului in sine si poate fi de obicei neglijat.

CAPITOLUL 3.3

Modelarea convertorului flyback

Un model matematic pentru convertorul flyback cu autodetectare pe primar, este necesar pentru procedura de control a proiectarii. Pe masura ce convertorul flyback lucreaza in mod curent discontinuu (DCM), se atinge un factor de putere foarte ridicat [11]. Din acest motiv caracteristicile de intrare la care ne asteptam din partea LED-ului sunt similare cu ale unui rezistor pur pe care il folosim ca sarcina in aceasta simulare. Cu asemenea sarcina similara a unui rezistor tinta de control atinge si mentine tensiunea de iesire a convertorului flyback cat mai aproape posibil de 32 V, in asa fel incat curentul ce trece printr-un LED de 1 W, este de aproximativ 350 mA, in vreme ce timpul de coborare ar trebui sa fie indeajuns de mic pentru a garanta raspunsul rapid al unui bec LED. Procentul de supramodulatie este de asteptat sa fie de asemenea mic din moment ce un LED este in esenta o dioda, asa ca o mica schimbare efectuata asupra tensiunii inaintate, ar putea face o schimbare semnificativa in curent. Un model de ordin prim pentru convertorul flyback este potrivit aici deoarece asigura nu doar simplitate dar si o acuratete rezonabila.

CAPITOLUL 3.4

Proiecatarea controlerului si sistemului de feedback

Controlerul ales are la baza o schema PID pentru numeroasele avantaje mentionate in sectiunea 2 a acestui capitol. Pentru acest tip de controler au fost introduse mai multe moduri de a determina amplificarea in semnal numite PID tuning.

Prima abordare este ajustarea manuala (manual tuning) in care toti cei 3 parametrii KP, KI, KD, sunt obtinuti manual fara calcule matematice [13]. Din moment ce nu exista nici o formula matematica explicita pentru a obtine parametrii PID, aceasta metoda ar putea incurca proiectantii fara experienta datorita relatiilor complicate dintre reglajele amplificarii si specificatiile de proiectare. De exemplu, cresterea lui KP ajuta la scaderea erorii de regim stationar, dar in mod egal face ca procentul de supramodulatie sa creasca cu un foarte mic impact asupra timpului de coborare. In acelasi timp schimband KI in acelasi mod, obtinem 0 la eroarea de regim stationar cu imbunatatirea atat a procentului de supramodulatie cat si a timpului de coborare. In plus, determinarea amplificarilor fara o formula matematica, inseamna ca procesul de proiectare va fi executat doar prin testare si detectare. Aceasta metoda poate fi foarte mare consumatoare de timp si greoaie pentru cei cu slabe cunostinte legate de PID.

O regula empirica larg folosita pentru tuning manual este setarea in prealabil la 0 atat pentru KI cat si pentru KD. KP va fi ajustat crescator pana cand sistemul intra in oscilatie folosind metoda root locus. Valoarea lui KP ce trimite sistemul in oscilatie va fi impartita la 2 pentru a obtine amplificarea proportionala. In contiuare KI va fi incrementat pentru a obtine un timp de urcare rezonabil. Amplificarea integrala nu trebuie sa fie foarte mare pentru a evita instabilitatea sistemului. In continuare, amplificarea derivata va fi ajustata pentru a se comforma la specificatiile de proiecatare ale procentului de supramodulatie si timpului de coborare. Acest proces pare simplu la inceput dar necesita multe experimente si nu garanteaza convergenta.

Metoda de tuning Ziegler-Nichols a fost introdusa in anii ’40. Este o metoda dovedita cu formula matematica explicita pentru fiecare controler P, PI si PID. Este o metoda folositoare pentru cazurile ce necesita posibilitatea respingerii zgomotului si un raspuns in pas rapid de bucla inchisa fara oscilatii excesive. Procesul de identificare al amplificarilor, stabileste in aceasi maniera cu tuning-ul manual, prin setarea la 0 atat a integralelor cat si a derivatelor iar apoi prin cresterea amplificarii proportionale pana cand sistemul isi atinge granita de oscilatie. Valoarea lui KP ce face sistemul sa intre in oscilatie a fost notata cu KU – amplificarea maxima. Masurand perioada de oscilatie a sistemului, obtinem TU – perioada maxima.

Din amplificarea maxima KU si perioada maxima TU, vor fi determinate amplificarile proportionale, integrale si derivate ale controlerelor P, PI si PID, in functie de tipul de controler luat in considerare. Daca este indeajuns un controler proportional, amplificarea proportionala a acestuia va fi luata ca 0,5 KU. In cazul in care este necesar un controler proportional-integral, amplificarile proportionale si integrale vor fi 0,45 KU respectiv 0,54 KU/TU. Daca este necesar un controler PID complet cu trei termeni, amplificarile proportionale integrale si derivate sunt 0,6 KU, 1,2 KU/TU, respectiv 0,6 KUTU/8.

CAPITOLUL 3.5

Simularea prin PSpice

pagina 30