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Família de conversores c.c./c.c. de alto ganho com chave única 单开关高增益 DC/DC 转换器系列
Pub Date : 2024-05-06 DOI: 10.18618/rep.2024.1.0001
Aline V. C. Pereira, Marcelo C. Cavalcanti, G. M. S. Azevedo, Fabricio Bradaschia, C. A. Caldeira, E. Barbosa
Neste trabalho é apresentada uma família de conversores C.C./C.C. de alto ganho com chave única semicondutora. A variação dos conversores propostos é obtida ao alterar o posicionamento dos capacitores e o alto ganho é atingido através do acoplamento magnético. As perdas por condução são minimizadas devido à blackução dos esforços de tensão na chave pelos circuitos grampeadores. Ainda, todos os diodos operam com comutação sob zero de corrente, eliminando as perdas por recuperação reversa. O artigo apresenta a descrição dos conversores propostos, suas principais equações, formas de onda em modo de condução contínua e uma análise comparativa com conversores similares publicados na literatura. Além disso, os resultados experimentais obtidos de um protótipo projetado para operar com potência nominal de 140 W, frequência de comutação de 100 kHz, tensão de entrada de 14,8 V e tensão de saída de 220 V validam os conversores propostas. A eficiência a carga plena é de 91,84 % e a eficiência máxima 93,77 % foi atingida com 51,27 W.
本文介绍了一系列使用单个半导体开关的高增益 DC/DC 转换器。通过改变电容器的位置实现了所提转换器的变化,并通过磁耦合实现了高增益。由于箝位电路消除了开关上的电压应力,从而最大限度地减少了传导损耗。此外,所有二极管都以零电流开关方式工作,消除了反向恢复损耗。文章介绍了所提出的转换器、其主要方程、连续导通模式下的波形,以及与文献中发表的类似转换器的比较分析。此外,在额定功率为 140 W、开关频率为 100 kHz、输入电压为 14.8 V、输出电压为 220 V 的情况下运行的原型机所获得的实验结果也验证了所提出的转换器。满负荷时的效率为 91.84%,51.27 W 时的最大效率为 93.77%。
{"title":"Família de conversores c.c./c.c. de alto ganho com chave única","authors":"Aline V. C. Pereira, Marcelo C. Cavalcanti, G. M. S. Azevedo, Fabricio Bradaschia, C. A. Caldeira, E. Barbosa","doi":"10.18618/rep.2024.1.0001","DOIUrl":"https://doi.org/10.18618/rep.2024.1.0001","url":null,"abstract":"Neste trabalho é apresentada uma família de conversores C.C./C.C. de alto ganho com chave única semicondutora. A variação dos conversores propostos é obtida ao alterar o posicionamento dos capacitores e o alto ganho é atingido através do acoplamento magnético. As perdas por condução são minimizadas devido à blackução dos esforços de tensão na chave pelos circuitos grampeadores. Ainda, todos os diodos operam com comutação sob zero de corrente, eliminando as perdas por recuperação reversa. O artigo apresenta a descrição dos conversores propostos, suas principais equações, formas de onda em modo de condução contínua e uma análise comparativa com conversores similares publicados na literatura. Além disso, os resultados experimentais obtidos de um protótipo projetado para operar com potência nominal de 140 W, frequência de comutação de 100 kHz, tensão de entrada de 14,8 V e tensão de saída de 220 V validam os conversores propostas. A eficiência a carga plena é de 91,84 % e a eficiência máxima 93,77 % foi atingida com 51,27 W.","PeriodicalId":508878,"journal":{"name":"Eletrônica de Potência","volume":"65 7","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2024-05-06","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"141007674","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Metodologia para derivação de conversores cc-cc elevadores de alto ganho baseados em conexões diferenciais 基于差分连接的高增益升压直流-直流转换器推导方法
Pub Date : 2024-04-22 DOI: 10.18618/rep.2024.1.0003
Jéssika Melo De Andrade, Marco Antônio Santoro Salvador, Roberto Francisco Coelho, T. B. Lazzarin
Este artigo apresenta uma metodologia para síntese de topologias de alto ganho a partir da conexão diferencial entre conversores cc-cc básicos. Tais conversores básicos podem ser iguais ou diferentes, mas devem compartilhar referência comum entre entrada e saída e tensões de saída de mesma polaridade. Além da metodologia e da análise de alguns dos conversores sintetizados em modo de condução contínua, o artigo discute sobre processamento parcial de potência, redução de componentes, adição de células de ganho, modelagem e estratégias de controle. A metodologia proposta é verificada por meio de dez protótipos derivados da conexão diferencial entre conversores básicos, considerando tensão de entrada de 20 V, razão cíclica de 0,75 e potência nominal de 100 W. Três novos conversores cc-cc de ultra alto ganho também são sintetizados a partir da inserção de células de ganho nos conversores diferenciais propostos, sendo dois deles avaliados experimentalmente, apresentado rendimentos máximos próximo de 97%.
本文介绍了一种基于基本直流-直流转换器之间差分连接的高增益拓扑合成方法。这些基本转换器可以是相同的,也可以是不同的,但它们必须在输入和输出之间有一个共同的参考,并且输出电压的极性相同。除了在连续传导模式下合成的一些转换器的方法和分析之外,文章还讨论了部分功率处理、减少元件、增加增益单元、建模和控制策略。考虑到 20 V 的输入电压、0.75 的循环比和 100 W 的额定功率,文章使用十个由基本转换器之间的差分连接产生的原型验证了所提出的方法。通过在拟议的差分转换器中插入增益单元,还合成了三个新的超高增益直流-直流转换器,对其中两个进行了实验评估,结果表明最大产量接近 97%。
{"title":"Metodologia para derivação de conversores cc-cc elevadores de alto ganho baseados em conexões diferenciais","authors":"Jéssika Melo De Andrade, Marco Antônio Santoro Salvador, Roberto Francisco Coelho, T. B. Lazzarin","doi":"10.18618/rep.2024.1.0003","DOIUrl":"https://doi.org/10.18618/rep.2024.1.0003","url":null,"abstract":"Este artigo apresenta uma metodologia para síntese de topologias de alto ganho a partir da conexão diferencial entre conversores cc-cc básicos. Tais conversores básicos podem ser iguais ou diferentes, mas devem compartilhar referência comum entre entrada e saída e tensões de saída de mesma polaridade. Além da metodologia e da análise de alguns dos conversores sintetizados em modo de condução contínua, o artigo discute sobre processamento parcial de potência, redução de componentes, adição de células de ganho, modelagem e estratégias de controle. A metodologia proposta é verificada por meio de dez protótipos derivados da conexão diferencial entre conversores básicos, considerando tensão de entrada de 20 V, razão cíclica de 0,75 e potência nominal de 100 W. Três novos conversores cc-cc de ultra alto ganho também são sintetizados a partir da inserção de células de ganho nos conversores diferenciais propostos, sendo dois deles avaliados experimentalmente, apresentado rendimentos máximos próximo de 97%.","PeriodicalId":508878,"journal":{"name":"Eletrônica de Potência","volume":"40 2","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2024-04-22","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"140677413","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Otimização de controladores baseada em meta-heurística aplicada a conversores CC-CC com validação em hardware-in-the-loop 基于元启发式的控制器优化应用于直流-直流转换器,并进行硬件在环验证
Pub Date : 2024-04-17 DOI: 10.18618/rep.2024.1.0040
R. U. M. Viaro, L. C. Borin, Renan Medke, Everson Mattos, C. R. D. Osório, V. Montagner
Uma dificuldade no projeto de controladores para conversores de potência é otimizar múltiplos objetivos de desempenho respeitando múltiplas restrições de operação, dispondo de um conjunto de poucos ganhos de controle. Este trabalho propõe um procedimento off-line de sintonia automática otimizada de controladores proporcional-integral-derivativos aplicados a conversores CC-CC. A proposta é baseada na otimização de uma função custo que visa atingir margem de fase e frequência de cruzamento desejadas, respeitando restrições de desigualdade no máximo sobressinal e no tempo de acomodação das respostas transitórias. Um algoritmo de otimização por enxame de partículas evolui os ganhos de controle até obter um mínimo da função custo, garantindo a estabilidade frente a incertezas na carga e na tensão de entrada sem violar as restrições de projeto. Os resultados para a regulação da tensão de saída de um conversor buck, descrito por um modelo de fase não mínima quando incluído o atraso na implementação do controle, mostram a superioridade do controlador proposto em comparação a um controlador obtido utilizando uma função especializada do MATLAB. Avaliações experimentais em Hardware-in-the-loop confirmam a viabilidade prática da abordagem para o controle implementado em tempo real em um processador digital de baixo custo e amplo uso.
为功率转换器设计控制器的一个难点是,如何利用一组少量的控制增益,在尊重多种运行约束条件的同时优化多个性能目标。这项研究提出了一种离线程序,用于对应用于直流-直流转换器的比例-积分-派生控制器进行优化自动调整。该建议基于成本函数的优化,旨在实现所需的相位裕度和交叉频率,同时尊重最大过冲和瞬态响应沉降时间的不等式约束。粒子群优化算法不断改进控制增益,直到获得最小成本函数,从而在不违反设计约束的情况下,保证在负载和输入电压不确定的情况下的稳定性。降压转换器的输出电压由非最小相位模型描述,当延迟包含在控制实现中时,调节结果表明,与使用专门的 MATLAB 函数获得的控制器相比,所提出的控制器更胜一筹。硬件在环实验评估证实了这种方法在低成本、广泛使用的数字处理器上实时控制的实际可行性。
{"title":"Otimização de controladores baseada em meta-heurística aplicada a conversores CC-CC com validação em hardware-in-the-loop","authors":"R. U. M. Viaro, L. C. Borin, Renan Medke, Everson Mattos, C. R. D. Osório, V. Montagner","doi":"10.18618/rep.2024.1.0040","DOIUrl":"https://doi.org/10.18618/rep.2024.1.0040","url":null,"abstract":"Uma dificuldade no projeto de controladores para conversores de potência é otimizar múltiplos objetivos de desempenho respeitando múltiplas restrições de operação, dispondo de um conjunto de poucos ganhos de controle. Este trabalho propõe um procedimento off-line de sintonia automática otimizada de controladores proporcional-integral-derivativos aplicados a conversores CC-CC. A proposta é baseada na otimização de uma função custo que visa atingir margem de fase e frequência de cruzamento desejadas, respeitando restrições de desigualdade no máximo sobressinal e no tempo de acomodação das respostas transitórias. Um algoritmo de otimização por enxame de partículas evolui os ganhos de controle até obter um mínimo da função custo, garantindo a estabilidade frente a incertezas na carga e na tensão de entrada sem violar as restrições de projeto. Os resultados para a regulação da tensão de saída de um conversor buck, descrito por um modelo de fase não mínima quando incluído o atraso na implementação do controle, mostram a superioridade do controlador proposto em comparação a um controlador obtido utilizando uma função especializada do MATLAB. Avaliações experimentais em Hardware-in-the-loop confirmam a viabilidade prática da abordagem para o controle implementado em tempo real em um processador digital de baixo custo e amplo uso.","PeriodicalId":508878,"journal":{"name":"Eletrônica de Potência","volume":"9 s3","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2024-04-17","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"140693144","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Controlador Híbrido Robusto PID-MRAC aplicado aos Conversores DC-DC Conectados em Cascata 应用于级联直流-直流转换器的鲁棒 PID-MRAC 混合控制器
Pub Date : 2024-04-15 DOI: 10.18618/rep.2024.1.0036
Rodrigo Paz França, F. Dupont, R. V. Tambara, J. R. Pinheiro
Sistemas de Geração Distribuída são formados pela conexão de diversos elementos como conversores de energia, inversores, filtros, entre outros, que são projetados individualmente para garantir estabilidade e desempenho. Devido à interação entre os elementos conectados, o sistema pode se tornar instável ou oscilatório. A literatura relaciona esse problema ao comportamento de Carga de Potência Constante de conversores operando em malha fechada. Entretanto, este trabalho demonstra que o problema de instabilidade nesse tipo de sistema pode estar relacionado com incertezas presentes na planta e suas interações. Utilizando um estudo de caso que formado por um filtro de entrada LC conectado em cascata com um conversor Buck com um compensador na tensão de saída e, por meio do critério de Middlebrook, identificouse que o sistema em cascata é instável, e através do Teorema do Elemento Extra mostrou-se que isso é devido a presença de dinâmicas não modeladas. Assim, pelo fato de controladores clássicos do tipo PID não garantirem, em muitos casos, a estabilidade, em sistemas conectados em cascata, este artigo propõe um controlador híbrido robusto PID-MRAC. Nesse controlador, a saída do PID é responsável por manter o adequado desempenho transitório e a ação MRAC é responsável pela robustez em relação às incertezas estruturadas e não estruturadas.
分布式发电系统由电力转换器、逆变器、滤波器等各种元件连接而成,这些元件都是为保证稳定性和性能而单独设计的。由于连接元件之间的相互作用,系统可能会变得不稳定或振荡。文献将这一问题与闭环运行的变流器的恒功率负载行为联系起来。但本研究表明,这类系统的不稳定性问题可能与设备及其相互作用中存在的不确定性有关。通过对一个 LC 输入滤波器与一个带输出电压补偿器的降压变流器级联的案例研究,并使用 Middlebrook 准则,确定了级联系统的不稳定性。因此,由于经典的 PID 控制器在很多情况下不能保证级联系统的稳定性,本文提出了一种鲁棒的 PID-MRAC 混合控制器。在该控制器中,PID 输出负责保持足够的瞬态性能,而 MRAC 作用则负责结构化和非结构化不确定性的鲁棒性。
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Comparação de estratégias de controle preditivo e direto de torque para motores de indução 感应电机的预测和直接转矩控制策略比较
Pub Date : 2024-04-09 DOI: 10.18618/rep.2024.1.0035
Rafael Figueiredo, Igor Oliani, Angelo S. Lunardi, Alfeu J. Sguarezi Filho, D. Albiero, Marcello Mezaroba
As mudanças climáticas e a tendência de eletrificação causada pelo uso de energias renováveis incentiva a pesquisa em eletrificação de sistemas e direciona parte do interesse a tecnologias de acionamentos elétricos. Dentre os motores usados em acionamentos modernos, os motores de indução trifásicos mostram-se competitivos dado o seu baixo custo, elevada robustez e maturidade tecnológica. Este artigo explora métodos de controle direto de torque e fluxo, com destaque para controles preditivos, promissores por sua resposta dinâmica rápida e flexibilidade com não linearidades. São analisados resultados experimentais do DTC, PTC, PTC-DSVM e MPTC na mesma bancada. Os resultados demonstram por meio das respostas dinâmica, em regime e THD as diferenças entre estratégias e mostram que a frequência fixa do MPTC não se relaciona diretamente à melhor qualidade de energia no acionamento. O custo computacional também é medido para complemento das análises.
气候变化和可再生能源的使用所带来的电气化趋势鼓励了对系统电气化的研究,并将部分兴趣引向了电力驱动技术。在现代驱动中使用的电机中,三相感应电机因其成本低、坚固耐用和技术成熟而极具竞争力。本文探讨了直接转矩和磁通控制方法,重点是预测控制,由于其快速的动态响应和处理非线性问题的灵活性,预测控制大有可为。文章分析了 DTC、PTC、PTC-DSVM 和 MPTC 在同一工作台上的实验结果。结果通过动态、稳态和总谐波失真(THD)响应显示了不同策略之间的差异,并表明 MPTC 的固定频率与驱动器中更好的电能质量没有直接关系。此外,还对计算成本进行了测量,以补充分析结果。
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Conversor CA-CC trifásico bidirecional e isolado de único estágio para aplicação em carregadores veiculares multifuncionais 应用于多功能汽车充电器的三相双向和隔离式单级交直流转换器
Pub Date : 2024-04-07 DOI: 10.18618/rep.2024.1.0030
Rafael Felipe Van Kan, Leonardo Adriano Ramos, Marcello Mezaroba, C. Rech
Este artigo apresenta a análise e operação de um conversor CA-CC trifásico, bidirecional e isolado em alta frequência, de único estágio com correção do fator de potência, destinado para aplicação como carregador embarcado de baterias de veículos elétricos. Este conversor pode operar nos modos Grid-to-Vehicle (G2V) e Vehicle-to-Grid (V2G). No lado primário tem-se um conversor boost trifásico intercalado (interleaving) com modulação PWM senoidal para conexão com a rede elétrica, e na saída um barramento CC com ponto médio. O lado secundário é composto por uma topologia em ponte completa com modulação PWM convencional de razão cíclica de 50%. A transferência de potência do lado primário ao secundário é realizada por meio da técnica de defasamento angular (phase-shift), a mesma utilizada em conversores Dual-Active Bridge (DAB). Devido a defasagem natural do sistema trifásico, é possível obter transferência de potência constante, de reduzida ondulação, por meio do controle do defasamento angular também constante. Os princípios de operação do conversor são apresentados e demonstrados por análises qualitativas e quantitativas. Resultados experimentais de um protótipo de potência de 3 kW, tensão de entrada da rede elétrica de 127 V/60 Hz, tensão de saída de 300 V e frequência de comutação de 50 kHz são apresentados. Em conformidade com as análises, o protótipo doconversor apresentou fator de potência de 0,997, potência transferida entre primário e secundário constante e de baixa ondulação e dinâmica satisfatória e rápida durante ensaios de inversão do fluxo de potência.
本文介绍了一种具有功率因数校正功能的三相双向隔离式高频单级交直流转换器的分析和运行情况,该转换器可用作电动汽车电池的车载充电器。该转换器可在电网到车辆(G2V)和车辆到电网(V2G)模式下运行。一次侧有一个三相交错升压转换器(交错),采用正弦 PWM 调制,用于连接电网,输出端是一个带中点的直流母线。二次侧采用全桥拓扑结构,采用传统的 PWM 调制,周期比为 50%。从一次侧到二次侧的功率传输采用移相技术,与双主动桥(DAB)转换器相同。由于三相系统存在自然相位滞后,因此可以通过控制同样恒定的角滞后来实现恒定的功率传输,同时降低纹波。本文介绍了转换器的工作原理,并通过定性和定量分析进行了论证。实验结果显示,原型机的功率为 3 kW,主输入电压为 127 V/60 Hz,输出电压为 300 V,开关频率为 50 kHz。分析结果表明,原型逆变器的功率因数为 0.997,初级和次级之间传输的纹波功率恒定且较低,在功率流反转测试中的动态性能令人满意且快速。
{"title":"Conversor CA-CC trifásico bidirecional e isolado de único estágio para aplicação em carregadores veiculares multifuncionais","authors":"Rafael Felipe Van Kan, Leonardo Adriano Ramos, Marcello Mezaroba, C. Rech","doi":"10.18618/rep.2024.1.0030","DOIUrl":"https://doi.org/10.18618/rep.2024.1.0030","url":null,"abstract":"Este artigo apresenta a análise e operação de um conversor CA-CC trifásico, bidirecional e isolado em alta frequência, de único estágio com correção do fator de potência, destinado para aplicação como carregador embarcado de baterias de veículos elétricos. Este conversor pode operar nos modos Grid-to-Vehicle (G2V) e Vehicle-to-Grid (V2G). No lado primário tem-se um conversor boost trifásico intercalado (interleaving) com modulação PWM senoidal para conexão com a rede elétrica, e na saída um barramento CC com ponto médio. O lado secundário é composto por uma topologia em ponte completa com modulação PWM convencional de razão cíclica de 50%. A transferência de potência do lado primário ao secundário é realizada por meio da técnica de defasamento angular (phase-shift), a mesma utilizada em conversores Dual-Active Bridge (DAB). Devido a defasagem natural do sistema trifásico, é possível obter transferência de potência constante, de reduzida ondulação, por meio do controle do defasamento angular também constante. Os princípios de operação do conversor são apresentados e demonstrados por análises qualitativas e quantitativas. Resultados experimentais de um protótipo de potência de 3 kW, tensão de entrada da rede elétrica de 127 V/60 Hz, tensão de saída de 300 V e frequência de comutação de 50 kHz são apresentados. Em conformidade com as análises, o protótipo doconversor apresentou fator de potência de 0,997, potência transferida entre primário e secundário constante e de baixa ondulação e dinâmica satisfatória e rápida durante ensaios de inversão do fluxo de potência.","PeriodicalId":508878,"journal":{"name":"Eletrônica de Potência","volume":"6 33","pages":""},"PeriodicalIF":0.0,"publicationDate":"2024-04-07","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":null,"resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":"140732857","PeriodicalName":null,"FirstCategoryId":null,"ListUrlMain":null,"RegionNum":0,"RegionCategory":"","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":"","EPubDate":null,"PubModel":null,"JCR":null,"JCRName":null,"Score":null,"Total":0}
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Controladores PID com desempenho otimizado aplicados a conversores boost com incertezas paramétricas na carga 性能优化 PID 控制器应用于负载参数不确定的升压转换器
Pub Date : 2024-04-07 DOI: 10.18618/rep.2024.1.0031
R. U. M. Viaro, L. C. Borin, Renan Medke, Olinto César Bassi De Araújo, R. V. Tambara, Everson Mattos, V. Montagner
A principal motivação para este trabalho é a possibilidade de melhorar o projeto de controladores proporcionais-integrais-derivativos aplicado ao conversor boost, com incertezas paramétricas na carga, por meio de meta-heurísticas. Neste sentido, propõe-se aqui um novo procedimento para sintonia automática off-line destes controladores aplicados à regulação de tensão de conversores CC-CC do tipo boost com carga pertencente a um intervalo de incertezas. Um algoritmo de otimização por enxame de partículas é utilizado para evoluir os ganhos do controlador de forma a minimizar um erro médio quadrático da tensão de saída, respeitando limites pré-estabelecidos para margens de fase e de ganho, de frequência de cruzamento, e também para sobressinal e tempo de acomodação das respostas transitórias para variações de carga. O controlador otimizado pelo procedimento proposto fornece respostas superiores quando comparado a controladores largamente utilizados, projetados apenas para uma carga nominal. Resultados experimentais em um protótipo de 50 W, com o controle implementado em um processador digital de sinais de baixo custo, confirmam a viabilidade prática.
这项工作的主要动机是利用元启发式方法,改进应用于负载参数不确定的升压转换器的比例-积分-派生控制器的设计。为此,我们提出了一种新程序,用于自动离线调整这些控制器,使其适用于负载属于不确定范围的升压直流-直流转换器的电压调节。采用粒子群优化算法对控制器增益进行演化,以最大限度地减小输出电压的均方误差,同时遵守预先设定的相位和增益裕度、交叉频率以及过冲和负载变化瞬态响应容纳时间的限制。与广泛使用的仅针对额定负载设计的控制器相比,通过建议程序优化的控制器能提供更优越的响应。通过在低成本数字信号处理器中实施控制,在 50 瓦原型机上的实验结果证实了其实用性。
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Eletrônica de Potência
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