دانشکده فنی و مهندسی

گروه مهندسی برق

پایان نامه کارشناسی

عنوان:

DC-DCاستفاده از روش های هوشمند در کنترل مبدل های

راهنما: اتیداس

دکتر اصغر طاهری

دکتر مصطفی طاهری

نگارش :

یاوریعلی

سیدمحمدموسوی

أ

فهرست

1 ............................................................................................................................................................... مقدمه

2 ................................................................................................................. : انواع مبدل ها در الکترونیک قدرتاول فصل

3 ........................................................................................................................................... قدرت کیالکترون 1-1

3 ............................................................................................................................... قدرت کیالکترون یاه مبدل 2-1

DC-AC ................................................................................................................................. 3 یها مبدل 1-2-1

AC-AC ................................................................................................................................. 3 یها مبدل 2-2-1

AC-DC ................................................................................................................................. 4 یها مبدل 3-2-1

DC-DC ................................................................................................................................ 4 یها مبدل 4-2-1

5 ............................................................................................................................................. : مبدل باکدوم فصل

6 ............................................................................................................................. باک مبدل یاتیعمل یها حالت 1-2

9 ......................................................................................................................................................... میمفاه 2-2

9 ................................................................................................................................ وستهیپ حالت در باک مبدل 3-2

10 ............................................................................................................................. وستهیناپ حالت در باک مبدل 2-4

12 ......................................................................................................................................... : مبدل بوستسوم فصل

13 ........................................................................................................................................ بوست مبدل ساختار 1-3

16 ............................................................................................................ بوست مبدل در یخروج ولتاژ رابطه محاسبه 2-3

17 ................................................................................................................ بوست مبدل یاجزا و ها مولفه محاسبات 3-3

17 ................................................................................................................................... یخروج مقاومت 1-3-3

17 ....................................................................................................................................... فهیوظ چرخه 2-3-3

17 ................................................................................................................................................ خازن 3-3-3

17 ................................................................................................................................................. سلف 4-3-3

17 ............................................................................................................................ ماسفت و ودید اننخاب 5-3-3

17 .............................................................................................................................................. تلفات محاسبه 4-3

17 ......................................................................................................................................... ودید تلفات 1-4-3

ب

17 ..................................................................................................................................... یدزنیکل تلفات 2-4-3

18 ........................................................................................................................................ انتقال تلفات 3-4-3

18 ...................................................................................................................................................... راندمان 5-3

19 ................................................................................................................................ کنترل کننده فازی چهارم فصل

20 ....................................................................................................................................... یفاز منطق خچهیتار 1-4

20 ............................................................................................................................... یفاز منطق میمفاه و اصول 2-4

20 ......................................................................................................................................... یفاز یایدن 1-2-4

22 ................................................................................................................................ یفاز یها مجموعه 2-2-4

23 .................................................................................................... یفاز منطق و احتمالات هینظر انیم تفاوت 4-2-4

23 .............................................................................................................................. درکنترل یفاز منطق کاربرد 3-4

PID .............................................................................................................................. 23 کنترل ستمیس 1-3-4

24 ...............................................................................................................................یفاز کنترل ستمیس 2-3-4

PID .............................................................................................................. 25 کنترلر و یفاز کنترلر بیترک 3-3-4

26 ...................................................................................................... یفاز کنترل کاربرد از ییها نمونه حیتشر 4-3-4

26 ........................................................................................................................... یفاز کننده کنترل کی ساختار 4-4

26 ...................................................................................................................................... پردازنده شیپ 1-4-4

27 ......................................................................................................................................... کننده یفاز 2-4-4

28 ......................................................................................................................................... قواعد گاهیپا 3-4-4

28 ............................................................................................................................... قواعد یقالبها 1-3-4-4

30 ...................................................................................................................................... استنتاج موتور 4-4-4

30 .......................................................................................................... قواعد بیترک بر یمبتن استنتاج 1-4-4-4

30 ......................................................................................................... جداگانه قواعد بر یمبتن استنتاج 2-4-4-4

31 .................................................................................................................................... یساز یفاز ریغ 5-4-4

32 ................................................................................................................................... جرم مرکز 1-5-4-4

32 .......................................................................................................یمقدار تک حالت یبرا جرم مرکز 2-5-4-4

33 ............................................................................................................................. سطح یبخش دو 3-5-4-4

33 ............................................................................................................................ ممیماکز متوسط 4-5-4-4

33 ........................................................................................................................................ پردازنده پس 6-4-4

ت

33 ............................................................................................................................................ یجهان مجموعه 5-4

34 ..................................................................................................................................... تیعضو توابع یطراح 6-4

36 ..................................................................................... : طراحی کنترل کننده فازی برای مبدل های باک و بوستپنجم فصل

37 ............................................................................................................................................. یزبان یرهایمتغ 1-5

37 .............................................................................................................................................. تیعضو توابع 2-5

37 ........................................................................................................................ خطا یورود تیعضو توابع 1-2-5

39 ................................................................................................................ خطا مشتق یورود تیعضو توابع 2-2-5

40 ............................................................................................................................. یخروج تیعضو توابع 3-2-5

41 ................................................................................................................................................. یفاز قواعد 3-5

42 .......................................................................................................................................... : شبیه سازیششم فصل

43 ........................................................................................ متلب افزار نرم با PID کننده کنترل با بوست مبدل یازس هیشب 1-6

44 ................................................................ ثابت بار طیشرا در متلب افزار نرم در یفاز کننده کنترل با بوست مبدل یساز هیشب 2-6

46 ................................................................. متلب افزار نرم در ریمتغ بار طیشرا و یفاز کننده کنترل با بوست مبدل یساز هیشب 3-6

47 ................................................................................. پروتئوس افزار نرم در یفاز کننده کنترل با بوست مبدل یساز هیشب 4-6

48 ........................................................................ ژنیکدو افزار نرم در بوست مبدل یبرا شده یطراح یفاز کننده کنترل کد 5-6

55 ........................................................................... ثابت بار با متلب افزار نرم در یفاز کننده کنترل با باک مبدل یساز هیشب 6-6

56 ..................................................................................... یفاز کننده کنترل کمک به و ریمتغ بار با باک مبدل یساز هیشب 7-6

57 ................................................................................. پروتئوس افزار نرم در یفاز کننده کنترل با بوست مبدل یساز هیشب 8-6

59 ........................................................................ ژنیکدو افزار نرم در بوست مبدل یبرا شده یطراح یفاز کننده کنترل کد 9-6

63 ............................................................................................................... : ساخت مبدل بوست و گزارش آنهفتم فصل

64 ....................................................................................................................................شده ساخته بوست مدار 1-7

IRF540 ............................................................................................................ 65 ماسفت مورد در یمختصر یمعرف 2-7

ATMEGA32 ............................................................................................... 70 کروکنترلریم مورد در یمختصر یمعرف 3-7

75 ....................................................................................................................................................... یریگ جهینت

76 ............................................................................................................................................................. مراجع

1

مقدمه

کند. ولتاژ به سطح ولتاژی دیگر تبدیل می ولتاژیک منبع را از یک سطح DCولتاژمبدلی است که DC-DC مبدل

تواند از ولتاژ ورودی بیشتر یا کمتر باشد. خروجی می

روند و جریان ورودی اغلب، به کار می DCو موتورهای تغذیه سوئیچینگ منابعبه طور عمده در DC-DC هایمبدل

توان آن را به سطح ولتاژ دلخواه شود و سپس میوارد مدار می یکسوسازاز یک ای است که نشدهجریان رگولاته

در مدارهای منبع تغذیه سوئیچینگ ترانسفورماتور ایزولاسیونها به همراه یک تغییر داد. معمولا از این مبدل

.نیاز به ترانسفورماتور نیست DC هایبرای محرکه شوند، اگرچهاستفاده می

ه گونه ای براند که مولفه این است که سوئیچ اولیه را با چرخه وظیفه ب DC-DCهای هدف اصلی کنترل برای مبدل

DC رغم تغییراتی که در بار یا ولتاژ ورودی وجود دارد، نیاز است که این ولتاژ خروجی با مرجع خود برابر باشد. علی

شود مدولاسیون یاستفاده م DC-DCهای تنظیم حفظ شود. راهکار اصلی که در حال حاضر برای کنترل مبدل

شود و زمانی که شرط معینی برآورده شد، ن میاست. در واقع در آغاز هر دوره سوئیچینگ، سوئیچ روش عرض پالس

]4[ شود که این خاموشی تا شروع دوره بعدی ادامه می یابد.به وسیله کنترل کننده خاموش می

خطی ه غیربهره گیری از منطق فازی با توجه به تفسیر تقریبی مشاهدات بستر مناسبی جهت طراحی کنترل کنند

در ده )بوست( و کاهنده )باک(افزاین DC-DCهای ه حفظ ولتاژ خروجی مبدلهدف این پروژکند. مقاوم فراهم می

ه است.مقدار مرجع در شرایط بار متغیر است. که این هدف با استفاده از کنترل کننده فازی برآورده شد

2

فصل اول انواع مبدل ها در الکترونیک قدرت

3

]1[ الکترونیک قدرت 1-1

های دینامیک و حالت الکترونیک قدرت ترکیبی از قدرت، الکترونیک و کنترل است. کنترل به بررسی مشخصه

پردازد. قدرت، وسایل قدرت استاتیک و گردنده را که در تولید، انتقال و توزیع های با حلقه بسته میپایدار سیستم

ها رها و وسایل پردازشگر یا پردازنده سیگنالالکترونیک، مداکند. شوند بررسی میتوان الکتریکی به کار گرفته می

گیرند. الکترونیک قدرت های کنترلی مطلوب مورد استفاده قرار میکند که برای به دست آوردن هدفرا بررسی می

یف کرد.را می توان به صورت کاربردهای الکترونیک حالت جامد در کنترل و تبدیل توان الکتریکی نیز تعر

]1[ مبدل های الکترونیک قدرت 2-1

: ردک بکدی تقسیم دسته چهار به را آنها توان می قدرت، الکترونیک های مبدل خروجی و ورودی به بسته

کنترل، رکتیفایر با یکسوسازها یا (DC-ACهای لمبد) -

ماتریسی مبدلهای سیکلوکانورترها AC ولتاژ های یکسوکننده (AC-AC )مبدل های -

ساز متناوب( AC-DC )مبدل های -

چاپرها یا برشگر (DC-DCهای )مبدل -

DC-ACمبدل های 1-2-1

شوند. وظیفه یک اینورتر تبدیل یک ولتاژ ورودی مستقیم به یک به نام اینورتر شناخته می DC-ACهای مبدل

تواند در فرکانس ثابت یا ولتاژ خروجی متناوب و متقارن با دامنه و فرکانس مورد نظر است. ولتاژ خروجی می

های روند مثل گردانندهار میکه ای در صنعت بمتغیر، مقداری ثابت یا متغیر داشته باشد. اینورترها بطور گسترده

معمولا ینورترهاابا دور متغیر، گرم کنندگی القایی، منابع تغذیه کمکی و منابع تغذیه بدون وقفه. ACموتورهای

ها.ند مثل پنل خورشیدی یا باتریشواستفاده می DCاز منبع ACبار تغذیه برای

AC-ACمبدل های 2-2-1

ر تبدیل فرکانس دیگ یک با متناوبی جریان به را خاص فرکانسی با متناوب جریان یک که است الکتریکی مبدل

های صنعتی، تغییر ولتاژ ترانسفورماتور متصل به بار، کنترل روشنایی، کنترل سرعت موتورهای کند. گرم کنندهمی

ها است.از کاربردهای معمول این نوع مبدل ACالقایی چند فاز و کنترل آهنرباهای

بندی کرد: توان بصورت زیر دستهرا می AC-ACهای مبدل انواع

AC-ACتبدیل غیر مستقیم -

4

سیکلوکانورتر -

کانورترهای ماتریس -

کانورترهای ماتریس مختلط -

AC-DC های مبدل 3-2-1

%95رزان بوده و بازده آن ها عموما بالای را بر عهده دارند. ساده و ا DCبه ACها کار یکسوسازی ولتاژ این مبدل

ها به طور وسیعی در کاربردهای صنعتی به خصوص در موتورهای دور متغیر با توان در حد کسری است. این مبدل

از اسب بخار تا حد مگاوات بکار می روند.

DC-DCهای مبدل 4-2-1

را DC ای است که مستقیماوسیله DCشوند. چاپر متغیر نیز شناخته می با نام چاپر یا رگولاتور DC-DCهای مبدل

با نسبت حلقه های قابل تغییر به صورت ACنسفورماتور یک ترا DCتوان معادل کند. چاپر را میتبدیل می DCبه

بکار گرفته DCهش پله ای ولتاژ منبع یا کاتواند جهت افزایش پیوسته در نظر گرفت. مشابه ترانسفورماتور، چاپر می

های بالابرنده، در حفر معدن و های الکتریکی، چنگالچاپر ها بصورت گسترده برای کنترل موتور در اتومبیلشود.

ها، کنترل دقیق شتاب، بازده بالا و پاسخ دینامیکی سریع می باشد. چاپرها در روند. از مشخصات آنغیره بکار می

شوند که باعث ذخیره انرژی در سیستم های جهت باز گرداندن انرژی به منبع به کار گرفته می DCرهای ترمز موتو

شوند و همچنین به همراه یک نیز استفاده می DCلتاژ شود. چاپرها در رگولاتورهای وحمل و نقل با توقف زیاد می

روند.ریان نیز به کار میخصوصا برای اینورتر منبع ج DCسلف به منظور ایجاد یک منبع جریان

گیرند.ه قرار میمورد استفاد این گونه مبدل ها بیشتر به صورت منبع تغذیه، مانند منابع تغذیه به حالت کلیدزنی

انواع رگولاتورهای حالت کلید زنی:

)باک( کاهنده رگولاتورهای -

)بوست( افزاینده رگولاتورهای -

بوست(-)باک افزاینده کاهنده رگولاتورهای -

رگولاتورهای کاک -

:دانشجویان محترم

آزمایشگاه پروژه گروه برقو یا کتابخانه دانشکده مهندسیبه ها ایان نامهپمتن کامل جهت دسترسی به .مراجعه فرمایید

75

نتیجه گیری:

طراحی شد. این مبدل ها با DCورودی DCدر این پروژه مبدل های باک و بوست برای کاهش و افزایش ولتاژ

استفاده از کنترل کننده فازی ولتاژ خروجی را در مقدار مطلوب تثبیت می کند.

با توجه به نتایج شبیه سازی ها و همچنین در عمل می توان عملکرد موفقیت آمیز این مبدل ها را مشاهده کرد.

در نتیجه می توان از کنترل کننده فازی برای تثبیت ولتاژ خروجی مبدل بوست با کمترین خطا استفاده کرد.

76

:مراجع

1393قدرت) مدارها، عناصر، کاربردها(، چاپ پنجم، تهران، نوپردازان، محمد هز . رشید، الکترونیک ]1[

محمد تشنه لب، سیستم های فازی و کنترل فازی، چاپ ششم، تهران، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین ]2[

1389طوسی،

1388چاپ اول، تهران، نگارنده دانش، ،PLCپیاده سازی منطق فازی در محمدرضا ماهر، ]3[

[4] Dobra, P., Trusca, M., Lazea, G., “Robust controller for a brushless DC motor based on the

gain and phase margin”, IEEE International Workshop on Advanced Motion Control (AMC),

pp. 197-202, 2002.

[5] Robert W. Erickson،Fundamentals of Power Electronics،Second edition

[6] D. M. Mitchell, “DC-DC Switching Regulator Analysis”, New York: McGraw-Hill, 1988.

[7] Datasheet of IRF540 [8] Datasheet of ATMEGA32