Аналіз обмежень лінеаризації та автоматизований синтез регулятора вихідної напруги понижуючого імпульсного перетворювача з ШІМ в MATLAB/SIMULINK
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6761-2025-4-6Ключові слова:
перетворювачі сонячних електростанцій, автоматизований синтез регулятора, передавальні функції перетворювача, MATLAB/Simulink, buck converterАнотація
Мета роботи. Визначення передавальної функції регулювання вихідної напруги buck-перетворювачів в функції коефіцієнта заповнення ШІМ, визначення обмежень та умов збіжності перехідних процесів в лініарізованій та імпульсній моделі buck-перетворювача, а також представлення методу автоматизованого розрахунку параметрів ПІ та ПІД регулятора шляхом використання інструменту Matlab/Simulink.
Методи дослідження. Теорія електричних , теорія автоматичного керування, аналітичні розрахунки в програмі MathCad та імітаційне моделювання в програмі Matlab.
Отримані результати. Представлено результати дослідження лінеаризації та визначення передавальної функції регулювання вихідної напруги понижуючого імпульсного перетворювача (buck-перетворювача) в функції коефіцієнта заповнення імпульсів в широтно-імпульсній модуляції. Визначено передавальну функцію buck-перетворювача з ШІМ та визначено обмеження даної лініаризації, а саме умовою адекватності лініаризованої моделі buck-перетворювача є обмеження значення вхідного сигналу, тобто коефіцієнта заповнення імпульсів в ШІМ, менше 1. Представлено методику автоматичного розрахунку параметрів П, ПІ, ПД та ПІД регуляторів за критерієм формування перехідного процесу задовільної форми шляхом використання блоку «PID controller» в Matlab/Simulink. Представлена методика автоматичного розрахунку коефіцієнтів регуляторів в структурах системи автоматичного регулювання (САР) працює виключно з лініаризованими моделями, і не дозволяє виконати розрахунки для імпульсних і нелінійних моделей. Для визначеної лініаризованої моделі і відповідної передавальної функції buck-перетворювача визначено коефіцієнти ПІ регулятора вихідної напруги. Представлено результати аналітичного розрахунку миттєвої функції вихідної напруги buck-перетворювача в складі системи автоматизованого регулювання вихідної напруги, яка отримана шляхом зворотного перетворення Лапласу зверненої функції системи автоматичного регулювання. Також представлено результати моделювання вихідної напруги buck-перетворювача, на лініаризованій моделі (передавальної функції) та імітаційній моделі в Matlab/Simulink. Результати аналітичного розрахунку та двох методів комп’ютерного моделювання дали ідентичні результати, що свідчить про адекватність проведеної лініаризації та задовільність методу автоматичного розрахунку параметрів регулятора за критерієм формування перехідного процесу задовільної форми за параметрами часу перехідного процесу та значення перерегулювання.
Наукова новизна. Визначено умови збіжності перехідних процесів регулювання вихідної напруги buck-перетворювача в структурах систем автоматичного регулювання для лініаризованих та імпульсних моделей, що дозволяє отримати реальний перехідний процес бажаної форми, який відповідає попередньому аналітичному розрахунку.
Практична цінність. Представлені передавальні функції та метод автоматичного синтезу параметрів ПІД регулятора вихідної напруги buck-перетворювача в Matlab/Simulink може бути використаний при розробці силових напівпровідникових перетворювачів та дозволяє спростити процес синтезу регуляторів в системах автоматичного керування.
Посилання
S. Potturi, B. Bairwa, M. K and M. C, "Development of Solar Coupled Synchronous Buck Converter," 2022 Fourth International Conference on Emerging Research in Electronics, Computer Science and Technology (ICERECT), Mandya, India, 2022, pp. 1-5, doi: 10.1109/ICERECT56837.2022.10060197.
L. Vite, "Stabilization of a DC-DC buck converter for photovoltaic MPPT applications," 2023 20th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE), Mexico City, Mexico, 2023, pp. 1-5, doi: 10.1109/CCE60043.2023.10332856.
Blinov A., Vinnikov D., Ivakhno V. “Full soft-switching high step-up dc-dc converter for photovoltaic applications” Proceedings of the 16th Conference on Power Electronics and Applications, EPE’14-ECCE Europe, 26-28.08.2014, Lappeenranta, Finland. — Lappeenranta, 2014. — P. 1–7.
E. N. Mammeri, O. Lopez-Santos, A. El Aroudi and L. Martinez-Salamero, "Constant-Power Constant-Voltage Charging Protocol Based on a Four-Phase Interleaved Buck Converter for Electric Vehicle Batteries," 2025 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), London, United Kingdom, 2025, pp. 1-5, doi: 10.1109/ISCAS56072.2025.11043167.
K. K. Patel, L. K. Sahu and A. K. Sahu, "Integrated Design of MPPT and DC-DC Buck Converter for Efficient Battery Charging," 2025 Fourth International Conference on Power, Control and Computing Technologies (ICPC2T), Raipur, India, 2025, pp. 1-6, doi: 10.1109/ICPC2T63847.2025.10958676.
R. Dhanasekar, S. G. Kumar and M. Rivera, "Third Order Sliding Mode Control of Buck Converter Fed Permanent Magnet DC Motor," 2018 IEEE International Conference on Automation/XXIII Congress of the Chilean Association of Automatic Control (ICA-ACCA), Concepcion, Chile, 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/ICA-ACCA.2018.8609812.
J. M. Alba-Martínez, R. Silva-Ortigoza, H. Taud, J. Alvarez-Cedillo, I. Rivera-Zárate and R. Bautista-Quintero, "DC Motor Speed Control via a DC to DC Buck Power Converter," 2012 IEEE Ninth Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference, Cuernavaca, Mexico, 2012, pp. 288-293, doi: 10.1109/CERMA.2012.54.
V. Nerubatskyi, O. Plakhtii and D. Hordiienko, "Efficiency Analysis of DC-DC Converter with Pulse-Width and Pulse-Frequency Modulation," 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kyiv, Ukraine, 2022, pp. 571-575, doi: 10.1109/ELNANO54667.2022.9926762.
V. Nerubatskyi, O. Plakhtii, D. Hordiienko, H. Khoruzhevskyi. Study of energy parameters in alternative power source microgrid systems with multilevel inverters. INTERNATIONAL SCIENTIFIC JOURNAL "INDUSTRY 4.0". 2020. P.118-121.
Nerubatskyi V. P., Plakhtii O. А., Hordiienko D. A., Syniavskyi A. V., Philipjeva M. V. Use of modern technologies in the problems of automation of data collection in intellectual power supply systems. Modern engineering and innovative technologies. 2022. Issue 19. Part 1. P. 38–51. DOI: 10.30890/2567-5273.2022-19-01-058.
L. Du, P. Huang and W. Tong, "Research on full-order sliding mode control method for Buck converter," 2019 3rd International Conference on Electronic Information Technology and Computer Engineering (EITCE), Xiamen, China, 2019, pp. 1171-1175, doi: 10.1109/EITCE47263.2019.9094884.
C. Kumar and A. K. Ray, "Adaptive Sliding Mode Control for DC-DC Buck Converter," 2025 International Conference on Power Electronics Converters for Transportation and Energy Applications (PECTEA), Jatni, India, 2025, pp. 1-6, doi: 10.1109/PECTEA61788.2025.11076305.
Power electronics handbook: devices, circuits, and applications handbook / edited by. Muhammad H. Rashid. – 3rd ed. p. cm. ISBN 978-0-12-382036-5. 1.
Abraham I. Pressman, Keith Billings, Taylor Morey. Switching Power Supply Design, Third Edition. ISBN 978-0-07-148272-1. P.1-831
Texas instruments, buck convertor on-line calculator: https://www.ti.com/tool/BUCK-CONVCALC
Schmidt buck convertor on-line calculator: http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps_e/abw_smps_e.html
A. Singh, K. Bharti and N. Kumar, "Comparative study between DC-DC buck converter and Zero Voltage switching buck converter," 2024 IEEE International Students' Conference on Electrical, Electronics and Computer Science (SCEECS), Bhopal, India, 2024, pp. 1-6, doi: 10.1109/SCEECS61402.2024.10482318.
M. M. Kareem, F. A. Harbi, A. B. Ibrahim, A. S. Al-Hiti and Y. A. Mashhadany, "Design and Analysis of Synchronous and Asynchronous Buck Converters in Electrical Applications," 2024 17th International Conference on Development in eSystem Engineering (DeSE), Khorfakkan, United Arab Emirates, 2024, pp. 462-467, doi: 10.1109/DeSE63988.2024.10912037.
S. Wu, Z. Ran, Z. Tong, T. Liu and Y. Lu, "A Monolithic Integrated E-Mode GaN 48V-to-1V DC-DC Buck Converter with PWM Control," 2023 IEEE International Conference on Integrated Circuits, Technologies and Applications (ICTA), Hefei, China, 2023, pp. 130-131, doi: 10.1109/ICTA60488.2023.10364290.
Abhijeet Bhattacharya, Sandeep Banerjee, Saksham Girotra, Hridesh Shukla, Gaurang Bhardwaj, Sidharth Talia. Simulation and Design of PI-Controller for the Control of Buck Converter. Journal of Microelectronics and Solid State DevicesISSN: 2455-3336Volume 7, Issue 1. P.26-32. DOI: 10.37591/jomsd.v7i1.3979
S. Kumari, M. M. Rayguru and S. Upadhyaya, "Analysis of Model Predictive Controller versus Linear Quadratic Regulator for DC-DC Buck Converter Systems," 2023 7th International Conference on Intelligent Computing and Control Systems (ICICCS), Madurai, India, 2023, pp. 1764-1768, doi: 10.1109/ICICCS56967.2023.10142519.
M. Saoudi, A. El-Sayed and H. Metwally, "Design and implementation of closed-loop control system for buck converter using different techniques," in IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 32, no. 3, pp. 30-39, March 2017, doi: 10.1109/MAES.2017.150261
Y. Liu, H. Li, R. Lu, Z. Zuo and X. Li, "An Overview of Finite/Fixed-Time Control and Its Application in Engineering Systems," in IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 9, no. 12, pp. 2106-2120, December 2022, doi: 10.1109/JAS.2022.105413
Shcherbak Y. V. Dynamics of a pulse-width converter using the theory of generalized functions / Y. V. Shcherbak, K. Y. Ivakina, V. P. Nerubatskyi // Zbirnyk naukovykh pratsʹ Ukrayinsʹkoho derzhavnoho universytetu zaliznychnoho transportu. – 2025. – Vol. 212. – p. 315-330.
K. Han, P. Jiang, S. Huang, Y. Jiang, and X. Wang, “Estimator based robust dual-mode predictive output regulation in DC-DC Buck converters,” in 2019 IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), IEEE, Jun. 2019, pp. 2158–2163. doi: 10.1109/isie.2019.8781172.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 O.A. Plakhtii, I.F. Domnin, R.V. Bahach, V.D. Latvynskyi
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
