Diseño e implementación de un control Fuzzy para un balastro electrónico de una lámpara HID-MH (página 2)

Convertidores Conversor CA/CD Inversor CD/CA Los convertidores ca/cd, denominados también rectificadores, son aquellos equipos o sistemas electrónicos dedicados a convertir una tensión alterna sinusoidal de frecuencia y amplitud constante en una tensión continua de salida. Se entiende por convertidor cc/ca o inversor a que el circuito que es capaz de transformar una corriente continua en alterna Conversor CD/CD Un convertidor cd/cd se pueden dividir en tres grupos: los que disminuyen la tensión a su salida (reductor), los que aumentan su tensión a su salida (elevador), y los que son capaces de realizar ambas funciones.

Lógica Fuzzy

Conjuntos difusos Un conjunto difuso permite valores intermedios de pertenencia Permiten formalizar expresiones lingüísticas que típicamente contienen algún grado de ambigüedad, es decir, proveen un método para expresar matemáticamente conceptos tales como "alto", "frío", "rápido“ Los conjuntos difusos permiten manejar la imprecisión La traducción de pensamiento humano a operaciones de computadores digitales, en otras palabras, transferir al computador el “sentido común”.

Funciones de pertenencia

Funciones de Pertenencia Control Difuso

Control Difuso

Sistemas Difusos

Sistema difuso: Mandami Fuzzificador :Este elemento transforma las variables de entrada del modelo (y) en variables difusas. Para esta interfaz se deben tener definidos los rangos de variación de las variables de entrada y los conjuntos difusos asociados con sus respectivas funciones de pertenencia Mecanismo de inferencia difusa : Realiza la tarea de calcular las variables de salida a partir de las variables de entrada, mediante las reglas del controlador y la inferencia difusa, entregando conjuntos difusos de salida Defusificación. Este elemento provee salidas discretas y determinísticas a partir de los conjuntos difusos C' obtenidos como resultado de la inferencia.

Sistema difuso: Mandami

Sistema difuso: Mandami

Sistema difuso: Takagi-Sugeno Fuzzificador :Mamdani Mecanismo de inferencia difusa : Mamdani Base de Reglas Difusas: Las reglas de la base de conocimiento de un sistema Sugeno no es una etiqueta lingüística sino que es una función de la entrada que tenga el sistema en un momento dado

Sistema difuso: Takagi-Sugeno

Implementación Del Balastro Electrónico

Balastro Electrónico Conversor CA/CD

Conversor CD/CD Conversor CD/CA Rectificador en puente Completo Buck-Boost Inversor en Puente Completo

Rectificador de puente completo y Buck-Boost. Rectificador de puente completo. Buck Boost. Etapa de Disparo de Mosfet

Inversor en puente completo Inversor en Puente completo. Etapa de Disparo de Mosfet para el inversor en puente completo

Rectificador en Puente Completo    

Definición Buck-Boost Un convertidor Buck Boost es una combinación en cascada con Buck seguido de un Boost, donde solo se utiliza un inductor. El sistema permite entregar a su salida una tensión mayor o menor a la suministrada, la polaridad de salida del convertidor puede ser negativa o positiva según su configuración, para este caso se trabaja con la configuración no invertida.

Calculo de la bobina

Calculo de la bobina

Selección del Núcleo Toroidal

Numero de Espiras.

Calculo del Capacitor

Etapa de disparo de mosfet del buck boost.

Conversor CD/CA: Inversor En Puente Completo.

Etapa de disparo de mosfet del Puente H.

Diseño e Implementación de control

Selección de Entrada y salida.

Selección de Entrada y salida.

Esquema del control FUZZY

Variables Lingüísticas

Establecer los bordes de las funciones de Pertenencia. Tabla

Función matemática para cada función de pertenencia.

Simulación del control Fuzzy. Fuente de alimentación 160 [v]. Inductor 1 [mh]. Capacitor 47[uf] Resistencia que representa la lampara HID-MH 250 [ohm].

Como resultado se tienes una especie de respuesta subamortiguada cíclica ante un valor constante de duty generando una corriente fluctuante.

La corriente se mantiene estable con un tiempo de establecimiento aproximado a los 40 ms y un sobre pico del 23 %.

Análisis de Resultados

Buck Boost El convertidor se ha alimentado con distintos voltaje, los valores van desde 20[V] hasta los 60 [V]. En pasos de 10 voltios no son tan elevados debido a que se busca evitar daños en los elementos. Así como los valores de ciclo de trabajo son del 40 %, 50 % y 60 %. Con los cuales se pondrá en función de reductor y elevador el Buck-Boost.  

Buck Boost

Puente H Para el análisis del Puente H se vio en la necesidad de trabajar con el conjunto balastro-lámpara, debido a que es necesario determinar la potencia neta en la lámpara, así como el de obtener el valor de la resistencia que se colocara en serie con la lámpara la misma que facilitar su encendido.

Puente H

Ondas del Balastro Salida del Balasto En la señal de salida se nota como la acción proporcional de controlador Fuzzy hace que presente una respuesta oscilante amortiguada. No solo en la parte positiva sino también en la parte negativa de la señal. Una de las características es que las oscilaciones van decreciendo en un 25% con respecto a la anterior, pero el error en estado estacionario no es cero su valor está entre el 2% y el 5% de su valor final.

Ondas del Balastro Conversor Buck-Boost Sin Señal de Control Notamos que el conversor al ser sometido a perturbaciones de voltaje, la corriente tiende a seguir dichas perturbaciones, es decir, que si el voltaje de alimentación aumenta, la corriente también lo hace. Esto se debe a que el valor del ciclo de trabajo es fijo y no compensa dichas perturbaciones, que para este caso elevan tanto el voltaje como la corriente de salida, permitiendo que la lámpara sufra de resonancias acústicas que se traducen en parpadeos de la misma.

Ondas del Balastro Conversor Buck-Boost Con Señal de Control El conversor al ser sometido a una perturbación de voltaje, está ya no se ven reflejada en la corriente de salida. Esto se debe a que el valor del ciclo de trabajo ya no es fijo sino que este busca compensar dicha perturbación, ya sea aumentando o reduciendo su valor.

Conclusiones y Recomendaciones

Conclusiones: Al aplicar la señal de control al Buck-Boost se logró mantener la corriente en un valor deseado que es de 1 A. Para ello se decidió emplear un control proporcional Fuzzy ya que este disminuía en gran medida que la lámpara se vea afectada por la resonancia acústica acosta de tener un ess de 2% el cual es aceptable. Las otras técnicas de control disminuían el ess pero volvían a la lámpara muy susceptible a la resonancia acústica lo cual afectaba a la estabilidad del plasma, haciendo que la lámpara parpadee.

El controlador actúa de manera totalmente predecible y además es posible conocer el estado del sistema en cualquier momento, esto se debe a las definiciones utilizadas en las bases de conocimiento y en las funciones de pertenencia.

El controlador difuso implementado ha sido una alternativa robusta y flexible de control para el conjunto balastro-lámpara ya que esta permite una fácil adaptación a nuevos problemas, ahorrando tiempo de desarrollo del mismo.

Recomendaciones: Para el caso del controlador se recomienda para futuros proyectos utilizar un DSPIC30f2020 este micro controlador es especializado para el control de conversores.

Se recomienda que al momento de diseñar el controlador Fuzzy se cambien los bordes de las funciones de pertenencia para ver cómo esta variación afecta al control y como este puede mejorar o empeorar al controlador.

Al momento de energizar el circuito de control y el circuito de potencia se deben utilizar fuentes independientes al no hacerlo la etapa de potencia induce ruido hacia la de control dificultando el funcionamiento del balastro.

Para pruebas y experimentación se deben utilizar capacitores mayores o iguales a 400 voltios para evitar destrucción de los mismos, esto se aplicó al momento de realizar variaciones en la alimentación para probar el controlador.