Digital predictive controller for power converters with variable output voltage

Nowadays most of the power converters are controlled by analog regulators but the consistent reduction of the price of electronic components over the past years is favoring the use of digital controllers this area. Among the advantages of digital controllers we can mention greater flexibility of use, the implementation of advanced control techniques, more integration, less sensitivity to temperature changes and the possibility of remote communication. For these reasons, digital controllers have become a major focus of research for power converters controls. Following these research trends, my work is an attempt to implement a linear control for Buck converters to take advantage of future information of the output voltage reference and to improve its tracking. In most cases this information is not available but there are applications in which variations in the reference are known in advance. Examples include power amplifiers for radio frequency transmitters and microprocessors. Starting from this idea, I set out to create a control that can make effective use of such information based on the predictive control technique. A discrete-time model of the converter is used to obtain a prediction of the system state in a finite number of moments later. The prediction is compared with the future values of the reference and the error is properly weighed to determine the current value of the control variable, in this case, the closing time of the switches. The definition of control variable does not depend only on the error between output voltage and its reference, but we use a slightly different approach. We considered also the error between a proper reference and the other state variables, which are, in this case of the Buck converter, the inductor current and the state variable associated with the integral action. We had to solve the problem of how to define a reference for all state variables from the reference value of the single output voltage. The proposed solution is based on a different description model in differential state variables obtained from the delta transform. A second problem concerns the feasibility of control and the instability of the overall system due to delays in the microcontroller. This was solved by introducing a delay compensator, based on the technique of the Kalman prediction. Then we faced the choice of control parameters, which, in the classical theory of predictive control, are selected manually depending on the response of the closed-loop system in simulation. This method appeared to be insufficient for the difficulties associated with the use of future values of the voltage reference. It was difficult to find the right set of parameters to make the system stable and the control variable not too much in action. Therefore, we used a search method based on the genetic algorithm for the selection of parameters. Finally, the control scheme is implemented with one step of prediction in a microcontroller, obtaining experimental data on the stability and feasibility of the system.

La maggior parte dei convertitori di potenza è controllata per mezzo di regolatori analogici, tuttavia negli ultimi anni, grazie alla forte riduzione del prezzo dei componenti elettronici, si va affermando anche in questo campo l’uso di controllori digitali. Questi portano alcuni vantaggi rispetto ai comuni controllori analogici tra cui si può menzionare una maggiore flessibilità d’impiego, implementazione di tecniche di controllo avanzate, maggiore integrazione, minor sensibilità a variazioni di temperatura e possibilità di comunicazione remota. Per questi motivi i controllori digitali rappresentano un’importante attrattiva futura nel controllo di convertitori di potenza ed è in questo campo di studi che è incentrato questo lavoro. In particolare il lavoro mira alla realizzazione di un controllo lineare per convertitori Buck, in grado di trarre vantaggio dall’informazione futura del riferimento di tensione di uscita per migliorarne l’inseguimento. Nella maggior parte dei casi questa informazione non è disponibile ma vi sono un gruppo ristretto di applicazioni in cui le variazioni del riferimento sono note in anticipo. Esempi sono gli amplificatori di potenza per trasmettitori di radio frequenza e microprocessori. Partendo da questa idea, mi sono proposto di realizzare un controllo capace di utilizzare con efficacia tali informazioni basato sulla tecnica di controllo predittivo. Utilizzando un modello a tempo discreto del convertitore si ottiene una predizione dello stato del sistema in un finito numero di istanti successivi. La predizione del controllo viene confrontata con i futuri valori del riferimento e l’errore viene propriamente pesato per decidere l’attuale valore della variabile di controllo, in questo caso il tempo di chiusura degli interruttori. La definizione della variabile di controllo non dipende solo dall’errore tra tensione di uscita e il suo riferimento, ma si è utilizzato un approccio leggermente differente. Si è considerato anche l’errore tra un appropriato valore di riferimento e le altre variabili di stato, che in questo caso sono la corrente dell’induttore del Buck e la variabile di stato associata all’azione integrale. Il problema che si è dovuto affrontare in tale approccio è come definire un riferimento per tutte le variabili di stato conoscendo il valore di riferimento della sola tensione di uscita. La soluzione proposta consiste nell’implementazione di una diversa descrizione del modello in variabili di stato differenziali ottenute tramite la trasformata delta. Un secondo problema riguarda la realizzabilità del controllo e l’instabilità del sistema a fronte di ritardi del microcontrollore. Questo è stato risolto introducendo un compensatore del ritardo, basato sulla tecnica di predizione alla Kalman. In seguito si è affrontato la scelta dei parametri di controllo, che nella teoria classica del controllo predittivo, sono scelti manualmente basandosi sulla risposta in anello chiuso del sistema in fase di simulazione. Tale metodo è apparso insufficiente per le difficoltà legate all’uso di valori futuri del riferimento di tensione. E’ risultato difficile incontrare il giusto set di parametri in modo che il sistema sia stabile e la variabile di controllo non anticipi troppo la sua azione. Si è quindi utilizzato un metodo di ricerca basato sulla tecnica di algoritmo genetico per la selezione dei parametri. Infine si è implemento lo schema di controllo a un passo di predizione, in un microcontrollore, ottenendo dati sperimentali sulla stabilità e realizzabilità del sistema.