6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Mikrodenetleyici Tabanlı İki Seviye DA/DA Alçaltan Dönüştürücü Ş. Demirbaş1 ,S. Bayhan2 ,İ. Garip3 1 Gazi Üniversitesi, Ankara/Türkiye, [email protected] Gazi Üniversitesi, Ankara/Türkiye, [email protected] 2 Microcontroller Based Two Level DC/DC Buck Converter Abstract—This paper introduces design and application of microcontroller based two level buck converter. Implemented system consists of control and power circuit. While control circuit includes PIC18F452 microcontroller, keypad, LCD and IGBT driver, power circuit composed of two buck converter. Realized two level buck converter circuit has 0-300 volt voltage range and 0-20 ampere current range. A PI controller has been used to obtain constant output voltage at load changes. A separate excited DC motor has been controlled using developed two level buck converter. Experimental results show that implemented two level buck converter does not affected from load changes and output voltage remains constant during operation. As a result it can be said that developed system is cost effective and reliable solution for the loads needed two level voltage. Keywords—Buck converter, microcontroller, PI controller. I. GİRİŞ İRÇOK endüstriyel uygulamada sabit DA gerilim değeri yerine farklı seviyelerde DA gerilim değerine ihtiyaç duyulmaktadır. Sabit DA gerilim seviyesini, farklı DA gerilim seviyelerine dönüştürmek amacıyla DA/DA dönüştürücü devre yapıları kullanılmaktadır. Giriş/çıkış gerilim değerlerine bağlı olarak farklı DA/DA dönüştürücü devre yapıları kullanılmaktadır. Dönüştürücü yapıları seçilirken ihtiyaç duyulan çıkış gerilim değeri ile giriş gerilim değerinin büyüklüğü önemlidir. Örneğin giriş gerilim değerine göre çıkış gerilim değerinin yüksek olması istenen durumlarda yükselten DA/DA dönüştürücü yapısı kullanılırken, çıkış gerilim değerinin giriş gerilim değerine göre düşük olması gereken durumlarda alçaltan DA/DA dönüştürücü yapısı kullanılmaktadır. DA/DA dönüştürücülerde, giriş geriliminin ve/veya yükün değişmesi durumlarında çıkış gerilim seviyesinin istenen değerde kalması istenir. Bunun için literatürde farklı denetim teknikleri önerilmektedir[1-3]. Seçilen denetim tekniğinde kullanılan matematiksel işlemlerin yoğunluğuna bağlı olarak bazı çalışmalarda sayısal işaret işleyici (DSP), FPGA kullanılırken bazı çalışmalarda ise mikrodenetleyici kullanılmaktadır [4-6]. Mikrodenetleyicilerde çevresel arabirimler, bir tümleşik aygıt içinde birleştirildiğinden sistem hızının ve güvenilirliğinin arttığı, maliyetin azaldığı, kullanım B kolaylığı sağlanmakla birlikte karmaşık yapının ortadan kaldırıldığı bilinmektedir. Mikrodenetleyicilerin bu özellikleri dikkate alındığında; motor sürücüleri, DA/DA dönüştürücüler, gibi birçok endüstriyel uygulamada kullanıldıkları görülmektedir [7]. Literatürdeki bazı alçaltan DA/DA dönüştürücü çalışmalarında, gerilim seviyesinin yüksek olması ve anahtar üzerindeki stresi azaltmak için üç seviye alçaltan dönüştürücü yapıları da kullanılmıştır. Bu çalışmalarda anahtar sayıları arttığı için gerekli denetim yapısı zorlaşmakta, buna karşı anahtarlamalar sıfır akım durumunda yapıldığı için anahtarlar üzerindeki stresler azaltılmaktadır [8-10]. Yapılan bu çalışmaların hepsi tek seviye çıkış gerilimi verecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Oysa yabancı uyartımlı DA motorları gibi bazı uygulamalarda tek seviyeli DA yeterli olmamaktadır. Uyartım ve endüvi devresi için farklı değerlerde iki gerilime ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada birbirinden bağımsız çalışan, iki seviye alçaltan dönüştürücü mikrodenetleyici tabanlı olarak gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen sistem kontrol ve güç devresi olmak üzere iki basamaktan oluşmaktadır. Kontrol devresinde PIC18F452 mikrodenetleyicisi, tuş takımı, LCD ekran ve IGBT sürücüsü bulunurken güç devresinde iki adet alçaltan dönüştürücü yapısı kullanılmıştır. Şebeke gerilimi tam köprü doğrultucular yardımıyla doğrultulduktan sonra dönüştürücü girişlerine uygulanmaktadır. Gerçekleştirilen iki seviye alçaltan dönüştürücü devresi 0-300 volt gerilim ayar aralığına ve 0-20 amper akım sınır aralığına sahiptir. Kullanıcı gerilim referans değerleri ile akım sınır değerlerini tuş takımı yardımıyla mikrodenetleyiciye girmekte ve bu değerleri LCD ekrandan izleyebilmektedir. Bu çalışmada çıkış gerilim değerlerinin, referans gerilim değerlerini takip etmesi için PI denetim tekniğinden yararlanılmıştır. PI denetimin görevi, çıkış gerilim değerleri ile tuş takımından girilen referans gerilim değerleri arasındaki hatayı en aza indirmektir. Bu sayede dönüştürücü çıkış gerilim değerlerinin yük değişimlerinden etkilenmemesi sağlanmıştır. Ayrıca dönüştürücü giriş akımları mikrodenetleyici tarafından sürekli izlendiği için dönüştürücülerin akım sınır değerlerinin altında çalışması sağlanmaktadır. Böylece hem alçaltan dönüştürücülerin hem de bu dönüştürücülerin beslediği sistemlerin güvenliği sağlanmıştır. 198 Ş. Demirbaş, S. Bayhan, İ. Garip II. ALÇALTAN DÖNÜŞTÜRÜCÜ DEVRESİ Şekil 1’de devre şeması verilen alçaltan dönüştürücünün çıkış gerilim değeri anahtarlama oranına bağlı olarak giriş geriliminden daha düşük olmaktadır. Devre anahtarın iletim ve kesim durumuna bağlı olarak iki çalışma durumunda incelenebilir [11]. is,Is eL L iL,IL Dm vC iC,IC io,Ia C Yük vo,Va Burada akımda yaşanan dalgalanma, Va (Vs Va ) fLVs (5) I Vs k (1 k ) fL (6) olarak bulunur. Gerilimde yaşanan dalgalanma ise aşağıda verilen eşitlikler yardımıyla hesaplanabilir [12]. Vc Va (Vs Va ) 8LCf 2Vs iL iC vC C a) Anahtar iletim durumunda io,Ia Yük iC Dm vC C io,Ia Vc Yük b) Anahtar kesim durumunda Şekil 2. Alçaltan dönüştürücü eşdeğer devreleri Anahtar kesime götürüldüğü andaki eşdeğer devre Şekil 2.b’de verilmiştir. Burada serbest dönüşüm diyodu yardımıyla bobin üzerinde depolanan enerji kondansatör ve yük üzerinden devresini tamamlamaktadır. Anahtarın bir sonraki iletim durumuna kadar geçen sürede bobin akımında düşüş meydana gelmektedir. Şekil 3’te her iki çalışma durumunda devre gerilim ve akım değerlerine ait dalga şekilleri görülmektedir. Burada t1 anahtarın iletim süresini, t2 anahtarın kesim süresini, T anahtarlama periyodunu, ∆I bobin akım dalgalanmasını, ∆Vc kondansatör gerilim dalgalanmasını belirtmektedir. Akımın yükselmesi ve düşmesi doğrusal olarak kabul edilmiştir. Normalde yarıiletken anahtarlar doğrusal olmayan bir direnç değerine sahiptir. Fakat bu değer çok küçük olduğundan ihmal edilmiştir. Alçaltan dönüştürücü devresinde kullanılan elemanlar; anahtarlama frekansına, giriş ve çıkış gerilim değerlerinin büyüklüğüne, akım ve gerilimde yaşanmasına izin verilen dalgalanmanın büyüklüğüne bağlı olarak aşağıda verilen eşitlikler yardımı ile hesaplanmaktadır. Anahtar iletim ve kesim süreleri, (1) t1 kT Vs k (1 k ) Elde edilen bu eşitlikler yardımı ile tasarlanan alçaltıcı dönüştürücü eleman değerleri hesap yöntemi ile bulunmuştur. Hesaplama gerçekleştirilirken dönüştürücü çıkış geriliminde yaşanabilecek dalgalanma göz önünde bulundurulmuştur. Buna göre devrede kullanılan bobin değerleri 1 mH ve kondansatör değerleri 2200 µF olarak seçilmiştir. Anahtarlama frekansı ise 4,8 kHz olarak seçilmiştir. vD Vs t1 0 iL I2 IL I1 0 I1 0 ic I2-Ia 0 I1-Ia T t kT T kT T t T kT t t Vc 0 ∆Vc io kT T t Ia 0 199 kT I2 olduğu bilinmektedir. Buna göre alçaltıcı dönüştürücünün çıkış gerilim değeri; (3) t2 ∆I is Va t1 kVs T (8) 8LCf 2 (2) Va Vs . (7) veya L t2 (1 k )T (4) veya Anahtar iletime sokulduğu anda akım yükselmeye başlayarak bobin, kondansatör ve yük üzerinden devresini tamamlamaktadır. Alçaltan dönüştürücünün anahtar iletim durumu için eşdeğer devresi Şekil 2.a’ da verilmiştir. Vs I .L.Vs 1 I .L I .L t1 t2 f Vs Va Va Va (Vs Va ) I Şekil 1. Alçaltan dönüştürücü devresi is=IL T iL Q1 Vs olarak hesaplanır. Anahtarlama periyodu ise aşağıdaki eşitlik yardımı ile bulunabilir; t Mikrodenetleyici Tabanlı İki Seviye DA/DA Alçaltan Dönüştürücü Şekil 3. Çalışma durumlarına göre akım-gerilim dalga şekilleri III. GERÇEKLEŞTİRİLEN SİSTEM Gerçekleştirilen iki seviye alçaltıcı dönüştürücüye ait sistemin devre şeması Şekil 4’te verilmiştir. Sistem güç devresi ile sürücü ve kontrol devresinden oluşmaktadır. Güç devresi birbirinden bağımsız çalışan iki adet alçaltan dönüştürücü devre yapısından oluşmaktadır. Güç devresinde, doğrultucular yardımıyla elde edilen DA gerilim değerleri dönüştürücülerin girişlerine uygulanmaktadır. Doğrultucu çıkışlarında yaşanan dalgalanmaları azaltmak için C1 ve C3 kapasitörleri kullanılmıştır. Her iki dönüştürücünün giriş akım değerleri LEM LA-100P akım algılayıcıları yardımı ile okunurken çıkış gerilim değerleri gerilim bölücü devreleri üzerinden geçirilerek mikrodenetleyiciye uygulanmaktadır. Uygulamada FUJI marka 2MBI100U4A-120 modeli iki IGBT kullanılmıştır. Bu IGBT ler 1200 V, 100 A özelliklere sahiptir. Mikrodenetleyici tarafından üretilen PWM sinyallerinin IGBT için uygun düzeye dönüştürülmesi, tasarlanan bir sürme devresi yardımıyla yapılmaktadır. IGBT sürme devresinde Fuji marka EXB840 sürücü entegresi kullanılmıştır. Her iki BR1 dönüştürücü kontrolünün sağlanabilmesi için bir kontrol devresi tasarlanmıştır. Program başlangıcında mikrodenetleyicinin kullanılacak pinleri, analog okuma çözünürlüğü, PWM frekansı, vs. tanımlamaları yapılmıştır. Programda analog okuma çözünürlüğü 10 bit ve PWM frekansı 4,8 kHz olacak şekilde ayarlanmıştır. Daha sonra alçaltan dönüştürücü seçme ekranı kullanıcıya gösterilmektedir. Kullanıcı burada hangi dönüştürücü veya dönüştürücülerin kullanılacağını tuş takımı yardımı ile seçmektedir. Kullanıcı bu ekrandan her iki dönüştürücüyü seçebileceği gibi sadece DÖNÜŞTÜRÜCÜ 1 veya DÖNÜŞTÜRÜCÜ 2 yi seçebilmektedir. Kullanıcının seçimine bağlı olarak sonraki aşamada dönüştürücü veya dönüştürücülere ait çıkış gerilim değerleri ile akım sınır değerleri mikrodenetleyiciye girilmektedir. Bu değerlerin mikrodenetleyiciye girilmesi için kullanıcı yine tuş takımından yararlanmaktadır. Kullanıcı tuş takımı yardımıyla sisteme TAMAM komutunu verdikten sonra ayar edilen çıkış gerilim değerleri için PWM sinyalleri mikrodenetleyici tarafından üretilmeye başlanır. Bu andan itibaren alçaltan dönüştürücü akım ve gerilim değerleri mikrodenetleyicinin analog kanallarından okunmaktadır. L1 a + C1 220 Volt ~ C2 Q1 c D1 Vout1 - KONTROL VE SÜRÜCÜ KARTI Q2 BR2 L2 b + C3 C4 D2 d Vout2 - Şekil 4. Gerçekleştirilen sistemin devre şeması Tasarlanan kontrol devresi PIC 18F452 mikrodenetleyicisi, tuş takımı ve LCD ekrandan oluşmaktadır. Tasarlanan sistemde mikrodenetleyici kullanılmasıyla çevresel arabirimler, bir tümleşik aygıt içinde birleştirildiğinden sistem hızı ve güvenilirliği artmış, maliyet azalmıştır. Aynı zamanda kullanım kolaylığı sağlanmış ve karmaşık yapı ortadan kaldırılmıştır. Kullanıcı tuş takımı yardımıyla dönüştürücü parametrelerini mikrodenetleyiciye girebilmekte ve tüm işlemleri LCD ekranda izleyebilmektedir. Dönüştürücü çıkışlarına bağlanacak yük değerlerinin değişmesi ile çıkış gerilim değerinin sabit kalmasını sağlamak amacıyla PI denetim tekniğinden yararlanılmıştır. PI denetimin görevi, çıkış gerilim değeri ile tuş takımından girilen referans gerilim değeri arasındaki hatayı en aza indirmektir. Kontrol devresinde yer alan mikrodenetleyici yazılımının hazırlanmasında CCS C dili kullanılmıştır [13]. Hazırlanan yazılımın akış diyagramı Şekil 5’de verilmiştir. Okunan akım değerleri girilen sınır akım değerlerini aşmış ise PWM sinyalleri sınır akım değerlerini koruyacak şekilde yeniden üretilmektedir. Eğer akım sınır değerinde aşma olmamış ise girilen gerilim referans değeri ile ölçülen gerçek gerilim değeri karşılaştırılmaktadır. Karşılaştırma sonucunda hata var ise hata sinyali PI denetleyiciye gönderilerek uygun PWM sinyalleri üretilmektedir. Böylece çıkış gerilim değerinin, referans gerilim değerini izlemesi sağlanmaktadır. Sistem durdurulmadığı sürece tüm bu işlemler sürekli tekrarlanmaktadır. Çalışma esnasında tüm akım ve gerilim değerleri anlık olarak LCD ekranda gösterilerek kullanıcı bilgilendirilmektedir. Her iki dönüştürücü çalışır durumda iken istenilen dönüştürücünün çalışması sonlandırılabilmektedir. Dönüştürücüler birbirinden bağımsız çalıştığı için bir dönüştürücünün çalışması diğer dönüştürücüyü etkilememektedir. 200 Mikrodenetleyici Tabanlı İki Seviye DA/DA Alçaltan Dönüştürücü Başla PIC 18F452 başlangıç ayarlarının yapılması Dönüştürücü seçme ekranı Referans gerilim değeri ve akım sınırının girilmesi Değerler girildi mi? H Şekil 6. Deneysel çalışmalar için kullanılan deney düzeneği E Gerçekleştirilen deneysel çalışmaların ilkinde dönüştürücü çıkış gerilimlerinin referans gerilime oturma zamanları ölçülmüştür. DA motorunun endüvi sargılarını besleyen dönüştürücü çıkış gerilimi 200 volta ayarlanırken, uyartım devresini besleyen dönüştürücü çıkışı 50 volta ayarlanmıştır. Dönüştürücülerin çalışmaya başladığı andaki gerilim sinyalleri Şekil 7’de verilmiştir. Her iki dönüştürücü çıkış gerilim değerlerinin referans gerilim değerine oturma zamanları incelendiğinde; birinci dönüştürücünün 200 volt referans gerilim değerine 820 ms’de, ikinci dönüştürücünün 50 volt referans değerine 350 ms’de oturduğu ve kararlı hale geldiği görülmüştür. PWM sinyallerinin üretilmesi Analog kanallardan akım ve gerilim bilgilerinin okunması Akım değeri sınır değeri aştı mı? E H PI Denetleyici H Çıkış gerilim değerleri ref değerle aynı mı? E Sistem durduruldu mu? H E Dur Şekil 5. Mikrodenetleyici yazılımının akış diyagramı IV. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Deneysel çalışmalar için Şekil 6’ da görülen deney düzeneği kullanılmıştır. Bu deney düzeneği bir DA motoru ve bu motorun miline akuple bağlı bir yük düzeneğinden oluşmaktadır. Gerçekleştirilen iki seviye alçaltan dönüştürücü, DA motorunun uyartım ve endüvi sargılarını besleyecek şekilde bağlantılar yapılmıştır. Şekil 7. Dönüştürücü çıkış gerilim sinyallerinin referans gerilim değerine oturması Gerçekleştirilen diğer deneysel çalışmada ise DA motorunun miline bağlı yük birimi kullanılarak DA motoru yüklenmiştir. Bu anda dönüştürücü çıkış gerilim değişimi 201 Ş.Demirbaş, S. Bayhan, İ. Garip izlenerek PI kontrolörün tepkisi gözlemlenmiştir. Şekil 8’de görüldüğü gibi yüklenmenin yaşandığı anda dönüştürücü çıkış gerilimi yaklaşık 170 volta düşmekte ancak PI kontrolör yardımıyla 640 ms içinde tekrar 200 volta yerleşmektedir. Şekil 8. DA motorun yüklenmesi anında dönüştürücü çıkış gerilim eğrisi birbirinden bağımsız çalışan, iki seviye alçaltan dönüştürücü mikrodenetleyici tabanlı olarak gerçekleştirilmiştir. Mikrodenetleyici olarak PIC18F452 kullanılmıştır. Gerçekleştirilen iki seviye alçaltan dönüştürücü devresi 0-300 volt gerilim ayar aralığına ve 0-20 amper akım sınır aralığına sahiptir. Kullanıcı gerilim referans değerleri ile akım sınır değerlerini tuş takımı yardımıyla mikrodenetleyiciye girmekte ve bu değerleri LCD ekrandan izleyebilmektedir. Bu çalışmada çıkış gerilim değerlerinin, referans gerilim değerlerini takip etmesi için PI denetim tekniğinden yararlanılmıştır. PI denetimin görevi, çıkış gerilim değerleri ile tuş takımından girilen referans gerilim değerleri arasındaki hatayı en aza indirmektir. Bu sayede dönüştürücü çıkış gerilim değerlerinin yük değişimlerinden etkilenmemesi sağlanmıştır. Ayrıca dönüştürücü giriş akımları mikrodenetleyici tarafından sürekli izlendiği için dönüştürücülerin akım sınır değerlerinin altında çalışması sağlanmaktadır. Böylece hem alçaltan dönüştürücülerin hem de bu dönüştürücülerin beslediği sistemlerin güvenliği sağlanmıştır. Deneysel sonuçlar, gerçekleştirilen iki seviye alçaltan dönüştürücünün ani yük değişimlerine hızlı tepki verdiğini, kararlı çalıştığını ve düşük maliyetli bir sistem olduğunu göstermiştir. KAYNAKLAR Son olarak dönüştürücü çıkış gerilim seviyesinin farklı referans gerilim değerlerini izlemesi gözlemlenmiştir. Bunun için farklı referans gerilim değerleri tuş takımı yardımı ile sisteme girilmiştir. İlk önce dönüştürücü çıkış gerilimi 50 volta daha sonra 150 volta son olarak ta 100 volta ayarlanmıştır. Şekil 9’da görüldüğü gibi dönüştürücü çıkış gerilimi girilen referans gerilim değerini tuş takımından girilen her değer için hızlı bir şekilde takip edebilmiştir. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Şekil 9. Dönüştürücü çıkış geriliminin referans değeri izlemesi [11] V. SONUÇLAR [12] Bu çalışmada farklı DA gerilim seviyelerine ihtiyaç duyan yüklerde (yabancı uyartımlı DA motor, vb.) kullanılmak üzere [13] 202 Smedley K.M., Slobodan C., “One-Cycle Control of Switching Converters”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 10, No 6, 625-634, (1995). Sefa İ., Altın N., Özdemir Ş., “dSPACE Based Fuzzy Logic Controlled Boost Converter”, 4th International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering TPE-2008, University of Pitesti, Pitesti, Romania, (2008). Guo L., Nelms H., Nelms R.M., “Design and Implementation of Sliding Mode Fuzzy Controllers for a Buck Converter”, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 1081-1087, Montreal, Canada, (2006). Demirtaş M., Sefa İ., Irmak E., Çolak İ., “Güneş Enerjili Sistemler İçin Mikrodenetleyici Tabanlı DA/DA Yükselten Dönüştürücü”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 23, Sayı 22, 719-728, (2008). Koutroulis E., Kalaitzakis K., Voulgaris N.C., “Development of a Microcontroller-Based Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No. 1, 46-54, (2001). Yousefzadeh V., Wang N., Popovic Z., Maksimovic D., “A Digitally Controlled DC/DC Converter for an RF Power Amplifier”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 21, No 1., 164-173, (2006). Çolak İ., Soysal M., Irmak E., Bayındır R., “DA Motorunun Dört Bölge Denetiminin Eğitim Amaçlı Gerçekleştirilmesi”, Politeknik Dergisi, Cilt 10, Sayı 3, 219-227, (2007). Ilic M., Hesterman B., Maksimovic D., “Interleaved Zero Current Transition Three-Level Buck Converter”, 21st Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 77-78, (2006). Yousefzadeh V., Alarcon E., Maksimovic D., “Three-Level Buck Converter for Envelope Tracking Applications”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 21, No 2, 549-552, (2006). Ilic M., Maksimovic D., “Averaged switch modeling of the interleaved zero current transition buck converter”, IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, 2158-2163, (2005). Rashid M., “Power Electronics, Circuits, Devices and Applications”, Prentice Hall, Third Edition, USA, (2004). Mohan N., Undeland T. M., Robbins W. P., “Power Electronics: Converters, Applications and Design”, 2nd Edition, John Wiley & Sons Inc., England, (1995). Çiçek, S., “CCS C ile PIC Programlama”, Altaş Yayıncılık, İstanbul, (2007).