Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a study of a sensorless speed servomechanism using threephase induction motors. The aim is to investigate the performance of a specific control technique when different load variations or torque disturbances are applied. In order to determine the control technique to be used, first a review of the state-of-the-art of control and speed estimation techniques with their characteristics and limitations. The proposed sensorless induction motor servomechanism uses indirect fieldoriented control (IFOC), a technique based on feedback linearization control (FLC), which is often used in nonlinear systems. This control system comprises three basic controllers: flux control, speed control and current control. To implement IFOC, estimates of torque and speed are required. Speed is estimated using an adaptive reference algorithm of reactive power. The resulting estimated is processed in a Kalman filter, which is also used for torque estimates. A number of simulations using the Matlab® software package and experimental results using on DSP TMS320F2812 platform are presented here to verify the performance of the proposed control system in conditions of low speeds and load variations. / Este trabalho apresenta um estudo de um servomecanismo sensorless usando motores de indução trifásicos. Objetiva-se o estudo do desempenho de uma técnica de controle frente a variações de torque de carga ou distúrbios de torque. Para a determinação da técnica de controle, inicialmente, é realizado um estudo sobre o estado da arte das técnicas de controle e estimação da velocidade, apresentando suas características e suas limitações. O servomecanismo de motor de indução sensorless proposto utiliza uma técnica de controle de campo orientado indireto (IFOC). Sua formulação é realizada através da estratégia de controle realimentado linearizado (FLC feedback linearization control) típica de sistemas não-lineares. Este sistema de controle é composto por três controladores: controlador de fluxo, controlador de velocidade e controlador de correntes. Para sua implementação são necessários as estimativas de torque e velocidade. A estimativa de velocidade é computada através de um modelo de referência adaptativo da potência reativa. Este valor estimado é filtrado pelo filtro de Kalman o qual também é utilizado na estimativa do torque. No desenvolvimento deste trabalho, resultados de simulações utilizando o software Matlab® e experimentais em plataforma DSP TMS320F2812 são apresentados. A partir destes resultados, averiguou-se o desempenho do sistema de controle proposto, em condições de baixas velocidades e perante variações de torque de carga.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:36Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-06-11Bitstream added on 2014-06-13T20:09:52Z : No. of bitstreams: 1 damazo_ga_me_ilha.pdf: 760851 bytes, checksum: d1a0f2a22e4917da6787ce545199a696 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O enfoque principal do trabalho foi dado ao Controle Discreto com Modos Deslizantes(CDMD) aplicado em sistemas que possuem atraso no processamento do sinal de controle e acesso somente à saída do sistema. A estratégia de controle tem por objetivo a utilização de técnicas de controle com modos deslizantes para a elaboração de uma lei de controle simples e robusta às incertezas da planta e ao atraso. O observador de estados apresentado possui características de modo deslizante, o qual realiza a estimação robusta do vetor de estados que na maioria dos casos práticos não é totalmente acessível. Os métodos de projetos propostos podem ser aplicados no controle de plantas estáveis ou instáveis com atraso no sinal de controle e acesso somente à saída da planta. Para comprovar a eficiência dos projetos apresentados neste trabalho, analisou-se o controlador atuando com acesso a todos estados e o controlador atuando juntamente com o observador robusto para a estimação dos estados. Os resultados foram obtidos através de simulações no Sistema Bola e Viga, Sistema Pêndulo Invertido Linear e Sistema Pêndulo Invertido Rotacional que são exemplos de plantas de natureza instável. / The main focus was placed on the Discrete Sliding Mode Control (DSMC) applied to systems that have a delay in the processing of the control signal and access to the system output only. The control strategy is intended to use control techniques of sliding modes to elaborate a simple and robust control law against the uncertainties of the plant and the delay. The states observer presented has the characteristics of a sliding mode, which performs the robust estimation of the states vector that, in most practical cases, is not fully accessible. The design methods proposed may be applied to the control of stable or unstable plants with delay on the control signal and access to the plant output only. In order to attest the efficiency of the design presented in this work, the controller was analyzed at work with access to all states and jointly with the robust observer to estimate the states. The results were obtained by means of simulations in the Ball and Beam System, Linear Inverted Pendulum System, and Rotational Inverted Pendulum System, which are examples of plants of unstable nature.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-05-23T18:23:25Z No. of bitstreams: 1 fernandohenriquedeoliveira.pdf: 7733433 bytes, checksum: ed0bfbea1ebdeec7443503ad20027a67 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-05-24T17:33:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 fernandohenriquedeoliveira.pdf: 7733433 bytes, checksum: ed0bfbea1ebdeec7443503ad20027a67 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-24T17:33:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 fernandohenriquedeoliveira.pdf: 7733433 bytes, checksum: ed0bfbea1ebdeec7443503ad20027a67 (MD5) Previous issue date: 2018-02-23 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta dissertação apresenta uma proposta de controle discreto baseado em reali-mentação de estados aplicado à fonte de alimentação das cargas magnéticas do Sirius. A fonte é formada por associações em série e em paralelo de módulos de menor po-tência para que, em conjunto, possam atender às exigências requeridas de tensão e de corrente dos magnetos. Cada módulo é constituído de dois estágios, um de entrada e outro de saída, em que o segundo é o objeto de estudo deste trabalho. O estágio de saída é constituído por um conversor ponte completa associado a um filtro de terceira ordem. Inicialmente é feita a modelagem do estágio de saída e apresentado um modelo apropriado a uma quantidade genérica de módulos associados em série. Em seguida é feita a discretização da planta e o controle em espaço de estados. Para a alocação dos pólos do sistema em malha fechada é utilizado o Regulador Quadrático Linear Digital. Entretanto, quando módulos são associados, aumenta-se consideravelmente a ordem do sistema e torna-se inviável a medição de todos os estados da planta. Então, é proposto um observador ótimo de ordem reduzida para que este seja capaz de fornecer ao con-trolador os estados que não são medidos. A análise de estabilidade permitiu verificar a robustez do controle em conjunto com o observador de estados. Na associação de módulos em paralelo foram consideradas que as correntes da saída de cada módulo são parcelas do estado que corresponde à corrente das cargas magnéticas. Baseado nesta premissa e no controle feito para o arranjo de módulos em série, foi proposta uma estratégia de controle para o arranjo em paralelo. Os resultados em simulação, tanto para a configuração de módulos em série quanto em paralelo, permitem verificar os desempenhos dinâmicos do controlador e observador de estados. / This dissertation presents a proposal of a discrete-time state-feedback control law applied to the Sirius magnetic source power supply. In order to meet the magnets' required voltage and current levels the source is formed by series and parallel associa-tion of modular converters. Each module is made up of two stages, input and output, in which the later is addressed this work. The output stage is constituted by a full bridge converter associated with a third-order filter. Initially a mathematical model is obtained for a single module. This model is later extended to represent the connection of several modules in series. Then the plant is discretized and state feedback law is designed to control the system. The optimal technique Digital Linear Quadratic Regu-lator was used to place the closed-loop poles. However, when modules are associated, due the order of the system it becomes impracticable to measure all the states. Then an optimal reduced order observer is proposed to provide to controller the states that are not measured. An stability analysis is performed in order to verify the controller robustness. For the association of modules in parallel was considered that the output currents of each module are the parcels of the state corresponding to the current of the magnetic loads. Based on this premise and in the previously control design for the series modules association, is proposed a control topology for the parallel arrange-ment. Simulation results were obtained, for the both configuration of modules series and parallel, and the performances of the controller and state-observer were verified.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-05-05Bitstream added on 2014-06-13T18:08:31Z : No. of bitstreams: 1 apolinario_gc_me_ilha.pdf: 968174 bytes, checksum: c92ede9487e6bccb3ad227625f224cb0 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / A presença de atraso em sistemas com controle digital reduz a robustez e também degrada o desempenho do mesmo. Neste trabalho, o atraso no sinal de controle devido ao tempo necessário para a computação e o atraso de transporte da planta controlada são tratados como uma falha a ser detectada e o controlador apropriado é utilizado para minimizar estes efeitos. Desta forma, é proposto um controle com modos deslizantes discreto que melhora o desempenho de sistemas quando a falha devido ao atraso está presente. Os observadores além de estimar os estados do sistema são utilizados para gerar os resíduos. Analisando a norma do resíduo propõe-se um novo esquema para detecção de falhas e para adaptação do controlador. Para ilustrar o procedimento de projeto e a eficácia do método aplica-se a técnica proposta para o controle de um Sistema Pêndulo Invertido Rotacional, para o controle de um Sistema de Simulação de Vôo de Helicóptero e para o controle de um Sistema de Simulação do Modelo dos Eixos Laterais de uma Aeronave (L-1011) em Condições de Vôo. / The presence of delay in systems with digital control reduces the robustness and also degrades its performance. In this work, the computation time delay and the transport delay of the plant controlled are treated as a fault to be detected and appropriate controller is used to minimize its effects. Then, it is proposed a discrete-time sliding mode control that improves the performance of systems when time delay fault is present. The observers in addition to estimate the states of the system are used to generate the residuals. Using the residuals functions, it is proposed a new scheme for fault detection and for controller adaptation. The proposed technique is used to control a Rotary Motion Inverted Pendulum System, a Helicopter Flight Simulation System and System Simulation of the lateral axis model of an (L-1011) in cruise flight conditions to illustrate the design procedures and the effectiveness of the method.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents a contribution to the study of AC Power Sources, where a prototype s development is presented. The stages that compose the system, including converter topology, filter, instrumentation and controller, are presented. The developed prototype is a three-phase four-wire source, which uses a four-leg voltage source inverter. This topology increases the flexibility for unbalanced waveforms generation or unbalanced load conditions, also simplifying the control problem of the process. This work first looks for justifying the use and the study of AC Power Sources, in this sense, some examples of tests and norms, whose tests demand its use, are given. The applications are in general related to electrical and electronic equipments and for driving electromechanical plants such as shakers. In this sense, AC Power Sources are equipment that can be used both in industry applications and didactic or research laboratories. In practically all applications, it is shown that good performance in waveforms generation is necessary. This performance is related to the ability for waveforms generation with low harmonic distortion even in conditions of variable frequency or amplitude and with nonlinear loads behavior. In this way, the use of an adequate converter topology is not enough, are too necessary controllers to guarantee performance for the system, even in adverse load conditions or in presence of unmodeled dynamics. The unmodeled dynamics are derived from some stages that compose the system, but they are generally related to the uncertainties on the model of the plant and load. Then, this work not only describes the implemented prototype and topological relative questions but also applies a Robust Model Reference Adaptive Control (RMRAC) for the plant control. This technique improves the robustness in the closed loop system even under presence of unmodeled dynamics and disturbances. The controller makes use of a Gradient type algorithm for parametric adaptation with four adapted parameters, which leads to a new error equation that is used for the controller s implementation / Este trabalho apresenta uma contribuição ao estudo de Fontes de Potência CA onde é apresentado o desenvolvimento de um protótipo. Os diversos estágios que compõem o sistema, desde a topologia do conversor, do filtro, da instrumentação e do controlador são apresentados e analisados. O protótipo desenvolvido é uma fonte trifásica a quatro fios, que utiliza um inversor de tensão de quatro braços. Esta topologia permite uma maior flexibilidade na geração de formas de onda desbalanceadas ou em condições de cargas desequilibradas, simplificando também o problema de controle do sistema. Este trabalho procura primeiramente justificar a utilização e o estudo de Fontes de Potência CA, neste sentido são dados alguns exemplos de ensaios e normas, cujos testes demandam a sua utilização. As aplicações são em geral relacionadas a equipamentos eletroeletrônicos e acionamento de outras plantas como vibradores eletromecânicos. Deste modo, as Fontes de Potência CA são equipamentos que podem ser utilizados tanto na indústria quanto em laboratórios didáticos e de pesquisa. Em praticamente todas as aplicações, é mostrado que um bom desempenho na geração de formas de onda é necessário. Este desempenho está relacionado à capacidade de geração de formas de onda com baixa distorção harmônica, não raro, em condições de freqüência e amplitude variáveis e com cargas de comportamento não-linear. Deste modo, a seleção de uma topologia de conversor adequado não basta, são também necessários controladores que garantam um bom desempenho do sistema, mesmo em condições adversas de carga e em presença de dinâmicas não-modeladas. As dinâmicas não-modeladas são oriundas das várias etapas que compõem o sistema, mas geralmente são relacionadas às incertezas sobre o modelo da planta e da carga. Neste sentido, este trabalho descreve não apenas o protótipo implementado e questões topológicas relativas a ele, mas também aplica um Controle Robusto por Modelo de Referência ou RMRAC (Robust Model Reference Adaptive Control) para o controle da planta. Esta técnica garante robustez do sistema em malha fechada mesmo na presença de dinâmicas não modeladas e distúrbios. O controlador utilizado faz uso de um algoritmo de adaptação paramétrica do tipo Gradiente, no qual quatro parâmetros são adaptados. Este fato leva a uma nova equação do erro, que é utilizada para a implementação do controlador.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / This work presents the analysis, design example, simulations and experimental results on a soft-switching bidirectional isolated three-phase dc-dc converter using dual phase-shift control with variable duty cycle. The topology uses three single H-bridges in the primary side and a three-phase inverter in the secondary side. High-frequency isolation is ensured by using three single-phase transformers connected in open delta-wye configuration. The variation of both phase-shift (PS) angles between the H-bridge legs and/or primary and secondary sides allows controlling the power flow, while reduced reactive power flow is possible. The variable duty cycle is used to ensure a constant voltage bus and/or zero voltage switching (ZVS) operation. A detailed analysis is presented considering a model based on the fundamental components for the voltages and currents in the transformer and, aiming its validation, a second analysis from the operation stages of the converter has also been developed. Besides, the dynamic model of the converter, based on fundamental components and employing the gyrator theory has been developed. A design example with nominal values assumptions, stresses and specifications for components, discrete control system characterization and its FPGA programming are presented. Simulation and experimental results in steady state and closed-loop performance are presented and discussed to validate the proposed approach. / Este trabalho apresenta a anÃlise, exemplo de projeto, simulaÃÃes e resultados experimentais de um conversor CC-CC trifÃsico isolado bidirecional com comutaÃÃo suave, dual phase shift (DPS) e razÃo cÃclica variÃvel. A topologia utiliza trÃs pontes H monofÃsicas no lado primÃrio e um inversor trifÃsico no lado secundÃrio. A isolaÃÃo em alta frequÃncia à garantida utilizando-se trÃs transformadores monofÃsicos conectados em uma configuraÃÃo delta aberto/estrela. A variaÃÃo de ambos os Ãngulos de deslocamento de fase, entre os braÃos de uma ponte H e/ou entre os lados primÃrio e secundÃrio, permitem o controle do fluxo de potÃncia. Esta flexibilidade garante a obtenÃÃo de um baixo conteÃdo reativo na anÃlise de projeto da topologia. A razÃo cÃclica variÃvel à utilizada para assegurar um barramento constante e uma operaÃÃo dos interruptores com comutaÃÃo suave. Uma anÃlise matemÃtica da estrutura à apresentada considerando um modelo baseado em componentes fundamentais e, com o propÃsito de comprovar a validade deste modelo, uma segunda anÃlise a partir das etapas de operaÃÃo do conversor tambÃm foi desenvolvida. O modelo dinÃmico do conversor, baseado nas componentes fundamentais, tambÃm foi concebido com auxÃlio da teoria do gyrator. Um exemplo de projeto, com a obtenÃÃo de valores nominais, esforÃos e especificaÃÃes dos componentes, caracterizaÃÃo do sistema de controle discreto e sua programaÃÃo atravÃs de FPGA sÃo desenvolvidos. SimulaÃÃes e resultados experimentais do conversor operando em regime permanente e dinÃmico sÃo apresentados para validar o modelo proposto.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This thesis presents an electronic ballast prototype to supply high-pressure sodium lamps used in public lighting. The goal is to develop a commercial approach able to replace the still commonly used electromagnetic ballasts, performing improvements in the public lighting system. Along this thesis, the state of art in lighting area is presented, especially in public lighting. Following, a bibliographic review about electronic ballasts to supply highpressure sodium lamps is done. Special attention is given to the low frequency square waveform supplying method, which is used in this thesis. Also, the features desired in electronic ballasts so they can operate the lamp reliably and according to the standards are discussed. From this review, the proposed topology is defined and its design is presented. A discrete control method is developed to guarantee the safe operation of the ballast during all lamp stages. A microcontroller is used to perform the control routines. Finally, experimental results are obtained, validating the proposed work. / Este trabalho apresenta uma proposta de sistematização do projeto de um reator eletrônico para alimentação de lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão, para aplicação em iluminação pública. Com isto, pretende-se criar um dispositivo que venha a substituir os reatores eletromagnéticos, ainda comumente utilizados nesta aplicação, de modo a proporcionar melhorias nos atuais sistemas de iluminação pública. Ao longo deste trabalho, é feita uma revisão do estado da arte na área de iluminação, dando ênfase à iluminação pública. Em seguida, é apresentada uma revisão bibliográfica acerca dos métodos de alimentação de lâmpadas de vapor de sódio a partir de reatores eletrônicos, destacando-se a alimentação deste tipo de lâmpada com forma de onda quadrada em baixa freqüência, método utilizado neste trabalho. Também são discutidas as características que um reator eletrônico deve possuir para enquadrar-se nas normas vigentes e alimentar a lâmpada de forma confiável. A partir desta revisão, a topologia proposta é definida e seu projeto é apresentado. Uma metodologia de controle discreto é desenvolvida de forma a garantir a operação adequada do reator durante todas as etapas de funcionamento da lâmpada. Um microcontrolador é utilizado para executar as rotinas de controle. Finalmente, resultados experimentais são obtidos, de forma a validar o trabalho proposto.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis contributes to the analysis, project and implementation of discrete-time controllers based on the Internal Model Principle, aiming to improve the performance of three-leg three-phase PWM inverters with insulating output transformer usually found in the output stage of medium power double-conversion UPS. Initially, an investigation about issues concerning to the discrete-time models of three-phase inverters with space vector modulation and the LC filter have been carried out. This investigation shows the impact of different switching sequences, sampling instants and filter cut-off frequency on the harmonic spectrum of sampled variables used for feedback. This is a concern when the switching frequency is low to limit the switching losses as in medium and high power UPS. In this way, this thesis proposes sampling methods that make possible to reduce the low order harmonics on the interest variables, which is relevant when state feedback is used. These methods allow to obtain discrete-time average linear models useful for the controller design. In addition, the saturation of the insulating transformer is addressed in details. The dc component arising from the digital implementation and from the circuit measures non idealities, and then amplified by an inadequate choice of the controller, may lead the transformer to saturate. In order to solve this problem, and in accordance with the Internal Model Principle, internal models adequate to the plant under consideration as well as discrete-time voltage controllers in stationary and synchronous frames which are not prone to amplify the dc component, are proposed. Another goal of this thesis is the improvement of the UPS output voltage transient response due to linear and non linear load steps. This is obtained considering the sampling methods before mentioned, combined with internal models with reduced number of poles and low sampling rate. It is demonstrated that it is possible to improve significantly the output voltage transient responses, as well as to satisfy the rigorous classification of the standard IEC62040-3 for UPS without degrading the steady state performance. In addition, these control structures have enough stability margins, as proved in each case, and they results in simple and attractive solutions to be implemented in 8 or 16 bits fixed-point arithmetic microcontrollers and DSP with reduced memory space. The feasibility of the proposed solutions is verified with experimental results demonstrating both transient and steady-state performances. Finally, a comparative analysis of the proposed control structures, over the light of the standard IEC62040-3, is presented. / A presente tese de doutorado contribui para a análise, projeto e implementação de controladores discretos baseados no Princípio do Modelo Interno, com o intuito de aprimorar o desempenho de inversores trifásicos PWM a três braços com transformador isolador usualmente utilizados no estágio de saída de UPS de dupla conversão de média potência. Inicialmente se realiza uma investigação sobre os aspectos relacionados à obtenção do modelo discreto de inversores trifásicos com modulação space vector e do filtro de saída. Essa investigação mostra o impacto de diferentes seqüências de comutação, instantes de amostragem e freqüência de corte do filtro no conteúdo harmônico das variáveis amostradas usadas para realimentação. Isso é uma preocupação quando a freqüência de comutação é baixa para limitar as perdas em UPS de média e alta potência. Nesse sentido essa tese propõe métodos de amostragem que possibilitam reduzir as harmônicas de baixa ordem nas variáveis de interesse o que adquire importância quando se realiza a realimentação dos estados da planta. Esses métodos permitem a obtenção de modelos médios lineares úteis para o projeto do controlador. Além disso, a saturação do transformador de isolação é analisada em detalhe. A componente contínua oriunda da implementação digital e das não idealidades dos circuitos de medição, e amplificada por uma escolha inadequada do controlador, pode levar o transformador à saturação. Com o intuito de solucionar esse problema, e de acordo com a teoria do Princípio do Modelo Interno, são propostos modelos internos adequados à planta em questão bem como controladores discretos de tensão em eixos estacionários e síncronos, que não tem tendência a amplificar a componente contínua. Outro dos objetivos dessa tese é o aprimoramento da resposta transitória das tensões de saída da UPS na presença de degraus de carga linear e não linear. Isso é obtido considerando-se os métodos de amostragem mencionados acima, combinado com modelos internos com número de pólos e taxa de amostragem reduzidos. Demonstra-se que é possível aprimorar significativamente a resposta transitória das tensões de saída bem como satisfazer a exigente classificação da norma IEC62040-3 para UPS, sem degradar o desempenho de regime permanente. Além disso, essas estruturas de controle possuem suficiente margem de estabilidade, como provado em cada caso, e estas resultam em soluções simples e atrativas para serem implementadas em microcontroladores e DSP de aritmética de ponto fixo, com palavras de 8 e 16 bits e capacidade reduzida de memória. A viabilidade prática das propostas realizadas é verificada com resultados experimentais em regime permanente e transitório. Finalmente, apresenta-se uma análise comparativa das estruturas de controle propostas, sob o enfoque da norma IEC62040-3.