Control en modo deslizante aplicado a sistemas de acondicionamiento de potencia de satélites

Abstract

El sistema de acondicionamiento de potencia es clave para el funcionamiento correcto del resto de sistemas eléctricos de un satélite. Los reguladores conmutados continua - continua son las piezas que enlazan los paneles solares y las baterías con el bus principal de alimentación. La estabilidad, precisión y robustez del sistema de control son fundamentales en el diseño de esos convertidores.<br/>Desde el punto de vista de los especialistas en control, los convertidores conmutados son sistemas de estructura variable, en los cuales se aplica de forma natural el control en modo deslizante. Sin embargo, no es fácil encontrar un ejemplo en el que se haya aplicado con éxito en los sistemas de alimentación de satélites. Con esta tesis se pretende cubrir el vacío existente entre la teoría de control en modo deslizante y la práctica de diseño de controles de convertidores conmutados continua - continua que tienen aplicación en los sistemas de alimentación de satélites.<br/>La tesis comienza introduciendo las características básicas del sistema de alimentación y presentando algunos reguladores cargadores y descargadores de batería que han sido utilizados en satélites concretos. El resto de la tesis es un estudio teórico con el fin de diseñar reguladores controlados en modo deslizante para esa aplicación.<br/>Se ha comenzado obteniendo un conjunto finito de convertidores básicos, a partir de los circuitos con dos interruptores, aplicando un método de síntesis basado en reglas topológicas y se han seleccionado los convertidores con estrés mínimo en los interruptores. Se han escogido, de entre estos, los convertidores con la corriente de salida continua, para utilizar como descargadores de batería, y los que tienen la corriente de entrada continua como cargadores de batería.<br/>Se ha encontrado que todos los convertidores seleccionados (tomando como salida del sistema el error de la corriente que se debe controlar) tienen grado relativo uno y su dinámica cero es asintóticamente estable, si se cumplen ciertas relaciones entre los parámetros que se han obtenido explícitamente para cada convertidor. En algunos casos es necesario acoplar magnéticamente los dos inductores o añadir una red R-C serie en paralelo con el condensador.<br/>Se han proporcionado criterios de diseño del lazo de corriente y del lazo de tensión, utilizando comparadores con histéresis para generar la señal de control en modo deslizante. Se han simulado varios de estos reguladores, encontrando que cumplen las especificaciones restrictivas de impedancia en el bus y al mismo tiempo tienen un comportamiento robusto frente a perturbaciones de gran señal cuando los parámetros toman sus valores extremos.<br/>Los reguladores encontrados pueden servir para mejorar las prestaciones y reducir el coste de los sistemas de alimentación de satélites y tienen muchas otras aplicaciones fuera de la industria aerospacial.

Power conditioning system is key to correct operation of the rest of electrical systems of satellites. Dc-to-dc switching converters link solar panels and batteries with the main power bus. Control system stability, accuracy and robustness is basic in the design of those converters.<br/>Switching converters are variable structure systems from the point of view of control specialist. In those systems, sliding-mode control can be applied in a natural way. Nevertheless it is difficult to find a successful example in power conditioning systems of satellites. This thesis try to fill the gap between sliding-mode control theory and control design practice of dc-to-dc switching converters for power conditioning systems of satellites.<br/>Thesis begin introducing basic features of power conditioning system and some battery charge and discharge regulators which have been actually used in satellites. The rest of the thesis is a theoretical study with the purpose of design sliding-mode controlled regulators for that application.<br/>A finite set of basic converters has been obtained from two switch circuits, applying a synthesis method based on topological rules. Converters with minimum switch stress have been selected from that set. Among them, converters with continuous output current have been chosen for battery discharge regulators and converters with continuous input current for battery charge regulators.<br/>The analysis of selected converters show that all of them (taking as system output the error of current that must be controlled) have a relative degree of one and an asymptotically stable zero dynamics if certain conditions on the parameters are fulfilled. Those conditions have been found individually for each converter. In some cases, inductors must be coupled and a series R-C network must be added in parallel with a capacitor.<br/>A comparator with hysteresis is used to get sliding-mode control signal. Design criteria for the parameters of current and voltage loops are given. Some of those regulators have been simulated finding that they meet restrictive bus impedance specifications. In addition, they have a robust behavior in simulations of large signal perturbations where parameters take their extreme values.<br/>The found regulators can be used to improve performance and reduce cost of power conditioning systems of satellites. They also have a lot of others applications outside aerospace industry.