Current-Sensorless Robust Sliding Mode Control for the Interleaved DC-DC Boost Converter

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, बिजली शायद ही कभी एक स्थिर, अपरिवर्तनीय धारा के रूप में दी जाती है। इलेक्ट्रिक वाहन, बैटरी चार्जर और नवीकरणीय ऊर्जा ग्रिड जैसे उपकरण एक स्रोत से कच्चे वोल्टेज को लेने और इसे उस सटीक, स्थिर स्तर में बदलने के लिए DC-DC कन्वर्टर्स पर निर्भर करते हैं जिसकी लोड द्वारा आवश्यकता होती है। इन कन्वर्टर्स को एक पावर सिस्टम के हृदय के रूप में सोचें, जो सर्किट के माध्यम से ऊर्जा पंप करता है और प्रवाह को विनियमित करता है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि आउटपुट स्थिर बना रहे, भले ही इनपुट में उतार-चढ़ाव आए या मांग बदल जाए। हालाँकि, इस प्रवाह को स्थिर रखना कठिन है। इन कन्वर्टर्स के भीतर के घटक अपूर्ण होते हैं, वातावरण शोर (noise) पेश करता है, और लोड एक क्षण में बदल सकता है। इसे प्रबंधित करने के लिए, इंजीनियर पारंपरिक रूप से वोल्टेज और करंट को मापने के लिए सेंसरों के संयोजन का उपयोग करते हैं, जो उस डेटा को एक नियंत्रण प्रणाली (control system) में फीड करते हैं जो प्रवाह को समायोजित करती है। लेकिन सेंसर जोड़ने से लागत, जटिलता और विफलता का जोखिम बढ़ जाता है, जबकि बिजली को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक उच्च-आवृत्ति स्विचिंग ऐसी विद्युत शोर पैदा कर सकती है जो सेंसरों को ही भ्रमित कर दे।

उत्तरी इलिनॉय विश्वविद्यालय के एक शोधकर्ता ने करंट सेंसरों की आवश्यकता को पूरी तरह से हटाकर इस समस्या को हल करने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। उनका कार्य एक विशिष्ट प्रकार के पावर कनवर्टर पर केंद्रित है जिसे इंटरलीव्ड बूस्ट कनवर्टर (interleaved boost converter) कहा जाता है, जो एक एकल पथ की तुलना में अधिक कुशलता से बिजली संभालने के लिए दो समानांतर पथों का उपयोग करता है। एक विशिष्ट सेटअप में, इंजीनियरों को इन दो पथों में प्रवाहित होने वाली प्रत्येक करंट को मापने की आवश्यकता होगी ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि वे संतुलित हैं और नियंत्रक को परिवर्तनों के प्रति तेजी से प्रतिक्रिया करने में मदद मिल सके। हालाँकि, नई विधि केवल एक माप पर निर्भर करती है: आउटपुट वोल्टेज। एक परिष्कृत गणितीय मॉडल और एक विशेष प्रकार के एस्टिमेटर (estimator) का उपयोग करके, शोधकर्ता ने एक ऐसा नियंत्रण प्रणाली बनाया है जो केवल वोल्टेज को देखकर करंट के व्यवहार और पूरे सर्किट के स्वास्थ्य का अनुमान लगा सकता है। यह दृष्टिकोण न केवल हार्डवेयर की लागत और जटिलता को कम करता है, बल्कि वास्तविक दुनिया के घटकों में पाई जाने वाली अपरिहार्य खामियों और विविधताओं के विरुद्ध सिस्टम को अधिक मजबूत भी बनाता है।

इस नवाचार का मूल इस बात में निहित है कि कैसे शोधकर्ता ने जटिल, दो-पथ वाले सिस्टम को एक सरल, प्रबंधनीय मॉडल में बदला। दोनों समानांतर पैरों (legs) में प्रत्येक करंट को ट्रैक करने के बजाय, उन्होंने सिस्टम को एक समतुल्य एकल-फेज प्रतिनिधित्व में गणितीय रूप से परिवर्तित किया। इस रूपांतरण ने उन्हें सभी अव्यवस्थित, अप्रत्याशित कारकों—जैसे कि दोनों पैरों के बीच के अंतर, इनपुट वोल्टेज में परिवर्तन और लोड में भिन्नता—को एक एकल "लम्पड डिस्टर्बेंस" (lumped disturbance) में समूहित करने की अनुमति दी। इस विक्षोभ (disturbance) को एक छिपी हुई शक्ति के रूप में कल्पना करें जो सिस्टम के विरुद्ध धक्का दे रही है; शोधकर्ता ने एक ऑब्जर्वर (observer) डिजाइन किया, जो एक प्रकार का डिजिटल जासूस है, जो करंट को सीधे देखे बिना इस बल के आकार और दिशा का निरंतर अनुमान लगाता है। यह ऑब्जर्वर सिस्टम की लुप्त अवस्था (missing state) को पुनर्गठित करता है, जिससे कंट्रोलर को विक्षोभ की भरपाई करने और आउटपुट वोल्टेज को स्थिर रखने में मदद मिलती है, भले ही घटक बेमेल हों या वातावरण शोर भरा हो।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ता ने कनवर्टर का एक विस्तृत सिमुलेशन बनाया, जिसे वास्तविक दुनिया की चुनौतियों की नकल करने वाले कई कठोर परिदृश्यों के माध्यम से चलाया गया। उन्होंने सिस्टम को इसके दो समानांतर पैरों के बीच महत्वपूर्ण अंतर के साथ संचालित करने के लिए प्रोग्राम किया, जिसमें ऐसे घटकों का उपयोग किया गया जो समान नहीं थे, जैसे कि अलग-अलग मान वाले इंडक्टर्स और अलग-अलग रेजिस्टेंस वाले रेसिस्टर्स। एक मानक सिस्टम में, ऐसे बेमेल होने से करंट असमान रूप से विभाजित हो सकता है, जिससे घटकों को नुकसान पहुँच सकता है या आउटपुट अस्थिर हो सकता है। फिर भी, इन सिमुलेशन में, नए कंट्रोलर ने एक पूर्णतः स्थिर आउटपुट वोल्टेज बनाए रखा। इसने लोड के अचानक उछाल को संभाला, जहाँ बिजली की मांग तुरंत बदल गई, और इनपुट वोल्टेज के उतार-चढ़ाव को झेला, और यह सब केवल आउटपुट वोल्टेज सेंसर सक्रिय होने के साथ किया। सिस्टम ने इन स्थितियों में न केवल जीवित रहने का प्रदर्शन किया; इसने लक्षित वोल्टेज को शून्य स्टेडी-स्टेट एरर (steady-state error) के साथ ट्रैक किया, जिसका अर्थ है कि आउटपुट ठीक वहीं स्थिर हुआ जहाँ उसे होना चाहिए था, बिना किसी शेष विचलन के।

अध्ययन ने यह भी जांचा कि जब मापन स्वयं शोर (noise) से दूषित हो जाता है, तो सिस्टम कैसा प्रदर्शन करता है, जो उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में एक सामान्य समस्या है। शोधकर्ता ने वोल्टेज सिग्नल में रैंडम इलेक्ट्रिकल नॉइज़ जोड़ दी, जो एक वास्तविक डिवाइस में होने वाले हस्तक्षेप का अनुकरण करती है। इस शोर के बावजूद, एस्टिमेटर उच्च-आवृत्ति के शोर को फ़िल्टर करने और सिस्टम के अंतर्निlying रुझानों पर ध्यान केंद्रित करने में सक्षम था। यह सफलतापूर्वक विक्षोभों के औसत मान को ट्रैक करने में सफल रहा, जिससे स्विचिंग के कारण होने वाले तीव्र, अराजक स्पाइक्स को अनदेखा कर दिया गया। यह फ़िल्टरिंग क्षमता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह नियंत्रण प्रणाली को गलत संकेतों पर अत्यधिक प्रतिक्रिया करने से रोकती है, जिससे वोल्टेज अनियently दोलन (oscillate) कर सकता है। परिणामों ने दिखाया कि कंट्रोलर शोर के बावजूद सख्त विनियमन बनाए रख सकता है, जिससे यह सिद्ध होता है कि यह विधि व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत है जहाँ पूर्ण सिग्नल प्राप्त करना असंभव है।

इस कार्य का सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि सिस्टम को कनवर्टर के दो समानांतर पैरों के पूरी तरह से मेल खाने की आवश्यकता नहीं है। कई पारंपरिक डिजाइनों में, इंजीनियरों को यह सुनिश्चित करने के लिए घटकों का सावधानीपूर्वक चयन करना पड़ता है कि दोनों पथ समान हों, या उन्हें करंट को भार साझा करने के लिए मजबूर करने हेतु जटिल बैलेंसिंग सर्किट जोड़ने पड़ते हैं। नई विधि स्पष्ट रूप से घटकों के बेमेल होने की संभावना को अपने गणितीय ढांचे में शामिल करती है। यह असंतुलन को एक ऐसी विफलता के रूप में नहीं देखती जिसे एक अलग लूप द्वारा ठीक किया जाना है, बल्कि इसे अनुमान और क्षतिपूर्ति के लिए एक कुल विक्षोभ (total disturbance) के रूप में मानती है। इसका मतलब है कि सिस्टम सही ढंग से कार्य कर सकता है भले ही एक पैर में दूसरे की तुलना में थोड़ा अलग इंडक्टर या अलग रेजिस्टेंस हो। सिमुलेशन ने पुष्टि की कि हालांकि बेमेल स्थितियों के तहत दोनों पैरों में करंट पूरी तरह से समान नहीं हो सकते हैं, फिर भी कुल आउटपुट वोल्टेज स्थिर रहा, और समग्र सिस्टम प्रदर्शन से कोई समझौता नहीं हुआ।

शोधकर्ता ने अपने कंट्रोलर और एस्टिमेटर के मापदंडों (parameters) को ट्यून करने के लिए एक स्पष्ट, चरण-दर-चरण मार्गदर्शिका भी विकसित की। यह एक महत्वपूर्ण योगदान है क्योंकि जटिल नियंत्रण प्रणालियों को सही ढंग से काम करने के लिए अक्सर कठिन, प्रयास-और-त्रुटि (trial-and-error) समायोजन की आवश्यकता होती है। ट्यूनिंग मापदंडों को सिस्टम के प्राकृतिक टाइम कांस्टेंट्स और कनवर्टर की स्विचिंग फ्रीक्वेंसी से जोड़कर, उन्होंने सही सेटिंग्स चुनने का एक व्यवस्थित तरीका प्रदान किया। यह सुनिश्चित करता है कि एस्टिमेटर विक्षोभों को पकड़ने के लिए पर्याप्त रूप से तेज़ हो, बिना इतना संवेदनशील हुए कि वह शोर को बढ़ा दे। सिमुलेशन ने प्रदर्शित किया कि इन ट्यून किए गए मापदंडों के साथ, सिस्टम विक्षोभों से तेजी से उबर सकता है, बिना किसी ओवरशूट या दोलन के बहुत कम समय में लक्षित वोल्टेज पर वापस आ सकता है। बिना अतिरिक्त सेंसरों के इस स्तर का प्रदर्शन, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए व्यापक अनुप्रयोगों हेतु अधिक विश्वसनीय और लागत प्रभावी पथ की ओर संकेत करता है।

यद्यपि परिणाम उत्साहजनक हैं, लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि ये निष्कर्ष कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं, जिसमें सर्किट के औसत मॉडल और विस्तृत स्विच मॉडल दोनों का उपयोग किया गया है। सिमुलेशन में स्विच के रेजिस्टेंस, डायोड के फॉरवर्ड वोल्टेज और कैपेसिटर के आंतरिक रेजिस्टेंस जैसे यथार्थवादी विवरण शामिल थे, जिससे परीक्षण वातावरण वास्तविकता के बहुत करीब था। हालाँकि, इस कार्य का अभी तक भौतिक हार्डवेयर पर परीक्षण नहीं किया गया है। लेखक का कहना है कि भविष्य का कार्य प्रायोगिक सत्यापन (experimental validation) पर केंद्रित होगा ताकि यह पुष्टि की जा सके कि सिस्टम वास्तविक दुनिया के परिवेश में उम्मीद के मुताबिक प्रदर्शन करता है। तब तक, सिमुलेशन एक मजबूत 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में कार्य करते हैं, जो यह प्रदर्शित करते हैं कि करंट-सेन्सरलेस दृष्टिकोण सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ और व्यावहारिक रूप से व्यवहार्य है। अध्ययन इनपुट करंट या व्यक्तिगत फेज करंट को मापने की आवश्यकता को खारिज करता है, यह दिखाते हुए कि एक एकल वोल्टेज सेंसर, एक स्मार्ट एस्टिमेशन एल्गोरिदम के साथ मिलकर, इंटरलीव्ड बूस्ट कनवर्टर की जटिलताओं को संभालने के लिए पर्याप्त है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल परीक्षण किए गए विशिष्ट सर्किट तक ही सीमित नहीं हैं। यह दिखाकर कि जटिल, मल्टी-फेज पावर सिस्टम को न्यूनतम सेंसिंग के साथ प्रभावी ढंग से नियंत्रित किया जा सकता है, यह शोध सरल, सस्ते और अधिक विश्वसनीय पावर सप्लाई के द्वार खोलता है। इलेक्ट्रिक परिवहन और नवीकरणीय ऊर्जा जैसे क्षेत्रों में, जहाँ विश्वसनीयता और लागत सर्वोपरि हैं, सेंसरों की संख्या कम करने से उन्नत पावर मैनेजमेंट सिस्टम के प्रवेश की बाधा काफी कम हो सकती है। घटकों के बेमेल होने और पैरामीटर भिन्नता को संभालने की क्षमता का अर्थ है कि निर्माता बिना पूर्ण मिलान के लिए घटकों को छाँटे बिना मानक घटकों का उपयोग कर सकते हैं, जिससे लागत में और कमी आएगी। शोर और विक्षोभ के विरुद्ध मजबूती यह भी सुझाव देती है कि ये सिस्टम उन कठोर वातावरणों में भी काम कर सकते हैं जहाँ विद्युत हस्तक्षेप आम है।

अंततः, यह पेपर इस बारे में सोचने का एक नया नजरिया प्रस्तुत करता है कि इंजीनियरों को पावर कनवर्टर को कैसे नियंत्रित करना चाहिए। नियंत्रण बनाए रखने के लिए हर चर (variable) को मापने के बजाय, नया दृष्टिकोण एक एकल, आसानी से मापने योग्य सिग्नल से आवश्यक जानकारी का अनुमान लगाने के लिए गणितीय अंतर्दृष्टि का उपयोग करता है। यह लापता डेटा की समस्या को सरलीकरण के अवसर में बदल देता है, जिसमें एक मजबूत एस्टिमेशन तकनीक का उपयोग अंतराल को भरने के लिए किया जाता है। सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह विधि काम करती है, वोल्टेज को स्थिर रखती है और सिस्टम को स्थिर बनाए रखती है, भले ही घटक अपूर्ण हों और वातावरण शोर भरा हो। जैसे-जैसे लेखक प्रायोगिक सत्यापन की ओर बढ़ते हैं, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के डिजाइन को बदलने वाली इस तकनीक की क्षमता स्पष्ट होती जा रही है, जो भविष्य के लिए अधिक कुशल और लचीली ऊर्जा प्रणालियों का मार्ग प्रशस्त करती है।