Đề tài mô hình hóa mạch boost converter

ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Đề tài: Mơ hình hóa mạch Boost Converter
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Trần Trọng Minh
Họ và tên:
MSSV
Đồng Hữu Hùng
20166216
Trần Nam Trung
20166890


1.Mơ hình đóng cắt (mơ hình chính xác)

Mạch Boost Coverter là mạch tăng áp DC-DC
Mạch làm việc ở 2 trạng thái van ON và van OFF


1.Mơ hình đóng cắt (Mơ hình chính xác)
Trạng thái 1: Khi khóa V – On; D - Off . Ta có mạch chuyển tương đương sau.

.


1.Mơ hình đóng cắt (Mơ hình chính xác)
Trạng thái 2: khi khóa V- Off, D - On. Ta có mạch chuyển tương đương sau.

{
[ ]

[

𝑖˙𝐿
=
𝑣˙𝐶

0
1
𝐶

{

𝐸 𝑣𝐶
˙
𝒊 𝑳= −
𝐿 𝐿
𝑖𝐿
𝑣𝑐
𝒗˙ 𝒄= −
𝐶 𝑅𝐶

𝐿. 𝑑 𝑖 𝐿
=𝐸 − 𝑣 𝐶
𝑑𝑡
𝐶 . 𝑑 𝑣𝐶
𝑣𝑐
=𝑖𝐿 −
𝑑𝑡
𝑅

1
𝐿

1
−
𝑅𝐶
−

]

[ ]

1
𝑖𝐿
+ 𝐿
𝑣𝐶
0

[ ]

.𝐸


1.Mơ hình đóng cắt (mơ hình chính xác)

• Đưa và o hai hà m chứ ng nhậ n h1, h2

= +
• Đưa và o hà m đó ng cắ t u ={0,1}, khi u = 1 thì V on ; u = 0 thì V off:
= .u + .(1-u)
• Biến đổ i phương trình trên thà nh dạ ng bilinear:
= + .u +

1.Mơ hình đóng cắt (mơ hình chính xác)
 Mơ phỏng mơ hình đóng cắt
Chọn thơng số mạch điện như sau: E = 12V, fx = 50kHz, R = 5Ω, D=0.5, L=160 uH, C=200 uH
Ta xây dự ng đượ c mô hình đó ng cắ t mạ ch điện như sau:


1.Mơ hình đóng cắt (mơ hình chính xác)
 Mơ phỏng mơ hình đóng cắt


1.Mơ hình đóng cắt (mơ hình chính xác)
 Mơ hình vật lý
Mơ phỏng mơ hình vật lý với các thơng số tương tự mơ hình đóng cắt


1.Mơ hình đóng cắt (mơ hình chính xác)
 So sánh mơ hình đóng cắt và mơ hình vật lý


2.Mơ hình trung bình tín hiệu lớn (DC)
 Xây dựng mơ hình
Từ ma trận mơ hình đóng cắt ta có:

= +

Đặt với u={0;1} ta thu được phương trình tín hiệu lớn DC


2.Mơ hình trung bình tín hiệu lớn (DC)

 Xây dựng mơ hình

Ta có

{

𝑥2
𝐸
( 1− 𝑑 ) +
𝑥
˙ 1=−
𝐿
𝐿
𝑥1
𝑥2
(
)
𝑥
˙ 2=
1− 𝑑 −
𝐶
𝑅𝐶

Với giá trị xác lập

{

𝐸
2
(1 − 𝑑𝑒) 𝑅

𝐸
𝑥 2 𝑒=
1− 𝑑𝑒

𝑥1 𝑒=

Trong đó de là hệ số lấp đầy xung ở điểm làm việc cân bằng


2.Mơ hình trung bình tín hiệu lớn (DC)
 Mơ phỏng mơ hình trung bình tín hiệu lớn (DC)


2.Mơ hình trung bình tín hiệu lớn (DC)
 Mơ phỏng mơ hình trung bình tín hiệu lớn (DC)


2.Mơ hình trung bình tín hiệu lớn (DC)
 So sánh mơ hình tín hiệu lớn và mơ hình đóng cắt

Điều khiển Điện Tử Công Suất


3.Mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ (AC)
Tuyến tinh hóa quuanh điểm làm việc với các biến động nhỏ là tín hiệu xoay chiều sau:

Thay các biến động vào phương trình trạng thái

{

~
~
𝐿~
𝑥˙ 1 =𝐸 − 𝑥 2 𝑒 − ~
𝑥 2 +𝑥 2 𝑒 𝑑 𝑒+ 𝑥 2 𝑒 𝑑+ ~
𝑥 2 𝑑 𝑒+ ~
𝑥2 𝑑
~
𝑥
𝑥2
~
~
2
𝑒
~
~
~
~
˙
𝐶 𝑥 2=𝑥 1 𝑒+ 𝑥 1 − 𝑥 1 𝑒 𝑑𝑒 − 𝑥 1𝑒 𝑑 − 𝑥1 𝑑 𝑒 − 𝑥1 𝑑 −
−
𝑅
𝑅

{

~
~
˙ =𝑥
𝐿~

𝑥
1
2 𝑒 𝑑 − (1 − 𝑑𝑒 ) 𝑥 2
Bỏ qua tích các biến động nhỏ và chú ý điểm làm
~
𝑥2
~
~
~
˙
việc cân bằng ta được:
𝐶 𝑥 2=(1 − 𝑑 𝑒 ) 𝑥1 − 𝑥1 𝑒 𝑑 −
𝑅

~
˙ =
𝑥

[

0

Viết lại dưới dạng ma trận hệ phương trình trạng thái: 1 − 𝑑 𝑒
𝐶

] [

]

1 − 𝑑𝑒

𝐸
𝐿(1 − 𝑑 𝑒 )
~
𝐿
~
𝑥+
𝑑
𝐸
1
−
−
2
𝑅𝐶
𝑅𝐶 (1 − 𝑑𝑒 )

−


4.Thiết kế bộ điều khiển
 Mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ (AC)
• Biểu diễn lại dưới dạng hàm truyền: G(s) = C[sI-A]-1 .B + D
Hàm truyền điện áp có điểm zero nằm bên phải trục ảo, gây khó khăn khi điều khiển trực tiếp
điện áp ra.
Hàm truyền dòng điện có điểm zero nằm bên trái trục ảo, nên dễ điều khiển mạch vòng.


4.Thiết kế bộ điều khiển
 Đồ thị Bode Gvd

4.Thiết kế bộ điều khiển
 Đồ thị Bode Gid


4.Thiết kế bộ điều khiển
 Thiết kế bộ bù
- Bộ bù loại có 2 điểm khơng và 1 điểm cực bộ bù này hay được sử dụng trong cấu trúc điều khiển
trực tiếp cho bộ biến đổi Boost. Hàm truyền bộ bù PID loại này có dạng như sau:
w
s
(1 
).(1  L )
wz
s
G C(s)  k c .
s
(1 
)
wp
- Ta sẽ thiết kế bộ bù sao cho hệ có: fc = 5000Hz và PM = 55.
- Tần số các điểm cực

Vớ i fl = 1/20 fc


4.Thiết kế bộ điều khiển
 Thiết kế bộ bù


4.Thiết kế bộ điều khiển

 Thiết kế bộ bù
Mơ hình điều khiển Vc

Mơ hình vật lý bộ biến đổi Boost Converter


4.Thiết kế bộ điều khiển
 Thiết kế bộ bù

Xét kịch bản mô phỏng điều khiển: Ban đầu giá trị đặt điện áp đầu ra là 15V. Sau 0,15s thay đổi giá
trị điện áp đầu ra là 30 V. Sau 0,2s giá trị tải giảm đi 1 nửa. Ta nhận được đáp ứng của hệ như sau:


4.Thiết kế bộ điều khiển
 Thiết kế bộ bù
Nhận xét:
Điện áp Vc hay điện áp ra nhanh chóng bám theo giá trị đặt trong 0,05s ở thời điểm ban đầu và sau
khi thay đổi giá trị đặt, điện áp cũng bám theo giá trị đặt trong khoảng 0,05s.
Sau khi tải thay đổi, điện áp ra biến động tuy nhiên vẫn nhanh chóng bám theo giá trị đặt trong
khoảng 0.025s.
Tuy nhiên, độ q điều chỉnh cịn lớn, cần hồn thiện bộ điều khiển thêm


Cảm ơn thầy và các bạn đã lắng nghe