Mô hình hóa và thiết kế điều khiển bộ biến đổi buck converter

Mơ hình hóa và thiết kế
điều khiển bộ biến đổi Buck
Converter
Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Trần Trọng Minh
Sinh viên thực hiện :
Vũ Mạnh Hùng - 20181513
Đỗ Tuấn Quang - 20181710

download by :

1


Nội dung

1 Cơ sở lý thuyết
2 Mơ hình hóa
3 Thiết kế điều khiển trực tiếp
4 Thiết kế điều khiển gián tiếp
download by :

2


1. Cơ sở lý thuyết
a. Sơ đồ Buck Converter
Thông số yêu cầu

iin

Điện áp đầu vào ( )

L

V

rL

Điện áp đầu ra ( 0)
Dịng điện đầu ra ( 0)
Tần số đóng cắt ( )
Độ đập mạch dòng điện (∆ )
Độ đập mạch điện áp (∆ 0)

vg

D

iL


download by :
3

1. Cơ sở lý thuyết
b. Tính tốn tham số
Chu kì đóng cắt :

Độ tự cảm L :

Hệ số điều chế :

Điện trở :
Dòng qua L :
Dòng đập mạch :
Điện áp qua tụ :
Điện áp đập mạch :

Điện dung C :


download by :
4


1. Cơ sở lý thuyết
c. Dạng dòng và áp qua các phần tử mạch

download by :

5


Nội dung

1 Cơ sở lý thuyết
2 Mơ hình hóa
3 Thiết kế điều khiển trực tiếp
4 Thiết kế điều khiển gián tiếp
download by :

6

2. Mơ hình hóa
a. Mơ hình trạng thái đóng cắt (Mơ hình chính xác – Exact model)
+ Khi 0 ≤ < : Van dẫn, Diod khóa

L

diL

E v
C

,0 t dTs

dt
C

dvC

vC

i
L


dt

R

2. Mơ hình hóa
a. Mơ hình trạng thái đóng cắt (Mơ hình chính xác – Exact model)
• Đưa vào hai hàm chứng nhận h1, h2 :

h
h

iL

v

• Đưa
vào hàm
đóng cắt u
= {0,1}:

(3)

2

C

L
RC
A

u

1

u

(4)


(5)

• Từ phương trình trên có dạng tuyến tính:

download

i

L

by :

8


2. Mơ hình hóa
b.1. Mơ hình trung bình tín hiệu lớn (DC)
• Từ mơ hình đóng cắt của Buck Converter :

• Đặt
• Mơ hình trung bình

1

˙1=−

1

{

˙2=

2

+

−
1

1
2

d là đầu vào điều khiển trong mơ hình trung bình.

download by :

9


2. Mơ hình hóa
b.2. Mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ (AC)
• Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân bằng với các biến động nhỏ :
(10)

•

Thay các biến động vào phương trình trạng thái :

• Bỏ qua tích của hai biến động nhỏ :

(11)

(12)

• Viết lại dưới dạng ma trận hệ phương trình trạng thái :

(13)

download by :

10


2. Mơ hình hóa
Mơ phỏng hai mơ hình : Mơ hình chính xác và Mơ hình trung bình
Thơng số :
Ug = 24 VDC
D = 0.21
L = 110e-6 H
C = 125e-6 F
R=1

download by :

11

2. Mơ hình hóa

download by :

12


2. Mơ hình hóa

download by :

13


2. Mơ hình hóa
Nhận xét, so sánh hai mơ hình :
• Điện áp đầu ra của hai mơ hình đều ra kết quả đúng là 5V.
• Từ mơ phỏng ta thấy điện áp và dòng điện đầu ra của 2 mơ hình đóng cắt và trung bình
bám sát nhau.
• Dịng điện đóng cắt đạp mạch xung quanh đáp ứng của dịng điện trung bình.
• Mơ hình đóng cắt gần với trạng thái làm việc thật của bộ biến đổi.
• Mơ hình trung bình thể hiện đặc tính của q trình ở mức độ chính xác nào đó, phù hợp
với u cầu xem xét trong một khoảng thời gian nhất định.

download by :

14

Nội dung

1 Cơ sở lý thuyết
2 Mơ hình hóa
3 Thiết kế điều khiển trực tiếp
4 Thiết kế điều khiển gián tiếp
download by :

15


3. Thiết kế điều khiển trực tiếp
a. Mơ hình cấu trúc điều khiển:

Cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp
Cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp dựa trên
mơ hình tín hiệu nhỏ

download by :

16


3. Thiết kế điều khiển trực tiếp
b. Tính tốn các thơng số :
•

Từ mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ AC, ma trận hệ phương trình trạng thái :

•

Chuyển sang dạng hàm truyền :

download by :

17


3. Thiết kế điều khiển trực tiếp
b. Tính tốn bộ điều khiển :
Sử dụng Matlab để tính hàm truyền :

Hàm truyền điện áp đầu ra:

download by :

18


3. Thiết kế điều khiển trực tiếp
b. Tính tốn bộ điều khiển :
Thông số yêu cầu

Sử dụng công cụ matlab để tính hàm truyền :

Điện áp đầu vào ( )
Điện áp đầu ra ( 0)
Điện cảm (L)
Điện dung (C)
Điện trở (R)

Tần số đóng cắt ( )

download by :

19


3. Thiết kế điều khiển trực tiếp
b. Tính tốn bộ điều khiển :

• Đồ thị bode của hàm truyền Gvd

Khi khơng có bộ bù, hàm truyền có độ dự trữ pha
PM=11.2o tại tần số cắt 6.73kHz. Cần thiết kế bộ bù
có cấu trúc PID để có được tần số cắt bằng 3kHz
(bằng 1/10 tần số phát xung) và có độ dự trữ pha
mong muốn là 60o .

download by :


3. Thiết kế điều khiển trực tiếp
b. Tính tốn bộ điều khiển :
Cấu trúc bộ bù PID:
(14)

- Pha của bộ điều khiển:

- Tần số điểm cực và điểm không:

(16)

download by :

21


3. Thiết kế điều khiển trực tiếp
b. Tính tốn bộ điều khiển :

• Đồ thị bode của hàm truyền Gcv

Hàm truyền bộ bù của điện áp :

download by :

22