Thiết kế mạch vòng điều khiển cho bộ biến đổi buck boost theo phương pháp phản hồi trạng thái

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ TÀI: “Thiết kế mạch vòng điều khiển cho bộ biến đổi
Buck - Boost theo phương pháp phản hồi trạng thái”

NHÓM 11
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Trần Trọng Minh
Sinh viên:
1

•

Phạm Văn Đồng - 20181397

•

Nguyễn Văn Đức - 20181410

•

Trương Thanh Hằng – 20181459

•

Đào Mạnh Dương - 20173796
download by :


2

Thiết kế bộ điều khiển Buck-Boost
1. Yêu cầu thiết kế

2. Mơ hình hóa
3. Thiết kế bộ điều khiển
4. Mơ phỏng bằng Matlab Simulink và kết luận

download by :


3

1. Yêu cầu thiết kế
 Các thông số thiết kế:
R=5;
Uo = 15V;
Uin = 30V;
rL = rC = 0;
Tần số phát xung fs =200Khz
Với trường hợp:_ Nguồn thay đổi 10%
_ Tải thay đổi.

download by :


4

1. Yêu cầu thiết kế
 Từ các thông số trên ta có:
 Hệ số điều chế :




D

Uo
15
1


Uo  Uin 15  30 3

Dòng điện qua tải:

Uo 15
Io 
  3( A)
R
5

Độ đập mạch của dòng điện qua cuộn cảm thườngIL
:
Chọn độ đập mạch là 15%

= (10 – 30)% =>

IL  (10 – 30)%
1
DU i
Ui
fS
I L  DTs

L
 1111 .11( H )
L
I L
download by :


5

1. Yêu cầu thiết kế
 Đập mạch điện áp trên tụ thông thường là 0.1 – 1% => Chọn
0.1%

Uc  0.1%Uc  0.015V
Io
DTsIo
Uc  DTs  C 
 333.33( F )
C
Uc

download by :


6

1. Yêu cầu thiết kế
Thiết kế theo chế độ phản hồi trạng thái với các bước tiến hành như sau:
 Mơ hình hóa bộ biến đổi
 Thiết kế mạch điều khiển

 Mơ phỏng trên Matlab
 Phân tích kết quả mơ phỏng

download by :


7

2. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost converter
 Sơ đồ bộ biến đổi Buck - Boost:

download by :


8

2. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck - Boost converter

 Áp dụng định luật Kirchhoff

{

Trường hợp 1:

V dẫn

D khóa
𝒅 𝒊𝑳
𝑳
=𝒖 𝒊𝒏

𝒅𝒕
𝒅 𝒖𝑪
𝟏
𝑪
=−
𝒖𝑪
𝒅𝒕
𝑹
𝒖 𝒐 =𝒖 𝑪

. 
 i L  0 0   i L   uin 
 .   0  1      L 
 

u
C


  
0 
RC 

uc  download by :

(1)


9

2. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck - Boost converter
Trường hợp 2:

D dẫn

V khóa

{

𝒅 𝒊𝑳
=−𝒖 𝒐
𝒅𝒕
𝒅 𝒖𝑪
𝟏
𝑪
= 𝒊𝑳 −
𝒖
𝒅𝒕
𝑹 𝑪
𝒖 𝒐 =𝒖 𝑪
𝑳

. 
 i L  0 0   i L   uin 
 .   0  1      L 
 

u
C



  
0 
RC 

by :
c
udownload

(2)


10

2. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck - Boost converter
Như vậy bộ biến đổi Buck - Boost được mô tả trên không gian trạng thái
như sau:
 .  
1
 (1  d )     d 
 i   0
L iL   
 . L   
   L uin
1

1
  (1  d )
uc   0 


uC  
C
RC 

 iL 

 0 1 
u
o

uC 


download by :


11

2. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck - Boost converter
 Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc:
~

d (t )  D  d (t )
~

iL (t )  I L  iL (t )

~
uC (t )  U c  uc (t )


 Giá trị xác lập:

 ~.  
   0
 i~L   
 .  1  D
uC   C

C  0 1

U in .D

I

 L (1  D) 2 R

 U  U in .D
 C 1  D
download by :


u
D  1  .  
in

~

L
(

1

D
)
i
L  L 
d

.
 1    uin D 
 uC 
 RC (1  D) 2 
RC 




12

2. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck - Boost converter
 Ma trận hệ thống:


 0
A
1 D

 C

D  1

L 
1 

RC 



u
in


L(1  D) 
B
 uin D 
 RC (1  D) 2 



C  0 1
download by :


13

3. Thiết kế mạch điều khiển
 Sơ đồ mạch điều khiển

download by :

Quỹ đạo điểm cực đối tượng ban đầu
14

 Từ đồ thị quỹ đạo điểm cực đối tượng khi chưa có K ta thấy hệ có hệ số tắt
dần nhỏ (khiến hệ dao động nhiều lần khi có biến động vào điều khiển).
download by :


15

 Các điểm cực mới được chọn có dạng:

(damping = 0.7 và wn = 6000 rad/s)
 Sử dụng lệnh: K = acker (A, B, [p1 p2])
K = [0.0232 -0.0247]
Khi đó, hệ kín mới có dạng:

download by :


16

Quỹ đạo điểm cực đối tượng với điểm cực mới
download by :


Bode Diagram

20
0

System: sys
Gain Margin (dB): -4.12
At frequency (kHz): 3.7
Closed loop stable? No

-20
-40

-60
360

Phase (deg)

17

Magnitude (dB)

40

System: sys
Phase Margin (deg): -10.4
Delay Margin (sec): 0.000203
At frequency (kHz): 4.79
Closed loop stable? No

270
180
90
-2

10

10

-1

10

0

10

1

Frequency (kHz)

10

2

10

3

Đồ thị bode hệ hở khi chưa thêm khâu tích phân
 Đồ thị bode có độ dự trữ pha âm; hệ khơng ổn định
download by :


 Hàm truyền của hệ con – đối tượng của bộ điều chỉnh được tính như sau:

18
Nhờ matlab ta tính được:

download by :


19

 Tính hệ số
•

Để đảm bảo khơng có sai lệch tĩnh và có thể bám được những thay đổi chậm
của lượng đặt

 Cần khâu tiền xử lý có dạng là khâu tích phân (chọn tần số cắt )
Xác định hệ số để hệ hở có biên độ bằng 1 tại tần số cắt :
=1
•

Sử dụng lệnh:

[mag,phase] = bode(sys,2*pi*fc)
[mag1,phase1] = bode(tf(1,[1 0]),2*pi*fc)
Kc = 1/(mag*mag1)

 .8384

download by :

Bode Diagram

Magnitude (dB)

50
0

System: untitled1
Gain Margin (dB): 7.15
At frequency (kHz): 0.894
Closed loop stable? Yes

-50
-100

Phase (deg)

-150
270

20

System: untitled1
Phase Margin (deg): 41.7
Delay Margin (sec): 0.000232
At frequency (kHz): 0.5
Closed loop stable? Yes

180
90

0
-2
10

10

-1

10

0

10

1

Frequency (kHz)

10

2

Đồ thị bode hàm truyền hệ hở đã thêm khâu tích phân

download by :

10

3

21

4. Mô phỏng
 Sơ đồ điều khiển trên matlab:

download by :


 Sơ đồ mạch Buck - Boost converter
22

download by :


23

download by :


 Điện áp ra qua tụ khi Uo = 15V
24

 Nhận xét:


Khơng có độ q điều chỉnh.



Giá trị điện áp đầu ra bám sát giá trị đặt, điện áp đập mạch 0.03V = 0.2%.



Đáp ứng nhanh 0.008s.

download by :


 Khi thay đổi điểm làm việc (tại 0,02s Uo từ 15V tăng lên 40V)

25

Nhận xét:


Khơng có độ q điều chỉnh.



Giá trị điện áp đầu ra bám sát giá trị đặt, điện áp đập mạch 0.14V = 0.35%.



Đáp ứng nhanh 0.025s.



download
bycầu,

:
Bộ điều khiển vẫn đáp ứng
được yêu
giá trị ra vẫn bấn sát giát trị đặt.