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
01

Cơ sở lý thuyết

02

Mơ hình hóa

03

Thiết kế điều khiển trực tiếp

04

Thiết kế điều khiển gián tiếp

download by :

2


1. Cơ sở lý thuyết
a. Sơ đồ Buck Converter
Thông số yêu cầu
Điện áp đầu vào (𝑈𝑔)
Điện áp đầu ra (𝑈0)

iin

24 (VDC)

L

V

5 (A)

Tần số đóng cắt (𝑓𝑠 )

30(kHz)

Độ đập mạch dịng điện (∆𝑖𝐿)

24%𝐼𝐿

Độ đập mạch điện áp (∆𝑢0)

0.8%𝑈0

io

iC

5 (VDC)

Dòng điện đầu ra (𝐼0)

iL

rL

vg

download by :

D

rC
C

vo
vc

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 dung C :

Điện áp qua tụ :
Điện áp đập mạch :

download by :

4


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

download by :

5


Nội dung
01

Cơ sở lý thuyết

02

Mơ hình hóa

03

Thiết kế điều khiển trực tiếp

04

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 ≤ 𝑡 < 𝑡𝑥: Van dẫn, Diod khóa

+ Khi 𝑡𝑥 ≤ 𝑡 < 𝑇𝑠 : Van khóa, Diod dẫn

 diL
 diL  diL
 diL
L

E
L vC  vC
L
 vC
 L dt  E  vC



 dt
 dt
 dt
,0 t  dTs ;  (1)
,0  t , dT
dTss  ;t Ts
, dTs  t  Ts

C dvC  i  vC
C dvC iC dvvCC  i  vC
C dvC  i  vC
L
L
L
L
 dt


R
R
R
 dt  dtR

 dt
download by :

(2)

7


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 :








1 
1 
1
0

0








 iL  
iL   
L  iL    
L
     L  E  h1   
      h2
   





1
1
1
1
 
 vC  0
 
  vC  
 vC 
  





C

RC
C
RC












b




1
A1
A2





(3)

• Đưa vào hàm đóng cắt u = {0,1}:









1 
1 

1
0

0

  



iL   
L  iL    
L  iL  

     L  E u  
     1  u 
   






1
1
v
1
1
v
 
  C 0
 
 vC  
 C









  
 
b1
  C  RC

  C  RC


A1
A2





• Từ phương trình trên có dạng tuyến tính:

1 

0

1
iL  
L  iL   
     L  E u
 

1
1
v
  vC   0 
 C  
 

 C RC 
    
b

A1

1

download by :

(4)

(5)
8


2. Mơ hình hóa
b.1. Mơ hình trung bình tín hiệu lớn (DC)
•

Từ mơ hình đóng cắt của Buck Converter :
(6)

• Đặt

• Giá trị xác lập

• Mơ hình trung bình

{

1
𝐸
𝑥˙ 1=− 𝑥2 + 𝑑

𝐿
𝐿
1
1
𝑥˙ 2 = 𝑥 1 −
𝑥2
𝐶
𝑅𝐶

¿

(7)

(9)

(8)

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

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

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 :

(11)

• Bỏ qua tích của hai biến động nhỏ :

(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

download by :

Thông số :
Ug = 24 VDC
D = 0.21
L = 110e-6 H
C = 125e-6 F
R=1

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
01

Cơ sở lý thuyết

02

Mơ hình hóa

03

Thiết kế điều khiển trực tiếp

04

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 (𝑈𝑔)

24 (VDC)

Điện áp đầu ra (𝑈0)

5 (VDC)

Điện cảm (L)

109.95*(H)

Điện dung (C)

1.25*(F)

Điện trở (R)

1

Tần số đóng cắt (𝑓𝑠 )

30KHz

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 :

20


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

- Pha của bộ điều khiển:
(15)

- 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


3. Mô phỏng điều khiển trực tiếp
c. Sơ đồ mô phỏng

3V (0-0.05s)
5V (0.05-0.1s)

download by :

23


3. Mô phỏng điều khiển trực tiếp

c. Đồ thị mô phỏng

download by :

24


3. Mô phỏng trên Matlab
b. Đồ thị mô phỏng
Lý thuyết

Mô phỏng

iL(A)

5

5

Uo(V)

5

5

∆𝑖𝐿(A)

1.2

0.2

∆𝑢0(V)

0.04

0.0015

Nhận xét :
• Mơ phỏng sát với tính tốn lý
thuyết, sai số bé.
• Độ đập mạch của dịng điện
nhỏ hơn nhiều so với lý
thuyết.

download by :

25