Bài thuyết trình Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi BuckBoost theo chế độ điện áp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
THIẾT KẾ ĐIỂU KHIỂN ĐIỆN TỬ CƠNG
Đề bài
: Thiết kế mạch vịng điều chỉnh cho bộ biến đổi Buck-Boost theo chế độ điện áp
SUẤT
Sinh viên thực hiện: Nhóm 12
Hồng Khánh Duy
MSSV:20173805
Vũ Ngọc Lãm
MSSV:20174009

1


Các nội dung chính
I. u cầu thiết kế
II. Mơ hình hóa bộ biến đổi
III. Thiết kế bộ điều khiển
IV. Mơ phỏng bằng Matlab, Simulink và nhận xét
2


I. Yêu cầu thiết kế
1. Đề bài : Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Buck-Boost theo chế độ điện áp
+ Nội dung thiết kế: Mơ Hình hóa, Cấu trúc điều khiển và cách thức tính tốn
bộ điều chỉnh (bộ bù).
+ Mô phỏng cấu trúc điều khiển:
* Tải thay đổi
* Nguồn thay đổi ±10%
* Nhận xét kết quả mô phỏng

3


I. Yêu cầu thiết kế
2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp cho bộ biến đổi Buck-Boost theo nguyên
lý điều khiển điện áp

Voltage
Controller

d

PWM

Buck-Boost
Converter

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển

4


II. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
1. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Buck-Boost

Hình 2. Mạch lực bộ biến đổi Buck-Boost

 Sử dụng phương pháp không gian trạng thái trung bình để mơ Hình hóa bộ biến đổi.

5

II. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
2. Mơ Hình hóa bộ biến đổi bằng phương pháp khơng gian trạng thái trung bình

Hình 3. Mạch lực bộ biến đổi Buck-Boost, trạng thái V dẫn D khóa

Trạng thái 1: V dẫn, D khóa
Phương trình Kirchoff mơ tả mạch điện:

6


II. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
2. Mơ Hình hóa bộ biến đổi bằng phương pháp khơng gian trạng thái trung bình

Hình 4. Mạch lực bộ biến đổi Buck-Boost, trạng thái V khóa D dẫn

Trạng thái 2: V khóa, D dẫn
Phương trình Kirchoff mơ tả mạch điện:

7


II. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
2. Mơ Hình hóa bộ biến đổi bằng phương pháp khơng gian trạng thái trung bình
 Với sự tham gia của hệ số điều chế d, ta có mơ Hình trung bình:

 Điểm làm việc(điểm cân bằng) của mơ Hình :

8


II. Mơ Hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
2. Mơ Hình hóa bộ biến đổi bằng phương pháp khơng gian trạng thái trung bình
 Sử dụng mơ Hình tín hiệu nhỏ, ta có:

 Thay vào mơ Hình trung bình, ta được:

Laplace

9


II. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
2. Mơ Hình hóa bộ biến đổi bằng phương pháp khơng gian trạng thái trung bình
 Rút gọn lại ta được:

 Tính tốn được hàm truyền :

10


II. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
3. Lựa chọn thông số thiết kế
 Thông số thiết kế với , bộ điều khiển làm nhiệm vụ buck điện áp

Tần số phát xung

11

II. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
3. Lựa chọn thơng số thiết kế
 Chương trình nhập liệu u cầu thiết kế và tính tốn hàm
Uin=30;
Uo=20;
L=150e-6;
C=700e-6;
R=8;
f_fx=100e+3;
D=1/((Uin/Uo)+1);
Uc=D*Uin/(1-D);
IL=Uc/(R*(1-D));
num=[-R*IL*L R*(Uin+Uc)*(1-D)];
den=[R*L*C L R*(1-D)*(1-D)];
Gvd=tf(num,den);

12


II. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
3. Lựa chọn thông số thiết kế
 Thông số thiết kế với , bộ điều khiển làm nhiệm vụ boost điện áp

Tần số phát xung

13

II. Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck-Boost
3. Lựa chọn thơng số thiết kế
 Chương trình nhập liệu u cầu thiết kế và tính tốn hàm
Uin=30;
Uo=40;
L=150e-6;
C=700e-6;
R=8;
f_fx=100e+3;
D=1/((Uin/Uo)+1);
Uc=D*Uin/(1-D);
IL=Uc/(R*(1-D));
num=[-R*IL*L R*(Uin+Uc)*(1-D)];
den=[R*L*C L R*(1-D)*(1-D)];
Gvd=tf(num,den);

14


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Buck điện áp đầu ra
1. Đồ thị Bode của hàm truyền đạt khi khơng có bộ bù

Tần số cắt: 2.79kHz
Độ dự trữ pha: -19.5o

Hệ khơng ổn định. Mục
tiêu thiết kế bộ bù có
tần số cắt 2500Hz độ dự
trữ pha PM=

Hình 5. Đồ thị Bode của hàm truyền đạt Gvd khi khơng có bộ bù(Buck)
15


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Buck điện áp đầu ra
3. Thiết kế bộ bù
 Từ yêu cầu thiết kế bộ bù, cấu trúc bộ bù được đề xuất là bộ bù PID:

.

16


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Buck điện áp đầu ra
3. Thiết kế bộ bù
 Với fc=2500Hz sử dụng lệnh [mag1,phase1]=bode(Gvd,2*pi*fc) ta được:

 Pha của bộ điều chỉnh tại tần số cắt là:

17


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Buck điện áp đầu ra
3. Thiết kế bộ bù
 Tần số của điểm không và điểm cực của bộ bù:

 Chọn tần số

18


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Buck điện áp đầu ra
3. Thiết kế bộ bù
 Chương trình tính tốn Bộ bù và hàm truyền của mơ hình sau khi có bộ bù:
fc=2500;
PM=55;
[mag1,phase1]=bode(Gvd,2*pi*fc);
theta=180+PM-phase1;
fz=fc*sqrt((1-sin(theta*pi/180))/(1+sin(theta*pi/180)));
fp=fc*sqrt((1+sin(theta*pi/180))/(1-sin(theta*pi/180)));
f1=fc/10;
numc=[1/(2*pi*fz) 1];
denc=[1/(2*pi*fp) 1];
Gc1=tf(numc,denc)*tf([1 2*pi*f1],[1 0]);
[mag2,phase2]=bode(Gc1,2*pi*fc);
kc=1/(mag1*mag2);

Gc=kc*Gc1;
G=Gvd*Gc;
19


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Buck điện áp đầu ra
3. Thiết kế bộ bù

Hàm truyền đạt độ
dự trữ pha 50.8, hệ
ổn định thỏa mãn
yêu cầu thiết kế.

Hình 6. Đồ thị Bode của hàm Gvd, Gc và G sau khi có bộ bù(Buck)
20


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Boost điện áp đầu ra
1. Đồ thị Bode của hàm truyền đạt khi khơng có bộ bù

Tần số cắt: 3.42kHz
Độ dự trữ pha: -50.9o

Hệ khơng ổn định. Mục
tiêu thiết kế bộ bù có
tần số cắt 750Hz độ dự
trữ pha PM=

Hình 7. Đồ thị Bode của hàm truyền đạt Gvd khi khơng có bộ bù(Boost)
21


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Boost điện áp đầu ra
3. Thiết kế bộ bù
 Từ yêu cầu thiết kế bộ bù, cấu trúc bộ bù được đề xuất là bộ bù PID:

.

22


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Boost điện áp đầu ra
3. Thiết kế bộ bù
 Với fc=750Hz sử dụng lệnh [mag1,phase1]=bode(Gvd,2*pi*fc) ta được:

 Pha của bộ điều chỉnh tại tần số cắt là:

23


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Boost điện áp đầu ra
3. Thiết kế bộ bù
 Tần số của điểm không và điểm cực của bộ bù:

 Chọn tần số

24


III. Thiết kế bộ điều khiển
*Trường hợp Boost điện áp đầu ra
3. Thiết kế bộ bù
 Chương trình tính tốn Bộ bù và hàm truyền của mơ hình sau khi có bộ bù:

fc=750;
PM=55;
[mag1,phase1]=bode(Gvd,2*pi*fc);
theta=180+PM-phase1;
fz=fc*sqrt((1-sin(theta*pi/180))/(1+sin(theta*pi/180)));
fp=fc*sqrt((1+sin(theta*pi/180))/(1-sin(theta*pi/180)));
f1=fc/10;
numc=[1/(2*pi*fz) 1];
denc=[1/(2*pi*fp) 1];
Gc1=tf(numc,denc)*tf([1 2*pi*f1],[1 0]);
[mag2,phase2]=bode(Gc1,2*pi*fc);
kc=1/(mag1*mag2);

Gc=kc*Gc1;
G=Gvd*Gc;
25