Tài liệu Luận văn:NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ BIÊN ĐỔI DC-DC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT pot







NGUY

NÂNG CAO CHNG B I DC-DC
BNG B U KHIT













- 3




 





TS. 





 05 tháng 05 
2013.




* Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - 
- 

1
M U
1. Tính cp thit  tài
- i vi bài toán chuy  n áp DC   u
c ng dng trong thc t n
i ngun tuyn tính, ngun ngt m (Switched Mode Power
ng hn ch  n áp
o, tng ln, cng knh, giá thành ln.

- u khic ng dng cho b bii DC-DC
n áp ra vc yêu cu.
- B u khic thit k và so sánh vi b u khin
PID cho thy kh nng d nâng cao chng ca b bin
i DC-DC.
2. Mc tiêu nghiên cu.
Thit k b u khit cho b bii DC-DC gim áp.
3ng và phm vi nghiên cu
- Tìm hiu b bii DC-DC vi chuyn mng cách
s dg trình toán hc.
- Thc hin b u khin PID cho b bii DC-DC c
nghiên c
- Thit k b u khin cho b bii DC-DC bu khin
t.
- So sánh kt qu c t u khin trên và
kt lun.
4.  pháp nghiên cu
- Tìm hiu cu khin và xây dng mô hình, mô phng
trên phn mm Matlab - Simulik.
5. B c tài.

2
Luc t ch
Ngoài phn m u và kt lun, tài liu tham kho, lun 

1 Gii thiu chung v b bii DC-DC
 u khit
 u khit cho b bii DC-DC
 Mô phng kim chng trên nn Matlab- Simulink Kt
lung phát trin c tài.

C 1. GII THIU CHUNG V B BII DC-DC
1.1. GII THIU
1.2. PHÂN LOI CÁC B BII BÁN DN
1.3. KHÁI QUÁT V M
1.3.1. Khái nim
1.3.2. m c
1.3.3. Phân loi
1.3.4. Nguyên tc hong chung ca mc
1.3.5. u chn áp ra
a. Phương pháp thay đổi độ rộng xung
b. Phương pháp thay đổi tần số xung
1.4. CÁC B BIN I DC-DC
1.4.1. B bii gim áp (buck converter)
1.4.2. B bio áp (buck-boost converter)
1.4.3. B bi
1.5. CH  HONG CA CÁC B CHUYI
N ÁP DC-DC
1.5.1. Ch  n liên tc
1.5.2. Ch  n

3
1.5.3 Chn giá tr L
min
cho chuyn áp DC-DC
1.6. KT LUN
B bii DC-DC có nhit trt cu mch
n, hong cho hiu sut cao nh t
chiu, tn thp. B h
bit làm th nào ta chc L
min

cho ba b chuyi (gim áp,
 chc chn hong trong ch  c
n áp.
. U KHIT
2.1. GII THIU
2.2. CÁC H THNG CU TRÚC BIN
2.2.1. u khii vi các h thu chnh bng
chuyn m
2.2.2. Các mt
2.2.3.  u khit
U KHIT
2.3.2. u kin tn ti
2.3.3. u kin tip cn
2.3.4. Mô t h tht
2.3.5. Rung (chattering)
2.4. KT LUN
ng v v u khit.
Sau khi tìm hiu khin trên, tác gi lun
pu khi cho vic nghiên cu bi vì
m là tính bn vi vi s i
ca nhi chính xác cao, phù hp vi
u khin có tính phi tuyn m u
khi t truyn th   m là xut hin hi ng

4
chattering, mt hing không mong mun, ng rt ln
ch ng ca h u khi t. Vic nghiên cu hn ch hin
 nâng cao chng h u khin
chuyng.
3. U KHIT CHO B BII

DC-DC
3.1. MÔ HÌNH CA H THNG CA B BII
DC-DC GIM ÁP
 tìm mô hình ca h thng ca b bii gim áp DC-DC,
trong lun án này ta ch xét b bii gim áp DC-DC hong 
ch  liên tc.

Hình 3.1: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp (u=1 là đóng, u=0 là ngắt)
 hình 3.1, s thun tiu s dng h thng mô t liên
n sai lo hàm c

oref
VVx 
1
(3.1)

C
i
dt
dV
dt
dx
x
co

1
2
(3.2)

ref

V
n áp tham chin áp ra mong mun), V
o
là
n áp ra thc trên ti,
c
i
n qua ty

21
xx 

(3.3)

c
i
dt
d
C
x
1
2


(3.4)

5
n áp ca m
c:

2
1
2
1
x
CRLC
V
LC
x
u
LC
V
x
L
ref
in


(3.13)
(3.3) và (3.13n x
1
và x
2
ca
b bi-
3.2 U KHIT CHO B BII DC-DC
GIM ÁP
3.1.1. Mt phng pha mô t u khin cho t b gim
áp DC-DC
Có th vit lng thái ca b bii gim áp

DC-DC  dng:

DBuAxx 

(3.19)

u
c gi thi 0
hoc 1










CRLC
A
L
11
10
,











LC
V
B
in
0
,









LC
V
D
ref
0
. (3.20)
ng
1,0u
c v  hình 3.2.
c chn là

 
0
2211
 xCxcxcx
T

(3.21)
 
 
21
,ccC
T

  a h s mt ph t và
 
T
xxx
21

) mô t ng thng trong mt phng
c t m hong nh cho b bii
n áp: sai ln áp ra bo hàm sai lch bng 0).
) dn

0)(
1211
 xcxcx



(3.22)
) mô t h thng trong ch  t.

6
Ta chn luu khin bám

,
0)(0
0)(1






xkhi
xkhi
u


(3.23)
Khi khóa (van) ngn qua cun cm (
L
i
c gi
nh giá tr là không âm,
L
i
tin v 0 và bng 0, t ngng n
nn ca t tin v  ng vi ch  dn gián

t s gii hn lên bin trng thái. Bin vùng này có th suy
ra gii hn
0
L
i
.

)(
1
12
xV
CR
x
ref
L



Hình 3.2: Quĩ đạo của hệ thống và đường trượt trong mặt phẳng pha
của bộ biến đổi giảm áp
3.1.2. u kin tn t
 chu kin tn tt
ca b gim áp DC-DC ta lo hàm )

0)(  xCx
T


(3.34)
.19) vào (3.34c

7

DCBuCAxCx
TTT
)(


(3.35)

Vu kin tn tt t  ta có:


.
0)(0
0)(0
)(








xkhiDCBuCAxC
xkhiDCBuCAxC
x
TTT
TTT





(3.36)
S d.20) và (3.35) vu kiu
0u

vi
0)( x

c


0)()(
1
2
2
2
11



LC
VV
x
LC
c
x
CR

c
cx
inref
L

(3.38)
 vu kin th hai
1u
vi
0)( x


trình (3.23

0)()(
21
2
2
2
12
 c
LC
V
x
LC
c
x
CR
c
cx

ref
L

(3.40)
 
0)(
1
x

và
0)(
2
x

   ng thng
trong mt phng pha v dng là
(
0,
ref
V
) và (
inref
VV 
).
Vùng tn ti ch  t trong hình 3.3 cho
CRcc
L21

và
trong hình 3.4 cho

CRcc
L21

. Có th nhìn thy rng, giá tr ca c
1

gim thì gây ra s suy gim ca vùng tn ti ch  t (h s c
1

cng ca h thng trong ch
 t). T ng ca h thng  bc 1
vi hng s thi gian
12
cc

y t n
CR
L


 (3.38) và (3.40) s gii hn tn ti ch  t và là
u chnh trong th.

8

Hình 3.3 : Vùng tồn tại của chế độ trượt trong mặt phẳng pha khi
CR
c
c
L

2
1

. Ranh giới các vùng được chỉ rõ bởi phương trình( 3.38) và
(3.40). Điểm (V
ref
,0) chắn vùng quĩ đạo khi khóa(van) đóng và điểm
(V
ref
–V
in
,,0) khi khóa(van) ngắt.


Hình 3.4: Vùng tồn tại của chế độ trượt trong mặt phẳng pha
khi
CR
c
c
L
2
1

. Ranh giới các vùng được chỉ rõ bởi phương trình (3.38)
và (3.40). Điểm V
ref
,0) chắn vùng quĩ đạo khi khóa(van) đóng và điểm
(V
ref
–V

in
,,0) khi khóa(van) ngắt

9
3.3. KT LUN
Qua vic phân tích tính nh ca ch  t trong mt phng
pha cho b bii DC-DC gim áp, ta nhn thy r h thng
hong nh thì ta chn h s
CR
c
c
L
2
1

.
MÔ PHNG KIM CHNG TRÊN NN
MATLAB-
SIMULINK
4.1. MCH LC B BIN I DC-DC GIM ÁP
4.1.1. Xây dng thông s mch lc

Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC giảm áp
Tham s u ca b chuyi DC-DC gic chn
là
KHzfRVVVV
sLoin
100,13,12,24 
 mch hong ch
 n liên tc thì

(max)(min)
2
(max)
min
2
))((
ino
Sooin
VP
TVVV
L


(4.1)


,
1
,28
(max)
s
sin
f
TVV 
và chn

W
R
V

IVP
L
o
ooo
11.0
1300
12
.
2
(max)
2
(min)(min)

,
4.1c
HL

45
min



10
- Chn giá tr gn
L
i
c giá tr
n cm L cn thit cho b chuyi DC-DC gim áp t 
trình:

HL
DT
i
L
t
i
LV
s
LL
L

60






- Chn giá tr gn sóng
Vvv
oc
003.0
, t 
(4.3c giá tr t C.

2
8
)1(
LCf
DDV

v
o
c


(4.3)

FC

208
, ta chn
FC

220

4.1.2. Mô hình hóa mng lc trên Matlab-Simulink

Hình 4.3: Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp
4.2. XÂY DNG B U KHIN
4.2.1. B u khin PID
khin PID cho b bin i DC-DC gim áp có các thông s mch
lc:

kHzfVVVV
RHLFC
soin
L
100,12,24
,13,60,220






là

















91106
106813142
10
s
s
S
s
G

c


11


Hình 4.4: Sơ đồ khối điều khiển PID bộ giảm áp trên
Matlab-Simulink
TM

Ghép vi mô hình mch lc b bi mô phng


Hình 4.5: Điều khiển PID cho bộ biến đổi giảm áp
4.2.2. Xây dng b u khit
S dng b u khin trt vi mt
2211
)( xcxcx 

, ta
nh luu khin sau:

00)(
2211
 uxcxc


10)(
2211
 uxcxc

)(
2211
xcxcsignu 


1
x
là sai lu ra,
2
x
o hàm ca
1
x
và

12
c
1
,c
2
là hng s c l

Hình 4.8: Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp
Giá tr c
1
,c
2
c chn sao cho gi u chnh thp nht vi

u kin là
CR
c
c
L
2
1

. Nu ta chn c
1
= 1 thì
0028.0
2
c
, qua nhiu
ln th nghim ta chn c
2
= 0.0025
Mô phc d
0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821
11.998
11.999
12
12.001
12.002
dien áp ra (V)
0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821
0
0.5
0.92

1
1.5
Timer(s)
Dong dien qua L (A)

Hình 4.9: Gợn sóng điện áp ra V
o
và dòng điện qua cuộn cảm L

13
Ta th n là 1A quanh giá tr cân bng 9.2A
 n áp rt nh khong 0.003V.
4.3. SO SÁNH KT QU MÔ PHU KHIT
VU KHIN PID
Các kt qu c thc hin mô phng u khit
vi u khin PID trên cùng mô hình b bin áp DC-DC
gim áp
4.3.1. Thi gian xác l u chnh

0 0.002 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
5
10
12
15
V
PID
0 0.002 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
2
10
20

30
Timer(s)
A
Qua dieu chinh =3V
Qua dieu chinh =28A
Thoi gian xac lap =0.002s

Hình 4.12: Điện áp ra Vo và dòng điện qua L bằng điều khiển PID
Cho ta thy thi gian xác lp là 0.002 u chnh dòng
n là 28n áp ra là 3V.

14
0 0.005 0.011 0.015 0.02 0.025
0
5
10
12
16
V
SMC
0 0.005 0.011 0.015 0.02 0.025
0
0.5
1
1.2
2
3
Timer(s)
A
Thoi gian xac lap = 0.011s

Thoi gian xac lap = 0.011s

Hình 4.13 : Điện áp ra Vo và dòng điện qua L của điều khiển trượt
Cho ta thy thi gian xác lp là 0.011 u chnh dòng
.
Bng so sánh 4.1: Thời gian xác lập và độ quá điều chỉnh
B u khin

Thông s
u khin PID
u khit
Thi gian
xác lp
 quá
u chnh
Thi gian
xác lp
 quá
u chnh
n áp ra (Vo)
0.002s
3V
0.011s
0V
n qua L
0.002s
28A
0.011s
0A
*Nhận xét: Nhìn vào bng so sánh 4.1, ta thy b u khit có

thi gian xác lp ln (0.011s) gp 9 ln so vi PID (0.002
l u ch so vi PID.

15
4.3.2. ng ca s n áp vào (V
in
)
a. Điện áp vào V
in
tăng từ 24V lên 28V
0.02 0.021 0.022 0.023 0.024 0.025 0.026 0.027 0.028 0.029 0.03
11.8
12
12.2
Vo
PID
0.02 0.021 0.022 0.023 0.024 0.025 0.026 0.027 0.028 0.029 0.03
24
25
26
27
28
Timer(s)
Vin

Hình 4.14: Điện áp ra của điều khiển PID khi V
in
từ 24V lên 28V
0.02 0.021 0.022 0.023 0.024 0.025 0.026 0.027 0.028 0.029 0.03
12.2

12
11.8
Vo
SMC
0.02 0.021 0.022 0.023 0.024 0.025 0.026 0.027 0.028 0.029 0.03
24
25
26
27
28
Timer(s)
Vin

Hình 4.15: Điện áp ra điều khiển trượt khi V
in
tăng từ 24V lên 28V

16
Bng so sánh 4.2: Hệ thống làm việc khi điện áp vào từ 24V lên 28V
Bộ điềukhiển


Thông s
u khin PID
u khit
Thi gian
xác lp
ng
nh-nh
Thi gian

xác lp
ng
nh-nh
n áp ra (Vo)
0
s
0
V
0
s
0
V

*Nhận xét: Nhìn vào bng so sánh 4.2 ta thin áp ra c hai b
u khi nh rt tn án áp vào V
in

b. Điện áp vào V
in
giảm từ 24V xuống 18V
0.029 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032
11.9
12
12.15
12.4
Vo
PID
0.029 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032
18
20

22
24
Vin
0.029 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032
0
2
3
3.5
Timer(s)
iL
Dao dong dinh-dinh =0.2V
Dao dong dinh-dinh =3.5A

Hình 4.16: Điện áp ra điều khiển PID khi V
in
giảm từ 24V đến 18V

17

0.029 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032
11.8
12
12.4
Vo
SMC
0.029 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032
18
24
Vin
0.029 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032

0
0.4
1
1.4
2
Timer(s)
iL
Dao dong dinh-dinh =1A

Hình 4.17: Điện áp ra điều khiển trượt khi V
in
giảm từ 24V đến 18V
Bng so sánh 4.3: Hệ thống làm việc khi V
in
từ 24V xuống 18V
B u khin

Thông s
u khin PID
u khit
Thi gian
xác lp
ng
nh-nh
Thi gian
xác lp
ng
nh-nh
n áp ra (Vo)
0

s
0.2V
0
s
0
V
n qua L
0
s
3.4A
0
s
1A

*Nhận xét: Nhìn vào bng so sánh 4.3, ta thn áp ra ca b
u khin t vn n áp ra b u khin PID
bu có g (0.2n qua L là gián
n.
ng s i giá tr ti
a. Hệ thống làm việc không tải (R
L
= 1.3kΩ)

18

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
11.7
12
12.3
Vo

PID


0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
0
2
3.4
4
Timer(s)
iL


Dao dong dinh-dinh =3.4A
Dao dong dinh-dinh =0.6V

Hình 4.18: Điện áp ra điều khiển PID khi hệ thống làm việc không tải
0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
11.7
12
12.3
Vo
SMC
0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
0
1
2
Timer(s)
iL

Hình 4.19: Điện áp ra điều khiển trượt khi khi hệ thống làm việc

không tải

19
Bng so sánh 4.4: Hệ thống làm việc không tải (R
L
= 1.3kΩ)
B u khin

Thông s
u khin PID
u khit
Thi gian
xác lp
ng
nh-nh
Thi gian
xác lp
ng
nh-nh
n áp ra (Vo)
s0

6.0
V
s0

0
V
n qua L
s0

3.4A
s0

0
A

*Nhận xét: Nhìn vào bng so sánh 4.4, ta thin
qua L cu khin t rt nh so vu khin PID.
b. Hệ thống làm việc quá tải (R
L
= 1.3Ω)

0.025 0.03 0.035 0.04 0.045
11.2
11.4
11.6
11.95
12.05
V
PID
0.025 0.03 0.035 0.04 0.045
0
7.2
9.2
11.2
15
Timer(s)
A
Dao dong

dinh - dinh =4A
Dao dong dinh - dinh =0.1V

Hình 4.20: Điện áp ra điều khiển PID khi hệ thống làm việc quá tải


20
0.025 0.03 0.035 0.04 0.045
11.2
11.4
11.6
11.8
12
Vo
SMC
0.025 0.03 0.035 0.04 0.045
0.92
5
9.2
Timer(s)
iL
Thoi gian xac lap =0.01s
Thoi gian
xac lap =0.005s

Hình 4.21: Điện áp ra điều khiển trượt khi hệ thống làm việc quá tải
Bng so sánh 4.5: Hệ thống làm việc quá tải (R
L
=1.3Ω)
B u khin

Thông s
u khin PID
u khit
Thi gian
xác lp
ng
nh-nh
Thi gian
xác lp
ng
nh-nh
n áp ra (Vo)
s0

1.0
V
s01.0

0
V
n qua L
s0

4A
s005.0

0
A

*Nhận xét: Nhìn vào bng so sánh 4.5, ta thin áp ra và dòng
n qua L b u khin t rt tt so vu khin PID, tuy nhiên
thi gian xác lp ca b u khin t lp 10 ln so vi
u khin PID.


21
c. Hệ thống làm việc với tải có thành phần điện kháng
L= 100mH R
L


0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
7.5
12
15
Vo
PID
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
7
9.2
11.5
20
29
Timer(s)
iL
Thoi gian xac lap =0.3s
Thoi gian xac lap =0.3s

Dao dong dinh-dinh =4.5A

Hình 4.22: Điện áp ra và dòng điện trên L điều khiển PID khi hệ
thống làm việc với tải có thành phần điện kháng

0 0.02 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
6
12
15
Vo
SMC
0 0.02 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0
5
9.2
10
Timer(s)
iL
Thoi gian xac lap =0.02s
Thoi gian xac lap =0.35s

Hình 4.23: Điện áp ra và dòng điện trên L của điều khiển trượt khi hệ
thống làm việc với tải có thành phần điện kháng

22
Bng so sánh 4.6: Hệ thống làm việc với tải có điện kháng
B u khin

Thông s

u khin PID
u khit
Thi gian
xác lp
ng
nh-nh
Thi gian
xác lp
ng
nh-nh
n áp ra (Vo)
s3.0

Không

s02.0

0V
n qua L
s3.0

3.5A
s35.0

0.5A

*Nhận xét: Nhìn vào bng so sánh 4.6, ta thy thi gian xác ln
i gian xác ln qua L, c hai b u
khi nh tt.
4.4. KT QU U KHIT CHO B BII DC-


u khit cho b bii DC-
mch lc là:
kHzfVVVVRHLFC
soinL
100,24,12,20,80,220 



Hình 4.28: Bộ biến đổi DC-DC tăng áp
Khi mô phc các kt qu sau :


23
0 1 2 3 4
x 10
-4
0
5
10
15
20
24
Timer(s)
V
Dien ap ra Vo

Hình 4.29: Điện áp ra của bộ biến đổi DC-DC tăng áp
*Nhận xét: Ta thn áp ra tin giá tr cân bng trong
thi gian rt ngn là 0.00005s, không xu chnh  dao

n áp ra rt nh.

Lu   i quyt khá thành công yêu cu c  tài là
nâng cao chng b bii DC-DC bu khit
mà c th là b bii gim áp. Bng vic so sánh các kt qu mô
phng gia b u khiu khin PID ta thy chng
n áp ra b u khit luôn 
n áp ra ca b bii DC-DC bng b
u khit. Lun vn này c hic các yêu cu sau:
- Làm rõ cu trúc, a ra mô hình toán hc ca b bin
i gim áp.