Cytamyiubzbxkli.doc

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
YÊU CẦU THIẾT KẾ BUCK CONVETER
I. Nguyên lý mạch Buck converter......................................................................................3
II. Tính tốn các thơng số cơ bản và Mơ hình hóa..............................................................4
II.1. Tính tốn thơng số cơ bản........................................................................................4
II.1.1. Tính tốn cuộn cảm L........................................................................................4
II.1.2. Tính tốn tụ C đầu ra..........................................................................................6
II.1.3. Thiết kế cuộn cảm dùng Kg method..................................................................7
II.2. Mơ hình hóa..............................................................................................................9
II.2.1. Mơ tình tín hiệu lớn............................................................................................9
II.2.2. Mơ hình tín hiệu nhỏ..........................................................................................9
II.2.3. Hàm truyền mạch đo........................................................................................11
II.2.4. Hàm truyền PWM............................................................................................12
II.2.5. Hàm truyền đối tượng......................................................................................12
II.2.6. Khảo sát đối tượng...........................................................................................12
III. Thiết kế bộ điều khiển.................................................................................................13
III.1. Tiêu chí thiết kế.....................................................................................................13
III.2. Thiết kế bộ bù loại 2..............................................................................................13
IV. Kết quả mô phỏng PSIM.............................................................................................17
TÀI LIỆU THAM KHẢO


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, quá trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa giúp con người tiết kiệm thời
gian và sức lao động. Đồng thời tạo điều kiện tốt để nước ta thúc đẩy quá trình hội nhập
nền kinh tế thế giới, bắt kịp sự phát triển về khoa học kỹ thuật ở các nước phát triển để

ứng dụng vào sản xuất.
Việc đưa kiến thức vào thực tiễn khơng cịn là q xa lạ đối với sinh viên đang
theo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật,
Là sinh viên ngành tự động hóa, em cảm thất rất tự hào khi được học tập và nghiên
cứu các môn học trong ngành tự động hóa. Trong phạm vi chương trình, học kỳ này
chúng em làm đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế mạch buck converter DC-DC”.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh (bộ mơn Tự động
hóa xí nghiệp cơng nghiệp) đã quan tâm hướng dẫn và tạo điều kiện để chúng em hồn
thành mơn học.

1


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

ĐỒ ÁN 1
YÊU CẦU THIẾT KẾ BUCK CONVETER
Thông số:

Điện áp đầu vào : 48 Vdc
Điện áp đầu ra: 12 Vdc
Ira =0 ÷ 10 A, fsw = 50 kHz.

Dựa vào việc phân tích thiết kế, chúng em xây dựng các bước thực hiện với nội
dung sau:
1. Giới thiệu nguyên lý, sơ đồ cấu trúc Buck conveter.
2. Tính tốn và mơ hình hóa
-

Tính tốn các thơng số của các phần tử được giao, tính tốn ,chọn điện cảm

bằng phương pháp Kg để thiết kế
Mơ hình hóa và tổng hợp bộ điều khiển(voltage mode control), dùng
phương pháp mô hình trung bình tín hiệu nhỏ để mơ hình hóa.
Khảo sát đối tượng

3. Tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp độ dự trữ ổn định dựa trên đồ thị
Bode.
4. .Mô phỏng hệ thống dùng PSim.

2


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

I. Nguyên lý mạch Buck converter

Hình 1.1. (a) Cấu trúc mạch buck cơ bản , (b) khóa ở vị trí 1, (c) khóa ở vị trí 2, (d) đồ
thị điện áp trên cuộn cảm theo thời gian, (e) đồ thị dòng điện qua cuộn cảm theo thời
gian.
-

-

-

Trong khoảng thời gian 0< t Off. Sơ đồ mạch trong giai đoạn này được biểu diễn như hình a. Khi S ở trạng
thái ON điện áp ngược trên 2 đầu D1 bằng -Vin do đó D1 bị khóa. Điện áp
giữa hai đầu cơng tắc S và dịng qua Diode bằng 0.
Trong khoảng thời gian DT< t

như hình b. Do tại thời điểm van S khóa, dịng qua cuộn cảm có giá trị khác 0
và được biểu diễn dưới 1 hàm liên tục trên miền thời gian do đó chúng ta có
thể xem cuộn cảm hoạt động như 1 nguồn dịng và chính nó đã làm cho D1
dẫn. Khi đó dịng điện qua van S và điện áp trên đầu D1 coi như bằng 0.
Quá trình lặp lại như trên đối với những chu kì tiếp theo.
3


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

II. Tính tốn các thơng số cơ bản và Mơ hình hóa
Cấu trúc vịng điều khiển điện áp của mạch có dạng chung như sau:

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc với mạch vòng phản hồi điện áp.
II.1. Tính tốn thơng số cơ bản
II.1.1. Tính tốn cuộn cảm L
Khi switch ở trạng thái đóng thì điện áp cuộn cảm bằng:
(2.1)
hay gần đúng sẽ là:
Trong đó v L tính theo cơng thức:

(2.2)

Từ đó ta được:

(2.3)

4

Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Hình 2.2. Đồ thị điện áp trên cuộn cảm.
Khi van ở trạng thái mở thì điện áp cuộn cảm bằng:
(2.4)
Với v ( t ) ≈ V thì:
(2.5)
suy ra:

(2.6)

Hình 2.3. Đồ thị dịng điện qua cuộn cảm.
Dịng điện cuộn cảm được miêu tả như hình 2.3, ta có thể thấy dịng
I peak =I + ∆ i L trong đó ∆ i L là độ gợn của dòng điện.
Nên độ gợn peak-to-peak sẽ là 2 ∆ i L và bằng:

(2.7)
Suy ra:

(2.8)
Với giá trị ∆ i L thường được chọn khoảng từ 10% - 20% I out .
Ta chọn ∆ i L=10 % I out =1 A .
Thay các thơng số từ đề bài ta tính được giá trị của cuộn cảm :

5


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

=

6


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

II.1.2. Tính tốn tụ C đầu ra

Hình 2.4. Điện áp và dịng điện ra của tụ.
Lượng điện tích trong tụ được tính theo cơng thức
Q=CV

(2.9)

Hình 2.4 mơ tả hình dạng dịng điện và điện áp trên tụ, từ đó ta có:
q=C ( 2 ∆ v )

(2.10)

hay

(2.11)
thế 2 phương trình với nhau ta được:
∆ v=¿

Suy ra:

C=¿

(2.12)

(2.13)

Chọn C = 2200Uf.

7


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

8


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Tính tốn điện trở R ESR:
Sau khi tính tốn được tụ C,dựa vào datasheet ta có thể xác định được R ESR

Hình 2.5. Đồ thị thể hiện mối liên hệ điện trở và tần số
Từ đồ thị trên datasheet có thể xác định được tỉ số giữa R ESR và R ESR khoảng 0.77
0

với R ESR là điện trở đo tại nhiệt độ 20o C ở tần số 100Hz.
0

Tra bảng datasheet ta có R ESR =0.19 Ω ⟹ R ESR ≃ 0.15 Ω .
0

II.1.3. Thiết kế cuộn cảm dùng Kg method [1]
Với L= 9.10−5 H như đã tính tốn trên :

Tính tốn đến hệ số Kg :

(2.14)
Giả sử: R=1Ω.
Với các thông số:
−6

=1.724.10 (dây đồng)
9


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

=10 A.
=0.25 T.
=0.6
≥

3.76.10^-3

Hình 2.6. Bảng chọn lõi thép.
Chọn lõi EE19 dựa vào bảng 2.6.
= 4,07.10-3
Dựa vào hằng số Kg , ta chọn được lõi thép EE19 có các thơng số như sau:
Diện tích mặt cắt trụ giữa:

2

= 0.4cm .
2

Diện tích cửa sổ:
= 0.65cm .
Độ dài trung bình 1 vịng dây: MLT = 3.5cm.

Khe hở khơng khí:
n=156 vịng

Số vịng dây:
10

.


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Ước lượng Aw:

(2.15)

Điện trở cuộn cảm :

(2.16)

II.2. Mơ hình hóa
II.2.1. Mơ tình tín hiệu lớn
Giả sử ở trạng thái làm việc ổn định, các thông số của mạch như V g, V, I, tỷ số
Duty D thay đổi khơng đáng kể, n là tỷ số vịng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của
biến áp xung. Theo định luật Kirrkoff, ta lập được các phương trình mạch sau:
- Trong khoảng thời gian 0< t

(2.17)
-

Trong thời gian DT< t
(2.18)
-

Dòng qua cuộn cảm nối vịng qua D1, D2.
Trong cả chu kỳ đóng mở van, ta có

(2.19)
Giả thiết Vg = const, V = const, dịng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính.
II.2.2. Mơ hình tín hiệu nhỏ
Áp dụng phương pháp phân tích tương tự, trong đó có xét đến các giá trị điện trở
của tụ điện
- Trong thời gian 0
(2.20)
11


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

-

Trong thời gian DT< t
(2.21)

-

Trong cả chu kỳ đóng mở van, ta có

(2.22)
Giả sử các đại lượng có độ biến thiên rất nhỏ quanh giá trị ổn định. I L, D, Vg,, V, IC
là các giá trị thuộc thành phần một chiều, còn i^ L (t),d^ (t), ^v g (t) , ^v (t), i^ c (t) là các thành phần
biến thiên của các giá trị tương ứng.
;

(2.23)

;

(2.24)
2.25 ¿

;

(

;

(2.26)

;

(2.27)

Thay vào hệ phương trình mạch, ta có:

12


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

(2.28)



Vì

{

(2.29)
D .V g−V =0
V
I C =I L −
R

1
∫ I C dt =V −RC . I C
C



, và coi d^ ( t ) . v^ g ( t )=0 , ta có

(2.30)

Laplace hóa:

(2.31)

Thế phương trình 2 và 3 vào phương trình 1, coi . v^ g ( s ) = 0, ta có hàm truyền ^v ( s )
phụ thuộc vào d^ ( s ):
13


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

(2.32)
II.2.3. Hàm truyền mạch đo
Mạch đo là mạch phân áp có hàm truyền như sau:

Gđo =

(2.33)

II.2.4. Hàm truyền PWM
Hàm truyền PWM có thể đưa về dạng tương đương như sau:

(2.34)
Vref = 2.5 VDC.
= 4 V.
II.2.5. Hàm truyền đối tượng
Hàm truyền đối tượng được suy ra như sau:
Gđt = Gvod . Gđo . Gpwm

=

.

.

=

II.2.6. Khảo sát đối tượng
Sử đụng MAtlab để vễ đồ thị bode của đổi tượng ta được như hình 2.7:

14

(2.35)


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Hình 2.7. Đồ thị bode của đối tượng.
Nhận xét:
- Tại tần số cắt 2,4kHz đối tượng điều khiển có độ dự trữ pha: 770 khi đó hệ
thống có thời gian quá độ lâu
- Độ dự trữ biên tại tần số 31.8kHz là G M =¿22.6 (dB)
- Bản thân hệ có khả năng ổn định.
III. Thiết kế bộ điều khiển
III.1. Tiêu chí thiết kế
Dựa vào việc phân tích đối tượng ở trên và các kiến thức được học, tìm hiểu, em
xây dựng tiêu chí thiết kế với việc thiết kế bộ điều khiển (Gc(s)) trên miền tần số, sử
dụng đồ thị Bode:
- Bộ điều khiển Gc có thể là bộ điều khiển kiểu bù loại 2. Hệ kín phải ổn định,

khử được các nhiễu tác động, như nhiễu tải, nhiễu điện áp đầu vào;
- Hệ kín có chất lượng tốt khi hệ hở có:
+ Độ dự trữ biên độ: G M lớn.
+ Độ dự trữ pha: φ M = 450 để độ quá điều chỉnh nhỏ.
Cấu trúc vịng phản hồi điện áp đầu ra có dạng như sau:

15


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Hình 3.1. Cấu trúc phản hồi.
III.2. Thiết kế bộ bù loại 2 [7]
Mơ hình

Hàm truyền:

(3.1)
Trong đó:

(3.2)

Và ta đưa về dạng:

(3.3)
16


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Đồ thị biên pha của bộ điều khiển kiểu bù loại 2:

Chọn tần số cắt nằm trong khoảng:
f cϵ (

1 1
)f
10 2 sw

(3.4)

Chọn f c =10 kHz ⟹ ω c =6.28 k (rad / sec)
Để thỏa mãn tiêu chí thiết kế, bộ điều khiển kiểu bù loại 2 cần thỏa mãn hệ
phương trình sau:

(3.5)
Giải hệ phương trình trên, ta tìm được các tham số Kc, wz, wp của mạch:
(3.7)
(3.8)
(3.9)
Với:

φ m= 225* π /180.

Chọn ∝=1, tại fc= 10KHZ thì đối tượng có φ p= 234* π /180

17


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

(3.10)
Xuất phát từ hàm truyền của bộ điều khiển, ta tiếp tục tìm được thơng số các linh
kiện R, C của bộ điều khiển theo công thức:
R f 1=4.7 k Ω (chọn trước)
R f 2=

R f 1 .V ref
V out −V ref

C c2 =

ωz
ω p . Kc . Rf 1

3.11)
(3.12)

C c1=

1
−C c2
Kc . Rf 1

(3.13)

Rc 1=

1
ω z .C c 1

(3.14)

Thay tham số cụ thể, ta tính được các giá trị điện trở, tụ điện của bộ điều khiển.
R f 1=4.7 k Ω
R f 2=1.2 k Ω

C c2 =22 p
C c1=3.3 n

Rc 1=18 k

Kết quả khảo sát đồ thị Bode của vòng hở trên Matlab như sau:

18


Ket-noi.com kho tài liệu miễn phí

Nhận xét:
Bộ điều khiển thỏa mãn tiêu chí thiết kế với:
-

Tại tần số f=10KHZ độ dự trữ pha 450.
Độ dự trữ biên G M = 8.31dB.
Hệ kín ổn định.

IV. Kết quả mơ phỏng PSIM
Ở đây ta mô phỏng với 3 giai đoạn không tải, tải định mức và quá tải như sau:
Điện áp đầu vào : 48 Vdc

Điện áp đầu ra: 12 Vdc
fsw = 50 kHz.
P = 120 W.

19