LUẬN văn THẠC sỹ kỹ THUẬT NGÀNH tự ĐỘNG HOÁ đề tài điều KHIỂN TRƯỢT bộ BIẾN đổi GIẢM áp KIỂU QUADRATIC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP






LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT


NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ






ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ BIẾN ĐỔI GIẢM ÁP KIỂU QUADRATIC






Học viên: PHAN THÀNH CHUNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG

THÁI NGUYÊN 2009


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc





THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT



Học viên: Phan Thành Chung
Lớp: CHTĐH-K10

Chuyên ngành: Tự động hoá
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang
Ngày giao đề tài: 15/02/2009
Ngày hoàn thành: 30/07/2009


NGƯỜI HƯỚNG DẪN







PGS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang
HỌC VIÊN







Phan Thành Chung



TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nghiên cứu dưới đây là của tôi , nếu sai tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm.

Người cam đoan



Phan Thành Chung



Luận văn tốt nghiệp Cao học 3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


LỜI NÓI ĐẦU
Trong lĩnh vực kỹ thuật điện ngày nay, điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật
hiện đại. Với những bước tiến nhảy vọt trong kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn, các

linh kiện điện tử công suất: điôt công suất, Tiristor, GTO, Triac, IGBT, SID, MCT . . .
ra đời và hoàn thiện có tính năng dòng điện, điện áp, tốc độ chuyển mạch ngày càng
được nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống thay đổi một cách sâu sắc. Song
song với những tiến bộ đó các chiến lược điều khiển khác nhau cũng được áp dụng để
điều khiển các bộ biến đổi theo các cấu trúc khác nhau nhằm tạo ra bộ biến đổi thông
minh, linh hoạt và có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, năng lượng tối ưu.
Bộ biến đổi DC – DC giảm áp kiểu Quadratic (Quadratic Buck converter) có giá
trị trung bình điện áp ra phụ thuộc vào bình phương điện áp vào, thường được sử dụng
ở mạch một chiều trung gian thiết bị biến đổi điện năng công suất nhỏ, cấu trúc mạch
của bộ biến đổi giảm áp kiểu Quadratic vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển
nó nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các
công trình nghiên cứu. Bản chất mạch của bộ biến đổi giảm áp kiểu Quadratic có các
phần tử phi tuyến do vậy chọn điều khiển trượt với bản chất là đưa ra luật điều khiển
rơle hai vị trí tác động nhanh đến đối tượng điều khiển sẽ phù hợp cho việc điều khiển
bộ biến đổi trên.
Thực hiện luận văn tốt nghiệp trong khuôn khổ chương trình đào tạo Thạc sỹ
ngành tự động hóa của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Tôi được
giao đề tài: ’’ Điều khiển trượt bộ biến đổi DC – DC giảm áp kiểu quadratic”
Mục tiêu của đề tài luận văn là nghiên cứu điều khiển trượt cho bộ biến đổi giảm
áp kiểu Quadratic, khảo sát đánh giá tính hiệu quả của điều khiển trượt đối với bộ biến
đổi và biện pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ thống.
Luận văn phân tích các quá trình động học đối tượng thông qua mô hình toán
học từ đó đưa ra và chứng minh tính phù hợp của các phương án điều khiển, cuối cùng

Luận văn tốt nghiệp Cao học 4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


là tiến hành phân tích kiểm chứng, hoàn thiện trên phần mềm mô phỏng Matlab-

Simulink.
Đề tài có tính cấp thiết để tối ưu hóa chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho bộ biến đổi
giảm áp. Thiết kế nguyên lý đã thực hiện trong bản luận văn hoàn toàn có thể triển khai
áp dụng chế tạo bộ biến đổi trên thực tế với những linh kiện sẵn có, thông dụng.
Luận văn được trình bày trong 4 chương:
- Chương 1: Bộ biến đổi DC – DC giảm áp kiểu Quadratic
- Chương 2: Nguyên lý điều khiển trượt
- Chương 3: Điều khiển trượt bộ biến đổi DC – DC giảm áp kiểu quadratic
- Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền MATLAB – Simulink
Sau thời gian thực hiện, đến nay bản luận văn của tôi đã hoàn thành với kết quả
tốt. Trước thành công này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TSKH.
Nguyễn Phùng Quang, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này,
tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các anh các chị trong Trung tâm Công nghệ
cao Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp
đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.
Ngày . . .tháng 08 năm 2009
Học viên




Phan Thành Chung

MỤC LỤC


Luận văn tốt nghiệp Cao học 5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Trang

LỜI NÓI ĐẦU
3

MỤC LỤC
5
Chương 1
BỘ BIẾN ĐỔI GIẢM ÁP KIỂU QUADRATIC
7
1.1
Giới thiệu các bộ biến đổi bán dẫn
7
1.2
Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn
9
1.3
Các bộ biến đổi DC-DC
10
1.3.1
Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)
11
1.3.2
Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)
14
1.3.3
Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter)

16
1.3.4
Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic (Quadratic buck converter)
17
1.3.4.1
Mô hình của bộ biến đổi
18
1.3.4.2
Mô hình dạng chuẩn
19
1.3.4.3
Điểm cân bằng
21
1.3.4.4
Hàm truyền tĩnh
22
Chương 2
ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

2.1
Giới thiệu
23
2.2
Các hệ thống cấu trúc biến
23
2.2.1
Điều khiển đối với các hệ thống điều chỉnh bằng chuyển mạch đơn
24
2.2.2
Các mặt trượt

27
2.2.3
Ký hiệu
28
2.2.4
Điều khiển tương đương và trượt động lý tưởng
29
2.2.5
Tính tiếp cận được của các mặt trượt
33
2.2.6
Các điều kiện bất biến cho các nhiễu loạn tìm được
37




Chương 3
ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP
KIỂU QUADRATIC


Luận văn tốt nghiệp Cao học 6

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



3.1
Ý tưởng điều khiển

40
3.2
Điều khiển trực tiếp
42
3.3
Điều khiển gián tiếp
44

Chương 4
MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN MATLAB &
SIMULINK

48
4.1
Mạch lực bộ biến đổi
49
4.2
Xây dựng bộ điều khiển
52
4.2.1
Bộ điều chỉnh dòng điện
52
4.2.2
Bộ điều chỉnh điện áp
62
4.2.2.1
Thử nghiệm các thông số hệ thống
65
4.2.2.2
Thử nghiệm tính điều chỉnh được của hệ thống

73

KẾT LUẬN
75

TÀI LIỆU THAM KHẢO
76







Luận văn tốt nghiệp Cao học 7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Chương 1
BỘ BIẾN ĐỔI GIẢM ÁP KIỂU QUADRATIC
1.1 Giới thiệu các bộ biến đổi bán dẫn
Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất.
Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa
bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì
không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn
thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện,không bị mài mòn theo
thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất
lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công

suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ
thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi
năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất
trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Không những
đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn
năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển
trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc
tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không
thể có được.
Các mạch điện tử công suất nói chung hoạt động ở một trong hai chế độ sau:
tuyến tính (linear) và chuyển mạch (switching).
- Chế độ tuyến tính sử dụng đoạn đặc tính khuếch đại của linh kiện tích cực,
trong khi chế độ xung chỉ sử dụng linh kiện tích cực như một khóa (van) với hai trạng
thái đóng (bão hòa) và ngắt. Chế độ tuyến tính cho phép mạch có thể được điều chỉnh

Luận văn tốt nghiệp Cao học 8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


một cách liên tục nhằm đáp ứng một yêu cầu điều khiển nào đó. Tuy nhiên, chế độ
tuyến tính thường sinh ra tổn thất công suất tương đối cao so với công suất của toàn
mạch, và dẫn đến hiệu suất của mạch không cao. Hiệu suất không cao không phải là
vấn đề được quan tâm đối với các mạch công suất nhỏ, và đặc biệt là các mạch điều
khiển có yêu cầu về chất lượng, về đáp ứng được đặt lên hàng đầu. Nhưng vấn đề hiệu
suất được đặc biệt quan tâm đối với các mạch công suất lớn, với các lý do khá hiển
nhiên. Chế độ chuyển mạch cho phép giảm khá nhiều các tổn thất công suất trên các
linh kiện tích cực, đặc biệt là các linh kiện công suất, do đó được ưa thích hơn trong
các mạch công suất lớn.
Ví dụ cụ thể để minh họa. Giả sử ta cần thực hiện một bộ biến đổi điện áp từ 12

VDC sang 5 VDC, dòng tải tối đa là 1 A. Với giải pháp tuyến tính, dùng một vi mạch
ổn áp 7805. Với dòng tải I bất kỳ, hiệu suất của mạch một cách lý tưởng sẽ là η =
Pra/Pvào = (5.I)/(12.I) = 41.7% (ta nói lý tưởng vì chúng ta coi như bản thân vi mạch
ổn áp không tiêu thụ dòng điện). Với giải pháp chuyển mạch, ta có thể dùng mạch
giảm áp có tên gọi buck converter để thực hiện việc này và có thể đạt được hiệu suất
trên 90% với mạch này một cách dễ dàng. Nhưng cần chú ý rằng chất lượng điện áp tại
ngõ ra của giải pháp tuyến tính tốt hơn so với giải pháp chuyển mạch. Do đó, điều quan
trọng ở đây là chúng ta chọn giải pháp thích hợp cho từng bài toán.
- Kỹ thuật chuyển mạch thực tế bao gồm: chuyển mạch cứng (hard-switching)
và chuyển mạch mềm (soft-switching). Với kỹ thuật chuyển mạch cứng, các khóa
(van) được yêu cầu đóng (hay ngắt) khi điện áp đặt vào (hay dòng điện chảy qua) linh
kiện đang có giá trị lớn (định mức). Linh kiện sẽ phải trải qua một giai đoạn chuyển
mạch để đi đến trạng thái đóng (hay ngắt), và giai đoạn này sẽ sinh ra tổn thất công
suất trên linh kiện tương tự như ở chế độ tuyến tính. Tổn thất công suất trong giai đoạn
này được gọi là tổn thất (tổn hao) chuyển mạch. Điều này có nghĩa là khi tần số làm
việc càng lớn (càng có nhiều lần đóng/ngắt linh kiện trong một đơn vị thời gian) thì tổn

Luận văn tốt nghiệp Cao học 9

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


thất chuyển mạch càng lớn, và đó là một trong những lý do khiến tần số làm việc của
mạch bị giới hạn. Kỹ thuật chuyển mạch mềm cho phép mở rộng giới hạn tần số của
các bộ biến đổi chuyển mạch, nhờ việc đóng/ngắt khóa (van) ở điện áp bằng 0 (ZVS:
zero-voltage-switching) và/hoặc ở dòng điện bằng 0 (ZCS: zero-current-switching).
Nhưng tại sao cần nâng cao tần số làm việc của các bộ biến đổi chuyển mạch? Việc
nâng cao tần số làm việc sẽ giúp giảm kích thước và khối lượng của các linh kiện, và
tăng mật độ công suất.
1.2 Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn

Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi chuyển mạch trong điện tử công suất,
nhưng có lẽ cách thông dụng nhất là dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào và ngõ ra. Về
nguyên tắc, chúng ta chỉ có dòng điện một chiều (DC) hay xoay chiều (AC), do vậy có
4 tổ hợp khác nhau đối với bộ đôi dòng điện ngõ vào và ngõ ra (theo quy ước thông
thường, tôi viết ngõ vào trước, sau đó đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, và AC-
AC. Bộ biến đổi AC-DC chính là bộ chỉnh lưu (rectifier) mà chúng ta đã khá quen
thuộc, còn bộ biến đổi DC-AC được gọi là bộ nghịch lưu (inverter). Hai loại còn lại
được gọi chung là bộ biến đổi (converter).


Luận văn tốt nghiệp Cao học 10

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1.1 Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi
Bộ biến đổi AC-AC thường được thực hiện bằng cách dùng một bộ biến đổi
AC-DC tạo nguồn cung cấp cho một bộ biến đổi DC-AC. Thời gian gần đây có một số
bộ biến đổi AC-AC thực hiện việc biến đổi giữa 2 nguồn AC một cách trực tiếp, không
có tầng liên kết DC (DC-link), và chúng được gọi là các bộ biến đổi ma trận (matrix
converter) hay các bộ biến đổi trực tiếp (direct converter). Tên gọi bộ biến đổi ma trận
xuất phát từ thực tế là bộ biến đổi sử dụng một ma trận các khóa (van) 2 chiều để kết
nối trực tiếp một pha ngõ ra bất kỳ với một pha ngõ vào bất kỳ (tất nhiên theo một quy
luật nào đó để đảm bảo yêu cầu đặt ra đối với bộ biến đổi).
1.3 Các bộ biến đổi DC-DC
Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực hiện
các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch, và dùng các
điện cảm chuyển mạch. Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các
mạch công suất lớn.
Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck

(giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp). Hình 1.1 thể hiện
sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này. Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển
mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau,
nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện
cảm.

Luận văn tốt nghiệp Cao học 11

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 1.2 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển
1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)
Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp
chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng
dần theo thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện
qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Điện áp đặt vào điện cảm
lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với
điện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian. Tụ
điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho
phép. Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị
của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét
trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục. Vì
điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên
điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung
bình trên điện cảm phải là 0. Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời
gian đóng khóa (van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T
1
+ T

2
. Giả sử
điện áp rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp
ngõ vào và ngõ ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là
(T
1
/T)×(V
in
− V
out
), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là
−(T
2
/T)×V
out
.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là:

Luận văn tốt nghiệp Cao học 12

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


(T
1
/T)×(V
in
− V
out
) − (T

2
/T)×V
out
= 0
hay
(T
1
/T)×V
in
− ((T
1
+ T
2
)/T)×V
out
= 0, (T
1
/T)×V
in
= V
out

Giá trị D = T
1
/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle). Như vậy,
V
out
= V
in
×D. D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0 < V

out

< V
in
.
Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm vi
thay đổi của điện áp ngõ vào V
in
, giá trị điện áp ngõ ra V
out
, độ dao động điện áp ngõ ra
cho phép, dòng điện tải tối thiểu I
out,min
, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số
chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện
áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi
thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: D
min
= V
out
/V
in,max
, và D
max
= V
out
/V
in,min
.

Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên
tục qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi
dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2
lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở
giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = D
min
(vì thời gian giảm dòng điện là
T
2
, với điện áp rơi không thay đổi là V
out
). Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:
(1 − D
min
)×T×V
out
= L
min
×2×I
out,min


Luận văn tốt nghiệp Cao học 13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là L
min
và T. Nếu chúng ta chọn tần số

chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì L
min
cũng cần
phải lớn.
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra.
Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là các
đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch). Lượng điện
tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ
là ΔI×T/2. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điện tích này
bằng C×ΔV. Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện qua
điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng
thái xác lập). Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức
sau:
ΔI×T/2 = C×ΔV
ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được
chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà
chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp.

1.3.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)
Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp
ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi
khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp
cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Ở điều kiện làm việc bình thường, điện áp ngõ ra
có giá trị lớn hơn điện áp ngõ vào, do đó điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu

Luận văn tốt nghiệp Cao học 14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

với với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng chênh lệch giữa điện áp ngõ ra và điện
áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi trên diode. Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần
theo thời gian. Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm
trong giới hạn cho phép.
Tương tự như trường hợp của bộ biến đổi buck, dòng điện qua điện cảm sẽ thay
đổi tuần hoàn và điện áp rơi trung bình trên điện cảm trong một chu kỳ sẽ bằng 0 nếu
dòng điện qua điện cảm là liên tục (nghĩa là dòng điện tải có giá trị đủ lớn).
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa
(van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T
1
+ T
2
. Giả sử điện áp rơi trên
diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ
ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T
1
/T)×V
in
, còn
điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là (T
2
/T)×(V
in
− V
out
).
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là:
(T
1
/T)×V

in
+ (T
2
/T)×(V
in
− V
out
) = 0
hay
(T
1
/T + T
2
/T)×V
in
− ( T
2
/T)×V
out
= 0 ⇔ V
in
= (T
2
/T)×V
out

Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ D = T
1
/T, T
2

/T = 1 − D, ta có V
in
= (1 −
D)×V
out
, hay V
out
= V
in
/(1 − D). D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và
1), do đó 0 < V
in
< V
out
.
Tương tự như với bộ biến đổi buck, một trong những bài toán thường gặp là như
sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào V
in
, giá trị điện áp ngõ ra V
out
, độ
dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu I
out,min
, xác định giá trị của

Luận văn tốt nghiệp Cao học 15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để
đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi
thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: D
min
= 1 − V
in,max
/V
out
, và D
max
= 1 − V
in,min
/V
out
.
Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ
bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp
trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là hàm số
V
in
/V
out
×(V
in
− V
out
) đạt giá trị nhỏ nhất khi D thay đổi từ D
min
đến D

max
(chú ý là hàm
số này có giá trị âm trong khoảng thay đổi của D). Gọi giá trị của D và V
in
tương ứng
với giá trị nhỏ nhất đó là D
th
và V
in,th
(giá trị tới hạn), đẳng thức sau được dùng để chọn
giá trị chu kỳ (hay tần số) chuyển mạch và điện cảm:
(1 − D
th
)×T×(V
in,th
− V
out
) = L
min
×2×I
out,min

Việc lựa chọn giá trị cho tụ điện ngõ ra hoàn toàn giống như đối với trường hợp
bộ biến đổi buck.


1.3.3 Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter)
Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van) đóng,
điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời
gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo

điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa
(van) và ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị

Luận văn tốt nghiệp Cao học 16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp
vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian.
Với các giả thiết tương tự như các trường hợp trên, ở chế độ dòng điện qua điện
cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0.
Với cách ký hiệu T = T
1
+ T
2
như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi
đóng khóa (van) là (T
1
/T)×V
in
, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa
(van) là − (T
2
/T)×V
out
.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:
(T
1

/T)×V
in
− (T
2
/T)×V
out
= 0
Như vậy:
(T
1
/T)×V
in
= (T
2
/T)×V
out
⇔ D×V
in
= (1 − D)×V
out

Khi D = 0.5, V
in
= V
out
. Với những trường hợp khác, 0 < V
out
< V
in
khi 0 < D <

0.5, và 0 < V
in
< V
out
khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở đây chỉ xét về độ lớn, vì chúng ta đã
biết V
in
và V
out
là ngược dấu). Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp, và
đó là lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi buck-boost.
Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là: cho
biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào V
in
, giá trị điện áp ngõ ra V
out
, độ dao động
điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu I
out,min
, xác định giá trị của điện cảm, tụ
điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn
định được điện áp ngõ ra.

Luận văn tốt nghiệp Cao học 17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi
thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: D

min
= V
out
/(V
in,max
+ V
out
), và D
max
= V
out
/(V
in,min
+
V
out
).
Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ
bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp
trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là khi D =
D
min
. Như vậy đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch và điện cảm L
giống như của bộ biến đổi buck:
(1 − D
min
)×T×V
out
= L
min

×2×I
out,min

Cách chọn tụ điện ngõ ra cho bộ biến đổi này cũng không khác gì so với những
trường hợp trên.
1.3.4 Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic (Quadratic buck converter)
Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic thường được sử dụng ở mạch một chiều
trung gian thiết bị biến đổi điện năng công suất nhỏ. Bộ biến đổi có tên gọi như
vậy là do tính chất bậc hai của của hàm truyền tĩnh phụ thuộc theo hằng số giá trị điều
khiển vào trung bình. Yếu tố bậc hai làm gia tăng tính hiệu chỉnh của trạng thái bền
vững cân bằng khi đầu vào tiến đến giới hạn giới hạn bão hoà. Ta tổng hợp và biểu thị
mô hình của bộ biến đổi quadratic trên hình 1.2
1.3.4.1 Mô hình của bộ biến đổi

Luận văn tốt nghiệp Cao học 18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



1
11
1
1 1 2
2
2 1 2
22
22
di
L v uE

dt
dv
C i ui
dt
di
L uv v
dt
dv v
Ci
dt R

  













(1.1)

Hình 1.3: Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn
Mạch bao gồm hai điện cảm L
1

, L
2
và hai Tụ C
1
, C
2
và các điôt, khóa Q thực
hiện bằng tranzitor trường với 2 trạng thái đóng (0) và mở (1). Với hai trạng thái đóng
mở lý tưởng của Q, kết hợp hai trường hợp cụ thể cho mạch ở dạng khai triển:




Luận văn tốt nghiệp Cao học 19

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Hình 1.4 Lý tưởng đóng cắt cho mạch giảm áp quadratic

1.3.4.2 Mô hình dạng chuẩn
Từ hệ phương trình vi phân mô tả mạch
1
11
1
1 1 2
2
2 1 2
22

22
di
L v uE
dt
dv
C i ui
dt
di
L uv v
dt
dv v
Ci
dt R

  













(1.2)
Đặt:

11
1
11
21
21
3
1
42
,
/,
,
/
Li
x
E LC
x v E
iL
x
EC
x v E









 






(1.3)

Luận văn tốt nghiệp Cao học 20

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1 1 1 1
,t LC dt LC d

  

Hệ được viết lại thành:

12
2 1 3
1 3 2 4
4
2 4 3
x x u
x x ux
x ux x
x
xx
Q



  
















(1.4)
với:
1 2 1 2 2 1 1 1
/ , / , /L L C C Q R C L

  
(1.5)
1.3.4.3 Điểm cân bằng
Tại điểm cân bằng, ở trạng thái này, đạo hàm theo thời gian của các biến trạng
thái của hệ phương trình vi phân bằng không. Với giá trị điện áp ra mong muốn Vd,
Các giá trị cân bằng của hệ phụ thuộc vào hằng số điều khiển U , Giá trị điện áp trên tụ

C
1
=U, Giải hệ phương trình vi phân (1.2) với điều kiện vừa nói trên ta có:
2
13
24
4
3
0
0
0
0
xu
x ux
ux x
x
x
Q
  













(1.6)
Giải ra ta được:

3 2 2
1 2 3 4
11
, , ,x U x U x U x U
QQ
      
(1.7)

Luận văn tốt nghiệp Cao học 21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Tại các điểm cân bằng này, thông số trạng thái phụ thuộc theo hằng số điện áp
ra
4
x
, chúng được viết là:

3/2 1/2
1 4 2 4 3 4
11
( ) , ( ) ,x x x x x x
QQ
  
(1.8)

1.3.4.4 Hàm truyền tĩnh
Hàm truyền tĩnh của bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic được thể hiện trên hình 1.5

Luận văn tốt nghiệp Cao học 22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hàm truyền là:
2
4
()H U x U
(1.9)

Hình 1.5: Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi giảm áp kiểu Quadratic


Luận văn tốt nghiệp Cao học 23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Chương 2
ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
2.1 Giới thiệu
Điều khiển trượt nổi tiếng với kỹ thuật phản hồi đã được đề cập đến trong rất
nhiều bài báo và các công trình nghiên cứu của nhiều tác giả. Bản chất kỹ thuật này
điều chỉnh các hệ thống thông qua điều khiển đóng ngắt như là các thiết bị điện tử công
suất nói chung và các bộ biến đổi DC-DC nói riêng. Điều khiển trượt được nghiên cứu
cơ bản bởi nền khoa học Nga xô viết được trình bày trong các cuốn sách của
Emelyanov, Utkin, và một số tác giả khác. Điều khiển phản hồi gián đoạn được áp
dụng cho các hệ thống vật lý cơ điện tử đã được thực nghiệm và đạt kết quả tốt. Trong
chương này chúng ta nghiên cứu điều khiển trượt cho hệ thống điều chỉnh đóng ngắt
phi tuyến. Ta quy ước và giải quyết các vấn đề trên cơ sở sử dụng ngôn ngữ biểu đạt
của hình học giải tích vi phân. Chúng ta cùng xem lại các hệ thống một khoá chuyển
mạch và hệ thống nhiều khoá chuyển mạch (hệ SISO và hệ MIMO), Chúng ta nghiên
cứu tính chất nổi bật của lý thuyết cơ sở của điều khiển trượt: mặt trượt, sự tồn tại mặt
trượt, định nghĩa mặt trượt , điều khiển tương đương, trượt động lý tưởng và cuối cùng
là sự ổn định của hệ thống vòng lặp điều khiển trượt với các điều kiện nhiễu.
2.2 Các hệ thống cấu trúc biến
Hệ thống cấu trúc biến là một hệ thống trong đó mô hình trạng thái động chịu
ảnh hưởng lớn trên miền của không gian trạng thái, trên đó các phép toán của hệ được
tìm thấy một cách tường tận. Bản chất không liên tục của mô hình chính là thông số
đặc tính, và những thay đổi đột ngột gây ra hoặc do sự tác động tự ý lên các thành phần

Luận văn tốt nghiệp Cao học 24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


của toán tử, sự kích hoạt tự động của một hay nhiều bộ chuyển mạch trong hệ thống,

hoặc do sự thay đổi các giá trị tạm thời của từng tham số hệ thống xác định.
Lớp của các hệ thống cấu trúc biến tương đối rộng đối với các nghiên cứu chi
tiết, hơn nữa lại ít được quan tâm trong lĩnh vực Điện tử Công suất (Power
Electronics). Vì lý do này, ta sẽ chỉ nghiên cứu các hệ thống cấu trúc biến được điều
khiển bởi một hoặc nhiều chuyển mạch. Vị trí của các chuyển mạch này sẽ cấu thành
nên tập các đầu vào điều khiển.
Ngoài ra, ta giới hạn thêm đối với các nhóm hệ thống mà các mô tả hoặc cấu trúc
có điểm tương đồng về số chiều với hệ kết quả cũng như về bản chất của trạng thái mô
tả trong hệ.
2.2.1 Điều khiển đối với các hệ thống điều chỉnh bằng chuyển mạch đơn
Ta xét quá trình điều khiển các hệ thống được biểu diễn bởi các mô hình
không gian trạng thái phi tuyến theo dạng:
   
.
x f x g x u
,
 
y h x
(2.1)
trong đó
,
n
xR

[0,1]u
,

yR

Các hàm véctơ f(x) và g(x) biểu diễn các trường véctơ trơn, nghĩa là các trường

véctơ khả vi vô hạn, được định nghĩa trên không gian tiếp tuyến với
n
R
. Hàm đầu ra
h(x) là một hàm vô hướng trơn với biến x lấy giá trị trên trục thực R. Ta coi x như là
trạng thái của hệ. Biến u được xác định như một đầu vào điều khiển hoặc dơn giản là
lượng điều khiển. Còn biến y chính là đầu ra của hệ. Ta cũng thường coi f(x) như một
trường véctơ sai lệch và g(x) như là trường đầu vào điều khiển.