thiết kế bộ điều khiển cho bộ boost theo chế độn dòng điện đỉnh

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336)

Đề tài: “Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost theo chế độ dòng điện đỉnh”

Họ tên : HÀ VĂN ĐỨC
MSSV : 20130989
LỚP

: KTĐK TĐH 04 – K58

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


NỘI DUNG
1.

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST CONVERTER.

2.

THIẾT KẾ MẠCH LỰC

3.
4.
5.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
MÔ PHỎNG
KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


1. MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST CONVERTER

Mạch lực BBĐ Boost

(1-D):1

Mô hình BBĐ DC/DC tại điểm xác lập

Mô hình trung bình

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


1. MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST CONVERTER



MÔ HÌNH HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ ĐÓNG CẮT

 Trạng thái 1 van ON (D=1)
Từ mô hình điểm làm việc xác lập
⇒ U1=0


Từ mô hình trung bình =>

U 1 = (1 − D )U 2
I 2 = (1 − D ) I1

Trạng thái 2 van OFF (D=0)
U1=U2

u1 (t ) = [1 − d (t )]u 2 (t )
i2 (t ) = [1 − d (t )]u1 (t )

(1)

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


1. MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST CONVERTER

MÔ HÌNH HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ ĐÓNG CẮT

Ta có sơ đồ bộ biến đổi boost converter với tín hiệu nhỏ

Tuyến tính hóa tại điểm
làm việc cân bằng:

d (t ) = D + dˆ (t )
u1 (t ) = U 1 + uˆ1 (t )
i1 (t ) = I1 + iˆ1 (t )
u 2 (t ) = U 2 + uˆ 2 (t )
i2 (t ) = I 2 + iˆ2 (t )

( 2)

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


1. MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST CONVERTER

Thay (2) vào (1) ta có:

uˆ1= (1 − D )uˆ 2 − U 2 dˆ
iˆ = (1 − D)iˆ − I dˆ
2

1

1

( 3)
( 4)

Với :

uˆ 2 = uˆ0 ;
U2 = U0

Từ (4) ta có:

uˆ0

= (1 − D )iˆ1 − I1dˆ
Z RC

Z RC =

R
RCS + 1

ˆ
ˆi1 = I1d + uˆ0 ( RCs + 1)
1− D
R (1 − D)

( 5)

[
(
1 − D ) iˆ − I dˆ ]R
=

( 6)

uˆ0

1

1

RCs + 1

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


1. MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST CONVERTER

Viết phương trình mạch vòng dòng điện qua cuộn cảm:

uˆin = Lsiˆ1 + uˆ1

( 3)

uˆin = Lsiˆ1 + (1 − D )uˆ0 − U 0 dˆ

( 7)

Thay (5) vào (7):

 I1dˆ
uˆ0 ( RCs + 1) 
uˆin = Ls 
+
 + (1 − D )uˆ0 − U 0 dˆ
R (1 − D ) 
1 − D

 Ls ( RCs + 1)

 I Ls


uˆin =  1
− U 0  dˆ + 
+ (1 − D ) uˆ0
1 − D

 R (1 − D )

Từ PT trên ta có hàm truyền điện áp ra và hệ số điều chế:

uˆ0 ( s )
dˆ ( s )

uˆin ( s ) = 0

=

[ (1 − D)U 0 − I1 Ls ] R

RCLs 2 + Ls + (1 − D ) 2 R
Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


1. MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST CONVERTER

Thay (6) vào (7) ta có:

uˆin

ˆ − I dˆ ] R

[
(
)
1
−
D
i
= Lsiˆ + (1 − D )
− U dˆ
1

1

1

RCs + 1

0


(1 − D ) 2 R  ˆ 
(1 − D ) I1 R  ˆ
ˆ
uin =  Ls +
d
i1 − U 0 +

RCs + 1 
RCs + 1 



Từ PT trên ta cũng có hàm truyền giữa hệ số điều chế và dòng điện:

dˆ ( s )
iˆ1 ( s )

RLCs 2 + Ls + (1 − D ) 2 R
uˆ in ( s ) = 0 =
U 0 ( RCs + 1) + (1 − D ) I1 R

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


1. MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST CONVERTER

MÔ HÌNH HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ ĐÓNG CẮT

uˆ0 ( s ) uˆ0 ( s )
=
ˆi1 ( s )
dˆ ( s )
I1 =

dˆ ( s )
uˆin ( s ) = 0 ×
iˆ1 ( s )

uˆin ( s ) = 0

U0
(1 − D ) R
Hàm truyền giữa điện áp ra và dòng điện của bộ biến đổi Boost:


s

(
1
−
D
)
*
R
*
1
−
 w
R(D - 1) 2 − LS

RHZ
Gvi ( s ) =
=
(2 + RCs

s 

2 * 1 +
 wP 





Với:

wRHZ

(1 − D) 2 R
=
L

wP =

2
RC

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


2. TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

 

• Điện áp vào Uin = 5V
• Điện áp ra Uo =18V
• Tải
R = 10
• rL=rC=0; fs = 200khz

 
Từ các thông số trên:

Hệ số điều chế : D = 1= 0.72

Dòng điện trung bình qua cuộn cảm:
IL= = = 6.4 (A)

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


2. TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

TÍNH CHỌN L,C

 - Đối với bộ biến đổi boost:
+ Điện cảm được tính theo công thức:
L=
+ Điện kháng được tính theo công thức:
C=
Với là độ đập mạch dòng điện qua cuộn cảm: = 10%-20% IL
: = 0.1% - 1% Uo

Chọn =15% IL và =0.5% Uo ta tính được L và C:

L = 5.1599e-06 (H)
C = 260.00e-06 (F)

Hanoi University of Science and Technology

Dept. of Industrial Automation


3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN LÝ DÒNG ĐỈNH

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Từ m file trong matlab ta có hàm truyền giữa điện áp đầu ra và dòng điện :

- 9.288e - 06 s + 1.389
Gui =
0.0013 s + 1
w_RHP=1.5e+5
wp =769.2308

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Đồ thị Bode của hàm truyền Gvi :

Nhận xét : Tần số cắt là 118 , độ dự trữ pha là 136. Hệ ổn định nhưng có sai lệch tĩnh. Để giảm độ dự trữ pha và tăng tần số cắt ( đáp
ứng nhanh hơn) ta sử dụng “bộ bù loại II”, khâu tích phân để triệt tiêu sai lệch tĩnh.

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

 

Bộ bù loại II:
- Một điểm cực được đặt ở gốc mặt phẳng phức.
- Độ dự trữ pha của bộ bù được tính bởi:
theta= (-90) + PM –phase1

PM: là độ dự trữ pha hệ hở
phase1: góc pha của đối tượng
tại tần số fc.

- Tần số điểm 0 và điểm cực được xác định bởi công thức:
fz = fc* = 488.2434

fp = fc* = 4.6084e+03

- Tần số cắt chọn nhỏ hơn 1/10 tần số phát xung
- Tần số cắt fc nên nhỏ hơn 1/5 tần số f_RHP
- Hệ số khuếch đại kc= 1/(mag1*mag2)

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation

3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Bộ bù loại II:


s 
1 +

w
1
Z 
GC ( s ) = kC 
s
s 
1 +

w
P 


Thiết kế bộ bù như trên mfile:

Ta thiết kế bộ bù để :
+ Hệ hở có fc=1500hz
+Độ dự trữ pha PM=55

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation

3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Đồ thị bode hệ hở khi có bộ bù:

Ta thấy hệ hở ổn định và tần số fc và độ dự trữ pha PM đúng như thiết kế.

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Ta có hàm truyền đạt của bộ điều khiển ( bộ bù loại II):

8.833 s + 2.71e04
G (s) =
c
3.454e - 05 s^2 + s

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


3. MÔ PHỎNG KẾT QUẢ
Sơ đồ khối mô phỏng trên Matlab Simulink :

Kết quả mô phỏng khi xét tới các ảnh hưởng :
Điện áp đặt thay đổi.
Tải thay đổi.
Điện áp vào dao động.

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


3. MÔ PHỎNG KẾT QUẢ

Kết quả mô phỏng khi xét tới các ảnh hưởng :
Thay đổi điện áp đặt từ 15V lên18V xuống 12 V

Ta thấy khi thay đổi điện áp đặt thì điệ áp ra bám giá trị đặt. Điên áp đập mạch
nhỏ hơn 1% điện áp ra.

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


3. MÔ PHỎNG KẾT QUẢ

Kết quả mô phỏng khi xét tới các ảnh hưởng :
Khi điện áp đầu vào dao động 0.5V với tần số 1 khz:

Ta thấy sai số điện áp ra là khá bé. 0.15V

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


3. MÔ PHỎNG KẾT QUẢ

Kết quả mô phỏng khi xét tới các ảnh hưởng :

Khi tải thay đổi:

R’=1/2 R

R’=2 R

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


3. KẾT LUẬN

-

Ưu điểm của điều khiển theo chế độ dòng điện đỉnh

+ Hạ bậc đối tượng. Nên thiết kế bộ điều khiển đơn giản.
+ Phù hợp với đa số bộ biến đổi DC/DC.

-

Bộ điều khiển thiết kế theo bộ bù loại 2

+ Triệt tiêu sai lệch tĩnh
+ Bộ điều khiển ở trên cho chất lượng điện áp ra khá tốt.
+ Không có độ quá điều chỉnh
+ Thời gian đáp ứng nhanh ( 0.06s)
+ Điện áp đạp mạch nhỏ cỡ (1.6%)

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation


Cảm ơn thầy và các bạn
đã lắng nghe!

Hanoi University of Science and Technology
Dept. of Industrial Automation