Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều khiển hiện đại cho các bộ nguồn đóng cắt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

.......................................

Cao Thành Trung

Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều khiển
hiện đại cho các bộ nguồn đóng cắt.
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : T.S

Nguyễn Thế Công

HÀ NỘI – 2010


LỜI NÓI ĐẦU
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng làm việc của
các thiết bị điện tử công suất nói chung chính là phương pháp điều khiển được
chọn cho các bộ biến đổi đó. Từ trước đến này, các thuật toán điều khiển thiết bị
điện tử công suất chủ yếu dựa trên kỹ thuật điều khiển tuyến tính. Khi đó khả năng
làm việc của các thiết bị điện tử công suất sẽ là sự “thỏa hiệp” của hai yếu tố sau:
1) tính đơn giản của việc giả thiết mô hình các thiết bị là tuyến tính và 2) phạm vi
có hiệu lực của thuật toán điều khiển được chọn cho mô hình đó.
Để tránh được nhược điểm nêu trên, chúng ta có thể sử dụng hai phương
pháp sau. Phương pháp thứ nhất là sử dụng mô hình chính xác của các thiết bị điện
tử công suất và sau đó áp dụng các thuật toán điều khiển phù hợp với mô hình đó.
Tuy nhiên, phương pháp này tốn nhiều thời gian và khá phức tạp nếu các thiết bị
điện tử công suất có tính phi tuyến cao và các thông số của thiết bị không xác định

được. Phương pháp thứ hai là sử dụng kỹ thuật “suy luận khám phá” (heuristic
reasoning) dựa trên kinh nghiệm chuyên gia (expert experience) đối với các các
thiết bị này. Điều này có nghĩa là phương pháp điều khiển các thiết bị công suất sẽ
dựa trên kinh nghiệm của người vận hành. Kinh nghiệm này thường là tập hợp của
các mệnh đề và quy tắc ở dạng ngôn ngữ , nhờ đó mà khâu mô hình hóa có thể
được bỏ qua và quy trình thiết kế bộ điều khiển chỉ còn là sự “chuyển đổi” của một
tập các quy tắc ngôn ngữ thành thuật toán điều khiển tự động. Ở đây, logic mờ
(fuzzy logic) đóng một vai trò quan trọng trong việc đưa ra một cơ cấu thiết yếu cho
việc thực hiện quy trình chuyển đổi trên.
Trong nhiều năm qua, các bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong
các ứng dụng công nghiệp, thương mại và dân sự. Vì vậy trong luận văn này các bộ
biến đổi DC/DC là các đối tượng để triển khai các thuật toán điều khiển trong lĩnh
vực điện tử công suất. Do đó, luận văn này tổng hợp quy trình phát triển một hệ
điều khiển logic mờ và điều khiển PI cho các bộ biến đổi DC/DC với các bước thiết

1


kế, phân tích, mô phỏng đồng thời so sánh khả năng làm việc của các bộ điều khiển
này.
Bố cục của luận văn như sau:
Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi DC/DC có biến áp
Chương 2: Bộ biến đổi Flyback
Chương 3: Tổng quan về điều khiển mờ
Chương 4: Mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng MALAB Simulink và
Plecs
Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự hướng dẫn giúp đỡ và chỉ bảo
tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Thế Công. Em xin chân thành cảm ơn thầy và
toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị Điện-Điện tử đã giúp đỡ em trong
quá trình học tập tại trường.

2


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................................1
MỤC LỤC .............................................................................................................................3
Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi DC/DC có biến áp ...........................................5
1.1.Khái quát về bộ biến đổi DC/DC.............................................................................5
1.2. Các bộ biến đổi có biến áp......................................................................................6
1.2.1.Bộ biến đổi thuận..............................................................................................6
1.2.2.Bộ biến đổi kiểu đẩy - kéo ................................................................................6
1.2.3.Bộ biến đổi hồi tiếp...........................................................................................7
1.2.4.Bộ biến đổi cầu bán phần..................................................................................7
1.2.5Bộ biến đổi cầu toàn phần..................................................................................8
Chương 2:Bộ biến đổi Flyback..........................................................................................9
2.1 Nguyên lý hoạt động................................................................................................9
2.1.1.Chế độ liên tục ................................................................................................10
2.1.2.Chế độ gián đoạn ............................................................................................12
2.2 Tính toán thiết kế bộ biến đổi Flyback ở chế độ liên tục.......................................14
2.2.1 Yêu cầu thiết kế ..............................................................................................14
2.2.2 Xem xét thiết kế sơ bộ ....................................................................................14
2.2.3 Thiết kế máy biến áp.......................................................................................15
2.2.4 Lựa chọn các van bán dẫn...............................................................................17
Chương 3:Tổng quan về điều khiển mờ ..........................................................................19
3.1. Khái niệm về tập mờ:............................................................................................19
3.1.1. Định nghĩa: ....................................................................................................19
3.1.2. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ: ......................................20
3.2. Các phép toán trên tập mờ: ...................................................................................21
3.2.1. Phép hợp: .......................................................................................................21

3.2.2. Phép giao: ......................................................................................................23
3.2.3. Phép bù: .........................................................................................................24
3.3. Luật hợp thành mờ:...............................................................................................25
3.3.1. Mệnh đề hợp thành: .......................................................................................25
3.3.2. Mô tả mệnh đề hợp thành: .............................................................................25
3.3.3. Luật hợp thành mờ:........................................................................................27
3.4. Giải mờ: ................................................................................................................30
3.4.1. Phương pháp cực đại: ....................................................................................30
3.4.2. Phương pháp điểm trọng tâm:........................................................................32
3.5. Bộ điều khiển mờ:.................................................................................................34
3.5.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản: ..............................................................................34
3.5.2. Tổng hợp bộ điều khiển mờ:..........................................................................35
3.6 Điều khiển mờ áp dụng trong các bộ biến đổi DC/DC.........................................37
Chương 4: Sử dụng Matlab Simulink và Plecs mô phỏng mạch Flyback ......................39
4.1 Phần mềm mô phỏng điện tử công suất Plecs........................................................39

3


4.2 Mô phỏng...............................................................................................................40
4.2.1 Sử dụng bộ điều khiển PI................................................................................41
4.2.1.1 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển PI ở chế
độ bình thường .....................................................................................................41
4.2.1.2 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển PI với tải
biến thiên..............................................................................................................44
4.2.1.3 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển PI với điện
áp đầu vào biến thiên ...............................................................................................47
4.2.2 Sử dụng bộ điều khiển mờ ..............................................................................50
4.2.2.1Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển Fuzzy: ..50
4.2.2.2 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển Fuzzy với

tải biến thiên.........................................................................................................53
4.2.2.3 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển Fuzzy với
điện áp đầu vào biến thiên ...................................................................................56
4.3 So sánh:..................................................................................................................59
4.3.1 Trạng thái hoạt động bình thường: .................................................................59
4.3.2 Khi tải biến thiên.............................................................................................59
4.3.3 Khi điện áp đầu vào biến thiên .......................................................................60
4.4 Nhận xét đánh giá ..................................................................................................60
KẾT LUẬN..........................................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................64

4


Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi DC/DC có biến áp
1.1.Khái quát về bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC được định nghĩa là bộ điều khiển dòng điện và điện áp
một chiều khi nguồn cấp là điện áp một chiều.
Có thể chia các bộ biến đổi DC/DC thành hai loại: bộ biến đổi DC/DC có
biến áp và bộ biến đổi DC/DC không biến áp.
Các bộ biến đổi DC/DC không biến áp như : bộ biến đổi giảm áp (Buck
converter), bộ biến đổi tăng áp (Boost converter), bộ biến đổi tăng và giảm áp
(Buck-boost converter) và bộ biến đổi hỗn hợp (Cúk converter) có ưu điểm là đơn
giản trong kết cấu cũng như trong điều khiển. Tuy nhiên chúng cũng có nhược điểm
như: chỉ có một cấp điện áp ra, đầu vào và đầu ra không được cách ly về điện nên
có thể gây hư hỏng ngoài ý muốn đối với tải có điện áp thấp mà nguồn cấp lại có
điện áp cao.
Nhằm khắc phục các nhược điểm của bộ biến đổi không biến áp người ta sử
dụng có bộ biến đổi có biến áp. Các bộ biến đổi này cho phép:
• Có nhiều đầu ra cùng lúc.

• Đầu ra có thể là điện áp dương hoặc âm.
• Giá trị điện áp ra không phụ thuộc điện áp vào.
• Đầu vào cách điện với đầu ra.
Bộ biến đổi kiểu biến áp có 5 dạng chính:
• Bộ biến đổi thuận ( Forward converter )
• Bộ biến đổi kiểu đẩy kéo ( Push Pull converter )
• Bộ biến đổi hồi tiếp ( Fly back converter )
• Bộ biến đổi cầu bán phần ( Half bridge converter )
• Bộ biến đổi cầu ( Bridge converter )

5


1.2. Các bộ biến đổi có biến áp
1.2.1.Bộ biến đổi thuận
Bộ biến đổi thuận có sơ đồ như hình 1.1. Chuyển mạch S và điốte D1 hoạt
động đóng / mở một cách đồng bộ còn điốte D2 luân phiên đóng / mở. Mạch hoạt
động ở chế độ không liên tục, vì khoá S nối tiếp với cuộn sơ cấp đầu vào nên dòng
đầu vào không liên tục.
D1

+

L

+

Vi

D2

-

+

1: N

C

V0

R

-

S

Hình 1. 1: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi thuận
Bộ biến đổi thuận thực chất là bộ biến đổi Buck nhưng có thêm tỷ số N của
biến áp, do đó còn được gọi là bộ biến đổi Buck kiểu biến áp, điện áp đầu ra được
tính theo công thức:
VO = D.N.Vi

(1.1)

Mạch này được sử dụng rộng rãi khi công suất đầu ra từ 150 đến 200W với
điện áp DC đầu vào biến đổi trong phạm vi từ 60 đến 250V.
1.2.2.Bộ biến đổi kiểu đẩy - kéo
Đây chính là bộ biến đổi Boost làm việc ở trạng thái đẩy - kéo, điều này sẽ
hạn chế một cách hữu hiệu hiện tượng bão hoà lõi thép của biến áp.

Sơ đồ mạch cho ở hình 1.2
D1

+
Vi

L

+
+

1: N

S1

C

R

V0
-

S2

D2

6


Hình 1. 2: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi đẩy - kéo

Trong mạch có 2 khoá S làm việc luân phiên, điện áp đầu ra sẽ được nhân
đôi theo công thức:
VO = 2.D.N.Vi

(1.2)

Với N là tỉ số vòng dây của biến áp, D là hệ số dẫn D = Ton / T
1.2.3.Bộ biến đổi hồi tiếp
Bộ biến đổi này có sơ đồ mạch cho ở hình 2.12. Cuộn dây sơ cấp và thứ cấp
của biến áp được mắc ngược cực. Điốte D và chuyển mạch S luân phiên đóng / mở.
Dòng đầu vào bị ngắt quãng theo sự đóng mở của chuyển mạch S.
1: N

+
+

+

D
C

Vi

R

V0
-

S

Hình 1.3: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi hồi tiếp
Bộ biến đổi hồi tiếp cho điện áp đầu ra Vo tính theo công thức:
VO =

D
.N.Vi
1− D

(1.3)

Mạch biến đổi hồi tiếp có ưu điểm đặc biệt là không sử dụng cuộn cảm đầu
ra bên thứ cấp như các mạch khác, do vậy tiết kiệm được chi phí một cách đáng kể.
Mạch được sử dụng trong các ứng dụng có điện áp đầu ra lớn (≤ 5000V nhờ điều
chỉnh k và tỉ số biến áp N) nhưng công suất thấp (≤ 15W). Hoặc có thể đạt công
suất đầu ra đến 150W nếu đầu vào DC đủ lớn ( ≥ 160V).
1.2.4.Bộ biến đổi cầu bán phần
Bộ biến đổi này có cuộn dây thứ cấp được giảm thiểu, sơ đồ mạch cho trong
hình 1.4:

7


+
S1

L

+

1: N

+

C1

+

D1

C3

R

V0
-

Vi

-

D1

+

C2

S2

Hình 1.4: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi bán phần
Điện áp đầu ra được tính theo công thức: V0 = D.N.Vi

(1.4)

1.2.5Bộ biến đổi cầu toàn phần
Bộ biến đổi cầu toàn phần sử dụng nhiều chuyển mạch và do vậy điện áp đầu
ra được tăng gấp đôi. Sơ đồ mạch như hình 1.5:
+

S2

S1

D1

L

+
+

1: N

C

Vi

C1

R

V0
-

S3

D1

S4

-

Hình 1. 5: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi cầu toàn phần
Công thức tính điện áp đầu ra là:
VO = 2.D.N.Vi

(1.5)

Phần trên là đại về các bộ biến đổi DC/DC có biến áp. Tuy nhiên, trong
khuôn khổ có hạn của luận văn, tài liệu này chỉ trình bày chi tiết bộ biến đổi
Flyback trong chương 2.

8


Chương 2:Bộ biến đổi Flyback
2.1 Nguyên lý hoạt động
Bộ biến đổi Flyback chỉ thực hiện với sơ đồ có biến áp. Nó cũng là bộ biến
đổi có biến áp đơn giản nhất do có ít bộ phận nhất.
Bộ biến đổi Flyback có 4 phần tử chính: tranzitor công suất, điốt, máy biến
áp và tụ lọc. Tranzitor công suất dùng để điều khiển năng lượng trong mạch. Biến
áp là phần tử tích lúy năng lượng, thực hiện chức năng biến đổi điện áp của bộ điều
chỉnh. Điốt và tụ lọc cung cấp năng lượng điện một chiều cho tải.

Hoạt động của bộ biến đổi Flyback được giải thích bằng cách chia chu kỳ
làm việc thành hai phần: thời gian tranzitor dẫn và thời gian tranzitor khóa. Trong
khoảng thời gian tranzitor dẫn toàn bộ điện áp đầu vào đặt vào sơ cấp máy biến áp.
Kết quả là dòng điện sơ cấp biến áp tăng tuyến tính. Dòng điện này tiếp tục tăng
cho đến khi tranzitor khóa. Từ điểm này, điện áp qua tranzitor quét ngược về, cân
bằng với tổng của điện áp đầu vào cộng với tích số giữa hệ số máy biến áp và điện
áp đầu ra (cộng với điện áp rơi trên điốt). Ví dụ máy biến áp có hệ số máy biến áp là
1 với điện áp đầu ra 5V thì điện áp quét ngược lớn hơn điện áp vào khoảng 6V
(5V+ 1V điện áp rơi trên điốt). Trong quá trình quét ngược (thời gian tranzitor
khóa) điốt dẫn, do đó truyền năng lượng dự trữ lên tụ và tải. Quá trình quét ngược
tiếp tục cho đến khi lõi thép xả hết năng lượng hay đến khi tranzitor dẫn trở lại.
Dòng điện trong cuộn dây thứ cấp trong thời gian quét ngược là một tín hiệu răng
cưa tuyến tính giảm dần. Mọi người có thể thấy hiếm khi điện áp vào và điện áp ra
bằng nhau, số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp cũng không bằng nhau,
khoảng thời gian tranzitor dẫn và khoảng thời gian quét ngược cũng không bằng
nhau. Khi đó, tích số giữa điện áp và thời gian trong khoảng thời gian tranzitor dẫn
và khoảng thời gian quét ngược là bằng nhau( diện tích 2 phần gạch chéo như nhau
ở hình 2.1)
Sơ đồ hoạt động ở hai chế độ riêng biệt: liên tục và gián đoạn. Tuy nhiên hai
chế độ này có mạch giống nhau. Căn cứ vào dòng từ hoá chúng ta xác định chế độ
hoạt động của bộ biến đổi.
9


Hình 2.1: Bộ biến đổi Flyback
a) Sơ đồ mạch điện: b) Giản đồ các đường cong cơ bản
c) Minh hoạ chế độ dòng điện làm việc gián đoạn và liên tục
2.1.1.Chế độ liên tục
Khi tranzitor công suất T dẫn, dòng điện sơ cấp i 1 chạy trong mạch và tích
luỹ năng lượng trong cuộn dây sơ cấp. Vì cực tính cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

ngược chiều nhau nên điốt D không dẫn. Trong khoảng thời gian này năng lượng
không được truyền từ nguồn tới tải. Điện áp ra trên tải được duy trì nhờ dòng điện
tải i L cũng như năng lượng của tụ lọc. Khi T khoá, cực tính của cuộn dây đảo lại
làm xuất hiện dòng điện cuộn dây thứ cấp i 2 chạy qua điốt D và nạp năng lượng
cho tụ lọc, sinh dòng điện trên tải
Ở chế độ này, tranzitor dẫn lại trước khi xả hết năng lượng tích lũy trong
biến áp. Chế độ này cho khả năng công suất lớn. Trong khoảng thời gian tranzitor
dẫn, dòng điện sơ cấp biến áp tăng tuyến tính từ giá trị ban đầu và xác định theo
biểu thức:

10


I1 = I1 (0 ) +

U V .t ON
L1

(2.1)

Cuối thời gian dẫn, dòng điện sơ cấp đạt giá trị đỉnh:
I1pik = I1 (0) +

U V .D.TCK
L1

Nói chung I1 (0) >>

(2.2)

U V .D.TCK
nên có thể coi gần đúng I1pik ≈ I1 (0)
L1

(2.3)

Dòng điện thứ cấp I 2pik tại điểm đầu của khoảng T khoá:
⎛N ⎞
⎛ N ⎞⎛
U .D.TCK
I 2pik = ⎜⎜ 1 ⎟⎟.I1pik = ⎜⎜ 1 ⎟⎟.⎜⎜ I1 (0 ) + V
L1
⎝ N2 ⎠
⎝ N2 ⎠ ⎝

⎞ ⎛ N1
⎟⎟ ≈ ⎜⎜
⎠ ⎝ N2

⎞
⎟⎟.I1 (0 )
⎠

(2.4)

Dòng điện này giảm tuyến tính:
di 2
U
=− R
dt

L2

(2.5)

Công suất đầu ra PR quan hệ với điện áp ra theo biểu thức:
PR = U R .I 2 .

TCK − t ON
T − t ON
≈ U R .I 2 pik . CK
TCK
TCK

(2.6)

Hay:
I 2 pik =

PV =

PR
t
⎞
U R ⎛⎜1 − ON
⎟
T
CK ⎠
⎝

(2.7)

t
t
PR
= U V .I1 . ON ≈ U V .I1pik . ON
η
TCK
TCK

(2.8)

Hay:
I1pik =

PR

(2.9)

t
η.U V . ON
TCK

Kết hợp các biểu thức (2.4), (2.7), (2.9) ta có:

11


⎛ N ⎞ η.U V .D
U R = ⎜⎜ 2 ⎟⎟.
⎝ N1 ⎠ 1 − D

(2.10)

Điện áp ra khi D max :
⎛N
U R = ⎜⎜ 2
⎝ N1

⎞ η.U V min .D max
⎟⎟.
⎠ 1 − D max

(2.11)

Độ rộng xung điện áp cực đại:
D max =

1
⎛ N ⎞ η.U V min
1 + ⎜⎜ 2 ⎟⎟.
⎝ N1 ⎠ U R

(2.12)

2.1.2.Chế độ gián đoạn
Trong chế độ gián đoạn, toàn bộ năng lượng đã được tích lũy trong lõi thép ở
thời gian tranzitor dẫn sẽ được xả hết trong khoảng thời gian tranzitor khóa và điốt
D ngừng dẫn, tải nhận năng lượng từ tụ C cho đến khi tranzitor dẫn lại.
Trong thời gian tranzitor dẫn, điện áp nguồn U v đặt vào cuộn dây sơ cấp
biến áp. Dòng điện i 1 chạy qua cuộn dây sơ cấp biến thiên gần tuyến tính:

i1 =

t ON

∫
0

hay I1 =

UV
dt
L1

(2.13)

U V .t ON
L1

Tại cuối thời gian tranzitor dẫn, dòng điện sơ cấp đạt giá trị đỉnh:
I1pik =

U V .D.TCK
L1

(2.14)

Khi tranzitor chuyển sang chế độ khóa, dòng điện từ hóa trong biến áp đổi
chiều cực tính các cuộn dây.Tại thời điểm bắt đầu khóa, biên độ dòng điện cuộn dây
thứ cấp là:
I 2 pik =

N1
I1pik
N2

(2.15)

Dòng điện thứ cấp giảm tuyến tính theo công thức:
12


di 2
U
=− R
dt
L2

(2.16)

với L 2 điện cảm cuộn dây thứ cấp.
Ở chế độ gián đoạn i 2 giảm gần tuyến tính về 0 trước khi bắt đầu chu kỳ mới.
Vì vậy năng lượng truyền từ nguồn tới tải chỉ trong khoảng đầu của chu kỳ.
Công suất từ nguồn được tính:
PV =

L1 .I12
2.TCK

(2.17)

Thay (2.13) vào (2.17) ta có:
PV =

(U v .t ON )2

(2.18)

2.TCK .L1

Công suất ra:
PR = η.PV = η.

(U V .t ON )2
2.TCK .L1

=

U 2R
Rt

(2.19)

với η hiệu suất của bộ biến đổi, R t điện trở tải
Như vậy điện áp đầu ra tới tải được tính:
U R = U V .D.

η.R t .TCK
2L 1

(2.20)

Điện áp ra là hằng số trong khoảng t ON . Giá trị D cực đại được tính:
D max =

UR
U V min

2L 1
η.R t .TCK

(2.21)

Tương ứng điện áp ra khi D max là:
U R = U V .D max

η.R T .TCK
2.L1

(2.22)

Khi chuyển chế độ từ liên tục sang gián đoạn thì:
U R = U V .D max

η.R T .TCK ⎛ N 2
= ⎜⎜
2.L1
⎝ N1

⎞ η.U V min .D max
⎟⎟

⎠ 1 − D max

Giải phương trình trên theo L1 ta có:

13

(2.23)


L1 min = 0,5.η.TCK .

D 2max U 2V min
PR

(2.24)

L1 min quyết định chế độ làm việc của bộ biến đổi Flyback. Nếu L1 〈 L1 min

mạch hoạt động ở chế độ gián đoạn. Ngược lại nếu L1 〉 L1 min mạch hoạt động ở chế
độ liên tục.
Điện áp đầu ra của bộ biến đổi Flyback được tính:
UR =

D
.U V
n.(1 − D )

(2.25)

Bộ biến đổi Flyback được sử dụng rộng rãi với các ứng dụng có công suất

đầu ra ở mức thấp cụ thể là dưới 100 W. Ưu điểm của bộ biến đổi là đơn giản, dễ
chế tạo, giá thành thấp. Tuy nhiên do không có cuộn kháng lọc ở đầu ra nên bộ biến
đổi Flyback có dòng điện tải có độ nhấp nhô lớn. Vì vậy bộ biến đổi này không
được lựa chọn cho những tải có công suất lớn.

2.2 Tính toán thiết kế bộ biến đổi Flyback ở chế độ liên tục
2.2.1 Yêu cầu thiết kế
Dải điện áp đầu vào: 120 ÷ 240 VDC
Đầu ra định mức : +5 V, 10 A
-5 V, 10 A
Dòng tải thay đổi từ 1 A đến 10 A
2.2.2 Xem xét thiết kế sơ bộ
Công suất đầu ra khi đầy tải:
PR = (5V.10A ) + (5V.10A ) = 100 W

Công suất đầu vào ước lượng:
PV =

PR

η

= 100 W

0,8

= 125W

Dòng điện đầu vào trung bình dự kiến:

14


I TBthap =

PV

I TBcao =

PV

U Vmin
U Vmax

= 125W
= 125W

120V

240V

= 1,04 A
= 0,52 A

Dòng điện đỉnh lớn nhất dự kiến:
I pik =

2.PR
2.100 W
=

= 4,17 A
U Vmin ..D max .η 120V.0,5.0,8

Từ giá trị dòng trung bình đầu vào, có thể chọn cỡ của cuộn dây sơ cấp loại
AWG 20 của Mĩ có đường kính d=0,812 mm với mật độ dòng là 2,5 A / mm 2 .
2.2.3 Thiết kế máy biến áp
Điện cảm lớn nhất cần thiết cho cuộn sơ cấp:
L1 =

U Vmin .D max
120V.0,5
=
= 0,144 mH
I pik .f
4,17 A.100kHz

Chọn kiểu lõi và vật liệu làm lõi
Lõi hình xuyến là hợp kim Molybdenum-Permalloy(molypermalloy) làm
giảm điện cảm rò nên không cần mạch Snubber bảo vệ van lực.
Xác định kích thước cuộn dây hình xuyến. Đối với lõi molypermalloy thì
năng lượng chứa trong lõi sẽ quyết định kích thước và độ từ thẩm của lõi.
LI 2 = 0,144.4,17 2 = 2,5 ( L được tính theo mH)

Tiếp đó tham khảo hình 2.2 , xác định vị trí 2,5 trên trục x (nằm ngang) và
gióng thẳng lên cho tới khi cắt đường đầu tiên. Đường này cho ta độ từ thẩm cần
thiết và số hiệu lõi từ trục y (thẳng đứng). Nếu giao điểm giữa hai đường nằm giữa
hai số hiệu lõi thì chọn số hiệu lõi lớn hơn. Trong trường hợp này chỉ ra số hiệu lõi
là 55130 có độ từ thẩm là 125, đường kính lõi 0,9 inch= 22,86 mm.

15

Hình 2.2: Cơ sở cho lựa chọn lõi
Xác định số vòng dây cho cuộn sơ cấp
Tra bảng số liệu kỹ thuật, lõi có điện cảm 90mH trên 1000 vòng ( L1000 = 90 ).

16


Từ đó xác định số vòng cần thiết cho 0,144mH là:
N 1 = 1000.

L1
0,144mH
= 1000.
= 40 vòng
L1000
90mH

Vậy cuộn sơ cấp cần quấn 40 vòng.
Số vòng cần thiết cho cuộn thứ cấp:
N2 =

(U R + VD )(. 1 − D max ).N1 (5V + 1V )(1 − 0,5).40
=
= 2 vòng
U Vmin .D max

120V.0,5

Cuộn thứ cấp chịu dòng 10 A nên với mật độ dòng là 2,5 A / mm 2 thể chọn
cỡ của cuộn dây thứ cấp loại AWG 11 của Mĩ có đường kính d=2,305 mm
2.2.4 Lựa chọn các van bán dẫn
Lựa chọn điốt
Trong bộ biến đổi Flyback, nên chọn dòng ra của điốt chỉnh lưu lớn hơn 1,5
lần dòng ra trung bình vì dòng đỉnh lớn hơn nhiều so với dòng trung bình.
I D 〉1,5.I TB = 1,5.10A = 15 A

Điện áp định mức của điốt chỉnh lưu nên lớn hơn nhiều lần so với điện áp
điốt hoạt động trong trường hợp xấu nhất.
U D 〉UR +

N2
.U Vmax
N1

17


U D 〉 5V +

2
.240V = 17 V
40

Trong bộ biến đổi Flyback, thời gian phục hồi thuận của điốt ảnh hưởng rất
lớn đến kích cỡ xung nhọn khi van lực đóng. Do đó nên chọn điốt hồi phục nhanh
nhất. Trong trường hợp này chọn điốt loại MBR2540 Schottky 40V, 25 A
Lựa chọn tranzitor lực
Chọn MOSFET làm van lực, dù tranzitor lưỡng cực dễ sử dụng hơn nhưng

nó có tổn hao cao hơn, năng lượng cần để điều khiển nó lớn hơn. Điện áp định mức
của MOSFET được lựa chọn bởi điện áp ở trường hợp xấu nhất.
U ds 〉 U V +

N1
(U R + U D ) + U xung
N2

U ds 〉 240V +

40
(5V + 1V ) + U xung
2

U ds 〉 360V + U xung

Theo kinh nghiệm, với dạng mạch từ hình xuyến này sẽ có xung nhọn cỡ 35
V vì vậy U ds 〉395V .Để an toàn chọn 500V . Dòng điện định mức của MOSFET xác
định bởi đường cong FBSOA. Những MOSFET thông dụng có thể chịu đến 3 lần
dòng trung bình định mức. Bộ biến đổi Flyback có dòng đỉnh cỡ 4 đến 5 lần dòng
điện đầu vào trung bình vì vậy nên chọn dòng định mức:
I D 〉1.5I TBthap = 1,5.1,04 A = 1,56 A

Ta lựa chọn MOSFET là IRF840 500 V, 8 A.
Tụ lọc đầu ra:
C0 =

I R (max ).t OFF I R (max )
10
=

=
= 10 − 4 F = 100µ F
U ripple
U ripple .f
0,01.100.10 3

Chọn tụ lọc C 0 = 220µ F

18


Chương 3:Tổng quan về điều khiển mờ
3.1. Khái niệm về tập mờ:
3.1.1. Định nghĩa:
Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó là
một cặp các giá trị (x, µF(x)) trong đó x ∈ M và µF là ánh xạ:
µF: M → [0, 1]

(3.1)

Ánh xạ µF được gọi là hàm liên thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ F.
Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F.
Sử dụng các hàm liên thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần tử x nào đó
có hai cách: tính trực tiếp (nếu µF(x) ở dạng công thức tường minh) hoặc tra bảng
(nếu µF(x) ở dạng bảng).
Các hàm liên thuộc µF(x) có dạng “trơn” được gọi là hàm liên thuộc kiểu S.
Đối với hàm liên thuộc kiểu S, do các công thức biểu diễn µF(x) có độ phức tạp lớn
nên thời gian tính độ phụ thuộc cho một phần tử lâu. Trong kỹ thuật điều khiển mờ
thông thường, các hàm liên thuộc kiểu S thường được thay gần đúng bằng một hàm
tuyến tính từng đoạn.

Một hàm liên thuộc có dạng tuyến tính từng đoạn được gọi là hàm liên thuộc
có mức chuyển đổi tuyến tính.
µF(x)
Hình 3.1: Hàm liên thuộc µF(x) có mức
chuyển đổi tuyến tính.

1

0

m1 m 2

m3

m4

x

19


Hàm liên thuộc µF(x) như trên với m1 = m2 và m3 = m4 chính là hàm phụ
thuộc của một tập kinh điển.
3.1.2. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ:
Độ cao của một tập mờ F (trên cơ sở M) là giá trị:
H = sup µ F ( x )

(3.2)

x∈M

Một tập mờ với ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 được gọi là tập
mờ chính tắc tức là H = 1, ngược lại một tập mờ F với H < 1 được gọi là tập mờ
không chính tắc.
Miền xác định của tập mờ F (trên cơ sở M), được ký hiệu bởi S là tập con
của M thỏa mãn:
S = { x ∈ M | µF(x) > 0}

(3.3)

Miền tin cậy của tập mờ F (trên cơ sở M), được ký hiệu bởi T là tập con của
M thỏa mãn:
T = { x ∈ M | µF(x) = 1}

(3.4)

µF(x)
Hình 3.2:Miền xác định và miền
tin cậy của một tập mờ.

1

0

x

Miền tin cậy
Miền xác định

20

3.2. Các phép toán trên tập mờ:
3.2.1. Phép hợp:
Hợp của hai tập mờ A và B có cùng cơ sở M là một tập mờ cũng xác định
trên cơ sở M với hàm liên thuộc:
µA∪B(x) = MAX{µA(x), µB(x)},

(3.5)

µ

µA(x)

µB(x)

x

Hình 3.3:Hàm liên thuộc của hợp hai tập mờ có cùng cơ sở.

Có nhiều công thức khác nhau được dùng để tính hàm liên thuộc µA∪B(x) của
hợp hai tập mờ như:
•

⎧max{µ A ( x), µ B ( x)} neáu min{µ A ( x), µ B ( x)} = 0

µ A∪ B ( x ) = ⎨

⎩1 neáu min{µ A ( x), µ B ( x)} ≠ 0

,

(3.6)

• µA∪B(x) = min{1, µA(x) + µ B(x)}(Phép hợp Lukasiewicz),

a)

µ A (x) + µ B (x)
1 + µ A (x) + µ B (x)

•

µ A ∪B ( x ) =

•

µA∪B(x) = µA(x) + µB(x) - µA(x).µB(x) (Tổng trực tiếp),...

µA(x)

(3.7)

(Tổng Einstein),

(3.8)
(3.9)

µB(y)

x

y

21


µA(x, y)

b)

M×N

y

µB(x, y)

x

x
M×N
y

µA∪B(x, y)

x
M×N

c)
y

Hình 3.4:Phép hợp hai tập mờ không cùng cơ sở:
a) Hàm liên thuộc của hai tập mờ A, B.
b) Đưa hai tập mờ về chung một cơ sở M × N.
c) Hợp hai tập mờ trên cơ sở M × N.

Có hai tập mờ A (cơ sở M) và B (cơ sở N). Do hai cơ sở M và N độc lập với
nhau nên hàm liên thuộc µA(x), x ∈ M của tập mờ A sẽ không phụ thuộc vào N và
ngược lại µB(y), y ∈ N của tập mờ B cũng sẽ không phụ thuộc vào M. Điều này thể
hiện ở chỗ trên cơ sở mới là tập tích M × N hàm µA(x) phải là một mặt “cong” dọc
theo trục y và µB(y) là một mặt “cong” dọc theo trục x. Tập mờ A được định nghĩa
trên hai cơ sở M và M × N. Để phân biệt được chúng, ký hiệu A sẽ được dùng để
chỉ tập mờ A trên cơ sở M × N. Tương tự, ký hiệu B được dùng để chỉ tập mờ B
trên cơ sở M × N, với những ký hiệu đó thì:
• µA(x, y) = µA(x), với mọi y ∈ N và

(3.10)

• µB(x, y) = µB(y), với mọi x ∈ M.

(3.11)

22


Sau khi đã đưa được hai tập mờ A, B về chung một cơ sở là M × N thành A
và B thì hàm liên thuộc µA∪B(x, y) của tập mờ A ∪ B được xác định theo công thức
(3.9).
3.2.2. Phép giao:
Giao của hai tập mờ A và B có cùng cơ sở M là một tập mờ cũng xác định

trên cơ sở M với hàm liên thuộc:
µA∩B(x) = MIN{µA(x), µB(x)},

(3.12)

µA∩B(x)
µA(x)

µB(x)

Hình 3.5:Giao hai tập mờ cùng cơ sở.
x

Trong công thức trên ký hiệu min được viết hoa thành MIN chỉ để biểu hiện
rằng phép tính lấy cực tiểu được thực hiện trên tập mờ. Bản chất phép tính không có
gì thay đổi.
Có nhiều công thức khác nhau được dùng để tính hàm liên thuộc µA∩B(x) của
giao hai tập mờ như:
•

⎧min{µ A ( x), µ B ( x)} neáu max{µ A ( x), µ B ( x)} = 1

µ A∩ B ( x ) = ⎨

⎩0 neáu max{µ A ( x), µ B ( x)} ≠ 1

,

(3.13)

• µA∩B(x) = max{0, µA(x) + µB(x) - 1}(Phép giao Lukasiewicz),(3.14)
•

µ A∩B ( x ) =

µ A ( x )µ B ( x )
(Tích Einstein),
2 − (µ A ( x ) + µ B ( x )) − µ A ( x )µ B ( x )

• µA∩B(x) =µA (x)µB(x)

(Tích đại số),...

(3.15)
(3.16)

Công thức trên cũng áp dụng được cho hợp hai tập mờ không cùng cơ sở
bằng cách đưa cả hai tập mờ về chung một cơ sở là tích của hai cơ sở đã cho.

23


Chẳng hạn có hai tập mờ A định nghĩa trên cơ sở M và B định nghĩa trên cơ
sở N. Do hai cơ sở M và N độc lập với nhau nên hàm liên thuộc µA(x), x ∈ M của
tập mờ A sẽ không phụ thuộc vào N và ngược lại µB(y), y ∈ N của tập mờ B cũng
sẽ không phụ thuộc vào M. Trên cơ sở mới là tập tích M × N hàm µA(x) là một mặt
“cong” dọc theo trục y và µB(y) là một mặt “cong” dọc theo trục x. Tập mờ A (hoặc
B) được định nghĩa trên hai cơ sở M (hoặc N) và M × N. Để phân biệt, ký hiệu A
(hoặc B) sẽ được dùng để chỉ tập mờ A (hoặc B) trên cơ sở mới là M × N. Với
những ký hiệu đó thì

µA(x, y) = µA(x), với mọi y ∈ N và

(3.17)

µB(x, y) = µB(y), với mọi x ∈ M.

(3.18)

µA∩B(x, y)

x

M×N
Hình 3.6:Phép giao hai tập mờ không cùng cơ sở.

y

3.2.3. Phép bù:
Bù của tập mờ A có cơ sở M và hàm liên thuộc µA(x) là một tập mờ AC xác
định trên cùng cơ sở M với hàm liên thuộc:
µAc(x) = 1 - µA(x).

1

(3.19)

µA(x)

1
x

a)

µAc(x)

x

Hình 3.7:Tập bù AC của tập mờ A.
a) Hàm liên thuộc của tập mờ A.
b) Hàm liên thuộc của tập mờ AC.
24

b)