Control buck converter (có link mô phỏng ở cuối)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN

MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐTCS

Thiết kế bộ điều khiển điều khiển gián tiếp đầu ra – hai mạch vòng
Buck Converter
GVHD: PGS.TS TRẦN TRỌNG MINH

Sinh viên thực hiện:

Vũ Đức An

20160025

Lê Xuân Tuyển

20164439


Nội dung báo cáo

I. Xậy dựng mô hình hàm truyền Buck Converter
II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter
1. Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Buck
2. Cấu trúc điều khiển dòng điện trung bình cho bộ biến đổi Buck

III. So sánh 2 bộ điều khiển

I. Xây dựng mô hình hàm truyền Buck Converter

Buck Converter

 diL
 L dt = uin − vc − iL rL
0 ≤ t ≤ dTs

C dvc = i − vc
L
 dt
R

 diL
 L dt = −vc − iL rL
dTs ≤ t ≤ Ts

C dvc = i − vc
L
 dt
R


I. Xây dựng mô hình hàm truyền Buck Converter


Mô hình đóng cắt có dạng tuyến tính:

  −r
 .  

 iL  =   L
 .   1
 vc   
 C

−1 
 −uin

L  iL   L
  +
−1   vc   0

RC 

    −r
 ÷  L
 u ÷+  
 ÷  1

 ÷
   C


−1 
÷
L   iL 
÷
(1
−
u

)
 
−1   vc 
÷
÷
RC 


 − r −1 
 −uin 
  
iL 
L
L   iL   L 

→ . =
 + 
u
  1
−1   vc   0 
 vc  


 C RC 
 Thay các giá trị trung bình:
d= u
.

0

 L i. = du − v − i r
in
c
L L
 L
(1)
 .
vc
C vc = iL −

R


I. Xây dựng mô hình hàm truyền Buck Converter
 L i. = du − v − i r
in
c
L L
 L
(1)
 .
vc
C vc = iL −

R
Từ phương trình 1 ta suy ra được phương trình với các tín hiệu nhỏ:
.

~

~

~

~

L iL = d uin − v c − iL rL


Hàm truyền

H id :
~

H id ( s ) =

iL
~

d

|~

vc = 0

=

E
L
s +1

rL


I. Xây dựng mô hình hàm truyền Buck Converter


Mạch vòng dòng điện bên trong đảm bảo dòng iL bám theo lượng đặt iL * đủ nhanh

.

C vc = kiL* −


.

~
*
L

vc
R

Tiến hành tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân bằng, xác định bởi điện trở tải Re :

~

vc ~
→ C vc = i − − is
Re
~



Hàm truyền dòng điện điện áp :

~

H vi ( s ) =

vc
~
*
L

i

|~

i L =0

=

kR e
CR e s + 1

iL = kiL* (k ~ 1)


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter

Thông số mạch Buck Converter:






Điện áp nguồn Uin = 28V
Điện áp ra Uc = 15V
Điện trở tải R = 3
Tham số của mạch:

L = 50 µ H , C = 500 µ F , rL = 0.1, f s = 100kHz


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter

1.


Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Buck

Mạch vòng dòng điện

Sơ đồ khối

Sơ đồ bộ điều khiển


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter

1.


Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Buck

Mạch vòng dòng điện

=> Giải pháp là t bù một độ nghiêng mc
Với Buck converter chọn mc = m2 và tần số bằng tần số đóng cắt fs


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter

1.


Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Buck

Mạch vòng điện áp:



Lựa chọn bộ điều khiển PI

K cv =

1
Tqdv Rwpv

II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter

1.

Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Buck


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter

1.

Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Buck

Kết quả mô phỏng :




Điện áp đặt U_ref= 15 (V)
Giá trị tải giảm từ R xuống R/2 tại t=15ms
Nhân xét:





Dòng điện xác lập tại t=5ms
Điện áp xác lập sau khoảng t= 10ms
Khi tải R=R/2

+ Dòng điện xác lập tại sau t = 10ms
+ Điện áp xác lập sau



t =15ms


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter

1.

Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Buck

Kết quả mô phỏng :

Đặc tính dòng điện đặt (iL), dòng điện đặt sau khi bù độ nghiêng (iSubtrac) và dòng điện chảy qua van (iv)


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter
2. Cấu trúc điều khiển dòng trung bình cho bộ biến đổi Buck


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter
2. Cấu trúc điều khiển dòng trung bình cho bộ biến đổi Buck
Mạch vòng dòng điện:

~



Hàm truyền

H id ( s ) =

w pi =

~

d

|~

vc = 0

=

E
1+

s
w pi

 w 
Gci ( s ) = Kci  1 + Li ÷
s 

~
w Li = w pi
H id ( s )Gci ( s )

iL
1
1
H
s
=
|
=
=
=
(
)
ci
~ ~
 Hàm truyền hệ kín mạch vòng dòng điện:
1 + H id ( s )Gci ( s ) ( 1 ) s + 1 Tqdi s + 1
* vc = 0
iL
K ci Ewp
= Tqvi / 10



Tqdi

rL
L

iL

Lựa chọn bộ điều khiển PI

1
Kci =
Tqdi Ewpi


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter
2. Cấu trúc điều khiển dòng trung bình cho bộ biến đổi Buck
Mạch vòng điện áp:

~



Hàm truyền:

H vi ( s ) =

vc
~
*
L

i

k=1, w pv =


Lựa chọn bộ điều khiển PI:



K cv =

|~

i L =0

1
1+

s
w pv

1
, Re = R
Re C

 w 
Gcv ( s ) = K cv 1 + Lv ÷
s 

w Lv = w pv

Hàm truyền hệ kín mạch vòng dòng điện:

1
Tqdv Rwpv

= kR e

H cv ( s ) =

~

iL

|~

~
* i s =0
0

v

=

H vi ( s )Gcv ( s )
=
1 + H vi ( s)Gcv ( s ) (

1
1
K cv Rw pv

1
) s + 1 Tqdv s + 1
=

II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter
2. Cấu trúc điều khiển dòng trung bình cho bộ biến đổi Buck
Mô phỏng Matlab:


II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter
2. Cấu trúc điều khiển dòng trung bình cho bộ biến đổi Buck
Mô phỏng Matlab




Điện áp đặt U_ref= 15 (V)
Giá trị tải giảm từ R xuống R/2 tại t=15ms
Nhân xét:





Dòng điện xác lập tại t=5ms
Điện áp xác lập sau khoảng t= 7ms
Khi tải R=R/2
+ Dòng điện xác lập tại sau t = 5ms
+ Điện áp xác lập sau



t =10ms

II. Cấu trúc các bộ điều khiển Buck Converter
2. Cấu trúc điều khiển dòng trung bình cho bộ biến đổi Buck
Mô phỏng Matlab



Điện áp đặt U_ref tăng từ 15V đến 24V


II. So sánh 2 bộ điều khiển



Điện áp đặt U_ref= 15 (V)
Giá trị tải giảm từ R xuống R/2 tại t=15ms

Đồ thi điện áp đầu ra


II. So sánh 2 bộ điều khiển



Điện áp đặt U_ref= 15 (V)
Giá trị tải giảm từ R xuống R/2 tại t=15ms

Đồ thi đáp ứng dòng điện đầu ra

II. So sánh 2 bộ điều khiển

Bộ điều khiển dòng đỉnh:

 Không cần phải thiết lập độ chênh nhau về hằng số thời gian giữa mạch vòng trong với
mạch vòng ngoài

 Là khả năng bảo vệ transistor vì bất cứ khi nào dòng vượt quá ic(t) transistor đều bị khóa
lại.

Nhược điểm của điều khiển theo dòng điện là sơ đồ nhạy với nhiễu


Link mô phỏng:
/> />