Thiết kế bộ điều khiển fuzzy pid cho dc dc converter điều khiển động cơ dc

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN NGỌC BẢO

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PID CHO DC/DC
CONVERTER ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN NGỌC BẢO

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PID CHO DC/DC
CONVERTER ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa
Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. GIÁP QUANG HUY

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu đã nêu trong
luận văn có nguồn gốc rõ ràng, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi đã tự nghiên cứu, học hỏi dựa trên các kiến thức đã học, làm việc và sự hỗ trợ
của Giáo viên hướng dẫn cũng như đồng nghiệp.
Tác giả

Phan Ngọc Bảo


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
2. Mục đích nghiên cứu
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
6. Cấu trúc của luận văn

Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ DC/DC CONVERTER
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG……………………………………………………...
1.2. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT DC/DC……………………………….

1.2.1. Khái quát chung…………………………………………….....……
1.2.2. Các bộ biến đổi DC-DC……………………………………….……
1.2.2.1. Bộ biến đổi DC-DC có cách ly……………………………….
1.2.2.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách ly………………….…….....
1.2.3. Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp (Buck Converter)…………..
1.2.3.1. Mơ hình chuyển mạch kiểu vật lý……………………………..
1.2.3.1. Mơ hình khơng gian trạng thái………………………………..
1.2.4. Các chế độ hoạt động của bộ biến đổi điện áp DC-DC…………….
1.2.4.1. Chế độ dòng điện liên tục……………………………………..
1.2.4.2. Chế độ dòng điện gián đoạn…………………………............
1.2.5 Chọn giá trị Lmin cho bộ biến đổi điện áp DC-DC…………………..
1.3 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MẠCH BĂM XUNG……………............
1.3.1. Thay đổi độ rộng xung………………………………………...........

1
1
2
2
2
2
3
4
4
5
5
6
6
6
7
7

10
13
13
13
15
16
16


1.3.2. Thay đổi tần số xung ……………………………………………….
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1…………………………………………………..

Chƣơng 2 - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
& MƠ HÌNH HĨA...............................................................………………...
2.1. CẤU TRÚC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU……………………………..
2.2. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU …………………..
2.2.1. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ………………….
2.2.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập……...........
2.3. MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU..............................................
2.3.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều..............................…….
2.3.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều.......................................
2.3.2.1. Mô tả chung…………………………………………………….
2.3.2.2. Trường hợp khi từ thơng kích từ khơng đổi………………..

17
17
18
18
19
19

19
22
23
24
24
26

Chƣơng 3 - LOGIC MỜ VÀ CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ BỘ
ĐIỀU KHIỂN PI……………………………………………………………..

27

3.1. GIỚI THIỆU CHUNG……………………………………………………..

27
28
28
29
31
31
31
32
32
32
33
33
35
35
36
38

3.2. LOGIC MỜ………………………………………………………………...
3.2.1. Tập mờ và hàm thuộc........................................................................
3.2.2. Các hàm thuộc thƣờng dùng.............................................................
3.2.3. Biến mờ và biến ngôn ngữ................................................................
3.2.3.1. Biến mờ................................................................................
3.2.3.2. Biến ngơn ngữ......................................................................
3.2.4. Luật “Nếu ... Thì ...”..........................................................................
3.2.5. Suy luận mờ và luật hợp thành..........................................................
3.2.5.1. Mệnh đề hợp thành...............................................................
3.2.5.2. Luật hợp thành MAX-MIN, MAX-PRO................................
3.2.5.3. Luật của nhiều mệnh đề hợp thành......................................
3.2.5.4. Luật hợp thành SUM-MIN và SUM-PROD.........................
3.2.6. Giải mờ (rõ hóa)................................................................................
3.2.6.1. Phương pháp cực đại..........................................................
3.2.6.2. Phương pháp điểm trọng tâm..............................................


3.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ…………………………………………………………….
3.3.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản.....................................................
3.3.2. Tối ƣu hố hệ thống..........................................................................
3.3.3. Mơ hình mờ Sugeno..........................................................................
3.3.4. So sánh mơ hình Mamdani và mơ hình Sugeno.................................
3.4. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ.............................................................
3.4.1. Nguyên tắc.........................................................................................
3.4.2. Các bƣớc thực hiện............................................................................
3.4.2.1. Đối với bộ điều khiển mờ theo mơ hình Mamdani..............
3.4.2.2. Đối với bộ điều khiển mờ theo mơ hình Sugeno..................
3.4.3. Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển mờ......................................
3.5. HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID....................................................................

3.5.1. Giới thiệu chung.................................................................................
3.5.2. Bộ điều khiển mờ lai kinh điển..........................................................
3.5.3. Chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID........................................
3.6. TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ.............................................
3.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3..............................................................................

Chƣơng 4 - THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ-PI...............................
4.1. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ..................................................
4.1.1. Thông số động cơ DC .......................................................................
4.1.2. Bộ Buck DC-DC converter ...............................................................
4.1.3. Tổng hợp bộ điều khiển ....................................................................
4.1.3.1. Mờ hóa ..................................................................................
4.1.3.2. Luật điều khiển và quy tắc hợp thành ...................................
4.1.3.3. Giải mờ ..................................................................................
4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...............................................................................
4.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 .............................................................................

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................

39
39
40
41
43
43
44
44
44
45

45
46
46
47
48
50
50
52
52
52
53
54
57
58
60
61
62
63
64


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PID CHO DC/DC CONVERTER ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ DC
Học viên: Phan Ngọc Bảo. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:

Khóa: K34.TĐH.QNg. Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

Tóm tắt: Với yêu cầu về công nghệ ngày càng cao, chất lƣợng điều khiển ngày càng tốt hơn.
Do đó mục tiêu của đề tài hƣớng tới là xây dựng đƣợc cơ sở lý thuyết về phƣơng pháp điều

khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp đầu vào của
động cơ. Cụ thể là điều khiển điện áp ra cho bộ Buck DC-DC cung cấp cho động cơ bằng
phƣơng pháp Fuzzy-PID, khảo sát tính ổn định của tốc độ động cơ nhằm nâng cao chất lƣợng
điều khiển động cơ điện một chiều.
Đề tài này mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn về vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển
mờ trong việc điều khiển các đối tƣợng phi tuyến nói chung và bộ Buck converter nói riêng.
Đề tài đã chỉ ra đƣợc sự kết hợp giữa điều khiển mờ và điều khiển kinh điển sẽ mang lại kết
quả tối ƣu hơn so với chỉ sử dụng bộ điều khiển kinh điển
Từ khóa: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp; điều khiển mờ; PID; điều khiển mờ chỉnh định PID;
động cơ điện 1 chiều; bộ biến đổi độ rộng xung.
DESIGN FUZZY-PID CONTROLLER FOR DC/DC CONVERTER CONTROL DC
MOTOR
Abstract: With the increasing demand for technology, quality control is getting better and
better. The objective of the project is to develop a theoretical basis for the independent DC
motor speed control method by changing the input voltage of the motor. Specifically, it
controls the output voltage of the Buck DC-DC to the motor by Fuzzy-PID, which investigates
the stability of the motor speed to improve the quality of drive DC motors.
This topic has a scientific and practical significance for the application of fuzzy control
theory in the control of nonlinear objects in general and the Buck converter in particular. The
topic has shown that the combination of fuzzy control and classic control will produce better
results than using only classic controllers.
Key words: buck converter; fuzzy logic; PID; fuzzy-PID control; DC motor; pulse width
converter.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
f

:

Tần số dịng điện

fs

:

Tần số chuyển mạch

Pđm

:

Cơng suất danh định

P0

:

Cơng suất ra

nđm

:

Tốc độ định mức

Uđm

:

Điện áp định mức

Utb

:

Điện áp trung bình

Iđm

:

Dịng điện định mức

Ɛ

:

Hệ số lấp đầy

Uƣ

:

Điện áp phần ứng

Eƣ

:

Sức điện động phần ứng

Rƣ

:

Điện trở mạch phần ứng

Iƣ

:

Dòng điện mạch phần ứng

rƣ

:

Điện trở cuộn dây phần ứng

rcf

:

Điện trở cuộn dây mạch từ phụ

rct

:

Điện trở tiếp xúc cuộn bù

Φ

:

Từ thơng kích từ dưới một cực từ

N

:

Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a

:

Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

j

:

Mơ men qn tính

Kb

:

Hằng số sức phản điện động

Ka

:

Hằng số từ thông động cơ

Fm

:

Hệ số ma sát

Mđt

:

Momen điện từ

Mcơ

:

Momen cơ

Mc

:

Momem tải

Vdk

:

Điện áp điều khiển


V0

:

Điện áp đầu ra

Lkt

:

Điện cảm cuộn kích từ

Rkt

:

Điện trở cuộn kích từ

Ukt

:

Điện áp kích từ

ikt

:

Dịng điện kích từ



:

Mơ men quay trên trục động cơ

L

:

Mơ men tải

:

Vận tốc góc

T1

:

Thời gian đóng khóa van

T2

:

Thời gian ngắt khóa van

T

:

Chu kỳ chuyển mạch

D

:

Chu kỳ làm việc

Vin

:

Điện áp vào

Vout

:

Điện áp ra

e

:

Sai lệch tốc độ

de/dt

:

Đạo hàm sai lệch

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
1.1

Để chọn một giá trị điện cảm phù hợp trong chế độ dòng điện liên
tục và dòng điện gián đoạn của bộ biến đổi điện áp DC-DC.

16

4.1

Bảng luật mờ cho hệ số chỉnh định KP

59

4.2

Bảng luật mờ cho hệ số chỉnh định KI

59


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số
hiệu
hình
vẽ
1.1

Tên hình vẽ

Trang

Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi

5

1.2

Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển

7

1.3

Bộ biến đổi DC-DC giảm áp chuyển mạch bằng khóa bán dẫn

7

1.4

Bộ biến đổi DC-DC giảm áp với chuyển mạch lý tƣởng

7

1.5

Bộ biến đổi DC-DC giảm áp khi khóa đóng (a) và khóa ngắt (b)

8

1.6

Dạng sóng điện áp và dòng điện trên bộ biến đổi
Buck DC-DC

9

1.7

Mạch Buck converter ở chế độ ON

10

1.8

Mạch Buck converter ở chế độ OFF

11

1.9

Dòng điện qua cuộn cảm của bộ biến đổi DC-DC

14

1.10

Sơ đồ phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra

16

2.1

Động cơ điện 1 chiều (nguồn: wikipedia)

18

2.2

Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

19

2.3

Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

21

2.4

Mạch điện thay thế của động cơ một chiều

22

2.5

Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều

25

2.6

Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hố động cơ điện một chiều

26

2.7

Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi

26

3.1

Hàm thuộc kiểu tam giác a) và kiểu hình thang b)

30

3.2a

Hàm thuộc hình chng

30

3.2b

Hàm thuộc Gaus

30

3.3

Mô tả giá trị ngôn ngữ chiều cao ngƣời Việt bằng tập mờ

31

3.4

Giải mờ bằng phƣơng pháp cực đại

36

3.5

Giải mờ theo nguyên lý trung bình

37


3.6

Giải mờ theo nguyên lý cận trái

37

3.7

Giải mờ theo nguyên lý cận phải

38

3.8

Giải mờ bằng phƣơng pháp điểm trọng tâm

38

3.9

Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ

39

3.10

Cấu trúc của bộ điều khiển mờ cơ bản

43

3.11

Hệ điều khiển mờ lai

47

3.12

Mơ hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển

48

3.13

Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID

49

3.14

Bên trong bộ chỉnh định mờ

50

4.1

Sơ đồ khối của hệ truyền động

52

4.2

Mơ hình bộ Buck DC-DC converter

53

4.3

Mơ hình điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID

54

4.4

Bộ điều khiển PI trong Matlab simulink

54

4.5

Mô phỏng điều khiển hệ thống bằng PI trong Matlab simulink

55

4.6

Đáp ứng tốc độ của động cơ DC với bộ điều khiển PI

55

4.7

Mơ hình chỉnh định mờ thơng số PID

56

4.8

Mơ hình bộ điều khiển chỉnh định mờ KP và KI

57

4.9a

Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào e và de/dt

58

4.9b

Sự phân bố giá trị mờ của biến đầu ra hệ số khuếch đại KP và KI

58

4.10

Sự tƣơng quan của biến đầu ra KP với hai biến đầu vào e và de/dt

59

4.11

Sự tƣơng quan của biến đầu ra KI với hai biến đầu vào e và de/dt

60

4.12

Mơ hình giải mờ

60

4.13

Mơ phỏng điều khiển hệ thống bằng Fuzzy-PI trong Matlab
simulink

61

4.14

Đáp ứng tốc độ của động cơ DC với bộ điều khiển Fuzzy-PI

61

4.15

So sánh đáp ứng tốc độ của hai bộ điều khiển trên một biểu đồ

62


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc. Ngành Kỹ thuật điều khiển
và tự động hóa ln là ngành đi đầu trong công cuộc đổi mới, việc thực hiện điều chỉnh
tốc độ của một dây chuyền, một hệ truyền động hay đơn giản nhất là động cơ truyền động
rất đƣợc coi trọng trong dây chuyền công nghệ. Trƣớc đây để điều chỉnh đƣợc tốc độ của
máy sản xuất, ta thƣờng dùng phƣơng pháp thay đổi cấu trúc cơ học nhƣ thay đổi tỷ số
truyền hay có thể thay đổi bản thân tốc độ của chính động cơ truyền động. . . nhƣng
những phƣơng pháp đó đều có một số hạn chế nhất định nhƣ: Không trơn, không linh
hoạt, cồng kềnh, giá thành cao. . . Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ bán
dẫn thì việc thay đổi tốc độ của bản thân động cơ truyền động đã có nhiều thay đổi.
Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lƣợng các hệ thống điều khiển tự động.
Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tƣợng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và
đặc tính phức tạp khác nhau. Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phƣơng
pháp điều khiển cụ thể cho từng đối tƣợng. Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều
khiển cho các hệ truyền động điện ngày càng đạt đƣợc chất lƣợng điều chỉnh cao, mức chi
phí thấp, và hiệu quả đạt đƣợc là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hoá truyền động
điện và trong các dây chuyền sản xuất.
Với ƣu điểm vƣợt trội là có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi điều chỉnh rộng,
trơn, mƣợt hơn đối với động cơ điện xoay chiều, động cơ điện một chiều thƣờng đƣợc
dùng ở những nơi cần điều chỉnh tốc độ chính xác nhƣ máy in, robot, máy CNC. . . Thay
vào các cơ cấu cơ khí to nặng, cồng kềnh, phản ứng chậm, ồn, tổn hao điện năng lớn là
các mạch điện tử gọn, nhẹ, phản ứng nhanh, chính xác.

Trƣớc đây tùy vào yêu cầu trong điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều mà
ngƣời ta hay dùng các hệ truyền động MF - ĐC hay KĐ - ĐC. . .khi cơng nghệ bán dẫn
phát triển mạnh thì điều khiển động cơ điện một chiều thƣờng đƣợc dùng là bộ biến đổi
thyristor, chỉnh lƣu thyristor, transistor hay mosfet … Công nghệ bán dẫn cũng tạo ra
đƣợc các bộ chuyển đổi nguồn có chất lƣợng chuyển đổi nguồn có chất lƣợng điện áp cao,
kích thƣớc nhỏ gọn. Một trong số đó là bộ biến đổi DC-DC, biến đổi điện áp một chiều
thành điện áp một chiều với các mức điện áp mong muốn cung cấp cho động cơ một
chiều nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ.
Bộ biến đổi DC-DC giảm áp có cấu trúc không quá phức tạp, nhƣng vấn đề điều
khiển nhằm đạt đƣợc hiệu suất cao và đảm bảo tính ổn định ln là mục tiêu của các cơng
trình nghiên cứu. Việc lựa chọn phƣơng pháp điều khiển bộ biến đổi DC-DC sao cho tối


2

ƣu là vấn đề rất quan trọng. Xuất phát từ thực tế đó tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu khoa
học: “Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-PID cho DC/DC converter điều khiển động cơ
DC”.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Với yêu cầu về công nghệ ngày càng cao, kéo theo chất lƣợng điều khiển ngày càng
khắt khe hơn. Do đó mục tiêu của đề tài hƣớng tới là xây dựng đƣợc cơ sở lý thuyết về
phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi
điện áp đầu vào của động cơ. Cụ thể là điều khiển điện áp ra cho bộ Buck DC-DC cung
cấp cho động cơ bằng phƣơng pháp Fuzzy-PID, xây dựng mơ phỏng trên MATLAB
SIMULINK, khảo sát tính ổn định của tốc độ động cơ nhằm nâng cao chất lƣợng điều
khiển động cơ điện một chiều.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi.

- Phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng phƣơng pháp thay đổi điện
áp đặt vào phần ứng.
- Phƣơng pháp điều khiển kích xung bộ Buck converter để có điện áp đầu ra nhƣ
mong muốn.
- Mô phỏng hệ thống trên Matlab & Simulink.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phƣơng pháp đƣợc nhiều nhà khoa học
trong và ngồi nƣớc sử dụng rất nhiều đó là phƣơng pháp mơ hình hố hệ thống. Trong
luận văn đã sử dụng phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mơ hình hố và mơ phỏng hệ
thống điều khiển Fuzzy-PID cho bộ Buck DC-DC, đây là công cụ khá đắc lực trợ giúp
trong việc nghiên cứu, có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền
động động cơ một chiều. Trên cơ sở kết quả thu đƣợc sẽ rút ra các đánh giá và kết luận.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Với kết quả nghiên cứu đƣợc, đề tài này mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn về
vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ trong việc điều khiển các đối tƣợng phi tuyến
nói chung và bộ Buck converter nói riêng. Đề tài đã chỉ ra đƣợc sự kết hợp giữa điều
khiển mờ và điều khiển kinh điển sẽ mang lại kết quả tối ƣu hơn so với chỉ sử dụng bộ
điều khiển kinh điển. Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để có thể ứng


3

dụng thực tế trong vấn đề điều khiển các đối tƣợng phi tuyến mà cụ thể là điều khiển điện
áp đầu ra cho bộ Buck converter cấp nguồn và điều khiển tốc độ cho động cơ DC.

6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm có 4 chƣơng đƣợc trình bày theo cấu trúc sau:

MỞ ĐẦU
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ DC/DC CONVERTER
CHƢƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ
ĐỘC LẬP & MƠ HÌNH HĨA
CHƢƠNG 3: LOGIC MỜ VÀ CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ BỘ
ĐIỀU KHIỂN PI
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PI
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.


4

Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ DC/DC CONVERTER
1.1.

GIỚI THIỆU CHUNG

Trong điện tử công suất các bộ biến đổi bán dẫn luôn là đối tƣợng nghiên cứu quan
trọng. Các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất đƣợc sử dụng nhƣ những khóa bán
dẫn, cịn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dịng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì khơng
cho dịng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện
đóng cắt dịng điện mà khơng gây nên tia lửa điện, khơng bị mài mịn theo thời gian.Tuy
có thể đóng ngắt các dịng điện lớn nhƣng các phần tử bán dẫn công suất lại đƣợc điều
khiển bởi các tín hiệu điện cơng 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. Nhƣ vậy quá trình biến đổi năng lƣợng đƣợc
thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện
tử, khơng đáng kể so với cơng suất điện cần biến đổi. Không những đạt đƣợc hiệu suất
cao mà các bộ biến đổi cịn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lƣợng với các
đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian

ngắn nhất, với chất lƣợng 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 khơng thể có đƣợc.
Trong điện tử cơng suất có nhiều trƣờng hợp phải thực hiện q trình biến đổi một
điện áp một chiều khơng đổi thành điện áp một chiều khác có giá trị điều chỉnh
trong phạm vi rộng. Để thực hiện quá trình biến đổi này ngƣời ta đã sử dụng nhiều
phƣơng pháp khác nhau. Phƣơng pháp biến đổi cho hiệu suất cao, dùng đƣợc trong dải
công suất từ nhỏ đến lớn và thực hiện điều chỉnh điện áp ra một cách thuận tiện nhất
là sử dụng các bộ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều, thƣờng gọi
tắt là bộ biến đổi DC-DC và cũng đƣợc gọi là xung điện áp hoặc băm điện áp. Bộ biến đổi
DC-DC là thiết bị biến đổi điện năng ứng dụng các linh kiện bán dẫn có điều khiển. Các
mạch điều khiển có yêu cầu về chất lƣợng, về tính linh động và nhỏ gọn, về đáp ứng đƣợc
đặt lên hàng đầu. Nhƣng vấn đề hiệu suất đƣợc đặc biệt quan tâm đối với các mạch công
suất lớn. 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 cơng suất, do đó đƣợc ƣa thích hơn trong các
mạch công suất lớn.


5

1.2.

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CƠNG SUẤT DC/DC
1.2.1. Khái qt chung:

Có rất nhiều bộ biến đổi chuyển mạch khác nhau trong điện tử công suất, nhƣng
thông dụng nhất là bộ biến đổi dựa vào tính chất dịng điện ngõ vào và ngõ ra. Về ngun
tắc, chúng ta chỉ có dịng điện một chiều (DC) hay xoay chiều (AC), do vậy có 4 tổ hợp
khác nhau đối với bộ đơi dịng điện ngõ vào và ngõ ra (theo quy ƣớc thông thƣờng, ta viết
ngõ vào trƣớc, sau đó đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, AC-AC. Bộ biến đổi ACDC chính là bộ chỉnh lƣu (rectifier), bộ biến đổi DC-AC đƣợc gọi là bộ nghịch lƣu
(inverter). Hai loại còn lại đƣợc gọi chung là bộ biến đổi converter.

AC, V1, f1
Bộ biến
đổi gián tiếp

Bộ biến đổi
Trực tiếp AC/AC

AC, V2, f2

Chỉnh lƣu
AC/DC

DC, Vdc1

Bộ
biến đổi

DC, Vdc2

Nghịch lƣu
DC/AC

Hình 1.1: Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi
Bộ biến đổi AC-AC thƣờng đƣợc 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, khơng có tầng liên
kết trung gian DC, và chúng đƣợc 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.
Bên cạnh sự phát triển các bộ biến đổi AC-AC thì các bộ biến đổi DC-DC cũng
đang đƣợc sử dụng ngày càng rộng rãi. Bộ biến đổi DC-DC đƣợc sử dụng ở các mạch một
chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện nâng công suất vừa và nhỏ, đặc biệt là những
hệ thống phát điện sử dụng năng lƣợng tái tạo nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời…


6

1.2.2. Các bộ biến đổi DC-DC
1.2.2.1. Bộ biến đổi DC-DC có cách ly
Với bộ biến đổi DC-DC có cách ly, điện áp một chiều đầu vào đƣợc biến đổi thành
điện áp xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều đƣợc nâng lên qua biến áp xung,
sau khi qua hệ thống lọc LC sẽ cho ra điện áp một chiều có biên độ mong muốn. Các sơ
đồ biến đổi theo nguyên lý DC-DC có cách ly gồm có:
- Sơ đồ biến đổi FlyBack
- Sơ đồ biến đổi Push Pull
- Sơ đồ biến đổi Half Bridge
- Sơ đồ biến đổi Full Bridge
Bộ biến đổi DC-DC có cách ly đƣợc phân biệt nhờ có sự cách ly giữa nguồn đầu vào
và nguồn đầu ra bởi biến áp xung, vì vậy bộ biến đổi này có ƣu điểm là hạn chế đƣợc
nhiễu tải tác động ngƣợc lại nguồn đầu vào và các linh kiện, thiết bị trong mạch, có thể
tăng giảm mức điện áp đầu ra dễ dàng và có cơng suất lớn. Nhƣng có nhƣợc điểm là với
kích thƣớc lớn và giá thành cao thì các bộ biến đổi DC-DC có cách ly chỉ đƣợc sử dụng
trong các ứng dụng cơng suất lớn, địi hỏi phải có cách ly.
1.2.2.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách ly
Bộ biến đổi DC-DC không cách ly là bộ biến đổi công suất bán dẫn kiểu chuyển
mạch, 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 ƣu thế hơn ở các mạch công suất lớn.

Các bộ biến đổi DC-DC không cách ly bao gồm:
- Bộ biến đổi giảm áp (Buck)
- Bộ biến đổi tăng áp (Boost)
- Bộ biến đổi đảo dấu điện áp (buck-boost/inverting).
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, nhƣng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa
trên hiện tƣợng duy trì dịng điện đi qua điện cảm. Các bộ biến đổi DC-DC khơng cách ly
có ƣu điểm là mạch đơn giản, giá thành thấp, thƣờng đƣợc ứng dụng trong các bộ biến đổi
DC-DC công suất nhỏ.


7

Hình 1.2: Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển
1.2.3. Mơ hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp (Buck Converter)
1.2.3.1. Mơ hình chuyển mạch kiểu vật lý:

Hình 1.3: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp chuyển mạch bằng khóa bán dẫn
Bộ biến đổi DC-DC giảm áp đƣợc lí tƣởng hóa khóa (van) ở hình 1.4 và hoạt động
theo ngun tắc sau:

Hình 1.4: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp với chuyển mạch lý tƣởng
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 hƣớng duy trì dịng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực
thuận. Điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngƣợc 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.

8

(a)

(b)

Hình 1.5: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp khi khóa đóng (a)
và khóa ngắt (b)
Ở trạng thái xác lập, dịng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của
dòng điện ở cuối chu kỳ trƣớc bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét trƣờng
hợp dịng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục. Vì điện cảm
khơng tiêu thụ năng lƣợng (điện cảm lý tƣởng), do đó điện áp rơi trung bình trên điện cảm
bằng 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). Nhƣ vậy, T = T 1 + T2. 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

cịn điện áp

rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể đƣợc biểu diễn là:

Hay
Giá trị

thƣờng đƣợc gọi là chu kỳ làm việc (duty cycle).
Nhƣ vậy

với

D thay đổi từ 0 đến 1 (không gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0< V out < Vin. Với các bộ
biến đổi buck, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác
định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ làm
việc, để đảm bảo ổn định đƣợc điện áp ngõ ra.


9

Hình 1.6: Dạng sóng điện áp và dịng điện trên bộ biến đổi Buck DC-DC
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 làm việc D:
và
Thông thƣờng, các bộ biến đổi DC-DC giảm áp 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. Nhƣ 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 = Dmin (vì thời gian giảm dịng điện là T2,
với điện áp rơi khơng thay đổi là Vout). Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:

Hai thơng số cần đƣợc lựa chọn ở đây là Lmin và T. Nếu chúng ta chọn tần số chuyển
mạch nhỏ, tức là T lớn (

là tần số chuyển mạch), thì Lmin 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

10

thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch). Lƣợng điện tích đƣợc nạp
vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ là

. Nếu

biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lƣợng điện tích này bằng
. 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 nhƣ khi xả, xét ở trạng thái xác lập). Nhƣ vậy,
chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:

ΔI đã đƣợc xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã đƣợc chọn ở bƣớc
trƣớc 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.
1.2.3.2. Mơ hình khơng gian trạng thái [13]
Khi xây dựng mơ hình khơng gian trạng thái cho bộ Buck converter ta cần xét các
điểm làm việc trong một vùng tuyến tính nhỏ, gần điểm làm việc. Trong trạng thái trung
bình cần xét cả hai chế độ hoạt động là ON(bật) và OFF(tắt).
- Chế độ ON(bật): Khi công tắc lên chế độ ON, diode xem nhƣ hở mạch. Trạng thái
mạch đƣợc thể hiện nhƣ Hình 1.7

Hình 1.7: Mạch Buck converter ở chế độ ON
Phƣơng trình có thể viết:
Hoặc


11

Hoặc
Phƣơng trình khơng gian trạng thái ở chế độ ON:
⁄
[
̇

]
[

⁄

⁄

[

]

[

⁄

]

]

̇
[

]

- Chế độ OFF(tắt): Khi công tắc ở chế độ OFF, diode dẫn và nguồn đầu vào bị ngắt
khỏi mạch điện. Trạng thái mạch đƣợc thể hiện nhƣ Hình 1.8

Hình 1.8: Mạch Buck converter ở chế độ OFF
Phƣơng trình có thể viết:

Hoặc

Hoặc


12

Phƣơng trình khơng gian trạng thái ở chế độ OFF:
⁄
[

]
̇

[

⁄

[

⁄

]

* +

[

]

]

̇

Theo tỉ lệ bộ chuyển đổi, ta xác định:

Trong trƣờng hợp bộ chuyển đổi là Buck converter:
⁄

[

⁄

⁄
⁄

[

]

]

[

]

- Mơ hình tín hiệu nhỏ: Sử dụng mơ hình tín hiệu nhỏ để chuyển đổi giữa đầu vào
và đầu ra ta thu đƣợc:
̇
̇

[

]

[

[

]

]

Xét trƣờng hợp ít nhiễu ở đầu vào:
̂
Vì thế:

̂

̂
và

̂

13

Điều kiện ổn định trạng thái:

̇

Giả sử bỏ qua tác động của nhiễu:

̂̇

Tại đó:

̂

[

̂

̂

]
̂

̂

̂

Hàm truyền điều khiển:
̂

̂
Hàm truyền bộ Buck converter có dạng:
̂
̂

1.2.4. Các chế độ hoạt động của bộ biến đổi điện áp DC-DC
Các bộ biến đổi áp DC-DC đƣợc phép lựa chọn hoạt động một trong hai chế độ truyền
dẫn sau:
1.2.4.1. Chế độ dòng điện liên tục
Là khi khóa (van) đóng hoặc ngắt thì dịng điện nạp và xả qua cuộn cảm liên tục hay
nói cách khác là dịng điện qua cuộn cảm ln lớn hơn 0 trong tất cả các chu kì chuyển
mạch đƣợc minh họa ở hình 1.9a và 1.9b. Mỗi chu kì chuyển mạch Ts gồm có hai phần,
đó là D1Ts và D2Ts với
Chế độ dòng điện liên tục sẽ cho dòng điện lớn và ổn định hơn chế độ dòng điện
gián đoạn, đáp ứng cho tải có cơng suất lớn. Vấn đề là nên chọn giá trị điện cảm Lmin là
điện cảm nhỏ nhất sao cho dịng điện ln liên tục qua tải khi có biến động tổng trở tải mà
vẫn bảo đảm về mặt kinh tế khi thiết kế. Việc chọn giá trị Lmin nhƣ ở bảng 1.1
1.2.4.2. Chế độ dòng điện gián đoạn
Là khi khóa (van) đóng hoặc ngắt thì dịng điện chạy qua cuộn cảm có một khoảng
thời gian bằng 0 đƣợc gọi là chế độ dòng điện gián đoạn. Dạng sóng dịng điện qua cuộn
cảm đƣợc minh họa ở hình 1.9c. Mỗi chu kì chuyển mạch T s gồm có ba phần, đó là D1Ts ,
D2Ts và D3Ts với


14

D3Ts là khoảng thời gian dòng điện bằng 0. Đối với trƣờng hợp dòng điện gián đoạn: L min
là giá trị điện cảm lớn nhất mà dòng điện qua cuộn cảm tiến nhanh về 0 trong thời gian rất
nhỏ.

(a)

(b)

(c)
Hình 1.9: Dòng điện qua cuộn cảm của bộ biến đổi DC-DC
(a) ở chế độ dòng điện liên tục (b) ranh giới dòng điện liên tục
(c) chế độ dòng điện gián đoạn
Chế độ dịng điện gián đoạn dịng qua cuộn cảm có gợn sóng lớn khi trở kháng tải
thấp, và đặc tính bộ biến đổi điện áp DC-DC thay đổi nhanh chóng. Tỉ lệ biến đổi DC-DC
phụ thuộc vào tải.
Trong một số ứng dụng thì bộ biến đổi DC-DC hoạt động trong chế độ dòng điện
liên tục, trong một số ứng dụng khác thì bộ biến đổi DC-DC cần thiết để hoạt động trong