2.Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Buck theo chế độ dòng điện trung bình

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh
cho bộ biến đổi Buck theo chế độ
dịng điện trung bình

Sinh viên thực hiện:
Nhóm 2
Đặng Quang Tiến - 20174259
Nguyễn Trường Giang - 20173808
7/11/21

1


Mục lục:

7/11/21

1

u cầu thiết kế

2

Mơ hình hóa

3

Cấu trúc điều khiển

4

Tổng hợp bộ điều chỉnh

5

Kết quả mô phỏng

6

Kết luận
2


1: Yêu cầu thiết kế
 Thiết

kế điều khiển cho bộ biến đổi Buck với các thơng số:

• Điện áp nguồn Vin = 28V
• Điện áp ra V0 = Vc = 15V
• Dịng tải 5A (R = 3Ω)
• Điện cảm L = 50 μH
• Điện dung C = 500 μF
• Van MOSFET với tần số đóng cắt fsw = 100kHz
• Điều khiển theo chế độ dịng điện trung bình

7/11/21

3

2: Mơ hình hóa
 Để mơ hình hố mạch Buck ta sử dụng phương pháp

khơng gian trạng thái trung bình
Giả thiết:
• Bộ biến đổi DC/DC được điều khiển theo phương pháp điều
chế độ rộng xung (PWM).
• Các phần tử phản kháng như L,C là tuyến tính.
• Van bán dẫn coi là đóng cắt lý tưởng.
• Nguồn điện là lý tưởng. Nguồn áp có nội trở bằng khơng.
Với mạch Buck, dựa vào trạng thái đóng mở của van Q, ta có 2 trạng thái
mạch.

7/11/21

4


2: Mơ hình hóa
 Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck Converter

� diL
L
 Vin  VO
�
� dt
�
duC
�
C

 iL  iO
� dt
� diL VO
L

�
� dt
L
�
duC
�
C
 iL  iO
� dt
7/11/21

�diL Vin VO


�
�dt
L
L
�
�duC  iL  VO
�dt
C RC

�diL VO


�
�dt
L
�
�duC  iL  VO
�dt
C RC
5


2: Mơ hình hóa
Từ 2 phương trình mơ hình trạng thái ở trên, ta viết được phương
trình tổng quát cho mạch Buck.

�diL VO

�
�dt
L
�
�duC  iL  VO
�dt
C RC
�diL VO

�
�dt
L
�
�duC  iL  VO

�dt
C RC
7/11/21

�diL d .Vin VO


�
�dt
L
L
(*)
�
�duC  iL  VO
�dt
C RC

6


2: Mơ hình hóa
Laplace hệ (*) với giả thiết các điều kiện ban ở trên ta được:

d ( s ).Vin ( s )  VO ( s )
�
sI L ( s ) 
�
�
L
(*) � �

�sV ( s )  I L ( s)  VO ( s )
� C
C
RC
Sử dụng phép thế, ta tính được các hàm truyền của mạch Buck.

7/11/21

7


2: Mơ hình hóa
Laplace hệ (*) với giả thiết các điều kiện ban ở trên ta được các
hàm truyền:

RVin
Gvd ( s ) 
RLCs 2  Ls  R

Hàm truyền giữa điện áp ra và hệ số điều chế

D.R
Gvg ( s ) 
RLCs 2  Ls  R

Hàm truyền giữa điện áp ra và điện áp vào

Vin ( sRC  1)
Gid ( s ) 
RLCs 2  Ls  R

R
Gvi ( s ) 
sRC  1
7/11/21

Hàm truyền giữa dòng điện và hệ số điều chế

Hàm truyền giữa điện áp và dòng điện

8


2: Mơ hình hóa
- Hàm truyền giữa dịng điện đầu ra và hệ số điều chế:

Vin RCs  Vin
i(s)
0.042s  28
Gid 


2
2
d ( s) R  Ls  RLCs
7.5e  8s  5e  5s  3
- Sử dụng Matlab, ta có đồ thị Bode của hàm truyền như dưới đây:

7/11/21

9

2: Mơ hình hóa

Nhận xét: Điểm cắt ở tần số cao xấp xỉ 90O nên ta có thể đưa bộ điều chỉnh về bộ
điều chỉnh PI.
7/11/21

10


2: Mơ hình hóa
- Hàm truyền giữa dịng điện đầu ra và hệ số điều chế:

v( s)
R
3
Gvi 


i ( s ) RCs  1 0.0015s  1
- Sử dụng Matlab ta vẽ được đồ thị Bode của hàm truyền như hình dưới đây:

7/11/21

11


2: Mơ hình hóa

7/11/21

12


3: Cấu trúc điều khiển
Nhận xét mơ hình bộ biến đổi Buck
• Hàm truyền Gid có tần số cắt xấp xỉ 89 kHz và có độ dự trữ
pha là PM = 90o
• Hàm truyền Gvi có tần số cắt 300 Hz và có độ dự trữ pha là
PM = 109o

Cần phải bù chậm pha hệ thống lại

7/11/21

13


3: Cấu trúc điều khiển
 Ta chọn bộ bù loại II (để có thể bù nhanh pha của hệ thống )
giúp triệt tiêu được sai lệch tĩnh cho cả 2 mạch vịng dịng điện
và điện áp.
 Mạch vịng dịng điện:
• Tần số cắt fc = 10 kHz
• Độ dự trữ pha sau bù PM = 60o
 Mạch vịng điện áp:
• Tần số cắt fc = 1 kHz
• Độ dự trữ pha sau bù PM = 60o
 Cấu trúc bộ bù loại II:

7/11/21

� s �
1 �
�
1 � z �
Gc ( s )  K C .
 Kc.GC1
s� s �
1
�
�  �
�
p
�
�
14


3: Cấu trúc điều khiển
Từ các hàm truyền đạt, ta xây dựng được cấu trúc điều khiển
bộ biến đổi Buck

7/11/21

15


4: Tổng hợp bộ điều chỉnh

 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện
 Biên độ và pha của hàm truyền Gid ( s ) tại tần số cắt fc=10 kHz:

�
�Gid ( j )  c  9.0039
�
 ( ) c    89.9938
�
o
o
 Pha bộ bù: arcGc ( j )

90

PM

(


180)

59.9938
�
60
 
c

 Tần số của điểm không và điểm cực

7/11/21

�
�f z  f c
�
�
�
�f p  f c
�

1  sin(60) o
 2.679(kHz )
o
1  sin(60)
1  sin(60)o
 37.32(kHz )
o
1  sin(60)

16


4: Tổng hợp bộ điều chỉnh
 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện
 Biên độ của hàm Gc1 ( s ) tại tần số cắt fc=10kHz:

Gc1 ( j )    0.001
c

KC 

1
G id . G c1

 1.8702e+03
 C

 Bộ bù Loại II:

0.1111s  1870
Gc ( s)  K C .GC1 
2
4.265e  06 s  s
7/11/21

17


4: Tổng hợp bộ điều chỉnh
 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện
 Kiểm chứng bộ bù trong cấu trúc điều khiển DC/DC:

7/11/21

18


4: Tổng hợp bộ điều chỉnh

7/11/21

 Tại tần số cắt fc = 10(kHz) độ dự trữ ổn định pha 60
19


4: Tổng hợp bộ điều chỉnh
 Mạch vòng điều chỉnh điện áp
 Biên độ và pha của hàm truyền Gvi ( s )

tại tần số cắt fc=1kHz:

�
�Gvi ( j )  c  0.3165
�
 ( ) c    -83.9434
�
o
 Pha bộ bù: arcGc ( j )    90  PM  (  180)  53.9434
c
 Tần số của điểm không và điểm cực

�
�f z  f c
�
�
�
�f p  f c
�
7/11/21

1  sin(53.94)o

 0.325(kHz )
o
1  sin(53.94)
1  sin(53.94)o
 3.072(kHz )
o
1  sin(53.94)
20


4: Tổng hợp bộ điều chỉnh
 Mạch vòng điều chỉnh điện áp
 Biên độ của hàmGc1 ( s )

tại tần số cắt fc=1kHz:

Gc1 ( j )    0.005
c

1
Kc 
G id . G c1

 6.4605e+03
 C

 Bộ bù Loại II:

3.159 s  6461
Gc ( s ) 

5.18e  05s 2  s
7/11/21

21


4: Tổng hợp bộ điều chỉnh
 Mạch vòng điều chỉnh điện áp
 Kiểm chứng bộ bù trong cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp:

7/11/21

22


4: Tổng hợp bộ điều chỉnh

7/11/21

 Tại tần số cắt fc = 1(kHz) độ dự trữ ổn định pha 60

23


5:Kết quả mô phỏng
 Mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm MATLAB
 Thêm bộ khởi động mềm với tần số cắt 1kHz
 Kiểm tra phản ứng của bộ điều khiển khi:
• Giá trị đặt (Set Point) thay đổi
• Nguồn đầu vào Vin thay đổi (± 10%)

• Tải thay đổi (Khơng tải → Tải định mức → Quá tải 50%)

7/11/21

24


5: Kết quả mô phỏng
 Khi giá trị đặt thay đổi:

Nhận xét: Điện áp ra bám sát kể cả khi giá trị đặt thay đổi.
Thời gian điện áp ra xác lập nhỏ, cỡ 0,005s
Độ quá điều chỉnh dòng iL còn lớn, cỡ 18% tại Uđặt = 25 V
7/11/21

25