Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost theo phản hồi trạng thái

VIỆN ĐIỆN - ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

20/11/2020

BÁO CÁO BÀI TẬP GIỮA KỲ
Học phần: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài: THIẾT

KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH CHO BỘ
BIẾN ĐỔI BOOST THEO PHẢN HỒI TRẠNG THÁI

1

APES

Advanced Power Electronic systems lab

Hanoi University of Science and Technology


NỘI DUNG BÁO CÁO

20/11/2020

1.Mơ hình hóa bộ biến đổi
2.Tính tốn chọn mạch lực
3.Thiết kế cấu trúc điều khiển
4.Mô phỏng
5.Kết luận

2

APES

Advanced Power Electronic systems lab

Hanoi University of Science and Technology


1. MƠ HÌNH HĨA BỘ BOOST
 Sơ đồ bộ Boost converter
 Van Mosfet, các nguồn điện là 1 khóa lý
tưởng.
 L, C là tuyến tính.
 Phương pháp mơ hình hóa
Xây dựng mơ hình trung bình tín hiệu

Sơ đồ bộ BOOST Converter

nhỏ.

3

MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST
 Các bước mơ hình hóa
Bước 1: Xây dựng mơ hình đóng cắt (Mơ hình chính xác)

V ON – D OFF

Sơ đồ bộ biến đổi Boost

V OFF – D ON
4

MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology

MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST
 Chọn hàm đóng cắt và thay

Bước 2: Xây dựng mơ hình trung bình tín hiệu lớn
 Trung bình hóa: Hệ số lấp đầy xung

Mơ hình phi tuyến
5

MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST
Bước 3: Xây dựng mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ - Tuyến tính hóa
 Điểm làm việc:
 Thiết lập các biến động nhỏ:

6

MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


2. TÍNH TỐN MẠCH LỰC
u cầu: Thiết kế bộ biến đổi Boost
-

Đầu vào:
Đầu ra:
Cơng suất:
Tần số đóng cắt

Lựa chọn
Cuộn cảm
Tụ

7

MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
3.1. Cấu trúc điều khiển
Vòng điều
khiển

Nhiệm vụ

Phương pháp

Vòng
trong

Hệ thống bù bậc Phản hồi trạng
hai bằng phản thái gán điểm
hồi trạng thái cực (Ackerman)
đầy đủ (ma trận
K)

Vịng
ngồi

Điều chỉnh điện
áp ra

Bộ bù loại I
Cấu trúc điều khiển đầu ra với mạch vịng phản hồi
trạng thái bên trong

8

MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
3.2. Quy trình thiết kế bộ điều khiển
A. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái K

Bước 1: Tìm điểm cực ban đầu của hệ

 Điểm cực là nghiệm của phương trình
 Matlab:
 Khảo sát:
- Tần số dao động riêng lớn: 1.04 kHz
- Hệ số tắt dần nhỏ: 0.117
=> Hệ sẽ dao động nhiều lần khi có thay đổi đầu vào điều
khiển
Quỹ đạo điểm cực đối tượng với điểm cực
ban đầu (Lệnh rlocus(sys))
9

MÔ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái K
Bước 2: Tìm điểm cực mong muốn của hệ
 Lựa chọn:
Tần số dao động riêng ,

Hệ số tắt dần lớn
 Điểm cực mới:

Quỹ đạo điểm cực đối tượng với điểm cực
mới (Lệnh rlocus(sys_n))
10

MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Sử dụng Matlab tìm hàm truyền

B. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp
Bước 1: Khảo sát hàm truyền của hệ con

%ham truyen dat
[num,den]=ss2tf(A,B,C_n,0);

%Ham truyen ban dau
sys=tf(num,den);
[num_n,den_n]=ss2tf(A_n,B,C_n,0);
% ham truyen cua he moi
sys_n=tf(num_n,den_n);

 Độ dự trữ pha
 Tần số cắt
Mục tiêu: Đảm bảo khơng có sai lệch tĩnh và
có thể bám được thay đổi lượng giá trị đặt, sử
dụng bộ bù loại I để hệ thống có tần số cắt
và độ dữ trữ pha .
Đồ thị bode hàm truyền hệ hở ban đầu
MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC

11

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
Bước 2: Thiết kế bộ bù loại I
 Tổng quan
Bộ bù loại I có hàm truyền dạng

Bộ bù loại I là một khâu tích phân, hay được sử dụng
trong cấu trúc điều khiển trực tiếp điện áp đầu ra cho bộ
biến đổi DC/DC.
Khâu tích phân cho hệ số khuếch đại tại DC đến nhưng
có đặc tính biên độ -20dB/dec, làm giảm đáng kể băng
thơng của mạch hở, hơn nữa mang lại góc pha -90, điều
này ảnh hưởng đến độ dự trữ pha trong vòng mạch kín.
Minh họa hiệu quả sử dụng bộ bù loại I
MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

12

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
 Thiết kế bộ bù loại I
 Xác định hệ số
Hệ số thỏa mãn hệ hở có biên độ bằng 1 taị tần
số cắt được lựa chọn
 Hàm truyền mới

[mag,phase]=bode(sys_n,2*pi*fc);
% Ham truyen ban dau
[mag1,phase1]=bode(tf(1,[1
0]),2*pi*fc);% bo bu
Kc=1/(mag*mag1);
bode(sys_n*tf(Kc,[1 0]));%Hàm
truyen sau khi them bo bu

13

MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MƠ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

 Hàm truyền sau khi
sử dụng bộ bù loại I
đã cho độ dự trữ pha
đạt như mong muốn.
 Sau khi thiết kế
mạch vòng điều
chỉnh điện áp, tiến
hành mô phỏng trên
MATLAB.

Đồ thị Bode hàm truyền hệ hở trước và sau khi có bộ bù
14

MƠ HÌNH HĨA

APES

TÍNH TỐN MẠCH LỰC

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN MƠ PHỎNG

Advanced Power Electronic systems lab

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology

4. MƠ PHỎNG
Thay đổi giá trị đặt
Tạo trễ
(T=0.001)

Bộ bù

Thơng số mơ phỏng

ở 0.1s)

Sơ đồ mơ phỏng Matlab
15

MƠ HÌNH HĨA TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

APES

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology

4. MƠ PHỎNG

Khối mạch lực

Khối thay đổi thơng số tải, điện áp đầu
vào, điện áp đặt (Signal Builder)
Trở và khối thay đổi điện trở
16

MƠ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


4. MƠ PHỎNG
a. Chương trình chạy trên m-file
clear all
clc
% Tham so bo bien doi boost

rC=0; %esr
rL=0;
C =50e-6; %tu dien
L = 36e-6; %cuon cam
R = 13; %Tai thuan tro
Vo=18; %gia tri xac lap dien ap tren tu
Vg=5; %gia tri xac lap dien ap dau vao
D = 1-Vg/Vo; %He so dieu che
IL=Vo/((1-D)*R);%gia tri xac lap dong qua
cuon cam
%Thiet ke bo phan hoi trang thai gan diem cuc
%ma tran trang thai
A=[0 -(1-D)/L;(1-D)/C -1/(R*C)];
B=[Vo/L;-IL/C];
pole=eig(A);

MÔ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

%diem cuc moi
wn=6000; %rad/s-tan so dao dong rieng
damping=0.7;%he so tat dan
p1=-damping*wn+j*wn*sqrt(1-damping*damping);
%diem cuc moi
p2=-damping*wn-j*wn*sqrt(1-damping*damping);
%diem cuc moi
K =acker(A,B,[p1 p2]);
A_n=A-B*K;%cap nhat A
C_n=[0 1];

[num0,den0]=ss2tf(A,B,C_n,0);
sys=tf(num0,den0);%ham ban dau
%ham truyen dat
[num,den]=ss2tf(A_n,B,C_n,0);
sys_n=tf(num,den);
fc=350; %lua chon tan so cat
[mag,phase]=bode(sys_n,2*pi*fc);% Ham truyen
ban dau
[mag1,phase1]=bode(tf(1,[1 0]),2*pi*fc);% bo bu
Kc=1/(mag*mag1);
bode(sys_n*tf(Kc,[1 0]));%Hàm truyen sau khi
them bo bu
17

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


4. MƠ PHỎNG
b. Xây dựng các kịch bản mơ phỏng
 Các thông số không thay đổi
 Điện áp đầu vào thay đổi
 Tải thay đổi (từ 13 xuống 3

18

MƠ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


CÁC KỊCH BẢN MƠ PHỎNG
1. Thơng số khơng thay đổi
Dịng qua cuộn cảm

Điện áp ra

Điện áp nguồn

Hệ số điều chế

Kết quả mô phỏng trong trường hợp các thông số không đổi
19

MƠ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


1. Thông số không thay đổi
1A

0.2V

Kết quả mô phỏng khi phóng to
MƠ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

20

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


5.6ms

Khảo sát thời gian xác lập
MƠ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

21

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG

2. Nguồn đầu vào thay đổi
Nguồn thay đổi (tăng tại thời điểm 0.04s và giảm tại thời điểm 0.06s)

22

MƠ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


3A

0.003s

1A

0.004s

2.2V

0.2V

4.2V

0.003s

0.0045s
Đập mạch điện áp và
dòng điện

Điện áp nguồn Ug
thay đổi

Kết quả phóng to
MƠ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

23

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology

CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG
3. Tải thay đổi từ 13 xuống 3

Điện áp đặt thay đổi

24

MƠ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology


Tải thay đổi từ 13 xuống 6
1A
3.5ms

0.74V

3.5ms

Khảo sát thời gian sát lập(khi tải giảm)
MƠ HÌNH HĨA TÍNH TỐN MẠCH LỰC

APES

Khảo sát độ đập mạch
ở chế độ xác lập

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

Advanced Power Electronic systems lab

MÔ PHỎNG

25

KẾT LUẬN

Hanoi University of Science and Technology