Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC DC boost converter

Thiết kế điều khiển cho biến đổi DC-DC Boost Converter Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Trọng Minh Nhóm sinh viên thực hiện: Đặng Đức Mạnh 20181640 Nguyễn Việt Cường 20173702 Nguyễn Văn Hảo 20173841 Nguyễn Văn Kiên 20173990 Ngơ Đình Hiến 20173843 Mục lục Cơ sở lý thuyết Mơ kiểm chứng Mơ hình hóa đối tượng Thiết kế điều khiển Cơ sở lý thuyết iL L Sơ đồ mạch lực iC E • Điện áp đầu vào: E = 12(V) • Điện áp đầu ra: (V) • Công suất đầu ra: (W) • Tần số đóng cắt van bán dẫn(KHz) • Độ đập mạch điện áp đầu ra: (V) () • Độ đập mạch dòng điện qua cuộn cảm: (A) ( Điều khiển điện tử cơng suất_Nhóm 7_20202 io D u V C vc vo Cơ sở lý thuyết Tính tốn phần tử mạch E E  d    0.4 Vo Vo  Hệ số điều chế d: 1 d   Điện trở R: Vo2 Vo2 P  R   10 () R P  Tụ điện C: C  Cuộn cảm L: L D  40  (F) V R* o * f Vo E*D  480  iL * f Điều khiển điện tử cơng suất_Nhóm 7_20202 (H) Mơ hình hóa đối tượng Mơ hình trạng thái đóng cắt  V_on, D_off diL  L  E  dt ,  t  dTs  dv v C  c   c  dt R Điều khiển điện tử cơng suất_Nhóm 7_20202  V_off, D_on diL  L   E  vc  dt , dTs  t  Ts  dv v C  c  i  c L  dt R Mơ hình hố đối tượng Mơ hình trạng thái đóng cắt  Đưa vào hai hàm chứng nhận h1, h2         0  1            iL  iL    iL     L         L  E   h2     L  E   h1            1 v v   C    vC  0    C           RC       C RC         b1 b2   A1   A2    Đưa vào hàm đóng cắt u ={0,1}  Biến đổi phương trình thành dạng bilinear      0 E E            iL  iL    iL     L         L   1  u      L  u            1 v v     C   vC  0    C  RC          C RC        iL   L  iL         1   vC     vC      C  RC   C   A B  E L   iL    u   L    v    C     d Mô hình hố đối tượng Mơ hình trung bình tín hiệu lớn DC  Mơ hình đóng cắt Boost Converter      E    i i iL       L L L L         u   L      v C     vC     vC     C RC   C         d A Rút gọn B     u E    i iL     L L   L    v C   1  u    vC  0     C  RC        d A  Đặt: (Thay giá trị tức thời giá trị trung bình)  Mơ hình trung bình: x2 E   x    d     L L   x  x1 1  d   x2  C RC  Giá trị xác lập: Đạo hàm giá trị xác lập E  x   1e  d R    e  x  E  e 1  d e   Mơ hình hố đối tượng Mơ hình trung bình, tín hiệu nhỏ AC  Tuyến tính hóa quang điểm làm việc cân với biến động nhỏ: xi  xi uk  uk  xie , i  1, , n xi  xie , i  1, , n  uke , k  1, , p uk  uke , k  1, , p d  d e  d x1  x1e  x1 x2  x1e  x2  Thay biến động vào phương trình trạng thái:  Lx1  E  x2e  x2  x2e de  x2e d  x2 d e  x2 d   Cx2  x1e  x1  x1e d e  x1e d  x1d e  x1d  x2e / R  x2 / R  Bỏ qua tích hai biến động nhỏ ta thu mơ hình tín trung bình, tín hiệu nhỏ AC:  Lx1  x2e d  1  d e  x2   Cx2  1  d e  x1  x1e d  x2 / R Thiết kế điều khiển Khảo sát ảnh hưởng biến thiên hệ số điều chế đến điện áp  Mơ hình tín trung bình, tín hiệu nhỏ AC:  Lx1  x2 e d  1  d e  x2   Cx2  1  d e  x1  x1e d  x2 / R Phép biển đổi Laplace  Xét với hai biến đầu Điện áp đầu ra: Dịng qua cuộn cảm:  Phân tích đặc điểm hàm truyền:​ • Cả hai có mẫu số khâu bậc hai có dao động.​ • Hàm truyền điện áp có điểm zero bên phải trục ảo, khâu khơng tối thiểu góc pha, gây khó khăn điều khiển điện áp ra.​ • Hàm truyền dịng điện điều khiển có điểm zero bên trái trục ảo nên khơng ảnh hưởng đến tính ổn định dễ thiết kế điều khiển hơn.​ ( Thiết kế điều khiển Tính tốn Matlab Thiết kế điều khiển Thực tìm hàm truyền cơng cụ Matlab  Đồ thị bode: Hàm truyền Gvd Tần số cắt: 13.353kHZ   Độ dự trữ pha: -83.2 degree => Hệ không ổn định cần cải thiện độ dự trữ pha Hàm truyền Gid Tần số cắt: 6.732kHZ Độ dự trữ pha: 86.7 degree Thiết kế điều khiển Thực tìm hàm truyền cơng cụ Matlab  Đồ thị bode: Hàm truyền Gvd Tần số cắt: 13.353kHZ   Độ dự trữ pha: -83.2 degree => Hệ không ổn định cần cải thiện độ dự trữ pha Hàm truyền Gid Tần số cắt: 6.732kHZ Độ dự trữ pha: 86.7 degree Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Sử dụng điều khiển PID có dạng:      sin   f z  fc  sin   Trong đó:   sin   f p  fc  sin    f fL  c  20  góc pha điều chỉnh tần số cắt fc Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Chuyển hàm truyền dạng tiêu chuẩn theo tần số ứng với điểm zero điểm cực Trong đó: Gvd V  o  33.33 1 D (1  D )  R fz   1.193kHz 2 L f0  1 D  689.161Hz 2 LC Q  (1  D)  R  C  1.7321 L Thiết kế điều khiển  Một điểm cực đặt gốc mặt phẳng phức (mạch vong thành phần tích phân)  Các tần số điểm không (zeros) đặt lân cận tần số cộng hưởng đối tượng (hàm truyền quan hệ điện áp đầu hệ số điều chế) Như ta có:  Tần số điểm cực thứ đặt trùng với tần số điểm ESR đối tượng  Tần số điểm cực thứ đặt trùng với tần số điểm RHP đối tượng  Nếu tần số điểm ESR RHP đối tượng lớn 1/2 tần số phát xung biến đổi tần số điểm cực đặt 1/2 tần số phát xung Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Xác định tần số cắt: • Tần số cắt (fc) nên bé 1/10 tần số phát xung biến đổi • Tần số cắt (fc) nên lớn 1/5 tần số của đối tượng • Tần số cắt (fc) nên lớn tần số cộng hưởng đối tượng => Lựa chọn fc = 600Hz độ dự trữ pha mong muốn 50°  Hàm truyền bù Các đại lượng bù:   Kc  0.0313    fz  1.2586e+03 Hz  fl  30    fp  286.0380 Hz Hàm truyền bù: Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Đồ thị bode hệ sau có bù  Sơ đồ mô Bode của hàm truyền Gvd(s)*Gc(s) Tại tần số cắt 600Hz (3.76e+03 rad/s):  Độ trữ biên độ: Gm = 2.23dB >  Độ trữ pha: Pm = 47.6 deg ( Mong muốn 50 deg) => Hệ ổn định Khối Matlab Fcn Mô kiểm chứng Mơ hình đóng cắt mơ hình trung bình tín hiệu lớn DC  Kết mơ Mơ hình đóng cắt: ∆ h=9 ∆ h=3.5 20.38 ∆ 𝑉 𝑂 =0.8 19.58 3.528 ∆ 𝑖 𝐿 =0.4 3.128 Nhận xét: • Độ điều chỉnh lớn • Việc tính tốn lựa chọn phần tử mạch xác • Tín hiệu đầu ổn định sau 0.004s Mơ kiểm chứng Mơ hình đóng cắt mơ hình trung bình tín hiệu lớn DC  Kết mơ Mơ hình trung bình tín hiệu lớn DC mơ hình đóng cắt: Nhận xét: • Mơ hình trung bình bám theo mơ hình xác ngày từ lúc bắt đầu Mô kiểm chứng Điều khiển trực tiếp điện áp  Sơ đồ mô Mơ đáp ứng tín hiệu tín hiệu bước nhảy thay đổi điện áp đầu vào từ 15V lên 20V thời điểm 0.25s​trong tổng thời gian 0.5s Có bổ sung khâu lọc thơng thấp với tần số cắt 1kHz cho lượng đặt điện áp với ý nghĩa thành phần khởi động mềm (soft start) cho hệ điều khiển Mô kiểm chứng Điều khiển trực tiếp điện áp  Kết mô Nhận xét: Sau khoảng 0.04s giá trị điện áp đầu bám vào giá trị đặt, lúc thời gian tác động lần chu kỳ Mô kiểm chứng Điều khiển trực tiếp điện áp  Nhận xét: • Khơng cịn q điều chỉnh • Tín hiệu điện áp đầu bám giá trị đặt sau 0.04s, lớn so với chưa có điều chỉnh • Phần trăm điện áp đập mạch ứng với điện áp đầu 15V thấp so với 20V điện áp 20V độ đập mạch không thay đổi Thanks for watching ! ... gây khó khăn điều khiển điện áp ra.​ • Hàm truyền dịng điện điều khiển? ?có điểm zero bên trái trục ảo nên khơng ảnh hưởng đến tính ổn định dễ thiết kế điều khiển hơn.​ ( Thiết kế điều khiển Tính... xung biến đổi tần số điểm cực đặt 1/2 tần số phát xung Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Xác định tần số cắt: • Tần số cắt (fc) nên bé 1/10 tần số phát xung biến đổi. .. truyền Gid Tần số cắt: 6.732kHZ Độ dự trữ pha: 86.7 degree Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Sử dụng điều khiển PID có dạng:      sin   f z  fc  sin   Trong