Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC DC boost converter 1

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: Đào Cơng Dũng - 20181419 Vũ Văn Phương - 20181699 Nguyễn Việt Ưng - 20181833 Power Electronics Laboratory Power Electronics Laboratory - Hanoi University of Science and Technology Mục lục I Cơ sở lý thuyết II Mơ hình hóa đối tượng III Thiết kế điều khiển IV Mô kiểm chứng V Tài liệu tham khảo PELAB - HUST I Cơ sở lý thuyết Sơ đồ mạch lực iL L io D iC E u V • Điện áp đầu vào: E = 12(V) • Điện áp đầu ra: (V) • Cơng suất đầu ra: (W) • Tần số đóng cắt van bán dẫn(Hz) • Độ đập mạch điện áp đầu ra: (V) () • Độ đập mạch dịng điện qua cuộn cảm: (A) ( C PELAB - HUST vc vo I Cơ sở lý thuyết Tính tốn phần tử mạch  Hệ số điều chế d:  Điện trở R:  Tụ điện C: (F)  Cuộn cảm L: (H) PELAB - HUST II Mơ hình hóa đối tượng Mơ hình trạng thái đóng cắt  V_on, D_off  V_off, D_on PELAB - HUST II Mơ hình hóa đối tượng Mơ hình trạng thái đóng cắt  Đưa vào hai hàm chứng nhận h1, h2:         0  1  i    0   iL     iL    L     L        L   E   h2     L  E   h1         vC     1   vC      v C    0  0        RC    C RC      b1 b2       A1   A2    Đưa vào hàm đóng cắt u ={0,1}:      0 E E           iL  iL     iL     L         L   1  u      L u           1 v    C    vC     vC    RC          C RC    Biến đổi phương trình thành dạng bilinear:      E iL   L  iL   L   iL       u   L      v C     vC     vC     C RC   C         d A B PELAB - HUST II Mơ hình hóa đối tượng Mơ hình trung bình tín hiệu lớn DC  Mơ hình đóng cắt Boost Converter       iL   L  iL          1 v  vC     C    C RC   C      A B  E L  iL    u   L    v    C    d Rút gọn     u E    i iL     L L    L    v C   1  u    vC       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 PELAB - HUST E  x  e  1  de  R   x  E  e 1  de   II Mơ hình hóa 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  Thay biến động vào phương trình trạng thái:  Lx1  E  x2 e  x2  x2 e 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  x2 e d  1  d e  x2   Cx2  1  d e  x1  x1e d  x2 / R PELAB - HUST III 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.​ PELAB - HUST III Thiết kế điều khiển Thực tìm hàm truyền cơng cụ Matlab   Tính tốn Matlab PELAB - HUST 10 III Thiết kế điều khiển Thực tìm hàm truyền cơng cụ Matlab  Đồ thị bode:   Hàm truyền Gvd Hàm truyền Gid Tần số cắt: 6.732kHZ Tần số cắt: 13.353kHZ Độ dự trữ pha: 86.7 degree Độ dự trữ pha: -83.2 degree => Hệ không ổn định cần cải thiện độ dự trữ pha PELAB - HUST 11 III Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Sử dụng điều khiển PID có dạng:   Trong đó: góc pha điều chỉnh tần số cắt fc  Hai khâu Lead conpensator có tác dụng bù pha cho hệ thống tần số cắt mong muốn.​   Khâu Lag compensator có tác dụng làm tăng biên độ hệ thống vùng tần số thấp để giảm sai lệch tĩnh.​ PELAB - HUST 12 III 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: PELAB - HUST 13 III 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 bé 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° PELAB - HUST 14 III Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Hàm truyền bù Các đại lượng bù: kc=0.0313 fz=1.2586e+3 Hz fl=30 fp=286.0380 Hz Hàm truyền bù: Tính tốn matlab PELAB - HUST 15 III Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Đồ thị bode hệ sau có bù 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 Bode của hàm truyền Gvd(s)*Gc(s) PELAB - HUST 16 IV Mơ kiểm chứng Mơ hình đóng cắt mơ hình trung bình tín hiệu lớn DC  Sơ đồ mô Khối Matlab Fcn PELAB - HUST function y = ssBoost(u) %Constants L=480e-6;C=40e-6;R=10; %inputs Vg=u(1); d=u(2); iL=u(3); vC=u(4); %%%% diL=(Vg-vC*(1-d))/L; diC =(iL*(1-d)-vC/R)/C; y = [diL diC]; 17 IV Mơ 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 3.528 ∆ 𝑖 𝐿 =0.4 19.58 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 PELAB - HUST 18 IV Mô 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 PELAB - HUST 19 IV Mô kiểm chứng Điều khiển trực tiếp điện áp  Sơ đồ mơ 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 PELAB - HUST 20 IV 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 PELAB - HUST 21 IV 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 PELAB - HUST 22 V Tài liệu tham khảo Mơ hình hóa thiết kế điều khiển cho biến đổi Điện tử công suất Modeling and Control of Power Electronic Converter Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương 7/25/2017 PELAB - HUST 23 Cảm ơn Thầy bạn lắng nghe! Power Electronics Laboratory Power Electronics Laboratory - Hanoi University of Science and Technology ... cải thiện độ dự trữ pha PELAB - HUST 11 III Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Sử dụng điều khiển PID có dạng:   Trong đó: góc pha điều chỉnh tần số cắt fc  Hai khâu... 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.​ PELAB - HUST III Thiết kế điều khiển. .. III 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