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 download : skknchat@gmail.com Power Electronics Laboratory Power Electronics Laboratory - by 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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 dòng điện qua cuộn cảm: (A) ( C vc vo download byPELAB : skknchat@gmail.com - HUST 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) download byPELAB : skknchat@gmail.com - HUST II Mơ hình hóa đối tượng Mơ hình trạng thái đóng cắt  V_on, D_off  V_off, D_on download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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: Dòng 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 không 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.​ download byPELAB : skknchat@gmail.com - HUST III Thiết kế điều khiển Thực tìm hàm truyền cơng cụ Matlab   Tính tốn Matlab download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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: -83.2 degree Độ dự trữ pha: 86.7 degree => Hệ không ổn định cần cải thiện độ dự trữ pha download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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.​ download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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: download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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° download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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) download byPELAB : skknchat@gmail.com - HUST 16 IV Mô kiểm chứng Mơ hình đóng cắt mơ hình trung bình tín hiệu lớn DC  Sơ đồ mô Khối Matlab Fcn download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - HUST 18 IV 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - HUST 19 IV 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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 khơng thay đổi download byPELAB : skknchat@gmail.com - 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 download byPELAB : skknchat@gmail.com - HUST 23 Cảm ơn Thầy bạn lắng nghe! download : skknchat@gmail.com Power Electronics Laboratory Power Electronics Laboratory - by Hanoi University of Science and Technology ... skknchat@gmail.com - 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... 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... download byPELAB : skknchat@gmail.com - HUST 14 III Thiết kế điều khiển Thiết kế điều khiển trực tiếp điện áp đầu  Hàm truyền bù Các đại lượng bù: kc=0.0 313 fz =1. 2586e+3 Hz fl=30 fp=286.0380 Hz Hàm