đề tài thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ bộ buck boost theo phản hồi trạng thái

Đề Tài: “Thiết kế mạch vòng điều

chỉnh cho bộ bộ Buck-Boost theo

Phạm Đức Khải 20202409

Chọn thông số mạch lực.

Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Buck-Boost

 Chọn các thông số thiết kế: R = 5(Ω).

Tần số phát xung

Chọn thông số mạch lực.

Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Buck-Boost

 Từ các thông số đã chọn ta có:Hệ số điều chế:

Dòng điện qua tải:

nên ta chọn

Mô hình hóa bộ biến đổi:

 Trạng thái 1: V ON và D OFFSử dụng định luật Kirhoff ta có:

 Trạng thái 2: V OFF và D ON Sử dụng định luật Kirhoff ta có:

Mô hình hóa bộ biến đổi:

 Trung bình hóa hai hệ phương trình (1) và (2) với thời gian mở van V trong một chu kỳ là d và thời gian đóng van V trong một chu kỳ là (1-d) (0<d<1).

Ta có được mô hình tín hiệu lớn DC:

 Từ (3) ta thấy mô hình trên là phi tuyến nên ta cần tuyến tính hóa  Cho đạo hàm vế trái của hệ phương trình (3) bằng 0 ta có:

Từ đó ta tìm được điểm làm việc cân bằng của và :

Mô hình hóa bộ biến đổi:

 Ta tuyến tính quanh điểm làm việc với các biến động nhỏ kể cả đầu vào điều khiển d: Thay các tín hiệu với các biến động nhỏ vào mô hình tín hiệu lớn DC, cân bằng các giá

trị cân bằng DC và bỏ qua tích của hai biến động nhỏ, ta có:=> Mô hình tín hiệu nhỏ AC:

Mô hình hóa bộ biến đổi:

 Ta có phương trình trạng thái của bộ biến đổi: Mô hình tín hiệu nhỏ AC:

Từ phương trình trạng thái và mô hình tín hiệu nhỏ AC của bộ biến đổi ta có các ma trận hệ thống:

Thiết kế bộ điều khiển:

Cấu trúc điều khiển đầu ra với mạch vòng phản hồi trạng thái bên trong

Trong đó ta có:

- Mạch vòng dòng điện bên trong với khâu phản hồi trạng thái K

- Mạch vòng điện áp bên ngoài với khâu tích phân Kc/s

Thiết kế bộ điều khiển:

 Từ mô hình trạng thái đã tìm được ở phần mô hình hóa, 2 điểm cực và quỹ đạo điểm cực ban đầu của hệ:

Sử dụng lệnh rlocus của matlab:

Ta tính được hai điểm cực ban đầu của hệ thống là:

Thiết kế bộ điều khiển:

Quỹ đạo điểm cực đối tượng ban đầu

Ta thấy với hai điểm cực ban đầu hệ thống có tần số dao động riêng khoảng

1100 rad và hệ số tắt dần là Rõ ràng là tần số dao động riêng quá thấp và hệ số tắt dần quá bé khiến cho hệ sẽ dao động nhiều lần khi có biến động đầu vào

Áp đặt điểm cực mới cho hệ để có được hệ số tắt dần và tần số dao động riêng mong muốn

Thiết kế bộ điều khiển:

- Đáp ứng của hệ con bên trong muốn thay đổi để mở rộng băng thông tới tần số dao động riêng và hệ số tắt dần khoảng 0.7

- Đối với bộ biến đổi DC/DC là hệ bậc 2 nên điểm cực của hệ có dạng:

Theo công thức trên điểm cực mới của hệ tính được là:(6)

Thiết kế bộ điều khiển:

Quỹ đạo điểm cực mới của hệ khi có thêm ma trận phản hồi K

Thiết kế bộ điều khiển:

- Sau khi thiết kế xong mạch vòng trong tiếp tục xét đến vòng điều chỉnh điện áp ngoài cùng Để đảm bảo không có sai lệch tĩnh và có thể bám được những thay đổi chậm của lượng đặt, bộ điều chỉnh có dạng là khâu tích phân, hệ số được xác định để hệ hở có tần số cắt

Thiết kế bộ điều khiển

Đồ thi bode của hệ khi chưa them khâu tích phân

Ta thấy hệ có độ dự trữ pha là Pm = -32.4 độ dẫn đến hệ mất ổn định

Thiết kế bộ điều khiển

- Sử dụng các lệnh matlab như bên dưới để tính ra hệ số Kc

Kc = 546.691

Thiết kế bộ điều khiển

Đồ thị bode của hệ hở sau khi có thêm khâu tích phân

Hệ có độ dự trữ biên độ là Pm = 61.1 độ nên hệ thống ổn định.

Mô phỏng kiểm chứng

Mô hình mô phỏng cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái cho bộ Buck-Boost

Mô phỏng kiểm chứng

Sơ đồ mạch Buck-Boost converter

L = 1111.111e-6;C = 333.333e-6;R = 5;

Vin = 30;Vo = 15;

C = [0 1];pole = eig(A);

% ap dat 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);p2=-damping*wn-j*wn*sqrt(1-damping*damping);K =acker(A,B,[p1 p2]);% ma tran K

A_n=A-B*K;% ma tran A_n sau khi he thong co them ma tran K

[num1,den1]=ss2tf(A_n,B,C,0);sys1=tf(num1,den1);

Mô phỏng kiểm chứng

Dòng điện qua tải

- Giá trị dòng đầu ra bám sát với giá trị tính toán với độ đập mạch nhỏ khoảng 0.2A < 15%

- Không có độ quá điều chỉnh, đáp ứng nhanh trong khoảng 0.006s

Mô phỏng kiểm chứng

- Thực hiện thay đổi tải ở thời điểm 0.1s

- Điện áp có giảm đi sau đó tiếp tục bám với lượng đặt ban đầu- Dòng điện tăng sau khi giảm tải đi.

- Thời gian đáp ứng của cả điện áp và dòng điện đều rất nhanh

Mô phỏng kiểm chứng

- Thay đổi điện áp nguồn 10% Uin=33V:

- Hệ thống hoạt động tốt, điện áp ra và dòng ra tải bám sát với lượng đặt, độ đập mạch nhỏ không đáng kể

- Độ đập mạch của dòng điện qua cuộn cảm có lớn hơn nhưng vẫn ở trong mức cho phép.

Mô phỏng kiểm chứng

- Thay đổi lượng đặt: Hệ thống hoạt động bình thường, các giá trị đầu ra bám với giá trị đặt- Không có độ quá điều chỉnh ở điện áp và dòng đầu ra

mong muốn trong việc điều khiển hệ thống.

- Phương pháp cho phép điều chỉnh các tham số điều khiển như tần số dao động riêng hay hệ số tắt dần để đáp ứng với các yêu cầu cụ thể của hệ thống, như độ chậm hoặc độ nhanh của phản ứng, độ ổn định cao hay thấp của hệ thống

- Tuy phương pháp này hiệu quả cao nhưng đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về lý thuyết điều khiển và tính toán phức tạp để thiết kế các ma trận điều khiển phù hợp.

CẢM ƠN MỌI NGƯỜI ĐÃ CHÚ Ý LẮNG NGHE