TÓM TẮT ĐỒ ÁNNội dung đồ án bao gồm tìm hiểu về cơ chế hoạt động của bộ biến đổi Buck ở chếđộ dòng liên tục, lấy bộ biến đổi Buck làm đối tượng để thiết kế điểu khiển, từ đó tiếnhành tìm
Động lực nghiên cứu
Tình trạng ô nhiễm môi trường, khí thải nhà kính, suy giảm chất lượng không khí đang là vấn đề nan giải và nhức nhối của toàn thế giới Theo báo cáo mới nhất từ dự án Global Carbon Project, lượng khí thải CO2 toàn cầu đã đạt mức cao kỷ lục vào năm 2023, với hơn 40 tỷ tấn, trong đó gần 37 tỷ tấn đến từ nhiên liệu hóa thạch So với mức trước đại dịch, lượng khí thải này đã tăng 1,5% [1]. Ở Hoa Kỳ, lĩnh vực giao thông vận tải là nguồn phát thải lớn nhất, chiếm 28% tổng lượng khí thải nhà kính năm 2022 Điều này bao gồm ô tô, xe tải, máy bay thương mại và đường sắt, trong đó ô tô cá nhân đóng góp phần lớn [2] Việc gia tăng sử dụng các phương tiện giao thông này đã góp phần không nhỏ vào việc gia tăng lượng khí thải CO2.
Từ tình hình này, nhu cầu cấp thiết là phải tìm ra các giải pháp bền vững hơn để giảm lượng khí thải Xe điện đã nổi lên như một trong những giải pháp hiệu quả nhất. Với sự phát triển công nghệ, các xe điện hiện đại không chỉ giảm thiểu lượng khí thải CO2 mà còn cung cấp hiệu suất cao và thời gian sạc ngắn hơn Các xe điện hiện nay có thể đi xa hơn với mỗi lần sạc và thời gian sạc cũng được rút ngắn đáng kể, giúp tiện lợi hơn cho người dùng.
Theo báo cáo của IEA, trong năm 2023, số lượng xe điện toàn cầu đã vượt quá 14 triệu, tăng 35% so với năm 2022 [3] Điều này thể hiện sự tăng trưởng mạnh mẽ trong việc chấp nhận xe điện trên toàn thế giới Trong khi đó, các thị trường hàng đầu cho xe điện như Trung Quốc, châu Âu và Hoa Kỳ tiếp tục dẫn đầu trong việc triển khai xe điện, với tỷ lệ xe điện trong tổng số xe bán ra ngày càng tăng Hình 1.1 minh chứng cho xu thế phát triển của thị trường xe điện Theo đó, số lượng xe điện năm 2023 đạt khoảng
40 triệu, cao gấp 5 lần so với năm 2020 Không chỉ vậy, nhiều nghiên cứu nổi bật gần đây còn quan tâm đến các phương pháp tận dụng tối đa khả năng lưu trữ năng lượng cao của xe điện, chẳng hạn như sử dụng xe điện như 1 nguồn năng lượng đáng tin cậy trong các công nghệ Vehicleto-Grid (V2G), Vehicle-to-Building (V2B), hoặc Vehicle- to-Home (V2H) Xe điện ngày càng được quan tâm và là giải pháp thực tiễn để giảm sự lệ thuộc vào xăng dầu, tạo nên 1 môi trường không phát thải Carbon [4].
Những nỗ lực giảm phát thải không chỉ dừng lại ở việc sử dụng xe điện mà còn bao gồm cả việc cải thiện hạ tầng giao thông và hệ thống năng lượng tái tạo để cung cấp điện sạch cho các xe này Sự gia tăng về nhu cầu sử dụng xe điện kéo theo sự gia tăng về nhu cầu phát triển các hệ thống sạc [6] Do xe điện sử dụng công nghệ pin có thể sạc từ lưới điện, yêu cầu cần có những tiêu chuẩn và quy trình sạc phù hơp để đảm bảo chất
Để đảm bảo tuổi thọ pin, giảm thời gian sạc và tối ưu hóa năng lượng, các thuật toán sạc hiệu quả và an toàn rất quan trọng Ngoài ra, còn cần có một bộ biến tần công suất phù hợp cùng chiến lược điều khiển tốt Trong đó, bộ biến đổi DC-DC đóng vai trò quan trọng, vì vậy việc sở hữu một bộ biến đổi chất lượng cao, đáng tin cậy, linh hoạt và hiệu quả là vô cùng cần thiết Cùng với sự phát triển của xe điện và công nghệ pin, nguồn điện một chiều và các bộ biến đổi DC-DC đang dần trở thành xu hướng trong tương lai.
Trong số các cấu trúc bộ biến đổi DC-DC, bộ biến đổi Buck được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi sự chuyển đổi điện áp DC từ mức cao xuống mức thấp hơn một cách hiệu quả và ổn định Đặc điểm nổi bật của bộ biến đổi Buck là khả năng duy trì hiệu suất chuyển đổi cao, dễ điều khiển, có thể duy trì độ chính xác cao của điện áp đầu ra dù có thay đổi tải hoặc điện áp nguồn đầu vào, kích thước nhỏ gọn, chi phí sản xuất thấp do cấu trúc đơn giản và sử dụng ít linh kiện [9] Điều này đặc biệt quan trọng trong ứng dụng sạc pin xe điện, nơi mà tuổi thọ pin và hiệu quả sử dụng năng lượng là những yếu tố quyết định.
Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Dựa theo các phân tích ở trên và cũng do tính đơn giản so với các bộ biến đổi nhiều tính năng nâng cao hơn, trong phạm vi đồ án xin được sử dụng bộ biến đổi Buck làm đối tượng nghiên cứu và tiến hành thiết kế điều khiển.
Tùy vào độ lớn điện cảm trong mạch, bộ biến đổi Buck có thể làm việc tại 2 chế độ khác nhau, gồm có: chế độ dòng điện liên tục (CCM-Continuous Conduction Mode) và chế độ dòng điện gián đoạn (DCM-Discontinuous Conduction Mode) [10] Chế độ dòng điện liên tục được đặc trưng bởi dòng điện chạy liên tục trong toàn bộ chu kỳ chuyển mạch ở trạng thái hoạt động ổn định Chế độ dòng điện gián đoạn được đặc trưng bởi dòng điện dẫn bằng 0 trong một phần của chu kỳ chuyển mạch So với chế độ dòng điện liên tục, chế độ dòng điện gián đoạn phức tạp hơn trong khâu thiết kế bộ biến đổi và bộ điều khiển Chế độ dòng điện gián đoạn gặp vấn đề nếu khâu lấy mẫu dòng điện không cho ra trực tiếp giá trị trung bình, gây nên sai lệch tĩnh khi dòng điện phản hồi không giống thực tế [11] Cũng theo [11], chế độ dòng điện gián đoạn phải đối mặt với nhiều thách thức trong quá trình thiết kế như vấn đề về dòng điện hiệu dụng ở các phần tử công suất chủ động lẫn thụ động, nỗ lực lọc đầu ra tăng cao, vấn đề lấy mẫu dòng điện, tính phi tuyến trong mô hình đối tượng Do nội dung và thời gian có hạn, trong phạm vi đồ án xin chỉ xét bộ biến đổi Buck hoạt động ở chế độ dòng liên tục và tập trung hơn về phần nghiên cứu thiết kế điều khiển.
Dựa theo các tìm hiểu, phân tích đã trình bày trong các phần trên, trong phạm vi đồ án xin được:
• Lựa chọn bộ biến đổi Buck, hoạt động ở chế độ dòng liên tục làm đối tượng thiết kế điều khiển.
• Sử dụng sách lược điều khiển tầng với 2 vòng dòng điện, điện áp Cấu trúc điều khiển theo nguyên lí dòng điện trung bình.
• Yêu cầu thiết kế là:
– Hệ thống kín đảm bảo duy trì điện áp đầu ra và dòng điện qua cuộn cảm ở mức ổn định với sai lệch tĩnh bị triệt tiêu trước những biến động của tải và điện áp đầu vào.
– Trong các giai đoạn đáp ứng cần đảm bảo độ quá điều chỉnh và thời gian đáp ứng là thấp.
• Bộ điều khiển lựa chọn là bộ điều khiển PI.
• Phương án thiết kế là tiếp cận trên miền liên tục trước, tức dựa trên đáp ứng tần,thông qua dáng đồ thị và lựa chọn vị trí các điểm cực, điểm không để thoả mãn yêu cầu thiết kế.
• Sau đó, bộ điều khiển PI sẽ được xấp xỉ bằng 1 bộ điều khiển số và rời rạc để triển khai thực nghiệm trên vi xử lý, sử dụng phương pháp xấp xỉ loại 2 (Back- wardEuler).
Bố cục đồ án
Đồ án nghiên cứu: Thiết kế bộ điều khiển cho mạch Buck có cấu trúc 4 phần hay được chia làm 4 chương:
Phần này nêu ra động lực nghiên cứu của đồ án song song với việc giới hạn phạm vi nghiên cứu mà đồ án tập trung giải quyết Phần này cũng giới thiệu tóm tắt cấu trúc của đồ án và nội dung tương ứng của các phần sẽ lần lượt được trình bày ở các chương tiếp theo.
• Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Phần này nêu ra cơ sở lý thuyết cơ bản được sử dụng trong đồ án nghiên cứu như nguyên lý hoạt động tổng quát của bộ biến đổi Buck ở chế độ dòng liên tục, phương pháp tổng hợp hàm truyền đối tượng trên đường truyền thẳng và phản hồi, phương pháp và quy trình thiết kế điều khiển và tiến hành rời rạc hóa từ miền liên tục sang miền rời rạc.
• Chương 3: Thiết kế, tính toán hệ thống.
Dựa trên cơ sở lý thuyết ở Chương 2, phần này trình bày chi tiết quá trình phân tích thiết kế, tính toán hoạt động của mạch Buck sử dụng bộ điều khiển
• Chương 4: Mô phỏng hệ thống. Đây là chương cuối cùng của đồ án nghiên cứu Phần này trình bày những kết quả mô phỏng mà đồ án nghiên cứu đã đạt được từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5
Cấu trúc bộ biến đổi Buck
Cấu trúc mạch lực của bộ biến đổi Buck được mô tả như Hình 2.1, bao gồm:
• Cuộn cảm L dùng lưu trữ năng lượng.
• Tụ lọc đầu ra C với giá trị đủ lớn để san phẳng điện áp đầu ra.
• Diode D có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện.
• 1 van bán dẫn (Cụ thể ở đây là MOSFET) Q.
• Phần tải là một điện trở công suất R.
Hình 2.1 Cấu trúc bộ biến đổi Buck lý tưởng
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Buck
Như đã trình bày trong chương 1, đồ án sẽ chỉ nghiên cứu hoạt động của bộ biến đổi ở chế độ CCM, với tần số chuyển mạch fswvà hệ số điều chế cho Q là D.
Bộ biến đổi Buck có 2 chế độ chính ứng với 2 khoảng thời gian Theo định luật Kirchhoff, có:
• Khi van Q dẫn, Diode D không dẫn:
• Khi van Q không dẫn, Diode D dẫn:
Trong đó, i L (t),v C (t),v in ,v o (t) lần lượt là các giá trị tức thời của dòng điện qua cuộn cảm, điện áp trên tụ điện, điện áp đầu vào, điện áp đầu ra của bộ biến đổi.
Tụ điện đầu ra đủ lớn đảm bảo điện áp đầu ra dao động trong ngưỡng cho phép Trong trạng thái ổn định, dòng điện qua cuộn cảm biến đổi tuần hoàn theo tần số đóng ngắt của MOSFET Dòng điện tại cuối chu kỳ trước bằng với dòng điện tại đầu chu kỳ sau, dẫn đến điện áp trung bình qua cuộn cảm trong mỗi chu kỳ chuyển mạch bằng 0 Hình 2.2 tóm tắt dạng sóng dòng điện và điện áp của bộ biến đổi Buck ở chế độ dòng điện liên tục.
Như vậy, phần này đã trình bày tổng quan nguyên lý hoạt động của 1 bộ biến đổi Buck Các phương trình mô tả mạch điện ở các khoảng thời gian chuyển mạch sẽ được sử dụng để xây dựng mô hình hàm truyền cho đối tượng bộ biến đổi trong phần 2.3. Để tiện so sánh, thiết kế, thực nghiệm và trình bày quy trình 1 cách rõ ràng cụ thể, đồ án xin được sử dụng thông số của bộ biến đổi Buck được tham khảo trong [13], với các thông số mạch lực, các thông số cho điểm làm việc xác lập đã được tính toán, đo đạc và trình bày trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Thông số bộ biến đổi Buck
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Điện áp đầu vào V in 28 V Điện áp đầu ra V out 15 V
Tần số chuyển mạch f sw 100 kHz Điện cảm C 500 à F Điện dung L 50 àH
Tổng hợp mô hình hàm truyền đối tượng
Mô hình hóa là quá trình nghiên cứu một đối tượng trên cơ sở quan sát, phân tích các mối liên hệ tương tác giữa đối tượng với môi trường chung quanh, qua đó nêu bật lên được các quy luật quan trọng nhất mô tả được các đặc tính của đối tượng [13] Trong các phương pháp mô hình hoá, xây dựng mô hình toán học cho các đối tượng là phương pháp sử dụng các phương trình toán, các định luật vật lý để số hoá, nghiên cứu các tính
Hình 2.2 Đồ thị dòng điện và điện áp ở chế độ dòng điện liên tục [12] chất của hệ thống về mặt toán học Công việc này đóng vai trò vô cùng quan trọng, nhất là với các quá trình thiết kế cấu trúc, sách lược điều khiển, lựa chọn bộ điều khiển [14].
Trong giới hạn đồ án này sẽ thử nghiệm thiết kế cấu trúc 2 vòng điều khiển gián tiếp qua dòng điện.
2.3.1 Mô hình hóa bộ biến đổi Buck
Thành phần cốt lõi của cấu trúc là bộ biến đổi Buck Để mô hình hóa các bộ biến đổi điện tử công suất, có nhiều phương pháp được sử dụng, bao gồm mô hình đóng cắt, mô hình trích mẫu, mô hình trung bình, mỗi phương pháp đều có ưu điểm, nhược điểm riêng Theo [15] và [16], mô hình trung bình tín hiệu được ưa chuộng hơn do tính đơn giản Cần thiết phải có các mô hình trung bình có thể mô tả hoạt động của bộ biến đổi trong thời gian dài hơn chu kỳ đóng cắt, tức là ở dải tần số thấp hơn [13] Trong [13], các phép toán cụ thể đã được trình bày để chứng minh tính khả thi của việc xây dựng mô hình trung bình từ mô hình chính xác Mô hình trung bình tín hiệu bao gồm mô hình trung bình tín hiệu lớn, mô hình tuyến tính hóa và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ.
2.3.1.1 Mô hình trung bình tín hiệu lớn.
Do đặc tính hoạt động tuần hoàn, mô hình tín hiệu trung bình lớn của bộ biến đổi Buck có thể được xác định bằng cách trung bình các phương trình thuộc 2 hệ (2.1) và (2.2) trong một chu kỳ chuyển mạch Nói cách khác:
Trong đó < iL >,< vC >, < vin >lần lượt là các giá trị trung bình trong 1 chu kỳ đóng cắt của dòng điện qua cuộn cảm, điện áp qua tụ điện, dòng điện qua tụ điện, điện áp đầu vào bộ biến đổi.
2.3.1.2 Tuyến tính hóa và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ
Tuyến tính hóa và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ xuất phát từ mô hình trung bình tín hiệu lớn [13] Xét tính ổn định quanh các điểm làm việc cân bằng của bộ biến đổi, là các điểm có được khi cho các vế trái trong hệ 2.3 bằng 0 Quanh đó xuất hiện các biến động xoay chiều (với ký hiệu dấu mũ) có biên độ nhỏ hơn nhiều so với các giá trị xác lập, cụ thể:
Thay các phương trình trong 2.4 vào các phương trình trong 2.3, bỏ qua các biến động nhỏ nhân với nhau (coi như bằng 0), có được:
C v dt ˜ C =i˜ L − v ˜ R C (2.5) Để trích xuất được mô hình hàm truyền, tiến hành Laplace hoá các vế của các phương trình trong hệ 2.5 Với điều kiện biến động của điện áp đầu vào là 0, có thể xác định được các mô hình:
• Hàm truyền mô tả dòng điện qua cuộn cảm so với hệ số điều chế:
• Hàm truyền mô tả điện áp đầu ra so với hệ số điều chế:
• Hàm truyền mô tả điện áp đầu ra so với dòng điện qua cuộn cảm:
Có thể thấy, hàm truyềnG id có thành phần bậc nhất trên tử số và thành phần bậc
2 dưới mẫu số, trong khi hàm truyềnG vd không có điểm không và có thành phần bậc 2 dưới mẫu số Điều này khá hợp lý khi bộ biến đổi Buck tồn tại thành phần L và C gây nên tần số dao động tự nhiên, và tử số của hàm truyền có chứa thành phần điểm không do điện trở tụ điện gây nên Thành phần hàm truyềnGvi(s)đơn giản hơn, chỉ bao gồm 1 điểm cực và 1 điểm không.
Hình 2.3 Kiểm chứng mô hình bộ biến đổi qua đáp ứng tần-biên
Để đánh giá độ chính xác của mô hình bộ biến đổi, có thể tiến hành so sánh kết quả thu được giữa mô phỏng bộ biến đổi thực tế và mô hình hàm truyền đã xây dựng trong MATLAB.
Hình 2.4 Kiểm chứng mô hình bộ biến đổi qua đáp ứng tần-pha
2.6, 2.7, 2.8 Tiến hành kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình thông qua đáp ứng tần số Đối với bộ biến đổi, có thể cho tác động nhiễu hình sin ở đầu vào và mô phỏng để quét qua dải tần số mong muốn Đối với mô hình hàm truyền, dùng các công cụ để vẽ trực tiếp đồ thị Bode Hình 2.3 và 2.4lần lượt mô tả kết quả so sánh các đồ thị đáp ứng tần số về biên độ và pha Đồ thị trơn là của mô hình hàm truyền, đồ thị có các điểm dấu sao là của cấu trúc mạch lực Có thể thấy, các đồ thị bám khá sát nhau, đối với vùng tần số cao chỉ sai lệch khoảng 0.1dB và 0.5 độ.
Nghiên cứu điều khiển
Để đảm bảo điện áp đầu ra ổn định, mạch phải có hồi tiếp để so sánh điện áp đầu ra thực tế với điện áp mục tiêu Ngoài ra, chiến lược điều khiển bậc hai với phản hồi dòng điện bên trong giúp kiểm soát chặt chẽ biến thiên tải Đồ án triển khai chiến lược này cho bộ biến đổi buck, với cấu trúc phản hồi song song dòng điện và điện áp Điện áp đầu ra thực tế được so sánh với giá trị đặt để tạo đầu vào cho vòng phản hồi dòng điện, từ đó điều chỉnh hệ số điều chế.
Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển trung bình 2 vòng dòng điện, điện áp
Có rất nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển đã được nghiên cứu, triển khai và đem lại những hiệu quả tốt cho việc ổn định điện áp đầu ra bộ biến đổi Hạ Áp và
Hạ Áp Đồng Bộ Từ những kỹ thuật điều khiển tuyến tính như sử dụng các bộ PI, PID,FOPID, MPID [17–19]; cho đến áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến như điều khiển trượt,H∞ [20–22]; hay sử dụng phương pháp điều khiển thông mình như logic mờ [23] Mỗi phương pháp điều khiển đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.Các phương pháp điều khiển phi tuyến đã được minh chứng đem lại hiệu quả ổn định,tuy nhiên cũng gặp phải các vấn đề riêng như dao động, chuyển mạch không đồng đều,nhiễu điện từ, tính toán phức tạp [24] Các phương pháp điều khiển phi tuyến sẽ đạt hiệu quả đáng kể hơn đối với các bộ biến đổi và các đối tượng bậc cao Các bộ điều khiển tuyến tính truyền thống thường được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng điều khiển hệ số điều chế, đặc biệt là bộ điều khiển PID thông dụng [25] Các bộ điều khiển tuyến tính như PI và PID nổi bật và được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản và dễ triển khai trong thực tế, đồng thời 1 bộ điều khiển PI được thiết kế tốt trong mạch Hạ Áp sẽ đem lại những hiệu quả tuyệt vời [26] Dựa trên các phân tích trên, trong phạm vi đồ án xin được lựa chọn thiết kế tham số cho bộ điều khiển PI để ổn định điện áp đầu ra cho bộ biến đổi Buck Bộ điều khiển PI liên tục với cấu trúc song song có công thức như sau:
Các tham số của bộ điều khiển PI có thể được thiết kế lựa chọn dựa trên miền thời gian và miền tần số Trong các bộ biến đổi DC-DC, vai trò của tần số chuyển mạch ở các van bán dẫn là vô cùng quan trọng, vì thế việc thiết kế dựa trên miền tần số cũng được ưu tiên hơn [26] Hầu hết các bộ điều chỉnh trong cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC được thiết kế trên miền tần số, công cụ thiết kế dựa trên đồ thị Bode của hàm truyền đạt đối tượng điều khiển trước và sau khi có bộ điều chỉnh (trong cấu trúc điều khiển bộ D-/DC hay gọi là bộ bù, do nguyên tắc thiết kế dựa trên đồ thị Bode nên bộ điều chỉnh sẽ tham gia bù pha và biên độ cho đối tượng điều khiển) tham gia vào [13] Trong phạm vi đồ án xin được thiết kế bộ điều khiển PI dựa trên miền tần số, tức quan tâm đến đặc tính tần của đối tượng, các vấn đề về dải thông, độ dự trữ biên, độ dự trữ pha Phương pháp cụ thể được gọi là "Loop Shaping" ( [27] gọi là phương pháp cân bằng hàm truyền của hệ hở) Ý tưởng là xây dựng 1 đường đồ thị Bode mong muốn cho hệ hở, không chỉ thỏa mãn các yêu cầu ổn định theo tiêu chuẩn Bode mà còn thỏa mãn các yêu cầu nhằm đạt được hệ kín có chất lượng tốt [27–29] đưa ra các tổng kết:
• Hệ thống triệt tiêu được sai lệch tĩnh, tức trong hàm truyền hệ hở phải có 1 khâu mang đặc điểm tích phân.
• Độ dự trữ biên (Gain Margin) là dương, và ít nhất cần vào khoảng 9 đến 10dB để chống chọi lại các tác động với hệ thống.
• Độ dự trữ pha (Phase Margin) là dương, và ít nhất cần vào khoảng 45 đến 55◦. Độ dự trữ pha lớn làm quá trình đạt xác lập chậm đi, nhưng đảm bảo ổn định Độ dự trữ pha nhỏ khiến quá độ trong thời gian ngắn, đi kèm nguy cơ dao động và quá điều chỉnh.
• Tần số cắt (điểm mà đồ thị biên độ cắt trục hoành) cần được lựa chọn đủ lớn để tăng tốc quá trình đạt xác lập, và cũng cần đủ nhỏ để tránh ảnh hưởng của nhiễu chuyển mạch ở tần số cao Đối với cấu trúc 2 vòng, tần số cắt cho vòng dòng điện bên trong nằm ở dải tần trung bình, thường được lấy nhỏ hơn 1 5 đến 10 1 tần số chuyển mạch, lớn hơn tần số dao động tự nhiên.
• Xung quanh vùng tần số cắt, độ dốc của đồ thị biên độ là âm và không nhỏ hơn (tốt nhất là bằng) -20dB/dec nhằm đảm bảo tính ổn định.
• Ở dải tần số cao, đồ thị Bode hệ hở nên có độ dốc càng nhỏ càng tốt, thường là nhỏ hơn -40dB/dec.
Việc đạt được đồ thị Bode của hệ hở thỏa mãn các mong muốn trên có thể được thực hiện bằng nhiều cách, nhưng trực quan nhất là đặt thêm các điểm cực và điểm không
Phương án sử dụng trực quan để có thể nắm rõ hơn tác động của vị trí đặt các điểm cực, điểm không lên hệ thống Từ đó, đề xuất bài toán thiết kế bộ điều khiển cho ứng dụng biến đổi Buck như sau.
2.4.3 Cấu trúc điều khiển số
Trên phương diện triển khai thực tế, bộ điều khiển PI có thể được thực hiện ở dạng liên tục hoặc dạng số Sử dụng cấu trúc điều khiển số mang lại các ưu điểm vượt trội so với cấu trúc liên tục như khả năng tính toán chính xác, ổn định phần cứng, không bị trôi thông số, giảm chi phí sản xuất, và cho phép làm việc với các luật điều khiển phức tạp.
Vì vậy, trong phạm vi đồ án xin được triển khai bộ điều khiển PI dạng số, thông qua mô phỏng bằng phần mềm PSIM.
Khi thiết kế bộ điều khiển số, phương pháp tiếp cận trên miền liên tục sau đó rời rạc hóa được ưu tiên hơn trong các ứng dụng biến đổi điện tử công suất Việc xấp xỉ sang miền số sẽ tận dụng được các công cụ quen thuộc trên miền tần số, giúp quá trình thiết kế dễ dàng và tiện lợi hơn Mặc dù có phương pháp thiết kế trực tiếp trên miền rời rạc, nhưng nó không có nhiều sự khác biệt về bản chất so với phương pháp tiếp cận trên miền liên tục.
Một vấn đề cần quan tâm là việc sử dụng cấu trúc điều khiển số có vài khác biệt so với hệ thống thuần liên tục Hình??so sánh 2 cấu trúc điều khiển liên tục và điều khiển số Bỏ qua thành phần trễ của phép đo (do cảm biến), các công việc của máy tính số không gây ảnh hưởng đến đối tượng như truyền thông giao tiếp, thu thập dữ liệu , theo hình, xuất hiện thêm 4 thành phần khác biệt so với cấu trúc điều khiển liên tục.
• Đầu tiên là các khâu chuyển đổi liên tục-số và ngược lại, biểu thị bằng các khối lượng tử hoá.
• Thứ 2 là khâu giữ chậm bậc 0 biểu thị cho tác động giữ tín hiệu cố định 1 chu kỳ trích mẫu.
• Tiếp theo là khối trễ tính toán do tính chất làm việc của máy tính số.
• Cuối cùng là khâu lọc chống răng cưa để đảm bảo tín hiệu đầu ra được đo, trích mẫu và xử lý đúng.
Các thành phần đã đề cập xuất hiện trong bất kỳ cấu trúc điều khiển số nào, có ảnh hưởng đến hệ thống và cần được xem xét trong quá trình thiết kế điều khiển Việc xét đến các thành phần này làm cho công đoạn thiết kế bộ biến đổi trở nên khó khăn khi pha và dải thông bị giới hạn Vì thế trong phạm vi đồ án, khi tiến hành thiết kế trên miền liên tục sẽ đồng thời quan tâm đến các thành phần mới này, và sử dụng phương pháp "Loop Shaping" dựa trên hình dáng đồ thị đặc tính tần để thêm các điểm cực, điểm không hợp lý, giúp hệ thống đạt ổn định.
Hình 2.6 Đồ thị dòng điện và điện áp ở chế độ dòng điện liên tục (a) Cấu trúc điều khiển liên tục (b) Cấu trúc điều khiển số [30]
Sau khi đã thành công trong việc thiết kế các bộ điều khiển liên tục, công việc tiếp theo là xấp xỉ bằng 1 bộ điều khiển số, thông qua việc biến đổi toán tử Laplace sang toán tử z Có nhiều phương pháp xấp xỉ đã được nghiên cứu và triển khai, đem lại các hiệu quả khác nhau kèm theo nhưng ưu/nhược điểm riêng biệt Tiêu biểu, có
Với "Forward Euler", "Backward Euler" và "Bilinear Transformation", ta có thể xấp xỉ tích phân bằng cách sử dụng biểu diễn đồ thị (Hình 1.4) "Matched Pole-Zero" được dùng để xấp xỉ điểm cực và điểm không giống với hệ liên tục nhất Trong điều khiển số, lượng tử hóa và làm tròn số do ADC gây ra có thể dẫn đến dịch chuyển điểm cực, điểm không và cả mất ổn định hệ thống Trương hợp sử dụng bộ điều khiển PI số, ta có thể áp dụng phương pháp song song bằng cách triển khai riêng phần khuếch đại và phần tích phân Phương trình 2.9 và Bảng 2.2 cung cấp các công thức xấp xỉ cho bốn phương pháp này.
Hình 2.7 Xấp xỉ tích phân
Bảng 2.2 Thông số bộ biến đổi Buck
Phương pháp Công thức G PI (z)
Forward Euler s = z−1 T s G PI (z) = k P + k I T s z−1 1 Backward Euler s = z−1 zT s G PI (z) = k P + k I T s z−1 z Bilinear Transformation s = T 2 s z−1 z+1 G PI (z) = k P + k I T s z+1
Matched Pole-Zero z −1 = e −sT s G PI (z) = k P + k I T s z z−1
Theo [30], các phương pháp trên đạt hiệu quả tốt nếu thời gian trích mẫu nhỏ hơn
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG 21
Thiết kế vòng điều khiển dòng điện
Thay các thông số trong Bảng 2.1 vào phương trình 2.6, có:
Thế các hàm truyền đã tính toán vào phương trình 2.13, hàm truyền cho đối tượng vòng dòng điện là:
Có thể thấy, Gcur(s)chứa 1 điểm không thực (666.67 rad/s), 1 điểm cực thực do thành phần khâu lọc (10 5 rad/s), 2 điểm cực phức tạo nên tần số dao động tự nhiên (6324 rad/s) và thành phần khõu trễ2ã10 −6 s Đồ thị đỏp ứng tần cho đối tượng trờn được cho trong hình 3.1, cụ thể:
• Xuất phát từ vùng tần số thấp, đồ thị biên độ đi ngang với độ dốc 0dB/dec tới tần số điểm không (666.67 rad/s) Theo lý thuyết về đồ thị Bode trình bày trong [27], hệ thống tồn tại sai lệch tĩnh.
• Từ 666.67 rad/s, độ dốc xấp xỉ 20 dB/dec, có phần tăng dần do xuất hiện đỉnh cộng hưởng tại tần số dao động tự nhiên (6324 rad/s).
• Sau khi qua đỉnh cộng hưởng, đồ thị biên độ đi xuống với độ dốc -20dB/dec tới tần số điểm cực (10 5 rad/s).
• Từ10 −5 rad/s đến vùng tần số cao hơn, độ dốc giảm xuống -40dB/dec.
Hình 3.1 Biểu đồ Bode cho đối tượng vòng dòng điện
Ngoài ra có thể thấy rõ sự suy giảm do các thành phần đã trình bày trong chương
2 Hệ kín (chưa có bộ điều khiển PI) là không ổn định, với độ dự trữ biên là−0.719dB tại2.16ã10 5 rad/s (34.37kHz) và độ dự trữ pha là−2.12 ◦ tại2.26ã10 5 rad/s (35.9kHz). Để đưa sai lệch tĩnh về 0, có thể sử dụng 1 khâu tích phân cho bộ điều khiển, tương đương với việc đưa vào đồ thi Bode ở trên 1 điểm cực ở gốc toạ độ Đồ thị đặc tính tần mới được cho trong Hình 3.2, với các giá trị về độ dốc đều giảm thêm 20 dB/dec Hệ kín lúc này đã ổn định, nhưng tần số cắt là khá nhỏ Có thể tăng hệ số khuếch đại bằng cách kéo đồ thị Bode theo hướng lên trên, tuy nhiên mức độ cải thiện là không đáng kể. Nguyên nhân là do độ dốc sau đỉnh cộng hưởng đã giảm xuống -40dB/dec, khiến đồ thị biên độ cắt trục hoành sớm hơn Hơn nữa các nhiều yêu cầu đưa ra trong chương 1 cũng chưa được thỏa mãn.
Giải pháp là đặt thêm 1 điểm không trong khoảng xung quanh tần số dao động tự nhiên (6324 rad/s) nhằm tăng độ dốc sau khi qua đỉnh cộng hưởng thành -20dB/dec.Nhờ vậy, tần số cắt có thể đạt được cao hơn và yêu cầu về độ dốc quanh đó đạt giá trị lớn hơn -20dB/dec được thỏa mãn, giúp tăng tính ổn định hệ thống [34] đề xuất đặt điểm
Hình 3.2 Biểu đồ Bode cho vòng dòng điện có thêm khâu tích phân không mới nói trên trước tần số cộng hưởng tự nhiên, và đặt ở khoảng 0.75 tần số này. Để rõ ràng hơn, có thể tiến hành khảo sát phương trình pha của hệ thống sau khi thêm điểm khôngz, cụ thể như sau: Φ(ω,z) =−arctan(10 −5 ω)−arctan(ω−6316
Điểm không z tỉ lệ nghịch với tần số và tỉ lệ thuận với giá trị pha Sự trễ pha của hệ thống hạn chế lựa chọn tần số cắt và độ dự trữ pha Sau khi cân nhắc, điểm không được đặt ở 4000 rad/s Sau đó, tăng độ khuếch đại lên 250 giúp đường độ Bode hợp lý cho hệ hở, đáp ứng các yêu cầu về ổn định hệ thống.
• Xuất phát từ vùng tần số thấp, đồ thị biên độ đi xuống với độ dốc -20dB/dec tới tần số điểm không (666 ad/s) Hệ thống triệt tiêu được sai lệch tĩnh.
Hình 3.3 Biểu đồ Bode cho vòng dòng điện có thêm bộ điều khiển PI
• Từ 666.67 rad/s, độ dốc là 0dB/dec đến tần số 4000 rad/s của điểm không bộ điều khiển, rồi từ đó, độ dốc tăng lên 20dB/dec có phần tăng dần do xuất hiện đỉnh cộng hưởng tại tần số dao động tự nhiên (6324 rad/s).
• Sau khi qua đỉnh cộng hưởng, đồ thị biên độ đi xuống với độ dốc -20dB/dec tới tần số điểm cực (10 5 rad/s).
• Trong khoảng trờn, đồ thị biờn độ cắt trục hoành tại 3.42ã10 4 rad/s (5.44kHz). Giá trị tần số cắt này nhỏ hơn 10kHz, lớn hơn tần số dao động tự nhiên và nằm ở khoảng dải tần trung bình.
• Độ dự trữ pha có thể đạt được60 ◦ tại tần số cắt.
• Độ dự trữ biờn là 23 dB tại2.11ã10 5 rad/s (33.58kHz).
• Từ10 5 rad/s đến vùng tần số cao hơn, độ dốc giảm xuống -40dB/dec.
Bằng cách thêm một điểm cực vào gốc tọa độ, một điểm không gần tần số cộng hưởng, cùng với tăng thành phần khuếch đại theo ý muốn, ta có thể đạt được bộ điều khiển giúp ổn định vòng dòng điện Hàm truyền bộ điều khiển có dạng như bên dưới, có thể biểu diễn lại dựa trên dạng bộ điều khiển PI cấu trúc song song với hệ số kP = 0,0625 và kI = 250.
Thiết kế vòng điều khiển điện áp
Thay các thông số thực tế vào công thức 2.14, có:
(0.0015s+1)(10 −5 s+1) Đồ thị đáp ứng tần cho đối tượng trên được cho trong Hình 3.4 Thông qua biểu đồ Bode, có thể thấy độ dự trữ biên được coi như vô hạn, tức bất kể hệ số khuếch đại là bao nhiêu, hệ thống vẫn sẽ ổn định So với đối tượng vòng trong, vòng điện áp ngoài dễ thiết kế hơn với hàm truyền với 0 điểm không và 2 điểm cực thực.
Để giảm lỗi tĩnh về 0, có thể sử dụng một khâu tích phân cho bộ điều khiển, tương ứng với việc đưa thêm một điểm cực vào đồ thị Bode tại gốc tọa độ Tăng thành phần khuếch đại lên 100 lần để đẩy tần số cắt sang 300 rad/s, đảm bảo vòng ngoài chậm hơn vòng trong Khi đó, độ dự trữ pha đạt 89,8°, độ dự trữ biên vẫn là vô hạn Đồ thị Bode cho hệ thống mới được thể hiện ở Hình 3.5.
Như vậy, bằng cách thêm 1 điểm cực vào gốc toạ độ, 1 điểm không ở trùng tần số của điểm cực đối tượng và tăng thành phần khuếch đại theo mong muốn, có thể đạt được
Hình 3.5 Biểu đồ Bode cho đối tượng vòng điện áp có thêm bộ điều khiển PI bộ điều khiển giúp hệ thống kín đạt ổn định Hàm truyền bộ điều khiển được biểu diễn như dưới đây, và có thể viết lại được dưới dạng bộ điều khiển PI cấu trúc song song với các hệ sốkP=0.15vàkI 0.
Các kết quả, tham số điều khiển đã đề cập sẽ được mô phỏng trong chương 4 Qua đó, tính ổn định, hiệu quả và khả thi của mô hình sẽ được đánh giá, phân tích Đồng thời, các vấn đề phát sinh trong quá trình nghiên cứu cũng sẽ được đúc kết để tìm ra hướng giải quyết phù hợp.
MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 27
Mô phỏng
Nhằm kiểm tra các tính toán, thiết kế đề xuất trong chương 3, mô hình hệ thống kín với các thông số trong Bảng 2.1 và các tham số điều khiển trong chương 4 sẽ được mô phỏng bằng phần mềm PSIM Cấu trúc rời rạc hoá và điều khiển số bằng vi xử lý được thay thế bằng phần mã lập trình trong khối "C Simplified" của phần mềm.
Các vấn đề được xem xét bao gồm thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh, sai lệch tĩnh của đồ thị điện áp đầu ra thông qua các kịch bản sau:
• Tín hiệu bước nhảy làm điện áp đầu ra mong muốn tăng từ 0 lên 15V khi mới mô phỏng, sau đó thay đổi điện áp đặt từ 15V lên 20V tại 0.25s.
• Thay đổi tải từ 3 xuống 1.5 tại 0.25s.
• Thay đổi điện áp đầu vào từ 28 xuống 20 tại 0.25s.
Khi 1 đại lượng cho thay đổi, các đại lượng khác được giữ tại mức mặc định như trongBảng 2.1.
Kết quả
Kết quả mô phỏng cho kịch bản đầu tiên được cho trong Hình 4.1 Theo đó, điện áp đầu ra bám theo giá trị đặt với sai lệch tĩnh bằng 0 sau khoảng 20ms Điện áp đầu ra không xuất hiện độ quá điều chỉnh.
Kết quả mô phỏng cho kịch bản thứ 2 được cho trong Hình 4.2 Theo đó, khi giảm tải50%từ3Ωxuống1.5Ωtại 0.25s, điện áp đầu ra bị sụt khoảng 5V, sau đó quay trở lại bám theo 18V trong khoảng 50ms Hệ thống không có sai lệch tĩnh.
Kết quả mô phỏng kịch bản thứ 3 cho thấy khi điện áp đầu vào giảm từ 28V xuống 20V tại thời điểm 0,25 giây, điện áp đầu ra giảm khoảng 1V Sau đó, điện áp đầu ra tăng trở lại và duy trì ở mức 15V sau khoảng 20 mili giây, với độ quá điều chỉnh là 0,6V Hệ thống không có sai lệch trạng thái ổn định.
Các kết quả mô phỏng nói trên cho thấy tính ổn định và khả thi khi sử dụng các tham số điều khiển đã thiết kế trong chương 3 Khi khởi động, hệ thống không xuất hiện độ quá điều chỉnh Hệ thống triệt tiêu được sai lệch tĩnh do sử dụng thành phần tích phân Tại chế độ xác lập, điện áp đầu ra xuất hiện thành phần đập mạch do nội tại cấu trúc mạch lực sinh ra Tuy nhiên, thời gian đạt xác lập là chưa nhỏ, nguyên nhân có thể do bản thân bộ biến đổi, do thành phần đập mạch, do tác động của vòng dòng điện lên vòng điện áp và do chính những giới hạn khi thiết kế gây ra bởi các thành phần trong
Hình 4.1 Mô phỏng điện áp đầu ra khi thay đổi giá trị đặt
Hình 4.2 Mô phỏng điện áp đầu ra khi thay đổi giá trị tải cấu trúc điều khiển số Tuy nhiên, hoàn toàn có thể lựa chọn các tham số khác, các vị trí đặt điểm cực, điểm không khác dựa trên quy trình đã trình bày trong chương 3 nhằm đạt
Hình 4.3 Mô phỏng điện áp đầu ra khi thay đổi giá trị điện áp vào hiệu quả điều khiển tốt hơn.
Kết luận chung Đồ án đã trình bày về tổng quan quy trình thiết kế bộ điều khiển PI số cho bộ biến đổi Buck, xuất phát từ các vấn đề đã và đang được nghiên cứu cho đề tài, từ nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ biến đổi đến tổng hợp các mô hình hàm truyền cho đối tượng. Các thành phần và các vấn đề trong việc thiết kế và triển khai cấu trúc điều khiển số cũng được đề cập Quy trình và các phương án lựa chọn vị trí điểm cực, điểm không thỏa mãn hình dạng đặc tính tần mong muốn đã được đưa ra Các kết quả mô phỏng trình bày ở trên phần nào minh chứng cho các phân tích và kết luận trước đó Tuy vậy, do nội dung và thời gian có hạn, đồ án vẫn còn nhiều hạn chế khi ưu tiên tính đơn giản dễ dàng và chưa thể kiểm chứng bằng thực nghiệm để có thể đánh giá chính xác độ hiệu quả hơn Hướng phát triển của đồ án trong tương lai là kiểm tra kỹ hơn các tác động của các vòng lên toàn hệ thống, thực hiện trên mạch thực tế, sử dụng mô hình pin làm đối tượng và nghiên cứu các thuật toán điều khiển nâng cao hơn.
[1] G C Project, “Global carbon emissions from fossil fuels reached record high in 2023,” Stanford Doerr School of Sustainability, 2023, ac- cessed: 2024-06-16 [Online] Available: https://sustainability.stanford.edu/ news/global-carbon-emissions-fossil-fuels-reached-record-high-2023
[2] U E P Agency (2024) Fast facts on transportation greenhouse gas emissions. Accessed: 2024-06-16 [Online] Available: https://www.epa.gov/greenvehicles/ fast-facts-transportation-greenhouse-gas-emissions
[3] I E Agency (2023) Electric vehicles Accessed: 2024-06-16 [Online] Available: https://www.iea.org/reports/tracking-electric-vehicles-2023
[4] M R Haque, S Das, M Uddin, M S Leon, and M Razzak, “Performance eval- uation of 1kw asynchronous and synchronous buck converter-based solar-powered battery charging system for electric vehicles,” 06 2020.
[5] International Energy Agency (2024) Global electric car stock, 2013-2023 https:// www.iea.org/data-and-statistics/charts/global-electric-car-stock-2013-2023 IEA. Paris Licence: CC BY 4.0.
[6] H Wouters and W Martinez, “Bidirectional on-board chargers for electric vehi- cles: State-of-the-art and future trends,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol PP, pp 1–23, 09 2023.
[7] S Das, K Salim, D Chowdhury, and M Hasan, “Inverse sinusoidal pulse width modulation switched electric vehicles’ battery charger,” International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol 9, pp 1–14, 03 2019.
[8] S Chakraborty, S Annie, and M Razzak, “Design of single-stage buck and boost converters for photovoltaic inverter applications,” 05 2014, pp 1–6.
[9] R W Erickson and D Maksimovic,Fundamentals of power electronics Springer
[10] T Instruments, “Understanding boost power stages in switchmode power supplies,”
[11] D Cittanti, M Gregorio, F Mandrile, and R Bojoi, “Full digital control of an all-si on-board charger operating in discontinuous conduction mode,” Electronics, vol 10, no 2, p 203, 2021.
[12] Sciamble Corp., “Buck converter - continuous conduction mode (ccm),” 2022, accessed: 2024-06-17 [Online] Available: https://sciamble.com/resources/ pe-drives-lab/basic-pe/buck-converter
[13] T T M V H Phương, Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất, 2017.
[14] N T Hà, “EE3550 Chương 2: Process Models,” PowerPoint slides, 2006.
[15] R D Middlebrook and S Cuk, “A general unified approach to modelling switching-converter power stages,” in1976 IEEE power electronics specialists con- ference IEEE, 1976, pp 18–34.
[16] M M Garg, Y V Hote, and M Pathak, “Leverrier’s algorithm based modeling of higher-order dc-dc converters,” in 2012 IEEE 5th India International Conference on Power Electronics (IICPE) IEEE, 2012, pp 1–6.
[17] T Wiangtong and J Sirapatcharangkul, “Pid design optimization using flower pol- lination algorithm for a buck converter,” in2017 17th International Symposium on Communications and Information Technologies (ISCIT) IEEE, 2017, pp 1–4.
[18] S Adhul and T Ananthan, “Fopid controller for buck converter,” Procedia Com- puter Science, vol 171, pp 576–582, 2020.
[19] M R Haque and M A Razzak, “A buck converter-based battery charging con- troller for electric vehicles using modified pi control system,” in2021 IEEE Inter- national IOT, Electronics and Mechatronics Conference (IEMTRONICS) IEEE,
[20] M Deshmukh and M K Namboothiripad, “Dsp basedsecond order sliding mode controller for buck converter,” in 2018 3rd International Conference for Conver- gence in Technology (I2CT) IEEE, 2018, pp 1–5.
[21] H Sira-Ramírez, A Luviano-Juárez, and J Cortés-Romero, “Robust input–output sliding mode control of the buck converter,”Control Engineering Practice, vol 21, no 5, pp 671–678, 2013.
[22] A Kugi and K Schlacher, “Nonlinear h/sub/spl infin//controller design for a dc- to-dc power converter,” IEEE transactions on control systems technology, vol 7, no 2, pp 230–237, 1999.
[23] M K Asy’ari, K Indriawati et al., “Design of wind turbine output voltage con- trol systems in multi-input buck converter using fuzzy logic control for battery