đồ án i đề tài mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi buck

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội, 06/2024

LỜI NÓI ĐẦU

Trong bối cảnh hiện đại hóa và sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử,việc nghiên cứu và ứng dụng các bộ biến đổi điện năng trở nên ngày càng quan trọng.Trong số đó, bộ biến đổi Buck, hay còn gọi là bộ chuyển đổi giảm áp, đã chứng tỏ vaitrò then chốt trong nhiều hệ thống điện tử, từ các thiết bị tiêu dùng hàng ngày đến các hệthống công nghiệp phức tạp.

Bộ biến đổi Buck được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi sự chuyển đổiđiện áp DC từ mức cao xuống mức thấp hơn một cách hiệu quả và ổn định Đặc điểmnổi bật của bộ biến đổi Buck là khả năng duy trì hiệu suất chuyển đổi cao, thiết kế đơngiản và đảm bảo độ tin cậy trong quá trình vận hành Điều này đặc biệt quan trọng trongứng dụng sạc pin xe điện, nơi mà tuổi thọ pin và hiệu quả sử dụng năng lượng là nhữngyếu tố quyết định Vì vậy việc chọn bộ biến đổi Buck là đối tượng để tiếp cận, nghiên

cứu và thiết kế là nhu cầu hợp lí Chính vì lí do đó em đã chọn đề tài Mô hình hóa và

thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi Buck làm đồ án I của mình.

Em xin được cảm ơn TS Nguyễn Duy Đỉnh đã cho em cơ hội được nghiên cứu vàlàm việc cùng thầy và EVSELab Em xin cảm ơn thầy, anh Ngô Quốc Khánh, anh DiêmCông Hiển cùng các anh chị, các bạn đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để em hoàn thànhđược đồ án này Trong quá trình làm đồ án, do giới hạn kiến thức nên đồ án có thể còncó nhiều sai sót Em xin được tiếp thu sửa đổi vào học phần đồ án tiếp theo Em xinchân thành cảm ơn!

2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Buck 5

2.3 Tổng hợp mô hình hàm truyền đối tượng 6

2.3.1 Mô hình hóa bộ biến đổi Buck 7

2.4 Nghiên cứu điều khiển 10

2.4.1 Sách lược điều khiển 10

2.4.2 Phương pháp điều khiển 11

2.4.3 Cấu trúc điều khiển số 13

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG213.1 Thiết kế vòng điều khiển dòng điện 21

3.2 Thiết kế vòng điều khiển điện áp 25

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ274.3 Mô phỏng 27

4.4 Kết quả 27

KẾT LUẬN30

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

PI Bộ điều chỉnh tỉ lệ tích phân (Proportional Integral)

CCM Chế độ dòng điện liên tục (Continuous-Conduction Mode)DCM Chế độ dòng điện gián đoạn (Discontinuous-conduction mode)PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation)

ZOH Khâu trích mẫu và giữ bậc không (Zero-Order Hold)PM Dự trữ pha (Phase Margin)

GM Dự trữ biên độ (Gain Margin)

ADC Chuyển đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter)DAC Chuyển đổi số sang tương tự (Digital to Analog Converter)

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Thống kê lượng xe điện trên thế giới 2

Hình 2.1 Cấu trúc bộ biến đổi Buck lý tưởng 5

Hình 2.2 Đồ thị dòng điện và điện áp ở chế độ dòng điện liên tục 7

Hình 2.3 Kiểm chứng mô hình bộ biến đổi qua đáp ứng tần-biên 9

Hình 2.4 Kiểm chứng mô hình bộ biến đổi qua đáp ứng tần-pha 10

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển trung bình 2 vòng dòng điện, điện áp 11

Hình 2.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín 14

Hình 2.7 Xấp xỉ tích phân 15

Hình 2.8 Hai cách cập nhật biến điều khiển 17

Hình 2.9 Thời gian trễ với xung PWM răng cưa 18

Hình 2.10 Thời gian trễ với xung PWM tam giác 19

Hình 3.1 Biểu đồ Bode cho đối tượng vòng dòng điện 22

Hình 3.2 Biểu đồ Bode cho vòng dòng điện có thêm khâu tích phân 23

Hình 3.3 Biểu đồ Bode cho vòng dòng điện có thêm bộ điều khiển PI 24

Hình 3.4 Biểu đồ Bode cho đối tượng vòng điện áp 25

Hình 3.5 Biểu đồ Bode cho đối tượng vòng điện áp có thêm bộ điều khiển PI 26Hình 4.1 Mô phỏng điện áp đầu ra khi thay đổi giá trị đặt 28

Hình 4.2 Mô phỏng điện áp đầu ra khi thay đổi giá trị tải 28

Hình 4.3 Mô phỏng điện áp đầu ra khi thay đổi giá trị tải 29

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số bộ biến đổi Buck 6Bảng 2.2 Thông số bộ biến đổi Buck 15

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội 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 hiểu và lựa chọn cấu trúc điều khiển gián tiếp dòng điện (điều khiển tầng 2vòng) Bộ điều khiển lựa chọn sẽ là bộ điều khiển PI (vì sự dễ thiết kế và tính phổ biếncủa nó) Công đoạn thiết kế được tiến hành trên miền liên tục dựa trên đáp ứng tần, sauđó sẽ được rời rạc hóa để có thể thực thi được với các bộ vi xử lí thực tế Cuối cùng làphần mô phỏng kiểm chứng để kiểm định mô hình điều khiển được thiết kế.

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1Động lực nghiên cứu

Tình trạng ô nhiễm môi trường, khí thải nhà kính, suy giảm chất lượng khôngkhí đang là vấn đề nan giải và nhức nhối của toàn thế giới Theo báo cáo mới nhất từdự án Global Carbon Project, lượng khí thải CO2 toàn cầu đã đạt mức cao kỷ lục vàonăm 2023, với hơn 40 tỷ tấn, trong đó gần 37 tỷ tấn đến từ nhiên liệu hóa thạch So vớimức 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% tổnglượng khí thải nhà kính năm 2022 Điều này bao gồm ô tô, xe tải, máy bay thương mạivà đường sắt, trong đó ô tô cá nhân đóng góp phần lớn [2] Việc gia tăng sử dụng cácphương tiện giao thông này đã góp phần không nhỏ vào việc gia tăng lượng khí thảiCO2.

Từ tình hình này, nhu cầu cấp thiết là phải tìm ra các giải pháp bền vững hơn đểgiảm 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 thảiCO2 mà còn cung cấp hiệu suất cao và thời gian sạc ngắn hơn Các xe điện hiện nay cóthể đi xa hơn với mỗi lần sạc và thời gian sạc cũng được rút ngắn đáng kể, giúp tiện lợihơn cho người dùng.

Theo báo cáo của IEA, trong năm 2023, số lượng xe điện toàn cầu đã vượt quá 14triệu, tăng 35% so với năm 2022 [3] Điều này thể hiện sự tăng trưởng mạnh mẽ trongviệc chấp nhận xe điện trên toàn thế giới Trong khi đó, các thị trường hàng đầu cho xeđiện 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 xuthế phát triển của thị trường xe điện Theo đó, số lượng xe điện năm 2023 đạt khoảng40 triệu, cao gấp 5 lần so với năm 2020 Không chỉ vậy, nhiều nghiên cứu nổi bật gầnđây còn quan tâm đến các phương pháp tận dụng tối đa khả năng lưu trữ năng lượngcao của xe điện, chẳng hạn như sử dụng xe điện như 1 nguồn năng lượng đáng tin cậytrong 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 sựlệ 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 cònbao gồm cả việc cải thiện hạ tầng giao thông và hệ thống năng lượng tái tạo để cung cấpđiện sạch cho các xe này Sự gia tăng về nhu cầu sử dụng xe điện kéo theo sự gia tăngvề nhu cầu phát triển các hệ thống sạc [6] Do xe điện sử dụng công nghệ pin có thể sạctừ lưới điện, yêu cầu cần có những tiêu chuẩn và quy trình sạc phù hơp để đảm bảo chất

Hình 1.1 Thống kê lượng xe điện trên thế giới [5]

lượng điện năng [7] Trong các vấn đề cần được quan tâm về công nghệ pin, các thuậttoán sạc hiệu quả và an toàn là vô cùng quan trọng để đảm bảo tuổi thọ pin kéo dài, giảmthời gian sạc và tối ưu hoá việc sử dụng năng lượng Để sạc với hiệu suất tối ưu, đồngthời đảm bảo tuổi thọ pin tốt, cũng cần có một bộ biến đổi điện tử công suất phù hợp,sách lược điều khiển tốt [8] Các bộ biến đổi DC-DC đóng vai trò quan trọng trong vấnđề này, và việc có được 1 bộ biến đổi chất lượng cao, đáng tin cậy, linh hoạt và hiệu quảlà vô cùng cần thiết Có thể nói, cùng với sự phát triển của xe điện và công nghệ pin,nguồn điện một chiều và các bộ biến đổi DC-DC đang trở thành xu thế của tương lai.

Trong số các cấu trúc bộ biến đổi DC-DC, bộ biến đổi Buck được sử dụng rộng rãitrong các ứng dụng đòi hỏi sự chuyển đổi điện áp DC từ mức cao xuống mức thấp hơnmột cách hiệu quả và ổn định Đặc điểm nổi bật của bộ biến đổi Buck là khả năng duytrì hiệu suất chuyển đổi cao, dễ điều khiển, có thể duy trì độ chính xác cao của điện ápđầu ra dù có thay đổi tải hoặc điện áp nguồn đầu vào, kích thước nhỏ gọn, chi phí sảnxuất thấp do cấu trúc đơn giản và sử dụng ít linh kiện [9] Điều này đặc biệt quan trọngtrong ứng dụng sạc pin xe điện, nơi mà tuổi thọ pin và hiệu quả sử dụng năng lượng là

những yếu tố quyết định.

1.2Phạm 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 nhiềutính năng nâng cao hơn, trong phạm vi đồ án xin được sử dụng bộ biến đổi Buck làm đốitượng 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 độkhác nhau, gồm có: chế độ dòng điện liên tục (CCM-Continuous Conduction Mode) vàchế độ dòng điện gián đoạn (DCM-Discontinuous Conduction Mode) [10] Chế độ dòngđiện liên tục được đặc trưng bởi dòng điện chạy liên tục trong toàn bộ chu kỳ chuyểnmạch ở trạng thái hoạt động ổn định Chế độ dòng điện gián đoạn được đặc trưng bởidòng điện dẫn bằng 0 trong một phần của chu kỳ chuyển mạch So với chế độ dòng điệnliên tục, chế độ dòng điện gián đoạn phức tạp hơn trong khâu thiết kế bộ biến đổi và bộđiều khiển Chế độ dòng điện gián đoạn gặp vấn đề nếu khâu lấy mẫu dòng điện khôngcho ra trực tiếp giá trị trung bình, gây nên sai lệch tĩnh khi dòng điện phản hồi khônggiống thực tế [11] Cũng theo [11], chế độ dòng điện gián đoạn phải đối mặt với nhiềuthách thức trong quá trình thiết kế như vấn đề về dòng điện hiệu dụng ở các phần tử côngsuất chủ động lẫn thụ động, nỗ lực lọc đầu ra tăng cao, vấn đề lấy mẫu dòng điện, tínhphi tuyến trong mô hình đối tượng Do nội dung và thời gian có hạn, trong phạm vi đồán xin chỉ xét bộ biến đổi Buck hoạt động ở chế độ dòng liên tục và tập trung hơn vềphần nghiên cứu thiết kế điều khiển.

Dựa theo các tìm hiểu, phân tích đã trình bày trong các phần trên, trong phạm viđồ án xin được:

• Lựa chọn bộ biến đổi Buck, hoạt động ở chế độ dòng liên tục làm đối tượng thiếtkế điều khiển.

• Sử dụng sách lược điều khiển tầng với 2 vòng dòng điện, điện áp Cấu trúc điềukhiển 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 vàđiện 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 đểtriển khai thực nghiệm trên vi xử lý, sử dụng phương pháp xấp xỉ loại 2 (Back-wardEuler).

1.3Bố cục đồ án

Đồ án nghiên cứu: Thiết kế bộ điều khiển cho mạch Buck có cấu trúc 4 phần hayđược chia làm 4 chương:

• Chương 1: Giới thiệu chung.

Phần này nêu ra động lực nghiên cứu của đồ án song song với việc giới hạn phạmvi nghiên cứu mà đồ án tập trung giải quyết Phần này cũng giới thiệu tóm tắt cấutrúc của đồ án và nội dung tương ứng của các phần sẽ lần lượt được trình bày ởcác 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 cứunhư 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 liêntục 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 phântích 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 quảmô phỏng mà đồ án nghiên cứu đã đạt được từ đó đưa ra nhận xét, đánh giá hiệuquả hoạt động của hệ thống.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này này nêu ra cơ sở lý thuyết cơ bản được sử dụng trong đồ án nghiên cứunhư nguyên lý hoạt động tổng quát của bộ biến đổi Buck ở chế độ dòng liên tục, phươngpháp tổng hợp hàm truyền đối tượng trên đường truyền thẳng và phản hồi, phương phápvà quy trình thiết kế điều khiển và tiến hành rời rạc hóa từ miền liên tục sang miền rờirạc

2.1Cấu 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

2.2Nguyên 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 biếnđổi 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 luậtKirchhoff, có:

• Khi van Q dẫn, Diode D không dẫn:(

dt = vin(t) − vC(t)CvC(t)

dt = iL−vC

(2.1)

• Khi van Q không dẫn, Diode D dẫn:(

dt = −vC(t)CvC(t)

Như vậy, phần này đã trình bày tổng quan nguyên lý hoạt động của 1 bộ biến đổiBuck Các phương trình mô tả mạch điện ở các khoảng thời gian chuyển mạch sẽ đượcsử 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], vớicác thông số mạch lực, các thông số cho điểm làm việc xác lập đã được tính toán, đo đạcvà trình bày trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1 Thông số bộ biến đổi Buck

Điện áp đầu vàoVin 28VĐiện áp đầu raVout 15V

2.3Tổng hợp mô hình hàm truyền đối tượng

Mô hình hóa là quá trình nghiên cứu một đối tượng trên cơ sở quan sát, phân tíchcác mối liên hệ tương tác giữa đối tượng với môi trường chung quanh, qua đó nêu bậtlên được các quy luật quan trọng nhất mô tả được các đặc tính của đối tượng [13] Trongcác phương pháp mô hình hoá, xây dựng mô hình toán học cho các đối tượng là phươngpháp 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, nhấtlà 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 giántiếp qua dòng điện.

2.3.1Mô hình hóa bộ biến đổi Buck

Thành phần đầu tiên và là đối tượng chính trong cấu trúc là bộ biến đổi Buck Đốivới các bộ biến đổi điện tử công suất, có nhiều phương pháp mô hình hoá như mô hìnhđóng cắt (mô hình chính xác), mô hình trích mẫu, mô hình trung bình Mỗi phương phápđều có các ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng Theo [15] và [16], các môhình trung bình tín hiệu thường được sử dụng phổ biến hơn vì tính đơn giản Cần thiếtcó những mô hình trung bình có thể mô tả hoạt động của bộ biến đổi sau những khoảng

thời gian dài hơn so với chu kỳ đóng cắt, nghĩa là ở dải tần số thấp hơn [13] Trong [13]cũng trình bày cụ thể các phép toán chứng minh tính khả thi của việc xây dựng mô hìnhtrung bình từ mô hình chính xác Mô hình trung bình tín hiệu xét đến mô hình trung bìnhtín hiệu lớn, tuyến tính hoá quanh điểm làm việc và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ.

2.3.1.1Mô hình trung bình tín hiệu lớn.

Do tính chất làm việc theo chu kỳ, mô hình trung bình tín hiệu lớn cho bộ biến đổiBuck có thể được xác định thông qua việc trung bình hoá các phương trình thuộc 2 hệ2.1 và 2.2 trong 1 chu kỳ chuyển mạch Cụ thể:

dt = ⟨−vC⟩ + ⟨vind⟩C⟨vC⟩

dt = ⟨iL⟩ −⟨vC⟩R

Trong đó < iL >,< vC >, < vin >lần lượt là các giá trị trung bình trong 1 chu kỳđóng cắt của dòng điện qua cuộn cảm, điện áp qua tụ điện, dòng điện qua tụ điện, điệnáp đầu vào bộ biến đổi.

2.3.1.2Tuyến 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 bìnhtín hiệu lớn [13] Xét tính ổn định quanh các điểm làm việc cân bằng của bộ biến đổi, làcác điểm có được khi cho các vế trái trong hệ 2.3 bằng 0 Quanh đó xuất hiện các biếnđộng xoay chiều (với ký hiệu dấu mũ) có biên độ nhỏ hơn nhiều so với các giá trị xáclập, cụ thể:

iL(t) = IL+ ˜iL(t)vC(t) = VC+ ˜vC(t)vin(t) = VC+ ˜vin(t)d(t) = D + ˜d(t)

Thay các phương trình trong 2.4 vào các phương trình trong 2.3, bỏ qua các biếnđộng nhỏ nhân với nhau (coi như bằng 0), có được:

dt = − ˜vC+ ˜vind+ vind˜Cv˜C

• Hàm truyền mô tả dòng điện qua cuộn cảm so với hệ số điều chế:Gid(s) = Vin(CRs + 1)

2.3.1.3Kiểm chứng mô hình

Hình 2.3 Kiểm chứng mô hình bộ biến đổi qua đáp ứng tần-biên

Nhằm mục đích kiểm tra tính đúng đắn của mô hình bộ biến đổi, có thể so sánh cáckết quả giữa việc mô phỏng bộ biến đổi và sử dụng mô hình hàm truyền có được trong

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 tầnsố Đối với bộ biến đổi, có thể cho tác động nhiễu hình sin ở đầu vào và mô phỏng đểquét qua dải tần số mong muốn Đối với mô hình hàm truyền, dùng các công cụ để vẽtrực tiếp đồ thị Bode Hình 2.3 và 2.4lần lượt mô tả kết quả so sánh các đồ thị đáp ứngtần số về biên độ và pha Đồ thị trơn là của mô hình hàm truyền, đồ thị có các điểm dấusao là của cấu trúc mạch lực Có thể thấy, các đồ thị bám khá sát nhau, đối với vùng tầnsố cao chỉ sai lệch khoảng 0.1dB và 0.5 độ.

2.4Nghiên cứu điều khiển

2.4.1Sách lược điều khiển

Trong thực tế, rất khó để giữ mức điện áp đầu ra bộ biến đổi ổn định dưới nhữngbiến động của điện áp đầu vào, biến động tải và tác động các thành phần ký sinh, phituyến trong mạch điện Trong khi đó, để đạt được hoạt động hiệu quả, rất cần thiết phảisạc pin với điện áp và dòng điện ổn định, cũng như có độ quá điều chỉnh nhỏ và thờigian ổn định nhanh Vì vậy, việc có phản hồi và sử dụng bộ điều khiển vòng kín là cầnthiết Để đảm bảo điện áp ra là ổn định, vòng phản hồi cần đo điện áp đầu ra thực tế vàso sánh với điện áp đầu ra mong muốn để đưa ra tín hiệu điều khiển hợp lý Ngoài ra,để tăng cường tính ổn định và hiệu quả, sách lược điều khiển tầng có thể được sử dụng,tức thêm 1 vòng phản hồi dòng điện ở trong, đảm bảo kiểm soát chặt chẽ sự thay đổi củacác biến [13] Trong các ứng dụng thiết kế điều khiển cho sạc pin, với thuật toán sạc ổndòng - ổn áp (CC-CV) phổ biến, việc duy trì dòng điện ở mức ổn định cũng là 1 bài toán

cần quan tâm Đồ án xin được lựa chọn sách lược điều khiển tầng cho bộ biến đổi Buck,với 2 vòng dòng điện, điện áp, có cấu trúc như hình 1.2, tức cấu trúc điều khiển theonguyên lý dòng điện trung bình (Đồ án cũng đã tìm hiểu và thử tiến hành thiết kế với cấutrúc điều khiển trực tiếp 1 vòng điện áp, tuy nhiên với những yêu cầu đặt ra, cấu trúc này

thể hiện 1 số hạn chế, cụ thể được đề cập trong phần phụ lục, thêm sau nhé Cụ thể,

điện áp đầu ra thực tế của bộ biến đổi sẽ được phản hồi và so sánh với điện áp đặt Bộđiều khiển điện áp sẽ xử lý dựa trên sai lệch để đưa ra đầu vào đặt cho vòng dòng điện ởtrong Vòng dòng điện hoạt động tương tự với tín hiệu đo về là dòng điện qua cuộn cảmthực tế và đầu ra của bộ điều khiển dòng điện là hệ số điều chế.

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển trung bình 2 vòng dòng điện, điện áp

2.4.2Phương pháp điều khiển

Có rất nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển đã được nghiên cứu, triển khaivà đem lại những hiệu quả tốt cho việc ổn định điện áp đầu ra bộ biến đổi Hạ Áp vàHạ 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 nhưđiều khiển trượt, H∞ [20–22]; hay sử dụng phương pháp điều khiển thông mình nhưlogic 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 đạthiệu quả đáng kể hơn đối với các bộ biến đổi và các đối tượng bậc cao Các bộ điềukhiển tuyến tính truyền thống thường được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng điềukhiển hệ số điều chế, đặc biệt là bộ điều khiển PID thông dụng [25] Các bộ điều khiểntuyến tính như PI và PID nổi bật và được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản và dễ triểnkhai trong thực tế, đồng thời 1 bộ điều khiển PI được thiết kế tốt trong mạch Hạ Áp sẽđem lại những hiệu quả tuyệt vời [26] Dựa trên các phân tích trên, trong phạm vi đồ ánxin 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:GPI(s) = kP+ kI1

Các tham số của bộ điều khiển PI có thể được thiết kế lựa chọn dựa trên miền thời gianvà miền tần số Trong các bộ biến đổi DC-DC, vai trò của tần số chuyển mạch ở các vanbán dẫn là vô cùng quan trọng, vì thế việc thiết kế dựa trên miền tần số cũng được ưutiên hơn [26] Hầu hết các bộ điều chỉnh trong cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DCđược thiết kế trên miền tần số, công cụ thiết kế dựa trên đồ thị Bode của hàm truyềnđạt đối tượng điều khiển trước và sau khi có bộ điều chỉnh (trong cấu trúc điều khiển bộD-/DC hay gọi là bộ bù, do nguyên tắc thiết kế dựa trên đồ thị Bode nên bộ điều chỉnhsẽ tham gia bù pha và biên độ cho đối tượng điều khiển) tham gia vào [13] Trong phạmvi đồ án xin được thiết kế bộ điều khiển PI dựa trên miền tần số, tức quan tâm đến đặctính tần của đối tượng, các vấn đề về dải thông, độ dự trữ biên, độ dự trữ pha Phươngpháp cụ thể được gọi là "Loop Shaping" ( [27] gọi là phương pháp cân bằng hàm truyềncủa hệ hở) Ý tưởng là xây dựng 1 đường đồ thị Bode mong muốn cho hệ hở, không chỉthỏa mãn các yêu cầu ổn định theo tiêu chuẩn Bode mà còn thỏa mãn các yêu cầu nhằmđạt 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 khâumang đặc điểm tích phân.

• Độ dự trữ biên (Gain Margin) là dương, và ít nhất cần vào khoảng 9 đến 10dB đểchống 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 Độdự trữ pha nhỏ khiến quá độ trong thời gian ngắn, đi kèm nguy cơ dao động vàquá điều chỉnh.

• Tần số cắt (điểm mà đồ thị biên độ cắt trục hoành) cần được lựa chọn đủ lớn đểtăng tốc quá trình đạt xác lập, và cũng cần đủ nhỏ để tránh ảnh hưởng của nhiễuchuyển mạch ở tần số cao Đối với cấu trúc 2 vòng, tần số cắt cho vòng dòngđiện bên trong nằm ở dải tần trung bình, thường được lấy nhỏ hơn 15 đến 101 tần sốchuyển 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 lànhỏ hơn -40dB/dec.

Việc đạt được đồ thị Bode của hệ hở thỏa mãn các mong muốn trên có thể được thựchiện bằng nhiều cách, nhưng trực quan nhất là đặt thêm các điểm cực và điểm không