đồ án tốt nghiệp thiết kế và điều khiển mạch tăng áp một chiều dc dc boost

Ở trạng thái này, điện cảm của mạch sẽ được nạp năng lượng năng lượng này cho phép điện áp qua tải tăng lên cao hơn so với điện áp nguồn dưới dạng từ trường.. Trong thực tế thì ta cần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHI P THÁI NGUYÊN Ệ

Mục L c ụLỜI CẢM ƠN 1 MỞ ĐẦU 2 Chương I NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG MẠCH TĂNG ÁP MỘT CHIỀU DC-DC BOOST 3 1.1 Sơ đồ cơ bản c a mủ ạch DC-DC boost 3 1.2 Nguyên lí hoạt động của DC-DC boost 4 1.3 Các ng d ng c a mứ ụ ủ ạch tăng áp một chi u DC-DC boost 5 ề1.4 Thiết kế ạch m 6 Chương II XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ DC-DC BOOST 17 2.1 Mô hình ng thái ON 17 ở trạ2.2 Mô hình ng thái OFF 18 ở trạ2.3 Thiết kế ộ điề b u khi n 26 ể2.4 Tìm thông s Kp, Ki qua PID TUNER 26 ố

3.1Thông s ố kĩ thuật của Arduino 29 3.2 Vi điều khi n STM32 31 ể3.3 Kết quả thực tế 33 3.4 Kết luận 34 Tài liệu tham kh o 35 Bo xung ket luan chung cua do anả

Hình 1.9 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC vỏ ới D=30% 9

Hình 1.10 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC v i D=40% 10 ỏ ớHình 1.11 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC v i D=50% 10 ỏ ớHình 1.12 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC v i D=60% 11 ỏ ớHình 1.13 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC v i D=70% 11 ỏ ớHình 1.14 Đặc tính mô ph ng boost DC-ỏ DC khi tăng dần Duty 12

Hình 1.15 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC vỏ ới Rt= 100Ω 12

Hình 1 16 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC vỏ ới Rt= 200Ω 13

Hình 1.17 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC vỏ ới Rt= 300Ω 13

Hình 1 18 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC vỏ ới Rt= 400Ω 14

Hình 1.19 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC vỏ ới Rt= 500Ω 14

Hình 1.20 Đặc tính mô ph ng boost DC-ỏ DC khi tăng dần Rt 15

Hình 2.1 Trạng thái ON 17

Hình 2.2 Đặc tính tr ng thái ON c a i(t) 18 ạ ủHình 2.3 Trạng thái OFF 18

Hình 2.4 Đặc tính đáp ứng thời gian của điện áp đầu ra qua t i 19 ảHình 2.5 Sơ đồ ạch sau khi mắc thêm tụ C 20 mHình 2.6 Đặc tính áp ra trên t i sau khi có t C 20 ả ụHình 2.7 Trạng thái OFF khi có t 20 ụHình 2.8 T ng tr hóa Z1 và Z2 21 ổ ởHình 2.9 Trạng thái mạch ON khi có t C 22 ụHình 2.10 Mô hình xấp x 23 ỉHình 2.11 K t n i mế ố ạch thực t và Matlab 23 ếHình 2.12 Sơ đồ mô ph ng Matlab c a mỏ ủ ạch thực t 24 ếHình 2.13 Đáp ứng th c t khi c p Duty=46% 24 ự ế ấHình 2.14 Sơ đồ mô ph ng Matlab c a hàm truy n th c t 25 ỏ ủ ề ự ếHình 2.15 Đáp ứng lý thuy t khi c p Duty=46% 25 ế ấHình 2.16 BĐK PI cho mạch DC-DC boost 26

Hình 2.17 B ộ điều khi n PI 27 ểHình 2.18 H p tho i Block Parameters 27 ộ ạHình 2.19 Thông s Kp,Ki c a bố ủ ộ điều khi n 28 ểHình 2.20 Đặc tính mô ph ng 28 ỏHình 3.1 Board Arduino MEGA 2560 29 Hình 3.2 Vi điều khi n STM32F103 31 ểHình 3.3 Sơ đồ mô ph ng 33 ỏHình 3.4 K t qu mô ph ng 33 ế ả ỏ

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình th c hiự ện đồ án, em đã nhận đượ ấc r t nhi u sề ự giúp đỡ và chỉ b o t n tình c a các th y cô trong b môn ả ậ ủ ầ ộ Đo lường và điều khi n Em xin ểchân thành g i t i toàn th các quý thử ớ ể ầy cô khoa điệ ử, đặn t c bi t là các th y cô ệ ầtrong bộ môn Đo ờng điề lư u khiển đã giảng dạy, tận tình và chu đáo, truyền đạt kiến th c cho em trong su t thứ ố ời gian 5 năm qua

Em xin chân thành g i l i cử ờ ảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo PGS.TS

Nguyễn Văn Chí đã luôn giúp đỡ sinh viên chúng em trong quá trình học tập

tại trường, đặc biệt là sự tận tình hướng dẫn cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất để em có th p nh n và hoàn thành tể tiế ậ ốt đồ án một cách t t nh t ố ấ

Trong quá trình h c t p và th c hiọ ậ ự ện đồ án, m c dù có nhi u c g ng, ặ ề ố ắnhưng do kiến thức bản thân còn hạn chế nên trong quá trình th c hiự ện đề tài khó tránh kh i sai sót R t kính mong nhỏ ấ ận được s góp ý ch b o t các quý ự ỉ ả ừthầy cô và các bạn để đồ án đượ c hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

2

MỞ ĐẦU

Công nghi p hóa hiệ ện đại hóa đã và đang đóng vai trò quan trọng trong công cuộc đổi m i nền kinh tế, quá trình này mang đếớ n những cơ hội thuận lợi nhưng cũng đồng thời cũng tồn tại những khó khăn thách thứ ớn, trong đó có yêu cầc l u về việc đổi mới khoa h c và công nghọ ệ Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, vi c ch t o ra các ệ ế ạbộ chuyển đổi ngu n có chồ ất lượng điện áp cao, kích thước nh gỏ ọn để các thi t b s ế ị ửdụng điện áp một chiều là hết sức cần thiết Quá trình xử lí này được gọi là biến đổi một chi u DC-ề DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào hay còn g i là b bi n ọ ộ ếđổi tăng áp

Bộ biến đổi này thường đượ ử ục s d ng m ch mở ạ ột chi u trung gian cề ủa thi t b ế ịbiến đổi điện năng công suất , bộ biến đổi này thường được s d ng trong các h ử ụ ệthống năng lượng tái tạo như : sức gió, mặt trời, C u trúc c a b biấ ủ ộ ến đổi không phức t p l m Tuy nhiên vạ ắ ấn đề điều khiển để có được độ chính xác cao và công suất chất lượng lại là mục tiêu của các công trình nghiên cứu Thêm vào đó , bộ ến đổ bi i là đối tượng điều khiển tương đối phúc tạp do mô hình có tính phi tuyến

Để nâng cao chất lượng điều khi n cho b biể ộ ến đổi, với đề tài : “ Thiết k b ế ộđiều khiển mạch tăng áp một chiều DC-DC boost ” đã ứng dụng lí thuyết điều khiển hiện đại để tạo ra bộ đ ều khi n mang tính i ể ổn định cho b biộ ến đội DC-DC tăng áp Đồ án bao gồm các nội dung chính sau :

 Nguyên lí hoạt động và ng d ng c a mứ ụ ủ ạch tăng áp một chi u DC-DC boost ề Thiết kế mạch và xây dựng mạch tăng áp một chi u DC-DC converter ề Xây d ng mô hình b tự ộ ăng áp DC-DC boost

 Nhận d ng mô hình bạ ộ tăng áp Nhận d ng tham s ạ ố và phân tích đáp ứng c a mô hình ủ Thiết kế bộ điều khi n PID mô ph ng và hi u ch nh ể ỏ ệ ỉ Mô phỏng và th c nghi m ự ệ

CHƯƠNG I NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG MẠCH TĂNG ÁP

MỘT CHI U DC-DC BOOST Ề

1.1 Sơ đồ cơ bản của mạch DC-DC boost

Dưới đây là sơ đồ hoạt động đơn giản của mạch tăng áp boost gồm 1 nguồn một chiều, cu n c m, chuy n m ch, tộ ả ể ạ ụ và điện tr tở ải Ở đây, ta chỉ xét t i thu n trả ầ ở, nhưng tuy nhiên trong th c th thì l i khác vì nó có th có c c m và dự ế ạ ể ả ả ung như động cơ,

+Chuy n mể ạch SWICTH là mosfet có vai trò như một khóa đóng ngắt giúp chuyển đổi hai trạng thái nạp và xả Ta chọn F = const, thay đổi Duty

+Diode có vài trò ch ng x ố ả ngược về ngu n cồ ủa tụ

4

1.2 Nguyên lí hoạt động của DC-DC boost 1.2.1 Tr ng thái ON stage ạ

Hình 1.2 Trạng thái ON stage

- Trong mạch tăng áp, khi chuy n mể ạch đóng ( hình 1.2) thì dòng điệ ừn t pin chạy qua m ch và khép m ch v ngu n, vì nhánh này có tr kháng thạ ạ ề ồ ở ấp hơn so vớ ải i tTrong th c t vi c chuy n m ch sự ế ệ ể ạ ẽ được th c hi n bự ệ ởi mosfet và được điều khiển thông qua mạch điều khi n ( PWM, Arduino, Nể E555, ) Ở trạng thái này, điện cảm của mạch sẽ được nạp năng lượng ( năng lượng này cho phép điện áp qua tải tăng lên cao hơn so với điện áp nguồn ) dưới dạng từ trường Trong thực tế thì ta cần một tụ điện để có thể tích trữ năng lượng và cung cấp điện năng cho tải khi ở trạng thái ON, tụ này được mắc song song với tải

1.2.2 Trạng thái OFF stage

Hình 1.3 Trạng thái OFF stage

- Khi chuy n m ch ể ạ ở trạng thái h mở ạch thì diode được phân c c thu n và dòng ự ậđiện khép mạch từ nguồn qua tải Một lượng điện năng tích tũy trên điện cảm được truyền tới tải và điện áp tại giảm xuống

- Khi m ch chuy n gi a hai trạ ể ữ ạng thái ON và OFF thì điện áp đầu ra qua tải đập mạch tăng giảm Tuy nhiên điện áp trung bình đầu ra có thể coi là điện áp DC không đổi bằng cách tạo ra tần số chuyển mạch cao và thêm tụ lọc đầu ra mắc song song v i ớtải

Hình 1.4 Trạng thái ON - OFF stage

1.3 Các ng d ng c a mứ ụ ủ ạch tăng áp một chiều DC-DC boost

B boost converter có tác d ng tộ ụ ạo ra điện áp đầu ta lớn hơn điện áp đầu vào Vì vậy nó còn được gọi là bộ tăng áp Boost converter thường được dùng đểđiều chỉnh điện áp ngu n cung cồ ấp và hãm tái sinh động cơ DC Dưới đây là các ứng d ng th c t cụ ự ế ủa BBĐ DC-DC boost

+ Điện tử cá nhân: BBĐ DC-DC boost tạo ra điện áp phù hợp cho các thiết bị điện tử t nh ng nguừ ữ ồn có điện áp nhỏ như pin kiềm, pin đồng xu ho c Li-on giúp gi m kích ặ ảthước để các thi t bị trởế nên nh gỏ ọn hơn

+ Ô tô: Có th tể ạo ra điện áp cao lên t i 300V- 500V t nh ng bình ớ ừ ữ ắc quy có điện áp nhỏ ( 12V, 24V, ) c p nguđể ấ ồn cho động cơ ô tô điện

6 + Cũng có thể bắt gặp ở các ứng d ng nhụ ỏ hơn như các hệ thống chi u sáng di ếđộng Một đền led trắng cần 3.3V nguồn, vậy ta cần một bộ chuyển đổ ừ 1 tế bào akaline i t1,5V để ấp cho đèn c

+ Năng lượng: Có thể dùng bộ chuyển đổi boost này trong các hệ thống năng lượng sạch như gió, mặt trời, Từ các pin năng lượng với điện áp thấp , sau đó boost lên và chuyển đổi DC-AC để hòa vào lưới điện

Ngoài các ng dứ ụng trên, Boost converter còn được s d ng trong quá trình tái tử ụ ạo phanh động cơ DC,

1.4 Thi t k mế ế ạch.1.4.1 Sơ đồ nguyên lí.

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí m ch boost trên Altium ạ

Hình 1 Hình 6 ảnh 3D mạch thực

Hình 1.7 Mạch thự ếc t

8 Các linh ki n c n dùng : ệ ầ

+ Ngu n 1 chi u DC 5V, dây c m ồ ề ắ+ Điện trở, điện cảm, tụ điện, chân c m, t gắ ụ ốm,Diode 1N5819

+ Vi điều khi n STM32F103 ể

1.4.2 Mô ph ng mô hình trên MATLAB ỏ Ta có sơ đồ ạch như sau m :

Hình 1.8 Mô hình mô phỏng boost DC-DC

-Tính chọn linh kiện cho m ch boost DC-ạ DC + T n s ầ ố f =20kHz

+ Vin= 4.5V + Độ rộng xung Duty= 50% + Cu n cộ ảm L

204.44( )4.5

Lin

P

V



+ Điện trở Rt= 100( Ω) Sau khi điền các thông số ở bên trên, ta có được các đặc tính mô phỏng như sau:

Hình 1.9 Đặc tính mô ph ng boost DC-DC v i D=30% ỏ ớ

10 Ta sẽ tăng tần Duty lên:

12

Hình 1.14 Đặc tính mô ph ng boost DC-ỏ DC khi tăng dần Duty

Bây gi ta sờ ẽ thay đổi giá trị điện trở Rt+ V i Rt= 100 ớ Ω

Hình 1.15 Đặc tính mô ph ng boost DC-ỏ DC với Rt= 100 Ω

Hình 1.20 Đặc tính mô ph ng boost DC-ỏ DC khi tăng dần Rt

Dựa trên các kết qu trên, ta có nh n xét sau : ả ậ Khi thay đổi Duty thì điện áp ra cũng thay đổi theo, dựa trên kết quả mô phỏng ,

ta thấy khi tăng Duty thì điện áp cũng tăng, tuy nhiên có giới h n, vì n u m ạ ế ởmosfet quá lâu ( độ rộng Duty lớn ) sẽ dẫn đến hiện tượng mosfet bị nóng do bị ngắn m ch, tạ ừ đó ta giả thiết m ch chạ ỉ làm việc ở m t gi i h n Duty nhộ ớ ạ ất định và dải tần nhất định

 Khi thay đổi điện áp đầu vào thì điện áp đầu ra cũng tăng, với linh kiện như trong m ch thạ ực thì điện áp tăng lên 1,5 2,5 l n, tuy nhiên n– ầ ếu tăng quá điện áp s gây nóng thẽ ậm chí hư hỏng điện tr , tở ừ đó ta có thể thấy mạch cũng chỉlàm việc tốt ở 1 dả p ci á ố định

 Khi ta thay đổi điện trở thì đầu ra cũng thay đổi Cụ thể khi tăng điện trở lên thì áp tăng và ngượ ại do dòng điện không qua được điệc l n trở và gây sụt áp ít ở đầu ra Trong trường hợp dòng điện không đổi, thì coi như đầu ra tăng tuyến tính theo điện trở

16 Trong uá trình thay đổ q i các thông số như tần số, Duty, điện áp vào và điện tr ởtải, khi so sánh các k t qu trong th c t ta th y có s sai sế ả ự ế ấ ự ố Đó là do linh kiện cũng như các thao tác đo Thông thường ta sẽ điều chỉnh 1 trong 2 thông số là tần số hoặc Duty vào c c G cự ủa mosfet Trong đề tài này,ta sẽ thiế ế điềt k u chỉnh độ ộ r ng xung Duty Phương pháp điều khiển và bộ điều khiển ta sẽ đề cập ở phần sau

CHƯƠNG II XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ DC-DC BOOST

 (3)

Ta có thể thấy phương trình có dạng đáp ứng bậc nhất nên s p lế ại như sau:

( )( )

Khi chuy n mể ạch ở trạng thái Off, dòng điện qua t i là iR x p vả ấ ới dòng điện trên c m, Tuy nhiên, khi m ch này ả ạ ở trạng thái ON thì hầu như không có dòng chạy qua khóa chuy n mể ạch (mosfet) Do đó, ta áp dụng định luật Ohm để có thể xác định điện áp đầu ra qua tải có đặc tính đáp ứng thời gian như sau:

Hình 2.4 Đặc tính đáp ứng th i gian cờ ủa điện áp đầu ra qua t i ảNhư đã đề cập từ trước, trong th c tự ế, để tránh trường hợp điện áp trên t i giả ảm về 0, chúng ta s l p thêm mẽ ắ ột tụ ở u ra , song song vđầ ới tải Rt

20

Hình 2.5 Sơ đồ ạ m ch sau khi mắc thêm tụ C

Khi đó dạng điện áp đầu ra của tải như sau :

Hình 2 6 Đặc tính áp ra trên t i sau khi có t C ả ụChúng ta sẽ phân tích như sau:

- Khi ở trạng thái OFF, gi ả thiết đi u kiề ện đầu của dòng i(0)=0

Hình 2 7 Trạng thái OFF khi có t ụ

Ei sZsZsI sZsZs (12) Hay ta có:

 

Ei sL Rt Cs sRL Rt CL sRtRL (13)Thay s cố ụ thể ta có

22 - Khi mạch ở trạng thái ON:

Hình 2.9 Trạng thái mạch ON khi có t C ụTa có : 1

2

td

LL

  

36 24

450 1.8ee 25

24 Sơ đồ mô phỏng:

Hình 2.12 Sơ đồ mô ph ng Matlab c a m ch thỏ ủ ạ ực tế

- Đường đặc tính thực tế của hệ thống v i D=46% ớ

Hình 2.13 Đáp ứng thực t khi cế ấp Duty=46%

- Kiểm tra hàm truy n lý thuy ề ết

Hình 2.14 Sơ đồ mô ph ng Matlab c a hàm truy n thỏ ủ ề ực tế

- Đường đặc tính của hàm truyền lý thuyết với D=46%

Hình 2.15 Đáp ứng lý thuy t ế khi cấp Duty=46%

 Nhận xét : Như vậy đáp ứng thu được của thực tế khá giống với hàm truyền tính toán trên lí thuyết Tuy nhiên đáp ứng c a mủ ạch th c tự ế có điện áp ra nh ỏhơn lý thuyết do sụt áp trên các linh kiện của mạch Dựa trên cơ sở đó ta sẽ đi

26

2.3 Thi t k bế ế ộ điều khiển

Trên đây là các phân tích nguyên lí, thông số cũng như đặc điểm của mạch boost nh m mằ ục đich xác định các thông s phù h p cho bố ợ ộ điều khi n PI, chúng ta s ể ẽmô ph ng và thi t k ỏ ế ế nó ngay sau đây

2.3.1 Mô hình BĐK PI

Mô hình (2) r t h u ích trong vi c cung c p m t cái nhìn sâu s c vấ ữ ệ ấ ộ ắ ề đặc tính của b biộ ến đổi boost Đặc biệt chúng ta có thể thấy hệ thống có 2 điểm cực dựa vào bộ lọc LC có s n trong m ch ẵ ạ

M c dù ặ trực quan được đưa ra bởi mô hình trên, nhưng mà sẽ gây sai l ch tính ệchính xác c a m ch Cho nên ta ph i kh o sát th c t do tính phi tuyủ ạ ả ả ự ế ến và động học của các phần t trong mử ạch Chúng ta s làm vi c này b ng th c nghi m v m ch ẽ ệ ằ ự ệ ề ạboost và t o ra biạ ểu đồ bode th hiể ện đáp ứng t n s c a m ch boost ầ ố ủ ạ

Sơ đồ mạch PID:

Hình 2.16 BĐK PI cho mạch DC-DC boost

2.4 Tìm thông s Kp, Ki qua PID TUNER ốTa sẽ thiế ế ạch vòng như sau trên Matlab ằng cách điềt k m b n các thông s hàm truy n ố ềđã tìm được ở phần trước

Xem lai so do nay, diem lam viec dua vao cho nao; D=50%,u ra=15V

Chu y mo hinh nay là mo hinhduoc xac dinh tai diem lam viec

Hình 2.17 B ộ điều khi n PI ể Kích vào khối PI cửa số sau xuất hi n ệ

Hình 2 18 H p tho i Block Parameters ộ ạ Kích vào Tune ta có c a s sau, l a chử ổ ự ọn và điều ch nh 2 thông s t hai thanh ỉ ố ừ

kéo bên trên ta s có dẽ ạng đặc tính như sau

Xem lai cho nay

28

Hình 2 19 Thông s Kp,Ki c a b ố ủ ộ điều khi n ể

Hình 2.20 Đặc tính mô ph ng ỏNhư vậy qua chương II , chúng ta đã tìm được hàm truyền của hệ thống và lựa chọn được các thông số Kp, Ki cho bộ điều khiển Chúng ta sẽ đi lập trình cho STM32 với bộ điều khi n PI trong ể chương sau

CHƯƠNG III LẬP TRÌNH BĐK PI CHO STM32 CHO MẠCH

BOOST DC-DC

3.1 Thông số kĩ thuậ ủt c a Arduino

Hình 3.1 Board Arduino MEGA 2560

dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có tổngcộng 56 pin (ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới 56 (trong đó có 13 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin) Song song đó, ta có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ A0 – A15, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra / vào bình thường (như pin 0 - 13) Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên board

Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ

qua ắc quy nguồn.Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý:

- Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây Kích thước của vùng nhớ này