Điều khiển PV

CONTENTS

8 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Section 8DC/DC

3

8.1 Thiết kế điều khiển dựa trên đáp ứng tần số 3

8.1.1 Đáp ứng tần số của hệ tuyến tính 3

8.1.2 Đáp ứng thời gian của hệ thống điều khiển 4

8.1.3 Các bộ bù tiêu biểu 8

8.2 Điều khiển trực tiếp đầu ra 12

8.2.1 Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp đầu ra 12

8.2.2 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck 14

8.2.3 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost 18

8.3 Điều khiển gián tiếp đầu ra – cấu trúc hai mạch vòng 26

8.3.1 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck 27

8.3.2 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost 31

8.3.3 Ứng dụng cấu trúc điều khiển dòng trung bình cho bộ biến đổi Boost trong bộ biến đổi PFC 35 8.4 Điều khiển theo dòng điện lập trình được (Current-programmed Mode – CPM) 39

8.4.1 Sự mất ổn định khi D>0,5 41

8.4.2 Mô hình bộ biến đổi điều khiển theo dòng điện 45

8.4.3 Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Buck 47

8.4.4 Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho bộ biến đổi Boost 50

8.5 Điều khiển bằng phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực 51

8.5.1 Khái niệm về phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực 51

8.5.2 Vấn đề lượng đặt 54

8.5.3 Phản hồi trạng thái với tác động của khâu tích phân sai lệch đầu ra 54

8.5.4 Bộ quan sát trạng thái 55

8.5.5 Thiết kế hệ thống điều khiển theo phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực cho Boost converter 57

8.6 Áp dụng cấu trúc điều khiển DC/DC trong thực tế 64

8.6.1 Kỹ thuật điều khiển tương tự 64

8.6.2 Kỹ thuật điều khiển số 64

9 ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC VÀ AC-DC Equation Section (Next) 69

9.1 Đặc điểm và yêu cầu điều khiển cho các bộ biến đổi có khâu xoay chiều tần số thấp 69

9.2 Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq 70

9.2.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực ba pha 70

9.2.2 Xác định thông số các bộ điều chỉnh PI cho chỉnh lưu tích cực ba pha 74

9.2.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển chỉnh lưu tích cực ba pha trên hệ tọa độ 0dq 75

9.2.4 Thiết kế điều khiển chỉnh lưu tích cực một pha trên hệ tọa độ 0dq 79

9.2.5 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 3 pha làm việc độc lập 80

9.3 Các bộ điều chỉnh cộng hưởng 87

9.3.1 Khái niệm về các bộ điều chỉnh cộng hưởng 87

9.3.2 Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PR 92

9.3.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 1 pha với bộ điều chỉnh PR 99

9.3.4 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp độc lập 1 pha với bộ điều chỉnh PR 105

9.4 Thuật toán vòng khóa pha 110

9.4.1 Thuật toán vòng khóa pha PLL 3 pha 110

9.4.2 Thuật toán vòng khóa pha 1 pha 113

9.5 Triển khai hệ thống điều khiển bộ biến đổi DC/AC trong thực tế 116

8 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC

8.1 Thiết kế điều khiển dựa trên đáp ứng tần số

Quá trình thiết kế điều khiển nhằm hai mục tiêu, thứ nhất là đảm bảo độ chính xác điều khiển, thứ hai là đảm bảo hệ thống ổn định và đạt được các chỉ tiêu động học mong muốn Đối với các hệ thống tuyến tính thì phương pháp thiết kế dựa trên đáp ứng tần số có thể áp dụng rất hiệu quả để đảm bảo cả hai mục tiêu trên Sau khi mô hình hóa các bộ biến đổi bằng các phương pháp trung bình ta thu được mô hình tín hiệu nhỏ AC là các mô hình tuyến tính, vì vậy có thể áp dụng phương pháp thiết kế này một cách trực tiếp

và pha đều chỉ có một tần số cắt, gc và pc, trường hợp tiêu biểu cho đối tượng là hệ bậc nhất hoặc bậc hai, như mô hình của các bộ biến đổi ta đã xây dựng được Với các trường hợp có nhiều tần số cắt hơn cần tham khảo thêm các tài liệu về Lý thuyết điều khiển

Ở vùng tần số thấp hệ số khuếch đại DC của hàm truyền hệ hở tại  cho biết độ sai lệch tĩnh 0của hệ thống kín Sai lệch tĩnh phụ thuộc vào kiểu của hệ thống điều khiển Nếu hàm truyền hệ hở có thể viết dưới dạng tổng quát như sau:

Trong đó K, T1, T2, Ta, Tb, …., là các số thực, thì kiểu của hệ thống điều khiển là j, kiểu 0 j = 0, kiểu

1 nếu j = 1, kiểu 2 nếu j = 2, Với tín hiệu đầu vào là bước nhảy, hệ kiểu 0 sẽ tồn tại sai lệch tĩnh, hệ kiểu

1 sẽ triệt tiêu sai lệch tĩnh Nếu đầu vào thay đổi tuyến tính, u t at, hệ phải có kiểu 2 thì đầu ra mới bám sát đầu vào Nếu đầu vào thay đổi theo bình phương thời gian u t at2hệ phải có kiểu 3

Do nguyên tắc thiết kế dựa trên đồ thị Bode nên bộ điều chỉnh H s sẽ tham gia bù pha và biên độ cho đối tượng điều khiển để có được độ dự trữ pha và dự trữ biên độ mong muốn để hệ kín ổn định, nên gọi là bộ bù

Hình 8.1 Dự trữ pha và dự trữ biên độ của hệ hở

8.1.2 Đáp ứng thời gian của hệ thống điều khiển

Trên cơ sở mô hình tuyến tính của hệ thống thu được ta cần xác định các đáp ứng đầu ra của hệ thống dưới tác dụng của các tín hiệu đầu vào để đánh giá đáp ứng có phù hợp như mong muốn không Thông thường hệ thống được đánh giá với các đáp ứng với tín hiệu bước nhảy đơn vị hay tín hiệu dạng xung, các thông số cần xác định có thể là:

1 Thời gian quá độ, Ts, là thời gian quá trình quá độ cho đến khi đầu ra rơi vào vùng gần với giá trị xác lập trong phạm vi 5 % đến 1 %, tức là y t y te   1% 5%   y te , y t là giá trị xác lập e 

2 Thời gian đáp ứng, Tr, là thời gian quá độ để đầu ra từ một mức thấp hơn đạt đến khoảng giá trị

10% 90%   y te của giá trị xác lập cuối cùng

3 Các điểm không và điểm cực của hệ thống

4 Độ quá điều chỉnh, thường thể hiện bằng % giá trị đầu ra vượt quá giá trị xác lập

5 Độ sai lệch tĩnh, thể hiện khả điều chỉnh chính xác đầu ra so với lượng đặt đầu vào

Hệ bậc nhất

Hệ bậc nhất mô tả các hệ thống có một phần tử quán tính như trong các hệ cơ học có một vật chuyển động thẳng hay chuyển động quay, hay các hệ điện chỉ có một phần tử tích trữ năng lượng như mạch RC hay RL Ví dụ hệ cơ học gồm một vật khối lượng m, chuyển động với tốc độ y dưới tác dụng của lực u, hệ

số ma sát b, mô tả bởi phương trình vi phân bậc nhất:

Trong đó có thể thấy rằng hệ số khuếch đại kdc = 1/b, và hằng số thời gian  m b/ xác định hoàn toàn các đặc tính động học của hệ thống như đã đề cập đến ở trên Hệ số kdc xác định giá trị xác lập của đầu

ra y khi đầu vào là bước nhảy đơn vị, được tính từ hàm truyền G(s) khi cho s Hằng số thời gian sẽ 0xác định thời gian quá độ để đầu ra đạt đến giá trị 63 % của giá trị xác lập Thời gian quá độ Ts  3 4,5

Hình 8.2 Đồ thị Bode của khâu quán tính bậc nhất

Hình 8.3 Đáp ứng bước nhảy của khâu quán tính

Hệ bậc hai

Hệ bậc hai có phương trình vi phân viết cho hệ thống cơ bao gồm vật có khối lượng m, nối với một

lò so trên mặt phẳng chịu tác dụng của một lực f(t), lực đàn hồi của lò so k và hệ số ma sát trượt của vật b, dịch chuyển khoảng cách y, có dạng:

Trong đó kdc, , nlà hệ số khuếch đại ở DC, hệ số suy giảm dao động, tần số dao động tự nhiên,

là những tham số xác định các đặc tính của hệ bậc hai

Hệ số khuếch đại DC, kdc, cũng thể hiện là tỷ số giữa giá trị xác lập của đầu ra so với đầu vào là bước nhảy đơn vị nếu hệ thống là ổn định và được xác định từ hàm truyền G(s) khi cho s 0

Hệ số suy giảm dao động z là một đại lượng không đơn vị, xác định tốc độ suy giảm của biên độ dao động trên đầu ra do tác động của hệ số ma sát trong hệ thống cơ học hay tổn hao trên điện trở thuần trong mạng dao động RLC

Tần số dao động tự nhiên ωn xác định tần số dao động của hệ thống khi hệ số suy giảm dao động bằng 0, z = 0

Hệ bậc hai có hai điểm cực tại:

2

Tùy theo hệ số suy giảm:

- z = 0, hệ ở trạng thái dao động đều;

- z > 1, điểm cực trở thành hai nghiệm thực, hệ trở thành khâu quán tính bậc hai;

- z < 1, điểm cực là cặp nghiệm phức có phần thực âm, hệ trở thành khâu dao động bậc hai tắt dần,

có điểm cộng hưởng tại ωn Đây là trường hợp đáng quan tâm nhất đối với các mô hình trong thực

Với điểm cực tại (8.6) nghiệm đầu ra dao động và có biên độ suy giảm theo tỷ lệ en t , như vậy thời gian xác lập Ts, xác lập tín hiệu đầu ra rơi vào vùng gần giá trị xác lập trong khoảng 5 % ÷ 1 %, sẽ bằng khoảng (3 ÷ 4,6)/(n)

Đối với hệ bậc hai dao động tắt dần những chỉ số động học như thời gian xác lập Ts, thời gian đáp ứng Tr, và độ quá điều chỉnh Mp , xác định biên độ dao động so với giá trị xác lập theo %, có thể xác định như sau:

,lnln

T

T

MM

= 0.707, đó là quá độ chỉ có một lần dao động với độ quá điều chỉnh 4,33 %, thời gian quá độ ngắn nhất vì

hệ thống chỉ có một lần dao động, trong ví dụ là 5,96 ms so với 8,34 ms và 19,6 ms cho hai trường hợp hệ

số suy giảm còn lại Lưu ý rằng dạng sóng và giá trị độ quá điều chỉnh chỉ phụ thuộc hệ số suy giảm nên giá trị z = 0.707 được coi là giá trị tối ưu được lựa chọn khi thiết kế các tham số cho mạch vòng điều chỉnh khi hàm truyền hệ kín được đưa về dạng bậc hai Khi hệ số suy giảm nhỏ hơn hệ thống có thời gian đáp ứng nhanh hơn nhưng độ quá điều chỉnh lớn hơn và thời gian quá độ cũng dài hơn do dao động vẫn tiếp diễn

Hình 8.4 Đồ thị Bode của khâu dao động bậc hai với các hệ số tắt dần khác nhau z = {0,05,

0,45, 0,7}

-50 0 50

-180 -135 -90 -45

0

zeta=0.05 zeta=0.45 zeta=0.7

Bode Diagram

Frequency (rad/s)

Hình 8.5 Đáp ứng bước nhảy của khâu dao động bậc hai ứng với z = 0,707, z = 0,45, và z =

Hình 8.6 Minh họa hiệu quả sử dụng bộ bù loại I

b Bộ bù loại II

Bộ bù loại II có 1 điểm không và 2 điểm cực, trong đó một là khâu tích phân để triệt tiêu sai lệch tĩnh Bộ bù này hay được sử dụng trong cấu trúc điều khiển gián tiếp hoặc các bộ biến đổi làm việc trong chế độ dòng điện gián đoạn Hàm truyền bộ bù loại 2 có dạng như (8.10)

     

111

Tùy theo  z  p hay ngược lại bộ bù gọi là phase-lead hay phase-lag, tức là bù sớm pha lên hay

bù chậm pha lại Đặc tính tần số biên – pha của khâu bù phase-lead cho trên Hình 8.7 Khâu zero tại tần số thấp cho độ tăng về biên độ +20 dB/dec, bù lại độ giảm về biên độ của khâu tích phân -20 dB/dec Về mặt pha khâu zero đưa đến góc sớm pha +90°, bù vào góc pha -90° của khâu tích phân, nhờ đó sẽ tăng cường

độ dự trữ về pha cho hệ thống Điểm cực p đặt ở vùng tần số cao sẽ đảm bảo độ suy giảm các thành phần tần số cao không mong muốn

-40dB

20dB 60dB

Hình 8.7 Minh họa hiệu quả sử dụng bộ bù loại II

Theo [], ta có thể xác định tần số điểm không và điểm cực bộ bù đặt đối xứng với tần số cắt c

mong muốn, sao cho độ dự trữ pha đạt được lớn nhất tại điểm tần số cắt theo (8.11) sau đây

Trong đó: θ – góc bù pha của bộ bù loại II mang lại tại tần số cắt fc Xác định góc bù pha cần thiết

sẽ được nói đến trong các ứng dụng cụ thể ở những mục sau

Một số cấu trúc điều khiển, người ta có thể dùng bộ bù Lead-Lag (đôi khi một số tài liệu gọi là bộ

bù PID) có hàm truyền (8.12), bộ bù này hay dùng trong cấu trúc điều khiển trực tiếp cho cả bộ biến đổi Buck, Boost…

 

1

11

Hình 8.8 cho thấy bộ bù loại III có góc pha dương, nên bộ bù này có khả năng cải thiện góc pha cho đối tượng điều khiển mà có dự trữ pha thấp

8.2 Điều khiển trực tiếp đầu ra

8.2.1 Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp đầu ra

Điều khiển trực tiếp đầu ra dùng chỉ một mạch vòng, điều khiển biến đầu ra, có thể là dòng điện hay điện áp Trong đa số các bộ DC-DC biến đầu ra là điện áp, vì vậy gọi là điều khiển theo điện áp Cấu trúc điều khiển cho Bộ biến đổi kiểu buck cho trên Hình 8.9 Điều khiển theo điện áp cần phải đo được điện

áp đầu ra, thường được thực hiện bằng mạch phân áp nhờ mạng điện trở

Hình 8.9 Điều khiển theo điện áp cho Bộ biến đổi kiểu buck

Trước hết cần tiến hành phân tích các đặc điểm của mô hình bộ biến đổi DC-DC đã thu được từ phần mô hình hóa Với mô hình tín hiệu nhỏ AC ta có các hàm truyền sau đây:

0 0

0 0

g t

t

g

o vd

v i o vg

d g i o out

d t v

- hàm truyền khâu đo điện áp, G s – khâu bù, c  1

V - hàm truyền đơn giản hóa thành khâu khuếch đại cho

* o

u

khâu điều chế PWM Vm là hệ số truyền đạt khâu PWM, Vm =1 sử dụng cho thiết kế cấu trúc điều khiển số

và Vm ≠1 sử dụng cho thiết kế tương tự (giá trị Vm được xác định theo datasheet của IC điều khiển)

Hình 8.10 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC/DC sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ

Trên sơ đồ cấu trúc Hình 8.10, ta viết lại được các mối quan hệ hàm truyền mới như sau:

Và T s được gọi là hàm truyền đạt hở của cấu trúc điều khiển trên Hình 8.10 Có thể coi khâu đo H(s)

= 1, nghĩa là khâu đo là lý tưởng Từ (8.16), có thể nhận thấy rằng, ở vùng tần số thấp nếu hệ số khuếch đại DC, Kdc T s s 0



   , sẽ làm cho điện áp đầu ra sẽ bám theo lượng đặt, ảnh hưởng thay đổi điện áp vào và tải đến điện áp ra sẽ gần như bằng 0 Điều này đáp ứng yêu cầu về độ chính xác trong chế độ xác lập

Tính ổn định và các yêu cầu đối với đặc tính động được đảm bảo nhờ thiết kế bộ bù phù hợp Bộ bù được đưa vào để đạt được độ dự trữ pha cần thiết, thông thường trong khoảng 45° đến 75° Tần số cắt ωccũng được lựa chọn để đạt được độ tác động nhanh Tần số cắt của hệ hở có ý nghĩa là những tín hiệu trong dải tần 0cđều đi qua được hệ thống mà không bị suy giảm, còn những tín hiệu với tần số lớn hơn ωc đều bị suy giảm Như vậy nếu ωc càng lớn thì băng thông của hệ thống càng rộng, đồng nghĩa với hệ có độ tác động nhanh cao hơn Tuy nhiên độ rộng của băng thông bị hạn chế phải đảm bảo độ dự trữ về biên độ, nghĩa là tính ổn định với tác động của những nhiễu tần số cao Hơn nữa từ lý thuyết về xử lý tín hiệu và do

bản chất của các bộ biến đổi bán dẫn công suất làm việc với bộ điều chế thì những tín hiệu với tần số lớn hơn 1

2 tần số đóng cắt của khâu điều chế sẽ không thể tái tạo lại được tín hiệu điều chế mong muốn Vì vậy thông thường phải chọn tần số cắt trong khoảng 1/10 đến 1/6 tần số điều chế

Giả sử đã chọn được tần số cắt ωc phù hợp, góc pha mà khâu bù cần đưa vào để đảm bảo độ dự trữ về pha cần thiết 45o 75o

Phương pháp thiết kế sẽ được trình bày qua các ví dụ sau đây

8.2.2 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck

Thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp cho bộ biến đổi DC/DC Buck có các thông số:

- Điện áp nguồn 28V, điện áp ra 15V;

0

2811

* o

v G sc  Gvd s

 vg

Hình 8.11 Cấu trúc điều khiển trực tiếp bộ biến đổi kiểu buck

Hình 8.12 Đồ thị Bode của hàm truyền đạt Gvd(s)

Trên đồ thị Bode hàm truyền có tần số cắt xấp xỉ 5,5kHz và độ dự trữ pha là PM = 1,160 Ta sẽ thiết

kế bộ bù có cấu trúc PID để có tần số cắt đạt được f = 10kHz (bằng 1/10 tần số phát xung) và có độ dự ctrữ pha mong muốn là 550 Sử dụng cấu trúc điều khiển PID có dạng:

 

1

L z

Theo (8.17) với PM 550và độ dữ trữ pha của hàm truyền đạt (8.18) là DT 1,160 nên pha của

bộ điều khiển sẽ là 53,840 Do đó, từ (8.11) tần số của điểm không và điểm cực của bộ bù được tính như sau:

Bode Diagram

Frequency (Hz)

-180 -135 -90 -45 0

System: Gvd Phase Margin (deg): 1.16 Delay Margin (sec): 5.95e-007

At frequency (Hz): 5.42e+003 Closed Loop Stable? Yes

60

System: Gvd Peak gain (dB): 48.5

At frequency (Hz): 1e+003

System: Gvd Frequency (Hz): 101 Magnitude (dB): 29

System: Gvd Frequency (Hz): 5.44e+003 Magnitude (dB): -0.0481

Hình 8.13 Đồ thị Bode của hệ sau khi có bộ bù tham gia

Xét ảnh hưởng của biến động điện áp nguồn đầu vào đến điện áp đầu ra khi đã có bộ bù Hàm truyền giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào khi có bộ điều chỉnh G sc tham gia tính theo (8.23)

0

System: sys Phase Margin (deg): 51.6 Delay Margin (sec): 1.45e-005

At frequency (Hz): 9.88e+003 Closed Loop Stable? Yes

Hình 8.14 Mô hình mô phỏng cấu trúc điều khiển trực tiếp cho bộ biến đổi Buck

Kết quả mô phỏng được thực hiện với lượng đặt điện áp đầu ra là 15 V trong khoảng thời gian (0

÷ 0,05 s) và 18 V trong khoảng (0,05 s ÷ 0,1 s) cho kết quả như trên Hình 8.15 Tương ứng với các chế độ vận hành này hệ số điều chế d thay đổi từ 0,5 đến 0,7

Hình 8.15 Kết quả mô phỏng cấu trúc điều khiển trực tiếp cho bộ biến đổi Buck

Cùng với mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink/Simpower System, các bước tính toán và hiệu chỉnh tham số trên đây được thực hiện bằng sử dụng Matlab function (user-defined function) Đoạn mã chương trình viết bằng m-file trên Matlab sử dụng cho thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp cho bộ biến đổi Buck được cung cấp đưới đây

clear all

clc

C = 500e-6; %tu dien

L = 50e-6; %cuon cam

R = 3; %Tai thuan tro

D = 15/28; %He so dieu che

Uc=15; %gia tri xac lap dien ap tren tu

IL=Uc/R;%gia tri xac lap dong qua cuon cam

Uin=28; %gia tri xac lap dien ap dau vao

PM=55;%du tru pha la 55 degree

[mag1,phase1]=bode(Gvd,2*pi*10e+3); %bien do va goc pha cua ham truyen Gvd tai 10kHz

theta=PM-(phase1+180);%tinh pha bo bu

8.2.3 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost

Thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp cho bộ biến đổi DC/DC Boost có các thông số sau:

- Điện áp nguồn 5V, điện áp ra 18V;

Hàm truyền Gvd s có hai điểm cực phức với phần thực âm, hai điểm zero, trong đó esrlà điểm zero nằm bên trái trục ảo do tính tới ảnh hưởng của điện trở tương đương nối tiếp với tụ đầu ra esr, điểm zero bên phải trục ảo RHP thể hiện đặc điểm trong cấu trúc của bộ biến đổi Boost và Buck-Boost

Các tham số được tính như sau:

2

64.81

1 4.1447

esr esr

c

RHP RHP

VDVVG

D

r CD

Hình 8.16 Đồ thị Bode của hàm truyền đạt Gvd(s)

Đồ thị Bode hàm truyền Gvd s cho trên Hình 8.16, có tần số cắt 9,95kHz và độ dự trữ pha là PM

= -1,980, và hệ kín không ổn định Đối với bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost, trong trường hợp này sẽ sử dụng

2 cấu trúc bộ bù để thiết kế: Bộ bù loại III và bộ bù PID

a Sử dụng bộ bù loại III cho cấu trúc điều khiển bộ Boost

Các bước thực hiện cho để thiết kế bộ bù loại III cho bộ biến đổi Boost được thực hiện theo các bước sau đây:

Bode Diagram

Frequency (kHz)

-225 -180 -135 -90 -45 0

System: Gvd Phase Margin (deg): -1.98 Delay Margin (sec): 9.99e-05

At frequency (kHz): 9.95 Closed loop stable? No

60

System: Gvd Gain Margin (dB): -17.1

At f requency (kHz): 1.52 Closed loop stable? No

System: Gvd Frequency (kHz): 0.457 Magnitude (dB): 53.9

Bước 1: Một điểm cực được đặt tại gốc mặt phẳng phức (mạch vòng có chứa thành phần tích phân), điều này là đương nhiên với cấu trúc bộ bù loại III

Bước 2: Các tần số điểm không (zeros) được đặt tại lân cận tần số cộng hưởng của đối tượng (hàm truyền Gvd s ) Đối với tham số bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost trong trường hợp này ta chọn:

Bước 3: Tần số điểm cực thứ 2 được đặt trùng với tần số do ảnh hưởng thành phần nội trở nối tiếp

tụ điện đầu ra (esr – effective series resistor) trong hàm truyền Gvd s

Bước 7: Tần số cắt (fc) nên bé hơn 1/5 tần số RHP của của đối tượng (hàm truyền quan hệ giữa điện

áp đầu ra và hệ số điều chế)

Bước 8: Tần số cắt (fc) nên lớn hơn ít nhất 2 tần số cộng hưởng của của đối tượng (hàm truyền quan

hệ giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế)

Từ bước 6 đến bước 8, đối với tham số bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost trong trường hợp này ta chọn tần số cắt fc = 1 kHz Bước tiếp theo ta phải xác hệ số khuếch đại Kc trong bộ bù loại III

Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gvd,2*pi*1000) ta có biên độ và pha của đối tượng Gvd(s) tại tần

Kiểm tra lại đáp ứng tần số của hệ thống vừa thiết kế qua đồ thị Bode hàm truyền hệ hở có khâu bù

Hình 8.17 Đồ thị Bode của hệ sau khi có bộ bù loại III tham gia

Cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi Boost có tham số như ở mục 8.2.3 được thể hiện trên Hình 8.18, trong mô hình này có bổ sung một khâu lọc thông thấp với tần số cắt 1kHz cho lượng đặt điện áp với

ý nghĩa là một thành phần khởi động mềm (soft start) cho hệ điều khiển

Hình 8.18 Mô hình mô phỏng cấu trúc điều khiển trực tiếp sử dụng bộ bù loại III cho bộ biến

đổi Boost

Kết quả mô phỏng được thực hiện với lượng đặt điện áp đầu ra là 10V trong khoảng thời gian (0 ÷ 0,05s) và 18V trong khoảng (0,05s ÷ 0,1s) cho kết quả như trên Hình 8.19 Tương ứng với các chế độ vận hành này hệ số điều chế d thay đổi từ 0,5 đến 0, … tương ứng

-80 -60 -40 -20 0 20 40

Phase Margin (deg): 44.8 Delay Margin (sec): 0.000124

At frequency (kHz): 1 Closed loop stable? Yes

Hình 8.19 Kết quả mô phỏng cấu trúc điều khiển trực tiếp sử dụng bộ bù loại III cho bộ biến

đổi Boost

Ngoài việc sử dụng sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink/Simpower System, người thiêt kế nên dùng Matlab function (user-defined function) để thuận tiện cho quá trình chỉnh định tham số Đoạn mã chương trình viết bằng m-file trên Matlab sử dụng cho thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp sử dụng bộ bù loại III cho bộ biến đổi Boost cũng được cung cấp đưới dây

C = 480e-6; %tu dien

L = 20e-6; %cuon cam

R = 6; %Tai thuan tro

Vo=18; %gia tri xac lap dien ap tren tu

Vg=5; %gia tri xac lap dien ap dau vao

D = 1-Vg/Vo; %He so dieu che

IL=Vo/((1-D)*R);%gia tri xac lap dong qua cuon cam

%ham truyen giua dien ap dau ra va he so dieu che

Gvd=tf(num,den);

%ham truyen bo bu

wz1=2*pi*200; %chon bang tan so fo = 100Hz

wz2=2*pi*200; %chon bang tan so fo = 100Hz

b Sử dụng bộ bù PID cho cấu trúc điều khiển bộ Boost

Ta sẽ thiết kế bộ bù có cấu trúc theo (8.13) để có tần số cắt đạt được 1,5kHz (theo các điều kiện ràng buộc ở bước 6-8 tương tự như đối với bộ bù loại III) và hệ có độ dự trữ pha mong muốn là PM = 55° Trong trường hợp này ta dùng lệnh Matlab để xác định biên độ tại tần số 1,5kHz của hàm truyền đạt như sau theo các bước dưới đây

Hình 8.20 Đồ thị Bode của hệ sau khi có bộ bù PID tham gia

Cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi Boost có tham số như ở mục 8.2.3 được thể hiện trên Hình 8.21, trong mô hình này có bổ sung một khâu lọc thông thấp với tần số cắt 1kHz cho lượng đặt điện áp với

ý nghĩa là một thành phần khởi động mềm (soft start) cho hệ điều khiển

Hình 8.21 Mô hình mô phỏng cấu trúc điều khiển trực tiếp sử dụng bộ bù PID cho bộ biến

đổi Boost

Kết quả mô phỏng được thực hiện với lượng đặt điện áp đầu ra là 10V trong khoảng thời gian (0 ÷ 0,05s) và 18V trong khoảng (0,05s ÷ 0,1s) cho kết quả như trên Hình 8.22 Tương ứng với các chế độ vận hành này hệ số điều chế d thay đổi từ 0,5 đến 0,… tương ứng

At frequency (kHz): 1.5 Closed loop stable? Yes

Hình 8.22 Kết quả mô phỏng cấu trúc điều khiển trực tiếp sử dụng bộ bù PID cho bộ biến đổi

Boost

Ngoài việc sử dụng sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink/Simpower System, người thiêt kế nên dùng Matlab function (user-defined function) để thuận tiện cho quá trình chỉnh định tham số Đoạn mã chương trình viết bằng m-file trên Matlab sử dụng cho thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp sử dụng bộ bù PID cho

bộ biến đổi Boost cũng được cung cấp đưới đây

C = 480e-6; %tu dien

L = 20e-6; %cuon cam

R = 6; %Tai thuan tro

Vo=18; %gia tri xac lap dien ap tren tu

Vg=5; %gia tri xac lap dien ap dau vao

D = 1-Vg/Vo; %He so dieu che

IL=Vo/((1-D)*R);%gia tri xac lap dong qua cuon cam

%ham truyen giua dien ap dau ra va he so dieu che

8.3 Điều khiển gián tiếp đầu ra – cấu trúc hai mạch vòng

Đối với đa số các bộ biến đổi DC-DC biến đầu ra là điện áp, do đó luôn cần có mạch vòng điện áp Nếu có mạch vòng dòng điện bên trong thì cả hai biến trạng thái đều được điều khiển, đảm bảo chặt chẽ sự thay đổi của các biến đều được kiểm soát Thông thường cấu trúc hai mạch vòng hay có thể mở rộng lên cho nhiều mạch vòng lồng vào nhau (nesting) có thể áp dụng nếu các biến đầu ra của mỗi mạch vòng có đặc tính động học phân biệt rõ ràng về nhanh hay chậm

Ví dụ trong hệ truyền động động cơ một chiều, có hai quá trình là quá trình điện từ liên quan đến dòng điện sinh ra mô men động cơ và quá trình cơ học liên quan đến quán tính của hệ thống cơ học Hai biến trạng thái là dòng điện động cơ và tốc độ động cơ, mỗi biến trạng thái xác định một điểm cực thực, với điểm cực lấn át của tốc độ trục động cơ Rõ ràng là quá trình điện từ rất nhanh hơn so với quá trình cơ học Dòng điện thay đổi trong phạm vi ms trong khi để tốc độ thay đổi cần đến hàng giây Trong trường hợp này sự phân ly của hai biến điều khiển là rất rõ ràng và việc sử dụng hai mạch vòng là rất tự nhiên

Tuy nhiên trong các bộ biến đổi bán dẫn không có sự phân ly giữa các biến như vậy Trong các mô hình bộ biến đổi DC-DC có hai biến trạng thái, dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tụ, nhưng hai biến này nói chung tạo nên điểm cực phức với độ tắt dần yếu (z nhỏ hơn 0,5 và còn nhỏ hơn khi điện trở tải tăng) Chính vì vậy việc phân tách ra hai biến trạng thái có động học khác nhau chỉ được thực hiện bởi chiến lược điều khiển

Phân tách biến trạng thái sẽ phân hệ thống ra hai hệ nhỏ: hệ nhanh hơn ở trong, được điều khiển bởi hệ chậm hơn ở ngoài Trong hệ thống gồm hai biến trạng thái hệ nhanh hơn là dòng qua cuộn cảm, hệ chậm hơn là điện áp trên tụ Mục tiêu điều khiển chính là điện áp trên tụ

Cấu trúc điều khiển dòng điện trung bình sẽ thiết kế thông qua 2 bước Bước 1, tổng hợp các tham

số bộ điều chỉnh (bộ bù) cho mạch vòng dòng điện, việc tổng hợp tham số này dựa trên hàm truyền giữa dòng điện qua cuộn cảm và hệ số điều chế khi xét không có ảnh hưởng biến thiên điện áp vào và điện áp đầu ra    

  0

c

L id

 

*

0

c vi

chú ý động học mạch vòng dòng điện nhanh hơn mạch vòng điện áp, thông thường được lựa chọn bằng 5 hoặc 10 lần

8.3.1 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck

Giả thiết rằng biến ra là điện áp trên tụ vC phải được điều khiển giữ ổn định hoặc bám theo lượng đặt thay đổi tương đối chậm Nếu mục tiêu này đạt được thì biến chậm vC có thể coi là không đổi đối với phương trình của biến dòng điện Ví dụ đối với phương trình trạng thái trung bình của Bộ biến đổi kiểu buck:

     

0

/1

c

id

v L

Trong đó Ce2

s e

5 lần so với mạch vòng dòng điện)

Nếu hàm truyền đối tượng là khâu quán tính:   1

1

dc L

Khi điều kiện (8.46) không thỏa mãn ta phải chọn lại hệ số suy giảm z ≠ 0,7, có thể phải chọn z >1, khi đó hệ kín trở thành khâu quán tính bậc 2 với hai điểm cực bên trái trục ảo, hoặc phải chọn lại hằng số thời gian To nhỏ hơn, điều này đôi khi mâu thuẫn với yêu cầu sắp đặt hằng số thời gian mạch vòng ngoài phải lớn hơn 5 đến 10 lần hằng số thời gian mạch vòng trong

Để hiểu rõ các bước thiết kế cấu trúc điều khiển gián tiếp cho bộ biến đổi Buck, ta đi xét ví dụ cụ thể sau Tham số bộ biến đổi Buck:

- Điện áp nguồn 28V, điện áp ra 15V;

- Dòng tải 5A (R = 3Ω);

- Tham số của mạch: L = 92µH, rL = 50 mW, C = 200µF, fs= 50kHz

Đối tượng bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp được chỉ ra ở phương trình (8.37) và (8.41) đều mang đặc điểm khâu quán tính bậc nhất, nên ta có thể dùng bộ điều chỉnh PI cho cấu trúc điều khiển dòng điện trung bình cho bộ Buck Cấu trúc điều khiển được thiết kế như trên Hình 8.23

Hình 8.23 Cấu trúc điều khiển dòng điện trung bình cho bộ biến đổi kiểu Buck

Với các thông số của bộ biến đổi mạch vòng dòng điện có hằng số thời gian:

Hằng số thời gian mong muốn của mạch vòng điện áp phải lớn hơn 5 đến 10 lần hằng số thời gian mạch vòng dòng điện, vì vậy ta chọn Tov 5To 5.10 4 s , hệ số suy giảm vẫn chọn z = 0,7, tính được:

Các tính toán trên đây có thể thực hiện bằng m-file sau đây:

%%Control design for buck converter with two loops current

%inner loop and voltage outter loop

Vin = 28; %VDC

Vo = 15;%VDC Output voltage

Io = 5; % Rated output load 5A

Rload = Vo/Io;%Nominal Rload

Iripple = 0.3*Io; %Irepple = 30% of rated Io

fs = 200e3;% Use 100 kHz switching frequency

Toc = 1e-4;% Choose natural oscilation frequency of 1/Toc

T_ic = (Toc*Toc/T_L)*(2*zeta*T_L/Toc-1);% Integrator time constant is set at load time constant

kic=(2*zeta*T_L/Toc-1)/kdc;% Proportional gain of the PI controller

Gpic = kic*(1+1/(s*T_ic));% Current PI controller

bode(Gid,Gid*Gpic)% Plot bode graphic of the open current loop

%Voltage loop

Gvc = Rload/(s*C*Rload+1);% Input current control to output voltage transfer function

T_V = C*Rload;% Time constant of current loop

kdcv=Rload;

zeta=0.7;

Tocv =5*Toc;% Take voltage loop time constant of 5 times againt of current loop

T_iv = (Tocv*Tocv/T_V)*(2*zeta*T_V/Tocv-1);% Integrator time constant is set at load time constant

kiv=(2*zeta*T_V/Tocv-1)/kdcv;% Proportional gain

Gpiv = kiv*(1+1/(s*T_iv));% Voltage loop PI controller

bode(Gvc,Gvc*Gpiv,Gvc*Gpiv/(1+Gvc*Gpiv))% Plot Bode of voltage open loop

Mô hình mô phỏng Buck converter điều khiển hai mạch vòng với bộ điều chỉnh PI cho trên Hình 8.24 Cuộn cảm L = 90µH tính toán theo điều kiện cho phép dòng đập mạch bằng 30% dòng đầu ra Io Hằng

số thời gian mạch vòng điện áp Tov = 5Toc = 0,5 ms Đáp ứng của hai mạch vòng điều chỉnh cho trên Hình 8.25 Từ 4 đến 6 ms cho dòng tải biến động 2,5 A, bằng 50% dòng tải định mức Có thể thấy đáp ứng của mạch vòng điện áp có thời gian xác lập cỡ 2 ms, khoảng bằng 4 lần hằng số thời gian lựa chọn cho mạch vòng điện áp Tov = 0,5 ms

Hình 8.24 Mô hình mô phỏng Buck converter điều khiển hai mạch vòng với bộ điều chỉnh PI

Hình 8.25 Kết quả mô phỏng Buck converter điều khiển hai mạch vòng với bộ điều chỉnh PI, dạng sóng dòng điện qua cuộn cảm iL và điện áp đầu ra trên tụ vC Tại 0,4 đến 0,6 ms dòng tải biến động 2,5 A bằng 50 % dòng định mức Io = 5 A

8.3.2 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost

Nhắc lại mô hình trung bình của Boost converter như (8.47) và giá trị xác lập như (8.48):

Tuyến tính hóa phương trình thứ nhất của (8.47) quanh giá trị xác lập với giả thiết x2 thay đổi chậm

và bằng giá trị xác lập, có được hàm truyền từ điều khiển đến dòng điện như sau:

xE

Từ đây có thể tiến hành thiết kế mạch vòng điều chỉnh điện áp như bình thường

Nếu muốn tuyến tính hóa ngay từ phương trình (8.51) quanh điểm làm việc cân bằng, trước hết tuyến tính từng thành phần sau đây:

2 2

e s

  là nhiễu dòng tải do điện trở tải thay đổi quanh giá trị xác lập Re

Dòng đặt ở chế độ xác lập được xác định từ quan hệ sau:

e e

de

e e

i   Hàm truyền từ điều khiển là dòng điện đến điện áp chỉ k i

là khâu quán tính, không còn ảnh hưởng của điểm zero bên phải trục ảo như (8.76)

Sau đây xét ví dụ thiết kế cấu trúc điều khiển gián tiếp cho bộ biến đổi kiểu Boost

Tham số bộ biến đổi Boost:

- Điện áp nguồn 5V, điện áp ra 18V,

- Tải R = 6Ω (dòng tải 3A),

- Tham số mạch: C= 200µF, resr=8e-3Ω Điện cảm L được tính toán để cho phép độ đập mạch dòng qua cuộn cảm bằng 30 % Iin

- Tần số phát xung 100kHz

Các thông số của bộ điều chỉnh PI cho mạch vòng dòng điện và điện áp được tính toán nhờ m-file sau đây:

%%Control design for boost converter with two loops current

%inner loop and voltage outter loop

Vin = 5; %VDC

Vo = 18;%VDC Output voltage

Io = 3; % Rated output load 5A

Rload = Vo/Io;%Nominal Rload

Iripple = 0.3*Io; %Irepple = 30% of rated Io

fs = 100e3;% Use 100 kHz switching frequency

Toc = 1e-4;% Choose natural oscilation frequency of 1/T_oc of 10 times less then fs=100 kHz

T_ic = (Toc*Toc/T_L)*(2*zeta*T_L/Toc-1);% Integrator time constant is set at load time constant

kic=(2*zeta*T_L/Toc-1)/kdc;% Proportional gain of the PI controller

Gpic = kic*(1+1/(s*T_ic));% Current PI controller

bode(Gid,Gid*Gpic)% Plot bode graphic of the open current loop

%Voltage loop

%Gvc = Rload/(s*C*Rload+1);% Input current control to output voltage transfer function

T_V = C*Rload/2;% Time constant of current loop

kdcv=D1*Rload/2;

Gvc=kdcv/(T_V*s+1);

zeta=0.7;

Tocv =5*Toc;% Take voltage loop time constant of 5 times againt of current loop

T_iv = (Tocv*Tocv/T_V)*(2*zeta*T_V/Tocv-1);% Integrator time constant is set at load time constant

kiv=(2*zeta*T_V/Tocv-1)/kdcv;% Proportional gain

Gpiv = kiv*(1+1/(s*T_iv));% Voltage loop PI controller

bode(Gvc,Gvc*Gpiv)% Plot Bode of voltage open loop

Mô hình mô phỏng Boost converter điều khiển hai mạch vòng với bộ điều chỉnh PI cho trên Hình 8.26 Cuộn cảm L = 12µH tính toán theo điều kiện cho phép dòng đập mạch bằng 30% dòng đầu vào Hằng

số thời gian khâu quán tính từ đầu vào điều khiển đến dòng điện Tc = 0,22ms, vì vậy chọn hằng số thời gian mạch vòng dòng điện là Toc = 0,1ms theo điều kiện lớn hơn 10 lần chu kỳ đóng cắt Ts = 0,01 ms với tần số

100 kHz Hằng số thời gian mạch vòng điện áp Tov = 5Toc = 0,5 ms Đáp ứng của hai mạch vòng điều chỉnh cho trên Hình 8.27 Từ 4 đến 6 ms cho dòng tải biến động 1,5 A, bằng 50% dòng tải định mức Có thể thấy đáp ứng của mạch vòng điện áp có thời gian xác lập cỡ 2 ms, khoảng bằng 4 lần hằng số thời gian lựa chọn cho mạch vòng điện áp Tov = 0,5 ms

Hình 8.26 Mô hình mô phỏng Boost converter điều khiển hai mạch vòng với bộ điều chỉnh PI

Hình 8.27 Kết quả mô phỏng đáp ứng mạch vòng dòng điện và mạch vòng điện áp của Boost converter Tại 4 đến 6 ms dòng tải biến động 1,5 A, bằng 50 % dòng định mức Io = 3 A

8.3.3 Ứng dụng cấu trúc điều khiển dòng trung bình cho bộ biến đổi Boost trong bộ biến đổi PFC

Cấu trúc điều khiển dòng điện trung bình cho bộ biến đổi Boost sẽ được thiết kế thông qua ví dụ thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi hiệu chỉnh hệ số công suất (Power factor correction –PFC), do trong thực tế bộ biến đổi PFC này sử dụng UC3854 là IC điều khiển, trong đó IC này được thiết kế dựa trên cấu trúc điều khiển dòng điện trung bình

Hình 8.28 Bộ biến đổi PFC, a) Sơ đồ mạch lực, b) Mô hình trung bình, c,d) Đặc tính dòng

điện, điện áp của sơ đồ mạch lực

Bộ biến đổi PFC có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện phía lưới có dạng gần sin, hệ số công suất xấp

xỉ bằng 1 nghĩa là dòng điện trùng pha với điện áp lưới trong toàn dải làm việc và điện áp ra bộ biến đổi lớn hơn so với biên độ điện áp do chỉnh lưu diode tạo ra, ví dụ đối với lưới điện 220V/50Hz thì bộ biến đổi PFC sẽ thiết lập điện áp ra 360V Để đạt mục tiêu này, ta sẽ điều khiển trở kháng đầu ra bộ chỉnh lưu diode

có dạng tải thuần trở, do dó dòng điện phía lưới sẽ có dường dẫn liên tục trong cả 2 nửa chu kỳ Dù thực hiện bằng kỹ thuật Analog hay Digital thì cấu trúc điều khiển bộ biến đổi PFC có dạng cơ bản như trên Hình 8.29

Áp dụng cấu trúc điều khiển hai mạch vòng với bộ điều chỉnh PI như ở mục 8.3.2 cho PFC với một

số thay đổi sau đây Đối với mạch vòng điện áp đầu ra là điện áp trên tụ DC, tuy nhiên đầu vào là điện áp một chiều sau chỉnh lưu đi-ốt có dạng nửa sin Chế độ xác lập ở mạch vòng điện áp chỉ tính toán đối với giá trị biên độ của điện áp sin đầu vào, Vin  2Vac 2.220 312  V , Vo = 360 V Đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp sẽ xác định biên độ iL* của dòng đầu vào bộ biến đổi Boost Để tạo ra hình dạng cho lượng đặt dòng điện cần có khâu đo điện áp sau chỉnh lưu đi-ốt, chia cho biên độ điện áp để có tín hiệu sin t, qua khâu nhân với giá trị biên độ sau bộ điều chỉnh điện áp để tạo ra lượng đặt cho mạch vòng dòng điện Mạch vòng dòng điện được tính toán với điện áp đầu ra và tải định mức như thông thường Hằng số thời gian của mạch vòng điện áp phải chọn lớn hơn nhiều so với mạch vòng dòng điện Vì điện áp đầu ra trên

tụ sẽ có đập mạch ở tần số bằng hai lần tần số điện áp lưới, ở đây là 100 Hz nên băng thông của mạch vòng điện áp phải chọn đủ nhỏ để đập mạch điện áp ít ảnh hưởng đến hình dạng giá trị biên độ của lượng đặt dòng điện Trong ví dụ này ta chọn Tov = 25 ms ứng với tần số băng thông cỡ 40 Hz

Hình 8.29 Cấu trúc điều khiển cơ bản cho bộ biến đổi PFC

Ví dụ bộ biến đổi PFC có tham số tại định mức sau: Điện áp lưới 220V/50Hz, công suất 250W, điện áp ra 360V, điện cảm L = 2mH, tụ C = 2200µF và tần số phát xung là 30kHz

Tính toán các tham số của bộ điều chỉnh thực hiện bằng m-file sau đây:

%%Control design for PFC with boost converter with two loops current

%inner loop and voltage outter loop

Vin = 312; %magnitude of AC input voltage 220 V

Vo = 360;%VDC Output voltage

Io = 2; % Rated output load 5A

Rload = Vo/Io;%Nominal Rload

Iripple = 0.3*Io*Vo/Vin; %Irepple = 30% of rated Iin=Io*Vo/Vin

fs = 30e3;% Use 100 kHz switching frequency

Toc = 5e-4;% Choose natural oscilation frequency of 1/T_oc of 10 times less then fs=100 kHz

T_ic = (Toc*Toc/T_L)*(2*zeta*T_L/Toc-1);% Integrator time constant is set at load time constant

kic=(2*zeta*T_L/Toc-1)/kdc;% Proportional gain of the PI controller

Gpic = kic*(1+1/(s*T_ic));% Current PI controller

bode(Gid,Gid*Gpic)% Plot bode graphic of the open current loop

%Voltage loop

%Gvc = Rload/(s*C*Rload+1);% Input current control to output voltage transfer function

T_V = C*Rload/2;% Time constant of current loop

* L

 

sin  t

kdcv=D1*Rload/2;

Gvc=kdcv/(T_V*s+1);

zeta=0.7;

Tocv =50*Toc;% Take voltage loop time constant of 5 times againt of current loop

T_iv = (Tocv*Tocv/T_V)*(2*zeta*T_V/Tocv-1);% Integrator time constant is set at load time constant

kiv=(2*zeta*T_V/Tocv-1)/kdcv;% Proportional gain

Gpiv = kiv*(1+1/(s*T_iv));% Voltage loop PI controller

bode(Gvc,Gvc*Gpiv)% Plot Bode of voltage open loop

Mô hình mô phỏng bộ PFC cho trên Hình 8.30 Trên hình cũng thể hiện mạch khởi động ban đầu gồm điện trở R 1W, song song với tiếp điểm có tác dụng hạn chế dòng nạp ban đầu cho tụ Kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 8.31, trong đó để giảm bớt thời gian mô phỏng tụ được đặt giá trị điện áp ban đầu

ở 330 V Đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp đặt hạn chế dòng điện ở mức 7,5 A Có thể thấy ảnh hưởng của

độ đập mạch điện áp trên tụ đối với lượng đặt biên độ dòng điện *

L

i , điều này sẽ ảnh hưởng đến dạng sóng của dòng điện Tuy nhiên mặc dù chế độ xác lập chỉ tính toán ở điểm biên độ của điện áp xoay chiều đầu vào nhưng bộ điều chỉnh dòng điện vẫn đảm bảo dòng đầu vào có dạng sin, hệ số công suất gần bằng 1 và điện áp đầu ra ổn định ở giá trị đặt

Hình 8.30 Mô hình mô phỏng bộ PFC với cấu trúc điều khiển dòng trung bình

Hình 8.31 Kết quả mô phỏng đáp ứng của bộ PFC điều khiển theo dòng trung bình

8.4 Điều khiển theo dòng điện lập trình được (Current-programmed Mode – CPM)

Hệ thống điều khiển và các mô hình hóa bộ biến đổi trong các phần trên đây đề cập đến phương pháp điều khiển theo điện áp, trong đó biến đầu vào điều khiển là hệ số điều chế d trong sơ đồ điều chế độ rộng xung PWM Điện áp đầu ra là biến được điều khiển trực tiếp (được đo về) Các mô hình trung bình được xây dựng, cho chế độ dòng liên tục (CCM) và dòng gián đoạn (DCM), tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân bằng và đưa ra mô hình tín hiệu nhỏ AC, từ đó có được hàm truyền từ điều khiển (biến d) đến điện áp đầu ra