thiết kế điều khiển bộ biến đổi dc - dc tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI VÀO RA Học viên: DƯƠNG VĂN CƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Dương Văn Cường Lớp: CHTĐH-K11 Chuyên ngành: Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài: 07/12/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2010 NGƯỜI HƯỚNG DẪN GS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang HỌC VIÊN Dương Văn Cường BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nghiên cứu dưới đây là của tôi , nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Người cam đoan Dương Văn Cường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Mục lục 1 Mở đầu 3 Chương 1: Mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp 5 1.1. Giới thiệu các bộ biến đổi bán dẫn 5 1.2. Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn 7 1.3 Các bộ biến đổi DC-DC 8 1.3.1. Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) 10 1.3.2. Bộ biến đổi đảo áp ( buck-boost converter)……………………………… 13 1.3.3.Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic (Quadratic buck converter)…………… 14 1.3.3.1.Mô hình bộ biến đổi…………………………………………………… 15 1.3.3.2.Mô hình dạng chuẩn………………………………………………… 16 1.3.3.3.Điểm cân bằng……………………………………………………… 17 1.3.3.4.Hàm truyền tĩnh……………………………………………………… 18 1.3.4. Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)…………………………………… 18 1.3.4.1. Mô hình của bộ biến đổi………………………………………………20 1.3.4.2. Mô hình dạng chuẩn 20 1.3.4.3. Điểm cân bằng và hàm truyền tĩnh 22 Chương 2: Nguyên lý điều khiển tuyến tính nhờ phản hồi đầu vào ra………………………………………………………………… 25 2.1.Cơ s ở lý thuyết………………………………………………………… 25 2.2.Mô hình cấu trúc hệ thống tuyến tính hoá chính xác nhờ phản hồi đầu vào ra…………………………………………………. 27 2.3.Cấu trúc affine…………………………………………………… 28 2.3.1.Bất biến với phép biến đổi vi phôi…………………………… 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.3.2. Bất biến với cấu trúc song song ,nối tiếp và hồi tiếp……… 30 Chương 3: Điều khiển tuyến tính hoá nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi dc-dc tăng áp……………………………………… 33 3.1. Đặt vấn đề…………………………………………………………. 33 3.2. Điều khiển trực tiếp……………………………………………… 33 3.3. Điều khiển gián tiếp……………………………………………… 35 3.4.Kết luận……………………………………………………………… 36 Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab& Simulink …………… 37 4.1. Mạch lực bộ biến đổi………………………………………………………….38 4.2. Xây dựng bộ điều khiển……………………………………………………… 42 4.2.1. Bộ điều chỉnh dòng điện………………………………………………… 42 4.2.2.Bộ điều biến PWM…………………………………………………… 42 4.2.3.Bộ điều khiển PID cho dòng điện…………………………………… 50 4.2.4.Tổng hợp, mô phỏng mạch vòng dòng điện………………………………53 4.2.5. Bộ điều chỉnh điện áp…………………………………………………….59 4.2.5.1. Thử nghiệm các thông số hệ thống …………………………………. 63 4.2.5.2. Thử nghiệm tính điều chỉnh được của hệ thống……………… 66 Kết luận…………………………………………………………………………… 71 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………73 Danh mục hình vẽ………………………………………………………… 74 MỞ ĐẦU Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết. Quá trình xử lý biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Một bộ nâng điện áp là một bộ biến đổi DC- DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời). Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài ”Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ra ”đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp, đảm bảo hiệu suất biến đổi cao và ổn định. Luận văn bao gồm 4 chương, nội dung cơ bản như sau: Chương 1: Mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp Chương 2: Nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra (IOL) Chương 3: Điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab& Simulink Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng cảm ơn đối với Thầy GS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua và cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các anh, chị trong Trung tâm Công nghệ cao Trường ĐH Bách Khoa HN cũng như gia đình , bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn này. Do hạn chế về trình độ ngoại ngữ, tham khảo tài liệu… và với thời gian chưa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn nhiều nên luận văn còn có nhiều khiếm khuyết, sai sót. Tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp cũng như những lời khuyên hữu ích từ các thầy, cô cùng các đồng nghiệp để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết quả hoàn thiện hơn. Ngày tháng năm 2010 Học viên Dương Văn Cường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 CHƢƠNG 1 MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP 1.1 Giới thiệu các bộ biến đổi bán dẫn Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được. Các mạch điện tử công suất nói chung hoạt động ở một trong hai chế độ sau: tuyến tính (linear) và chuyển mạch (switching). - Chế độ tuyến tính sử dụng đoạn đặc tính khuếch đại của linh kiện tích cực, trong khi chế độ xung chỉ sử dụng linh kiện tích cực như một khóa (van) với hai trạng thái đóng (bão hòa) và ngắt. Chế độ tuyến tính cho phép mạch có thể được điều chỉnh một cách liên tục nhằm đáp ứng một yêu cầu điều khiển nào đó. Tuy nhiên, chế độ tuyến tính thường sinh ra tổn thất công suất tương đối cao so với công suất của toàn mạch và dẫn đến hiệu suất của mạch không cao. Hiệu suất không cao Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 không phải là vấn đề được quan tâm đối với các mạch công suất nhỏ và đặc biệt là các mạch điều khiển có yêu cầu về chất lượng, về đáp ứng được đặt lên hàng đầu. Nhưng vấn đề hiệu suất được đặc biệt quan tâm đối với các mạch công suất lớn, với các lý do khá hiển nhiên. Chế độ chuyển mạch cho phép giảm khá nhiều các tổn thất công suất trên các linh kiện tích cực, đặc biệt là các linh kiện công suất, do đó được ưa thích hơn trong các mạch công suất lớn. Ví dụ cụ thể để minh họa. Giả sử ta cần thực hiện một bộ biến đổi điện áp từ 12 VDC sang 5 VDC, dòng tải tối đa là 1 A. Với giải pháp tuyến tính, dùng một vi mạch ổn áp 7805. Với dòng tải I bất kỳ, hiệu suất của mạch một cách lý tưởng sẽ là η = Pra/Pvào = (5.I)/(12.I) = 41.7% (ta nói lý tưởng vì chúng ta coi như bản thân vi mạch ổn áp không tiêu thụ dòng điện). Với giải pháp chuyển mạch, ta có thể dùng mạch giảm áp có tên gọi buck converter để thực hiện việc này và có thể đạt được hiệu suất trên 90% với mạch này một cách dễ dàng. Nhưng cần chú ý rằng chất lượng điện áp tại ngõ ra của giải pháp tuyến tính tốt hơn so với giải pháp chuyển mạch. Do đó, điều quan trọng ở đây là chúng ta chọn giải pháp thích hợp cho từng bài toán. - Kỹ thuật chuyển mạch thực tế bao gồm: chuyển mạch cứng (hard- switching) và chuyển mạch mềm (soft-switching). Với kỹ thuật chuyển mạch cứng, các khóa (van) được yêu cầu đóng (hay ngắt) khi điện áp đặt vào (hay dòng điện chảy qua) linh kiện đang có giá trị lớn (định mức). Linh kiện sẽ phải trải qua một giai đoạn chuyển mạch để đi đến trạng thái đóng (hay ngắt) và giai đoạn này sẽ sinh ra tổn thất công suất trên linh kiện tương tự như ở chế độ tuyến tính. Tổn thất công suất trong giai đoạn này được gọi là tổn thất (tổn hao) chuyển mạch. Điều này có nghĩa là khi tần số làm việc càng lớn (càng có nhiều lần đóng/ngắt linh kiện trong một đơn vị thời gian) thì tổn thất chuyển mạch càng lớn và đó là một trong những lý do khiến tần số làm việc của mạch bị giới hạn. Kỹ thuật chuyển mạch mềm cho phép mở rộng giới hạn tần số của các bộ biến đổi chuyển mạch, nhờ việc đóng/ngắt khóa (van) ở điện áp bằng 0 (ZVS: zero-voltage-switching) và/hoặc ở dòng điện bằng 0 (ZCS: zero-current-switching). Nhưng tại sao cần nâng cao tần số làm việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 của các bộ biến đổi chuyển mạch? Việc nâng cao tần số làm việc sẽ giúp giảm kích thước và khối lượng của các linh kiện, và tăng mật độ công suất. 1.2 Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi chuyển mạch trong điện tử công suất, nhưng có lẽ cách thông dụng nhất là dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào và ngõ ra. Về nguyên tắc, chúng ta chỉ có dòng điện một chiều (DC) hay xoay chiều (AC), do vậy có 4 tổ hợp khác nhau đối với bộ đôi dòng điện ngõ vào và ngõ ra (theo quy ước thông thường, tôi viết ngõ vào trước, sau đó đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, và AC-AC. Bộ biến đổi AC-DC chính là bộ chỉnh lưu (rectifier) mà chúng ta đã khá quen thuộc, còn bộ biến đổi DC-AC được gọi là bộ nghịch lưu (inverter). Hai loại còn lại được gọi chung là bộ biến đổi (converter). Hình 1.1: Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi Bộ biến đổi AC-AC thường được thực hiện bằng cách dùng một bộ biến đổi AC-DC tạo nguồn cung cấp cho một bộ biến đổi DC-AC. Thời gian gần đây có một số bộ biến đổi AC-AC thực hiện việc biến đổi giữa 2 nguồn AC một cách trực tiếp, không có tầng liên kết DC (DC-link) và chúng được gọi là các bộ biến đổi ma trận (matrix converter) hay các bộ biến đổi trực tiếp (direct converter). Tên gọi bộ biến đổi ma trận xuất phát từ thực tế là bộ biến đổi sử dụng một ma trận các khóa (van) 2 [...]... tính hóa nhờ phản hồi đầu vào ra, ta có thể xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống, thỏa mãn các yêu cầu về độ ổn định và tính điều khiển được ở chương sau ta sẽ tiến hành áp dụng lý thuyết trên để xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC- DC tăng áp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 33 Chƣơng 3 ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI VÀO RA CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC- DC... một bộ điều khiển tuyến tính hóa chính xác nhờ phản hồi đầu vào đầu ra Để điều chỉnh đầu ra theo một giá trị cân bằng mong muốn hoặc bám theo một đặc tuyến theo yêu cầu tính chất trên phù hợp với việc điều khiển một số mô hình bộ biến đổi công suất DC- DC 2.2 Mô hình cấu trúc hệ thống tuyến tính hóa chính xác nhờ phản hồi đầu vào ra Trong hình 2.2 là sơ đồ hệ thống tuyến tính hóa chính xác nhờ phản hồi. .. điều khiển phản hồi trước khi thiết kế kỹ thuật theo kiểu tuyến tính hóa chính xác nhờ phản hồi đầu vào ra Đây là một trong các mô hình thiết kế bộ điều khiển phản hồi phi tuyến tường minh nhất trong các loại điều khiển bộ biến đổi DCDC công suất Phản hồi tuyến tính hóa chính xác trạng thái đầu vào bao nhiêu thì bộ điều khiển lại càng phải phức tạp bấy nhiêu.Tất nhiên với những tiến bộ nhất định, chúng... tăng áp (boost converter) Bộ biến đổi tăng áp là thiết bị được ứng dụng để biến đổi làm tăng điện áp đầu ra so với điện áp nguồn Vấn đề điều khiển bộ biến đổi tăng áp là một vấn đề phức tạp vì nó có tính phi tuyến và dễ bị ảnh hưởng của các tác động bên ngoài Mạch điện của bộ biến đổi tăng áp, còn được gọi là bộ biến đổi tăng như hình 1.3 Ta giả thiết rằng các thiết bị bán dẫn là lý tưởng, nghĩa là transistor... đầu vào ra cho đầu ra ổn định quanh giá trị cân bằng đầu ra yêu cầu của bộ biến đổi công suất DC- DC thông qua điều biến   + - r 1   j z j1 Vav = - 0(y-y )- j 1 uav= + vav  Lrf (hx ) Lg Lrf1 (hx ) - u + z = (x) Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DCDC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 28 Ta đặt điều khiển phản. .. kết nối trực tiếp một pha ngõ ra bất kỳ với một pha ngõ vào bất kỳ (tất nhiên theo một quy luật nào đó để đảm bảo yêu cầu đặt ra đối với bộ biến đổi) Hình 1.2: Mô hình một bộ biến đổi DC- AC 1.3 Các bộ biến đổi DC- DC Bộ biến đổi DC- DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC- DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảm chuyển mạch Giải pháp. .. theo giá trị của biến x1 và biến u cũng đạt giá trị cân bằng tương ứng:  x1  Vd2 / Q,uav  1/ Vd Ta có hai phương án xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC- DC tăng áp như sau: 3.2 Điều khiển trực tiếp Theo mục tiêu hàm đầu ra của hệ thống, giá trị điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi trên tụ tương ứng y=x2 Phản hồi tuyến tính hóa vào ra đạt được bằng việc cho x2 tuyến tính hóa động với ... hàm truyền chuẩn hóa tĩnh của bộ biến đổi tăng áp cho bởi: H(U)= x2  1 (1  U ) (1.22) Rõ ràng là hệ số khuếch đại của mạch bộ biến đổi luôn lớn hơn 1 Vì thế, bộ biến đổi được gọi là bộ biến đổi tăng hay bộ biến đổi tăng áp Đặc tuyến của hàm truyền tĩnh của bộ biến đổi tăng áp đựợc minh họa như trên hình 1.6 Dễ thấy thông qua sự biến thiên của chu trình hoạt động hay đầu vào điều khiển trung bình... pháp Bài luận văn này tác giả trình bày phương pháp dùng bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi đầu vào ra để điều khiển đối tượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 25 Chƣơng 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH NHỜ PHẢN HỒI ĐẦU VÀO RA 2.1 Cơ sở lý thuyết Trong không gian trạng thái độc lập, hệ toạ độ chuyển đổi đầu vào có dạng: Lrf (ho1 )( z, n)  Lg Lrf1... của điện áp đầu ra ổn định của giá trị mong muốn v lớn hơn 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 24 Hình 1.11: Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp Giá trị dòng điện và điện áp cân bằng của mạch là i 1 v2 , R E v E (1  U ) (1.14) Trên đây là phương trình trạng thái của bộ biến đổi tăng áp Điều khiển bộ biến đổi tăng áp có thể có nhiều phương pháp Bài luận . biến đổi DC- DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ra ”đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi DC- DC tăng áp, đảm. Hình 1.2: Mô hình một bộ biến đổi DC- AC 1.3 Các bộ biến đổi DC- DC Bộ biến đổi DC- DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC- DC kiểu chuyển mạch: dùng. NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC- DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI VÀO RA Học viên: DƯƠNG VĂN CƯỜNG Người