Nghiên cứu mô phỏng và lập trình điều khiển điện áp bộ biến đổi DC DC buck”

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giáo viên hướng dẫn: Ts Phạm Tuấn Anh Sinh viên: Nguyễn Xuân Tùng MSV: 45861 Tên đề tài: “Nghiên cứu mô lập trình điều khiển điện áp biến đổi DC-DC Buck” MỤC LỤC BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT TRONG TKMH DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG TKMH DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Giới thiệu dòng chip Texas Instrument 1.2 Giới thiệu chip TI C2000 ứng dụng 1.3 Giới thiệu công cụ lập trình 1.4 Giới thiệu mạch công suất DC – DC Buck CHƯƠNG 2: LẬP TRÌNH NHÚNG TRÊN MATLAB VÀ CODE COMPOSER STUDIO 2.1 Giới thiệu Matlab 2.2 Khái nhiệm lập trình nhúng Matlab thư viện Texas Instrument C2000 Matlab 2.3 Giới thiệu lập trình nhúng Code Composer Studio 2.4 Xây dựng ví dụ lập trình nhúng Matlab Code Composer Studio với vi xử lý C2000 CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BUCK, LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG 3.1 Giới thiệu thí nghiệm điện tử công suất hãng TI Buck Converter 3.2 Điều khiển biến đổi DC - DC 3.3 Tổng hợp cấu trúc điều khiển 3.4 Kết mô Matlab sử dụng Simulink 3.5 Kết theo dõi thông số thực nghiệm biến đổi phần mềm CCS chế độ Debug KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Hải Phòng, ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2016 Sinh viên thực MỤC LỤC BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT TRONG TKMH Chữ Tên hình Mô tả CCS Code Composer Studio Phần mềm lập trình TI SFRA Texas Instruments Software Frequency Response Analyzer Digital signal processing Hãng sản suất Phần mềm phân tích điều khiển số Thiết bị xử lý số DSP DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng 3.1 3.2 Tên bảng Trang Các thành phần mạch lực Kết nối tín hiệu 42 46 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình 1.1 Hệ thống vòng kín điều khiển điện tử công suất 11 1.2 1.3 1.4 1.5 Điều khiển hai biến đổi công suất MCU Độ phân giải kênh PWM tối ưu Thời gian trích mẫu tới 12.5 MSPS (a) Sơ đồ mạch lực (b) Sơ đồ van S mở (c) Sơ đồ van S đóng 12 12 14 19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Cài đặt chương trình trình dịch từ Matlab Cài đặt gói hỗ trợ C2000 TI Chọn công cụ liên kết Cài đặt phần mềm bên thứ Cài đặt biên dịch code Trang 22 23 23 24 24 2.6 Thư viện TI C2000 25 2.7 Khối GPIO 26 2.8 Khối Watchdog 27 2.9 Cài đặt khối Watchdog 27 2.10 Khối ADC 28 2.11 Khối ePWM 29 2.12 Khối eQEP 29 2.13 Khối Software interrupt trigger 30 2.14 Khối Hardware interrupt 31 2.15 Giao diện Code Composer Studio 31 2.16 Giao diện tạo dự án chương trình 32 2.17 Giao diện đưa chương trình có sẵn vào CCS 33 2.18 Giao diện cửa sổ Target Configurations 33 2.19 Mô hình ADC - PWM 34 2.20 Mô hình ADC - PWM 34 2.21 Cài đặt Hardware Implementation 35 2.22 Cài đặt code generation 35 2.23 Build Model 36 2.24 File build thành công 36 2.25 Thư viện code sau build 37 2.26 Mô hình GPIO DO 37 2.27 Cài đặt cấu hình khối GPIO 38 2.28 Lưu đồ thuật toán lập trình 38 3.1 Board điện tử công suất DC-DC Buck 41 3.2 Thiết bị xử lý tín hiệu số F28069 41 3.3 Board kết nối với thiết bị điều khiển số 42 3.4 Thiết kế Synchronous Buck 43 3.5 Sơ đồ thiết kế board Buck 44 3.6 Sơ đồ kết nối thiết bị điều khiển 45 3.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 46 3.8 Dòng điện ổn định qua tải dc-dc Buck 47 3.9a Dòng điện qua tải Ton 48 3.9b Dòng điện qua tải Toff 48 3.10 Cấu trúc điều khiển Buck chế độ điện áp 48 3.11 Cấu trúc điều khiển dòng điện trung bình dc- dc buck 49 3.12 Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh dc- dc buck 49 3.13 Cấu trúc hệ điều khiển điện tử công suất-số 50 3.14 Cấu trúc hệ thống vòng kín 50 3.15 Mô tả hàm thuật toán 52 3.16 Lưu đồ thuật toán 53 3.17 Sơ đồ chuyển đổi điều khiển PID miền số 54 3.18 Thể hàm truyền điều khiển 55 3.19 Xử lý tín hiệu từ điều khiển đối tượng 56 3.20 Bộ điều khiển trình mô Simulink – Matlab 56 3.21 Bộ biến đổi Buck chương trình mô 56 3.22 Ghép nối Buck với tải tạo thành đối tượng điều khiển 57 3.23 Toàn cấu trúc mô hệ thống 58 3.24 Kết mô không nhiễu tải 59 3.25 Kết mô có nhiễu tải 59 3.26 Kết mô có nhiễu tải 60 3.27 Tham số thực nghiệm 61 3.28 Điện áp đầu hệ thống thực với tải cố định 61 3.29 Điện áp đầu hệ thống thực với tải gián đoạn 62 LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, biến đổi sử dụng hệ thống thông dụng hiệu suất va chất lượng điện áp Các biến đổi điện áp chiều biến đổi sử dụng nhiều Trong đó, biến đổi giảm áp (Buck Converter) cho điện áp đầu giảm so với điện áp đầu vào Nó ứng dụng rộng rãi nhiều thiết bị hay hệ thống khác như: cấp nguồn cho máy tính laptop, sạc điện thoại, nạp pin từ lượng mặt trời… Trên thực tế đó, đồ án nghiên cứu biến đổi DC-DC Buck với đề tài có tên là: “Nghiên cứu mô lập trình điều khiển biến đổi DC-DC Buck” Mục đích nghiên cứu đề tài - Tìm hiểu khái quát biến đổi DC – DC - Thiết kế lập trình điều khiển số DC – DC Buck - Tìm hiểu công cụ lập trình nhúng với sản phẩm vi xử lý Texas Instruments - Mô biến đổi Buck Đối tượng, phạm vi nghiên cứu đề tài - Phần mềm Matlab phần lập trình nhúng, phần mềm lập trình Code Composer Studio, board thí nghiệm biến đổi công suất Buck điều khiển mạch Buck DSP F28069 hãng Texas Instruments - Phạm vi nghiên cứu: tìm hiểu biến đổi, mô vòng kín hệ thống phần mềm Matlab Simulink, xây dựng chương trình điều khiển hệ thống Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu cấu trúc biến đổi, nguyên lý hoạt động DC – DC Buck từ phân tích đưa hệ thống điều khiển vòng kín - Tiến hành mô chạy thực nghiệm để đánh giá hệ thống Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu điều khiển biến đổi Buck tăng thêm hàm lượng kiến thức điều khiển số với thiết bị điện tử công suất - Thực tiễn đề tài: Từng bước làm quen với thiết bị xử lý tín hiệu số hãng TI thêm kinh nghiệm thiết kế hệ thống điện tử công suất điều khiển số Trong trình thực đồ án có nhiều sai sót hi vọng quý thầy cô thông cảm bỏ qua Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Xuân Tùng CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu dòng chip Texas Instrument 1.1.1 Giới thiệu dòng chip họ C2000 C2000 Microcontroller dòng vi điều khiển 32-bit thiết kế để sử dụng vòng kín cách tối ưu C2000 có dòng sản phẩm: - C2000 Delfino MCU - C2000 Piccolo MCU - C2000 InstaSPIN MCU - C2000 F28x MCU 1.1.2 Các đặc điểm dòng chip C2000 Các đặc điểm dòng C2000 microcontroller: - Điều khiển môi trường thời gian thực • Hình 1.1: Hệ thống vòng kín điều khiển điện tử công suất Xử lý đáp ứng hệ thống, phản hồi hệ thống, kiểm soát hệ thống với độ trễ tối • • • ưu Thu thập liệu cảm biến nhanh xác, hiệu suất tối đa Tối ưu độ trễ điều khiển vòng lặp Cấu hình mạnh mẽ, tối ưu để thực chương trình điều khiển với hiệu suất • tốt Ứng dụng điều khiển hệ thống vòng kín điều khiển động cơ, biến đổi điện tử công suất, biến tần, hệ điện mặt trời - Khả xử lý mạnh mẽ 10 57 Hình 3.16: Lưu đồ thuật toán Ngắt làm việc với tần số 200kHz đảm bảo mặt chất lượng điều khiển số hệ c Lập trình CCS Như trình bày hàm hàm ngắt lấy từ thư viện asm_macros có tương đương sau: Hàm AdcRead() tương đương ADCDRV_1ch(); hàm control() tương đương CNTL2P2Z(); PWM() tương đương PWMDRV_1ch() Và để hoạt động chương trình hình 3.15 ta cần kết nối thư viện Assembly lại với Công việc phức tạp Tóm lại kết nối thư viện kể với quan hệ hình 3.15 ta tạo thành điều khiển số 3.4 Kết mô Matlab sử dụng Simulink 3.4.1 Mô điều khiển PID xử lý liệu điều chế PWM Với điều khiển PID đưa sang miền điều khiển số ta phải chuyển từ hệ số điều khiển (Kp, Kd, Ki) thành dạng gián đoạn miền z Như công thức thành lập ta có điều khiển dạng: b0 + b1 z −1 + b2 z −2 G( z) = − z −1 Với tham số: b0 = K p' + K i' + K d' ; b1 = − K p' + K i' − K d' ; b2 = K d' 58 Hình 3.17: Sơ đồ chuyển đổi điều khiển PID miền số Hình 3.18: Thể hàm truyền điều khiển Hình 3.17 3.18 thể việc mô hệ thống Matlab hàm truyền G(z) Tín hiệu đưa vào đầu G(z) phải xử lý qua hai khối xử lý tín hiệu sau: 59 Hình 3.19: Xử lý tín hiệu từ điều khiển đối tượng Sau sơ đồ khối mô điều khiển thể phần mềm mô Simulink Matlab thể hình 3.20 Hình 3.20: Bộ điều khiển trình mô Simulink – Matlab 3.4.2 Mô ghép nối điều khiển vào đối tượng hoàn thiện hệ thống Hình 3.21: Bộ biến đổi Buck chương trình mô 60 Trước tiên cần mô đổi tượng điều khiển Buck Ta sử dụng thành phần Buck ghép nối hình 3.21 Trong cấu trúc Buck ta cài đặt thông số cuộn cảm tụ lọc thiết bị hãng TI Tụ điện giá trị 330uF cuộn cảm 4.5uH Sau ta tiến hành ghép nối mạch Buck với tải phần tử đo hình Hình 3.22: Ghép nối Buck với tải tạo thành đối tượng điều khiển 61 62 Hình 3.23: Toàn cấu trúc mô hệ thống Khi kết nối với tải, ta có hai loại tải mạch lực TI Một tải tĩnh gắn trực tiếp vào đầu biến đổi tải phụ gắn vào đầu kích hoạt van bán dẫn Mục đích tải tiến hành đánh giá chất lượng điều khiển với nhiễu tải thay đổi Sau hoàn thiện phần đối tượng điều khiển ta ghép nối với điều khiển hoàn thiện hệ thống Hệ thống ghép nối hình 3.23 sử dụng thành phần trình bày 3.4.3 Kết mô hệ thống Như hình 3.23 ta chạy mô phần mềm Matlab Simulink sử dụng thành phần trình bày tiến hành mô hệ thống điều khiển biến đổi Buck Kết thu nhiễu tải, tải ổn định ohn có nhiễu với điện áp đặt 2V: Hình 3.24: Kết mô không nhiễu tải 63 Nhận xét: Hệ thống có chất lượng điều khiển tốt thời gian đáp ứng nhanh, sai lệch Vậy với tải ổn định không thay đổi đáp ứng đầu điều khiển tốt Thời gian độ khoảng 0.005s sai lệch tĩnh khoảng 0% Bộ PID phù hợp điều khiển bám giá trị đặt nhiễu tải Hình 3.25: Kết mô có nhiễu tải 64 65 Hình 3.26: Kết mô có nhiễu tải Nhận xét: Với nhiễu tải hệ thống có chất lượng điều khiển tốt thời gian đáp ứng nhanh, sai lệch Tuy nhiên với nhiễu tải đầu điện áp xuất đỉnh nhọn hình 3.24 3.25 cho thấy chất lượng điều khiển chưa thực tốt Để giải vấn đề ta nên thay điều khiển điều khiển 2P2Z (bộ điều khiển hai điểm không hai điểm cực) Bộ điều khiển hãng TI hỗ trợ mặt với thiết kế với hai phần mềm SFRA phần mêm Compensation Designer SFRA phần mềm đánh giá đổi tượng điều khiển dựa biểu đồ bode, hỗ trợ thêm vào thư viện lập trình C Sau sử dụng SFRA liệu lưu vào ta sử dụng phần mềm Compensation Designer để đưa điều khiển đưa vào lập trình 3.5 Kết theo dõi thông số thực nghiệm biến đổi phần mềm CCS chế độ Debug Hệ thống điều khiển biến đổi Buck hãng TI hỗ trợ việc theo dõi thống số hệ thống dạng đồ thị điện áp đầu biến đổi Sau kết theo dõi việc điều khiển hệ thống thực Ta tiến hành chạy hệ thống vòng kín với giá trị đặt Gui_Vset1 = 2.0 V, điều khiển PID với thiết lập hình: Hình 3.27: Tham số thực nghiệm 66 Với tham số ta tiến hành chạy hệ thống điều khiển biến đổi điều khiển PID tải chế độ gián đoạn gây nhiễu cho đầu Sau tín hiệu điện áp chạy thực: Hình 3.28: Điện áp đầu hệ thống thực với tải cố định 67 Với tải cố định biến đổi có đầu ổn định với sai lệch không lớn Như mô hệ thống trêm Matlab Simulink so với thực tế có giống kết Hình 3.29: Điện áp đầu hệ thống thực với tải gián đoạn Với tải gián đoạn biến đổi Buck có điện áp đầu xuất đỉnh nhọn với sai lệch không lớn Trên Matlab Simulink cho kết tương tự Như ta đánh giá kết chạy hệ thống thực giống kết thu phần mô 68 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu với hướng dẫn thầy giáo TS Phạm Tuấn Anh giúp đỡ thầy cô giáo môn, em hoàn thành đồ án môn học Qua đề tài này, em tìm hiểu thực nội dung: - Tìm hiểu thiết bị điều khiển số DSP hãng Texas Instruments - Tìm hiểu nghiên cứu mạch điện tử công suất Buck phương pháp điều khiển vòng kín - Tiến hành thiết kế lập trình điều khiển mô Tuy nhiên kiến thức hạn chế nên đồ án sai sót Những sai sót tránh là: - Chưa hoàn toàn nghiên cứu hết phần mềm lập trình điều khiển - Chưa thiết kế xác điều khiển vòng kín, dừng lại mức chuyển đổi điều khiển PID sang miền số - Chất lượng điều khiển PID chưa thực tốt cần phải tìm hiểu thêm điều khiển khác để tối ưu hệ thống Em mong nhận ý kiến nhận xét đóng góp thầy cô để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Điều khiển số, Đại học hàng hải Việt Nam [2] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật 70 [...]... nhúng và hỗ trợ mạnh cho vi xử lí tín hiệu số của Texas • • • • • Intrument bao gồm các họ vi xử lý C2000, C5000, C6000 Các bước để lập trình cho DSPTI C2000 Xây dựng chương trình trên simulink Mô phỏng Build code Nạp chương trình cho C2000 thông qua chương trình CCS Chạy chương trình và debug 1.4 Giới thiệu về bộ biến đổi công suất DC- DC Buck 1.4.1 Mô tả bộ biến đổi DC- DC Buck Bộ biến đổi DC- DC Buck... nhúng vào vi điều khiển thông qua phần mềm Code Composer Studio Vì vậy, ta có trình tự lập trình nhúng trên Matlab: Đưa các khối vào file lập trình; nhờ gói hỗ trợ dịch sang ngôn ngữ C; dịch và nạp chương trình vào vi điều khiển Như vậy lập trình nhúng trên Matlab sẽ hỗ trợ về mặt mô phỏng, tính toán các bộ điều khiển và phương pháp lập trình trực quan, gần gũi 2.2.2 Cài đặt liên kết giữa Matlab và CCS... cả hai kết hợp Để tăng chất lượng điện áp, bộ lọc được làm bởi tụ điện thường được thêm vào ở đầu ra và ở đầu vào bộ biến đổi Hiện nay bộ biến đổi thường thiết kế đi kèm với điều khiển vòng kín 16 Bộ biến đổi này cho hiệu quả nhiều hơn so với những mạch ổn áp, mạch ổn áp sẽ cho điện áp thấp hơn bởi tiêu tốn nhiệt năng mà không làm tăng thểm dòng cho đầu ra tải Bộ biến đổi Buck có thể cho hiệu quả đáng... Buck (hay còn gọi là bộ biến đổi giảm áp) là một bộ biến đổi công suất từ điện áp một chiều sang điện áp một chiều với điện áp đầu ra giảm đi (trong khi tăng dòng giữ nguyên công suất) so với đầu vào (nguồn nuôi) để cấp cho tải Bộ biến đổi sử dụng ít nhất hai phần tử bán dẫn (điốt và transistor hoặc hai cặp transistor với thiết kế mới) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng tụ điện, cuộn cảm hoặc... được cấu trúc cho tốc độ và hệ thống điều khiển chính xác Đó chính là các kênh ADC, DAC, PWM Các kênh này được thế kế sao cho khi gặp sự cố chip có thể bảo vệ các tầng mạch lực hiệu quả Kiểm soát các thiết bị ngoại vi: Điều khiển hợp lý để cho chương trình phản ứng nhanh hơn Có thể điều khiển chính xác các thiết bị như driver của các bộ biến đổi, bộ biến đổi điện mặt trời, các bộ điện tử công suất Kênh... thuộc vào các thiết lập bên trong single source start of conversion (SOC) Trong chế độ không đồng bộ các ADC thường được kích hoạt bằng phần mềm tại mỗi khoảng thời gian lấy mẫu quy định tại các khối ADC Trong chế độ đồng bộ các bộ quản lý được liên kết với ADC và kích hoạt ADC Trong trường hợp này ADC được đồng bộ với các bộ điều biến độ rộng xung PWM ADC không thể đồng bộ cùng bới PWM nếu ADC hoạt... nguồn máy tính (từ 12v xuống thấp hơn), trong hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời (sạc pin với năng lượng mặt trời)… 1.4.2 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Buck khá đơn giản, với một cuộn cảm tích lũy dòng điện, hai van bán dẫn (hai transistor hoặc một transistor và một điốt) để điều khiển bộ biến đổi và các bộ lọc đầu ra 17 Hình 1.5: (a) Sơ đồ mạch lực (b) Sơ... gian bộ watchdog timer c được reset Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC Hình 2.10: Khối ADC Thiết lập khối ADC của C2803x thực hiện chuyển đổi tương tự sang số của các tín hiệu kết nối với các chân ADC đầu vào được chọn Giá trị đầu ra các khối ADC được lưu trữ trong thanh ghi Mỗi khói ADC cho phép đọc 1 kênh ADC Sử dụng nhiều khối ADC để đọc nhiều kênh ADC 26 Các chế độ kích hoạt ADC... là môi trường phần mềm phát triển tích hợp, cho phép xây dựng một cách nhanh chóng bộ điều khiển nhúng trên họ C2000 của Texas Instruments Người lập trình sử dụng các khối cho bộ điều khiển hay bộ lóc để tạo ra code biên dịch và liên kết nạp Sau đó có thể dễ dàng so sáng jết quả mô phỏng và thực nghiệm VisSim/Embedded Control Developer bao gồm: • • VisSim PE: Môi trường để xây dựng các khối chường trình. .. (CCS) là phần mềm lập trình cung cấp cho các lập trình viên môi trường tích hợp gồm nhiều công cụ khác nhau như chương trình viết mã lệnh nhúng, chương trình dịch, chương trình mô phỏng hệ thống, ứng dụng khi chạy thực tế, hỗ trợ cho các sản phẩm của hãng Texas Insruments, bao gồm các DSP, vi điều khiển, hệ thống nhúng Code Composer Studio bao gồm chương trình viết ngôn ngữ lập trình, trình biên dịch