Thiết kế bộ biến đổi DCDC tăng áp (Boost Converter) (PID controller)

Thiết kế bộ biến đổi dcdc tăng áp sử dụng bộ điều khiển PIDMục lụcLỜI MỞ ĐẦU4CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI61.1. Mục đích đề tài61.2. Đối tượng nghiên cứu61.3. Phương pháp và kế hoạch nghiên cứu61.4. Ứng dụng của đề tài6CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT82.1. Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter)82.1.1. Cấu trúc bộ Boost Converter82.2.2. Không gian trạng thái của bộ boost converter102.2. Cấu trúc bộ điều khiển PID172.3. Vi điều khiển Pic16F877A192.3.1. Khái quát về vi điều khiển Pic16F877A192.3.2. Sơ đồ chân và chức năng của PIC16F877A202.4. Giải thuật sử dụng23CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID243.1. Tính toán mạch lực bộ Boost Converter243.2. Tính toán thông số bộ điều khiển PID25CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG294.1. Mô phỏng hệ thống trên MatlabSimulink294.2. Mô phỏng trên phần mềm Proteus31CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI325.1. Những kết quả đã đạt được325.2. Hướng phát triển của đề tài.34KẾT LUẬN36TÀI LIỆU THAM KHẢO36

Đề tài: Thiết kế bộ biến đổi DC - DC tăng áp

Giảng viên hướng dẫn:

Nhóm sinh viên thực hiện:

Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 6

1.1 Mục đích đề tài 6

1.2 Đối tượng nghiên cứu 6

1.3 Phương pháp và kế hoạch nghiên cứu 6

1.4 Ứng dụng của đề tài 6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter) 8

2.1.1 Cấu trúc bộ Boost Converter 8

2.2.2 Không gian trạng thái của bộ boost converter 10

2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID 17

2.3 Vi điều khiển Pic16F877A 19

2.3.1 Khái quát về vi điều khiển Pic16F877A 19

2.3.2 Sơ đồ chân và chức năng của PIC16F877A 20

2.4 Giải thuật sử dụng 23

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 24

3.1 Tính toán mạch lực bộ Boost Converter 24

3.2 Tính toán thông số bộ điều khiển PID 25

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 29

4.1 Mô phỏng hệ thống trên Matlab&Simulink 29

4.2 Mô phỏng trên phần mềm Proteus 31

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 32

5.1 Những kết quả đã đạt được 32

5.2 Hướng phát triển của đề tài 34 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu khí đang suygiảm về số lượng, hơn nữa chúng còn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trongkhi nhu cầu sử dụng lại ngày càng tăng Chính vì vậy, việc phát triển các nguồn nănglượng tái tạo là một hướng đi hiện đại, đảm bảo sự phát triển lâu dài Ở nước ta,nguồn năng lượng mặt trời rất dồi dào và là một lĩnh vực tiềm năng

Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, điện năng lượng mặt trời là điện được tạo ra

từ việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện bằng cách sử dụng tấm pin nănglượng mặt trời hoặc từ nhà máy năng lượng mặt trời dựa trên nguyên lý phản xạ ánhsáng Với đặc trưng của nguồn điện năng lượng mặt trời là không ổn định, điện ápđầu ra của chúng liên tục thay đổi và có giá trị nhỏ, nên chúng thường được liên kếtvới phụ tải hoặc lưới điện nhờ một bộ biến đổi công suất Vì vậy, việc chế tạo ra các

bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các hệthống pin năng lượng mặt trời là hết sức cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp 1chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC - DC Một bộ nângđiện áp là một bộ biến đổi DC - DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Các

bộ biến đổi DC - DC trong các hệ thống năng lượng lưu trữ giúp cho các hệ thốngnăng lượng tái tạo, điển hình là năng lượng mặt trời, giúp khắc phục được các hạnchế của nó Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điềukhiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu củacác công trình nghiên cứu

Để nâng cao chất lượng của điện áp đầu ra trong hệ thống pin năng lượng mặt

trời, với đề tài “Thiết kế bộ biến đổi DC - DC tăng áp cho mạch sạc pin năng lượng mặt trời”, chúng ta có rất nhiều phương pháp như: tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào

ra, sử dụng các luật điều khiển PID, điều khiển trượt, điều khiển mờ,… Trong đó, sửdụng bộ điều khiển PID là phương pháp được sử dụng khá rộng rãi, dễ thực hiện,đảm bảo hiệu suất biến đổi và độ ổn định khá cao

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo TS Vũ Thị Thúy Nga - giảngviên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn nhóm chúng em trongsuốt thời gian một học kì vừa qua, giúp đỡ và chia sẻ cho chúng em rất nhiều kinhnghiệm quý báu trong quá trình đi từ lý thuyết đến thực tế

Trong quá trình thực hiện đề tài, do hạn chế về hiểu biết cũng như chưa cókinh nghiệm làm việc thực tiễn nên nhóm em còn có nhiều thiếu sót Nhóm chúng

em mong nhận được những ý kiến đóng góp cũng như những lời khuyên của cô cùngcác bạn để bổ sung và hoàn thiện đề tài hơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích đề tài

Điện năng phát ra từ nguồn năng lượng mặt trời ít được cấp trực tiếp cho cácphụ tải, điện áp luôn biến thiên theo các yếu tố khách quan như cường độ bức xạ,nhiệt độ, thời tiết tại vị trí đặt tấm pin mặt trời bởi đặc trưng của nguồn này là không

ổn định và điện áp có giá trị nhỏ, nên cần một bộ biến đổi DC - DC tăng áp để có thể

ổn định đầu ra theo yêu cầu chất lượng điện áp mong muốn

1.2 Đối tượng nghiên cứu

- Thiết kế mạch lực bộ biến đổi DC - DC tăng áp

- Thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ biến đổi DC - DC tăng áp

- Vi điều khiển PIC 16F877A

1.3 Phương pháp và kế hoạch nghiên cứu

- Sử dụng bộ điều khiển PID để nâng cao chất lượng điện áp ra

- Tìm hiểu cấu trúc bộ biến đổi DC - DC tăng áp và bộ biến đổi PID, xâydựng mô hình và mô phỏng bằng phần mềm Matlab&Simulink và Proteus

Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng pin mặt trời sao cho hiệuquả, giảm phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí (CO2) đang là

mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia Bộ biến đổi DC - DC tạo ra điện áp mộtchiều (DC) được điều chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi Ngoài ra, để giữ ổnđịnh cho mạch một chiều và đưa điện áp xoay chiều (AC) ra lưới, người ta còn sửdụng thêm bộ nghịch lưu DC – AC.

Các bộ biến đổi công suất có nhiệm vụ như sau: Pin mặt trời cho ra điện ápmột chiều, tất cả điện áp một chiều này sẽ đi qua bộ nghịch lưu để đưa điện áp xoaychiều tới lưới điện

Hình 2.8: Sơ đồ điều khiển pin mặt trời

Do điện áp đầu ra của pin mặt trời không đủ lớn và ổn định để cung cấp chođầu vào của bộ nghịch lưu nên đòi hỏi phải có một bộ điều khiển tin cậy để điện ápđầu ra đạt yêu cầu Chính vì vậy, điều khiển bộ biến đổi DC - DC tăng áp là một bàitoán vô cùng quan trọng

 Ứng dụng khác

Ngoài ứng dụng trong các hệ thống pin năng lượng mặt trời nói riêng và nănglượng tái tạo nói chung, bộ biến đổi DC - DC tăng áp được sử dụng rất rộng rãi trong

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter)

2.1.1 Cấu trúc bộ Boost Converter

Mục đích của bộ biến đổi DC - DC là tạo ra điện áp một chiều được điềuchỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi Trong một số trường hợp, điện áp mộtchiều được tao ra bằng cách chỉnh lưu từ lưới có các điện áp biến thiên liên tục Bộbiến đổi DC - DC thường được sử dụng trong các yêu cầu điều chỉnh công suấtnguồn một chiều, ví dụ như máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc, nạp điệncho ắc quy Ngoài ra các bộ biến đổi DC - DC còn được sử dụng để điều khiển động

cơ một chiều Bộ biến đổi DC - DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai các thựchiện kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảm chuyểnmạch Dùng tụ điện chuyển mạch thì chúng ra phải tạo được nguồn dòng là tiến hiệuvào, còn dùng điện cảm chuyển mạch thì đầu vào là nguồn áp Dễ dàng nhận thấy, sửdụng điện cảm chuyển mạch sẽ đơn giản hơn, vì tạo ra một nguồn áp sẽ dễ hơn tạo ramột nguồn dòng, hơn nữa nó còn có thể sử dụng ở các mạch có công suất lớn

Bộ biến đổi DC - DC tăng áp có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơnđiện áp đầu vào Điện áp DC đầu vào mắc nối tiếp với một cuộn cảm khá lớn có vaitrò như một nguồn dòng Một khóa chuyển mạch mắc song song với nguồn dòng nàyđóng mở theo chu kỳ Năng lượng cung cấp từ cuộn cảm và nguồn làm cho điện ápđầu ra tawg lên Nó thường dùng để sử dụng điều chỉnh điện áp nguồn cup cấp vàhãm tái sinh động cơ DC Vấn đề điều khiển bộ biến đổi tăng áp là một vấn đề phứctạp vì nó có tính phi tuyến và dễ bị ảnh hưởng của các tác động bên ngoài

Hình 2.5: Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn

Ta giả thiết rằng các thiết bị bán dẫn là lý tưởng, nghĩa là transistor Q phảnứng nhanh khi diode D có giá trị ngưỡng bằng 0 Điều này cho phép trạng thái dẫn

và trạng thái khóa được kích hoạt tức thời không mất thời gian Như đã biết, ta có:khi transistor ở trạng thái mở, diode D sẽ bị phân cực ngược Do đó, sẽ hở mạch giữanguồn áp E và tải R Ta có thể thấy điều này trên hình 2.6(a) Mặt khác, khitransistor Q ở trạng thái khóa, diode D phân cực thuận, tức là D dẫn Nó cho phépdòng năng lượng truyền từ nguồn E tới tải R, như hình 2.6(b)

(a) Chuyển mạch ở vị trí u = 1 (b) Chuyển mạch ở vị trí u = 0

Hình 2.6: Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi

Hai sơ đồ mạch ghép nối với bộ biến đổi có thể được kết hợp thành một sơ đồmạch đơn bằng cách sử dụng ý tưởng của chuyển mạch lý tưởng như trên hình 2.7:

Hình 2.7: Sơ đồ lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp

2.2.2 Không gian trạng thái của bộ boost converter

Hình 2.8: Bộ biến đổi boost trong khoảng thời gian t on

Trong khi transitor mở thì điện áp transitor về không và điode thì không dẫn.Mạch ở hình 2.8 có thể được sử dụng như là một mô hình của bộ biến đối Boosttrong thời gian ton. Ở trong hình, một nguồn dòng được thêm vào Từ hình 2.8 ta thuđược các phương trình sau :

Biến đổi công thức (2.3) ta được:

Thay thế (2.2) vào (2.6)

Rút gọn (2.7)

Bằng cách sử dụng (2.1),(2.6),(2.8) ta thu được hệ thống không gian trạng tháidưới đây

Hình 2.9: Bộ biến đổi boost trong khoảng thời gian t off

Trong khi các transitor khóa, điện áp qua diode thì vê 0 Do đó mạch tronghình 2.9 thể hiện mô hình của bộ biến đôi boost trong thời gian toff Một mô hìnhkhông gian trạng thái được trình bày như sau:

:

Ứng dụng không gian trạng thái trung bình, ta được các phương trình :

Các biểu thức một chiều bây giờ sẽ được nghiên cứu, ta thu được :

Đơn giản (2.27)

V =RD’I L (2.29)

Thay (2.29) vào (2.28)

Thay (2.29) vào (2.26)

Điện áp một chiều qua ESR của tụ về 0 và kết quả này được chứng minh ở(2.30) Giá trị trung bình của dòng tải sẽ băng giá trị trung bình của dòng qua diode.Dòng qua diode sẽ băng dòng của cuộn dây trong khoảng thời gian D' và nêu khôngthì bằng 0 Do đó giá trị trung bình của dòng qua diode (xấp xỉ) bằng D'IL, và kết quảnày được giải thích ở (2.29), (2.32) cho thấy biên độ một chiều của bộ biến đổi boost

và nó cao hơn 1

Rút ra hàm truyền của bộ biến đổi boost :

Trở kháng đầu ra và độ nhạy cảm bây giờ sẽ được suy ra từ hệ thống tuyếntính ở (2.33) giả thiết răng các điều kiện đầu bằng không Biến đổi laplace của(2.33) ta được :

Phương trình đầu tiên của mở rộng (2.35)

Rút gọn (2.36), ta thu được:

Ta thu được hàm truyền của bộ biến đổi boost :

Nếu bỏ qua tụ điện, ta được :

2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển thông dụng được sử dụng từ lâu trongcông nghiệp Đây được coi là những bộ điều khiển cổ điền, tuy nhiên hiện nay vẫnđược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do tính ưu việt của nó Lý do bộ điều khiểnnày được sử dụng rộng rãi là vì tính đợn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lýlàm việc, bên cạnh đó nó còn có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá

độ, giảm độ quá điều chỉnh nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp

Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đờicác bộ điều khiển thương mại rất thông dụng Một bộ điều khiển PID nói chung làmột bộ điều khiển bao gồm vòng điều chỉnh và vòng phản hồi tín hiệu Cấu trúcchung của bộ PID được trình bày như sau:

Hình 2.10: Cấu trúc chung của bộ điều khiển PID

Một bộ điều chỉnh PID có thể bao gồm đây đủ 3 thông số P,I,D hoặc tùy yêucầu của hệ thông mà có thể là bộ điều khiển I, P, PI, PD Việc tính toán điều khiểnPID bao gồm tính toán riêng biệt các tham số: khâu tỷ lệ, khâu tích phân và khâu viphân:

đặt mong muốn) càng nhanh Tuy nhiên nó cũng làm độ chính xác giảm đi

và tổn hao năng lượng tăng lên Nếu giá trị này quá lớn thì hệ quả là hệthống sẽ mất ổn định

- Khâu tích phân (I): thực hiện công việc và có tích lũy kinh nghiệm đề thựchiện tốt nhiệm vụ Nếu đặt giá trị này càng cao thì quá trình loại trừ sai số

do tham số P gây ra (tức là đưa về giá trị yêu cầu) càng nhanh Tuy vậy nócũng gây ra hiện tượng quá độ càng lớn

- Khâu vi phân (D): luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh với sự thay đốitình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ Nếu giá trị này càng cao thìcàng làm giảm sự quá độ do tham số I gây ra Đồng thời nó cũng làm choquá trình đáp ứng bị chậm đi Nếu quá lớn sẽ gây ra sự mất ổn định hệthống

Bộ điều khiển PID thường được sử dụng để điều khiển đối tượng SISO theonguyên lý hồi tiếp như trên Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch tĩnh e(t) của

hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn yêu câu sau:

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần U t p( ), tín hiệu điềuchỉnh u(t) càng lớn

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần U t i( ) , PID vẫn còntạo tín hiệu điều chỉnh

- Nếu sự thay đối của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần U t d( ),phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Vì là một bộ điều khiển khá đơn giản, dễ thực hiện, có thể triệt tiêu sai số cũngnhư đảm bảo về hiệu suất biến đổi cùng độ ổn định cao, nên với đồ án này, bộ điềukhiển PID là một lựa chọn phù hợp

2.3 Vi điều khiển Pic16F877A

2.3.1 Khái quát về vi điều khiển Pic16F877A

PIC là tên viết tắt của “ Programmable Intelligent computer” do hãng GeneralInstrument đặt tên cho con vi điều khiển đầu tiên của họ Hãng Micrchip tiếp tụcphát triển sản phầm này và cho đến hàng đã tạo ra gần 100 loại sản phẩm khác nhau

Hình 2.11: Vi điều khiển PIC16F877A

PIC16F887A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầuhết tất cả các ứng dụng thực tế Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen vớiPIC có thể học tập và tạo nền tản về họ vi điều khiển PIC của mình

Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau:

- 8K Flash Rom

- 368 bytes Ram

- 256 bytes EFPROM

- 5 port vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

- 2 bộ định thời Timer0 và Timer2 8 bit

- 1 bộ định thời Timer1 16 bit có thể hoạt động ở cả chế độ tiết kiệm nănglượng với nguồn xung clock ngoài

- 2 bộ so sánh tương tự

- 1 bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)

- 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển

- 1 cổng nối tiếp

- 15 nguồn ngắt

2.3.2 Sơ đồ chân và chức năng của PIC16F877A

Hình 2.12: Sơ đồ chân của PIC16F877A

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý của PIC16F877A

Từ sơ đồ chân và sơ đồ nguyên lý ở trên, ta rút ra các nhận xét ban đầu nhưsau:

Muốn xác lập các chân nào của port A là nhập (input) thì ta set bit tương ứng

Ngoài ra, port A còn có các chức năng quan trọng sau :

- Ngõ vào Analog của bộ ADC : thực hiện chức năng chuyển từ Analog sangDigital

Thanh ghi TRISB còn được tích hợp bộ điện trở kéo lên có thể điều khiểnđược bằng chương trình

 Port C

Port C có 8 chân và cũng thực hiện được 2 chức năng input và output dưới sựđiều khiển của thanh ghi TRISC tương tự như hai thanh ghi trên

Ngoài ra Port C còn có các chức năng quan trọng sau :

- Ngõ vào xung clock cho Timer1 trong kiến trúc phần cứng

- Bộ PWM thực hiện chức năng điều xung lập trình được tần số, duty cycle: sửdụng trong điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ v.v…

- Tích hợp các bộ giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART

 Port D

Port D có 8 chân Thanh ghi TRISD điều khiển 2 chức năng input và outputcủa port D tương tự như trên Port D cũng là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếpsong song PSP (Parallel Slave Port).

 Port E

Port E có 3 chân Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Cácchân của port E có ngõ vào analog Bên cạnh đó port E còn là các chân điều khiểncủa chuẩn giao tiếp PSP

Trong nội dung môn học này, ta sử dụng 2 chức năng chính là ADC để đọc về

vi xử lý điện áp đầu ra sau bộ biến đổi và chức năng PWM để điều chế độ rộng xung

điều khiển việc đóng mở van MOSFET

2.4 Giải thuật sử dụng

Processing dataStart

PI controllerSetup PWM,

ADC

PWM