Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển PI ổn định điện áp cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp

Mục tiêu nghiên cứu của bài viết này là đề xuất thực hiện “Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển PI ổn định điện áp cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp” nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết để xây dựng các thiết bị thực nghiệm vào môn học điện tử công suất, lý thuyết điều khiển tự động, vi xử lý, plc.

ISSN 2354-0575 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP Đặng Quang Đồng, Trần Quang Thực, Đào Xuân Tình, Đỗ Văn Hoan, Phạm Văn Tuân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 10/01/2019 Ngày phản biện đánh giá sửa bài: 25/02/2019 Ngày báo duyệt đăng: 01/03/2019 Tóm tắt: Hiện nay, việc tăng cường thiết bị phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên để thực mục tiêu đào tạo theo định hướng ứng dụng nhu cầu cấp bách Để xây dựng thiết bị việc nghiên cứu lý thuyết mô tảng khởi đầu quan trọng Trong báo này, nhóm tác giả có đề xuất thực “Thiết kế mô điều khiển PI ổn định điện áp cho biến đổi DC-DC giảm áp” nhằm xây dựng sở lý thuyết để xây dựng thiết bị thực nghiệm vào môn học điện tử công suất, lý thuyết điều khiển tự động, vi xử lý, plc [1], [2] đề tài Từ khóa: Điện tử cơng suất, biến đổi DC-DC, điêu khiển PID Mở đầu Trong phần lớn nhà máy, phân xưởng có góp mặt tự động hóa Trong dây chuyền sản xuất, máy móc sử dụng truyền động điện xung áp chiều nhiều [1], [2] Sử dụng hệ thống hiệu độ an toàn cao Trước phương pháp điều khiển kinh điển sử dụng rộng rãi công nghiệp Bộ điều khiển PID có ưu điểm đơn giản dễ sử dụng [4]-[7], nhiên bọc lộ nhược điểm áp dụng vào điều khiển đối tượng phi tuyến, đối tượng có tham số thay đổi trình hoạt động, tác động nhiễu loạn bên [10]-[13] Đối với biến đổi DC-DC giảm áp có phương trình tốn học tuyến tính việc ứng dụng điều khiển PID để ổn định khả thi Tuy nhiên biến đổi DC-DC giảm áp có tải thường thay đổi dẫn đến điện áp đầu khơng ổn định có tồn sai lệch so với giá trị đặt mong muốn Ngoài tham số biến đổi DC-DC giảm áp dễ bị thay đổi hoạt động nên thực nghiệm với điều khiển PID cần kiểm tra trường hợp Hiện nay, nhu cầu nghiên cứu giảng dạy số môn học như: điện tử công suất, lý thuyết điều khiển tự động, vi xử lý, PLC khoa Điện-điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên điều khiển biến đổi xung áp chiều Nên, để xây dựng thiết bị việc nghiên cứu lý thuyết mô tảng khởi đầu quan trọng Trong báo này, nhóm tác giả có đề xuất thực “Thiết kế mô điều khiển PI ổn định điện áp cho biến đổi DC-DC giảm áp” 36 Mô hình biến đổi DC-DC giảm áp Bộ biến đổi DC-DC giảm áp loại mạch biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều thấp Sơ đồ mạch biến đổi DC-DC giảm áp Hình 1, [3] Hình Sơ đồ nguyên lý biến đổi DC-DC giảm áp Nguyên lý hoạt động: Khi M1 đóng lại (như Hình 2) tức nối nguồn vào mạch lúc dịng điện qua cuộn cảm dòng điện cuộn cảm tăng lên, thời điểm tụ điện nạp đồng thời cung cấp dòng điện qua tải Chiều dòng điện chạy theo Hình Hình Sơ đồ biến đổi van M1 dẫn Khi M1 mở (như Hình 3) tức ngắt nguồn khỏi mạch Khi cuộn cảm tích lũy Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 lượng từ trường tụ điện tích lũy trước phóng qua tải Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dịng điện khơng đổi giảm dần Chiều dịng điện chạy theo Hình Hình Sơ đồ biến đổi van M1 không dẫn Phương trình tốn học mơ tả biến đổi DC-DC giảm áp: Khi khóa M1 đóng: áp dụng định lý Kichoff cho mạch điện ta có: Ldi (1) VC = E - dt L iL = iC + iR Từ (1), suy ra: diL dt = L (E - VC ) (2) (3) Từ (2), suy ra: dV V iL = C dtC + RC (4) Khi khóa M1 mở: áp dụng định lý Kichoff cho mạch điện ta có: Ldi (5) VC =- dt L iL = iC + iR (6) Từ (5) ta có: LdiL dt = L (- VC ) (7) Từ (6) ta có: dV V iL = C dtC + RC Phương trình (9) (10) trở thành: Z] : ]] i L =- VC + E u L L (12) [] : ]]V = i - V ] C C L RC C \ Thiết kế điều khiển PID cho biến đổi DC-DC giảm áp Gọi điện áp đặt VR số nên: V R = 0, V R = (13) Gọi sai số e = VR-VC, từ hệ (12) ta có: 1 (14) e =- V C =-a C i L - RC VC k 1 (15) e =- V C =- C iL + RC V C 1 E e (16) e =- C b - L VC + L u l - RC E e e = LC _VC - VR + VR i - LC u - RC (17) VR e E e - LC u - RC (18) e =- LC + LC VR e e E - LC u (19) e + RC + LC = LC e e (20) e + RC + LC = v Với VR E - LC u (21) v = LC Bộ PID với hệ số Kp, Ki, Kd: (22) v =- K p e - Ki # edt - Kd e Từ (20), (21), (22), ta có: e e (23) e + RC + LC + K p e + Ki # edt + Kd e = 1 e + b RC + Kd l e + b LC + K p l e + Ki # edt = (24) 1 (25) e + b RC + Kd l e + b LC + K p l e + Ki e = Chuyển sang biến laplace: 1 s + b RC + Kd l s2 + b LC + K p l s + Ki = (8) Từ (3), (4), (7), (8) ta có hệ phương trình tổng qt sau: diL E (9) dt =- L VC + L u0 dVC iL (10) dt = C - RC VC Với u0 = M1 khóa u0 = van M1 mở Chuyển hệ (9) (10) sang giá trị trung bình ta được: Ton # Tck # Ton # Toff Tck u0 dt = Tck 1dt + Tck 0dt = Tck = u (11) Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng - 2019 (26) Dựa theo tiêu chuẩn Routh (ở Bảng 1) để tìm điều kiện Kp, Ki, Kd để hệ thống ổn định với phương trình đặc tính: (27) a0 s3 + a1 s2 + a2 s + a3 = Với hệ số sau: 1 a0 = 1, a1 = b RC + Kd l, a2 = LC + K p, a3 = Ki Bảng Bảng Routh a0 a2 (a1a2 - a0a3)/a1 a1 a3 Điều kiện cần đủ để hệ ổn định Journal of Science and Technology 37 ISSN 2354-0575 Z] ]]a = + K d ]] RC ]] ]]a = + K 2 p LC [] ]]a3 = Ki ]] ]] a1 a2 - a0 a1 1 ]] = b RC + Kd lb LC + K p l - Ki a1 \ (28) 1 b RC + Kd lb LC + K p l Ki (29) Với PI Kd = điều kiện trở thành b l (30) RC LC + K p Ki Kết mô Tham số hệ thống liệt kê Bảng 2: Bảng Tham số hệ thống STT Tham số Điện áp đầu vào (E) Điện áp mong muốn (Vout) Sơ đồ khối hệ thống không sử dụng điều khiển PID (như Hình 6): Giá trị 24V 12V Dòng điện tải định mức (I) Công suất tải định mức (P) Điện cảm (L) Điện dung (C) Tần số đóng cắt (Fpwm) 4A 48W 1mH 100uF 20khz Kp x 104 Ki x 109 Các trường hợp mô Bảng 3: Bảng Các trường hợp mô TH Hình Sơ đồ mơ hệ thống sử dụng điều khiển PID Hình Sơ đồ khối hệ thống không sử dụng điều khiển PID Sơ đồ mô hệ thống không sử dụng điều khiển PID (như Hình 7): Tham số Tải định mức (4A) 200% tải định mức (8A) Thay đổi từ tải định mức lên 200% (4A -> 8A) Mơ hình hệ thống simulink: Sơ đồ khối hệ thống sử dụng điều khiển PID (như Hình 4): Hình Sơ đồ mơ hệ thống khơng sử dụng điều khiển PID Bảng Tham số Mosfet mơ Hình Sơ đồ khối hệ thống sử dụng điều khiển PID Sơ đồ mô hệ thống sử dụng điều khiển PID (như Hình 5): 38 TT Tham số Điện trở Ron (Ohm) Điện cảm diot bên Lon(H) Điện trở diot bên Rd (Ohm) Điện áp thuận diot bên Vf (V) Dòng khởi tạ Ic (A) Điện trở Snubber Rs (Ohm) Điện cảm Snubber Cs Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng - 2019 Giá trị 0.1 0.01 0.8 105 ∞ Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Bảng Tham số Diot mô TT Tham số Điện trở Ron (Ohm) Điện cảm diot bên Lon(H) Điện áp thuận diot bên Vf (V) Dòng khởi tạ Ic (A) Điện trở Snubber Rs (Ohm) Điện cảm Snubber Cs Giá trị 0.05 0.8 500 250 e-9 Kết mô phỏng: Kết mô hệ thống sử dụng điều khiển PI: Hình 11 Kết mơ hệ thống không sử dụng điều khiển PI trường hợp Hình 12 Kết mơ hệ thống không sử dụng điều khiển PI trường hợp Hình Kết mơ hệ thống sử dụng điều khiển PI trường hợp Hình 13 Kết mơ hệ thống khơng sử dụng điều khiển PI trường hợp Hình Kết mô hệ thống sử dụng điều khiển PI trường hợp Hình 10 Kết mô hệ thống sử dụng điều khiển PI trường hợp Kết mô hệ thống không sử dụng điều khiển PI: Khoa học & Cơng nghệ - Số 21/Tháng - 2019 Hình 8, 9, 10 kết dạng sóng hệ thống sử dụng điều khiển PI, dó hình 11, 12, 13 kết dạng sóng hệ thống khơng sử dụng điều khiển PI Nhìn vào hình này, rõ ràng nhận thấy điện áp đầu hệ thống (Vc) trường hợp sử dụng PI tốt thời gian đáp ứng nhanh hơn, độ điều chỉnh nhỏ hơn, sai số tĩnh bé Kết luận Bài báo thiết lập phương trình mơ tả toán học biến đổi DC-DC giảm áp, đồng thời thiết kế điều kiện tham số PID để hệ thống ổn định Ngoài để chứng minh tính khả thi điều khiển PI, kết mô đưa so sánh trường hợp hệ thống có khơng sử dụng điều khiển PI Kết mô hệ thống có sử dụng điều khiển PI đạt đáp ứng điện áp nhanh hơn, ổn định sai số tĩnh Journal of Science and Technology 39 ISSN 2354-0575 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Bính, Điện tử cơng suất, NXB Khoa học kỹ thuật, 2000 [2] Võ Minh Chính, Điện tử công suất, NXB khoa học kỹ thuật, 2007 [3] Dang D Q., Vu N T T., Choi H H., and Jung J W., Neuro-fuzzy control of interior permanent magnet synchronous motors: Stability analysis and implementation Journal of Electrical Engineering & Technology, 2013, 8, pp 1439-1450 [4] Tan, S C., Lai, Y M., Tse, C.K., A uni_ed approach to the design of PWM-based sliding mode voltage controllers for basic DC-DC converters in continuous conduction mode IEEE Trans Circuits and Systems-I, 2006, 53, pp.1816-1827 [5] Jung J W., Choi H H., and Kim T H., Fuzzy PD speed controller for permanent magnet synchronous motor Journal of Power Electronics, 2011, 11, pp 819-823 [6] Dang D Q., Vu N T T., Choi H H., and Jung J W., Speed control system design and experimentation for interior PMSM drives International Journal of Electronics, 2015, 102, pp 864-885 [7] Jung J W., Kim T H., and Choi H H., Speed control of a permanent magnet synchronous motor with a torque observer: A fuzzy approach IET Control Theory & Applications, 2010, 4, pp 29712981 [8] Choi H H and Jung J W., Takagi-sugeno fuzzy speed controller design for a permanent magnet synchronous motor Mechatronics, 2011, 21, pp 1317-1328 [9] Choi H H and Jung J W., Fuzzy speed control with an acceleration observer for a permanent magnet synchronous motor Nonlinear Dynamics, 2012, 67, pp 1717-1728 [10] Jung J W., Choi H H., and Kim T H., T-S fuzzy tracking control of surface-mounted permanent magnet synchronous motors with a rotor acceleration observer Journal of Power Electronics, 2012, 12, pp 294-304 [11] Choi H H., Vu N T T., and Jung J W., Design and implementation of a takagi-sugeno fuzzy speed regulator for a permanent magnet synchronous motor IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59, pp 3069-3077 [12] Choi H H and Jung J W., Discrete-time fuzzy speed regulator design for PM synchronous motor IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60, pp 600-607 [13] Dong Quang Dang, Muhammad, Han Ho Choi, and Jin-Woo Jung, Online parameter estimation of interior PM synchronous motor for adaptive control IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63, pp 1438-1449 DESIGN AND SIMULATION OF VOLTAGE STABILITY PI CONTROLLER FOR BUCK DC-DC CONVERTER Abstract: Now, the develope of equipments for training and research of the Faculty of Electrical and Electrical Engineering, Hung Yen University of Technology and Education for the application training goal is very necessary For this, study of theory and simulation is important background In this paper, the authors proposed the project “design and simulation of voltage stability PI controller for buck DC-DC converter” in order to built the theoretical basis for developing the experimental devices of the electronic power, automatic control theory, processor, programmable logic controller subjects…in the next projects Keywords: Electronic Power, DC-DC converter, PID controller 40 Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng - 2019 Journal of Science and Technology ... mô phỏng: Kết mô hệ thống sử dụng điều khiển PI: Hình 11 Kết mô hệ thống không sử dụng điều khiển PI trường hợp Hình 12 Kết mô hệ thống không sử dụng điều khiển PI trường hợp Hình Kết mô hệ thống... học biến đổi DC-DC giảm áp, đồng thời thiết kế điều kiện tham số PID để hệ thống ổn định Ngồi để chứng minh tính khả thi điều khiển PI, kết mô đưa so sánh trường hợp hệ thống có khơng sử dụng điều. .. dụng điều khiển PI trường hợp Hình 13 Kết mơ hệ thống không sử dụng điều khiển PI trường hợp Hình Kết mơ hệ thống sử dụng điều khiển PI trường hợp Hình 10 Kết mơ hệ thống sử dụng điều khiển PI