Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế thuật toán điều khiển cho mạch Flyback. Bằng việc phân tích nguyên lý hoạt động của mạch Flyback từ đó xây dựng mô hình toán học và đưa ra thuật toán điều khiển phản hồi trạng thái cho mạch Flyback. Bộ điều khiển này giúp giám sát, điều khiển toàn bộ trạng thái của mạch và tăng cường các chế độ hoạt động cho mạch.
ISSN 2354-0575 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI MẠCH NGUỒN FLYBACK CHO CÁC ỨNG DỤNG DÙNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Đào Văn Đã, Phạm Thị Ngọc Anh, Nguyễn Thị Huyền Linh, Bùi Thị Kim Thoa, Nguyễn Thị Phương Hòa, Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Thu Hằng, Lý Văn Đạt Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 10/02/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 20/04/2017 Ngày báo duyệt đăng: 25/05/2017 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế thuật tốn điều khiển cho mạch Flyback Bằng việc phân tích nguyên lý hoạt động mạch Flyback từ xây dựng mơ hình tốn học đưa thuật tốn điều khiển phản hồi trạng thái cho mạch Flyback Bộ điều khiển giúp giám sát, điều khiển toàn trạng thái mạch tăng cường chế độ hoạt động cho mạch Kết tính đắn nghiên cứu thể kết mô dạng sóng đo thực tế sau thiết kế Từ khóa: Mạch Flyback, lượng mặt trời, mơ hình trạng thái, gán điểm cực Mở đầu Sơ đồ khối hệ thống mạch cho hệ thống lượng mặt trời nối lưới cơng suất nhỏ điển hình thể Hình Hệ thống gồm mạch mạch DC/DC mạch DC/AC mạch DC/DC có hai chức Boot đáp ứng chức bám điểm công suất cực đại Điện áp sau khối điện áp chiều, ổn định điện áp đưa tới khối DC/AC nghịch lưu tạo điện áp xoay chiều nối lưới Trong mạch biến đổi DC/DC dạng phù hợp cho công suất nhỏ mạch Flyback Hình Sơ đồ khối hệ thống lượng mặt trời nối lưới Mạch Flyback có cấu trúc đơn giản, sử dụng số linh kiện ít, đồng thời lại có chức cách ly phần nguồn tạo an toàn cho người sử dụng Để ứng dụng cho hệ thống pin lượng mặt trời, chức tạo điện áp chiều, mạch cịn phải có chức bám điểm công suất cực đại Điều địi hỏi hệ phải có chức điều khiển dòng điện điện áp thay đổi giá trị theo tín hiệu điều khiển Khác với cách mơ hình hóa cho đối tượng khác, mơ hình hóa cho mạch điện tử cơng suất địi hỏi phải phân tích từ chế độ đóng cắt, từ đưa mơ hình cho tín hiệu trung bình Thường mơ hình dạng phi tuyến 32 nên phải biến đổi sang dạng tuyến tính Khi có mơ hình tuyến tính hồn tồn áp dụng phương pháp khác để thiết kế thuật toán điều khiển cho mạch Mơ hình trạng thái mạch nguồn Flyback 2.1 Các trạng thái hoạt động mạch Flyback chế độ liên tục Cấu tạo mạch Flyback đơn giản thể Hình Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung trình bày biến đổi Flyback hoạt động chế độ liên tục Trong chế độ này, chất, dòng điện (cả cuộn sơ cấp thứ cấp biến áp) ln ln tồn đến suốt chu kỳ T xung PWM Điều nghĩa là, có phần lượng tồn hệ thống xung PWM kết thúc Ta chia chu kỳ T thành hai khoảng thời gian TON TOFF Khi hoạt động mạch chia làm hai trạng thái hoạt động chính, khóa Q1 dẫn khóa Q1 khóa Hình Mạch Flyback Q1 on Khi Q1 dẫn (Trong khoảng đến TON) Hình 2(a) biểu diễn cấu trúc mạch flyback khoảng đến TON Lúc điện áp nguồn cấp thẳng đến quận sơ cấp biến áp, đồng Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 thời dòng điện thứ cấp Diode D1 khóa nên ta thu hệ phương trình tính dịng áp cuộn dây sơ cấp thứ cấp sau: Z] ]] v = Lp diLp ]] dc dt ] []is = (1) ]] dvout vout ]] ]0 = C dt + R \ Khi Q1 khóa (Trong khoảng TON đến T) Hình (b) biểu diễn cấu trúc mạch Flyback khoảng TON đến T Lúc lượng từ phía sơ cấp tích lũy khoảng thời gian trước chuyển tồn sang phần thứ cấp, D1 dẫn điện áp cuộn sơ cấp thứ cấp máy biến áp tính sau: Z] ]]- N v = L diLp p dt ]] ps out ] []is = N ps i p (2) ]] dvout vout ]] ]is = C dt + R \ • Thu hệ phương trình Z] ]]_Vdc + vudc i_ D + du i - _1 - D - du i N ps _Vout + vuout i ]]] d _ I p + iup i ]]= L p dt (6) [] ]] Is + ius = N ps _1 - D - du i_ I p + iup i ]] d (Vout + vuout) (Vout + vuout) ]] + ]] Is + ius = C R dt \ Sau rút gọn thành phần số, loại bỏ thành phần bậc hai ta thu được: Z] diu ]] u u out N ps = L p p ]]Vdc d + vudc D - _1 - D i vuout N ps + dV dt ] u p N ps []ius = _1 - D i iup N ps - dI ]] dvuout vuout ]] u (7) ]]i s = C dt + R \ Chuyển sang miền ảnh Laplace: Z] u u out N ps = L p iup s ]]Vdc d + vudc D - _1 - D i vuout N ps + dV ]]iu = _1 - D i iu N - dI u p N ps p ps [] s ]] vu (8) ]]ius = Cvuout s + out R \ Ta thu dạng tuyến tính mơ hình tốn học mạch flyback 2.2 Xây dựng mơ hình trạng thái Nhân hệ số thích hợp để trừ phương trình cho ta có: Hình Mạch Flyback Q1 off Từ dạng điện áp dịng điện suy phương trình giá trị trung bình: Z] di pav ]] v d - _1 - d i N v ps outav = L p dt ]] dcav ] []isav = _1 - d i N ps i pav (3) ]] dvoutav voutav ]] ]isav = C dt + R \ 2.2 Xác định hàm truyền đạt tuyến tính hóa điểm làm việc • Điểm làm việc: Z] ]] DVdc - _1 - D i NpsVout = ] (4) [] Is = Nps _1 - D i Ip ]] Vo ]] Is = + R \ • Vi phơi hóa điểm làm việc: Z] d = D + du ]] ]] ]] vdcav = Vdc + vudc (5) []isav = Is + ius ]] ]]i pav = I p + iup ]] ] voutav = Vout + vuout \ Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Z] u out N ps = L p siup ]]Vdc du + vudc D - _1 - D i vuout N ps + dV ]] u u p N ps L p s dI ] i s Lp s = iup L p s [] N _1 - D i N ps _1 - D i ]] ps ]] vu ]]ius = Cvuout s + Rout (9) \ Trừ vế phương trình cho vế phương trình 2, đồng thời đặt d̃ = u ĩs = x1 ṽout = x2 = y Ta có: Z] _1 - D i N 2ps N ps _1 - D i ]] ]] xo =x2 + _Vdc + Vout N ps i u L Lp p ]] ]] N ps D _1 - D i ] vudc []- I p N ps uo + Lp ]] (10) ]] 1 = x x x o ]] C RC ]] ] y = x2 \ Vậy viết dạng: Z] xo =- a x + a u - a uo + a vu 2 dc ]] [] xo = b1 x1 - b2 x2 (11) ]] y = x2 \ Journal of Science and Technology 33 ISSN 2354-0575 Trong đó: _1 - D i N 2ps a1 = Lp a2 = _Vdc + Vout N ps i a3 = I p N ps N ps _1 - D i Lp N ps D (1 - D) Lp b1 = C b2 = RC a4 = Thiết kế điều khiển Thành phần - a3 uo + a4 vudc khử - a3 uo + a4 vudc điều khiển bù u = w a2 Sau bù hệ tương đương: Z] xo =- a x + a w 2 ]] [] xo = b1 x1 - b2 x2 ]] y = x2 \ Là mơ hình trạng thái * xo = Ax + Bw y = Cx Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái mở rộng với biến trạng bổ xung: e lấy thêm từ xo khâu PI Lúc biến trạng thái mở rộng: eo C , ma A H ma trận B mở rộng trận A mở rộng thành > -C B trở thành: =0 G Sử dụng phương pháp gán điểm cực thu tham số điều khiển bảng số Bảng Tham số mô hệ thống Tham số mạch Flyback Nps = 10; Lp = 0.7e-3; Vdc = 310; Vout =15; Ip = 1.5; Điểm cực P1=-5000 P2=-7000 P3=-6000] Tham số điều khiển R1 = 0.0006 R2 = -0.014 R3 = -1.004 Kp = -0.00011 Ki = -1.004 C = 22e-6; R = 3; Kết mô Simulink kiểm tra lại mạch thực tế có sơ đồ ngun lý Hình Kết mơ cho Hình 6, 7, Kết khảo sát mạch thực tế cho Hình 9, 10, 11 Hình Sơ đồ khối hệ điều khiển Hình Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng 34 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Hình Đáp ứng theo điện áp đặt Hình 10 Dạng điện áp cuộn thứ cấp biến áp xung (5µs_2V/div) Hình Dạng dịng điện thay đổi điện áp đặt Hình 11 Khởi động mềm, đáp ứng tín hiệu điều khiển điện áp(5V_1ms/div) Từ kết khảo sát mô cho thấy đáp ứng tốt thuật toán điều khiển Chất lượng đầu cho thấy hai trường hợp hệ khơng có độ điều chỉnh, thời gian đáp ứng tốt (2ms) Điều chứng tỏ hồn tồn áp dụng thuật toán chất lượng cao cho hệ điện tử cống suất Hình Đáp ứng điện áp đặt 15V Kết luận Với phương pháp mơ hình hóa theo tín hiệu đóng cắt tuyến tính hóa điểm làm việc ta thu mơ hình tốn học dạng tuyến tính hệ điểm làm việc Từ áp dụng phương pháp điều khiển khác để điều khiển hệ điện tử công suất Từ mơ hình tốn học tuyến tính ta hồn tồn chọn biến đầu dòng điện điện áp Thuật toán đề xuất đáp ứng dễ dàng thuật toán điều khiển cao hệ lượng mặt trời (thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại) Hình Dạng dịng điện cuộn sơ cấp biến áp xung (5µs_2V/div) Khoa học & Cơng nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology 35 ISSN 2354-0575 Tài liệu tham khảo [1] Abraham I Pressman, “Switching Power Supply Design”, McGraw-Hill, Inc., 1991 [2] Lloyd H Dixon, Jr., “Filter Inductor and Flyback Transformer Design for Switching Power Supplies”, Unitrode Power Supply Design Seminar Manual SEM-1100, 1996 [3] Bill Andreycak, “Practical Considerations in High Performance MOSFET, IGBT and MCT Gate Drive Circuits”, Unitrode Application Note U-137, Unitrode Applications Handbook IC# 1051, 1997 [4] Bill Andreycak, “Practical Considerations in Current Mode Power Supplies, Unitrode Application Note U-111”, Unitrode Applications Handbook IC# 1051, 1997 [5] Lloyd H Dixon, Jr., “Control Loop Cookbook”, Unitrode Power Supply Design Seminar Manual SEM-1100, 1996 [6] Lloyd H Dixon, Jr., “Closing the Feedback Loop”, Unitrode Power Supply Design Seminar Manual SEM-700, 1990 [7] Philip C Todd, Snubber Circuits: “Theory, Design, and Application”, Unitrode Power Supply Design Seminar Manual SEM-900, 1993 DESIGNING A STATE FEEDBACK CONTROLLER FOR FLYBACK SOURCE CIRCUIT FOR SOLAR PANEL APPLICATIONS Abstract: This article presents the study results of designing control algorithm for flyback circuit Setting up a mathematical model and giving a state feedback control algorithm for the flyback circuit basing on analyzing operating principle of the Flyback circuit This method helps to monitor, control the overall state of the circuit and enhance operating modes for the circuit The results and correctness of the study are shown in the simulation results as well as waveforms measured during setting a real circuit Keywords: Flyback circuit, solar power, state model, pole assignment 36 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng - 2017 Journal of Science and Technology ... y = x2 Là mơ hình trạng thái * xo = Ax + Bw y = Cx Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái mở rộng với biến trạng bổ xung: e lấy thêm từ xo khâu PI Lúc biến trạng thái mở rộng: eo C , ma A... đáp ứng tín hiệu điều khiển điện áp(5V_1ms/div) Từ kết khảo sát mơ cho thấy đáp ứng tốt thuật tốn điều khiển Chất lượng đầu cho thấy hai trường hợp hệ khơng có độ q điều chỉnh, thời gian đáp ứng. .. điều khiển R1 = 0.0006 R2 = -0.014 R3 = -1.004 Kp = -0.00011 Ki = -1.004 C = 22e-6; R = 3; Kết mô Simulink kiểm tra lại mạch thực tế có sơ đồ ngun lý Hình Kết mơ cho Hình 6, 7, Kết khảo sát mạch