Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Buck theo chế độ điện áp, đưa ra hàm truyền điện áp đầu ra , thiết kế bộ điều khiển và đưa ra nhận xét. Điện áp nguồn U1=48V, điện áp ra U0=Uc=20V, dòng tải 5A(R=4ohm), điện cảm L=100uH, điện dung C=10uC, tần số đóng cắt = 100kHz
Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Buck theo chế độ điện áp 9/28/2021 Mục lục: u cầu thiết kế Mơ hình hóa Cấu trúc điều khiển Tổng hợp điều chỉnh Kết mô Kết luận 9/28/2021 1: Yêu cầu thiết kế ❖Thiết kế điều khiển cho biến đổi Buck với thơng số: • • • • • • • Điện áp nguồn U1 = 48V Điện áp U0 = Uc = 20V Dòng tải 5A (R = 4Ω) Điện cảm L = 100 μH Điện dung C = 10 μF Van MOSFET với tần số đóng cắt fsw = 100kHz Điều khiển theo điện áp (Voltage mode) L D C uC=u0 Load 9/28/2021 iR iC Q U1 iL 2: Mơ hình hóa ❖Sử dụng phương pháp trung bình mạng phần tử đóng cắt để mơ hình hóa biến đổi Buck ➢Giả thiết • Bộ biến đổi DC/DC điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) • Các phần tử phản kháng L,C tuyến tính • Van bán dẫn coi đóng cắt lý tưởng • Nguồn điện lý tưởng Nguồn áp có nội trở khơng ➢Tuyến tính hóa biến đổi Buck điểm làm việc cân d (t ) = D + dˆ (t ) u1 (t ) = U1 + uˆ1 (t ) i1 (t ) = I1 + iˆ1 (t ) u (t ) = U + uˆ (t ) 2 i 2(t ) = I + iˆ2 (t ) 9/28/2021 (2.1) 2: Mơ hình hóa ➢ Mơ hình hóa biến đổi Buck Converter U = DU1 I1 = DI Hình1.1: Mơ hình trung bình biến đổi Buck 9/28/2021 (2.2) u2 (t ) = d (t )u1 (t ) i1 (t ) = d (t )i2 (t ) (2.3) U + uˆ2 (t ) = [D + dˆ (t )][U1 + uˆ1 (t )] I1 + iˆ1 (t ) = [D + dˆ (t )][I + iˆ2 (t )] (2.4) 2: Mơ hình hóa uˆ2 = U1dˆ + Duˆ1 (2.5) ˆ iˆ1 = Diˆ2 + I d Hình 2.2: Mạch điện mơ tả biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ uˆ2 ( s ) =D ˆ ˆ u = Du1 + U1d u1 ( s ) dˆ ( s ) =0 uˆ2 ( s ) uˆ2 ( s ) = U1 = U1 ˆ ˆ d ( s ) uˆ1 ( s ) =0 d ( s ) uˆ1 ( s ) =0 uˆo ( s ) Z RC R R / ( R + ) = R uˆo ( s ) = sC sC uˆ2 ( s ) Z RC + Z L = RCs + = uˆ2 ( s ) R R R + Ls + RLCs / (R + ) + sL + sL 9/28/2021 sC sC RCs + 2: Mơ hình hóa uˆ2 = U1dˆ + Duˆ1 iˆ1 = Diˆ2 + I dˆ Hình 2.2: Mạch điện mơ tả biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ uˆo ( s ) uˆo ( s ) uˆ2 ( s ) RU1 = = Gvd ( s ) = dˆ ( s ) ˆ ˆ u ( s ) R + Ls + RLCs d ( s ) uˆ2 ( s ) uˆ1 ( s ) = = U1 ˆ d ( s ) uˆ1 ( s ) =0 uˆo ( s ) uˆo ( s ) uˆ2 ( s ) RD Gvg ( s ) = = = uˆ1 ( s ) dˆ ( s ) =0 uˆ2 ( s ) uˆ1 ( s ) R + Ls + RLCs uˆo ( s ) R = uˆ2 ( s ) R + Ls + RLCs uˆ2 ( s ) =D uˆ1 ( s ) dˆ ( s ) =0 9/28/2021 2: Mơ hình hóa - Hàm truyền điện áp đầu hệ số điều chế: uˆo ( s ) RU1 192 Gvd = = = 4e − 09s + 0.001s + dˆ ( s ) R + Ls + RLCs - Đồ thị Bode hàm truyền: 9/28/2021 3: Cấu trúc điều khiển ❖Nhận xét mơ hình biến đổi Buck • Hàm truyền Gvd có tần số cắt xấp xỉ 35 kHz • Độ dự trữ pha PM = 6.6o Cần phải nâng độ dự trữ pha hệ thống Vì vậy, ta chọn bù PID (lead-lag) để hệ thống có tần số cắt fc = 20 kHz độ dự trữ pha PM = 55o Cấu trúc bù PID (lead-lag): s 1 + z L Gc ( s ) = Gco 1 + s s 1 + p 9/28/2021 = Gco Gc1 ( s ) 3: Cấu trúc điều khiển ❖Từ hàm truyền đạt, ta xây dựng cấu trúc điều khiển biến đổi Buck u * o − 9/28/2021 iload Zout uin Gvg Voltage Controller uo d Gvd 10 4: Tổng hợp điều chỉnh ❖ Biên độ pha hàm truyền Gvd ( s ) tần số cắt fc: Gvd ( j ) = = 3.1783 c ( ) =c = = −168.0089 o ❖ Pha bù: arcGc ( j ) = = PM − ( + 180) = 43 c ❖ Tần số điểm không điểm cực f z = fc f p = fc 9/28/2021 − sin(43) o = 8.69(kHz ) o + sin(43) − sin(43) o = 46.00(kHz ) o + sin(43) 11 4: Tổng hợp điều chỉnh ❖ Biên độ hàm Gc1 ( s ) tần số cắt fc: Gc1 ( j ) = = 2.3118 c → Gco = 0.136 Gvd ( jc ) Gc1 ( jc ) ❖ Chọn tần số f L : f L = f c = 2kHz 10 ❖ Bộ bù PID: 2.494e − 06 s + 0.1676 s + 1712 Gc ( s ) = 3.459e − 06 s + s 9/28/2021 12 4: Tổng hợp điều chỉnh ❖ Kiểm chứng bù cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp ✓ Tại tần số cắt fc = 20(kHz) độ dự trữ ổn định pha 49.3 9/28/2021 13 5:Kết mô ❖ Mô kiểm chứng phần mềm MATLAB ❖ Thêm khởi động mềm với tần số cắt 1kHz ❖ Kiểm tra phản ứng điều khiển khi: • Giá trị đặt (Set Point) thay đổi • Nguồn đầu vào Uin thay đổi (± 10%) • Tải thay đổi (Không tải → Tải định mức → Quá tải 50%) 9/28/2021 14 5: Kết mô ❖ Khi giá trị đặt thay đổi: 9/28/2021 15 5: Kết mô ❖ Nguồn đầu vào thay đổi (± 10%) 9/28/2021 16 5: Kết mô ❖ Tải thay đổi (Không tải → Tải định mức → Quá tải 50%) 9/28/2021 17 5: Kết mô ❖ Tải thay đổi (Không tải → Tải định mức → Quá tải 50%) 9/28/2021 18 6: Nhận xét ➢Bộ biến đổi Buck mơ hình tuyến tính, việc mơ hình hóa với tín hiệu nhỏ khơng cần thiết ➢Bộ điều khiển PID (Lead-Lag) làm tăng độ dự trữ pha, điều chỉnh tần số hệ thống ➢Bộ điều khiển PID có khả khử nhiễu, điều khiển phạm vi rộng 9/28/2021 19 9/28/2021 20 ... u1 (t ) = U1 + u? ?1 (t ) i1 (t ) = I1 + i? ?1 (t ) u (t ) = U + uˆ (t ) 2 i 2(t ) = I + iˆ2 (t ) 9/28/20 21 (2 .1) 2: Mơ hình hóa ➢ Mơ hình hóa biến đổi Buck Converter U = DU1 I1 =... độ hàm Gc1 ( s ) tần số cắt fc: Gc1 ( j ) = = 2. 311 8 c → Gco = 0 .13 6 Gvd ( jc ) Gc1 ( jc ) ❖ Chọn tần số f L : f L = f c = 2kHz 10 ❖ Bộ bù PID: 2.494e − 06 s + 0 .16 76 s + 17 12 Gc ( s... I1 = DI Hình1 .1: Mơ hình trung bình biến đổi Buck 9/28/20 21 (2.2) u2 (t ) = d (t )u1 (t ) i1 (t ) = d (t )i2 (t ) (2.3) U + uˆ2 (t ) = [D + dˆ (t )][U1 + u? ?1 (t )] I1 + i? ?1 (t ) = [D