Thiết kế mạch vòng điều chỉnh bộ biến đổi Buck theo chế độ dòng điện trung bình

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh bộ biến đổi Buck theo chế độ dòng điện trung bình. Mô hình hoá bộ biến đổi Buck, thiết kế mạch vòng điều chỉnh. Vg= 28V, Vo=15V, L=50uH, C=500uF, f=100kHz, fc=10kHz, tải thay đổi 9 sang 3 ohm

BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH BỘ BIẾN ĐỔI BUCK THEO CHẾ ĐỘ DỊNG ĐIỆN TRUNG BÌNH Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology NỘI DUNG MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK THIẾT KẾ MẠCH VỊNG ĐIỀU CHỈNH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG KẾT LUẬN Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Hình 1.1 Bộ biến đổi giảm áp Buck Hệ phương trình khơng gian trạng thái biến đổi: 𝑑𝑥 ቐ 𝑑𝑡 = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢 𝑦 = 𝐶𝑥 + 𝐷𝑢 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Trạng thái mạch Buck: 𝑑𝑖𝐿 𝐿 = 𝑣𝑔 − 𝑟𝐿 𝑖𝐿 − 𝑣𝑜 𝑑𝑡 𝑑𝑣𝐶 𝑅 𝐶 = 𝑖𝐿 − 𝑣 𝑑𝑡 𝑅 + 𝑟𝐶 𝑅 + 𝑟𝐶 𝐶 𝑅 𝑣𝑜 = 𝑟 𝑖 + 𝑣𝐶 𝑅 + 𝑟𝐶 𝐶 𝐿 Hình 1.2 Trạng thái mạch Buck Với: 𝑅𝑟𝐶 − + 𝑟𝐿 𝐿 𝑅 + 𝑟𝐶 𝐴1 = 𝑅 𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶 ሻ 𝑅 − 𝑅𝑟𝑐 𝑅 𝐿(𝑅 + 𝑟𝐶 ሻ ; 𝐵1 = 𝐿 ; 𝐶1 = ቈ ቉𝐷 = 𝑅 + 𝑟𝑐 𝑅 + 𝑟𝑐 − 𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶 ሻ Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Trạng thái mạch Buck: 𝑑𝑖𝐿 = −𝑟𝐿 𝑖𝐿 − 𝑣0 𝑑𝑡 𝑑𝑣𝐶 𝑅 𝐶 = 𝑖𝐿 − 𝑣 𝑑𝑡 𝑅 + 𝑟𝐶 𝑅 + 𝑟𝐶 𝐶 𝑅 𝑣0 = (𝑟 𝑖 + 𝑣𝐶 ቇ 𝑅 + 𝑟𝐶 𝐶 𝐿 𝐿 Hình 1.3 Trạng thái mạch Buck Với: − 𝐴2 = 𝑅𝑟𝐶 + 𝑟𝐿 𝐿 𝑅 + 𝑟𝐶 𝑅 𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶 ሻ 𝑅 𝑅𝑟𝑐 𝐿(𝑅 + 𝑟𝐶 ሻ ; 𝐵2 = ;𝐶 = 𝑅 + 𝑟 𝑐 − 𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶 ሻ − Advanced Power Electronic systems lab 𝑅 𝑅 + 𝑟𝑐 ; 𝐷2 = Hanoi University of Science and Technology MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Mơ hình trung bình mơ tả mạch buck với tham gia hệ số điều chế: 𝑑𝑥 = 𝑑𝐴1 + (1 − 𝑑ሻ𝐴2 𝑥 + 𝑑𝐵1 + − 𝑑 𝐵2 𝑢 ൞ 𝑑𝑡 𝑦 = 𝑑𝐶1 + (1 − 𝑑ሻ𝐶2 𝑥 + 𝑑𝐷1 + − 𝑑 𝐷2 𝑢 𝑖ሶ𝐿 = 𝑢ሶ 𝐶 − R𝑟𝐶 𝑅 + 𝑟𝐿 − 𝐿 𝑅 + 𝑟𝐶 𝐿 𝑅 + 𝑟𝐶 𝑖𝐿 𝑑 + 𝐿 𝑣𝑔 𝑢𝐶 𝑅 1 − 𝐶 𝑅 + 𝑟𝐶 𝐶 𝑅 + 𝑟𝐶 𝑅𝑟𝐶 𝑅 𝑖𝐿 𝑢0 = 𝑅 + 𝑟𝐶 𝑅 + 𝑟𝐶 𝑢𝐶 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Điểm cân mơ hình xác định cách cho đạo hàm 0: = 𝐴𝑆𝑆 𝑋 + 𝐵𝑆𝑆 𝑉𝑔 ቐ0 𝑉0 = 𝐶𝑆𝑆 𝑋 + 𝐷𝑆𝑆 𝑉𝑔 ⇒ ⇒ቐ = − 𝑅𝑟𝐶 𝑅 + 𝑟𝐿 − 𝐿 𝑅 + 𝑟𝐶 𝐿(𝑅 + 𝑟𝐶 ሻ 𝐼𝐿 𝐷 + 𝐿 𝑉𝑔 𝑈𝐶 𝑅 − ሻ ሻ 𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶 𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶 𝑅𝑟𝑐 𝑅 𝐼 𝑉0 = ቈ ቉ 𝐿 𝑅 + 𝑟𝑐 𝑅 + 𝑟𝑐 𝑈𝐶 ቀ𝑅𝑟𝑐 + 𝑟𝐿 (𝑅 + 𝑟𝑐 ሻሻ𝐼𝐿 + 𝑅𝑉0 = 𝐷(𝑅 + 𝑟𝑐 ሻ𝑉𝑔 𝑅𝐼𝐿 = 𝑈𝐶 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Các thông số mạch BUCK Vg = 28V ;Vo = 15V ; L = 50  H ; C = 500  F ; f s = 100kHz; f c = 10kHz Nguồn đầu vào ±10%, tải thay đổi 9 → 3 Hàm truyền đạt biến trạng thái hệ số điều chế: 𝐺𝑖𝑑 (𝑠ሻ = 𝑠𝐼 − 𝐴𝑠𝑠 𝐺𝑢𝑑 (𝑠ሻ −1 [(𝐴 − 𝐴2 )X+(B1 − 𝐵2 ሻ𝑈] Từ ta tìm Gid(s), Gud(s), Gui(s), công thức hàm truyền phức tạp có tham gia rC rL, em đưa kết sau thay thơng số, tính tốn MATLAB Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK Các hàm truyền thu sau tính tốn MATLAB: Gud ( s ) = 1.084e09 s ^ + 4581s + 4e07 Gid ( s ) = 5.6e05s + 3.1613e08 s ^ + 4581s + 4e07 Gui ( s ) = 1.084e09 5.6e05s + 3.1613e08 Advanced Power Electronic systems lab 10 Hanoi University of Science and Technology 10 THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH Cấu trúc điều khiển: Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển Nguyên lý thực với hai mạch vòng nối cấp Đầu điều chỉnh điện áp lượng đặt cho điều chỉnh dòng điện, đầu điều chỉnh dòng điện hệ số điều chế đưa đến khối PWM 11 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology 11 THIẾT KẾ MẠCH VỊNG ĐIỀU CHỈNH Thiết kế điều chỉnh dịng điện • Hàm truyền Gid(s) có đồ thị Bode hình bên Ta thấy tần số cắt 5.6e05(rad/s), độ dự trữ pha PM = 90.4o • Mục tiêu thiết kế bù loại II để hệ thống có tần số cắt fc = 10kHz (=1/10fs) độ dự trữ pha PM = 60o Hình 2.2 Đồ thị Bode Gid(s) Advanced Power Electronic systems lab 12 Hanoi University of Science and Technology 12 THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH Bộ bù loại II có hàm truyền dạng:  s  1 +   z  Gci ( s ) = K c s s  1 +   p  Bộ bù loại II có điểm khơng điểm cực, khâu tích phân để triệt tiêu sai lệch tĩnh Bộ bù hay sử dụng cấu trúc điều khiển gián tiếp biến đổi làm việc chế độ dịng điện gián đoạn • Tùy theo fz < fp hay ngược lại bù gọi phase-lead hay phase-lag, tức bù sớm pha lên hay bù chậm pha lại • Khâu zero tần số thấp cho độ tăng biên độ +20 dB/dec, bù lại độ giảm biên độ khâu tích phân -20 dB/dec Về mặt pha khâu zero đưa đến góc sớm pha +90o, bù vào góc pha -90o khâu tích phân, nhờ tăng cường độ dự trữ pha cho hệ thống Điểm cực fp đặt vùng tần số cao đảm bảo độ suy giảm thành phần tần số cao không mong muốn 13 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology 13 THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH Ta xác định tần số điểm khơng điểm cực bù đặt đối xứng với tần số cắt fc mong muốn, cho độ dự trữ pha đạt lớn điểm tần số cắt sau: f p = fc + sin  − sin  f z = fc − sin  + sin  Trong đó: θ – góc bù pha bù loại II mang lại tần số cắt fc Ta tìm θ = 56.361o, từ tìm fz = 3.02kHz fp = 33.1kHz Advanced Power Electronic systems lab 14 Hanoi University of Science and Technology 14 THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH Hệ số Kc xác định công thức: Kc = | G c1 ( j ) | =c | G id ( j ) | =c K c = 2114 0.1114s + 2114 Gc ( s ) = 4.809e-06s^2 + s 6.236e04 s^2 + 1.224e09s + 7.638e11 Gci ( s ) = 4.809e-06s^4 + 1.022s^3 + 4773s^2 + 4e07s 15 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology 15 THIẾT KẾ MẠCH VỊNG ĐIỀU CHỈNH • Tần số cắt 6.28e04 rad/s tương ứng 10kHz • Độ dự trữ pha đạt 60o Hình 2.3 Đồ thị Bode hệ thống sau có bù loại II Advanced Power Electronic systems lab 16 Hanoi University of Science and Technology 16 THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH Thiết kế điều chỉnh điện áp • Để triệt tiêu sai lệch tĩnh, ta lựa chọn sử dụng cấu trúc điều khiển PI • Cấu trúc điều khiển PI có dạng sau: Gcu ( s ) = Gcu _ (1 + Lu s ) Hình 2.4 Đồ thị Bode Gui(s) 17 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology 17 THIẾT KẾ MẠCH VỊNG ĐIỀU CHỈNH Các thơng số điều khiển PI tính tốn MATLAB: 0.9972 s + 1815 Gcu ( s ) = s Từ rút Kp = 0.9972, Ki = 1815 Advanced Power Electronic systems lab 18 Hanoi University of Science and Technology 18 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hình 3.1 Sơ đồ mơ MATLAB Simulink 19 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology 19 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hình 3.2 Bộ điều chỉnh điện áp Hình 3.3 Bộ điều chỉnh dòng điện Advanced Power Electronic systems lab 20 Hanoi University of Science and Technology 20 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hình 3.4 Sơ đồ mạch lực Hình 3.5 Tải thay đổi 21 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology 21 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG (1) R = 𝜴, Vref = 15V Hình 3.6 Kết mô R = 3𝜴, Vref = 15V (2) R = 𝜴, Vref = 20V (3) Chú thích: (1) Đầu điều chỉnh điện áp (dòng điện đặt) (2) Đầu điều chỉnh dòng điện (duty cycle) (3) Dòng điện cuộn cảm (4) Điện áp tụ (4) Advanced Power Electronic systems lab 22 Hanoi University of Science and Technology 22 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hình 3.7 Kết mơ phóng to 23 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology 23 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Nhận xét: • Dạng sóng điện áp tụ dịng điện cuộn cảm sát với lí thuyết, đập mạch nhỏ • Thời gian đáp ứng nhanh 0.2V 1.8A Hình 3.8 Đập mạch điện áp dịng điện 0.001s Hình 3.9 Thời gian đáp ứng dịng điện điện áp 0.0025s Advanced Power Electronic systems lab 24 Hanoi University of Science and Technology 24 KẾT LUẬN • Bài trình bày đưa cách mơ hình hóa biến đổi Buck theo phương pháp không gian trạng thái trung bình, từ thiết kế cấu trúc điều khiển mạch vòng với điều chỉnh dòng điện bù loại II điều chỉnh điện áp điều khiển PI • Kết mơ chứng minh tính đắn cấu trúc điều khiển THANKS FOR WATCHING! 25 Advanced Power Electronic systems lab Hanoi University of Science and Technology 25 ... =c | G id ( j ) | =c K c = 21 14 0.1114s + 21 14 Gc ( s ) = 4.809e-06s ^2 + s 6 .23 6e04 s ^2 + 1 .22 4e09s + 7.638e11 Gci ( s ) = 4.809e-06s^4 + 1. 022 s^3 + 4773s ^2 + 4e07s 15 Advanced Power Electronic... điện đặt) (2) Đầu điều chỉnh dòng điện (duty cycle) (3) Dòng điện cuộn cảm (4) Điện áp tụ (4) Advanced Power Electronic systems lab 22 Hanoi University of Science and Technology 22 KẾT QUẢ MƠ... bình mơ tả mạch buck với tham gia hệ số điều chế: