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

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost theo chế độ dòng điện trung bình. Yêu cầu thiết kế, mô hình hóa, thiết kế bộ điều khiển, kết quả mô phỏng, kết luận. Điện áp nguồn Vin= 10V, điện áp ra V0=15V, R=5 ohm, L=62uH, C= 300uF, tần số phát xung fx= 100kHz. Điều khiển theo chế độ dòng điện trung bình

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Boost theo chế độ dịng điện trung bình 10/5/2021 Mục lục: u cầu thiết kế Mơ hình hóa Thiết kế điều khiển Kết mô Kết luận 10/5/2021 1: Yêu cầu thiết kế  Thiết kế điều khiển cho biến đổi Boost với thơng số: • Điện áp nguồn Vin = 10V • Điện áp V0 = 15V • R = 5Ω • Điện cảm L = 62 μH • Điện dung C = 300 μF • Van MOSFET với tần số phát xung fx = 100kHz • Điều khiển theo chế độ dịng điện trung bình 10/5/2021 2: Mơ hình hóa Sơ đồ mạch điện: 10/5/2021 2: Mơ hình hóa  Mơ hình hóa biến đổi Boost Converter phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt Trạng thái  diL  L dt  uin  C dvC   vc  dt R  diL  L dt  uin  vc  C duC  i  vc L  dt R 10/5/2021 Trạng thái 2: Mơ hình hóa Hàm đóng cắt s ={0;1} => Mơ hình đóng cắt : Lấy trung bình hai vế => Mơ hình trung bình :  diL L  uin  (1  s )vc   dt  C duC  (1  s )i  vc L  R  dt  d  iL   L dt  uin  (1  s )  vc   C d  vC   (1  s )  i    vc  L  dt R Với giá trị trung bình tín hiệu liên tục x(t) chu kì Ts là: 𝑡+𝑇𝑠 𝑥 𝑡 = න 𝑥 𝜏 𝑑𝜏 𝑇𝑠 𝑡 10/5/2021 2: Mơ hình hóa Với = d hệ số điều chế => Mơ hình trung bình  d 1  d  iL   L dt  uin  (1  d )  vc   C d  vC   (1  d )  i    vc  L  dt R Mối quan hệ giá trị trung bình, xác lập tín hiệu nhỏ là: iL  I L  iL uin  U in  uin Thay vào hệ ta 10/5/2021 vc  Vc  vc d  D  d  d (iL  I L ) L  (U in  uin )  (1  D  d )(vc  Vc )   dt  C d (Vc  vc )  (1  D  d )(i  I )  (vc  Vc ) L L  dt R  2: Mô hình hóa Tại điểm làm việc cân dx 0 dt U in  (1  D)Vc    Vc (1  D ) I  0 L  R Thay vào hệ phương trình, loại bỏ tín hiệu nhỏ bậc ta  diL L  uin  (1  D )vc  dVc   dt   d (V  v ) vc c C C  (1  D )iL  dI L   dt R  10/5/2021 2: Mơ hình hóa  LsiL ( s )  uin ( s )  (1  D )vc  dVc  Laplace vế ta  vc ( s ) Cs v c ( s )  (1  D)iL ( s )  d ( s ) I L    R Từ (1) => (1) (2) uin ( s )  (1  D)vc ( s )  dVc iL ( s )  Ls Thay vào (2) ta được: uin ( s )  (1  D)vc ( s )  dVc vc ( s ) Csvc ( s )  (1  D)  d (s) I L  Ls R  1  D  Vc  (1  D)uin ( s ) (1  D)  (Cs   )vc ( s )    1 d ( s)  Ls R Ls Ls   10/5/2021 2: Mơ hình hóa Hàm truyền điện áp hệ số điều chế vc ( s ) R(1  D)Vc  RI L Ls Gvd ( s )   d ( s ) uin ( s ) 0 R(1  D)  Ls  RLCs Từ (1) => vc ( s )   LsiL ( s )  uin ( s )  dVc 1 D Thay vào (2) ta  LsiL ( s )  uin ( s )  dV  LsiL ( s )  uin ( s )  dV  (1  S )iL ( s )   d ( s) I L 1 D R 1 D  LCs   Vc Cs  Vc uin ( s ) Ls    I L  d (s)      D  iL ( s )  R (1  D )   D R(1  D)    D R (1  D)  Cs Hàm truyền dòng điện hệ số điều chế Gid ( s )  10/5/2021 V  I R (1  D )  RCVc s iL ( s )  c L d ( s ) uin ( s ) 0 R (1  D)  Ls  RLCs 10 3: Thiết kế điều khiển - Sử dụng Matlab ta vẽ đồ thị Bode hàm truyền Gui = Gvd / Gid hình đây: 10/5/2021 17 3: Thiết kế điều khiển b) Thiết kế mạch vịng điện áp Để có tần số cắt fcu = 700Hz có độ trữ pha 40o ta sử dụng bù loại II cho mạch vòng điều chỉnh điện áp có hàm truyền:  s  1    w zu  Gcu ( s )  K cu s s  1   w pu   Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gui,2*pi*fcu) ta có biên độ pha đối tượng tần số fcu là: Mag = 0,4872 Phase = 280 Thiết kế điều khiển b) Thiết kế mạch vòng điện áp Do thành phần tích phân có pha khơng đổi nên góc pha bù: θPD = -90o + 40o – 280o = -330o Tần số điểm không điểm cực bù là: • fz = fcu 1−𝑠𝑖𝑛30 1+𝑠𝑖𝑛30 = 404,14 Hz • fp = fcu 1+𝑠𝑖𝑛30 1−𝑠𝑖𝑛30 = 1212,43 Hz 3: Thiết kế điều khiển b) Thiết kế mạch vòng điện áp Hệ số KC xác định: K c Gcu ( jw) w=w Gui ( jw) w  w  c c => KC = 5212 Suy bù dịng điện có dạng: 𝑠 Gcu(s) =5212 1+2π.404,14 𝑠 𝑠 1+ 2π.1212,43 = 5212+2,0525𝑠 1,3127.10−4 𝑠 +𝑠 3:Thiết kế điều khiển b) Thiết kế mạch vòng điện áp Đồ thị bode đối tượng sau có bù 4.:Mơ • Code Matlab clc; clear all % matlab C=300e-6; rC=0; R=5; L=62e-6; fx=100e3; Uin=10; Uo=15; D=1-(Uin/Uo); IL = Uo/((1-D)*R); % bo dieu khien dong Gid0=2*Uin/(R*(1-D)^3); w1=2/(R*C); w0=(1-D)/sqrt(L*C); Q0=R*sqrt(C/L)*(1-D); Gid=Gid0*tf([1/w1 1],[1/w0^2 1/(Q0*w0) 1]) bode(Gid); fci=fx/10; [magid,phaseid] = bode(Gid,2*pi*fci) theta=pi/3; fz=fci*sqrt((1-sin(theta))/(1+sin(theta))); fp=fci*sqrt((1+sin(theta))/(1-sin(theta))); Gci1=tf([1/(2*pi*fz) 1],[1/(2*pi*fp) 0]) [magci1,phaseci1] = bode(Gci1,2*pi*fci); Gci0=1/(magid*magci1) Gci=Gci0*Gci1 Ghi=Gid*Gci [magih,phaseih] = bode(Ghi,2*pi*fci); Gki=feedback(Ghi,1); % bo dieu khien ap Gui0=R*(1-D)/2; wrhp=(R*(1-D)^2)/L; wp=2/(R*C); Gui=Gui0*tf([-1/wrhp 1],[1/wp 1]) bode(Gui); fcu=700; thetau=pi/6; fzu=fcu*sqrt((1-sin(thetau))/(1+sin(thetau))); fpu=fcu*sqrt((1+sin(thetau))/(1-sin(thetau))); Gcu1=tf([1/(2*pi*fzu) 1],[1/(2*pi*fpu) 0]); [magui,phaseui] = bode(Gui,2*pi*fcu); [magcu1,phaseu1] = bode(Gcu1,2*pi*fcu); Gcu0=1/(magui*magcu1); Gcu=Gcu0*Gcu1; Ghu=Gui*Gcu; [maguh,phaseuh] = bode(Ghu,2*pi*fcu); Gku=feedback(Ghu,1); bode(Ghu); 4.:Mơ • Sơ đồ mạch điều khiển 4: Mơ • Sơ đồ mạch lực 5: Kết mô Đồ thị điện áp nguồn không đổi Nhận xét: Điện áp bám sát kể giá trị đặt thay đổi Thời gian điện áp xác lập nhỏ cỡ 0,0015s Độ điều chỉnh lớn cỡ 20% 10/5/2021 25 5: Kết mơ Đồ thị dịng điện qua cuộn dây nguồn ko đổi 10/5/2021 26 5: Kết mô  Tải thay đổi (Không tải → Tải định mức → Non tải) 10/5/2021 Nhận xét: Khi tải thay đổi, điện áp bám sát giá trị đặt, 0,004s tải đóng cắt thay đổi từ – 10 ôm 27 5: Kết mô  Tải thay đổi (Không tải → Tải định mức → Non tải) Nhận xét: Khi tải thay đổi, dòng bám sát giá trị đặt 10/5/2021 28 5: Kết mô  Nguồn đầu vào thay đổi (± 10%) Nhận xét: Khi điện áp vào thay đổi 10% điện áp bám sát giá trị đặt, độ đập mạch nhỏ chấp nhận 10/5/2021 29 6: Nhận xét  Bộ bù loại II:  Bộ bù cho kết với thời gian xác lập bé  Hoạt động với yêu cầu đặt  Hệ thống ổn định có thay đổi tải nguồn cấp 10/5/2021 30 TRÂN TRỌNG CẢM ƠN! 10/5/2021 31 ... [mag,phase]=bode(Gid,2*pi*10000) ta có biên độ pha đối tượng tần số fci là: Mag = 3,8746 Phase = -90 3: Thiết kế điều khiển a) Thiết kế mạch vòng dòng điện Do thành phần tích phân có pha khơng đổi... +