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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Buck – Boost theo chế độ dòng điện trung bình GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NHĨM SINH VIÊN THỰC HIỆN: LÊ ĐỨC THỌ TRẦN NGỌC CƯỜNG TS VŨ HOÀNG PHƯƠNG MSSV 20174244 20173708 Đ I Ề U K H I Ể N Đ I Ệ N T Ử C Ô N G S U Ấ T - 11 YÊU CẦU THIẾT KẾ Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Buck – Boost theo chế độ dịng điện trung bình + Nội dung thiết kế: Mơ hình hóa, Cấu trúc điều khiển cách thức tính tốn điều chỉnh (bộ bù) Điện áp u = 30V, điện áp u = 15V 35V in + Mô cấu trúc điều khiển ✓ Cấu trúc điều khiển cho biến đổi Buck-Boost Converter uo* _ Voltage Controller iL* _ o Điện cảm L = 100𝝁H Tụ điện C = 697𝝁F Tần số phát xung fx = 100kHz Tải R = 5𝜴, Công suất thiết kế P = 250W Current Controller d PWM BUCKBOOST Converter iL uo 11/10/2020 NỘI DUNG TRÌNH BÀY Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter Thiết kế điều khiển/Tính tốn bù Mô Matlab/Simulink Kết luận 11/10/2020 Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ❑ Sơ đồ biến đổi Buck-Boost Converter lí tưởng iin D V io iL uin L ic C uc R uo Hình Sơ đồ lí tưởng biến đổi Buck - Boost Converter 11/10/2020 Mô hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Phương pháp khơng gian trạng thái trung bình iin V io D iL uin L ❑TH1: V = on; D = off  diL  L dt = U in  C duC = − uC  dt R 11/10/2020 iin V iL ic C io D uc R (u = 1) uo uin L ic C ❑TH2: V = off; D = on uc R uo (u = 0)  diL  L dt = − uC  C duC = i − uC L  dt R Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Từ suy mơ hình hàm đóng cắt với hàm đóng cắt u={0;1}:  diL  L dt = uU in − (1 − u )uC (1)  C duC = u −uC + (1 − u )(i − uC ) = (1 − u )i − uC L L  dt R R R ➢ Mơ hình trung bình biến đổi Buck - Boost: t0 +Ts •  iL Ts =  iL (t )dt  d  iL  Ts t0  L dt = dU in − (1 − d )  uC  dx d  x (t )  Ts   • Ts = C d  uC  = (1 − d )  i  −  uC  dt dt L  dt R  •  Uin u Ts  Uin  u Ts (2) • Trung bình hàm đóng cắt:  u Ts = d ( d : hệ số điều chế ) 11/10/2020 Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc:  d = D + d   iL = I L + iL  u = U + u C C  C Với d; iL ; uC tín hiệu nhỏ ➢ Tại điểm làm việc cân bằng:  diL  dt =   duC =  dt 11/10/2020  D  U C = U in − D  IL = UC R (1 − D)  (3) Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân biến đổi ta được:  diL  L dt = ( D + d )U in − (1 − D − d )(U C + uC )  C duC = (1 − D − d )( I + i ) − U C + uC L L  dt R  diL  L dt = DU in + dU in − U C − uC + DU C + DuC + dU C + duC  C duC = I + i − DI − Di − I d − di − uC − U C L L L L L  dt R R 11/10/2020  diL  L dt = d (U in + U C ) − (1 − D)uC  C duC = (1 − D)i − I d − uC L L  dt R (4) Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Laplace hệ phương trình (4) ta được:  LsiL ( s ) = d ( s )(U in + U C ) − (1 − D )uC ( s )   uC ( s ) CsuC ( s ) = (1 − D)iL ( s ) − I L d ( s ) −  R −1 1− D  1− D   Ls  Ls U + U U + U  U + U U + U  C in C C in C (5)  in  iL ( s )  1   1  iL ( s )   in      d (s)  =   d (s)   = Cs + Cs +  −1 uC ( s )   −1 uC ( s )   D −  D −1   R R     IL IL  IL   IL  Từ (5) sử dụng Toolbox Symbolic Math Matlab ta tìm hàm truyền BBD 11/10/2020 Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Tính tốn hàm truyền Toolbox Symbolic Math Matlab: syms L C s Uin Uc D R IL %Nhap ma tran trang thai A a11=L*s/(Uin+Uc); a12=(1-D)/(Uin+Uc); a21=(D-1)/IL; a22=(C*s+1/R)/IL; A=[a11 a12;a21 a22]; k=[1;-1]; tg=inv(A)*k; %Nghich dao ma tran A nhan voi ma tran k %Ham truyen giua dien ap dau va he so dieu che Gvd=simplify(tg(2)) %Ham truyen giua dong dien qua cuon cam va he so dieu che Gid=simplify(tg(1)) %Ham truyen giua dien ap dau va dong dien qua cuon cam Gvi=Gvd/Gid 11/10/2020 10 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 1: Thiết kế mạch vòng dòng điện: ▪ Hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện có tần số cắt fci = 10 kHz ▪ Độ trữ pha PM1 = 60° → Đúng mong muốn thiết kế Hình Đồ thị Bode hệ hở mạch vịng dịng điện có điều chỉnh dòng điện 11/10/2020 17 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ❑ Do động học mạch vòng dòng điện nhanh mạch vịng điện áp thơng thường từ đến 10 lần, nên ta chọn tần số cắt cho mạch vòng điện áp fcu =1/10.fci ❑ Ta thiết kế mạch vòng điện áp với hàm truyền Gvi(s) tìm phần mơ hình hóa sau: uC ( s ) − RI L Ls + R (U in + U C )(1 − D ) Gvi ( s ) = = iL ( s ) ( RCs + 1)(U in + U C ) + RI L (1 − D ) 11/10/2020 18 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ▪ Hàm truyền Gvi có tần số cắt fc = 140 Hz ▪ Độ trữ pha PM = 113° → Cần phải bù chậm pha hệ thống lại → Ta chọn bù loại II để triệt tiêu sai lệch tĩnh bù chậm pha cho hệ thống Hình Đồ thị Bode hàm truyền Gvi chưa có điều chỉnh điện áp 11/10/2020 19 Thiết kế điều khiển  s  1 +   z2  ❑ Cấu trúc bù loại II cho mạch vòng điều chỉnh điện áp Gcu ( s ) = K cu Gc = K cu  s để có 𝜽PM2 = 60o, tần số cắt fcu = 1kHz (1/10fci) s  1 +    p2  ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ❑ Sử dụng lệnh [mag2, phase2] = bode(Gvi, 2*pi*1e+3) ta có biên độ pha đối tượng tần số 1kHz  Gvi ( j )  = = 0,15 cu   ( j ) =cu = arcGvi ( j ) =cu = −91,9 ❑ Do sử dụng bù loại II có thêm thành phần tích phân vào nên góc pha bù xét thành phần PD xác định:  PD   = − arc  − 180 +  PM − arcGvi ( j )  = = (−90) + 60 − (−91,9) = 61,9  cu  j   =cu 11/10/2020 20 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp:   f Z = f cu  ❑ Tần số điểm không điểm cực xác định:  f = f cu  P2  − sin 61,9 = 0,25 + sin 61,9 kHz + sin 61,9 = 3,996 − sin 61,9 kHz ❑ Sử dụng lệnh [mag3, phase3] = bode(Gc2, 2*pi*1e+3) ta có biên độ pha hàm truyền bù Gc2(s) (có điểm không, điểm cực) tần số 1kHz  Gc ( j )  = = 6,36.10 −4 cu   ( j ) =cu = arcGc ( j ) =cu = −28,1 11/10/2020 21 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ❑ Hệ số Kcu xác định: Kcu = Gvi ( j )  = cu = 1,03.10 Gc ( j )  = cu ❑ Ta tìm bù Gcu cho mạch vòng điện áp: 6,552 s + 1,03.10 Gcu ( s ) = K cu Gc = 3,983.10−5 s + s 11/10/2020 22 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ▪ Hàm truyền hệ hở mạch vòng điện áp có tần số cắt fcu = kHz ▪ Độ trữ pha PM2 = 60° → Đúng mong muốn thiết kế Hình Đồ thị Bode hệ hở mạch vịng điện áp có điều chỉnh 11/10/2020 23 Mô Matlab & Simulink ➢ Sơ đồ mơ phỏng: Hình Sơ đồ mơ Matlab/Simulink 11/10/2020 24 Mô Matlab & Simulink ➢ Sơ đồ mơ phỏng: Hình Sơ đồ mạch lực biến đổi Buck-Boost Converter 11/10/2020 25 Mô Matlab & Simulink ➢ Mô yếu tố mạch khơng thay đổi: Hình Kết thu thay đổi điện áp đặt 11/10/2020 ▪ Điện áp đặt thay đổi 15V→12V→35V, đáp ứng điện áp bám sát giá trị đặt ▪ Độ đập mạch dòng cuộn cảm ≈10,68% ▪ Độ đập mạch dòng tải ≈0,157% ▪ Độ đập mạch điện áp ≈0,171% ▪ Thời gian xác lập ≈ 0,005s điện áp 35V ▪ Dòng độ lớn cuộn cảm ≈ 33,21A 26 Mô Matlab & Simulink ➢ Mô nguồn dao động với biên độ ±10%, tần số 100Hz: Hình 10 Kết nguồn dao động với biên độ ±10%, tần số 100Hz 11/10/2020 ▪ Nguồn dao động với biên độ 3V, tần số 100Hz, đáp ứng điện áp bám sát giá trị đặt ▪ Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm ≈ 21,72% ▪ Độ đập mạch dòng tải ≈ 0,429% ▪ Độ đập mạch điện áp ≈ 0,457% ▪ Thời gian xác lập ≈ 0,005s điện áp 35V ▪ Dòng độ lớn cuộn cảm ≈ 32,94 A 27 Mô Matlab & Simulink ➢ Mô tải thay đổi: Hình 11 Kết nguồn tải thay đổi 11/10/2020 ▪ Thay đổi tải, 0s→0.03s không tải, 0.03s→0.1s tải định mức 0.1s→0.17s tăng tải (200%), 017.s→0.2s giảm tải (50%) ▪ Điện áp bám sát giá trị đặt ▪ Độ đập mạch điện áp ≈ 0,057% tải 50% tải định mức ▪ Độ đập mạch dòng tải ≈ 0,086% tải 50% tải định mức ▪ Thời gian xác lập điện áp ≈ 0,002s thời điểm giảm tải (0,17s) ▪ Dòng độ lớn cuộn cảm ≈ 39,75A thời điểm tăng tải 28 Mô Matlab & Simulink ➢ Mô tải nguồn thay đổi: Hình 12 Kết nguồn dao động đồng thời tải thay đổi 11/10/2020 ▪ Khi yếu tố mạch đồng thời thay đổi, điện áp bám sát giá trị đặt ▪ Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm ≈ 33,459% tải 50% ▪ Độ đập mạch dòng tải ≈ 0.229% tải 50% tải định mức ▪ Độ đập mạch điện áp ≈ 0,229% tải 50% tải định mức ▪ Thời gian xác lập ≈ 0,002s thời điểm giảm tải (0,17s) ▪ Dòng độ lớn cuộn cảm ≈ 39,35A thời điểm tăng tải 29 Kết luận ➢ Kết mô với nguyên lý thiết kế dịng điện trung bình cho biến đổi buck-boost converter ➢Hệ thống ổn định có thay đổi tải nguồn cấp ➢ Sử dụng bù loại II giúp giảm sai lệch tĩnh hệ thống, sử dụng bù PI cho toán 11/10/2020 30 ... đổi Buck - Boost Converter ❑ Sơ đồ biến đổi Buck- Boost Converter lí tưởng iin D V io iL uin L ic C uc R uo Hình Sơ đồ lí tưởng biến đổi Buck - Boost Converter 11/10/2020 Mơ hình hóa biến đổi Buck. ..YÊU CẦU THIẾT KẾ Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Buck – Boost theo chế độ dịng điện trung bình + Nội dung thiết kế: Mơ hình hóa, Cấu trúc điều khiển cách thức... khối điều khiển theo nguyên lý dịng điện trung bình: uo* _ Voltage Controller iL* _ Current Controller d PWM BUCKBOOST Converter iL uo Hình Sơ đồ điều khiển theo nguyên lý dòng điện trung bình Nguyên