thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất,vũ trọng minh, vũ hoàng phương,dhbkhn

thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất,vũ trọng minh, vũ hoàng phương,dhbkhn THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost theo chế độ điện áp CuuDuongThanCong com https fb comtailieudientucntt cu u du on g th an co ng co m http cuuduongthancong com?src=pdf https fb comtailieudientucntt NỘI DUNG TRÌNH BÀY Tính toán mạch lực Mô hình hóa bộ biến đổi boost converter Thiết kế cấu chúc và tính toán tham số bộ điều khiển Mô.

Trang 1

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG

SUẤT

ĐỀ BÀI Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost theo chế độ điện áp

cuu duong than cong com

Trang 2

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

Trang 3

TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

 Sơ đồ bộ boost converter.

Hình 1 sơ đồ mạch lực boost converter cuu duong than cong com

Trang 5

 suất bộ biến đổi là 90% 𝑅𝑅 × 0.1 ×12× 2 /𝐼𝐼 2 Ώ

Trang 8

Mô hình hóa bộ biến đổi boost converter.

Trang 9

Mô hình hóa bộ biến đổi boost converter.

Mô hình trạng thái bộ biến đổi boost converter:

Trang 10

Mô hình hóa bộ biến đổi boost converter

Trang 11

Mô hình hóa bộ biến đổi boost converter

Quan hệ giữa điện áp đầu ra và tín hiều điều khiển D:

Trang 12

Thiết kế cấu chúc và tính toán tham số bộ điều khiển

Sơ

 đồ cấu chúc điều khiển theo điện áp:

Trang 13

 Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển dựa theo hàm truyền :

 Trong đó bộ điều khiển được thiết kế theo:

 Bộ bù loại III.

B ộ bù PID (lead – lag) cuu duong than cong com

Trang 14

Phân tích đối tượng:



Tần số cắt của đối tượng



Là 4315 Hz và góc dự trữ là PM=-11.

Trang 15

 Thiết kế bộ điều khiên theo cấu chúc bộ bù loại III:

Trong đó

Trang 16

và 1 điểmcực tại gốc tọa độ) tại tần số 1.5kHz là :

Trang 17

 Biên độ của bộ bù được xác đinh:

Trang 18

Phân tích hàm truyền của hệ hở :

Trang 19

 Điểm cực của hệ hở:

 Nhận thấy điểm cực của hệ hở

đều nằm bên trái trục ảo

 Một điểm cực nằm tại gốc tọa độ

 Hệ hở ổn định

Trang 21

Mô phỏng

 Sơ đồ điều khiển

Trang 23

Mô phỏng

 Kết quả mô phỏng khi tải thay đổi.

Trang 25

 Cấu chúc bộ bù PID( lead-lag).

Trang 26

Tần số cắt của đối tượng

Trang 27

 Chọn tần số cắt 𝑓𝑓 𝑐𝑐 = 1.5kHz, độ dự trữ pha là 45.

 Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gvd,2*pi*1500) ta có biên độ và pha của đối tượng Gvd(s) tại tần số 1.5kHz là:

Trang 28

Tần số điểm không và điểm cực của bộ bù được tính như sau:

Trang 29

Trang 30

Phân tích hàm truyền của hệ hở.

Trang 31

 Điểm cực và điểm không của hệ hở.

Trang 33

Mô phỏng

• Đồ thị điện áp khi phóng to.

Trang 35

THANKS FOR YOUR ATTENTION

Trang 37

1 MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST CONVERTER

Mô hình BBĐ DC/DC tại điểm xác lập

(1-D):1 Mạch lực BBĐ Boost

Trang 38

MÔ HÌNH HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ



ĐÓNG CẮT

Từ mô hình điểm làm việc xác lập Từ mô hình trung bình

) ( )]

( 1

[ ) (

) ( )]

( 1

[ )

1

t u t d t

i

t u t d t

) 1

(

) 1

(

I D I

U D U

Trang 39

) ( ˆ )

(

) ( ˆ )

(

) ( ˆ )

(

) ( ˆ )

(

) ( ˆ )

(

2 2

2

2 2

2

1 1 1

1 1

1

t i I

t i

t u U

t u

t i I

t i

t u U

t u

t d D t

Trang 40

Thay (2) vào (1) ta có:

d I i

D i

d U u

D u

ˆ ˆ

) 1

( ˆ

ˆ ˆ

) 1

( ˆ

1 1

2

2 2

0

ˆ

U U

u u

D Z

u

RC

ˆ ˆ

) 1

(

ˆ

1 1

(

) 1 (

ˆ 1

−

=

R d I i D

D R

RCs u

D

d I

( )

Trang 41

Viết phương trình mạch vòng dòng điện qua cuộn cảm:

D i

Ls

u ˆ in = ˆ 1 + ( 1 − ) ˆ 0 − 0 ˆ ( ) 7 Thay (5) vào (7):

d U u

D D

R

RCs u

D

d I Ls

u in ( 1 ) ˆ ˆ

) 1

(

) 1 (

ˆ 1

−

=

0 0

) 1

(

) 1 (

ˆ 1

D R

RCs Ls

d

U D

Ls I

RCLs

R Ls I U

D s

u

s

1 0

0 ) ( ˆ

0

) 1

(

) 1

( ˆ

) (

ˆ

− + +

−

=

Trang 42

D D

i Ls

1

ˆ ˆ

1 ) 1

( ˆ

=

d RCs

R I D U

i RCs

R D

Ls

1

) 1

( ˆ

1

) 1

(

0 1

=

R D Ls

RLCs s

d ˆ ( ) = 2 + + ( 1 − ) 2

Từ PT trên ta cũng có hàm truyền giữa hệ số điều chế và dòng điện:

Trang 43

0 ) ( ˆ 1

0 ) ( ˆ 0

1

0

) ( ˆ

) ( ˆ )

( ˆ

) ( ˆ )

( ˆ

) (

s i

s d s

d

s u s

i

s u

R D

U I

) 1

−

=

P

RHZ vi

w s w

s R

D RCs

LS s

G

1

* 2

1

*

* ) 1 ( 2

(

1) - R(D )

w RHZ

2

) 1

Trang 44

• Điện áp vào Uin = 5V

Trang 45

TÍNH CHỌN L,C

- Đối với bộ biến đổi boost:

+ Điện cảm được tính theo công thức:

Với ∆𝐼𝐼𝐼𝐼 là độ đập mạch dòng điện qua cuộn cảm: = 10%-20% IL

∆Uo là độ đập mạch điện áp trên tụ điện : = 0.1% - 1% Uo Chọn ∆𝐼𝐼𝐼𝐼 =15% IL và ∆Uo =0.5% Uo ta tính được L và C:

Trang 46

3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN LÝ DÒNG ĐỈNH

Trang 47

Từ m file trong matlab ta có hàm truyền giữa điện áp đầu ra và dòng điện :

1 + s 0.0013

1.389 +

s 06 - 9.288e -

Trang 48

Đồ thị Bode của hàm truyền Gvi :

Nhận xét : Tần số cắt là 118 , độ dự trữ pha là 136 Hệ ổn định nhưng có sai

lệch tĩnh Để giảm độ dự trữ pha và tăng tần số cắt ( đáp ứng nhanh hơn) ta sử

Trang 49

Bộ bù loại II:

- Một điểm cực được đặt ở gốc mặt phẳng phức.

- Độ dự trữ pha của bộ bù được tính bởi:

theta= (-90) + PM –phase1 PM: là độ dự trữ pha hệ hở

phase1: góc pha của đối tượng tại tần số fc.

- Tần số điểm 0 và điểm cực được xác định bởi công thức:

fz = fc* 1 −sin( θ )

1+sin( θ ) = 488.2434 fp = fc*

1 −sin( θ ) 1+sin( θ ) = 4.6084e+03

- Tần số cắt chọn nhỏ hơn 1/10 tần số phát xung

- Tần số cắt fc nên nhỏ hơn 1/5 tần số f_RHP

- Hệ số khuếch đại kc= 1/(mag1*mag2) cuu duong than cong com

Trang 50

P

Z C

C

w s w s

s

k s

G

1

1 1 )

Thiết kế bộ bù như trên mfile:

Trang 51

Đồ thị bode hệ hở khi có bộ bù:

Ta thấy hệ hở ổn định và tần số fc và độ dự trữ pha PM đúng như thiết kế.

Trang 52

Ta có hàm truyền đạt của bộ điều khiển ( bộ bù loại II):

s + s^2 05

3.454e

-2.71e04 +

s

8.833 )

( s =

c G

Trang 53

Sơ đồ khối mô phỏng trên Matlab Simulink :

3 MÔ PHỎNG KẾT QUẢ

Kết quả mô phỏng khi xét tới các ảnh hưởng :

Điện áp đặt thay đổi.

Tải thay đổi.

Điện áp vào dao động.

Trang 54

Thay đổi điện áp đặt từ 15V lên18V xuống 12 V

thấy khi thay đổi điện áp đặt thì điệ áp ra bám giá trị đặt Điên áp đập mạch

Trang 55

Khi điện áp đầu vào dao động 0.5V với tần số 1 khz:

Ta thấy sai số điện áp ra là khá bé 0.15V cuu duong than cong com

Trang 56

Khi tải thay đổi:

Trang 57

3 KẾT LUẬN

Ưu

- điểm của điều khiển theo chế độ dòng điện đỉnh

+ Hạ bậc đối tượng Nên thiết kế bộ điều khiển đơn giản.

+ Phù hợp với đa số bộ biến đổi DC/DC.

Bộ

- điều khiển thiết kế theo bộ bù loại 2

+ Triệt tiêu sai lệch tĩnh

+ Bộ điều khiển ở trên cho chất lượng điện áp ra khá tốt.

+ Không có độ quá điều chỉnh

+ Thời gian đáp ứng nhanh ( 0.06s)

+ Điện áp đạp mạch nhỏ cỡ (1.6%)

Trang 58

Cảm ơn thầy và các bạn

đã lắng nghe!

Trang 59

Đề tài: “ Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost theo phản hồi trạng thái ”

Trang 60

1 CHỌN THÔNG SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI

- Điện áp vào : Uin = 5 ± 10%

Trang 61

2 MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST

Mạch lực BBĐ Boost

Trang 62

TH1: Van V 2 MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST dẫn, D khóa

0 C 1 = 0 1 D 1 = 0

Trang 63

TH2: Van V khóa, D 2 MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST dẫn

−1 RC

B 2 =

1 L

0 C 2 = 0 1 D 2 = 0

Trang 64

Sử dụng công thức ta tính được:

A= 0 −(1−𝐷𝐷) L

1 L

Trang 65

Hàm truyền đạt giữa đầu ra và hệ số điều chế:

Hàm truyền đạt giữa đầu ra và đầu vào:

Hàm truyền đạt giữa biến trạng thái và hệ số điều chế :

Trang 66

Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cho mô hình tín hiệu nhỏ ta thu được mô hình toán học của

bộ biến đổi như sau:

Với U = 1 – D

Trang 67

3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Đồ thị bode của bộ Boost khi chưa có bộ bù:

Trang 68

Đồ thị bode của bộ Boost khi đã có bộ bù:

Trang 69

Cấu trúc điều khiển theo phương pháp phản hồi trạng thái:

Trang 70

Quá trình thiết kế thực hiện được thực hiện qua các bước:

• Bước 1: Xây dựng mô hình của bộ biến đổi

• Bước 2: Xác định ma trận K

• Bước 3: Tìm hàm truyền của hệ con – đối tượng của bộ điều chỉnh

Từ đó, tìm ra tham số Kc

Trang 71

3.1 Xác định ma trận K

Mô hình mạch Boost dưới dạng không gian trạng thái:

Tuy nhiên điểm cực này thường có tần số thấp và độ tắt dần nhỏ, dẫn tới

hệ sẽ dao động nhiều lần khi có biến động đầu vào điều khiển

Vì vậy, ta phải áp đặt điểm cực mới cho hệ nhờ vào ma trận K

Trang 72

Trang 73

Trang 74

Chương trình trên matlab:

Trang 75

4 MÔ PHỎNG

Sơ đồ mạch lực:

Trang 76

4 MÔ PHỎNG

Sơ đồ khối mô phỏng trên Simulink :

Trang 79

Trường hợp nguồn thay đổi từ 10 – 18V:

4 MÔ PHỎNG

Trang 84

5 KẾT LUẬN

• Giá trị điện áp ra bám sát so với giá trị đặt ban đầu trong các trường hợp khác nhau

• Độ đập mạch điện áp và dòng điện nằm trong giới hạn cho phép.

• Khi thêm nguồn AC dao động thì đáp ứng đầu ra không tốt như mong muốn,

độ đập mạch dòng và áp tăng mạnh vượt qua giới hạn cho phép

Trang 85

THANKS FOR YOUR ATTENTION

Trang 86

Mô hình hóa BBĐ Buck converter Cấu trúc điều khiển

Tính toán bộ điều chỉnh

Mô phỏng trên Matlab Simulink

THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH CHO BỘ

BIẾN ĐỔI BUCK THEO CHẾ ĐỘ ĐIỆN ÁP

Trang 87

Mô hình hóa BBĐ Buck Converter

Phương pháp trung bình mạng phần

tử đóng cắt

Mạch lực BBĐ Buck Mô hình BBĐ DC/DC tại

điểm xác lập Mô hình trung bình

Trang 88

Mô hình hóa BBĐ Buck Converter

Mô hình hóa tín hiệu nhỏ bằng phương pháp trung bình

mạng phần tử đóng cắt

Trang 89

Mô hình hóa BBĐ Buck

Mô hình buck converter với tín hiệu

nhỏ

Từ mô hình điểm làm việc xác lập Từ mô hình trung bình

) ( ) ( )

(

) ( ) ( )

(

1 2

2 1

t i t d t

i

t u t d t

u

=

1 2

2 1

DI I

Trang 90

Tuyến tính hóa tại điểm làm việc cân bằng:

) ( ˆ )

(

) ( ˆ )

(

) ( ˆ )

(

) ( ˆ )

(

) ( ˆ )

(

2 2

2

2 2

2

1 1 1

1 1

1

t i I

t

i

t u U

t

u

t i I

t

i

t u U

t

u

t d D t

D i

d U u

D u

ˆ ˆ

ˆ

ˆ ˆ

ˆ

2 1

1

1 1

Từ (2),(3) ,(4) ta có:

1 0

) ( ˆ

0

) ( ˆ

) (

ˆ

U s

u ˆ ( )

Trang 91

2 2

2

0 0

) ( ˆ

0

) ( ˆ

) (

ˆ ) ( ˆ

) ( ˆ )

( ˆ

) (

ˆ )

(

s RLC Ls

R

RU s

d

s u s u

s u s

d

s u s

2 1

2 2

0 0

) ( 1

0

) ( ˆ

) (

ˆ ) ( ˆ

) ( ˆ )

( ˆ

) (

ˆ )

(

s RLC Ls

R

DR s

u

s u s u

s u s

u

s u s

G

s d

vg = = = = + +

Hàm truyền giữa điện áp ra và hệ số điều chế :

Hàm truyền giữa điện áp ra và điện áp đầu vào :

Trang 92

• Điện áp nguồn Uin = 28V

Yêu cầu bài toán thiết kế

Trang 93

• Tính toán và lựa chọn thông số cuộn cảm L và tụ điện C dựa vào độ đập mạch của tín hiệu dòng điện và điện áp qua chúng :

Yêu cầu bài toán thiết kế

Trang 94

Cấu trúc điều khiển

 Cấu trúc điều khiển theo điện áp (Direct Mode)

Dòng

ic đặt đầu ra bđc

Trang 95

Ảnh hưởng của nội trở tụ điện đến hàm truyền giữa điện áp

r a và hệ số điều chế

Với nội trở của tụ điện (Equivalent series resistance) : = / =0.0125 Ohm R esr

Khi đó : = 127.32kHz cuu duong than cong com

Trang 96

Từ đó ta tìm được hàm truyền giữa điện áp ra và hệ số điều chế :

Trang 97

Đồ thị Bode của hàm truyền Gvd

Nhận xét : Tần số cắt 53.9kHZ ,

độ dự trữ pha là 7.52 Hệ ổn định Tuy nhiên để triệt tiêu sai lệch tĩnh, khử thành phần điểm zero và thành phần điểm cực làm tăng quá trình quá độ ta sử

dụng “bộ bù loại PID”

Trang 98

 Bộ bù PID

V ới cấu trúc điều khiển trên đòi hỏi bộ điều khiển điện áp phải tác động nhanh để

bám theo giá tr ị đặt Như vậy, tần số cắt của bộ điều khiển điện áp phải lớn fc =

fs/10 = 10kHz v ới fs là tần số đóng cắt , fs = 100kHz và chọn độ dự trữ pha là 60°.

 Điểm cực đặt tại gốc mp phức triệt tiêu sai lệch tĩnh

 f 𝑐𝑐 = 10 kHz

 f 𝐿𝐿 < fc/10 cuu duong than cong com chọn f 𝐿𝐿 =800Hz

Trang 99

Góc pha của bộ bù PID :

𝜃𝜃 PID cuu duong than cong com = -180 o + 𝜃𝜃 PM - arcG vd (jw) w=wc = 52.39 o

Trang 100

Tính toán tần số điểm không và điểm cực của bộ bù :

Trang 102

M ô phỏng

 Sơ đồ khối mô phỏng trên Matlab Simulink

Tải thay đổi (từ không tải đến tải định mức)

 cuu duong than cong com

Trang 105

Mô phỏng

Trường hợp tải thay đổi từ không tải đến định mức, tại thời điểm thay đổi điện áp ra thay đổi độ

Về 0 nhưng ngay sau đó lại bám sát giá trị đặt

Trang 106

Trang 107

Bộ biến đổi Buck

Bộ biến đổi Buck converter

1.Tính chọn thiết bị

2.Mô hình bộ biến đổi

3 Thiết kế BĐK theo phương pháp gán điểm

cực phản hồi trạng thái

4.Mô phỏng Matlab

5.Thay đổi thông số của mạch và nhận xét cuu duong than cong com

Trang 108

XÉT 2 TR ƯỜNG HỢP

Trang 109

1 Tính chọn thiết bị

→ Tính chọn L, C

→ Tính chọn van MOSFET, DIODE

Các thông số cho trước

Trang 111

b TÍNH CHỌN VAN MOSFET VÀ DIODE

Chọn van và diode theo dòng điện đỉnh đi qua van

I peak = I L + ∆i 2 L

= 2,4 + 0,24/2 =2,52 A Dòng trung bình qua van

I Dmax = 20A

R F = 25mΏ

Trang 112

Giả thiết

Coi

 như các van công suất, diode là các van lý tưởng

Các

 thành phần tụ ký sinh trên van, tổn thất công suất

trên van coi như bằng 0

Các

 phần tử là tuyến tính, độc lập với thời gian và tần

số

 Trở kháng trên nguồn vào được coi bằng 0

Trang 113

TH1: V dẫn, D khóa (u=1) TH2: V khóa, D dẫn (u=0)

Trang 116

Đưa vào các biến động nhỏ AC

Khai triển, loại bỏ tín hiệu nhỏ bậc hai ta được:

Trang 117

 truyền điện áp đầu ra và hệ số điều chế:

2 0

( ) ( )

( )

1

o vg

Trang 118

3 Thiết kế BĐK theo phương pháp

gán điểm cực phản hồi trạng thái

T

Trang 119

C C

L C

C

L

V i

u L

u u

i u

Trang 121

( ) ( )

Trang 122

Thiết kế bộ điều khiển gán điểm cực phản hồi

trạng thái cho đối tượng có thông số như sau:

+) Điện áp vào U in =30V, +) Điện áp ra U o =12V,

+) Tụ C=500µF, +) Cuộn cảm L=50µH, +) Điện trở, R=5 Ω,

Tần số cắt 500Hz.

Trang 123

IL=Uc/R;%gia tri xac lap dong qua cuon cam

• Vin=

Trang 126

Vị

Trang 127

Kết quả



Trang 128

Kết quả: Đồ thị Bode của hệ hở

Trang 129

Trang 130

Đồ thị điện áp ra trên tải và dòng điện trên cuộn cảm

Trang 131

Thay đổi tải

Nhận xét:

5.Thay đổi tải và nhận xét

Trang 132

R = 10 𝛀𝛀

R = 2 𝛀𝛀

Trang 133

Kết thúc Cảm ơn sự chú ý lắng nghe của thầy và các bạn!

Nhóm mong nhận được sự góp ý của thầy và các bạn.

Trang 134

Đề tài: Thiết kế cấu trúc điều khiển

bộ biến đổi Buck-Boost điện áp

4 Mô phỏng bằng Matlab ,Simulink và nhận xét

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử Công Suất
Tác giả	Vũ Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương
Trường học	Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Thể loại	đồ án tốt nghiệp

Định dạng
Số trang	283
Dung lượng	6,01 MB