điều khiển trượt bộ biến đổi dc-dc tăng áp

Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặcbiệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo sức gió,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

*****

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Đỗ Thị Loan Lớp: CHTBM&NMĐ-K10 Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài: 15/02/2009

L ỜI CA M ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày tháng 7 năm 2009

Tác giả luận văn

Đỗ Thị Loan

1

-Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

MỤC LỤC

Mục lục 1

Mở đầu 3

Chương 1: Mô hình bộ biến đổi 5

1.1 Giới thiệu các bộ biến đổi bán dẫn 5

1.2 Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn 7

1.3 Các bộ biến đổi DC-DC 8

1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) 9

1.3.2 Bộ biến đổi đảo áp ( buck-boost converter) 11

1.3.3 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) 12

1.3.3.1 Mô hình của bộ biến đổi 14

1.3.3.2 Mô hình dạng chuẩn 15

1.3.3.3 Điểm cân bằng và hàm truyền tĩnh 16

Chương 2: Nguyên lý điều khiển trượt 20

2.1 Giới thiệu 20

2.2 Các hệ thống cấu trúc biến 20

2.2.1 Điều khiển đối với các hệ thống điều chỉnh bằng chuyển mạch đơn 21

2.2.2 Các mặt trượt 24

2.2.3 Ký hiệu 25

2.2.4 Điều khiển tương đương và trượt động lý tưởng 26

2.2.5 Tính tiếp cận được của các mặt trượt 29

2.2.6 Các điều kiện bất biến cho các nhiễu loạn tìm được 34

Chương 3: Điều khiển trượt bộ biến đổi DC-DC tăng áp 36

3.1 Đặt vấn đề 36

3.2 Điều khiển trực tiếp 37

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

2

-3.3 Điều khiển gián tiếp 39

Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab& Simulink 42

4.1 Mạch lực bộ biến đổi 43

4.2 Xây dựng bộ điều khiển 45

4.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện 45

4.2.2 Bộ điều chỉnh điện áp 54

4.2.2.1 Thử nghiệm các thông số hệ thống 58

4.2.2.2 Thử nghiệm tính điều chỉnh được của hệ thống 64

Kết luận 69

Tài liệu tham khảo 70

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay được

sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặcbiệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúcmạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệusuất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu.Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mô hình cótính phi tuyến

Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài ”Điều khiển trượt

bộ biến đổi DC-DC tăng áp” đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra bộ điều

khiển để điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp, đảm bảo hiệu suất biến đổi cao và

ổn định Luận văn bao gồm 4 chương, nội dung cơ bản như sau:

Chương 1: Mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp

Chương này thành lập các phương trình toán học mô tả bộ biến đổi

Chương 2: Nguyên lý điều khiển trượt

Trong chương này trình bày các khái niệm về hệ thống cấu trúc biến, điều khiểntương đương, mặt trượt và tính tiếp cận được của các mặt trượt, từ đó đề xuất phươngpháp để thiết kế bộ điều khiển trượt

Chương 3: Điều khiển trượt bộ biến đổi DC-DC tăng áp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

4

-Áp dụng nguyên lý điều khiển trượt để xây dựng bộ điều khiển trượt cho bộbiến đổi, khảo sát tính ổn định thông qua mô hình toán học bộ biến đổi

Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab& Simulink

Đưa ra cấu trúc của các bộ điều khiển trên nền Matlab & Simulink Thực hiện

mô phỏng các đáp ứng (dòng điện, điện áp) khi đã thiết kế bộ điều khiển cho cấu trúcđiều khiển được đề xuất ở chương III Sau đó đánh giá kết quả mô phỏng

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng cảm ơn đối với Thầy PGS.TSKH.Nguyễn PhùngQuang đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua và cũng xin được bày tỏ lòngbiết ơn tới các anh, chị trong Trung tâm Công nghệ cao Trường ĐH Bách Khoa HNcũng như gia đình , bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận vănnày Do hạn chế về trình độ ngoại ngữ, tham khảo tài liệu… và với thời gian chưanhiều nên luận văn còn có nhiều khiếm khuyết, sai sót Tôi mong nhận được nhiều ýkiến đóng góp cũng như những lời khuyên hữu ích từ các thầy, cô cùng các đồngnghiệp để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng

đề tài đạt đến kết quả hoàn thiện hơn

Học viên

Đỗ Thị Loan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

5

-CHƯƠNG 1

MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP

1.1 Giới thiệu các bộ biến đổi bán dẫn

Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất.Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóabán dẫn, còn gọi là v an bán d ẫn , khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thìkhông cho dòng điện chạy qua Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫnthực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theothời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suấtlại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử côngsuất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụthuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Như vậy quá trình biến đổinăng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thấttrên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Không nhữngđạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồnnăng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiểntrong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc

tự động hóa Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ khôngthể có được

Các mạch điện tử công suất nói chung hoạt động ở một trong hai chế độ sau:

tuyến tính (linear) và chuyển mạch (switching).

- Chế độ tuyến tính sử dụng đoạn đặc tính khuếch đại của linh kiện tích cực,trong khi chế độ xung chỉ sử dụng linh kiện tích cực như một khóa (van) với hai trạngthái đóng (bão hòa) và ngắt Chế độ tuyến tính cho phép mạch có thể được điều chỉnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

6

-một cách liên tục nhằm đáp ứng -một yêu cầu điều khiển nào đó Tuy nhiên, chế độtuyến tính thường sinh ra tổn thất công suất tương đối cao so với công suất của toànmạch và dẫn đến hiệu suất của mạch không cao Hiệu suất không cao không phải làvấn đề được quan tâm đối với các mạch công suất nhỏ và đặc biệt là các mạch điềukhiển có yêu cầu về chất lượng, về đáp ứng được đặt lên hàng đầu Nhưng vấn đề hiệusuất được đặc biệt quan tâm đối với các mạch công suất lớn, với các lý do khá hiểnnhiên Chế độ chuyển mạch cho phép giảm khá nhiều các tổn thất công suất trên cáclinh kiện tích cực, đặc biệt là các linh kiện công suất, do đó được ưa thích hơn trongcác mạch công suất lớn

Ví dụ cụ thể để minh họa Giả sử ta cần thực hiện một bộ biến đổi điện áp từ 12VDC sang 5 VDC, dòng tải tối đa là 1 A Với giải pháp tuyến tính, dùng một vi mạch

ổn áp 7805 Với dòng tải I bất kỳ, hiệu suất của mạch một cách lý tưởng sẽ là η =Pra/Pvào = (5.I)/(12.I) = 41.7% (ta nói lý tưởng vì chúng ta coi như bản thân vi mạch

ổn áp không tiêu thụ dòng điện) Với giải pháp chuyển mạch, ta có thể dùng mạchgiảm áp có tên gọi buck converter để thực hiện việc này và có thể đạt được hiệu suấttrên 90% với mạch này một cách dễ dàng Nhưng cần chú ý rằng chất lượng điện áp tạingõ ra của giải pháp tuyến tính tốt hơn so với giải pháp chuyển mạch Do đó, điều quantrọng ở đây là chúng ta chọn giải pháp thích hợp cho từng bài toán

- Kỹ thuật chuyển mạch thực tế bao gồm: chuyển mạch cứng (hard-switching)

và chuyển mạch mềm (soft-switching) Với kỹ thuật chuyển mạch cứng, các khóa(van) được yêu cầu đóng (hay ngắt) khi điện áp đặt vào (hay dòng điện chảy qua) linhkiện đang có giá trị lớn (định mức) Linh kiện sẽ phải trải qua một giai đoạn chuyểnmạch để đi đến trạng thái đóng (hay ngắt) và giai đoạn này sẽ sinh ra tổn thất công suấttrên linh kiện tương tự như ở chế độ tuyến tính Tổn thất công suất trong giai đoạn nàyđược gọi là tổn thất (tổn hao) chuyển mạch Điều này có nghĩa là khi tần số làm việccàng lớn (càng có nhiều lần đóng/ngắt linh kiện trong một đơn vị thời gian) thì tổn thất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

7

-chuyển mạch càng lớn và đó là một trong những lý do khiến tần số làm việc của mạch

bị giới hạn Kỹ thuật chuyển mạch mềm cho phép mở rộng giới hạn tần số của các bộbiến đổi chuyển mạch, nhờ việc đóng/ngắt khóa (van) ở điện áp bằng 0 (ZVS: zero-voltage-switching) và/hoặc ở dòng điện bằng 0 (ZCS: zero-current-switching) Nhưngtại sao cần nâng cao tần số làm việc của các bộ biến đổi chuyển mạch? Việc nâng caotần số làm việc sẽ giúp giảm kích thước và khối lượng của các linh kiện, và tăng mật

độ công suất

1.2 Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn

Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi chuyển mạch trong điện tử công suất,nhưng có lẽ cách thông dụng nhất là dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào và ngõ ra Vềnguyên tắc, chúng ta chỉ có dòng điện một chiều (DC) hay xoay chiều (AC), do vậy có

4 tổ hợp khác nhau đối với bộ đôi dòng điện ngõ vào và ngõ ra (theo quy ước thôngthường, tôi viết ngõ vào trước, sau đó đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, và AC-

AC Bộ biến đổi AC-DC chính là bộ chỉnh lưu (rectifier) mà chúng ta đã khá quenthuộc, còn bộ biến đổi DC-AC được gọi là bộ nghịch lưu (inverter) Hai loại còn lạiđược gọi chung là bộ biến đổi (converter)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

8

-Hình 1.1: Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi

Bộ biến đổi AC-AC thường được thực hiện bằng cách dùng một bộ biến đổiAC-DC tạo nguồn cung cấp cho một bộ biến đổi DC-AC Thời gian gần đây có một số

bộ biến đổi AC-AC thực hiện việc biến đổi giữa 2 nguồn AC một cách trực tiếp, không

có tầng liên kết DC (DC-link) và chúng được gọi là các bộ biến đổi ma trận (matrixconverter) hay các bộ biến đổi trực tiếp (direct converter) Tên gọi bộ biến đổi ma trậnxuất phát từ thực tế là bộ biến đổi sử dụng một ma trận các khóa (van) 2 chiều để kếtnối trực tiếp một pha ngõ ra bất kỳ với một pha ngõ vào bất kỳ (tất nhiên theo một quyluật nào đó để đảm bảo yêu cầu đặt ra đối với bộ biến đổi)

1.3 Các bộ biến đổi DC-DC

Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực hiệncác bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng cácđiện cảm chuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở cácmạch công suất lớn

Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck(giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Hình 1.2 thểhiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này Với những cách bố trí điện cảm, khóachuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khácnhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi quađiện cảm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

9

-Hình 1.2: Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển

1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)

Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện ápchênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăngdần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điệnqua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp đặt vào điện cảmlúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng vớiđiện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụđiện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn chophép Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trịcủa dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau Xéttrường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục Vìđiện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trênđiện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trungbình trên điện cảm phải là 0 Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thờigian đóng khóa (van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1 + T2 Giả sửđiện áp rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện ápngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là(T1/T)×(Vin − Vout), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là

−(T2/T)×Vout

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Như vậy,

Vout = Vin×D D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0 < Vout

< Vin

Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm vithay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ racho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần sốchuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện

T2, với điện áp rơi không thay đổi là Vout) Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:

(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min

Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lmin và T Nếu chúng ta chọn tần sốchuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì Lmin cũng cầnphải lớn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

11

-Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra.Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là cácđoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch) Lượng điệntích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ

là ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điện tích nàybằng C×ΔV Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện quađiện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạngthái xác lập) Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thứcsau:

ΔI×T/2 = C×ΔV

ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã đượcchọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV màchúng ta chọn giá trị C cho thích hợp

1.3.2 Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter)

Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van) đóng,điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thờigian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạođiện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa(van) và ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trịđiện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện ápvào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian

Với các giả thiết tương tự như các trường hợp trên, ở chế độ dòng điện qua điệncảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

12

-Với cách ký hiệu T = T1 + T2 như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khiđóng khóa (van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa(van) là − (T2/T)×Vout

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:(T1/T)×Vin − (T2/T)×Vout = 0

Như vậy:

(T1/T)×Vin = (T2/T)×Vout ⇔D×Vin = (1 − D)×Vout

Khi D = 0.5, Vin = Vout Với những trường hợp khác, 0 < Vout < Vin khi 0 < D <0.5, và 0 < Vin < Vout khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở đây chỉ xét về độ lớn, vì chúng ta đãbiết Vin và Vout là ngược dấu) Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp, và

đó là lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi buck-boost

Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là: chobiết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao độngđiện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụđiện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổnđịnh được điện áp ngõ ra

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vithay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/(Vin,max + Vout), và Dmax = Vout/(Vin,min +

Vout)

Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽbằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áptrung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là khi D =

Dmin Như vậy đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch và điện cảm Lgiống như của bộ biến đổi buck:

13

-h tt p : // ww w l r c - t nu e du v n

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min

Cách chọn tụ điện ngõ ra cho bộ biến đổi này cũng không khác gì so với nhữngtrường hợp trên

1.3.3 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)

Bộ biến đổi tăng áp là thiết bị được ứng dụng để biến đổi làm tăng điện ápđầu ra so với điện áp nguồn Vấn đề điều khiển bộ biến đổi tăng áp là một vấn đề phứctạp vì nó có tính phi tuyến và dễ bị ảnh hưởng của các tác động bên ngoài

Mạch điện của bộ biến đổi tăng áp, còn được gọi là bộ biến đổi tăng như hình1.3 Ta giả thiết rằng các thiết bị bán dẫn là lý tưởng, nghĩa là transistor Q phản ứngnhanh khi diode D có giá trị ngưỡng bằng 0 Điều này cho phép trạng thái dẫn và trạngthái khóa được kích hoạt tức thời không mất thời gian Như đã biết, ta có: khi transistor

ở trạng thái mở, diode D sẽ bị phân cực ngược Do đó, sẽ hở mạch giữa nguồn áp E vàtải R Ta có thể thấy điều này trên hình 1.4(a) Mặt khác, khi transistor Q ở trạng tháikhóa, diode D phân cực thuận, tức là D dẫn Nó cho phép dòng năng lượng truyền từnguồn E tới tải R, như hình 1.4(b)

Hình 1.3: Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

14

-Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi tăng áp

Hai sơ đồ mạch ghép nối với bộ biến đổi có thể được kết hợp thành một sơ đồmạch đơn bằng cách sử dụng ý tưởng của chuyển mạch lý tưởng như trên hình 1.5

Hình 1.5: Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp

1.3.3.1 Mô hình của bộ biến đổi

Để xác định được mô hình động học của bộ biến đổi, ta áp dụng luật Kirchoffcho mỗi một sơ đồ mạch như là hệ quả của hai vị trí chuyển mạch Sơ đồ mạch đầu tiênnhận được khi chuyển mạch lấy giá trị u = 1, sơ đồ mạch thứ hai nhận được khi chuyểnmạch lấy giá trị u = 0, hai sơ đồ mạch này được biểu diễn trên hình 1.5

Khi vị trí chuyển mạch đặt u = 1, ta áp dụng luật Kirchoff điện áp và Kirchoffdòng điện, thu được hệ phương trình động lực học:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

15

Trong đó tham số Q là nghịch đảo của hệ số chất lượng mạch, tính theo côngthức Q= R C / L Biến x1 là dòng điện cảm chuẩn hóa, còn x2 là điện áp ra chuẩn hóa

1.3.3.3 Điểm cân bằng và hàm truyền tĩnh

Một trong các mục tiêu điều khiển mà ta mong muốn đạt được khi sử dụnghoặc thiết kế bộ biến đổi công suất 1 chiều sang một chiều là điều chỉnh điện áp ra ổnđịnh tới một giá trị hằng hoặc để tiếp cận tới 1 tín hiệu tham chiếu cho trước Trongchế độ trạng thái ổn định, ứng với các giá trị cân bằng hằng, tất cả các đạo hàm theothời gian của các biến trạng thái mô tả hệ thống được cho bằng 0 Vì vậy, đầu vào điềukhiển cũng phải là hằng, nghĩa là uav=U=constant Điều kiện này kéo theo một hệphương trình mà nghiệm của nó mô tả điểm cân bằng của hệ

 0 (1  U )  

Hình 1.6: Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp

Giá trị dòng điện và điện áp cân bằng của mạch là

Trên đây là phương trình trạng thái của bộ biến đổi tăng áp Điều khiển

bộ biến đổi tăng áp có thể có nhiều phương pháp Bài luận văn này tác giả trình bàyphương pháp dùng bộ điều khiển trượt để điều khiển đối tượng

20

cơ bản bởi nền khoa học Nga xô viết được trình bày trong các cuốn sách củaEmelyanov, Utkin, và một số tác giả khác Điều khiển phản hồi gián đoạn được ápdụng cho các hệ thống vật lý cơ điện tử đã được thực nghiệm và đạt kết quả tốt Trongchương này chúng ta nghiên cứu điều khiển trượt cho hệ thống điều chỉnh đóng ngắtphi tuyến Ta quy ước và giải quyết các vấn đề trên cơ sở sử dụng ngôn ngữ biểu đạtcủa hình học giải tích vi phân Chúng ta cùng xem lại các hệ thống một khoá chuyểnmạch và hệ thống nhiều khoá chuyển mạch (hệ SISO và hệ MIMO) Chúng ta nghiêncứu tính chất nổi bật của lý thuyết cơ sở của điều khiển trượt: mặt trượt, sự tồn tại mặttrượt, định nghĩa mặt trượt , điều khiển tương đương, trượt động lý tưởng và cuối cùng

là sự ổn định của hệ thống vòng lặp điều khiển trượt với các điều kiện nhiễu

2.2 Các hệ thống cấu trúc biến

Hệ thống cấu trúc biến là một hệ thống trong đó mô hình trạng thái động chịuảnh hưởng lớn trên miền của không gian trạng thái, trên đó các phép toán của hệ đượctìm thấy một cách tường tận Bản chất không liên tục của mô hình chính là thông sốđặc tính, và những thay đổi đột ngột gây ra hoặc do sự tác động tự ý lên các thành phần

Ngoài ra, ta giới hạn thêm đối với các nhóm hệ thống mà các mô tả hoặc cấu trúc

có điểm tương đồng về số chiều với hệ kết quả cũng như về bản chất của trạng thái mô

tả trong hệ

2.2.1 Điều khiển đối với các hệ thống điều chỉnh bằng chuyển mạch đơn

Ta xét quá trình điều khiển các hệ thống được biểu diễn bởi các mô hình khônggian trạng thái phi tuyến theo dạng:

Đặc điểm chính của hệ mà ta quan tâm là bản chất giá trị nhị phân của biến đầuvào điều khiển Không làm mất tính tổng quát, ta giả sử đầu vào điều khiển này lấy giátrị trên tập rời rạc [0, 1] Chú ý rằng nếu tập các giá trị có thể nhận được của biến đầuvào vô hướng u là tập rời rạc [W1,W2] với W i  R , i=1,2 thì theo phép biến đổi tọa độ

khả đảo dưới đây ta có: v  (u  W2 )

,

và u=W2+v(W1`+W2) sẽ tạo ra biến đầu vào điều khiển mới v là một hàm đầu vào điều khiển giá trị nhị phân lấy giá trị trên tập [0, 1]

Ví dụ 2.1: Mạch điện dưới đây biểu diễn bộ biến đổi công suất từ một chiều sang

một chiều (DC-to-DC Power Converter), còn gọi là Bộ biến đổi Boost (Boost

Converter), được điều khiển bởi một chuyển mạch đơn

Hình 2.1: Bộ biến đổi Boost một chiều - một chiều

chuyển mạch bằng khóa bán dẫn

Lý tưởng hóa khóa đóng mở Q ta có sơ đồ được biểu thị trên hình 2.2

Hình 2.2: Bộ biến đổi Boost một chiều - một chiều với chuyển mạch lý tưởng

Phương trình vi phân điều khiển mô tả mạch là:

Tập S biểu diễn một đa dạng trượt n-1 chiều trên R n

Giả thiết chính là: Tồn tại một tác động điều khiển phản hồi u(x), có thể mang bản chấtgián đoạn, sao cho điều kiện h(x) = 0 được thỏa mãn cục bộ bởi quỹ đạo trạng thái x(t) Các chuyển động của trạng thái hệ, x, trên mặt trượt S, một cách lý tưởng sẽ tạo ra toàn bộ các thuộc tính cục bộ mong muốn cho trạng thái của hệ thống điều khiển Giới hạn về sự tiến triển các trạng thái đạt được do các tác động đầu vào điều khiển hợp lý, tức là giá trị của u thích

hợp u [0,1]

Một trong các đặc tính căn bản trong thiết kế luật điều khiển phản hồi cho các hệthống điều chỉnh bởi các chuyển mạch trong thực tế là đặc tính của hàm vô hướng trơn

h(x) là một phần của vấn đề thiết kế Việc lựa chọn hàm đầu ra h(x), và theo đó, là đa

Và ta định nghĩa gián tiếp Lfh(x) tương tự, ta ký hiệu Lgh(x) là đạo hàm cóhướng của h(x) theo phương g(x).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

Nguyên t nu e du v n

dạng trượt S, phụ thuộc hoàn toàn vào mong muốn của ta đối với từng mục tiêu điều khiển xác định trong hệ

Ví dụ 2.2: Trong ví dụ trước về Bộ biến đổi Boost, một mặt trượt có thể được đề xuất