Điều khiển trượt cho bộ biến đổi giảm áp buck converter

Bộ biến đổi buck Mục đích của bộ biến đổi DC-DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh đểcung cấp cho các phụ tải biến đổi.. Với các bộ biến đổi Buck, vấn đề được đặt ra như sau: c

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “ Điều khiển trượt cho bộ biến đổi giảm

áp Buck converter” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn

Tùng Lâm các số liệu và kết quả hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được gi trong danh mục tài liệutham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác, nếu phát hiện có sựsao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 16 tháng 6 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hiền

MỤC LỤC

1.1 Bộ biến đổi buck 2

CHƯƠNG 4 19

MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN 19

MATLAB-SIMULINK 19

LỜI NÓI ĐẦU

Trong lĩnh vực kĩ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra bộ biến đổi nguồn cóchất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cầnthiết.Qúa trình biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trìnhbiến đổi DC-DC Cấu trúc mạch của các bộ biến đổi DC-DC vốn không phức tạp nhưngvấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu củacông trình nghiên cứu

Trong học phần đồ án này, chúng em thực hiện đề tài: “Điều khiển trượt cho bộ

biến đổi giảm áp buck converter”

Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Tùng Lâm đã quan tâm và hướngdẫn nhiệt tình nhóm chúng em hoàn thành môn học

Hà Nội, ngày 16 tháng 6 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Hiền

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH BUCK CONVERTER

1.1 Bộ biến đổi buck

Mục đích của bộ biến đổi DC-DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh đểcung cấp cho các phụ tải biến đổi Bộ biến đổi DC-DC thường được sủ dụng trong cácyêu cầu điều chỉnh công suất nguồn một chiều

Hình 1.1 Bộ biến đổi buck cơ bản

Bộ biến đổi Buck hoạt động theo nguyên tắc sao: 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 cảm lúcnày ngược dấu với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện

áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ

ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép

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 Vì điệncảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên điệncảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bìnhtrên điện cảm phải là 0

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch T 1 là thời gian đóng khóa (van), T 2 là thời gian ngắt

khóa (van) Như vậy, T= T 1 + T 2 Giả sử điện áp rơi trên diode và dao động điện áp ngõ ra

là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên

điện cảm khi đóng khóa (van) là (T 1 /T)(V in –V out ), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là.-(T 2 /T)V out

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

Hay:

Giá trị D= T 1 /T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Như vậy, V out =V in×D .

D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao giờ gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0〈V out〈V in .

Với các bộ biến đổi Buck, vấn đề được đặt ra như sau: cho biết phạm vi thay đổi

của điện áp ngõ vào V in , giá trị điện áp ngõ ra V out, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép,

dòng điện tải tối thiểu I out,min , xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch

và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi

thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:

Thông thường các bộ biến đổi Buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tụcqua điện cảm Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện

sẽ bằng hai lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng

điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khiD = D min (vì thời gian giảm dòng

điện là T 2 , với điện áp rơi không thay đổi là V out) Một cách cụ thể ta có đẳng thức sau

Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là L min và T, nếu chúng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn, thì L min cũng cần phải lớn Thành phần xoay chiều củadòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra Với dòng điện qua điện cảm có dạngtamgiác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trongmột chu kỳ chuyển mạch) Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng qua điện cảmlớn hơn dòng điện trung bình sẽ là Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên

tụ điện thì lượng điện tích này bằng Trong đó, ∆Ilà biên độ của thành phần xoaychiều của dòng điện qua điện cảm, còn ∆V là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũngnhư khi xả, xét ở trạng thái xác lập) Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điệndựa vào đẳng thức sau:

I

∆ đã được xác định ở trên bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn ở bước

trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ∆V mà chúng ta chọn giá

trị C cho thích hợp.

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 quen thuộc,còn bộ biến đổi DC-AC được gọi là bộ nghịch lưu (inverter) Hai loại còn lại được gọichung là bộ biến đổi (converter)

Bộ biến đổi AC thường được thực hiện bằng cách dùng một bộ biến đổi

AC-DC tạo nguồn cung cấp cho một bộ biến đổi AC-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 cótầng 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 kết nốitrực tiếp một pha ngõ ra bất kỳ với một pha ngõ vào bất kỳ (tất nhiên theo một quy luậtnào 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 hiện các

bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch, và dùng các điệncảm chuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạchcông 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 (đảo dấu điện áp) Hình 1.1 thể hiện sơ đồnguyên lý của các bộ biến đổi này Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyểnmạch,

và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưngnguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm.Các bộ biến đổi DC-DC :

-Bộ biến đổi boost converter

-Bộ biến đổi tăng – giảm áp buck - boost converter

-Bộ biến đổi hạ áp buck converter

1.4 Ứng dụng của mạch DC-DC

Mục địch của bộ biến đổi DC-DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh đểcung cấp cho các phụ tải biến đổi Bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng trong cácyêu cầu điều chỉnh được công suất nguồn một chiều

Bộ buck tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào Việc điều khiển cáckhóa chuyển mạch bằng cách đóng và mở các khóa theo chu kỳ, kết quả là tạo ra điện áp

DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào Bộ biến đổi buck thông thường để điều chỉnh điện áp nguồncung cấp chất lượng cao như mạch nguồn máy tính và các thiết bị đo lường, nó còn được

sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA MẠCH BUCK CONVERTER

2.1 Hoạt động của mạch buck converter

Khi khóa (van ) đóng , điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điệncảm , làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian khi khóa (van) ngắt điệncảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phâncực thuận

Hình 2.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)

Hình 2.2 Mạch giảm áp lý tưởngHai sơ đồ ghép nối bộ biến đổi có thể kết hợp thành sơ đồ mạch đơn bằng cách sử dụng ýtưởng của chuyển mạch lý tưởng

(a) Chuyển mạch ở vị trí u=1 (b) chuyển mạch ở vị trí u=0

Hình 2.3 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi

2.2 Mô hình bộ biến đổi

Để xác định được mô hình động học của bộ biến đổi, ta áp dụng định luậtKirchoff cho mỗi 1 sơ đồ mạch như là hệ quả của 2 vị trí chuyển mạch Sơ đồ mạch đầu

tiên nhận được khi chuyển mạch lấy giá trị u=1, sơ đồ chuyển mạch thứ 2 Nhận được khi chuyển mạch lấy giá trị u =0, 2 sơ đồ này được biểu diễn trên hình 2.3

Khi vị trí chuyện mạch đặt u=1, Ta áp dụng Kirchoff điện áp và Kirchoff dòng điện thu

Đặt x 1 theo i dòng vào cuộn cảm

x 2 theo u nguồn điện áp ra

ta có :

Thế x 1 = i , x 2 = v ta được :

Từ (2.14) và (2.17) ta có mô hình chuẩn hóa của bộ biến đổi giảm áp

Trong đó Q là tham số nghịch đảo của hệ số chất lượng mạch

Biến x 1 là dòng điện chuẩn hóa , x 2 là điện áp chuẩn hóa

2.4 Điểm cân bằng và hàm truyền tĩnh

Một trong các mục tiêu điều khiển mà ta mong muốn đạt được khi sử dụng hoặcthiết kế bộ biến đổi công suất 1 chiều sang một chiều là điều chỉnh điện áp ra ổn định tớimột giá trị hằng hoặc để tiếp cận tới 1 tín hiệu tham chiếu cho trước Trong chế độ trạngthái ổn định, ứng với các giá trị cân bằng hằng, tất cả các đạo hàm theo thời gian của cácbiến trạng thái mô tả hệ thống được cho bằng 0 Vì vậy, đầu vào điều khiển cũng phải làhằng, nghĩa là u=U=constant Điều kiện này kéo theo một hệ phương trình mà nghiệmcủa nó mô tả điểm cân bằng của hệ.

Rõ ràng là hệ số khuếch đại có giá trị tối đa bằng 1, đặc tuyến của hàm tuyến tĩnh của bộ biến đổi tăng áp được minh họa như hình 2.4

Hình 2.4 Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi giảm áp Giá trị dòng điện và điện áp cân bằng của mạch là :

)

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

GIẢM ÁP

3.1 Giới thiệu

Điều khiển trượt nổi tiếng với kỹ thuật phản hồi đã được đề cập đến trong rất

nhiều bài báo và các công trình nghiên cứu của nhiều tác giả Bản chất kỹ thuật nàyđiều chỉnh các hệ thống thông qua điều khiển đóng ngắt như là các thiết bị điện tử côngsuất nói chung và các bộ biến đổi DC-DC nói riêng Điều khiển trượt được nghiên cứu

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

3.2 Mô hình của hệ thống của bộ biến đổi DC-DC giảm áp

Để tìm hiểu mô hình của hệ thống của bộ biến đổi DC-DC, trong luận án này ta chỉ xét bộ biến đổi giảm áp DC-DC hoạt động ở chế độ liên tục

Hình 3.2 Bộ biến đổi DC-DC giảm áp ( là đóng là ngắt)

Ở hình 3.1, sẽ thuận tiện hơn nếu sử dụng hệ thống mô tả liên quan đến sai lệch điện áp

ra đầu ra và đạo hàm của nó có nghĩa là

Trong đó là điện áp tham chiếu (điện áp ra mong muốn), là điện áp ra thực trên

tải, là dòng qua tụ Như vậy:

Xét dòng điện và điện áp của mạch điện khi khóa đóng ta suy ra được:

(3.3) và (3.5) là phương trình trạng thái với các biến và của bộ biến đổi DC-DCgiảm áp

3.3 Điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp

3.3.1 Mặt phẳng pha mô tả điều khiển trượt cho bộ giảm áp DC-DC

Có thể viết lại phương trình của bộ biến đổi giảm áp DC-DC ở dạng :

Trong đó là đại lượng đầu vào gián đoạn được giat thiết có giá trị 0 hoặc 1

Đáp ứng quỹ đạo pha tương ứng được vẽ ở hình 3.3

Hàm trượt được chọn là :

Trong đó = là vecto của hệ số mặt trượt và Phương trình (3.8) mô tảđường thẳng trong mặt phẳng pha đi qua gốc tọa độ (chính là điểm hoạt động ổn định cho

bộ biến đổi điện áp: sai lệch điện áp ra bằng 0 và đạo hàm sai lệch bằng 0)

Thay phương trình (3.3), (3.5) vào (3.8) dẫn đến:

(3.9)

Phương trình (3.9) mô tả hệ thống trong chế độ trượt

Ta chọn luật điều khiển bám:

Khi khóa (van) ngắt thì dòng điện qua cuộn cảm ( ) được giả định giá trị là không âm ,

tiến về 0 và bằng 0, tụ ngừng nạp, hàm mũ nạp điện Điều này tương ứng với chế độdẫn gián đoạn và đặt sự giới hạn lên biến trạng thái,biến vùng này có thế suy ra giới hạnbiến trạng thái =0

Hình 3.3 Qũy đạo và hệ thống của đường trượt trong mặt phẳng pha của bộ giảm áp

3.3.2 Điều kiện tồn tại chế độ trượt

Để chứng minh điều kiện tồn tại của chế độ trượt trong vùng trượt của bộ giảm ápDC-DC ta lấy đạo hàm phương trình (3.8)

Thay phương trình (3.6) vào (3.8) ta được

Sử dụng phương trình (3.7) và (3.12) với điều kiện với trong phươngtrình (3.10) ta được:

Tương tự với điều kiện thứ hai với trong phương trình (3.10) ta được:

Phương trình =0 và =0 xác định hai đường thẳng trong mặt phẳng pha

với cùng độ dốc đi qua hai điểm tương ứng là ( , 0) và ( - ) Vùng tồn tại chế

độ trượt trong hình (3.3) cho < / C và trong hình (3.4) cho > / C Có thể nhìn

thấy rằng, giá trị của giảm thì gây ra sự suy giảm của vùng tồn tại chế độ trượt (hệ số

của đường trượt cũng quyết định đáp ứng động của hệ thống trong chế độ trượt) Từ

phương trình (3.9) đáp ứng đông của hệ thống ở bậc 1 với hằng số thời gian /

Như vậy tốc độ đáp ứng cao nghĩa là > C ở (3.13) và (3.14) sẽ giới hạn tồn tại chế độtrượt và là nguyên nhân gây quá điều chỉnh trong thời gian quá độ

Hình 3.4 Vùng tồn tại của chế độ trượt trong mặt phẳng pha khi < Ranh giới

giữa các vùng được chỉ rõ bởi phương trình (3.13) và (3.14).Điểm ( , 0) chắn vùng

quỹ đạo khi khóa (van) đóng và điểm ( - ) khi khóa van ngắt

Hình 3.5 Vùng tồn tại của chế độ trượt trong mặt phẳng pha > Ranh giới các vùng

được chỉ rõ bởi phương trình (3.13) và (3.14) Điểm ( 0) chắn vùng quỹ đạo khi khóa

(van) đóng và điểm ( - , 0) khi khóa van (ngắt)

Hình 4.1 Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC giảm áp.

4.1.2 Mô hình hóa mạch động lực trên Matlab-Simulink

Hình 4.2 Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp.

4.2.1 Bộ điều khiển PID

Điều khiển PID cho bộ biến đổi giảm áp có các thông số mạch lực :

C =220 F , L =60µH , =13

= 24V, =12V , =100kHz

Hình 4.3 Sơ đồ khối điều khiền PID bộ giảm áp trên Matlb-Simulink

Ghép với mô hình mạch lực bộ biến đổi ta có sơ đồ mô phỏng

Hình 4.4 Điều khiển PID cho bộ biến đổi giảm áp

4.2.2 Xây dựng bộ điều khiển trượt

Sử dụng bộ điều khiển trượt ( = , ta xác định luật điều khiển sau:

) <0 =>

) <0 =>

)

Trong đó là sai lệch điện áp đầu ra, là đạo hàm của và , là hằng số tíchphân được lấy là dương

Hình 4.5 Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp

Giá trị , được chọn sao cho giảm độ quá trình điều chỉnh thấp nhất với điều

kiện > Nếu ta chọn =1 thì <0.0028, qua nhiều lần thử nghiệm ta chọn

=0.0025

Mô phỏng ta được dạng sóng điện áp và dòng điện như sau: