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

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh bộ biến đổi Buck theo chế độ dòng điện trung bình. Mô hình hoá bộ biến đổi Buck, thiết kế mạch vòng điều chỉnh. Vg= 28V, Vo=15V, L=50uH, C=500uF, f=100kHz, fc=10kHz, tải thay đổi 9 sang 3 ohm

BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH BỘ BIẾN ĐỔI BUCK THEO CHẾ ĐỘ DÒNG ĐIỆN TRUNG BÌNH

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK

Hình 1.1 Bộ biến đổi giảm áp Buck

𝑑𝑥

Hệ phương trình không gian trạng thái của bộ biến đổi:

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK

Trạng thái 1 của mạch Buck:

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK

Trạng thái 2 của mạch Buck:

𝑅𝑟𝐶

𝑅 + 𝑟𝐶 + 𝑟𝐿 −

𝑅

ሻ 𝐿(𝑅 + 𝑟𝐶

; 𝐵 = 0 ; 𝐶 = 𝑅𝑟𝑐 𝑅 ; 𝐷 = 0

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK

Mô hình trung bình mô tả mạch buck với sự tham gia của hệ số điều chế:

R𝑟𝐶

𝑅 + 𝑟𝐶 + 𝑟𝐿 −

1 𝐿

𝑅

𝑅 + 𝑟𝐶1

𝐶

𝑅

𝑅 + 𝑟𝐶 −

1 𝐶

Điểm cân bằng của mô hình được xác định bằng cách cho đạo hàm bằng 0:

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK

ሻ 𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶 −

1

ሻ 𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶

𝐼𝐿

𝑈𝐶 + 𝐷

1 𝐿 0

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK

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

Từ đó ta tìm được G id (s), G ud (s), và G ui (s), công thức các hàm truyền khá phức

tạp do có sự tham gia của r C và r L , ở đây em chỉ đưa ra kết quả sau khi đã thay

thông số, được tính toán trên MATLAB.

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BUCK

1.084e09 ( )

THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH

Cấu trúc điều khiển:

Nguyên lý này được thực hiện với hai mạch vòng nối cấp Đầu ra bộ điều

chỉnh điện áp chính là lượng đặt cho bộ điều chỉnh dòng điện, đầu ra bộ

điều chỉnh dòng điện là hệ số điều chế sẽ được đưa đến khối PWM

Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển

THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH

• Hàm truyền Gid(s) có đồ thịBode như hình bên Ta thấy tần

số cắt ở đây là 5.6e05(rad/s), độ

dự trữ pha PM = 90.4o

• Mục tiêu thiết kế bộ bù loại II

để hệ thống có tần số cắt fc = 10kHz (=1/10fs) và độ dự trữpha PM = 60o

Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện

THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH

1 1 ( )

• Tùy theo fz < f p hay ngược lại bộ bù gọi là phase-lead hay phase-lag, tức là

bù sớm pha lên hay bù chậm pha lại

• Khâu zero tại tần số thấp cho độ tăng về biên độ +20 dB/dec, bù lại độ giảm

về biên độ của khâu tích phân -20 dB/dec Về mặt pha khâu zero đưa đến

THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH

Ta có thể xác định tần số điểm không và điểm cực bộ bù đặt đối xứng với tần số cắt fc

mong muốn, sao cho độ dự trữ pha đạt được lớn nhất tại điểm tần số cắt như sau:

4.809e-06s^2 + s

c

G s =

THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH

• Tần số cắt 6.28e04 rad/s tương ứng 10kHz

• Độ dự trữ pha đạt

60o

THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH

Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp

• Để triệt tiêu sai lệch tĩnh, ta lựa chọn

sử dụng cấu trúc điều khiển PI

THIẾT KẾ MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH

Các thông số của bộ điều khiển PI được tính toán trên MATLAB:

0.9972 s + 1815 ( )

s

cu

G s =

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Hình 3.2 Bộ điều chỉnh điện áp

Hình 3.3 Bộ điều chỉnh dòng điện

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Hình 3.4 Sơ đồ mạch lực

Hình 3.5 Tải thay đổi

(2) Đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện (duty cycle).

(3) Dòng điện trên cuộn cảm.

(4) Điện áp trên tụ

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng phóng to

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Nhận xét:

• Dạng sóng của điện áp trên tụ và dòng

điện trên cuộn cảm khá sát với lí thuyết,

KẾT LUẬN

• Bài trình bày đã đưa ra cách mô hình hóa bộ biến đổi Buck theo phương

pháp không gian trạng thái trung bình, từ đó thiết kế cấu trúc điều khiển

2 mạch vòng với 1 bộ điều chỉnh dòng điện là bộ bù loại II và 1 bộ điều

chỉnh điện áp là bộ điều khiển PI.

• Kết quả mô phỏng chứng minh tính đúng đắn của cấu trúc điều khiển.

THANKS FOR WATCHING!