Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost theo phản hồi trạng thái

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost theo phản hồi trạng thái. Mô hình hoá bộ biến đổi, tính toán chọn mạch lực, thiết kế cấu trúc điều khiển, mô phỏng, kết luận. Đầu vào 5V DC, đầu ra 18V DC, công suất 90W, tần số dóng cắt fs= 100kHz.

VIỆN ĐIỆN - ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO BÀI TẬP GIỮA KỲ

Học phần: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

BIẾN ĐỔI BOOST THEO PHẢN HỒI TRẠNG THÁI

20/11/2020

1.Mô hình hóa bộ biến đổi

 Sơ đồ bộ Boost converter

 Van Mosfet, các nguồn điện là 1 khóa lý

tưởng.

 L, C là tuyến tính.

 Phương pháp mô hình hóa

Xây dựng mô hình trung bình tín hiệu

nhỏ

Sơ đồ bộ BOOST Converter

1 MÔ HÌNH HÓA BỘ BOOST

 Các bước mô hình hóa

Bước 1: Xây dựng mô hình đóng cắt (Mô hình chính xác)

Sơ đồ bộ biến đổi Boost

V ON – D OFF

V OFF – D ON

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST

 Chọn hàm đóng cắt và thay

Bước 2: Xây dựng mô hình trung bình tín hiệu lớn

 Trung bình hóa: Hệ số lấp đầy xung

Mô hình phi tuyến

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST

Bước 3: Xây dựng mô hình trung bình tín hiệu nhỏ - Tuyến tính hóa

 Điểm làm việc:

 Thiết lập các biến động nhỏ:

MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI BOOST

3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 Cấu trúc điều khiển

Phản hồi trạng thái gán điểm cực (Ackerman)

Cấu trúc điều khiển đầu ra với mạch vòng phản hồi

trạng thái bên trong

3.2 Quy trình thiết kế bộ điều khiển

A Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái K

Bước 1: Tìm điểm cực ban đầu của hệ

 Điểm cực là nghiệm của phương trình

Quỹ đạo điểm cực đối tượng với điểm cực

ban đầu (Lệnh rlocus(sys))

QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Bước 2: Tìm điểm cực mong muốn của hệ

QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Đồ thị bode hàm truyền hệ hở ban đầu

 Độ dự trữ pha

 Tần số cắt

Mục tiêu: Đảm bảo không có sai lệch tĩnh và

có thể bám được thay đổi lượng giá trị đặt, sử

dụng bộ bù loại I để hệ thống có tần số cắt

và độ dữ trữ pha

B Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp

Bộ bù loại I có hàm truyền dạng

Bộ bù loại I là một khâu tích phân, hay được sử dụng

trong cấu trúc điều khiển trực tiếp điện áp đầu ra cho bộ

biến đổi DC/DC.

Khâu tích phân cho hệ số khuếch đại tại DC đến nhưng

có đặc tính biên độ -20dB/dec, làm giảm đáng kể băng

thông của mạch hở, hơn nữa mang lại góc pha -90, điều

này ảnh hưởng đến độ dự trữ pha trong vòng mạch kín.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

Bước 2: Thiết kế bộ bù loại I

 Tổng quan

bode(sys_n*tf(Kc,[1 0])); %Hàm truyen sau khi them bo bu

Đồ thị Bode hàm truyền hệ hở trước và sau khi có bộ bù

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

 Hàm truyền sau khi

sử dụng bộ bù loại I

đã cho độ dự trữ pha đạt như mong muốn.

 Sau khi thiết kế mạch vòng điều chỉnh điện áp, tiến hành mô phỏng trên MATLAB.

Thay đổi giá trị đặt

Thông số mô phỏng

ở 0.1s)

C =50e-6; %tu dien

L = 36e-6; %cuon cam

R = 13; %Tai thuan tro

Vo=18; %gia tri xac lap dien ap tren tu

Vg=5; %gia tri xac lap dien ap dau vao

D = 1-Vg/Vo; %He so dieu che

IL=Vo/((1-D)*R); %gia tri xac lap dong qua

cuon cam

%Thiet ke bo phan hoi trang thai gan diem cuc

%ma tran trang thai

A=[0 -(1-D)/L;(1-D)/C -1/(R*C)];

B=[Vo/L;-IL/C];

pole=eig(A);

%diem cuc moi

wn=6000; %rad/s-tan so dao dong rieng

damping=0.7; %he so tat dan

sys=tf(num0,den0); %ham ban dau

%ham truyen dat

[num,den]=ss2tf(A_n,B,C_n,0);

sys_n=tf(num,den);

fc=350; %lua chon tan so cat

[mag,phase]=bode(sys_n,2*pi*fc); % Ham truyen ban dau

4 MÔ PHỎNG

b Xây dựng các kịch bản mô phỏng

Các thông số không thay đổi

Điện áp đầu vào thay đổi

Tải thay đổi (từ 13 xuống 3

CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG

1 Thông số không thay đổi

Kết quả mô phỏng trong trường hợp các thông số không đổi

Dòng qua cuộn cảm

Điện áp ra

Điện áp nguồn

Hệ số điều chế

1 Thông số không thay đổi

1A

0.2V

5.6ms

Khảo sát thời gian xác lập

2 Nguồn đầu vào thay đổi

Nguồn thay đổi (tăng tại thời điểm 0.04s và giảm tại thời điểm 0.06s)

CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG

3 Tải thay đổi từ 13 xuống 3

CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG

Điện áp đặt thay đổi

Nhận xét các kết quả mô phỏng

 Dạng sóng điện áp trên tụ và dòng trên cuộn cảm khá sát với lý thuyết.

 Độ đập mạch dòng điện và độ đập mạch điện áp ra nhỏ, đúng với yêu cầu thiết kế ban đầu

Tuy nhiên trong một vài trường hợp khi thay đổi giá trị nguồn đầu vào hay khi thay đổi tải thì độ đập mạch dòng và điện áp còn lớn ở quá trình quá độ.

 Thời gian đáp ứng khá nhanh

4 MÔ PHỎNG

5 KẾT LUẬN

 Bài báo cáo đã đưa ra cách thức mô hình hóa bộ biến đổi BOOST bằng

phương pháp mô hình trung bình tín hiệu nhỏ, từ đó đề xuất thiết kế

cấu trúc điều khiển 2 mạch vòng với mạch vòng phản hồi trạng thái qua

ma trận khuếch đại K và bộ điều chỉnh điện áp là bộ bù loại I.

 Mô phỏng thành công bộ biến đổi BOOST trên phần mềm MATLAB,

kết quả mô phỏng đã chứng minh tính chính xác của cấu trúc điều

khiển.

 Kế hoạch tới: Mô phỏng hệ thống trên PIL.

Cảm ơn thầy và mọi người

đã lắng nghe!