Nâng cao chất lượng bộ biến đổi DC DC bằng bộ điều khiển trượt

- Bộ điều khiển trượt được thiết kế và so sánh với bộ điều khiển PID cho thấy khả năng ứng dụng để nâng cao chất lượng của bộ biến đổi DC-DC.. Chương 1 Giới thiệu chung về bộ biến đổi DC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN THỤ

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ BIÊN ĐỔI DC-DC

BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

Chuyên ngành : Tự động hóa

Mã số: 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2013

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN ANH DUY

Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN DOÃN PHƯỚC

Phản biện 2: TS TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc

sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 05 năm

2013

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết đề tài

- Đối với bài toán chuyển đổi điện áp DC – DC đã có nhiều phương pháp nghiên cứu và được ứng dụng trong thực tế như chuyển đổi nguồn tuyến tính, nguồn ngắt mở (Switched Mode Power Supply)…Tuy nhiên chúng có những hạn chế như độ ổn định điện áp

ra chưa cao, tổn hao năng lượng lớn, cồng kềnh, giá thành lớn

- Điều khiển PID đã được ứng dụng cho bộ biến đổi DC-DC nhưng chất lượng điện áp ra vẫn chưa thỏa mãn được yêu cầu

- Bộ điều khiển trượt được thiết kế và so sánh với bộ điều khiển PID cho thấy khả năng ứng dụng để nâng cao chất lượng của bộ biến đổi DC-DC

2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tìm hiểu bộ biến đổi DC-DC với chuyển mạch đơn bằng cách

4 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu cấu trúc điều khiển và xây dựng mô hình, mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulik

5 Bố cục đề tài

Luận văn được tổ chức như sau

Ngoài phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn chia thành 4 chương như sau

Chương 1 Giới thiệu chung về bộ biến đổi DC-DC

Chương 2 Nguyên lý điều khiển trượt

Chương 3 Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC

Chương 4 Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab- Simulink Kết

luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 1.1 GIỚI THIỆU

1.2 PHÂN LOẠI CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN

1.3 KHÁI QUÁT VỀ MẠCH BĂM XUNG

a Phương pháp thay đổi độ rộng xung

b Phương pháp thay đổi tần số xung

1.4 CÁC BỘ BIẾN ĐổI DC-DC

1.4.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)

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

1.4.3 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)

1.5 CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP DC-DC

1.5.1 Chế độ dòng điện liên tục

1.5.2 Chế độ dòng điện gián đoạn

1.5.3 Chọn giá trị L min cho chuyển đổi điện áp DC-DC

1.6 KẾT LUẬN

Bộ biến đổi DC-DC có nhiều ưu điểm vượt trội như kết cấu mạch đơn giản, hoạt động cho hiệu suất cao nhờ kĩ thuật băm xung áp một chiều, tổn thất điện năng thấp Bằng phương trình toán học cũng cho biết làm thế nào ta chọn được Lmin cho ba bộ chuyển đổi (giảm áp, tăng áp và đảo áp) để chắc chắn hoạt động trong chế độ DĐGĐ hoặc DĐLT điện áp

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 2.1 GIỚI THIỆU

2.2 CÁC HỆ THỐNG CẤU TRÚC BIẾN

2.2.1 Điều khiển đối với các hệ thống điều chỉnh bằng

chuyển mạch đơn

2.2.2 Các mặt trượt

2.2.3 Cơ sở nguyên lí điều khiển trượt

2.3 XEM XÉT NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

2.3.2 Điều kiện tồn tại

2.3.3 Điều kiện tiếp cận

2.3.4 Mô tả hệ thống trong phương thức trượt

2.3.5 Rung (chattering)

2.4 KẾT LUẬN

Chương này nêu lên những vấn đề về nguyên lý điều khiển trượt Sau khi tìm hiểu phương pháp điều khiển trên, tác giả luận văn chọn phương pháp điều khiển trượt làm cơ sở cho việc nghiên cứu bởi vì phương pháp này có các ưu điểm là tính bền vững đối với sự thay đổi của nhiễu, đáp ứng nhanh và độ chính xác cao, phù hợp với các đối tượng điều khiển có tính phi tuyến mạnh Tuy nhiên phương pháp điều khiển trượt truyền thống có nhược điểm là xuất hiện hiện tượng

chattering, một hiện tượng không mong muốn, ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ điều khiển trượt Việc nghiên cứu hạn chế hiện tượng chattering là định hướng để nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI

DC-DC 3.1 MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI

DC-DC GIẢM ÁP

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

Hình 3.1: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp (u=1 là đóng, u=0 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 nghĩa là

x1 Vref  Vo (3.1)

C

i dt

dV dt

x2 1 (3.4)

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

2

1

x C R LC

V LC

x u LC

V x

(3.3) và (3.13) là phương trình trạng thái với các biến x 1 và x 2 của

bộ biến đổi DC-DC giảm áp

3.2 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

A

L

1 1 1 0

Thay phương trình (3.3), (3.13) vào (3.21) dẫn đến

 ( x )  c1x1 c2x 1  0 (3.22) Phương trình (3.22) mô tả hệ thống động trong chế độ trượt

Ta chọn luật điều khiển bám

0)(0

0)(1

x khi u

ra giới hạn i L  0

2 1 (V x1)

C R

Hình 3.2: Quĩ đạo của hệ thống và đường trượt trong mặt phẳng pha

của bộ biến đổi giảm áp

3.1.2 Điều kiện tồn tại chế độ trượt

Để chứng minh điều kiện tồn tại chế độ trượt trong v ng trượt của bộ giảm áp DC-DC ta lấy đạo hàm phương trình (3.21)

 (x)C T x0 (3.34)

Thay phương trình (3.19) vào (3.34) ta được

 (x)C T AxC T BuC T D (3.35)

Với điều kiện tồn tại cho v ng trượt từ phương trình (2.11) ta có:

0 ) ( 0

0 ) ( 0 )

x khi D C Bu C Ax C

T T T

LC

V V x LC

c x C R

c c

2 2 2 1

LC

V x LC

c x C R

c c

Vùng tồn tại chế độ trượt trong hình 3.3 cho c1c2 R L C và trong hình 3.4 cho c1c2 R L C Có thể nhìn thấy rằng, giá trị của c 1

giảm thì gây ra sự suy giảm của vùng tồn tại chế độ trượt (hệ số c 1

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

độ trượt) Từ phương trình (3.22) đáp ứng động của hệ thống ở bậc 1 với hằng số thời gian  c2 c1 Như vậy tốc độ đáp ứng cao nghĩa là

(V ref –V in ,,0) khi khóa(van) ngắt

Hình 3.4: Vùng tồn tại của chế độ trượt trong mặt phẳng pha

(V ref –V in ,,0) khi khóa(van) ngắt

c c

4.1.1 Xây dựng thông số mạch lực

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

Tham số ban đầu của bộ chuyển đổi DC-DC giảm áp được chọn

làV in24V,V o 12V, R L13, f s 100KHz Để mạch hoạt động chế

độ dòng điện liên tục thì

(max) (min)

2 (max)

min

2

) )(

(

in o

S o o in

V P

T V V V

V P

L

o o

o

1300

12

2

(max)

2 (min)

Thay vào phương trình (4.1) ta được Lmin 45H

- Chọn giá trị gợn sóng dòng điện i Llà 1A, ta tìm được giá trị điện cảm L cần thiết cho bộ chuyển đổi DC-DC giảm áp từ phương trình:

DT

i L t

i L V

s

L L

8

)1(

LCf

D D V

4.1.2 Mô hình hóa mạch động lực trên Matlab-Simulink

Hình 4.3: Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp

4.2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

4.2.1 Bộ điều khiển PID

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

kHz f

V V V V

R H L

F C

s o

in

L

100,

12,

24

,13,

60,

10

s

s S s

G c

Hình 4.5: Điều khiển PID cho bộ biến đổi giảm áp

4.2.2 Xây dựng bộ điều khiển trượt

Sử dụng bộ điều khiển trượt với mặt trượt (x)c1x1c2x2, ta xác định luật điều khiển sau:

c 1 ,c 2 là hằng số tích phân được lấy là dương

Hình 4.8: Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp

Giá trị c 1 ,c 2 được chọn sao cho giảm độ quá điều chỉnh thấp nhất với điều kiện là

C R

c c

Ta thấy độ dao động dòng điện là 1A quanh giá trị cân bằng 9.2A

và độ dao động điện áp rất nhỏ khoảng 0.003V

4.3 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VỚI ĐIỀU KHIỂN PID

Các kết quả sau đây được thực hiện mô phỏng điều khiển trượt với điều khiển PID trên cùng mô hình bộ biến đổi điện áp DC-DC

Qua dieu chinh =3V

Qua dieu chinh =28A Thoi gian xac lap =0.002s

Hình 4.12: Điện áp ra Vo và dòng điện qua L bằng điều khiển PID

Cho ta thấy thời gian xác lập là 0.002s và độ quá điều chỉnh dòng điện là 28A và điện áp ra là 3V

0 0.005 0.011 0.015 0.02 0.025 0

Thoi gian xac lap = 0.011s

Thoi gian xac lap = 0.011s

Hình 4.13 : Điện áp ra Vo và dòng điện qua L của điều khiển trượt

Cho ta thấy thời gian xác lập là 0.011s và độ quá điều chỉnh dòng điện không đáng kể

Bảng so sánh 4.1: Thời gian xác lập và độ quá điều chỉnh

Bộ điều khiển

Thông số

Điều khiển PID Điều khiển trượt

Thời gian xác lập

Độ quá điều chỉnh

Thời gian xác lập

Độ quá điều chỉnh Điện áp ra (Vo) 0.002s 3V 0.011s 0V Dòng điện qua L 0.002s 28A 0.011s 0A

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.1, ta thấy bộ điều khiển trượt có

thời gian xác lập lớn (0.011s) gấp 9 lần so với PID (0.002s), nhưng b lại độ quá điều chỉnh không đáng kể so với PID

4.3.2 Tác động của sự thay đổi điện áp vào (V in )

a Điện áp vào V in tăng từ 24V lên 28V

Bảng so sánh 4.2: Hệ thống làm việc khi điện áp vào từ 24V lên 28V

Bộ điềukhiển

Thông số

Điều khiển PID Điều khiển trượt

Thời gian xác lập

Dao động đỉnh-đỉnh

Thời gian xác lập

Dao động đỉnh-đỉnh Điện áp ra (Vo) 0s 0V 0s 0V

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.2 ta thấy điện áp ra cả hai bộ

điều khiển cho độ ổn định rất tốt điện áp ra khi điện áp vào Vin tăng

b Điện áp vào V in giảm từ 24V xuống 18V

Dao dong dinh-dinh =0.2V

Dao dong dinh-dinh =3.5A

Hình 4.16: Điện áp ra điều khiển PID khi V in giảm từ 24V đến 18V

Dao dong dinh-dinh =1A

Hình 4.17: Điện áp ra điều khiển trượt khi V in giảm từ 24V đến 18V

Bảng so sánh 4.3: Hệ thống làm việc khi V in từ 24V xuống 18V

Thời gian xác lập

Dao động đỉnh-đỉnh Điện áp ra (Vo)  0s 0.2V  0s  0V Dòng điện qua L  0s 3.4A  0s 1A

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.3, ta thấy điện áp ra của bộ

điều khiển trượt vẫn ổn định trong khi điện áp ra bộ điều khiển PID bắt đầu có gợn sóng điện áp tăng (0.2V) và dòng điện qua L là gián đoạn

4.3.3 Tác động sự thay đổi giá trị tải

a Hệ thống làm việc không tải (R L = 1.3kΩ)

Bảng so sánh 4.4: Hệ thống làm việc không tải (R L = 1.3kΩ)

Thời gian xác lập

Dao động đỉnh-đỉnh Điện áp ra (Vo) 0s 0.6V 0s 0V Dòng điện qua L 0s 3.4A  0 s  0A

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.4, ta thấy điện áp ra và dòng điện

qua L của điều khiển trượt rất ổn định so với điều khiển PID

b Hệ thống làm việc quá tải (R L = 1.3Ω)

Dao dong dinh - dinh =0.1V

Hình 4.20: Điện áp ra điều khiển PID khi hệ thống làm việc quá tải

Hình 4.21: Điện áp ra điều khiển trượt khi hệ thống làm việc quá tải Bảng so sánh 4.5: Hệ thống làm việc quá tải (R L =1.3Ω)

Thời gian xác lập

Dao động đỉnh-đỉnh Điện áp ra (Vo) 0s 0.1V  0 01s 0V Dòng điện qua L 0s 4A 0.005s 0A

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.5, ta thấy điện áp ra và dòng

điện qua L bộ điều khiển trượt rất tốt so với điều khiển PID, tuy nhiên thời gian xác lập của bộ điều khiển trượt lớn hơn gấp 10 lần so với điều khiển PID

c Hệ thống làm việc với tải có thành phần điện kháng

Thoi gian xac lap =0.3s

Thoi gian xac lap =0.3s Dao dong dinh-dinh =4.5A

Hình 4.22: Điện áp ra và dòng điện trên L điều khiển PID khi hệ

thống làm việc với tải có thành phần điện kháng

Thoi gian xac lap =0.02s

Thoi gian xac lap =0.35s

Hình 4.23: Điện áp ra và dòng điện trên L của điều khiển trượt khi hệ

thống làm việc với tải có thành phần điện kháng

Bảng so sánh 4.6: Hệ thống làm việc với tải có điện kháng

Thời gian xác lập

Dao động đỉnh-đỉnh Điện áp ra (Vo) 0.3s Không

đáng kể

s

02.0

Dòng điện qua L 0.3s 3.5A 0 35s 0.5A

*Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.6, ta thấy thời gian xác lập điện

áp luôn nhanh hơn thời gian xác lập dòng điện qua L, cả hai bộ điều khiển có độ ổn định tốt

4.4 KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI

DC-DC TĂNG ÁP

Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp có các thông số

mạch lực là:

kHz f

V V V V R

H L

F

Hình 4.28: Bộ biến đổi DC-DC tăng áp

Khi mô phỏng ta thu được các kết quả sau :

0 1 2 3 4

x 10-40

Hình 4.29: Điện áp ra của bộ biến đổi DC-DC tăng áp

*Nhận xét: Ta thấy điện áp ra tiến nhanh đến giá trị cân bằng trong

thời gian rất ngắn là 0.00005s, không xảy ra quá điều chỉnh và độ dao động điện áp ra rất nhỏ

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận văn đã giải quyết khá thành công yêu cầu của đề tài là

“nâng cao chất lượng bộ biến đổi DC-DC bằng điều khiển trượt”

mà cụ thể là bộ biến đổi giảm áp Bằng việc so sánh các kết quả mô phỏng giữa bộ điều khiển trượt và điều khiển PID ta thấy chất lượng điện áp ra bộ điều khiển trượt luôn ổn định và điều này thể hiện khả năng nâng cao chất lượng điện áp ra của bộ biển đổi DC-DC bằng bộ điều khiển trượt Luận văn này đã thực hiện được các yêu cầu sau:

- Làm rõ cấu trúc, đưa ra mô hình toán học của bộ biến đổi giảm áp

- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển trượt thông qua việc nghiên cứu các khái niệm về hệ thống cấu trúc biến, mặt trượt và tính tiếp cận được của các mặt trượt

- Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi giảm áp trên cơ sở

áp dụng nguyên lý điều khiển trượt, khảo sát tính ổn định trên mô hình toán học hệ thống

- Đưa ra cấu trúc của các bộ điều khiển trên nền Matlab & Simulink Thực hiện mô phỏng khảo sát các đặc tính chất lượng hệ thống, hoàn thiện thiết kế cho hệ thống

- So sánh kết quả điều khiển trượt với điều khiển PID để cho thấy rằng điều khiển trượt có ưu thế hơn nhiều so với điều khiển PID

- Đưa ra các kết quả điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC tăng

áp xuất phát từ ý tưởng luật điều khiển trượt của bộ biến đổi DC-DC giảm áp

Trong tương lai đề tài có thể được phát triển theo hướng sau:

- Thực hiện trên mô hình thực tế

- Có thể đưa iL vào biến trạng thái để thực hiện điều khiển cho ba

chuyển đổi giảm áp, tăng áp và đảo áp