Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Buck theo chế độ điện áp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.03 MB, 20 trang )
Thiết kế mạch vòng điều
chỉnh cho bộ biến đổi Buck
theo chế độ điện áp
9/28/2021
1
Mục lục:
1
u cầu thiết kế
2
Mơ hình hóa
3
Cấu trúc điều khiển
4
Tổng hợp bộ điều chỉnh
5
Kết quả mô phỏng
6
Kết luận
9/28/2021
2
1: Yêu cầu thiết kế
❖Thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi Buck với các thơng số:
•
•
•
•
•
•
•
Điện áp nguồn U1 = 48V
Điện áp ra U0 = Uc = 20V
Dòng tải 5A (R = 4Ω)
Điện cảm L = 100 μH
Điện dung C = 10 μF
Van MOSFET với tần số đóng cắt fsw = 100kHz
Điều khiển theo điện áp (Voltage mode)
L
D
C
uC=u0
Load
9/28/2021
iR
iC
Q
U1
iL
3
2: Mơ hình hóa
❖Sử dụng phương pháp trung bình mạng phần tử đóng cắt để
mơ hình hóa bộ biến đổi Buck.
➢Giả thiết
• Bộ biến đổi DC/DC được điều khiển theo phương pháp điều chế độ
rộng xung (PWM).
• Các phần tử phản kháng như L,C là tuyến tính.
• Van bán dẫn coi là đóng cắt lý tưởng.
• Nguồn điện là lý tưởng. Nguồn áp có nội trở bằng khơng.
➢Tuyến tính hóa bộ biến đổi Buck tại điểm làm việc cân bằng
d (t ) = D + dˆ (t )
u1 (t ) = U1 + uˆ1 (t )
i1 (t ) = I1 + iˆ1 (t )
u (t ) = U + uˆ (t )
2
2
2
i 2(t ) = I 2 + iˆ2 (t )
9/28/2021
(2.1)
4
2: Mơ hình hóa
➢ Mơ hình hóa bộ biến đổi Buck Converter
U 2 = DU1
I1 = DI 2
Hình1.1: Mơ hình trung bình
bộ biến đổi Buck
9/28/2021
(2.2)
u2 (t ) = d (t )u1 (t )
i1 (t ) = d (t )i2 (t )
(2.3)
U 2 + uˆ2 (t ) = [D + dˆ (t )][U1 + uˆ1 (t )]
I1 + iˆ1 (t ) = [D + dˆ (t )][I 2 + iˆ2 (t )]
(2.4)
5
2: Mơ hình hóa
uˆ2 = U1dˆ + Duˆ1
(2.5)
ˆ
iˆ1 = Diˆ2 + I 2 d
Hình 2.2: Mạch điện mơ tả bộ biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ
uˆ2 ( s )
=D
ˆ
ˆ
u 2 = Du1 + U1d
u1 ( s ) dˆ ( s ) =0
uˆ2 ( s )
uˆ2 ( s )
= U1
= U1
ˆ
ˆ
d ( s ) uˆ1 ( s ) =0
d ( s ) uˆ1 ( s ) =0
uˆo ( s )
Z RC
R
1
R
/
(
R
+
)
=
R
uˆo ( s ) = sC
sC
uˆ2 ( s ) Z RC + Z L
= RCs + 1 =
2
uˆ2 ( s )
R
1
R
R
+
Ls
+
RLCs
/ (R +
) + sL
+ sL
9/28/2021
6
sC
sC
RCs + 1
2: Mơ hình hóa
uˆ2 = U1dˆ + Duˆ1
iˆ1 = Diˆ2 + I 2 dˆ
Hình 2.2: Mạch điện mơ tả bộ biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ
uˆo ( s )
uˆo ( s ) uˆ2 ( s )
RU1
=
.
=
2
Gvd ( s ) = dˆ ( s )
ˆ
ˆ
u
(
s
)
R
+
Ls
+
RLCs
d
(
s
)
2
uˆ2 ( s )
uˆ1 ( s ) = 0
= U1
ˆ
d ( s ) uˆ1 ( s ) =0
uˆo ( s )
uˆo ( s ) uˆ2 ( s )
RD
Gvg ( s ) =
=
.
=
uˆ1 ( s ) dˆ ( s ) =0 uˆ2 ( s ) uˆ1 ( s ) R + Ls + RLCs 2
uˆo ( s )
R
=
uˆ2 ( s ) R + Ls + RLCs 2
uˆ2 ( s )
=D
uˆ1 ( s ) dˆ ( s ) =0
9/28/2021
7
2: Mơ hình hóa
- Hàm truyền điện áp đầu ra và hệ số điều chế:
uˆo ( s )
RU1
192
Gvd =
=
=
2
4e − 09s 2 + 0.001s + 4
dˆ ( s ) R + Ls + RLCs
- Đồ thị Bode hàm truyền:
9/28/2021
8
3: Cấu trúc điều khiển
❖Nhận xét mơ hình bộ biến đổi Buck
• Hàm truyền Gvd có tần số cắt xấp xỉ 35 kHz
• Độ dự trữ pha là PM = 6.6o
Cần phải nâng độ dự trữ pha của hệ thống.
Vì vậy, ta chọn bộ bù PID (lead-lag) để hệ thống có
tần số cắt fc = 20 kHz và độ dự trữ pha PM = 55o
Cấu trúc bộ bù PID (lead-lag):
s
1 +
z L
Gc ( s ) = Gco
1 +
s
s
1 +
p
9/28/2021
= Gco .Gc1 ( s )
9
3: Cấu trúc điều khiển
❖Từ các hàm truyền đạt, ta xây dựng được cấu trúc điều khiển
bộ biến đổi Buck
u
*
o
−
9/28/2021
iload
Zout
uin
Gvg
Voltage
Controller
uo
d
Gvd
10
4: Tổng hợp bộ điều chỉnh
❖ Biên độ và pha của hàm truyền Gvd ( s ) tại tần số cắt fc:
Gvd ( j ) = = 3.1783
c
( ) =c = = −168.0089
o
❖ Pha bộ bù: arcGc ( j ) = = PM − ( + 180) = 43
c
❖ Tần số của điểm không và điểm cực
f z = fc
f p = fc
9/28/2021
1 − sin(43) o
= 8.69(kHz )
o
1 + sin(43)
1 − sin(43) o
= 46.00(kHz )
o
1 + sin(43)
11
4: Tổng hợp bộ điều chỉnh
❖ Biên độ của hàm Gc1 ( s ) tại tần số cắt fc:
Gc1 ( j ) = = 2.3118
c
1
→ Gco =
0.136
Gvd ( jc ) . Gc1 ( jc )
❖ Chọn tần số f L :
f L = 1 . f c = 2kHz
10
❖ Bộ bù PID:
2.494e − 06 s 2 + 0.1676 s + 1712
Gc ( s ) =
3.459e − 06 s 2 + s
9/28/2021
12
4: Tổng hợp bộ điều chỉnh
❖ Kiểm chứng bộ bù trong cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp
✓ Tại tần số cắt fc = 20(kHz) độ dự trữ ổn định pha 49.3
9/28/2021
13
5:Kết quả mô phỏng
❖ Mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm MATLAB
❖ Thêm bộ khởi động mềm với tần số cắt 1kHz
❖ Kiểm tra phản ứng của bộ điều khiển khi:
• Giá trị đặt (Set Point) thay đổi
• Nguồn đầu vào Uin thay đổi (± 10%)
• Tải thay đổi (Khơng tải → Tải định mức → Quá tải 50%)
9/28/2021
14
5: Kết quả mô phỏng
❖ Khi giá trị đặt thay đổi:
9/28/2021
15
5: Kết quả mô phỏng
❖ Nguồn đầu vào thay đổi (± 10%)
9/28/2021
16
5: Kết quả mô phỏng
❖ Tải thay đổi (Không tải → Tải định mức → Quá tải 50%)
9/28/2021
17
5: Kết quả mô phỏng
❖ Tải thay đổi (Không tải → Tải định mức → Quá tải 50%)
9/28/2021
18
6: Nhận xét
➢Bộ biến đổi Buck là mơ hình tuyến tính, việc mơ hình hóa với tín
hiệu nhỏ là khơng cần thiết.
➢Bộ điều khiển PID (Lead-Lag) làm tăng độ dự trữ pha, điều
chỉnh tần số của hệ thống.
➢Bộ điều khiển PID có khả năng khử nhiễu, điều khiển được ở
một phạm vi rộng.
9/28/2021
19
9/28/2021
20
