Điều khiển điện tử công suất DCDC bộ BUCK theo phương pháp phản hồi trạng thái

1. ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Giảng viên hướng dẫn: Ts. Nguyễn Kiên Trung
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Duy Cảnh - 20200070
Nguyễn Đức Trung - 20200645
Đề tài: Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Buck
theo phản hồi trạng thái

2. NỘI DUNG
I. Thiết kế mạch lực
II.Mô hình hóa bộ biến đổi
III. Thiết kế bộ điều khiển
IV. Mô phỏng kiểm chứng
V. Kết luận

3. I. Thiết kế mạch lực
Sơ đồ mạch lực BBĐ Buck Converter
Yêu cầu thiết kế
• Điện áp vào: 𝑉
𝑔 = 28𝑉 ± 10%
• Điện áp ra: 𝑉
𝑜 = 15𝑉
• Dòng điện ra: 𝐼𝑜 = 10A
• Tần số đóng cắt: 𝑓𝑠 = 100𝑘𝐻𝑧
- Hệ số điều chế: 𝐷 =
𝑈0
𝑈𝑔
=
15
28
= 0,536
- Dòng TB qua cuộn cảm chính bằng dòng tải yêu cầu:
𝐼𝐿 = 𝐼0 = 10𝐴
- Chọn độ đập mạch dòng qua cuộn cảm:
Δ𝑖𝐿 = 15%. 𝐼𝐿 → 𝐿 =
𝐷𝑇 𝑈𝑔 − 𝑈0
Δ𝑖𝐿
= 46.45 µH
- Điện áp làm việc của tụ: 𝑈𝑐 = 𝑈0 = 15V
- Đập mạch điện áp tụ đầu ra: Δ𝑢𝑐 = 2.1%. 15 = 0.3𝑉
Δ𝑢𝑐 =
T. Δ𝑖𝐿
8𝐶
→ 𝐶 =
T. Δ𝑖𝐿
8Δ𝑢𝑐
= 6.25µF

4. I. Thiết kế mạch lực
1/ Van MOSFET
- Dòng trung bình qua van: 𝐼𝑉 = 𝐼𝐿. 𝐷 = 5.36A
- Điện áp khoá đặt lên van: 𝑈𝑉 = 𝑈0 = 15𝑉
- Dòng điện đỉnh chạy qua van: 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐼𝐿 +
Δ𝐼𝐿
2
= 10.75𝐴
❖ Thông số trên Mosfet và Diode
2/ Diode
- Dòng trung bình qua diode: 𝐼𝐷 = 1 − 𝐷 𝐼𝐿 = 4.64𝐴
- Điện áp ngược đặt lên diode khi diode khoá: 𝑈𝑛𝑔,𝐷 = 𝑈0 =
15𝑉
- Dòng điện đỉnh chạy qua diode: 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐼𝐿 +
Δ𝐼𝐿
2
= 10.75𝐴
❖ Lựa chọn linh kiện
Cuộn cảm xuyến
50µH - 3A
Tụ lọc đầu ra
100 µF - 35V
N-Mosfet
SPW35N60C3 – 34.6A 650V
MUR1560G
Ultra-Fast Recover 15A 600V

5. II. Mô hình hóa bộ biến đổi
Trạng thái 1 của mạch Buck
Phương trình cho trạng thái 1
Trong đó:
Trạng thái 1 của mạch Buck

6. II. Mô hình hóa bộ biến đổi
Trạng thái 2 của mạch Buck
Phương trình cho trạng thái 2
Trong đó:
Trạng thái 2 của mạch Buck

7. II. Mô hình hóa bộ biến đổi
❖ Mô hình không gian trạng thái tổng quát:
ቐ
𝑑𝑥
𝑑𝑡
= 𝑑𝐴1 + 1 − 𝑑 𝐴2 𝑥 + 𝑑𝐵1 + 1 − 𝑑 𝐵2 𝑢
𝑦 = 𝑑𝐶1 + 1 − 𝑑 𝐶2 + 𝑑𝐷1 + 1 − 𝑑 𝐷2 𝑢
Với: 𝑥 =
𝑖𝐿
𝑢𝐶
, 𝑦 = 𝑢𝑜, 𝑢 = 𝑣𝑔
❖ Mô hình tổng quát của BBĐ Buck converter dược viết lại như sau:
ሶ
𝑖𝑙
ሶ
𝑢𝑐
=
−
1
𝐿
𝑅𝑟𝑐
𝑅 + 𝑟𝑐
+ 𝑟𝐿 −
1
𝐿
𝑅
𝑅 + 𝑟𝑐
1
𝐶
𝑅
𝑅 + 𝑟𝑐
−
1
𝐶
1
𝑅 + 𝑟𝐶
𝑖𝐿
𝑢𝐶
+ 𝑑
1
𝐿
0
𝑣𝑔
𝑢𝑜 =
𝑅𝑟𝑐
𝑅 + 𝑟𝐶
𝑅
𝑅 + 𝑟𝐶
𝑖𝐿
𝑢𝐶
Bỏ qua các thành phần
𝑟𝑐, 𝑟𝐿
Các ma trận của mô
hình KGTT
𝐴 =
0 −
1
𝐿
1
𝐶
−
1
𝑅𝐶
B =
1
𝐿
0
C = [0 1] và D = 0

8. III. Thiết kế bộ điều khiển
Cấu trúc điều khiển DC/DC theo phương pháp phản hồi trạng thái

9. III. Thiết kế bộ điều khiển
Bước 1
Xây dựng mô hình đối tượng BBĐ Buck sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ dưới dạng không gian trạng thái ( xét khi ො
u = 0 )
𝑑𝑥
^
𝑑𝑡
= 𝐴𝑠𝑠𝑥
^
+ (𝐴1 − 𝐴2)𝑋 + (𝐵1 − 𝐵2)𝑈 𝑑
^
𝑦
^
= 𝐶𝑠𝑠𝑥
^
+ (𝐶1 − 𝐶2)𝑋 + (𝐷1 − 𝐷2)𝑈 𝑑
^

10. III. Thiết kế bộ điều khiển
Bước 2
Xác định ma trận K để hệ có điểm cực mong muốn. Dạng điểm cực mong muốn có thể được lựa chọn theo gợi ý sau :
𝑝𝑛 = −𝜁𝑛𝜔𝑛 + 𝑗𝜔𝑛 1 − 𝜁𝑛
2
− 𝜁𝑛𝜔𝑛 − 𝑗𝜔𝑛 1 − 𝜁𝑛
2
Trong đó có :
- Hệ số tắt dần : 𝜁n = 0.7
- Tần số dao động riêng : 𝜔n
Sau đó mới gán điểm cực mới cho hệ, với ma trận K được tính theo phương pháp Ackerman là :
K = acker(A,B,[p1 p2])

11. III. Thiết kế bộ điều khiển

12. III. Thiết kế bộ điều khiển
Bước 3
Tìm hàm truyền của hệ con – đối tượng của bộ điều chỉnh, từ đó để tìm ra hàm số Kc ( bộ bù loại I)
• Mô hình trạng thái của hệ sau khi gán điểm cực mới:
ቐ
𝑥
~
.
= (𝐴 − 𝐵. 𝐾)𝑥
~
+ 𝐵. 𝜔
~
𝑦
~
= 𝐶. 𝑥
~
• Hàm truyền của hệ con: 𝐻0𝑖(𝑠) =
𝑦
~
(𝑠)
𝜔
~
(𝑠)
= 𝐶[sI−(A−B.K)]−1
. 𝐵

13. III. Thiết kế bộ điều khiển
Bước 4
Xác định hệ số Kc
• Lựa chọn tần số cắt phù hợp. Xác định hệ số Kc sao cho hệ hở có biên độ bằng 1 tại tần số cắt đã được lựa chọn:
อ
𝐾𝐶
1
𝑗𝜔
𝐻0𝑖 𝑗𝜔
𝜔=𝜔𝐶
= 1
• Từ Matlab ta tính ra được fc = 500Hz
• Kc = 104,1706

14. III. Thiết kế bộ điều khiển
%----thiet ke phan hoi trang thai-----
clear all
clc
%-Thong so ---
C = 100e-6; %tu dien
L = 50e-6; %cuon cam
R = 3; %Tai thuan tro
D = 15/28; %He so dieu che
Uc=15; %gia tri xac lap dien ap tren tu
IL=Uc/R;%gia tri xac lap dong qua cuon cam
E=28; %gia tri xac lap dien ap dau vao
%-----Mo hinh trang thai------
A=[0 -1/L;1/C -1/(R*C)];
B=[E/L ;0];
C=[0 1];
%--Diem cuc cu ----
pole=eig(A)
%---ham truyen dat truoc khi gan diem cuc---
[num,den]=ss2tf(A,B,C,0);
G_cu=tf(num,den);
subplot(1,3,1)
rlocus(G_cu);title('Quy dao nghiem so truoc khi
gan diem cuc');grid on
❖ M-file %---Diem cuc moi mong muon------
wn=6000;
si=0.7; % he so tat dan damping
p1=-si*wn+j*wn*sqrt(1-si*si);
p2=-si*wn-j*wn*sqrt(1-si*si);
%Xac dinh ma tran khuech dai K (hay bo dieu khien)theo
phuong phap ackerman
K=acker(A,B,[p1 p2]);
%Mo hinh trang thai moi :
A_moi= A-B*K;
% Ham truyen he ho sau khi gan diem cuc:
[num_moi,den_moi]=ss2tf(A_moi,B,C,0);
G_moi=tf(num_moi,den_moi);
subplot(1,3,2)
rlocus(G_moi);title('Quy dao nghiem so sau khi gan diem
cuc');grid on
%Bo dieu chinh tich phan Kc/s = Kc*Gc1 voi Gc1=1/s
fc=500; % chon tan so cat mong muon
Gc1=tf(1,[1 0]);
[mag_Gc1 ,phase_Gc1]=bode(Gc1,2*pi*fc);
[mag_Gmoi,phase_Gmoi]=bode(G_moi,2*pi*fc);%bien do va
pha cua ham truyen cua khau phan hoi trang thai
Kc=1/(mag_Gc1*mag_Gmoi);
subplot(1,3,3)
bode(Kc*Gc1*G_moi); title('Do thi bode he ho ');grid on

15. III. Thiết kế bộ điều khiển
Đồ thị Bode hàm truyền hệ hở

16. IV. Mô phỏng kiểm chứng
Sơ đồ mô phỏng sử dụng Matlab trên miền liên tục

17. Kịch bản mô phỏng
- Thời gian mô phỏng 0.2s
- Nhiễu đầu vào 1V, 100Hz
- Đặt giá trị điện áp đầu ra 10V trong 0.05s đầu tiên,
sau đó tăng lên đến định mức 15V
- Tại 0.1s tải thay đổi từ 50% tải lên 100% tải
Sơ đồ mạch lực
IV. Mô phỏng kiểm chứng

18. ❖ Kết quả mô phỏng khi không có nhiễu đầu vào
10V
15V-50% tải 15V-100% tải
IV. Mô phỏng kiểm chứng

19. ❖ Kết quả mô phỏng khi có nhiễu điện áp đầu vào
IV. Mô phỏng kiểm chứng
10V
15V-50% tải 15V-100% tải

20. ❖ Kết quả mô phỏng khi phóng to và đáp ứng của Bộ điều khiển
Kết quả phóng to (Định mức - 100% tải)
0.009 – 1.68%
0.68A – 6.8%
0.003s
Điện áp đầu ra (độ quá điều chỉnh 5.3%)
Dòng điện đầu ra
0.003s
0.01V
IV. Mô phỏng kiểm chứng

21. Mô phỏng trên miền gián đoạn
Integrator Discrete-Time
Integrator
Sơ đồ mô phỏng sử dụng Matlab trên miền gián đoạn
IV. Mô phỏng kiểm chứng

22. ❖ Kết quả mô phỏng khi không có nhiễu đầu vào
10V
15V-50% tải 15V-100% tải
IV. Mô phỏng kiểm chứng

23. ❖ Kết quả mô phỏng khi có nhiễu điện áp đầu vào
10V
15V-50% tải 15V-100% tải
IV. Mô phỏng kiểm chứng

24. ❖ Kết quả mô phỏng khi phóng to và đáp ứng của Bộ điều khiển
0.008 – 1.5%
0.0012V
0.6A – 6%
0.015s
Điện áp đầu ra
Dòng điện đầu ra
0.007s
IV. Mô phỏng kiểm chứng

25. V. Kết luận
- Bộ biến đổi Buck được mô hình hóa và thiết kế cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái với chất lượng đáp
ứng tốt, thời gian đáp ứng nhanh.
- Kết quả mô phỏng từ miền liên tục đến miền gián đoạn cho ta thấy được những phản ứng của bộ biến đổi
khi có tác động của bộ điều khiển với thời gian đáp ứng nhanh, độ đập mạch dòng điện, điện áp đạt ngưỡng
cho phép. Từ đó bước đầu đã đạt được yêu cầu thiết kế, qua đó chứng minh tính đúng đắn của cấu trúc điều
khiển.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Thiết kế điều khiển điện tử công suất – PGS.TS. Vũ Hoàng Phương, PGS.TS. Trần Trọng Minh
2. Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất – Phạm Quốc Đạt
3. Bài giảng Điều khiển điện tử công suất – TS. Nguyễn Kiên Trung

26. THANK YOU!