Trust me bro

1. 1
BÀI TẬP LỚN
Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất
Đề tài:
Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost
theo chế độ dòng điện đỉnh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Hợp-20167964
Nguyễn Tuấn Anh-20160186
Giảng viên hướng dẫn: TS.Vũ Hoàng Phương

2. Nội dung trình bày
Phần 1: Yêu cầu bài toán
Phần 2: Mô hình hóa
Phần 3: Tính toán thông số mạch lực
Phần 4: Thiết kế bộ điều khiển
Phần 5: Mô phỏng và nhận xét
2

3. Phần I : Yêu cầu bài toán
 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Boost theo chế
độ dòng điện đỉnh
+ Nội dung thiết kế: Mô hình hóa, Cấu trúc điều khiển và cách
thức tính toán bộ điều chỉnh (bộ bù).
+ Mô phỏng cấu trúc điều khiển:
 Tải thay đổi
 Nguồn thay đổi ±10%
 Nhận xét kết quả mô phỏng
3

4. Phần II: Mô hình hóa
 Phương pháp không gian trạng thái trung bình:
 Sơ đồ bộ biến đổi boost (𝑟𝐿 = 0)
Hình 2.1: Sơ đồ bộ biến đổi boost
4

5. Phần II: Mô hình hóa
Khi van V on:
5
( ) g
L
V
di t
dt L

( ) 1
( )
( )
c
c
C
dv t
v t
dt C R r
 

( ) ( )
( )
o c
C
R
v t v t
R r


(1)
(2)
(3)
( ) 0 0 1
( )
1
0 ( )
( )
0
( )
L
L
g
c
c
C
di t
i t
dt
V
L
v t
dv t
C R r
dt
     
   
   
 
   
   
  
  
   
 
 
 
( )
( ) 0
( )
( )
L
o
c
C
i t
R
v t
v t
R r
   
    
  
 
(4)
(5)

6. Phần II: Mô hình hóa
 Khi van V off:
6
.
( ) 1 1
( ) ( )
( ) ( )
g
C
L
L c
C C
V
R r
di t R
i t v t
dt L R r L R r L
   
 
( ) 1 1 1
( ) ( )
( ) ( )
c
L c
C C
dv t R
i t v t
dt C R r C R r
 
 
.
( ) ( ) ( )
( ) ( )
C
o L c
C C
R r R
v t i t v t
R r R r
 
 
(6)
(8)
(7)
.
( )
1
( ) ( ) ( )
( )
( ) 1
0
( ) ( )
C
L
C C L
g
c
c
C C
R r R
di t
L R r L R r i t
dt
V
L
v t
dv t R
C R r C R r
dt
 
     
 
       
 
 
     
   
    
 
   
   
( )
.
( )
( )
( ) ( )
L
C
o
c
C C
i t
R r R
v t
v t
R r R r
   
    
   
 
(10)
(9)

7. Phần II: Mô hình hóa
7
' ' '
'
. . . . .
1 1
( )
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) . 1
0
( )
( ) ( )
C C
L
C C L C
g
c
c
C
C C
D R r D R D R r
di t
L R r L R r i t L L R r
dt
V
v t
dv t R
D R
dt C R r
C R r C R r
   
   
   
    
 
   
 
   
   
 
  

   
 
  
 
   
 
'
( )
. .
( )
( )
( ) ( )
L
C
o
c
C C
i t
D R r R
v t
v t
R r R r
   
    
   
 
(11)
(12)
Với: '
1
D D
  (13)

8. Phần II: Mô hình hóa
8
ˆ
( )
ˆ
( )
ˆ
( )
ˆ
( )
L L L
C C C
o o o
d t D d
i t I i
v t V v
v t V v
 
 
 
 
'
' '
( )
ˆ ( ) ˆ
ˆ ˆ
( ) . . ( ) ( ) ( )
( . )
C g
o
C L o
C
R r V
dv t
C R r R D i t d t v t
dt D D R r

   

' '
'
ˆ
ˆ ( ). ( ).
( ) ˆ ˆ
( ) . . . ( ) . . ( ) C g
L
C C L o
R r d t V
di t
L R r R r D i t R D v t
dt D

    
2 '2
' '
' '
' 2
( . ( ). )(1 . . )
ˆ ( ) ( . )
( )
ˆ . ( . )
( )
( . . ) ( )
( )
g
C C
o C
vd
C
C C
C
V
R D s R r L s r C
v s D D R r
G s
D R D R r
d s
s L Rr C D s R r LC
R r
  

 

   

'
' '
' '
' 2
.
(1 ( ). )
ˆ .
( )
( )
ˆ . ( . )
( )
( . . ) ( )
( )
g
C
C
L
id
C
C C
C
V D R
s R r C
D D R r
i s
G s
D R D R r
d s
s L Rr C D s R r LC
R r
  

 

   

(14)
(15)
(16)
(17)

9. Phần III:Tính toán thông số
mạch lực
 Chọn các tham số:
 Điện áp nguồn: Vg = 8 (VDC)
 Điện áp ra: Vo = 20(VDC)
 Tải R = 10(Ω)
 Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm: 𝑖𝐿= 15%.𝐼𝐿
 Độ đập mạch điện áp trên tụ: 𝑢𝐶= 0,5%.𝑈𝑜
 𝑟𝑒𝑠𝑟 = 𝑟𝐶 = 8𝑒 − 3(Ω)
 Tần số phát xung fs = 200kHZ
9

10. Phần III:Tính toán thông sô
mạch lực
10
Hệ số điều chế(duty cycle):
Dòng điện trung bình qua cuộn cảm :
Giá trị cuộn cảm:
𝐿 =
𝑉𝑔.𝐷
𝑓𝑠.𝛥𝑖𝐿
=
8.0,6
2.105.0,75
= 3,2.10−5(H)
Giá trị tụ điện:
𝐶 =
𝐼𝐿.𝐷
𝑓𝑠.𝛥𝑈𝑜
=
5.0,6
2.105.0,1
= 1,5.10−4 𝐹
8
1 1 0.6
20
Vg
D
Vo
    
20
5( )
(1 ). (1 0.6).10
o
L
V
I A
D R
  
 

11. Phần IV: Thiết kế bộ điều khiển
11
Sơ đồ điều khiển theo nguyên lý dòng điện đỉnh:

12. Phần IV: Thiết kế bộ điều khiển
Mạch vòng dòng điện ở chế độ điều khiển dòng điện
đỉnh:
12

13. Phần IV: Thiết kế bộ điều khiển
13
Từ (16) và (17) ta được:
 
2
1
2
p RHP
D R
RC L
 

 
1
( ) (1 )
( )
( ) 2 1
vd RHP
vi
id
p
s
G s D R
G s
s
G s




  

(18)
(19)

14. Phần IV: Thiết kế bộ điều khiển
• Chứng minh công thức (18): đồ thị bode hai hàm
và gần như tương đương nhau trong dải tần số từ
10−3
𝑘𝐻𝑍 đến 10kHz.
14
( )
( )
vd
id
G s
G s
1
(1 )
2 1
RHP
p
s
D R
s






15. Phần IV: Thiết kế bộ điều khiển
trên matlab:
15
( )
vi
G s
𝐺𝑣𝑖 =
−4𝑒−05 𝑠 + 2
0.00075 𝑠 + 1

16. Phần IV: Thiết kế bộ điều khiển
• Đồ thị bode :
16
( )
vi
G s

17. Phần IV Thiết kế bộ điều khiển
• Bộ bù loại II:
 Một điểm cực được đặt ở gốc mặt phẳng phức.
 Độ dự trữ pha của bộ bù được tính bởi:
theta= (-90) + PM –phase1
• PM: là độ dự trữ pha hệ hở
• phase1: góc pha của đối tượng tại tần số fc.
17
1
1
( )
1
cz
c c
cp
s
G s K
s
s


 

 
 

 

 
 
(20)

18. Phần IV Thiết kế bộ điều khiển
 Tần số điểm không và điểm cực được xác định bởi công
thức:
 Tần số cắt chọn nhỏ hơn 1/10 tần số phát xung
 Tần số cắt fc nên nhỏ hơn 1/5 tần số 𝑓𝑅𝐻𝑃(𝑓𝑅𝐻𝑃=7957.7)
Chọn fc= 1000(Hz)
 Sử dụng lệnh [mag1,phase1]=bode(Gvi,2*pi*1000) ta
có biên độ và pha của đối tượng Gvi(s) tại tần số
1000Hz. 18
 
2* * ; 2* *
cz z cp p
pi f pi f
 
 
1 sin( )
.
1 sin( )
z c
f f





1 sin( )
.
1 sin( )
p c
f f






19. Phần IV Thiết kế bộ điều khiển
𝐺𝑣𝑖(𝑗𝜔) 𝜔=𝜔𝑐
= 0.41843
𝜑(𝜔) 𝜔=𝜔𝑐
= 𝑎𝑟𝑐𝐺𝑣𝑖(𝑗𝜔) 𝜔=𝜔𝑐
= 274.8180
• Sử dụng lệnh [mag2,phase2]=bode(Gc1,2*pi*1000) ta
có biên độ và pha của đối tượng 𝐺𝑐1 (s) tại tần số
1000Hz.
𝐺𝑐1(𝑗𝜔) 𝜔=𝜔𝑐
= 4.3944𝑒 − 04
𝜑(𝜔) 𝜔=𝜔𝑐
= 𝑎𝑟𝑐𝐺𝑐1(𝑗𝜔) 𝜔=𝜔𝑐
= −39,81840
• Biên độ bộ bù được xác định bởi:
19
1
5.4384 3
1* 2
c
k e
mag mag
  

20. Phần IV Thiết kế bộ điều khiển
• Thiết kế bộ bù trên matlab:
20
 Tần số cắt fc=1000 Hz
 Độ dự trữ pha PM=55
2
2.39 5438
( )
5.764 5
c
s
G s
e s s


 

21. Phần IV Thiết kế bộ điều khiển
Đồ thị bode sau khi có bộ bù:
21
 Nhận xét:
• Hệ ổn định
• Tần số cắt và độ dự trữ pha đúng với thiết kế

22. Phần IV Thiết kế bộ điều khiển
Bù độ nghiêng:
 Với cấu trúc dòng điện điện đỉnh ta chỉ cần tổng hợp mạch
vòng điện áp nhưng cấu trúc này lại xuất hiện hiện tượng dao
động.
 Điều kiện để điều khiển ổn định là D <0.5
 Khi D>0.5 ta cần thêm lượng bù độ nghiêng dòng điện đặt mc
22
1
in
V
m
L
  2
out in
V V
m
L


2 1
2
sc
m m
m


Chọn 350000
sc
m  (A/s)
*
. .
cmp sc s
i i m DT
 

23. Phần IV Thiết kế bộ điều khiển
• Mạch vòng dòng điện trong cấu trúc điều khiển dòng điện
đỉnh:
• Trong đó lượng đặt dòng điện sẽ được bù bởi tín hiệu răng
cưa có hệ số góc bằng mc và chu kỳ bằng chu kỳ xung
clock(clk).
mc=msc*D*Ts
23

24. Phần V: Mô phỏng và nhận xét
24
 Xét các ảnh hưởng:
• Tải thay đổi
• Nguồn dao động ±10%

25. Phần V: Mô phỏng và nhận xét
•Kịch bản mô phỏng:
TH1: Khi thay đổi tải
t(s): 0 0.05 0.1
Tải: R R/2
TH2: Khi thay đổi nguồn
t(s): 0 0.03 0.06 0.1
Vg(V): 0.9*Vg Vg 1.1*Vg
25

26. Phần V: Mô phỏng và nhận xét
Tải thay đổi từ R xuống R/2:
26

27. Phần V: Mô phỏng và nhận xét
27

28. Phần V: Mô phỏng và nhận xét
 Nguồn dao động ±10%
28

29. Phần V Mô phỏng và nhận xét
Nhận xét:
 Bộ điều khiển cho đáp ứng tốt
 Điện áp ra bám với giá trị đặt cả khi có và không
có ảnh hưởng.
 Tốc độ đáp ứng nhanh khoảng 0,005s.
 Độ đập mạch điện áp nhỏ khoảng 0,22%.
29

30. CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ
LẮNG NGHE
30