Bài giảng Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất - Điều khiển bộ biến đổi DC/DC theo chế độ dòng điện

11/2015 1 HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336) ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC THEO CHẾ ĐỘ DÒNG ĐIỆN (CURRENT MODE – CM) TS. Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hoàng Phương BM. Tự động hóa CN – Viện Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội NỘI DUNG 11/2015 2 Cấu trúc điều khiển Phương pháp thiết kế cho cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh Ví dụ cho bộ biến đổi Buck Ví dụ cho bộ biến đổi Boost Kết luận CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 11/2015 3 * Li * ou * Li * ou S R Q Q Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển gián tiếp (indirect mode) cho bộ biến đổi DC/DC, a) điều khiển nguyên lý dòng điện trung bình (average current), b) điều khiển theo nguyên lý dòng điện đỉnh (peak current). CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN 11/2015 4 Trong thực tế, điều khiển theo nguyên lý dòng điện đỉnh được sử dụng rộng rãi cho các bộ biến đổi DC/DC, điều khiển theo nguyên lý dòng điện trung bình sẽ được sử dụng cho bộ biến đổi PFC.                           * ˆ ˆ0 0 ˆ ˆ0 0 ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ in in in in o o o vi L L Lu s u s u s u s u s u s u s d s G s i s i s i sd s         Nếu sử dụng cấu trúc dòng điện đỉnh, ta chỉ cần phải tổng hợp cấu trúc bộ điều khiển điện áp. D<0,5 D>0,5 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ĐỈNH 11/2015 5 Ta xét dạng dòng điện qua cuộn cảm iL khi có biến động nhỏ của dòng xác lập tại đầu mỗi chu kỳ:    00 0LL Li I i   Trong khoảng 0 < t < DTs dòng qua cuộn cảm có độ tăng m1, trong khoảng DTs < t < Ts dòng có độ giảm m2. Trong giai đoạn đầu, dòng điện tăng tuyến tính đến khi đạt đến giá trị iL(dTs) = ic, .Do đó, trong giai đoạn dòng giảm tuyến tính:       1 1 0 0 L s c L s c L s i dT i i m dT i i d m T             2 1 2 ' 0 ' L s L s s L s s i T i dT m d T i m dT m d T        sD d T  sd T   L si T   0 0L LI i  CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ĐỈNH 11/2015 6 Trong chế độ xác lập, iL(0) = iL(Ts), d = D, m1 = M1, m2 = M2. Vì vậy ta có: 2 1 2 1 ' 0 ' s s M D M DT M D T M D          1 2 0 0 ' L L Ls m D i T i i m D                       2 2 0 ' ' L L Ls s D D i T i T i D D                        1 2 0 0 ' L L Ls m D i T i i m D                       1 0 ' ' n L L Ls s D D i nT i n T i D D                    Biến động nhỏ ở đầu chu kỳ (0) và cuối chu kỳ (Ts) đều xảy ra trong khoảng biến động nhỏ , do đó: sdT Vậy đến chu kỳ tiếp theo, ta có: Như vậy sau n chu kỳ ta có:  1 0 ' L s D i nT D     D < 0,5 là điều kiện để điều khiển theo dòng điện có thể ổn định. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ĐỈNH 11/2015 7 Ví dụ đối với ba loại DC-DC cơ bản m1, m2 có các giá trị sau: 1. buck converter: 1 g ov vm L   2 ovm L    2. boost converter: 1 gvm L  2 g ov vm L    3. buck-boost converter: 1 gvm L  2 ovm L         ' 1L L L s c si k i k i k m dT m dT            ' 2 1 1 1L L L s c s i k i k i k m dT m dT               2 1 1 1L c L c i k m m i k m m        2 1 2 c m m m   Minh họa tính toán bù độ nghiêng của lượng đặt dòng điện Cách tính đại lượng cần bù mc Sai lệch dòng điện ở thời điểm thứ k Sai lệch dòng điện ở thời điểm thứ (k+1) Tỷ số sai lệch dòng điện được xác định: sd T  c sm dT   Li k  1Li k  ' Li i 1 sm dT  2 sm dT  CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ĐỈNH 11/2015 8 Ví dụ đối với ba loại DC-DC cơ bản m1, m2 có các giá trị sau: 1. Với buck converter: 2. Với boost converter:       0 1 1 1 g o m c v p p v s G s K R si s RC                     0 2 1 1 2 1 12 g o RHZ m c v p p RHZ s v s D R G s K si s D R RC L                 ci S R Q Q CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ĐỈNH 11/2015 9 3. Với buck-boost converter:               0 2 1 1 1 1 1 1 g o RHZ m c v p p RHZ s v s D R G s K si s D D D R RC D L                   Trong trường hợp xét đến ảnh hưởng điện trở nối tiếp với tụ điện (ESR – effective series resistor) thì các hàm truyền trên đều có dạng tổng quát sau:     1 1 esr ERZ ERZ c s G s G s r C           ci S R Q Q VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BUCK 11/2015 10 Yêu cầu thiết kế: Thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi kiểu Buck có thông số như sau: điện áp nguồn 28V, điện áp ra 15V cho dòng tải 5A (R = 3Ω), L =50µH, C= 500µF, tần số phát xung 100kHz. S R Q Q ci Mạch vòng dòng điện ở chế độ điều khiển dòng điện đỉnh VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BUCK 11/2015 11       0 1 1 1 1 g o vc m c v p m p v s G s K R si s K RC            Hàm truyền điện áp và dòng điện: Hàm truyền điện áp và dòng điện có dạng khâu quán tính bậc 1, trong trường hợp này ta sử dụng bộ điều chỉnh PI cho mạch vòng điện áp   1 L PI c G s K s        Cấu trúc bộ điều chỉnh PI Chọn ωL= ωp để khử hằng số thời gian đối tượng (đặt điểm zero của bộ điều chỉnh trùng với điểm cực đối tượng) Do đó, haàm truyền kín mạch vòng điều chỉnh điện áp xác định:              0* 1 1 1 1 g o vc PI k v o vc PI c p v s G s G s G s v s G s G s s K R               c qd C K T  Tqd – hằng số thời gian do người thiết kế lựa chọn. VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BUCK 11/2015 12 0 5 10 15 20 25 vO(V) 0 2 4 6 8 10 iL-ref(A) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 2 4 6 8 t(s) iL(A) VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST 11/2015 13 Mạch vòng dòng điện ở chế độ điều khiển dòng điện đỉnh Yêu cầu: Thiết kế bộ bù cho bộ biến đổi kiểu Boost trong chế độ điều khiển dòng điện có thông số như sau: điện áp nguồn 5V, điện áp ra 18V, tải R = 6Ω (dòng tải 3A), L =20µH, C= 480µF, rC =8e-3Ω và tần số phát xung 200kHz. S R Q Q ci VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST 11/2015 14           0 2 1 1 2 1 12 3,6841 2 g o RHZ vc m c v p p RHZ s v s D R G s K si s D R f kHz RC L                  Hàm truyền điện áp và dòng điện: -30 -20 -10 0 10 20 M a g n itu d e ( d B ) Bode Diagram Frequency (kHz) 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 180 225 270 315 360 System: Gui Phase Margin (deg): 104 Delay Margin (sec): 0.000855 At frequency (kHz): 0.338 Closed loop stable? Yes P h a s e ( d e g ) Hình 8.5 Đồ thị bode của hàm truyền đạt biến đổi kiểu Boost VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST 11/2015 15 Chúng ta sẽ đưa ra các bước thiết kế cho mạch vòng điện áp sử dụng bộ bù loại II trong cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh theo các bước sau: Bước 1: Một điểm cực được đặt tại gốc mặt phằng phức (mạch vòng có chứa thành phần tích phân). Bước 2: Tần số điểm không được đặt tại 1/5 tần số cắt được lựa chọn z c f f Bước 3: Tần số điểm cực được đặt trùng với tần số điểm không do thành phần ESR hoặc tần số điểm không do thành phần RHP gây ra, tùy thuộc vào tần số nào thấp hơn. 3.6841 p RHP f f kHz  Bước 4: Tần số cắt được lựa chọn bé hơn hoặc bằng 1/10 tần số phát xung. Bước 5: Tần số cắt được lựa chọn bé hơn hoặc bằng 1/5 tần số điểm không do thành phần RHP gây ra. Trong trường hợp này tần số cắt fc sẽ được lựa chọn là 1kHz và đây cũng là tần số điểm không fz tại bước 2: 1 c f kHz VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST 11/2015 16 Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gui,2*pi*1000) ta có biên độ và pha của đối tượng G(s) tại tần số 1000Hz       0,3571 arc 266,11 c c c ui ui G j G j                  Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gc1,2*pi*1000) ta có biên độ và pha của hàm truyền Gc1(s) (hàm truyền của bộ bù chỉ có 1 điểm không, 1 điểm cực và 1 điểm cực tại gốc tọa độ) tại tần số 1kHz là:       1 0 1 2,2176 4 arc 54,8490 c c c c c G j e G j                    Biên độ của bộ bù được xác đinh:     1 1 1 1,2628 4 0,3571.2,2176 4 c c co vd c G e G j G j e              VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST 11/2015 17 //Chương trình Matlab (m-file) tính toán tham số bộ bù loại II clear all clc %% % Tham so bo bien doi boost rC=80e-3; %esr rL=0; C = 480e-6; %tu dien L = 20e-6; %cuon cam R = 6; %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 %ham truyen giua dien ap dau ra va he so dieu che w_esr=1/(rC*C); w_RHP=R*(1-D)*(1-D)/L; Gvio=(1-D)*R/2; wp=2/(R*C); num=Gvio*[-1/w_RHP 1]; den=[1/wp 1]; Gvi=tf(num,den); %ham truyen bo bu fc=600; %tan so cat 600Hz wzb=2*pi*fc; %chon bang tan so fc wpb=w_RHP; numc=[1/wzb 1]; denc=[1/wpb 1]; Gc1=tf(numc,denc)*tf(1,[1 0]);%ham truyen bo bu voi kc=1 [mag1,phase1]=bode(Gvi,2*pi*fc); [mag2,phase2]=bode(Gc1,2*pi*fc); kc=1/(mag1*mag2); Gc=kc*Gc1; VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST 11/2015 18 0 5 10 15 iL(A) 0 5 10 15 iL-ref(A) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 5 10 15 20 t(s) vO(V)