Bài giảng Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất - Thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi Buck

11/2015 1 HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336) THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI BUCK TS. Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hoàng Phương BM. Tự động hóa CN – Viện Điện Trường đại học Bách khoa Hà Nội NHIỆM VỤ THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐK 11/2015 2  BBĐ kiểu Buck: điện áp nguồn 28V, điện áp ra 15V cho dòng tải 5A (R = 3Ω), L =50µH, C= 500µF, fs = 100kHz.  Điều khiển theo điện áp (Voltage mode, Direct mode)  Nhận xét kết quả mô phỏng. Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Buck ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP 11/2015 3 Cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp (Voltage mode) Yêu cầu: Đưa ra cấu trúc và tổng hợp tham số cho bộ điều chỉnh điện áp (Voltage controller). * ou ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP 11/2015 4 Cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp dựa trên mô hình tín hiệu nhỏ  vgG s  outZ s  vdG s ˆ gu tˆi dˆ ˆ ou 1 mV  cG s  H s *ˆ ou ˆ cv                   ˆ 0 ˆ 0 ˆ 0 ˆ 0 ˆ 0 ˆ 0 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ g t t g o vd u i o vg dg i o out dt u u s G s d s u s G s u s u s Z s i s           ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP 11/2015 5 Khi có bộ điều chỉnh Gc(s) các quan hệ hàm truyền mới:                                   * / ˆ ˆ ˆ 1 / 1 / ˆ 1 / vgc vd m o o in c vd m c vd m out t c vd m G sG s G s V u s u s u s H s G s G s V H s G s G s V Z s i s H s G s G s V                            * 1 ˆˆ ˆ ˆ 1 1 1 vg out o o in t G sT s Z s u s u s u s i s H s T s T s T s               *ˆ 0 ˆ 0 ˆ ˆ 1 o t vgo ug i G su s u s T s           *ˆ 0 ˆ 0 ˆ ˆ 1 o in o out ut u u s Z s T si s               * ˆ 0 ˆ 0 ˆ 1 ˆ 1 t g o io u u s T s u s H s T s         11/2015 6  Hàm truyền điện áp đầu ra và hệ số điều chế (Vm = 1, H(s) =1):         2 2 0 0 0 ˆ ˆ 1 1 o in vd vd vdo u s RV G s R Ls RLCsd s G s G s s Q               Trong đó: 0 0 0 28 1 1 2 2 9,5 (19,5dB) vdo in G V V f kHz LC C Q R L            ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP 11/2015 7  Cấu trúc điều khiển trực tiếp cho bộ biến đổi kiểu buck *ˆ ou  cG s  vdG s  vgG s ˆ gu ˆ oudˆ Hàm truyền điện áp đầu ra và điện áp đầu vào     2 ˆ ˆ o vg in u s DR G u s R Ls RLCs     Cấu trúc điều khiển trực tiếp bộ biến đổi kiểu buck với tín hiệu nhỏ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP 11/2015 8 10 2 10 3 10 4 -180 -135 -90 -45 0 P h a s e ( d e g ) Bode Diagram Frequency (Hz) 0 1 2 3 4 5 6 System: Gvg Frequency (Hz): 101 Magnitude (abs): 0.541 M a g n itu d e ( a b s ) Đồ thị Bode của hàm truyền đạt Gvg(s) ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP 11/2015 9 Bode Diagram Frequency (Hz) 10 2 10 3 10 4 -180 -135 -90 -45 0 System: Gvd Phase Margin (deg): 1.16 Delay Margin (sec): 5.95e-007 At frequency (Hz): 5.42e+003 Closed Loop Stable? Yes P h a s e ( d e g ) -20 0 20 40 60 System: Gvd Peak gain (dB): 48.5 At frequency (Hz): 1e+003 System: Gvd Frequency (Hz): 101 Magnitude (dB): 29 System: Gvd Frequency (Hz): 5.44e+003 Magnitude (dB): -0.0481 M a g n itu d e ( d B )  Hàm truyền Gvd(s) có tần số cắt xấp xỉ 5,5kHz và độ dự trữ pha là PM = 1,160.  Mục tiêu: Thiết kế bộ bù có cấu trúc theo để có tần số cắt fc = 10kHz và PM = 550.Đồ thị Bode của hàm truyền đạt Gvd(s) ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP 11/2015 10  Cấu trúc của bộ bù (Compensator) Lead (PD):   1 1 1 z c co p s G s G s                Cấu trúc của bộ bù PID (lead – lag):   2 1 1 1 z L c co p s G s G ss                     ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – LEAD(PD) 11/2015 11  Biên độ tại tần số 10kHz của hàm truyền đạt Gvd (s) được tính là: 2 0 0.28 -11.0568dB vdo c f G f         Sử dụng lệnh : [mag,phase]=bode(Gvd,2*pi*10e+3)       2 10 3 0 2 10 3 2 10 3 0,2866 arc -179.3859 vd e vd e G j G j                     ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – LEAD(PD) 11/2015 12  Pha của bộ điều chỉnh tại tần số cắt:  Tần số của điểm không và điểm cực của bộ bù được tính như sau:       0 0 arc 180 arc arc 53,85 C C C c PM dt c G j G j G j                           0 0 0 0 1 sin 53,84 3,26 1 sin 53,84 1 sin 53,84 30,63 1 sin 53,84 z c p c f f kHz f f kHz           ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – LEAD(PD) 11/2015 13  Gco_PD có giá trị để thỏa mãn biên độ của hàm truyền hở bằng 1 ở tần số cắt (tần số cắt của hệ hở bằng fc ): 2 0 _ 1 1,13 p co PD vdo z c co f f G G f f G         Note: có thể dùng câu lệnh Matlab để tính Gco_PD ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – LEAD(PD) 11/2015 14 Bode Diagram Frequency (Hz) 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 -180 -135 -90 -45 0 45 System: sys Phase Margin (deg): 54.5 Delay Margin (sec): 1.52e-005 At frequency (Hz): 9.94e+003 Closed Loop Stable? Yes P h a s e ( d e g ) -100 -50 0 50 System: sys Frequency (Hz): 9.89e+003 Magnitude (dB): 0.0574 M a g n itu d e ( d B ) Đồ thị Bode của hàm truyền đạt Gc(s)*Gvd(s)  Tìm được cấu trúc và tham số bộ bù.  Kiểm chứng trong cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp KẾT QUẢ MÔ PHỎNG – LEAD (PD) 11/2015 15 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 0 5 10 15 20 25 t(s) Di en a p ra (V ) uC(a) uC(s) uC(ref) a. Điện áp ra Kết quả mô phỏng Buck converter KẾT QUẢ MÔ PHỎNG – LEAD (PD) 11/2015 16 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 -50 0 50 100 150 t(s) Do ng d ie n qu a cu on c am (A ) iL(a) iL(s) b. Dòng điện chảy qua cuộn cảm Kết quả mô phỏng Buck converter KẾT QUẢ MÔ PHỎNG – LEAD (PD) 11/2015 17 a. Điện áp ra Kết quả mô phỏng Buck converter khi điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz 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 25 t(s) Die n a p r a ( V) uC(ref) uC(s) uC(a) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG – LEAD (PD) 11/2015 18 Đập mạch điện áp ra (zoom) Kết quả mô phỏng Buck converter khi điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04 14.5 14.51 14.52 14.53 14.54 14.55 14.56 t(s) Di en a p ra (V ) ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – PID 11/2015 19 Bode Diagram Frequency (Hz) 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 -180 -135 -90 -45 0 System: sys Phase Margin (deg): 51.6 Delay Margin (sec): 1.45e-005 At frequency (Hz): 9.88e+003 Closed Loop Stable? Yes P h a s e ( d e g ) -100 -50 0 50 100 M a g n itu d e ( d B ) Đồ thị Bode của hàm truyền đạt Gc2(s)*Gvd(s) fL ≤ 1/10 tần số cắt fc fL, fL được giữ nguyên giống như PD.  Gco được tính: 2 2 0 _ 1 1 1,12 pL co PID vdo c z c co f ff G G f f f G                Hoặc dùng lệnh Matlab. ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – PID 11/2015 20 Ảnh hưởng điện áp nguồn tác động điện áp ra BBĐ Buck *ˆ 0ou   cG s  vdG s  vgG s ˆ inu ˆ oudˆ               * 0 0 1 vgo g c vdv s G sv s T s v s G s G s        Hàm truyền giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – PID 11/2015 21  Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(T,2*pi*100) ta có:       2 100 0 2 100 2 100 0,0033 arc 76,77 T j T j                   Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gvg,2*pi*100) ta có:       2 100 0 2 100 2 100 0,54 arc 0,61 vg vg G j G j                   KẾT QUẢ MÔ PHỎNG – PID 11/2015 22 Điện áp ra Kết quả mô phỏng Buck converter 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 0 5 10 15 20 25 30 t(s) Di en a p ra (V ) uC(s) uC(a) uC(ref) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG – PID 11/2015 23 b.Dòng điện chảy qua cuộn cảm Kết quả mô phỏng Buck converter 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 -50 0 50 100 150 t(s) Do ng d ien q ua c uo n ca m (A ) iL(a) iL(s) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG – PID 11/2015 24 a. Điện áp ra Kết quả mô phỏng Buck converter khi điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz 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 25 30 t(s) Die n a p r a ( V) uC(s) uC(a) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG – PID 11/2015 25 b. Đập mạch điện áp ra (zoom) Kết quả mô phỏng Buck converter khi điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04 14.994 14.996 14.998 15 15.002 15.004 15.006 15.008 t(s) Di en a p ra (V ) NHẬN XÉT 11/2015 26 Chất lượng điều khiển: độ quá điều khiển, sai lệch tĩnh, ảnh hưởng khi nhiễu tác động (điện áp nguồn hoặc tải thay đổi).? Giới hạn dòng điện? Nếu tải có dạng khác: acquy hoặc DC motor Giả thiết phần tử (L, C, van bán dẫn) lý tưởng không đúng? Tương thích với phần tử nào thực hiện: tương tự, số?