Bài giảng môn Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất - Thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi Boost
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – PID
Khi không có bộ bù, theo đồ thị Bode Hình 10.7 có tần số cắt xấp xỉ 9,95kHz và độ dự trữ pha là PM = - 1,980. Hệ kín không ổn định.
Ta sẽ thiết kế bộ bù có cấu trúc theo để có tần số cắt đạt được 1,5kHz (theo các điều kiện ràng buộc ở bước 6-8) và có độ dự trữ pha mong muốn là PM =550.
Hoặc ta có thể dùng lệnh Matlab để xác định biên độ tại tần số 1,5kHz của hàm truyền đạt như sau:
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?
20 trang |
Chia sẻ: hachi492 | Ngày: 06/01/2022 | Lượt xem: 450 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Bài giảng môn Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất - Thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi Boost, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
11/2015
1
HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336)
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST
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 Boost: điện áp nguồn 5 V , điện áp ra 18V cho dòng tải 3A (R = 3Ω), L =20µH , C= 480µF , f s = 200kHz, rC = 8e-3Ω.
Điều khiển theo điện áp (Voltage mode, Direct mode)
Nhận xét kết quả mô phỏng.
Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Boost
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).
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP
11/2015
4
Cấu trúc điều khiển DC/DC theo điện áp dựa trên mô hình tín hiệu nhỏ
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP
11/2015
5
Khi có bộ điều chỉnh Gc(s) các quan hệ hàm truyền mới:
11/2015
6
H àm truyền điện áp đầu ra và hệ số điều chế ( V m = 1, H(s) =1):
Trong đó:
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP
11/2015
7
Hàm truyền G vd (s) có tần số cắt 9 ,95kHz và độ dự trữ pha là PM = -1,98 0 . Hệ kín không ổn định
Đồ thị Bode của hàm truyền đạt G vd (s)
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP
11/2015
8
Cấu trúc của bộ bù ( Compensator ) loại III
Cấu trúc của bộ bù PID (lead – lag):
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – BỘ BÙ LOẠI III
11/2015
9
Các bước thực hiện cho để thiết kế bộ bù loại III cho bộ biến đổi Boost được thực hiện lần lượt theo 8 bước như sau []:
Bước 1 : Một điểm cực được đặt tại gốc mặt phằng phức (mạch vòng có chứa thành phần tích phân ).
Bước 2 : Các tần số điểm không (zeros) được đặt tại lân cận tại tần số cộng hưởng của đối tượng (hàm truyền quan hệ giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế). Như vậy ta có :
Bước 3: Tần số điểm cực thứ 2 được đặt trùng với tần số tại điểm ESR của đối tượng (hàm truyền quan hệ giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế).
Bước 4: Tần số điểm cực thứ 3 được đặt trùng với tần số tại điểm RHP của đối tượng (hàm truyền quan hệ giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế).
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – BỘ BÙ LOẠI III
11/2015
10
Bước 5: Nếu tần số tại điểm ESR và RHP của đối tượng lớn hơn 1/2 tần số phát xung của bộ biến đổi thì tần số các điểm cực được đặt bằng 1/2 tần số phát xung (kiểm tra lại điều kiện chọn các điểm cực)
Bước 6: Tần số cắt ( f c ) nên bé hơn 1/10 tần số phát xung của bộ biến đổi.
Bước 7: Tần số cắt ( f c ) nên bé hơn 1/5 tần số RHP của của đối tượng (hàm truyền quan hệ giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế).
Bước 8: Tần số cắt ( f c ) nên lớn hơn ít nhất 2 tần số cộng hưởng của của đối tượng (hàm truyền quan hệ giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế).
Từ bước 6 đến bước 8 ta chọn tần số cắt f c = 1,5kHz.
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – BỘ BÙ LOẠI III
11/2015
11
Sử dụng lệnh [mag,phase]= bode(Gvd,2*pi*1000 ) ta có biên độ và pha của đối tượng G vd (s) tại tần số 1kHz là :
Sử dụng lệnh [mag,phase]= bode(Gc1,2*pi*1000 ) ta có biên độ và pha của hàm truyền G c1 (s) (hàm truyền của bộ bù chỉ có 2 điểm không, 2 điểm cực và 1 điểm cực tại gốc tọa độ) tại tần số 1kHz là:
Biên độ của bộ bù được xác đinh:
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – BỘ BÙ LOẠI III
11/2015
12
Đồ thị Bode của hàm truyền đạt vòng hở (Gvd.Gc).
Hàm truyền G c (s)G vd (s) có tần số cắt 1 kHz và độ dự trữ pha là PM = 44,8. Hệ kín ổn định
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – BỘ BÙ LOẠI III
11/2015
13
//Chương trình Matlab (m-file) tính toán tham số bộ bù loại III
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;
Q=(1-D)*R*sqrt(C/L);
w0=(1-D)/sqrt(L*C);
Gvdo=Vg/((1-D)*(1-D));
num=Gvdo*[-1/(w_esr*w_RHP) (1/w_esr)-(1/w_RHP) 1];
den=[1/(w0*w0) 1/(Q*w0) 1];
Gvd=tf(num,den);
%ham truyen bo bu
wz1=2*pi*200; %chon bang tan so fo = 2 00Hz
wz2=2*pi*200; %chon bang tan so fo = 2 00Hz
wp1=w_esr;
wp2=w_RHP;
numc=[1/(wz1*wz2) (1/wz1)+(1/wz2) 1];
denc=[1/(wp1*wp2) (1/wp1)+(1/wp2) 1];
Gc1=tf(numc,denc)*tf(1,[1 0]); %ham truyen bo bu voi kc=1
fc=1500; %tan so cat 1,5kHz
[mag1,phase1]=bode(Gvd,2*pi*fc);
[mag2,phase2]=bode(Gc1,2*pi*fc);
kc=1/(mag1*mag2);
Gc=kc*Gc1;
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG – LEAD (PD)
11/2015
14
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – PID
11/2015
15
Khi không có bộ bù, theo đồ thị Bode Hình 10.7 có tần số cắt xấp xỉ 9,95kHz và độ dự trữ pha là PM = - 1,98 0 . Hệ kín không ổn định.
Ta sẽ thiết kế bộ bù có cấu trúc theo để có tần số cắt đạt được 1,5kHz (theo các điều kiện ràng buộc ở bước 6-8) và có độ dự trữ pha mong muốn là PM =55 0 .
Hoặc ta có thể dùng lệnh Matlab để xác định biên độ tại tần số 1,5kHz của hàm truyền đạt như sau:
Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(G vd ,2*pi*1500) ta có:
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – PID
11/2015
16
Dự trữ pha của hàm truyền đạt (1.25) là PM = - 1,980 nên pha của bộ điều chỉnh tại tần số cắt sẽ là theo (1.11). Do đó, theo (1.8) tần số của điểm không và điểm cực của bộ bù được tính như sau:
Thành phần có giá trị để thỏa mãn biên độ của hệ thống có giá trị bằng 1 ở tần số cắt .
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – PID
11/2015
17
Đồ thị Bode của hàm truyền đạt vòng hở (Gvd.Gc).
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – PID
11/2015
18
//Chương trình Matlab (m-file) tính toán tham số bộ Lead-Lag (PID)
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;
Q=(1-D)*R*sqrt(C/L);
w0=(1-D)/sqrt(L*C);
Gvdo=Vg/((1-D)*(1-D));
num=Gvdo*[-1/(w_esr*w_RHP) (1/w_esr)-(1/w_RHP) 1];
den=[1/(w0*w0) 1/(Q*w0) 1];
Gvd=tf(num,den);
%ham truyen bo bu
fc=1500; %tan so cat 1,5kHz
PM=55; %Du tru pha 55 degree
[mag1,phase1]=bode(Gvd,2*pi*fc);
theta=PM-(phase1+180); %tinh pha bo bu Lead - Lag
fz=fc*sqrt((1-sin(theta*pi/180))/(1+sin(theta*pi/180)));
fp=fc*sqrt((1+sin(theta*pi/180))/(1-sin(theta*pi/180)));
fl=fc/20;
numc=[1/(2*pi*fz) 1];
denc=[1/(2*pi*fp) 1];
Gc1=tf(numc,denc)*tf([1 2*pi*fl],[1 0]);
[mag2,phase2]=bode(Gc1,2*pi*fc);
kc=1/(mag1*mag2);
Gc=kc*Gc1;
ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỆN ÁP – PID
11/2015
19
NHẬN XÉT
11/2015
20
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?
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- bai_giang_mon_thiet_ke_he_thong_dieu_khien_dien_tu_cong_suat.pptx