Tài liệu Nâng cao chất lượng bộ biên đổi dcdc bằng bộ điều khiển trượt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN THỤ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ BIÊN ĐỔI DC-DC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ANH DUY Phản biện 1: PGS.TS. NGUYỄN DOÃN PHƯỚC Phản biện 2: TS. TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 05 năm 2013. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết đề tài - Đối với bài toán chuyển đổi điện áp DC – DC đã có nhiều phương pháp nghiên cứu và được ứng dụng trong thực tế như chuyển đổi nguồn tuyến tính, nguồn ngắt mở (Switched Mode Power Supply)…Tuy nhiên chúng có những hạn chế như độ ổn định điện áp ra chưa cao, tổn hao năng lượng lớn, cồng kềnh, giá thành lớn. - Điều khiển PID đã được ứng dụng cho bộ biến đổi DC-DC nhưng chất lượng điện áp ra vẫn chưa thỏa mãn được yêu cầu. - Bộ điều khiển trượt được thiết kế và so sánh với bộ điều khiển PID cho thấy khả năng ứng dụng để nâng cao chất lượng của bộ biến đổi DC-DC. 2. Mục tiêu nghiên cứu. Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu bộ biến đổi DC-DC với chuyển mạch đơn bằng cách sử dụng các phương trình toán học. - Thực hiện bộ điều khiển PID cho bộ biến đổi DC-DC đã được nghiên cứu trước đó. - Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC bằng điều khiển trượt. - So sánh kết quả thu được từ hai phương pháp điều khiển trên và kết luận. 4. Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu cấu trúc điều khiển và xây dựng mô hình, mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulik. 5. Bố cục đề tài. 2 Luận văn được tổ chức như sau. Ngoài phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn chia thành 4 chương như sau. Chương 1 Giới thiệu chung về bộ biến đổi DC-DC Chương 2 Nguyên lý điều khiển trượt Chương 3 Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC Chương 4 Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab- Simulink Kết luận và hướng phát triển của đề tài. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 1.1. GIỚI THIỆU 1.2. PHÂN LOẠI CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN 1.3. KHÁI QUÁT VỀ MẠCH BĂM XUNG 1.3.1. Khái niệm 1.3.2. Ưu điểm của phương pháp dùng mạch băm xung 1.3.3. Phân loại 1.3.4. Nguyên tắc hoạt động chung của mạch băm xung 1.3.5. Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra a. Phương pháp thay đổi độ rộng xung b. Phương pháp thay đổi tần số xung 1.4. CÁC BỘ BIẾN ĐổI DC-DC 1.4.1. Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) 1.4.2. Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter) 1.4.3. Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) 1.5. CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP DC-DC 1.5.1. Chế độ dòng điện liên tục 1.5.2. Chế độ dòng điện gián đoạn 3 1.5.3 Chọn giá trị Lmin cho chuyển đổi điện áp DC-DC 1.6. KẾT LUẬN Bộ biến đổi DC-DC có nhiều ưu điểm vượt trội như kết cấu mạch đơn giản, hoạt động cho hiệu suất cao nhờ kĩ thuật băm xung áp một chiều, tổn thất điện năng thấp. Bằng phương trình toán học cũng cho biết làm thế nào ta chọn được Lmin cho ba bộ chuyển đổi (giảm áp, tăng áp và đảo áp) để chắc chắn hoạt động trong chế độ DĐGĐ hoặc DĐLT điện áp. CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 2.1. GIỚI THIỆU 2.2. CÁC HỆ THỐNG CẤU TRÚC BIẾN 2.2.1. Điều khiển đối với các hệ thống điều chỉnh bằng chuyển mạch đơn. 2.2.2. Các mặt trượt 2.2.3. Cơ sở nguyên lí điều khiển trượt 2.3. XEM XÉT NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 2.3.2. Điều kiện tồn tại 2.3.3. Điều kiện tiếp cận 2.3.4. Mô tả hệ thống trong phương thức trượt 2.3.5. Rung (chattering) 2.4. KẾT LUẬN Chương này nêu lên những vấn đề về nguyên lý điều khiển trượt. Sau khi tìm hiểu phương pháp điều khiển trên, tác giả luận văn chọn phương pháp điều khiển trượt làm cơ sở cho việc nghiên cứu bởi vì phương pháp này có các ưu điểm là tính bền vững đối với sự thay đổi của nhiễu, đáp ứng nhanh và độ chính xác cao, phù hợp với các đối tượng điều khiển có tính phi tuyến mạnh. Tuy nhiên phương pháp điều khiển trượt truyền thống có nhược điểm là xuất hiện hiện tượng 4 chattering, một hiện tượng không mong muốn, ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ điều khiển trượt. Việc nghiên cứu hạn chế hiện tượng chattering là định hướng để nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động. CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 3.1. MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP Để tìm mô hình của hệ thống của bộ biến đổi giảm áp DC-DC, trong luận án này ta chỉ xét bộ biến đổi giảm áp DC-DC hoạt động ở chế độ liên tục. Hình 3.1: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp (u=1 là đóng, u=0 là ngắt) Ở hình 3.1, sẽ thuận tiện hơn nếu sử dụng hệ thống mô tả liên quan đến sai lệch điện áp ra đầu ra và đạo hàm của nó nghĩa là (3.1) x1  Vref  Vo dx1 dV i (3.2)  o  c dt dt C Trong đó Vref là điện áp tham chiếu (điện áp ra mong muốn), Vo là x2  điện áp ra thực trên tải, ic dòng điện qua tụ. Như vậy x1  x2 x2   1 d ic C dt (3.3) (3.4) 5 Xét dòng điện và điện áp của mạch điện khi khóa đóng ta suy ra được: x2   V Vin x 1 u  1  ref  x2 LC LC LC RLC (3.13) (3.3) và (3.13) là phương trình trạng thái với các biến x1 và x2 của bộ biến đổi DC-DC giảm áp. 3.2 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 3.1.1. Mặt phẳng pha mô tả điều khiển cho trượt bộ giảm áp DC-DC Có thể viết lại phương trình trạng thái của bộ biến đổi giảm áp DC-DC ở dạng: x  Ax  Bu  D (3.19) Trong đó u là đại lượng đầu vào gián đoạn được giả thiết có giá trị 0 hoặc 1  0  1  1  , B   Vin  ,   LC  RL C   0 A   1  LC   0 . D  Vref   LC  (3.20) Đáp ứng quĩ đạo pha tương ứng u  0, 1 được vẽ ở hình 3.2. Hàm trượt được chọn là  x  c1 x1  c2 x2  C T x  0 (3.21) Trong đó C  c1 ,c2  là véctơ của hệ số mặt phẳng trượt và T x  x1 x2  T . Phương trình (3.21) mô tả đường thẳng trong mặt phẳng pha đi qua gốc tọa độ (chính là điểm hoạt động ổn định cho bộ biển đổi điện áp: sai lệch điện áp ra bằng 0 và đạo hàm sai lệch bằng 0). Thay phương trình (3.3), (3.13) vào (3.21) dẫn đến  ( x)  c1 x1  c2 x1  0 (3.22) Phương trình (3.22) mô tả hệ thống động trong chế độ trượt. 6 Ta chọn luật điều khiển bám  1 khi  ( x)  0 (3.23) u , 0 khi  ( x)  0 Khi khóa (van) ngắt thì dòng điện qua cuộn cảm ( i L ) được giả định giá trị là không âm, i L tiến về 0 và bằng 0, tụ ngừng nạp, hàm mũ nạp điện của tụ tiến về 0. Điều này tương ứng với chế độ dẫn gián đoạn và đặt sự giới hạn lên biến trạng thái. Biến vùng này có thể suy ra giới hạn iL  0 . 1 x2  (Vref  x1 ) RLC Hình 3.2: Quĩ đạo của hệ thống và đường trượt trong mặt phẳng pha của bộ biến đổi giảm áp 3.1.2. Điều kiện tồn tại chế độ trượt Để chứng minh điều kiện tồn tại chế độ trượt trong v ng trượt của bộ giảm áp DC-DC ta lấy đạo hàm phương trình (3.21) (3.34)  ( x)  CT x  0 Thay phương trình (3.19) vào (3.34) ta được 7  ( x)  CT Ax  CT Bu  CT D (3.35) Với điều kiện tồn tại cho v ng trượt từ phương trình (2.11) ta có: C T Ax  C T Bu  C T D  0 khi  ( x)  0  ( x)   T . T  T C Ax  C Bu  C D  0 khi  ( x)  0 (3.36) Sử dụng phương trình (3.20) và (3.35) với điều kiện đầu u  0 với  ( x)  0 trong phương trình (3.23) ta được 1 ( x)  (c1  Vref  Vin c2 c ) x2  2 x1  0 RL C LC LC (3.38) Tương tự với điều kiện thứ hai u  1 với  ( x)  0 trong phương trình (3.23) ta cũng có 2 ( x)  (c1  Vref c2 c ) x2  2 x1  c2  0 RL C LC LC (3.40) Phương trình 1 ( x)  0 và 2 ( x)  0 xác định hai đường thẳng trong mặt phẳng pha với c ng độ dốc đi qua hai điểm tương ứng là ( Vref , 0 ) và ( V ref Vin ). Vùng tồn tại chế độ trượt trong hình 3.3 cho c1  c2 RLC và trong hình 3.4 cho c1  c2 RL C . Có thể nhìn thấy rằng, giá trị của c1 giảm thì gây ra sự suy giảm của vùng tồn tại chế độ trượt (hệ số c1 của đường trượt cũng quyết định đáp ứng động của hệ thống trong chế độ trượt). Từ phương trình (3.22) đáp ứng động của hệ thống ở bậc 1 với hằng số thời gian   c2 c1 . Như vậy tốc độ đáp ứng cao nghĩa là   RL C ở (3.38) và (3.40) sẽ giới hạn tồn tại chế độ trượt và là nguyên nhân gây quá điều chỉnh trong thời gian quá độ. 8 Hình 3.3 : Vùng tồn tại của chế độ trượt trong mặt phẳng pha khi c1  c2 . Ranh giới các vùng được chỉ rõ bởi phương trình( 3.38) và RL C (3.40). Điểm (Vref ,0) chắn vùng quĩ đạo khi khóa(van) đóng và điểm (Vref –Vin,,0) khi khóa(van) ngắt. Hình 3.4: Vùng tồn tại của chế độ trượt trong mặt phẳng pha c khi c1  2 . Ranh giới các vùng được chỉ rõ bởi phương trình (3.38) RL C và (3.40). Điểm Vref ,0) chắn vùng quĩ đạo khi khóa(van) đóng và điểm (Vref –Vin,,0) khi khóa(van) ngắt 9 3.3. KẾT LUẬN Qua việc phân tích tính ổn định của chế độ trượt trong mặt phẳng pha cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp, ta nhận thấy rằng để hệ thống hoạt động ổn định thì ta chọn hệ số c1  c2 . RL C CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN MATLAB-SIMULINK 4.1. MẠCH LỰC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 4.1.1. Xây dựng thông số mạch lực Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC giảm áp Tham số ban đầu của bộ chuyển đổi DC-DC giảm áp được chọn là Vin  24V , Vo  12V , RL  13, f s  100KHz Để mạch hoạt động chế độ dòng điện liên tục thì Lmin  (Vin(max)  Vo )(Vo ) 2 TS (4.1) 2Po(min)Vin(max) Trong đó Vin(max)  28V , Ts  1 Po(min)  Vo .I o(min)  fs Vo2 RL (max) , và chọn  122  0.11W , 1300 Thay vào phương trình (4.1) ta được Lmin  45H 10 - Chọn giá trị gợn sóng dòng điện iL là 1A, ta tìm được giá trị điện cảm L cần thiết cho bộ chuyển đổi DC-DC giảm áp từ phương trình: VL  L iL i  L L  L  60H t DTs - Chọn giá trị gợn sóng vc  vo  0.003V , từ phương trình (4.3) ta tìm được giá trị tụ C. V D(1  D) (4.3) vc  o 8LCf 2  C  208F , ta chọn C  220F 4.1.2. Mô hình hóa mạch động lực trên Matlab-Simulink Hình 4.3: Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp 4.2. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.2.1. Bộ điều khiển PID khiển PID cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp có các thông số mạch lực: C  220F , L  60H , RL  13, Vin  24V , Vo  12V , f s  100kHz là  s  3142 s  10681 Gc  10   S   s  91106 11 Hình 4.4: Sơ đồ khối điều khiển PID bộ giảm áp trên Matlab-SimulinkTM Ghép với mô hình mạch lực bộ biến đổi ta có sơ đồ mô phỏng Hình 4.5: Điều khiển PID cho bộ biến đổi giảm áp 4.2.2. Xây dựng bộ điều khiển trượt Sử dụng bộ điều khiển trượt với mặt trượt  ( x)  c1 x1  c2 x2 , ta xác định luật điều khiển sau: (c1 x1  c2 x2 )  0  u  0 (c1 x1  c2 x2 )  0  u  1  u  sign(c1x1  c2 x2 ) Trong đó x1 là sai lệch điện áp đầu ra, x2 là đạo hàm của x1 và 12 c1,c2 là hằng số tích phân được lấy là dương. Hình 4.8: Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp Giá trị c1,c2 được chọn sao cho giảm độ quá điều chỉnh thấp nhất với điều kiện là c1  c2 . Nếu ta chọn c1 = 1 thì c2  0.0028 , qua nhiều RL C lần thử nghiệm ta chọn c2 = 0.0025 Mô phỏng ta được dạng sóng điện áp và dòng điện như sau. dien áp ra (V) 12.002 12.001 12 11.999 Dong dien qua L (A) 11.998 0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.182 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821 1.5 1 0.92 0.5 0 0.182 0.182 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821 0.1821 Timer(s) Hình 4.9: Gợn sóng điện áp ra Vo và dòng điện qua cuộn cảm L 13 Ta thấy độ dao động dòng điện là 1A quanh giá trị cân bằng 9.2A và độ dao động điện áp rất nhỏ khoảng 0.003V. 4.3. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VỚI ĐIỀU KHIỂN PID Các kết quả sau đây được thực hiện mô phỏng điều khiển trượt với điều khiển PID trên cùng mô hình bộ biến đổi điện áp DC-DC giảm áp 4.3.1. Thời gian xác lập và độ quá điều chỉnh PID 15 Qua dieu chinh =3V 12 V 10 5 Thoi gian xac lap =0.002s 0 0.002 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.015 0.02 0.025 30 20 A Qua dieu chinh =28A 10 2 0 0.002 0.005 0.01 Timer(s) Hình 4.12: Điện áp ra Vo và dòng điện qua L bằng điều khiển PID Cho ta thấy thời gian xác lập là 0.002s và độ quá điều chỉnh dòng điện là 28A và điện áp ra là 3V. 14 SMC 16 12 V 10 5 Thoi gian xac lap = 0.011s 0 0 0.005 0.011 0.015 0.02 0.025 0.011 0.015 Timer(s) 0.02 0.025 3 2 A Thoi gian xac lap = 0.011s 1.2 1 0.5 0 0 0.005 Hình 4.13 : Điện áp ra Vo và dòng điện qua L của điều khiển trượt Cho ta thấy thời gian xác lập là 0.011s và độ quá điều chỉnh dòng điện không đáng kể. Bảng so sánh 4.1: Thời gian xác lập và độ quá điều chỉnh Bộ điều khiển Điều khiển PID Điều khiển trượt Thời gian Độ quá Thời gian Độ quá xác lập điều chỉnh xác lập điều chỉnh Điện áp ra (Vo) 0.002s 3V 0.011s 0V Dòng điện qua L 0.002s 28A 0.011s 0A Thông số *Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.1, ta thấy bộ điều khiển trượt có thời gian xác lập lớn (0.011s) gấp 9 lần so với PID (0.002s), nhưng b lại độ quá điều chỉnh không đáng kể so với PID. 15 4.3.2. Tác động của sự thay đổi điện áp vào (Vin) a. Điện áp vào Vin tăng từ 24V lên 28V PID Vo 12.2 12 11.8 0.02 0.021 0.022 0.023 0.024 0.021 0.022 0.023 0.024 0.025 0.026 0.027 0.028 0.029 0.03 0.025 0.026 Timer(s) 0.027 0.028 0.029 0.03 28 Vin 27 26 25 24 0.02 Hình 4.14: Điện áp ra của điều khiển PID khi Vin từ 24V lên 28V Vo SMC 12.2 12 11.8 0.02 0.021 0.022 0.023 0.024 0.021 0.022 0.023 0.024 0.025 0.026 0.027 0.028 0.029 0.03 0.025 0.026 Timer(s) 0.027 0.028 0.029 0.03 28 Vin 27 26 25 24 0.02 Hình 4.15: Điện áp ra điều khiển trượt khi Vin tăng từ 24V lên 28V 16 Bảng so sánh 4.2: Hệ thống làm việc khi điện áp vào từ 24V lên 28V Bộ điềukhiển Điều khiển PID Điều khiển trượt Thời gian Dao động Thời gian Dao động xác lập đỉnh-đỉnh xác lập đỉnh-đỉnh  0s  0V  0s  0V Thông số Điện áp ra (Vo) *Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.2 ta thấy điện áp ra cả hai bộ điều khiển cho độ ổn định rất tốt điện áp ra khi điện áp vào Vin tăng. b. Điện áp vào Vin giảm từ 24V xuống 18V PID Vo 12.4 12.15 Dao dong dinh-dinh =0.2V 12 11.9 0.029 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032 0.03 0.0305 Timer(s) 0.031 0.0315 0.032 Vin 24 22 20 18 0.029 iL 3.5 3 2 Dao dong dinh-dinh =3.5A 0 0.029 0.0295 Hình 4.16: Điện áp ra điều khiển PID khi Vin giảm từ 24V đến 18V 17 SMC Vo 12.4 12 11.8 0.029 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032 0.0295 0.03 0.0305 0.031 0.0315 0.032 0.0305 0.031 0.0315 0.032 Vin 24 18 0.029 2 iL Dao dong dinh-dinh =1A 1.4 1 0.4 0 0.029 0.0295 0.03 Timer(s) Hình 4.17: Điện áp ra điều khiển trượt khi Vin giảm từ 24V đến 18V Bảng so sánh 4.3: Hệ thống làm việc khi Vin từ 24V xuống 18V Bộ điều khiển Điều khiển PID Điều khiển trượt Thời gian Dao động Thời gian Dao động xác lập đỉnh-đỉnh xác lập đỉnh-đỉnh Điện áp ra (Vo)  0s 0.2V  0s  0V Dòng điện qua L  0s 3.4A  0s 1A Thông số *Nhận xét: Nhìn vào bảng so sánh 4.3, ta thấy điện áp ra của bộ điều khiển trượt vẫn ổn định trong khi điện áp ra bộ điều khiển PID bắt đầu có gợn sóng điện áp tăng (0.2V) và dòng điện qua L là gián đoạn. 4.3.3. Tác động sự thay đổi giá trị tải a. Hệ thống làm việc không tải (RL = 1.3kΩ) 18 PID Vo 12.3 12 11.7 Dao dong dinh-dinh =0.6V 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.08 0.09 0.1 4 3.4 iL 2 Dao dong dinh-dinh =3.4A 0 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Timer(s) Hình 4.18: Điện áp ra điều khiển PID khi hệ thống làm việc không tải SMC Vo 12.3 12 11.7 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.04 0.05 0.06 0.07 Timer(s) 0.08 0.09 0.1 iL 2 1 0 0.03 Hình 4.19: Điện áp ra điều khiển trượt khi khi hệ thống làm việc không tải