Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

- VŨ HOÀNG ANH Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : Điều khiển tự động NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.
- Lưu Hồng Việt Hà Nội – Năm 2011 Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ.
- 6 CHƯƠNG I: PHÂN LOẠI VÀ LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-DC.
- 8 1.1 Phân loại sơ đồ biến đổi DC-DC Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly Lựa chọn Topology cho bộ chuyển đổi DC-DC Sơ đồ và nguyên lý bộ biến đổi Full-Bridge Sơ đồ cấu tạo Nguyên lý hoạt động CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC.
- 13 2.1 Giải pháp thiết kế Khối điều khiển Thiết kế các thành phần công suất Mạch đo và mạch bảo vệ Phương pháp điều khiển Tổng quan về bộ điều khiển trượt Điều kiện tồn tại Điều kiện tiếp cận mặt trượt Mô tả hệ thống trong chế độ trượt Hiện tượng Chattering Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.
- Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển trượt .
- Thiết kế bộ điều khiển trên miền liên tục Xét điều kiện tồn tại Lựa chọn hệ số trượt Tính toán phương trình điều khiển cho bộ điều khiển trượt dựa vào phương pháp điều chế độ rộng xung .
- Tính toán thiết kế với bộ điều khiển số .
- 66 Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC PHỤ LỤC.
- Mạch điều khiển sử dụng dsPic30F D.
- Chương trình điều khiển trượt viết bằng ngôn ngữ C Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi Full-Bridge Hình 2: Giản đồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha Hình 3: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Full-Bridge Hình 4: Sơ đồ khối của mạch chuyển đổi DC-DC dạng Full-Bridge Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-DC dạng Full-Bridge Hình 6: Sơ đồ biến đổi xung áp song song a) Mạch khi van mở.
- c) Dạng sóng của điện áp và dòng ở trạng thái lý tưởng Hình 7: Dạng dòng điện và điện áp trên van khi tính đến các thành phần điện cảm và tụ ký sinh trong sơ đồ Hình 8: Mạch snubber sử dụng RC Hình 9: Mạch snubber RCD Hình 10: Tổn hao của mạch theo tỷ số /snCC Hình 11: Quan hệ giữa điện áp vào cực G và dòng qua van Hình 12: Kích thước và thông số của lõi ferrit E Hình 13: Bộ lọc một chiều Hình 14: Mạch đo áp Hình 17: Sơ đồ khối chỉ ra một vài phương pháp điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC.
- 31 Hình 18: Ứng dụng của điều khiển trượt trong các hệ thông điện và cơ Hình 19: Hiện tượng chatterring dẫn đến sự phi tuyến của hệ thống.
- Hình 20: Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC Hình 21: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi dc-dc dạng full-bridge Hình 22: Giản đồ thời gian xung điều khiển các van dạng phase-shifted và điện áp bên sơ cấp biến áp Hình 23: Sơ đồ rút gọn khi 0 tαV Bảng2: Thông số trạng thái của van: Bảng 3: Thông số đặc trưng cho động học của van: Ở đây có hai thông số rất quan trọng là.
- Thời gian trễ khi đóng van: ()43dofftns= Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC b) Mạch snubber Có hai phương pháp cơ bản để giải quyết vấn đề nhiễu xung của một thiết bị bán dẫn.
- Mạch snubber được sử dụng chủ yếu là để hạn chế điện áp xung (thường xuất hiện trong quá trình turn-off thiết bị), và dòng xung (thường xuất hiện trong quá trình turn-on) về cả độ lớn lẫn tốc độ tăng giá trị.
- Tuy nhiên quá trình đóng cắt có thể đưa về bốn dạng như sau.
- Sơ đồ biến đổi xung áp nối tiếp (Buck.
- Sơ đồ biến đổi xung áp song song (Boost.
- Sơ đồ biến đổi xung áp nối tiếp – song song (Buck – boost.
- Mạch nhánh nghịch lưu nửa cầu (Inverter pole) Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC Các trạng thái chuyển mạch trong các sơ đồ đều tương tự nhau vì vậy chỉ cần giải quyết vấn đề thiết kế mạch hỗ trợ van cho một mạch là có thể thiết kế được mạch hỗ trợ van cho các mạch khác.
- Dưới đây là sơ đồ biến đổi xung áp song song.
- Hình 6: Sơ đồ biến đổi xung áp song song a) Mạch khi van mở.
- c) Dạng sóng của điện áp và dòng ở trạng thái lý tưởng Trong trường hợp lý tưởng, khi van mở, dòng điện sẽ tăng tuyến tính từ 0 đến Io.
- Khi dòng đạt đến giá trị Io điôt mới khóa lại, khi đó điện áp trên van mới giảm từ E đến 0.
- Trên đồ thị, có Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC thể thấy rõ tồn tại những thời điểm mà cả điện áp trên van lẫn dòng điện đều có giá trị lớn gây tổn thất trong quá trình chuyển mạch.
- Nếu tính đến cả những yếu tố thực tế như điện cảm và tụ điện ký sinh thì dòng điện và điện áp qua van có dạng như sau: Hình 7: Dạng dòng điện và điện áp trên van khi tính đến các thành phần điện cảm và tụ ký sinh trong sơ đồ.
- Chính vì thế, thiết kế mạch hỗ trợ van là một việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế mạch điện tử công suất.
- Một số loại mạch hỗ trợ van thông dụng Mạch RC: Giả sử có mạch van đóng cắt dòng điện Io dưới điện áp Eo, nối tiếp van là điện cảm Lp, tụ ký sinh của bản thân van là Cp như hình 4a.
- a) b) Hình 8: Mạch snubber sử dụng RC Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC Để dao động sinh ra trong chuyển mạch là tắt dần thì Cs > Cp, cách lựa chọn tốt nhất là bằng 2 lần Cp.
- Như vậy, khi van đóng, dòng có thể chuyển sang mạch trợ giúp mà điện áp trên van không vượt quá Eo.
- Công suất tiêu tán trên điện trở Rs có thể được xác định qua năng lượng tích trữ trong tụ Cs: 201W2cSCE= (3) Năng lượng này tiêu tán trên Rs trong quá trình đóng cắt, vì vậy nếu tần số đóng cắt là fs thì công suất tiêu tán trên Rs sẽ là: 2012RSPCE=Sf (4) Mạch RC đơn giản có ứng dụng rộng rãi, chủ yếu trong sơ đồ công suất nhỏ và vừa.
- Đối với các phần tử không điều khiển như điôt hoặc điều khiển không hoàn toàn như tiristo, triac, mạch RC cần được tối ưu hóa bằng cách chọn giá trị của Lp bằng thực nghiệm.
- Khi công suất lớn hơn và nhất là đối với các phần tử điều khiển hoàn toàn, để chủ động thời điểm khóa của van như GTO, MOSFET, BJT, IGBT thì cần sử dụng các mạch trợ giúp phức tạp hơn.
- Mạch RCD Hình 9: Mạch snubber RCD Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC Khác với mạch RC, trong mạch RCD, tụ vẫn phóng điện qua trở khi van mở nhưng trở không tham gia vào vấn đề giảm xung điện áp đỉnh trên van vì thế giá trị của trở có thể chọn linh hoạt hơn.
- Mạch cho phép suy giảm điện áp đỉnh và làm giảm tổn thất đóng cắt của van cũng như tổn thất trên mạch trợ giúp.
- Van được làm việc trong vùng an toàn tốt hơn • Tụ điện ký sinh trên van cũng được sử dụng như một phần của mạch hỗ trợ van Tuy nhiên mạch có nhược điểm là dòng nạp tụ Cs lấy thẳng qua điôt Ds không phải là giá trị tối ưu do đó quá điện áp sẽ lớn hơn ở trong mạch RC.
- Khi van bắt đầu đóng, điện áp trên van tăng chậm trong khi dòng bắt đầu giảm vì dòng đã chuyển sang mạch điôt, tụ và điện trở.
- Tùy thuộc vào giá trị của Cs mà điện áp E có thể tăng đến Eo trước hay sau khi dòng I về 0.
- Nếu E = Eo trùng thời điểm I = Io thì Cs = Cn với Cn được xác định như sau: Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC 002SnItCE= (5) với là thời gian khóa của van.
- St Hình 10: Tổn hao của mạch theo tỷ số /snCC Có thể thấy tỉ số Cs/Cn càng lớn thì tổn hao trên mạch hỗ trợ van càng tăng rất nhanh.
- Từ các thông số trên, tính toán được các giá trị của RC Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC SnsIt ICFEEf.
- =Ω c) Khối driver cho van: Ta có quan hệ giữa điện áp vào cực G và dòng qua van như sau: Hình 11: Quan hệ giữa điện áp vào cực G và dòng qua van Từ đặc tính này ta thấy muốn van mở hoàn toàn thì điện áp tối thiểu ta cần là 12V và điện áp cực đại đặt lên nó là 30V (xem trong bảng thông số), vậy ta có các tiêu chuẩn sau để chọn driver cho van : GSV- Tạo ra điện áp trong khoảng từ 12V-30V để đóng mở van công suất.
- Điều khiển được cả van kênh thấp và van kênh cao.
- Từ những tiêu chuẩn trên tôi chọn driver IR2110 với các thông số như sau: Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC d) Biến áp xung Theo yêu cầu đồ án đặt ra, công suất của biến áp xung phải đạt được 2KW trở lên.
- Như vậy, mỗi biến áp xung cần thiết kế với những yêu cầu sau.
- Điện áp sơ cấp là 48V.
- Điện áp thứ cấp là 400/4=100V.
- Các bước thiết kế biến áp xung với những yêu cầu ở trên: 1.
- Lõi E55 có thể thiết kế được với công suất lên tới 1KW.
- Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC 2.
- Từ đây ta có công thức tính số vòng dây của cuộn sơ cấp như sau : 810peEdNAdB⋅=⋅t (8) Với sơ đồ Full-Bridge, điện áp đặt lên cuộn sơ cấp gần bằng Vin nên có thể lấy E = Vin và do có thời gian deadtime, các van chỉ mở tối đa khoảng 80% nên dt = 0,8.T/2, với T là chu kỳ băm xung.
- Mặt khác, với tần số điều chế từ 50KHz trở xuống thì dB có thể lấy bằng 2000G (từ -100G đến +1000G).
- Điện áp trung bình sau cầu diode được tính theo công thức sau: 02smoinpNtVVNT=⋅ (9) Trong đó : Nsm là số vòng dây cuộn thứ cấp.
- (10) Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC Với V0 = 100V, Vin = 48V, Np = 7 vòng, ton = 0,8T/2, ta tính được Nsm = 19 vòng.
- ⋅Pmax là dòng điện cực đại chạy qua cuộn sơ cấp.
- Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn sơ cấp là: max PP inIIPV.
- (12) Vì vậy, 4 dây đường kính 0.6mm được sử dụng làm dây cuốn phía thứ cấp e) Khối chỉnh lưu sau biến áp xung Điện áp ra sau biến áp xung là điện áp xoay chiều có biên độ lên đến 400V và tần số bằng 80KHz (bằng hai lần tần số điều chế xung).
- Do thiết kế công suất khoảng 2KW nên dòng điện đầu ra lớn nhất Imax = P/U A).
- Dựa vào ba thông số trên tôi chọn diode chỉnh lưu MUR1660 với các thông số như sau: f) Khối lọc một chiều Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC Điện áp ra khỏi chỉnh lưu là điện áp một chiều, tuy nhiên có chứa rất nhiều sóng hài bậc cao.
- Yêu cầu điện áp ra khỏi bộ lọc là điện áp không đổi có giá trị là 400V.
- Hình 13: Bộ lọc một chiều Hai thành phần L và C có tác dụng lọc thành phần cao tần trong điện áp sau chỉnh lưu.
- Để đánh giá mức độ nhấp nhô của điện áp một chiều sau mạch lọc, ta xác định hệ số truyền đạt của mạch đổi với tín hiệu mang tần số điều chế.
- Hệ số truyền đạt càng nhỏ, điện áp một chiều ra càng phẳng.
- Tính toán giá trị điện cảm của cuộn lọc Đối với sơ đồ Full-Bridge, điện cảm của cuộn lọc được tính theo công thức [8] sau:000,05dcVTLI⋅= (14) Trong đó : 0V là điện áp đầu ra, tính theo Volt.
- Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC dcI là dòng điện nhỏ nhất chạy qua cuộn cảm, tính bằng Ampe.
- Tính toán giá trị điện dung của tụ lọc Tùy thuộc vào độ mịn của điện áp ra mà ta chọn giá trị tụ lọc thích hợp.
- Giá trị điện dung của tụ lọc càng cao thì độ mịn của điện áp ra càng cao, tức là điện áp ra càng phẳng.
- Vr là độ mấp mô của điện áp ra, tính bằng Volt.
- Điện áp cần đo được qua bộ phận phân áp để tạo điện áp thấp (dưới 5V) phù hợp với mức điện áp của vi điều khiển.
- Điều này là rất quan trọng nhằm tránh sai số điện áp ở đầu ra của bộ phận phân áp.
- Điện áp đầu ra khối cách ly dòng được đưa qua khối bảo vệ quá áp trước khi vào chân ADC của vi điều khiển.
- Để kết quả đo về ADC được chính xác hơn ta dùng tụ điện C6 để lọc điện áp đầu vào LM358.
- Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC 472C4104C682KR71kR81KR10GNDDC+Vol t a ge5V104C5GNDGND82KR9DC-231A8 4U2ALM358D Hình 14: Mạch đo áp b) Mạch đo dòng Đo dòng ta sử dụng LA25-NP của hãng LEM, nó có ưu điểm là cách ly giữa khối công suất và khối đo dòng, nó thực chất là một biến dòng, biến đổi dòng thành áp với với một tỷ lệ theo sơ đồ đấu dây như sau: Để đảm mạch đo có thể đo được tất cả các giá trị của dòng tải một cách chính xác ta chọn sơ đồ đấu dây thứ 3.
- vUV−=⋅=Do đó điện áp vào ADC là 3V và trong vi xử lý ta sẽ chuyển nó thành giá trị thực của dòng dựa vào hệ số khuếch đại đo lường.
- Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC 200R61KR5GNDADC0GND5VGND1KR112P5IN1IN2IN3IN4IN5OUT6OUT7OUT8OUT9OUT10M11+15V12-15V13U1LA25-NPIOdc+IOdc-567B8 4U2BLM358D+15V-15V Hình 15: Mạch đo dòng sử dụng LA25-NP c) Mạch bảo vệ cứng: Mạch bảo vệ cứng được sử dụng để bảo vệ mạch điện khi có dòng điện quá lớn chạy qua cuộn sơ cấp biến áp trong trường hợp quá tải hoặc ngắn mạch.
- Từ yêu cầu này tôi chọn biến dòng LAH25-NP với cách thông số như sau: Dòng ra khỏi biến dòng sẽ được đưa vào qua biến trở để tạo ra áp, sau đó điện áp này sẽ được đưa vào một mạch so sánh.
- Đo dòng sơ cấp tính toán với tải cực đại là là 41.67A do đó ta sẽ chọn sơ đồ đấu dây thứ nhất.
- Với sơ đồ này thì dòng cực đại LEM có thể đo là 55A, hệ số biến dòng là 1:1000.
- Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC Để mạch hoạt động an toàn với công suất cực đại ta sẽ thiết kế cho mạch ngắt với dòng là 45A.
- Điện áp đầu vào dương của opam là 4.5V.
- Khi dòng qua van vượt quá 45A nghĩa là điện áp vào đầu dương của lớn hơn 4.5V, đầu ra của opam là mức cao (5V), mức cao này sẽ qua mạch flip-flop, mức cao ở đầu ra của flip-flop sẽ ngắt IR2110, van sẽ an toàn.
- 15VIinIoutGNDIN1IN2IN3OUT4OUT5OUT607+8M9U4LAH 25-NPSDGND5VGNDGND5V-15V100R23OTP_56814321U5ALM258N104C163k3R186k7R1710kR19104C21VCC147123U6A74AC08PC4CLK3D21Q5Q6CLRPRU7ADM74ALS74AN5VS14k7R325V GNDHình 16: Mạch bảo vệ sử dụng LAH 25-NP 2.2 Phương pháp điều khiển Các phương pháp điều khiển thông dụng nhất cho bộ biến đổi DC-DC.
- Bộ điều khiển PID (tỷ lệ, vi phân, tích phân.
- Bộ điều khiển thích nghi - Bộ điều khiển trượt Có nhiều phương pháp để điều khiển cho bộ chuyển đổi nguồn DC-DC, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng.
- Phương pháp điều khiển trượt có nhiều ưu điểm và phù hợp với yêu cầu bài toán đề ra như: Có tính bền vững, có sự ổn định cao khi tải thường xuyên thay đổi và cả khi có nhiễu ở phía tải, khả năng đáp ứng động tốt và đặt biệt là thực thi đơn giản.
- Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC Hình 17: Sơ đồ khối chỉ ra một vài phương pháp điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC.
- 2.3 Tổng quan về bộ điều khiển trượt Trong việc xây dựng một bài toán thông thường sẽ thấy được sự khác biệt giữa đối tượng thực tế với mô hình toán học xây dựng cho bộ điều khiển.
- Phải đảm bảo chắc chắn rằng bộ điều khiển đưa ra có khả năng đưa ra hiệu xuất theo yêu cầu theo thực tế mặc dù đối tượng hoặc mô hình đó không phù hợp.
- Điều này dẫn đến cần phải phát triển một phương pháp điều khiển bền vững để có thể giải quyết vấn đề này.
- Phương pháp điều khiển trượt đưa ra một cách tiếp cận cụ thể để thiết kế bộ điều khiển bền vững.
- Điều khiển trượt là một trường hợp riêng của hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi được đặc trưng bởi luật điều khiển phản hồi và luận lựa chọn.
- Các ứng dụng của điều khiển trượt trong các hệ thống điện và cơ Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC Hình 18: Ứng dụng của điều khiển trượt trong các hệ thông điện và cơ.
- Phương pháp thiết kế mô hình trượt gồm có 2 thành phần.
- Đầu tiên là thiết kế hàm chuyển mạch để chuyển động trượt thỏa mãn các đặc tính cần thiết kế.
- Thứ nữa là quan tâm tới việc chọn luật điều khiển để hàm chuyển mạch thu hút trạng thái hệ thống.
- Có thể thấy rằng luật điều khiển này không nhất thiết phải dán đoạn.
- Xét một hệ thống tổng quát với điều khiển vô hướng.
- 0xtσ=, do đó ta có: Vũ Hoàng Anh – ĐKTĐ Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC σσ.
- Với N chỉ số thành phần của vector vận tốc trạng thái và trực giao trên mặt trượt, ta có thể viết lại phương trình như sau: +f−fσσσσσσ lim 0 lim 0lim 0 lim 0NNffff (18) Từ đó ta có thể viết lại sau: σσσ=∂==∂∑1.niiidxdfdt x dt∇ (19) Vậy điều kiện tồn tại của mô hình trượt là: σσσσσσσ+−→→→⎧=⎨

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt