- Phạm Tuấn AnhSinh viên: Nguyễn Xuân Tùng MSV: 45861Tên đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng và lập trình điều khiển điện áp bộ biến đổi DC-DC Buck”MỤC LỤCBẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT TRONG TKMHDANH MỤC CÁC BẢNG TRONG TKMHDANH MỤC CÁC HÌNH VẼPHẦN MỞ ĐẦU 1. - Điều khiển bộ biến đổi DC - DC 3.3. - Tổng hợp cấu trúc bộ điều khiển 3.4. - Mạch Buck và thiết bị điều khiển số xử lý tín hiệu số. - Điều khiển bộ biến đổi DC-DC buck . - Cấu trúc điều khiển bộ DC-DC buck . - Tổng hợp cấu trúc điều khiển DC-DC . - Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển điện tử công suất bằng điều khiển số . - Phân tích đưa bộ điều khiển PID vào miền số. - Xây dựng chương trình điều khiển bộ biến đổi Buck dựa trên bộ điều khiển PID . - Mô phỏng bộ điều khiển PID và bộ xử lý dữ liệu điều chế PWM . - Mô phỏng ghép nối bộ điều khiển vào đối tượng và hoàn thiện hệ thống . - Kết quả theo dõi các thông số thực nghiệm của bộ biến đổi trên phần mềm CCS chế độ Debug KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO BẢNG CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT TRONG TKMHChữ cái Tên hình Mô tả CCS Code Composer Studio Phần mềm lập trình TI Texas Instruments Hãng sản suất SFRA Software Frequency Response Phần mềm phân tích điều khiển Analyzer số DSP Digital signal processing Thiết bị xử lý sốDANH MỤC CÁC BẢNG Số Tên bảng Trang bảng 3.1 Các thành phần trên mạch lực 42 3.2 Kết nối tín hiệu 46DANH MỤC CÁC HÌNHSố hình Tên hình Trang 1.1 Hệ thống vòng kín điều khiển điện tử công suất 11 1.2 Điều khiển hai bộ biến đổi công suất trong cùng một MCU 12 1.3 Độ phân giải kênh PWM tối ưu 12 1.4 Thời gian trích mẫu tới 12.5 MSPS 14 1.5 (a) Sơ đồ mạch lực. - 2.1 22 Cài đặt chương trình trình dịch từ Matlab 2.2 23 Cài đặt gói hỗ trợ C2000 TI 2.3 23 Chọn công cụ liên kết 52.4 24 Cài đặt phần mềm bên thứ 32.5 24 Cài đặt biên dịch code2.6 Thư viện TI C2000 252.7 Khối GPIO 262.8 Khối Watchdog 272.9 Cài đặt khối Watchdog 272.10 Khối ADC 282.11 Khối ePWM 292.12 Khối eQEP 292.13 Khối Software interrupt trigger 302.14 Khối Hardware interrupt 312.15 Giao diện của Code Composer Studio 312.16 Giao diện tạo mới dự án chương trình 322.17 Giao diện đưa chương trình có sẵn vào CCS 332.18 Giao diện cửa sổ Target Configurations 332.19 Mô hình ADC - PWM 342.20 Mô hình ADC - PWM 342.21 Cài đặt Hardware Implementation 352.22 Cài đặt code generation 352.23 Build Model 362.24 File được build thành công 36 62.25 Thư viện và code sau khi build 372.26 Mô hình GPIO DO 372.27 Cài đặt cấu hình khối GPIO 382.28 Lưu đồ thuật toán lập trình 383.1 Board điện tử công suất DC-DC Buck 413.2 Thiết bị xử lý tín hiệu số F Board kết nối với thiết bị điều khiển số 423.4 Thiết kế của Synchronous Buck 433.5 Sơ đồ thiết kế trên board Buck 443.6 Sơ đồ kết nối thiết bị điều khiển 453.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 463.8 Dòng điện ổn định qua tải bộ dc-dc Buck 473.9a Dòng điện qua tải khi Ton 483.9b Dòng điện qua tải khi Toff 483.10 Cấu trúc điều khiển Buck ở chế độ điện áp 483.11 Cấu trúc điều khiển dòng điện trung bình bộ dc- dc buck 493.12 Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh bộ dc- dc buck 493.13 Cấu trúc hệ điều khiển điện tử công suất-số 503.14 Cấu trúc của hệ thống vòng kín 503.15 Mô tả các hàm trong thuật toán 523.16 Lưu đồ thuật toán 533.17 Sơ đồ chuyển đổi bộ điều khiển PID miền số 543.18 Thể hiện hàm truyền của bộ điều khiển 55 73.19 Xử lý tín hiệu từ bộ điều khiển và đối tượng 563.20 Bộ điều khiển trên trình mô phỏng Simulink – Matlab 563.21 Bộ biến đổi Buck trên chương trình mô phỏng 563.22 Ghép nối bộ Buck với tải tạo thành đối tượng điều khiển 573.23 Toàn bộ cấu trúc mô phỏng của hệ thống 583.24 Kết quả mô phỏng không nhiễu tải 593.25 Kết quả mô phỏng có nhiễu tải 593.26 Kết quả mô phỏng có nhiễu tải 603.27 Tham số thực nghiệm 613.28 Điện áp đầu ra hệ thống thực với tải cố định 613.29 Điện áp đầu ra hệ thống thực với tải gián đoạn 62 8 LỜI MỞ ĐẦU1. - Nó được ứng dụngrộng rãi trong nhiều thiết bị hay hệ thống khác nhau như: cấp nguồn cho máy tínhvà laptop, các bộ sạc điện thoại, nạp pin từ năng lượng mặt trời… Trên thực tế đó, đồ án này nghiên cứu về bộ biến đổi DC-DC Buck với đề tàicó tên là: “Nghiên cứu mô phỏng và lập trình điều khiển bộ biến đổi DC-DC Buck”2. - Thiết kế lập trình và điều khiển số bộ DC – DC Buck. - Đối tượng, phạm vi nghiên cứu đề tài - Phần mềm Matlab phần lập trình nhúng, phần mềm lập trình CodeComposer Studio, board thí nghiệm biến đổi công suất Buck và bộ điều khiển mạchBuck DSP F28069 của hãng Texas Instruments. - Phạm vi nghiên cứu: tìm hiểu về bộ biến đổi, mô phỏng vòng kín của hệthống trên phần mềm Matlab Simulink, xây dựng chương trình điều khiển hệ thống.4. - Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu về cấu trúc bộ biến đổi, nguyên lý hoạt động của bộ DC – DCBuck từ đó phân tích và đưa ra hệ thống điều khiển vòng kín - Tiến hành mô phỏng và chạy thực nghiệm để đánh giá hệ thống 95. - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi Buck sẽ tăng thêmhàm lượng kiến thức về điều khiển số với các thiết bị điện tử công suất - Thực tiễn đề tài: Từng bước làm quen với các thiết bị xử lý tín hiệu số củahãng TI cũng như thêm những kinh nghiệm về thiết kế hệ thống điện tử công suất -điều khiển số Trong quá trình thực hiện đồ án này có nhiều sai sót hi vọng quý thầy côthông cảm và bỏ qua. - Giới thiệu các dòng chip Texas Instrument1.1.1 Giới thiệu các dòng chip họ C2000 C2000 Microcontroller là dòng vi điều khiển 32-bit được thiết kế để sử dụngtrong các vòng kín một cách tối ưu. - Điều khiển trong môi trường thời gian thực Hình 1.1: Hệ thống vòng kín điều khiển điện tử công suất Xử lý đáp ứng hệ thống, các phản hồi hệ thống, kiểm soát hệ thống với độtrễ tối ưu. - Tối ưu độ trễ của điều khiển vòng lặp. - Cấu hình mạnh mẽ, tối ưu để thực hiện các chương trình điều khiển với hiệusuất tốt. - Ứng dụng điều khiển hệ thống vòng kín như điều khiển động cơ, bộ biến đổiđiện tử công suất, biến tần, hệ điện mặt trời. - 11 - Khả năng xử lý mạnh mẽ Hình 1.2: Điều khiển hai bộ biến đổi công suất trong cùng một MCU Lõi 32bit C28 DSP xử lý các công việc thu thập và xử lý trong một chutrình, cung cấp hiệu suất cao trên mỗi MHz so với MCU thường. - 12 Technology-packed PWM modules hỗ trợ thời gian chính xác và kỹ thuậttân tiến để điều khiển các hệ thống phức tạp cao. - Bảo vệ hệ thống thời gian thực với bộ so sánh tín hiệu tương tự phản ứngnhanh 50ns thời gian đáp ứng Cảm biến hiệu suất tăng cường với độ phân giải cao - Đang được phát triển đầu tư Đang dần được cải thiện về mặt tính năng và hiệu suất Tính năng đa dạng và đa dụng trong nhiều hệ thống Kích thước bộ nhớ flash tích hợp từ 16 KB đến 1 MB Hoạt động trong dải –40°C to 125°C Nhiều gói sản phẩm ứng dụng đi kèm (điện tử công suất, điều khiển độngcơ) 13 - Những giải pháp ứng dụng Những sản phẩm của vi điều khiển C2000 được cung cấp những phần mềmchuyên dụng cũng như tài nguyên phần cứng để dễ dàng thiết kế và tối ưu hóa hiệusuất hệ thống Phần mềm công nghệ tân tiến, ví dụ như phần mềm instaSPIN điều khiểnđộng cơ, Power Suite thiết kế hệ thống điện tử công suất. - Tham khảo thiết kế các phần cứng thực tế và các nền tảng phát triển ứngdụng cho điều khiển động cơ, điện mặt trời, chiếu sáng LED. - Các dòng chip TI C2000 và ứng dụng - C2000 Piccolo MCUs Là dòng chip giá rẻ cho điều khiển thời gian thực như là các thiết bị gia dụng,bơm, các driver điều khiển trong công nghiệp, sạc ắc quy, điện - mặt trời với cácưu điểm sau: Hiệu suất mạnh mẽ: Hai lõi xử lý, tích hợp xử lý các phép tính lượng giác, cókhả năng tang tốc độ xử lý lên đến 7 lần Lõi xử lý CLA phụ trợ: Hoạt động như là một hệ thống kép với một lõi phụtrợ. - Vìvậy có thể ứng dụng trong các hệ thống có nhiều động cơ, cùng với hệ thống đènLED chiếu sáng đi kèm với đường dây thông tin giao tiếp và hơn thế nữa Với các thiết bị ngoại vi điều khiển tập trung: Thiết kế hợp lý để làm cho cácứng dụng có độ phản ứng nhanh. - Kênh PWM hỗ trợ nhiều thuật toán điều khiển vàđộ phân giải cao làm cho hệ thống có hiệu suất cao. - Kệnh PWM có thể kích hoạthoặc tắt trong thời gian rất nhanh trong khoảng 20ns 14 Giảm độ phức tạp của hệ thống với các thiết bị ngoại vi đi kèm cho việc thiếtkế điều khiển thời gian thực: Ba kênh ADC hoạt động động lập thích hợp cho việctheo dõi 3 pha của động cơ. - Kênh DAC 12 bit có thể sử dụng trong nhiều mụcđích Các mã vi điều khiển tiêu biểu: F28035, F28069, F2807x. - Hỗ trợ xử lý toán học lượnggiác… Cho thấy sự khác biệt với kênh tương tự hiệu suất cao: Hệ thống mạnh củachip được cấu trúc cho tốc độ và hệ thống điều khiển chính xác. - Các kênh này được thế kế sao cho khi gặp sự cố chip cóthể bảo vệ các tầng mạch lực hiệu quả Kiểm soát các thiết bị ngoại vi: Điều khiển hợp lý để cho chương trình phảnứng nhanh hơn. - Có thể điều khiển chính xác các thiết bị như driver của các bộ biếnđổi, bộ biến đổi điện mặt trời, các bộ điện tử công suất. - Kênh PWM độ phân giảicao và hỗ trợ nhiều thuật toán điều khiển. - Giao diện USB và cổng song song 16-bit Các mã vi điều khiển tiêu biểu: F2833x, F2837x, F2834x… 15 - C2000 InstaSPIN MCUs Hỗ trợ điều khiển bất kì một động cơ ba pha nào một cách nhanh chóng và dễdàng với công nghệ InstaSPIN mà không yêu cầu thông số động cơ. - Đây là giảipháp thiết kế điều khiển động cơ dễ dàng với cả hệ thống phức tạp và ứng dựngđơn giản. - Như vậy ứng dụng của loại chip này là vào lĩnh vực điều khiển các độngcơ ba pha Một số sản phẩm hỗ trợ F28069, F2803x,F2805x. - Có thể nạp thẳng vào bộ nhớFlash hoặc Ram tùy mục đích của người sử dụng1.3.2 Sử dụng môi trường lập trình đồ họa ViSsim ViSsim là môi trường phần mềm phát triển tích hợp, cho phép xây dựng mộtcách nhanh chóng bộ điều khiển nhúng trên họ C2000 của Texas Instruments. - Người lập trình sử dụng các khối cho bộ điều khiển hay bộ lóc để tạo ra codebiên dịch và liên kết nạp. - VisSim PE: Môi trường để xây dựng các khối chường trình và mô phỏng VisSim/Fixed Point : Các khối xử lý số học dấu phẩy tĩnh và mô phỏng vàcác phép toán dấu phẩy tĩnh TI C2000 Digital Motor Control (DMC) Block Set : Các khối thư viện hỗtrợ điều khiển động cơ. - Hiện nay bộ biếnđổi thường thiết kế đi kèm với điều khiển vòng kín. - Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Buck khá đơn giản, với một cuộn cảmtích lũy dòng điện, hai van bán dẫn (hai transistor hoặc một transistor và một điốt)để điều khiển bộ biến đổi và các bộ lọc đầu ra. - Góinày có tên là TI C2000 Support form Embedded Coder, cho phép tạo ra các filengôn ngữ C để nhúng vào vi điều khiển thông qua phần mềm Code Composer 21Studio. - Như vậy lập trình nhúng trên Matlab sẽ hỗ trợ về mặt mô phỏng, tính toán cácbộ điều khiển và phương pháp lập trình trực quan, gần gũi2.2.2. - Nhờ chương trình này màMatlab có thể dùng để dịch ngôn ngữ lập trình theo khối sang ngôn ngữ C đưasang CCS nạp vào các dòng vi điều khiển của TI Tiếp theo, chỉ cần ấn các thanh next và confirm là có thể hoàn thành việc càiđặt trên2.2.4. - Bao gồm các khối toán học dấu phẩy tĩnhphục vụ cho điều khiển số động cơ cùng với C28x DSP.2.2.5. - Đưa ra ví dụ Đề tài: Đọc giá trị của cảm biến nhiệt độ trong vi điều khiển qua kênh ADC Mô tả: Trong vi điều khiển F28069 có một cảm biến nhiệt độ gắn với mộtkênh ADC. - Kết quả: Sau khi nạp vào vi điều khiển và chạy ở chế độ debug liên kết với máy tính đểtheo dõi kết quả, chương trình trong chip chạy giám sát nhiệt độ theo từng chu kỳtrích mẫu của ADC 41 CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BUCK, LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG3.1. - Thiết bị sử dụng nguồn điệnvào (input voltage) từ 8.5v đến 12v và được hỗ trợ để cắm với một thiết bị xử lý tínhiệu số (digital signal processing) để hỗ trợ điều khiển. - Hình 3.2: Thiết bị xử lý tín hiệu số F28069 42 Thiết bị điều khiển xử lý tín hiệu số này cũng là một sản phẩm của hãng TI đólà TMS320F28069. - Mục đích làm ra bộ thí nghiệm là thiết bị xử lý tín hiệu số TMS320F28069 vàBoard điện tử công suất Buck trên là để hỗ trợ nghiêm cứu thực hành điều khiểnđiện tử công suất bằng phương pháp điều khiển số bằng vi điều khiển lập trìnhtrong một hệ kín Hình 3.3: Board kết nối với thiết bị điều khiển số Tên Mô tả Nguồn 9V Nguồn DC cấp cho Kit thông qua giắc cắmCông tắc nguồn SW1 – Công tắc cấp nguồn chính cho mạch Điện trở tải Điện trở tải giá trị 7,5Ω được kết nối với đầu ra Điện trở tích Điện trở có thể được thêm vào đầu ra hoặc loại ra nhờ tín cực hiệu đưa vào khóa điện tử Mạch Buck Mạch Buck với thiết kế synchronous buck kèm theo các tụ lọc điện áp Bảng 3.1: Các thành phần trên mạch lực3.1.2. - Việc thay đổinày sẽ giúp do cấu tạo của các van điện tử thường đi theo cặp (một IC có hai vanbán dẫn) và các thiết bị điều khiển thường đi theo cặp hai kênh PWM. - Hình 3.6: Sơ đồ kết nối thiết bị điều khiển Khi mạch điều khiển kết nối với mạch lực chức năng tín hiệu của chúng nhưsau: 47Cổng tín hiệu Mô tả Kết nối với DSP EPWM-4A Tín hiệu điều khiển driver cổng High GPIO-06 EPWM-4B Tín hiệu điều khiển driver cổng Low GPIO-07 EPWM-5A Thay thế tín hiệu điều khiển driver cổng GPIO-08 High EPWM-6A Tín hiệu điều khiển driver cổng Low GPIO-10 VoutFB-1 Phản hồi điện áp ra ADC-A3 ILFB Phản hồi dòng cuộn cảm (bảo vệ quá dòng) ADC-A4ILFB_AVG Phản hồi dòng cuộn cảm (lọc nhiễu) ADC-B4 VinFB Điện áp đầu vào ADC-B3 Bảng 3.2: Kết nối tín hiệu3.2. - Điều khiển bộ biến đổi DC-DC buck3.2.1. - Cấu trúc điều khiển bộ DC-DC buck Cấu trúc điều khiển của bộ biến đổi có nhiều phương pháp điều khiển như làđiều khiển ở chế độ điện áp, chế độ dòng điện hoặc chế độ theo công suất tối ưucủa đầu ra Uo* d Uo Voltage DC DC PWM Controller Converter - Hình 3.10: Cấu trúc điều khiển Buck ở chế độ điện áp 50 Cấu trúc có một mạch vòng phản hồi điện áp như trên hình 3.10 là chế độđiện áp. - Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển sẽ điều chỉnh độ rộng xung của kênhPWM đưa ra xung đóng cắt phù hợp cho bộ biến đổi Buck. - Mục đích của mạchvòng điều khiển này là điều khiển điện áp đúng theo giá trị đặt mong muốn vàkhông bị ảnh hưởng bởi nhiễu tải Uo* Voltage Current d DC DC IL PWM Controller Controller Converter. - Uo Hình 3.11: Cấu trúc điều khiển dòng điện trung bình bộ dc- dc buck Cấu trúc vòng kín điều khiển dòng điện hai vòng nối cấp. - Mạch vòng bêntrong là mạch vòng phản hồi dòng điện, bên ngoài là mạch vòng phản hồi điện áp.Tín hiệu ra của bộ điều khiển điện áp chính là điểm đặt cho bộ điều chỉnh dòngđiện. - Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu điều chế xung PWM đưađến khối phát xung với hệ điều khiển dòng điện theo dòng điện trung bình(average-current mode). - Current R Q Controller Uo Hình 3.12: Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh bộ dc- dc buck Đối với cấu trúc điều khiển dòng điện thì phải có thời gian đáp ứng nhanhđảm bảo dòng diện thực bám theo dòng điện đặt. - Với cấu trúc 51dòng điện đỉnh thì đỉnh của tam giác dòng điện như đã trình bày ở trên sẽ tiến tớigiá trị đặt, đó là mục đích của vòng điều khiển này. - Tổng hợp cấu trúc điều khiển DC-DC3.3.1. - Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển điện tử công suất bằng điềukhiển số Hình 3.13: Cấu trúc hệ điều khiển điện tử công suất-số Với G(z) là bộ điều khiển vi xử lý được lập trình để điều khiển vòng kín. - H(s)chính là đối tượng điều khiển ở trong đồ án nghiên cứu này chính là bộ biến dổicông suất Buck. - ADC là khối đotín hiệu phản hồi và PWM là khối phát xung điều khiển cho bộ biến đổi 52 Hình 3.14: Cấu trúc của hệ thống vòng kín Dựa trên cấu trúc như hình 3.10 thì bộ điều khiển của ta sẽ nhận tín hiệu phảnhồi là điện áp và bộ điều khiển sử dụng ở đây sẽ là bộ PID ứng dụng trên miền xửlý số3.3.2. - Một bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển phản hồi vòng kín (bộ điềukhiển) tổng quát sử dụng rộng rãi với các hệ thống điều khiển trong công nghiệp –bộ PID là bộ điều khiển sử dụng rộng rãi nhất trong số các bộ điều khiển của cáchệ thống tự động. - Hàm truyền của bộ điều khiển PID trên miền s: U ( s) K KP I KD s (3.1) E ( s) s 53 Để chuyển sang miền gián đoạn với thành phần tích phân ta thay biểu thức 2 ( z 1. - 2 T Để đưa bộ điều khiển trên vào lập trình, hãng TI đã cung cấp cho người sửdụng thư viện asm_macros là thư viện cung cấp điều khiển số - điện tử công suất.Toàn bộ thành phần trong thư viện viết bằng ngôn ngữ Assembly để tối ưu thờigian thực hiện công việc. - Trong phần này ta đề cập đến thư viện CNTL_2P2Z.asm,là thư viện được viết cho bộ điều khiển (Compensator) 2P2Z (2 Pole 2 Zero) códạng gần giống như bộ điều khiển PID nên ta chỉ cần thay một vài hệ số của bộđiều khiển này và thay hệ số của bộ PID là có thể sử dụng mà không cần viếtchương trình. - Bộ điều khiển 2P2Z có dạng b0 b1 z 1 b2 z 2 G( z. - Khi thaya1=1 và a2=0 vào (3.3), bộ điều khiển 2P2Z lúc này sẽ có dạng PID. - Và nội dungcủa bộ điều khiển thể hiện ở đoạn chương trình sau:MOVL XT, *+XAR4[AR0. - ACC = e(n-2)*B2 + e(n-1)*B1 + e(n)*B0 + u(n-2)*A2 + u(n-1)*A1 Đoạn chương trình trên thể hiện đúng phần tính toán dựa trên công thức (3.3).Về phần chuyển đổi từ bộ PID sang các hệ số như trên công thức (3.3) ta khai báomột mảng của bộ điều khiển 2P2Z có đoạn chương trình như sau: struct CNTL_2P2Z_CoefStruct { long b2. - Xây dựng chương trình điều khiển bộ biến đổi Buck dựa trên bộ điềukhiển PID. - Phân tích các công việc trong một vòng điều khiển: Như phần trình bày trên ta sử dụng thiết bị điều khiển số F28069 kết nối vớimạch lực board Buck Vì mỗi chu kỳ trích mẫu của hệ thống vòng kín hoạt động rất nhanh và yêucầu tần số ổn định vì vậy ta sẽ sử dụng ngắt thời gian để thực hiên tất cả các côngviệc. - Tiếp theo là đưa các tín hiệu phản hồi và tín hiệu đặt vào trong bộ điều 55khiển ứng với bộ điều khiển PID đã tính toán ở trên. - Tiếp theo là dựa trên số liệuđầu ra để cấp dữ liệu điều khiển kênh PWM phát xung cho mạch lực.Kênh PWM ởđây là cặp kênh của EPWM4A và EPWM4B. - Chu kỳ phát xung điều khiển các vanlà 200kHz. - Hàm PWM() là hàm phátxung dựa trên thông tin nhận được từ bộ điều khiển và phát xung điều khiển bộbiến đổi công suất Buck. - 57Hình 3.16: Lưu đồ thuật toán 58 Ngắt làm việc với tần số 200kHz đảm bảo về mặt chất lượng điều khiển sốcủa hệ c. - Mô phỏng bộ điều khiển PID và bộ xử lý dữ liệu điều chế PWM Với bộ điều khiển PID khi đưa sang miền điều khiển số thì ta phải chuyển từcác hệ số trong bộ điều khiển (Kp, Kd, Ki) thành dạng gián đoạn trên miền z. - Nhưcông thức đã được thành lập ở trên ta có bộ điều khiển dạng: b0 b1 z 1 b2 z 2 G( z. - 59 Hình 3.17: Sơ đồ chuyển đổi bộ điều khiển PID miền số Hình 3.18: Thể hiện hàm truyền của bộ điều khiển Hình 3.17 và 3.18 thể hiện việc mô phỏng hệ thống trên Matlab của hàmtruyền G(z). - Tín hiệu đưa vào và đầu ra của G(z) sẽ phải xử lý qua hai khối xử lýtín hiệu như sau: 60 Hình 3.19: Xử lý tín hiệu từ bộ điều khiển và đối tượngSau đây là sơ đồ khối mô phỏng của bộ điều khiển thể hiện trên phần mềm môphỏng Simulink của Matlab thể hiện trên hình 3.20 Hình 3.20: Bộ điều khiển trên trình mô phỏng Simulink – Matlab3.4.2. - Mô phỏng ghép nối bộ điều khiển vào đối tượng và hoàn thiện hệ thống Hình 3.21: Bộ biến đổi Buck trên chương trình mô phỏng Trước tiên cần mô phỏng đổi tượng điều khiển là bộ Buck. - Sau đó ta tiến hành ghép nối mạch Buck với tải và các phần tử đo như tronghình Hình 3.22: Ghép nối bộ Buck với tải tạo thành đối tượng điều khiển 62 Hình 3.23: Toàn bộ cấu trúc mô phỏng của hệ thống Khi kết nối với tải, ta có hai loại tải như trong mạch lực của TI. - Mục đích của tải này là tiến hành đánh giá chất lượngđiều khiển với nhiễu tải thay đổi 63 Sau khi đã hoàn thiện phần đối tượng điều khiển ta ghép nối với bộ điều khiểnvà hoàn thiện hệ thống. - Kết quả mô phỏng hệ thống Như trên hình 3.23 ta chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink sửdụng các thành phần đã trình bày ở trên và tiến hành mô phỏng hệ thống điềukhiển bộ biến đổi Buck Kết quả thu được khi không có nhiễu tải, tải ổn định 7 ohn và có nhiễu vớiđiện áp đặt là 2V: Hình 3.24: Kết quả mô phỏng không nhiễu tải Nhận xét: Hệ thống có chất lượng điều khiển tốt thời gian đáp ứng nhanh,không có sai lệch. - BộPID phù hợp trong điều khiển bám giá trị đặt khi không có nhiễu tải 64Hình 3.25: Kết quả mô phỏng có nhiễu tải 65 Hình 3.26: Kết quả mô phỏng có nhiễu tải Nhận xét: Với không có nhiễu tải hệ thống có chất lượng điều khiển tốt thờigian đáp ứng nhanh, không có sai lệch. - Để giải quyết vấn đề này ta nên thay bộ điều khiển này 66bằng bộ điều khiển 2P2Z (bộ điều khiển hai điểm không và hai điểm cực). - Sau khi sử dụngSFRA dữ liệu sẽ được lưu vào và ta sử dụng phần mềm Compensation Designer đểđưa ra bộ điều khiển và đưa vào lập trình3.5. - Kết quả theo dõi các thông số thực nghiệm của bộ biến đổi trên phần mềmCCS chế độ Debug Hệ thống điều khiển bộ biến đổi Buck của hãng TI hỗ trợ việc theo dõi cácthống số của hệ thống cũng như là dạng đồ thị của điện áp đầu ra trên bộ biến đổi.Sau đây là kết quả theo dõi việc điều khiển hệ thống thực Ta tiến hành chạy hệ thống vòng kín với giá trị đặt ở thanh Gui_Vset1 = 2.0V, bộ điều khiển PID với các thiết lập như trên hình: Hình 3.27: Tham số thực nghiệm Với những tham số trên ta tiến hành chạy hệ thống điều khiển bộ biến đổibằng bộ điều khiển PID và tải ở chế độ gián đoạn gây nhiễu cho đầu ra. - Tìm hiểu về các thiết bị điều khiển số DSP của hãng Texas Instruments - Tìm hiểu và nghiên cứu về mạch điện tử công suất Buck và phương phápđiều khiển vòng kín - Tiến hành thiết kế lập trình điều khiển và mô phỏng Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên trong đồ án vẫn còn sai sót. - Chưa hoàn toàn nghiên cứu hết về các phần mềm lập trình điều khiển - Chưa thiết kế được chính xác bộ điều khiển vòng kín, mới chỉ dừng lại ởmức chuyển đổi bộ điều khiển PID sang miền số - Chất lượng điều khiển PID chưa thực sự tốt cần phải tìm hiểu thêm các bộđiều khiển khác để tối ưu hệ thống Em mong nhận được ý kiến nhận xét và đóng góp của các thầy cô và các bảnđể bản đồ án này được hoàn thiện hơn nữa. - Giáo trình Điều khiển số, Đại học hàng hải Việt Nam.[2]
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt