ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP DƯƠNG VĂN CƯỜNG THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI ĐẦU RA CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ. Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ TỰ ĐỘNG HOÁ THÁI NGUYÊN - 2010 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG Phản biện 1: PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH Phản biện 2: PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, ĐHTN. Ngày…….tháng……năm 2010 Có thể tìm luận văn tại: Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, ĐHTN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết. Quá trình xử lý biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Một bộ nâng điện áp là một bộ biến đổi DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời). Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài ”Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ra ” đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp, đảm bảo hiệu suất biến đổi cao và ổn định. 2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ Từ lâu các bộ biến đổi bán dẫn vẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn (còn gọi là van bán dẫn) khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn có đặc điểm là thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian. Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi. Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được. 3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI. 3.1. Đối tượng nghiên cứu. - Nghiên cứu mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp. - Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra (IOL) . - Nghiên cứu phương pháp điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp. 3.2. Phạm vi nghiên cứu. Nội dung luận văn nghiên cứu cấu trúc tổng quan và hoạt động của bộ biến đổi DC-DC trong đó tập trung nghiên cứu hai bộ biến đổi: Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic (Quadratic buck converter) và Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) từ đó đưa ra kết luận và lựa chọn phương pháp điều khiển để điều khiển đối tượng. 3.3. Nhiệm vụ của đề tài. - Nghiên cứu mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp - Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra (IOL) - Nghiên cứu phương pháp điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp - Mô phỏng kiểm chứng lý thuyết trên nền Matlab& Simulink 4. NGUỒN TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1 Nguồn tài liệu. Luận văn đã sử dụng các tài liệu trong và ngoài nước, các tạp chí khoa học kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu liên quan. 4.2. Phương pháp nghiên cứu. - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo các tài liệu kỹ thuật để phân tích, tổng hợp các vấn đề có liên quan tới đề tài. - Nghiên cứu mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp - Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra (IOL) - Nghiên cứu phương pháp điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp - Ứng dụng của Matlab và Simulink. - Phương pháp thực tiễn: Tham quan, điều tra, khảo sát để củng cố thêm độ tin cậy chính xác của kết quả nghiên cứu lý thuyết. 5. ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN. - Luận văn đã làm rõ những vấn đề nảy sinh, những nhược điểm cũng như những hạn chế của các bộ biến đổi DC-DC. - Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi đầu ra và áp dụng cho điều khiển các bộ biến đổi DC- DC tắng áp. 6. KẾT CẤU LUẬN VĂN. Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Phụ lục, luận văn được bố cục gồm 4 chương, 46 hình vẽ và 4 tài liệu tham khảo. Chương 1: Mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp. Chương 2: Nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra (IOL). Chương 3: Điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp. Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab& Simulink. CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP I. Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn Để phân loại các bộ biến đổi bán dẫn người ta dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào và ngõ ra. Về nguyên tắc, chúng ta chỉ có dòng điện một chiều (DC) hay xoay chiều (AC), do vậy có 4 tổ hợp khác nhau đối với bộ đôi dòng điện ngõ vào và ngõ ra (theo quy ước thông thường, ngõ vào trước, sau đó đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, và AC-AC. Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi II. Các bộ biến đổi DC-DC. Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảm chuyển mạch. Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn. Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck- boost/inverting (đảo dấu điện áp). Hình 1.2 thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm. CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI ĐẦU RA I. Mô hình cấu trúc hệ thống tuyến tính hóa chính xác nhờ phản hồi đầu vào ra Trong hình 2.1 là sơ đồ hệ thống tuyến tính hóa chính xác nhờ phản hồi đầu vào ra cho đầu ra ổn định quanh giá trị cân bằng đầu ra yêu cầu của bộ biến đổi công suất DC-DC thông qua điều biến ∑−∆ . Sơ đồ hệ thống tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC-DC Ta đặt điều khiển phản hồi trước khi thiết kế kỹ thuật theo kiểu tuyến tính hóa chính xác nhờ phản hồi đầu vào ra. Đây là một trong các mô hình thiết kế bộ điều khiển phản hồi [...]... lực bộ biến đổi Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC- DC tăng áp với các thông số bộ biến đổi: L = 15.91mH , C = 50 µ F , E=12V, R=52Ω Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp Mô tả toán học bộ biến đổi: L di = −(1 − u )v + E dt C dv v = (1 − u )i − dt R Mô hình hóa mạch động lực bộ biến đổi trên Plecs Matlab-Simulink: ` Mô hình bộ biến đổi trong khối Subsystem Bộ biến đổi tăng áp mô hình hóa trên PLECS II Xây... của một bộ biến đổi, thỏa mãn các yêu cầu chất lượng tĩnh và động KẾT LUẬN Đánh giá nhiệm vụ: Nhiệm vụ của luận văn là Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC- DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ra Với những kết quả đã trình bày, có thể đánh giá một cách chủ quan rằng nhiệm vụ đã luận văn đã được hoàn thành, thể hiện ở những đặc điểm sau: - Làm rõ được cấu trúc, đưa ra mô hình... thực hiện luận văn hạn chế, đề tài mới chỉ thực hiện được mục tiêu chính là điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi tăng áp mà chưa đưa ra được hàm truyền chi tiết vòng phản hồi dòng điện của bộ biến đổi Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là khảo sát chi tiết và đưa ra được cấu trúc hàm truyền của mạch phản hồi dòng điện và bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra làm... hình toán học của bộ biến đổi tăng áp - Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra thông qua việc nghiên cứu các khái niệm về hệ thống cấu trúc biến, điều khiển tương đương, trạng thái cân bằng, hình học vi phân,đạo hàm lie - Xây dựng bộ được điều khiển cho bộ biến đổi tăng áp trên cơ sở áp dụng nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra, khảo sát tính ổn định trên... theo giá trị của biến x1 và biến u cũng đạt giá trị cân bằng tương ứng: − x1 =Vd2 / Q, uav =1/ Vd Ta có hai phương án xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC- DC tăng áp như sau: I Điều khiển trực tiếp Theo mục tiêu hàm đầu ra của hệ thống, giá trị điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi trên tụ tương ứng y=x 2 Phản hồi tuyến tính hóa vào ra đạt được bằng việc cho x 2 tuyến tính − hóa động với y =Vd... ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 20V Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 27V Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 30V Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 40V Với quá trình thử nghiệm như trên, ta thấy rằng bộ biến đổi có dải điều chỉnh rất rộng, điện áp ra đạt chất lượng theo yêu cầu, áp ứng nhanh, thời gian quá độ nhỏ Ta thấy rằng bộ biến đổi với... - Đầu vào của khối là tín hiệu u, nhận 1 trong 2 giá trị 0 và 1 đóng cắt cho khóa S1(khóa Q trên sơ đồ ), điều khiển bộ biến đổi - Đầu ra là các tín hiệu dòng điện, điện áp Sử dụng hai mạch vòng phản hồi: - Vòng trong là phản hồi dòng điện có tác động rất nhanh, bộ điều khiển là điều khiển tuyến tính hoá nhờ phản hồi vào ra kết hợp với bộ điều chỉnh PID cho dòng điện - Vòng ngoài: phản hồi điện áp. ..  u   0   I        (2.4) CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI VÀO RA CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC- DC TĂNG ÁP Theo chương 1, ta có mô hình toán học bộ biến đổi DCDC tăng áp : x = −u x +1 av 2  1  x2 x2 = uav x1 − Q   1  f ( x ) =− 2 ; x   Q    −  x  g ( x ) = 2   x1  (3.1) (3.2) Với mong muốn điều chỉnh điện áp ra trung bình trên tụ đạt được giá trị mong muốn khi cân... Sử dụng phương pháp xấp xỉ hóa tuyến tính ta cho x 1 thay đổi quanh điểm cân bằng x1 =Vd2 / Q , ta có: Q  x1δ = 2 ÷ 1δ x Vd  Với giá trị của Q là luôn dương thì x1δ dương, do đó bộ điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi đầu ra sẽ không đạt được cực tiểu về pha, do đó hệ thống sẽ không ổn định, kéo theo giá trị trung bình của biến điện áp đầu ra là không ổn định II Điều khiển gián tiếp Với phương. .. và dòng điện qua cuộn cảm Điện áp ra của bộ biến đổi Mục tiêu của bộ biến đổi là có được điện áp ra mong muốn đạt yêu cầu, Quan sát trên hình ta thấy đặc tính điện áp ra của bộ biến đổi với quá trình khởi động từ 0V lên điện áp yêu cầu 24V trong khoảng thời gian xấp xỉ 0.07s, lượng quá điều chỉnh bé Khi tải biến động, kéo theo sự thay đổi thông số hệ thống thì điện áp này vẫn được giữ ổn định, thời . ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP DƯƠNG VĂN CƯỜNG THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC- DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI ĐẦU RA CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ. Mã số: TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC. hình bộ biến đổi DC- DC tăng áp. Chương 2: Nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra (IOL). Chương 3: Điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp. Chương. hình có tính phi tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC- DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ra ” đã