Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC - DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG

PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HÓA NHỜ PHẢN HỒI VÀO RA

Học viên: DƯƠNG VĂN CƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG

THÁI NGUYÊN 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Dương Văn Cường

Lớp: CHTĐH-K11

Chuyên ngành: Tự động hoá

Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang

Ngày giao đề tài: 07/12/2009

Ngày hoàn thành: 30/07/2010

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

GS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang

HỌC VIÊN

Dương Văn Cường

BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

*****

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-------------------------------------

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nghiên cứu dưới đây là của tôi , nếu sai tôi xin chịu

hoàn toàn trách nhiệm.

Người cam đoan

Dương Văn Cường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Mục lục ........................................................................................................................1

Mở đầu.........................................................................................................................3

Chương 1: Mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp....................................................5

1.1. Giới thiệu các bộ biến đổi bán dẫn.......................................................................5

1.2. Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn ........................................................................7

1.3 Các bộ biến đổi DC-DC ........................................................................................8

1.3.1. Bộ biến đổi giảm áp (buck converter).......................................................... 10

1.3.2. Bộ biến đổi đảo áp ( buck-boost converter)……………………………… 13

1.3.3.Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic (Quadratic buck converter)……………..14

1.3.3.1.Mô hình bộ biến đổi…………………………………………………… 15

1.3.3.2.Mô hình dạng chuẩn………………………………………………… 16

1.3.3.3.Điểm cân bằng……………………………………………………….. 17

1.3.3.4.Hàm truyền tĩnh……………………………………………………… 18

1.3.4. Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)…………………………………… 18

1.3.4.1. Mô hình của bộ biến đổi………………………………………………20

1.3.4.2. Mô hình dạng chuẩn .................................................................................20

1.3.4.3. Điểm cân bằng và hàm truyền tĩnh...........................................................22

Chương 2: Nguyên lý điều khiển tuyến tính nhờ phản hồi

đầu vào ra………………………………………………………………….. 25

2.1.Cơ s ở lý thuyết………………………………………………………… 25

2.2.Mô hình cấu trúc hệ thống tuyến tính hoá chính xác nhờ

phản hồi đầu vào ra…………………………………………………. 27

2.3.Cấu trúc affine…………………………………………………… 28

2.3.1.Bất biến với phép biến đổi vi phôi…………………………… 29

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.3.2. Bất biến với cấu trúc song song ,nối tiếp và hồi tiếp……….. 30

Chương 3: Điều khiển tuyến tính hoá nhờ phản hồi vào ra

cho bộ biến đổi dc-dc tăng áp……………………………………….. 33

3.1. Đặt vấn đề…………………………………………………………. 33

3.2. Điều khiển trực tiếp……………………………………………….. 33

3.3. Điều khiển gián tiếp……………………………………………….. 35

3.4.Kết luận……………………………………………………………… 36

Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab& Simulink …………….. 37

4.1. Mạch lực bộ biến đổi………………………………………………………….38

4.2. Xây dựng bộ điều khiển……………………………………………………… 42

4.2.1. Bộ điều chỉnh dòng điện………………………………………………… 42

4.2.2.Bộ điều biến PWM…………………………………………………… 42

4.2.3.Bộ điều khiển PID cho dòng điện…………………………………… 50

4.2.4.Tổng hợp, mô phỏng mạch vòng dòng điện………………………………53

4.2.5. Bộ điều chỉnh điện áp…………………………………………………….59

4.2.5.1. Thử nghiệm các thông số hệ thống …………………………………. 63

4.2.5.2. Thử nghiệm tính điều chỉnh được của hệ thống……………….. 66

Kết luận…………………………………………………………………………… 71

Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………73

Danh mục hình vẽ………………………………………………………….. 74

MỞ ĐẦU

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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.

Luận văn bao gồm 4 chương, nội dung cơ bản như sau:

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

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng cảm ơn đối với Thầy GS.TSKH.Nguyễn Phùng

Quang đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua và cũng xin được bày tỏ lòng

biết ơn tới các anh, chị trong Trung tâm Công nghệ cao Trường ĐH Bách Khoa HN

cũng như gia đình , bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

này. Do hạn chế về trình độ ngoại ngữ, tham khảo tài liệu… và với thời gian chưa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

nhiều nên luận văn còn có nhiều khiếm khuyết, sai sót. Tôi mong nhận được nhiều ý

kiến đóng góp cũng như những lời khuyên hữu ích từ các thầy, cô cùng các đồng

nghiệp để có thể thấy rõ những điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng

đề tài đạt đến kết quả hoàn thiện hơn.

Ngày tháng năm 2010

Học viên

Dương Văn Cường