ĐỒ Án v-5

Lê Tất Thắng ĐK&TĐH 3 K55 MSSV: 20102213

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

YÊU CẦU THIẾT KẾ BUCK CONVETER

I. Nguyên lý mạch Buck converter......................................................................................3

II. Tính toán các thông số cơ bản và Mô hình hóa..............................................................4

II.1. Tính toán thông số cơ bản........................................................................................4

II.1.1. Tính toán cuộn cảm L........................................................................................4

II.1.2. Tính toán tụ C đầu ra..........................................................................................6

II.1.3. Thiết kế cuộn cảm dùng Kg method..................................................................7

II.2. Mô hình hóa..............................................................................................................9

II.2.1. Mô tình tín hiệu lớn............................................................................................9

II.2.2. Mô hình tín hiệu nhỏ..........................................................................................9

II.2.3. Hàm truyền mạch đo........................................................................................11

II.2.4. Hàm truyền PWM............................................................................................12

II.2.5. Hàm truyền đối tượng......................................................................................12

II.2.6. Khảo sát đối tượng...........................................................................................12

III. Thiết kế bộ điều khiển.................................................................................................13

III.1. Tiêu chí thiết kế.....................................................................................................13

III.2. Thiết kế bộ bù loại 2..............................................................................................13

IV. Kết quả mô phỏng PSIM.............................................................................................17

TÀI LIỆU THAM KHẢO


LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa giúp con người tiết kiệm thời

gian và sức lao động. Đồng thời tạo điều kiện tốt để nước ta thúc đẩy quá trình hội nhập

nền kinh tế thế giới, bắt kịp sự phát triển về khoa học kỹ thuật ở các nước phát triển để

ứng dụng vào sản xuất.

Việc đưa kiến thức vào thực tiễn không còn là quá xa lạ đối với sinh viên đang

theo học tại các trường đại học đặc biệt là các trường kỹ thuật,

Là sinh viên ngành tự động hóa, em cảm thất rất tự hào khi được học tập và nghiên

cứu các môn học trong ngành tự động hóa. Trong phạm vi chương trình, học kỳ này

chúng em làm đồ án môn học với đề tài: “Thiết kế mạch buck converter DC-DC”.

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh (bộ môn Tự động

hóa xí nghiệp công nghiệp) đã quan tâm hướng dẫn và tạo điều kiện để chúng em hoàn

thành môn học.

1


ĐỒ ÁN 1

YÊU CẦU THIẾT KẾ BUCK CONVETER

Thông số: Điện áp đầu vào : 48 Vdc

Điện áp đầu ra: 12 Vdc

Ira =0 ÷10 A, fsw = 50 kHz.

Dựa vào việc phân tích thiết kế, chúng em xây dựng các bước thực hiện với nội

dung sau:

1. Giới thiệu nguyên lý, sơ đồ cấu trúc Buck conveter.

2. Tính toán và mô hình hóa

- Tính toán các thông số của các phần tử được giao, tính toán ,chọn điện cảm

bằng phương pháp Kg để thiết kế

- Mô hình hóa và tổng hợp bộ điều khiển(voltage mode control), dùng

phương pháp mô hình trung bình tín hiệu nhỏ để mô hình hóa.

- Khảo sát đối tượng

3. Tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp độ dự trữ ổn định dựa trên đồ thị

Bode.

4. .Mô phỏng hệ thống dùng PSim.

2


I. Nguyên lý mạch Buck converter

Hình 1.1. (a) Cấu trúc mạch buck cơ bản , (b) khóa ở vị trí 1, (c) khóa ở vị trí 2, (d) đồ

thị điện áp trên cuộn cảm theo thời gian, (e) đồ thị dòng điện qua cuộn cảm theo thời

gian.

- Trong khoảng thời gian 0< t <DT, Van S ở trạng thái ON còn D1 ở trạng thái

Off. Sơ đồ mạch trong giai đoạn này được biểu diễn như hình a. Khi S ở trạng

thái ON điện áp ngược trên 2 đầu D1 bằng -Vin do đó D1 bị khóa. Điện áp

giữa hai đầu công tắc S và dòng qua Diode bằng 0.

- Trong khoảng thời gian DT< t <T, van S ở trạng thái Off, D1 ở trạng thái ON

như hình b. Do tại thời điểm van S khóa, dòng qua cuộn cảm có giá trị khác 0

và được biểu diễn dưới 1 hàm liên tục trên miền thời gian do đó chúng ta có

thể xem cuộn cảm hoạt động như 1 nguồn dòng và chính nó đã làm cho D1

dẫn. Khi đó dòng điện qua van S và điện áp trên đầu D1 coi như bằng 0.

- Quá trình lặp lại như trên đối với những chu kì tiếp theo.

3


II. Tính toán các thông số cơ bản và Mô hình hóa

Cấu trúc vòng điều khiển điện áp của mạch có dạng chung như sau:

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc với mạch vòng phản hồi điện áp.

II.1. Tính toán thông số cơ bản

II.1.1. Tính toán cuộn cảm L

Khi switch ở trạng thái đóng thì điện áp cuộn cảm bằng:

(2.1)

hay gần đúng sẽ là:

Trong đó vL tính theo công thức:

(2.2)

Từ đó ta được: (2.3)

4


Hình 2.2. Đồ thị điện áp trên cuộn cảm.

Khi van ở trạng thái mở thì điện áp cuộn cảm bằng:

(2.4)

Với v (t )≈ V thì:

(2.5)

suy ra:

(2.6)

Hình 2.3. Đồ thị dòng điện qua cuộn cảm.

Dòng điện cuộn cảm được miêu tả như hình 2.3, ta có thể thấy dòng I peak=I+∆ iL trong đó ∆ iL là độ gợn của dòng điện.

Nên độ gợn peak-to-peak sẽ là 2 ∆ iL và bằng:

(2.7)

Suy ra:

(2.8)

Với giá trị ∆ iL thường được chọn khoảng từ 10% - 20% I out.

Ta chọn ∆ iL=10 % I out=1 A.

Thay các thông số từ đề bài ta tính được giá trị của cuộn cảm :

5


=

6


II.1.2. Tính toán tụ C đầu ra

Hình 2.4. Điện áp và dòng điện ra của tụ.

Lượng điện tích trong tụ được tính theo công thức

Q=CV (2.9)

Hình 2.4 mô tả hình dạng dòng điện và điện áp trên tụ, từ đó ta có:

q=C (2∆ v ) (2.10)

hay

(2.11)

thế 2 phương trình với nhau ta được:

∆ v=¿ (2.12)

Suy ra: C=¿

(2.13)

Chọn C = 2200Uf.

7


8


Tính toán điện trở RESR:

Sau khi tính toán được tụ C,dựa vào datasheet ta có thể xác định được RESR

Hình 2.5. Đồ thị thể hiện mối liên hệ điện trở và tần số

Từ đồ thị trên datasheet có thể xác định được tỉ số giữa RESR và RESR0 khoảng 0.77

với RESR0 là điện trở đo tại nhiệt độ 20o C ở tần số 100Hz.

Tra bảng datasheet ta có RESR0=0.19Ω ⟹ RESR≃0.15 Ω.

II.1.3. Thiết kế cuộn cảm dùng Kg method [1]

Với L= 9.10−5 H như đã tính toán trên :

Tính toán đến hệ số Kg :

(2.14)

Giả sử: R=1Ω.

Với các thông số:

=1.724.10−6 (dây đồng)

9


=10 A.

=0.25 T.

=0.6

≥ 3.76.10^-3

Hình 2.6. Bảng chọn lõi thép.

Chọn lõi EE19 dựa vào bảng 2.6.

= 4,07.10-3

Dựa vào hằng số Kg , ta chọn được lõi thép EE19 có các thông số như sau:

Diện tích mặt cắt trụ giữa: = 0.4cm2

.

Diện tích cửa sổ: = 0.65cm2

.

Độ dài trung bình 1 vòng dây: MLT = 3.5cm.

Khe hở không khí:

Số vòng dây: n=156 vòng

.

10


Ước lượng Aw: (2.15)

Điện trở cuộn cảm : (2.16)

II.2. Mô hình hóa

II.2.1. Mô tình tín hiệu lớn

Giả sử ở trạng thái làm việc ổn định, các thông số của mạch như Vg, V, I, tỷ số

Duty D thay đổi không đáng kể, n là tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của

biến áp xung. Theo định luật Kirrkoff, ta lập được các phương trình mạch sau:

- Trong khoảng thời gian 0< t <DT:

(2.17)

- Trong thời gian DT< t <T

(2.18)

Dòng qua cuộn cảm nối vòng qua D1, D2.

- Trong cả chu kỳ đóng mở van, ta có

(2.19)

Giả thiết Vg = const, V = const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính.

II.2.2. Mô hình tín hiệu nhỏ

Áp dụng phương pháp phân tích tương tự, trong đó có xét đến các giá trị điện trở

của tụ điện

- Trong thời gian 0<t<DT:

(2.20)

11


- Trong thời gian DT< t <T

(2.21)

- Trong cả chu kỳ đóng mở van, ta có

(2.22)

Giả sử các đại lượng có độ biến thiên rất nhỏ quanh giá trị ổn định. IL, D, Vg,, V, IC

là các giá trị thuộc thành phần một chiều, còn iL (t),d(t),vg(t),v(t), ic (t) là các thành phần

biến thiên của các giá trị tương ứng.

; (2.23)

; (2.24)

; (2.25¿

; (2.26)

; (2.27)

Thay vào hệ phương trình mạch, ta có:

12


(2.28)

(2.29)

Vì D .V g−V =0

I C=I L−VR

1C∫ I C dt=V −RC . I C

, và coi d (t ) . v g (t )=0, ta có

(2.30)

Laplace hóa: (2.31)

Thế phương trình 2 và 3 vào phương trình 1, coi . v g ( s ) = 0, ta có hàm truyền v ( s)

phụ thuộc vào d (s ):

13


(2.32)

II.2.3. Hàm truyền mạch đo

Mạch đo là mạch phân áp có hàm truyền như sau:

Gđo = (2.33)

II.2.4. Hàm truyền PWM

Hàm truyền PWM có thể đưa về dạng tương đương như sau:

(2.34)

Vref = 2.5 VDC.

= 4 V.

II.2.5. Hàm truyền đối tượng

Hàm truyền đối tượng được suy ra như sau:

Gđt = Gvod . Gđo . Gpwm

= . . (2.35)

=

II.2.6. Khảo sát đối tượng

Sử đụng MAtlab để vễ đồ thị bode của đổi tượng ta được như hình 2.7:

14


Hình 2.7. Đồ thị bode của đối tượng.

Nhận xét:

- Tại tần số cắt 2,4kHz đối tượng điều khiển có độ dự trữ pha: 770 khi đó hệ

thống có thời gian quá độ lâu

- Độ dự trữ biên tại tần số 31.8kHz là GM=¿22.6 (dB)

- Bản thân hệ có khả năng ổn định.

III. Thiết kế bộ điều khiển

III.1. Tiêu chí thiết kế

Dựa vào việc phân tích đối tượng ở trên và các kiến thức được học, tìm hiểu, em

xây dựng tiêu chí thiết kế với việc thiết kế bộ điều khiển (Gc(s)) trên miền tần số, sử

dụng đồ thị Bode:

- Bộ điều khiển Gc có thể là bộ điều khiển kiểu bù loại 2. Hệ kín phải ổn định,

khử được các nhiễu tác động, như nhiễu tải, nhiễu điện áp đầu vào;

- Hệ kín có chất lượng tốt khi hệ hở có:

+ Độ dự trữ biên độ: GMlớn.

+ Độ dự trữ pha: φM = 450 để độ quá điều chỉnh nhỏ.

Cấu trúc vòng phản hồi điện áp đầu ra có dạng như sau:

15


Hình 3.1. Cấu trúc phản hồi.

III.2. Thiết kế bộ bù loại 2 [7]

Mô hình

Hàm truyền:

(3.1)

Trong đó:

(3.2)

Và ta đưa về dạng: (3.3)

16


Đồ thị biên pha của bộ điều khiển kiểu bù loại 2:

Chọn tần số cắt nằm trong khoảng:

f c ϵ ( 110

12) f sw (3.4)

Chọn f c=10kHz⟹ωc=6.28k (rad /sec)

Để thỏa mãn tiêu chí thiết kế, bộ điều khiển kiểu bù loại 2 cần thỏa mãn hệ

phương trình sau:

(3.5)

Giải hệ phương trình trên, ta tìm được các tham số Kc, wz, wp của mạch:

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Với: φm= 225*π/180.

Chọn ∝=1, tại fc= 10KHZ thì đối tượng có φ p= 234*π/180

17


(3.10)

Xuất phát từ hàm truyền của bộ điều khiển, ta tiếp tục tìm được thông số các linh

kiện R, C của bộ điều khiển theo công thức:

R f 1=4.7 k Ω (chọn trước)

R f 2=R f 1 .V ref

V out−V ref

3.11)

C c2=ωz

ω p . Kc . Rf 1 (3.12)

C c1=1

Kc . Rf 1−C c 2 (3.13)

Rc 1=1

ωz .C c 1 (3.14)

Thay tham số cụ thể, ta tính được các giá trị điện trở, tụ điện của bộ điều khiển.

R f 1=4.7 k Ω

R f 2=1.2 k Ω

C c2=22 p

C c1=3.3 n

Rc 1=18 k

Kết quả khảo sát đồ thị Bode của vòng hở trên Matlab như sau:

18


Nhận xét:

Bộ điều khiển thỏa mãn tiêu chí thiết kế với:

- Tại tần số f=10KHZ độ dự trữ pha 450.

- Độ dự trữ biên GM = 8.31dB.

- Hệ kín ổn định.

IV. Kết quả mô phỏng PSIM

Ở đây ta mô phỏng với 3 giai đoạn không tải, tải định mức và quá tải như sau:

Điện áp đầu vào : 48 Vdc

Điện áp đầu ra: 12 Vdc

fsw = 50 kHz.

P = 120 W.

19


Hình 4.1. Mạch lực của mạch Buck converter với mộ số chế độ của tải

20


Hình 4.2: Mô phỏng kết quả điện áp ra và dòng điện ra với các đặc tính động.

Hình 4.3. Dòng điện qua cuộn cảm.

Nhận xét:

Kết quả mô phỏng cho thấy phần nào đáp ứng được yêu cầu của đề bài đưa ra với V out=12V , I out=10 A.

- ∆ iL=1 A (hình 4.3)

21


- ∆ V out= 0.1V (hình 4.2)

- Độ quá điều chỉnh nhỏ. (hình 4.2)

- Thời gian đáp ứng nhanh.

22


KẾT LUẬN

Kết thúc đồ án 1 nhóm đã thực hiện được đúng tiến bộ và đạt được chỉ tiêu đề ra,

một số kiến thức thu được :

- Thiết kế được cuộn kháng theo phương pháp Kg.

- Mô hình hóa được đối tượng.

- Tính toán được bộ bù theo bù 2.

- Đã mô phỏng mô hình được bằng Psim.

Nhóm đã trau dồi thêm kinh nghiệm về thiết kế mạch và tiếp cận với các phần

mềm mô phỏng Psim và matlab.Các thành viên trong nhóm đã thực hiên được tinh thần

làm việc nhóm ,hoàn thành các công việc được giao.Mỗi thành viên đều nắm được cơ

bản về mạch điều chỉnh điện áp Dc-Dc buck converter.Trong suốt quá trình làm việc

không thể thiếu được các ý kiến hướng dẫn của thầy Nguyễn Duy Đỉnh.Chúng em xin

cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy trong suốt quá trình làm đồ án. Trong suốt quá

trình thực hiện mặc dù cố gắng hết sức nhưng kiến thức rộng lớn, chúng em còn nhiều

thiếu sót và rất mong được sự đóng góp, góp ý từ phía thầy để chúng em hoàn thiện hơn.

23


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Fundamentals of Power Electronics – Erickson.

[2]. Inductors and Transformers For Power Electronics.

[3]. Transformer and Inductor Design Handbook - Lyman

[4]. Application Note- An1162 – Amir.M.Rahimi, Parviz Parto, and peyman Asadi.

[5]. Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình – Hoàng Minh Sơn.

[6]. Lý thuyết điều khiển tuyến tính –PGS Nguyễn Doãn Phước.

[7]. Design Type II compensation In A systematic Way - Liyu Cao

24

ĐỒ Án v-5

Documents