chương 1, đồ án sẽ chỉ nghiên cứu hoạt động của bộ biến đổi ở chế độ CCM, với tần số chuyển mạch fsw và hệ số điều chế cho Q là D. Bộ biến đổi Buck có 2 chế độ chính ứng với 2 khoảng thời gian. Theo định luật Kirchhoff, có: • Khi van Q dẫn, Diode D không dẫn: ( L (t) L didt = vin (t) − vC (t) vC (t) (2.1) C dt = iL − vRC 5 • Khi van Q không dẫn, Diode D dẫn: ( L (t) L didt = −vC (t) vC (t) (2.2) C dt = iL − vRC Trong đó, iL (t), vC (t), vin , vo (t) lần lượt là các giá trị tức thời của dòng điện qua cuộn cảm, điện áp trên tụ điện, điện áp đầu vào, điện áp đầu ra của bộ biến đổi. Tụ điện đầu ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép.
Ở trạng thái xác lập, dòng điện qua cuộn cảm sẽ thay đổi tuần hoàn với tần số phụ thuộc vào tần số đóng cắt của MOSFET. Giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau, tức điện áp trung bình qua cuộn cảm trong một chu kỳ chuyển mạch bằng 0.2 mô tả tổng quan hình dạng dòng điện, điện áp của bộ biến đổi Buck ở chế độ dòng điện liên tục. Như vậy, phần này đã trình bày tổng quan nguyên lý hoạt động của 1 bộ biến đổi Buck. Các phương trình mô tả mạch điện ở các khoảng thời gian chuyển mạch sẽ được sử dụng để xây dựng mô hình hàm truyền cho đối tượng bộ biến đổi trong phần 2.
Để tiện so sánh, thiết kế, thực nghiệm và trình bày quy trình 1 cách rõ ràng cụ thể, đồ án xin được sử dụng thông số của bộ biến đổi Buck được tham khảo trong [13], với các thông số mạch lực, các thông số cho điểm làm việc xác lập đã được tính toán, đo đạc và trình bày trong Bảng 2.1 Thông số bộ biến đổi Buck Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Điện áp đầu vào Vin 28 V Điện áp đầu ra Vout 15 V Tải trở R 3 Ω Tần số chuyển fsw 100 kHz mạch Điện cảm C 500 µF Điện dung L 50 µH 2.3 Tổng hợp mô hình hàm truyền đối tượng Mô hình hóa là quá trình nghiên cứu một đối tượng trên cơ sở quan sát, phân tích các mối liên hệ tương tác giữa đối tượng với môi trường chung quanh, qua đó nêu bật lên được các quy luật quan trọng nhất mô tả được các đặc tính của đối tượng [13]. Trong các phương pháp mô hình hoá, xây dựng mô hình toán học cho các đối tượng là phương pháp sử dụng các phương trình toán, các định luật vật lý để số hoá, nghiên cứu các tính 6 Hình 2.2 Đồ thị dòng điện và điện áp ở chế độ dòng điện liên tục [12] chất của hệ thống về mặt toán học. Công việc này đóng vai trò vô cùng quan trọng, nhất là với các quá trình thiết kế cấu trúc, sách lược điều khiển, lựa chọn bộ điều khiển [14]. Trong giới hạn đồ án này sẽ thử nghiệm thiết kế cấu trúc 2 vòng điều khiển gián tiếp qua dòng điện.1 Mô hình hóa bộ biến đổi Buck Thành phần đầu tiên và là đối tượng chính trong cấu trúc là bộ biến đổi Buck.
Đối với các bộ biến đổi điện tử công suất, có nhiều phương pháp mô hình hoá như mô hình đóng cắt (mô hình chính xác), mô hình trích mẫu, mô hình trung bình.Mỗi phương pháp đều có các ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng. Theo [15] và [16], các mô hình trung bình tín hiệu thường được sử dụng phổ biến hơn vì tính đơn giản. Cần thiết có những mô hình trung bình có thể mô tả hoạt động của bộ biến đổi sau những khoảng 7 thời gian dài hơn so với chu kỳ đóng cắt, nghĩa là ở dải tần số thấp hơn [13]. Trong [13] cũng trình bày cụ thể các phép toán chứng minh tính khả thi của việc xây dựng mô hình trung bình từ mô hình chính xác.
Mô hình trung bình tín hiệu xét đến mô hình trung bình tín hiệu lớn, tuyến tính hoá quanh điểm làm việc và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ.1 Mô hình trung bình tín hiệu lớn. Do tính chất làm việc theo chu kỳ, mô hình trung bình tín hiệu lớn cho bộ biến đổi Buck có thể được xác định thông qua việc trung bình hoá các phương trình thuộc 2 hệ 2.2 trong 1 chu kỳ chuyển mạch. Cụ thể: ( L ⟨idtL ⟩ = ⟨−vC ⟩ + ⟨vin d⟩ (2.3) C ⟨vdtC ⟩ = ⟨iL ⟩ − ⟨vRC ⟩ Trong đó < iL >,< vC >, < vin >lần lượt là các giá trị trung bình trong 1 chu kỳ đóng cắt của dòng điện qua cuộn cảm, điện áp qua tụ điện, dòng điện qua tụ điện, điện áp đầu vào bộ biến đổi.2 Tuyến tính hóa và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ Tuyến tính hóa và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ xuất phát từ mô hình trung bình tín hiệu lớn [13]. Xét tính ổn định quanh các điểm làm việc cân bằng của bộ biến đổi, là các điểm có được khi cho các vế trái trong hệ 2.
Quanh đó xuất hiện các biến động xoay chiều (với ký hiệu dấu mũ) có biên độ nhỏ hơn nhiều so với các giá trị xác lập, cụ thể: iL (t) = IL + ĩL (t) v (t) = V + ṽ (t) C C C (2.4) vin (t) = VC + ṽin (t) d(t) = D + d(t)˜ Thay các phương trình trong 2.4 vào các phương trình trong 2.3, bỏ qua các biến động nhỏ nhân với nhau (coi như bằng 0), có được: ( ĩL L dt = −ṽC + ṽin d + vin d˜ (2.5) C ṽdtC = ĩL − ṽRC Để trích xuất được mô hình hàm truyền, tiến hành Laplace hoá các vế của các phương trình trong hệ 2. Với điều kiện biến động của điện áp đầu vào là 0, có thể xác định được các mô hình: 8 • Hàm truyền mô tả dòng điện qua cuộn cảm so với hệ số điều chế: Vin (CRs + 1) Gid (s) = (2.6) RLCs2 + Ls + R • Hàm truyền mô tả điện áp đầu ra so với hệ số điều chế: Vin R Gvd (s) = 2 (2.7) RLCs + Ls + R • Hàm truyền mô tả điện áp đầu ra so với dòng điện qua cuộn cảm: R Gvi (s) = (2.8) CRs + 1 Có thể thấy, hàm truyền Gid có thành phần bậc nhất trên tử số và thành phần bậc 2 dưới mẫu số, trong khi hàm truyền Gvd không có điểm không và có thành phần bậc 2 dưới mẫu số. Điều này khá hợp lý khi bộ biến đổi Buck tồn tại thành phần L và C gây nên tần số dao động tự nhiên, và tử số của hàm truyền có chứa thành phần điểm không do điện trở tụ điện gây nên. Thành phần hàm truyền Gvi (s) đơn giản hơn, chỉ bao gồm 1 điểm cực và 1 điểm không.3 Kiểm chứng mô hình Hình 2.3 Kiểm chứng mô hình bộ biến đổi qua đáp ứng tần-biên Nhằm mục đích kiểm tra tính đúng đắn của mô hình bộ biến đổi, có thể so sánh các kết quả giữa việc mô phỏng bộ biến đổi và sử dụng mô hình hàm truyền có được trong 9 Hình 2.4 Kiểm chứng mô hình bộ biến đổi qua đáp ứng tần-pha 2.
Tiến hành kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình thông qua đáp ứng tần số. Đối với bộ biến đổi, có thể cho tác động nhiễu hình sin ở đầu vào và mô phỏng để quét qua dải tần số mong muốn. Đối với mô hình hàm truyền, dùng các công cụ để vẽ trực tiếp đồ thị Bode.4lần lượt mô tả kết quả so sánh các đồ thị đáp ứng tần số về biên độ và pha. Đồ thị trơn là của mô hình hàm truyền, đồ thị có các điểm dấu sao là của cấu trúc mạch lực.
Có thể thấy, các đồ thị bám khá sát nhau, đối với vùng tần số cao chỉ sai lệch khoảng 0.4 Nghiên cứu điều khiển 2.1 Sách lược điều khiển Trong thực tế, rất khó để giữ mức điện áp đầu ra bộ biến đổi ổn định dưới những biến động của điện áp đầu vào, biến động tải và tác động các thành phần ký sinh, phi tuyến trong mạch điện. Trong khi đó, để đạt được hoạt động hiệu quả, rất cần thiết phải sạc pin với điện áp và dòng điện ổn định, cũng như có độ quá điều chỉnh nhỏ và thời gian ổn định nhanh. Vì vậy, việc có phản hồi và sử dụng bộ điều khiển vòng kín là cần thiết. Để đảm bảo điện áp ra là ổn định, vòng phản hồi cần đo điện áp đầu ra thực tế và so sánh với điện áp đầu ra mong muốn để đưa ra tín hiệu điều khiển hợp lý.
Ngoài ra, để tăng cường tính ổn định và hiệu quả, sách lược điều khiển tầng có thể được sử dụng, tức thêm 1 vòng phản hồi dòng điện ở trong, đảm bảo kiểm soát chặt chẽ sự thay đổi của các biến [13]. Trong các ứng dụng thiết kế điều khiển cho sạc pin, với thuật toán sạc ổn dòng - ổn áp (CC-CV) phổ biến, việc duy trì dòng điện ở mức ổn định cũng là 1 bài toán 10 cần quan tâm. Đồ án xin được lựa chọn sách lược điều khiển tầng cho bộ biến đổi Buck, với 2 vòng dòng điện, điện áp, có cấu trúc như hình 1.2, tức cấu trúc điều khiển theo nguyên lý dòng điện trung bình (Đồ án cũng đã tìm hiểu và thử tiến hành thiết kế với cấu trúc điều khiển trực tiếp 1 vòng điện áp, tuy nhiên với những yêu cầu đặt ra, cấu trúc này thể hiện 1 số hạn chế, cụ thể được đề cập trong phần phụ lục, thêm sau nhé. Cụ thể, điện áp đầu ra thực tế của bộ biến đổi sẽ được phản hồi và so sánh với điện áp đặt.
Bộ điều khiển điện áp sẽ xử lý dựa trên sai lệch để đưa ra đầu vào đặt cho vòng dòng điện ở trong. Vòng dòng điện hoạt động tương tự với tín hiệu đo về là dòng điện qua cuộn cảm thực tế và đầu ra của bộ điều khiển dòng điện là hệ số điều chế.5 Sơ đồ điều khiển trung bình 2 vòng dòng điện, điện áp 2.2 Phương pháp điều khiển Có rất nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển đã được nghiên cứu, triển khai và đem lại những hiệu quả tốt cho việc ổn định điện áp đầu ra bộ biến đổi Hạ Áp và Hạ Áp Đồng Bộ. Từ những kỹ thuật điều khiển tuyến tính như sử dụng các bộ PI, PID, FOPID, MPID.