DC DC Boost Son Ha [PDF]

Zitiervorschau

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN KHOA ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MẠCH TĂNG ÁP MỘT CHIỀU DC-DC BOOST GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN :PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÍ SINH VIÊN THỰC HIỆN: VI THỊ HÀ NGUYỄN LAM SƠN

Thái nguyên - 2019

K145520216018 K145520114099

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Mục Lục LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................ 1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 2 Chương I NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG MẠCH TĂNG ÁP MỘT CHIỀU DC-DC BOOST ... 3

1.1 Sơ đồ cơ bản của mạch DC-DC boost. .............................................................. 3 1.2 Nguyên lí hoạt động của DC-DC boost ............................................................. 4 1.3 Các ứng dụng của mạch tăng áp một chiều DC-DC boost ................................ 5 1.4 Thiết kế mạch. .................................................................................................... 6 Chương II XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ DC-DC BOOST .............................................. 17 2.1 Mô hình ở trạng thái ON .................................................................................. 17 2.2 Mô hình ở trạng thái OFF ................................................................................ 18 2.3 Thiết kế bộ điều khiển...................................................................................... 26 2.4 Tìm thông số Kp, Ki qua PID TUNER ............................................................ 26 Chương III LẬP TRÌNH BĐK PI CHO STM32 CHO MẠCH BOOST DC-DC ........ 29 3.1Thông số kĩ thuật của Arduino.......................................................................... 29 3.2 Vi điều khiển STM32....................................................................................... 31 3.3 Kết quả thực tế ................................................................................................. 33 3.4 Kết luận ............................................................................................................ 34 Bo xung ket luan chung cua do an

Tài liệu tham khảo.................................................................................................. 35

2

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Hình 1.1 Sơ đồ đơn giản mạch DC-DC boost ........................................................................................ 3 Hình 1.2 Trạng thái ON stage ................................................................................................................. 4 Hình 1.3 Trạng thái OFF stage ............................................................................................................... 4 Hình 1.4 Trạng thái ON - OFF stage ...................................................................................................... 5 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí mạch boost trên Altium ................................................................................. 6 Hình 1.6 Hình ảnh 3D mạch thực ........................................................................................................... 7 Hình 1.7 Mạch thực tế ............................................................................................................................ 7 Hình 1.8 Mô hình mô phỏng boost DC-DC ............................................................................................ 8 Hình 1.9 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=30% ........................................................................ 9 Hình 1.10 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=40% .................................................................... 10 Hình 1.11 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=50% .................................................................... 10 Hình 1.12 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=60% .................................................................... 11 Hình 1.13 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=70% .................................................................... 11 Hình 1.14 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC khi tăng dần Duty .......................................................... 12 Hình 1.15 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 100Ω................................................................. 12 Hình 1. 16 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 200Ω................................................................ 13 Hình 1.17 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 300Ω................................................................. 13 Hình 1. 18 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 400Ω................................................................ 14 Hình 1.19 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 500Ω................................................................. 14 Hình 1.20 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC khi tăng dần Rt .............................................................. 15 Hình 2.1 Trạng thái ON ........................................................................................................................ 17 Hình 2.2 Đặc tính trạng thái ON của i(t) .............................................................................................. 18 Hình 2.3 Trạng thái OFF....................................................................................................................... 18 Hình 2.4 Đặc tính đáp ứng thời gian của điện áp đầu ra qua tải ........................................................... 19 Hình 2.5 Sơ đồ mạch sau khi mắc thêm tụ C ........................................................................................ 20 Hình 2.6 Đặc tính áp ra trên tải sau khi có tụ C .................................................................................... 20 Hình 2.7 Trạng thái OFF khi có tụ........................................................................................................ 20 Hình 2.8 Tổng trở hóa Z1 và Z2 ........................................................................................................... 21 Hình 2.9 Trạng thái mạch ON khi có tụ C ............................................................................................ 22 Hình 2.10 Mô hình xấp xỉ ..................................................................................................................... 23 Hình 2.11 Kết nối mạch thực tế và Matlab ........................................................................................... 23 Hình 2.12 Sơ đồ mô phỏng Matlab của mạch thực tế ........................................................................... 24 Hình 2.13 Đáp ứng thực tế khi cấp Duty=46%..................................................................................... 24 Hình 2.14 Sơ đồ mô phỏng Matlab của hàm truyền thực tế ................................................................. 25 Hình 2.15 Đáp ứng lý thuyết khi cấp Duty=46% ................................................................................. 25 Hình 2.16 BĐK PI cho mạch DC-DC boost ......................................................................................... 26 Hình 2.17 Bộ điều khiển PI................................................................................................................... 27 Hình 2.18 Hộp thoại Block Parameters ................................................................................................ 27 Hình 2.19 Thông số Kp,Ki của bộ điều khiển ...................................................................................... 28 Hình 2.20 Đặc tính mô phỏng ............................................................................................................... 28 Hình 3.1 Board Arduino MEGA 2560 .................................................................................................. 29 Hình 3.2 Vi điều khiển STM32F103 .................................................................................................... 31 Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng ..................................................................................................................... 33 Hình 3.4 Kết quả mô phỏng .................................................................................................................. 33

3

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong bộ môn Đo lường và điều khiển. Em xin chân thành gửi tới toàn thể các quý thầy cô khoa điện tử, đặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Đo lường điều khiển đã giảng dạy, tận tình và chu đáo, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian 5 năm qua. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Chí đã luôn giúp đỡ sinh viên chúng em trong quá trình học tập tại trường, đặc biệt là sự tận tình hướng dẫn cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất để em có thể tiếp nhận và hoàn thành tốt đồ án một cách tốt nhất. Trong quá trình học tập và thực hiện đồ án, mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng do kiến thức bản thân còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài khó tránh khỏi sai sót. Rất kính mong nhận được sự góp ý chỉ bảo từ các quý thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn !

1

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

MỞ ĐẦU Công nghiệp hóa hiện đại hóa đã và đang đóng vai trò quan trọng trong công cuộc đổi mới nền kinh tế, quá trình này mang đến những cơ hội thuận lợi nhưng cũng đồng thời cũng tồn tại những khó khăn thách thức lớn, trong đó có yêu cầu về việc đổi mới khoa học và công nghệ. 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 để các thiết bị sử dụng điện áp một chiều là hết sức cần thiết. Quá trình xử lí này được gọi là biến đổi một chiều DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào hay còn gọi là bộ biến đổi tăng áp. Bộ biến đổi này thường được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất , bộ biến đổi này thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như : sức gió, mặt trời,... Cấu trúc của bộ biến đổi không phức tạp lắm. Tuy nhiên vấn đề điều khiển để có được độ chính xác cao và công suất chất lượng lại là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Thêm vào đó , bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phúc tạp do mô hình có tính phi tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài : “ Thiết kế bộ điều khiển mạch tăng áp một chiều DC-DC boost ” đã ứng dụng lí thuyết điều khiển hiện đại để tạo ra bộ điều khiển mang tính ổn định cho bộ biến đội DC-DC tăng áp. Đồ án bao gồm các nội dung chính sau :  Nguyên lí hoạt động và ứng dụng của mạch tăng áp một chiều DC-DC boost  Thiết kế mạch và xây dựng mạch tăng áp một chiều DC-DC converter  Xây dựng mô hình bộ tăng áp DC-DC boost  Nhận dạng mô hình bộ tăng áp  Nhận dạng tham số và phân tích đáp ứng của mô hình  Thiết kế bộ điều khiển PID mô phỏng và hiệu chỉnh  Mô phỏng và thực nghiệm 2

Đồ án tốt nghiệp

CHƢƠNG I

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG MẠCH TĂNG ÁP MỘT CHIỀU DC-DC BOOST

1.1 Sơ đồ cơ bản của mạch DC-DC boost. Dưới đây là sơ đồ hoạt động đơn giản của mạch tăng áp boost gồm 1 nguồn một chiều, cuộn cảm, chuyển mạch, tụ và điện trở tải. Ở đây, ta chỉ xét tải thuần trở, nhưng tuy nhiên trong thực thế thì lại khác vì nó có thể có cả cảm và dung như động cơ,...

Hình 1.1 Sơ đồ đơn giản mạch DC-DC boost Trong đó : + Nguồn một chiều Vin là pin hoặc ác quy có vai trò tạo ra nguồn một chiều. + Cuộn cảm L có vai trò nạp năng lượng khi mạch ở chế độ ON và xả khi mạch ở chế độ OFF có tác dụng làm tăng điện áp đầu ra. +Chuyển mạch SWICTH là mosfet có vai trò như một khóa đóng ngắt giúp chuyển đổi hai trạng thái nạp và xả. Ta chọn F = const, thay đổi Duty +Diode có vài trò chống xả ngược về nguồn của tụ. + Điện trở R có tác dụng cản trở dòng điện , tiêu thụ công suất , đại diện cho tải 3

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

1.2 Nguyên lí hoạt động của DC-DC boost 1.2.1 Trạng thái ON stage

Hình 1.2 Trạng thái ON stage - Trong mạch tăng áp, khi chuyển mạch đóng ( hình 1.2) thì dòng điện từ pin chạy qua mạch và khép mạch về nguồn, vì nhánh này có trở kháng thấp hơn so với tải. Trong thực tế việc chuyển mạch sẽ được thực hiện bởi mosfet và được điều khiển thông qua mạch điều khiển ( PWM, Arduino, NE555,... ). Ở trạng thái này, điện cảm của mạch sẽ được nạp năng lượng ( năng lượng này cho phép điện áp qua tải tăng lên cao hơn so với điện áp nguồn ) dưới dạng từ trường. Trong thực tế thì ta cần một tụ điện để có thể tích trữ năng lượng và cung cấp điện năng cho tải khi ở trạng thái ON, tụ này được mắc song song với tải. 1.2.2 Trạng thái OFF stage

Hình 1.3 Trạng thái OFF stage

4

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

- Khi chuyển mạch ở trạng thái hở mạch thì diode được phân cực thuận và dòng điện khép mạch từ nguồn qua tải. Một lượng điện năng tích tũy trên điện cảm được truyền tới tải và điện áp tại giảm xuống. - Khi mạch chuyển giữa hai trạng thái ON và OFF thì điện áp đầu ra qua tải đập mạch tăng giảm. Tuy nhiên điện áp trung bình đầu ra có thể coi là điện áp DC không đổi bằng cách tạo ra tần số chuyển mạch cao và thêm tụ lọc đầu ra mắc song song với tải.

Hình 1.4 Trạng thái ON - OFF stage 1.3 Các ứng dụng của mạch tăng áp một chiều DC-DC boost Bộ boost converter có tác dụng tạo ra điện áp đầu ta lớn hơn điện áp đầu vào. Vì vậy nó còn được gọi là bộ tăng áp. Boost converter thường được dùng để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp và hãm tái sinh động cơ DC. Dưới đây là các ứng dụng thực tế của BBĐ DC-DC boost. + Điện tử cá nhân: BBĐ DC-DC boost tạo ra điện áp phù hợp cho các thiết bị điện tử từ những nguồn có điện áp nhỏ như pin kiềm, pin đồng xu hoặc Li-on giúp giảm kích thước để các thiết bị trở nên nhỏ gọn hơn. + Ô tô: Có thể tạo ra điện áp cao lên tới 300V- 500V từ những bình ắc quy có điện áp nhỏ ( 12V, 24V,...) để cấp nguồn cho động cơ ô tô điện.

5

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

+ Cũng có thể bắt gặp ở các ứng dụng nhỏ hơn như các hệ thống chiếu sáng di động. Một đền led trắng cần 3.3V nguồn, vậy ta cần một bộ chuyển đổi từ 1 tế bào akaline 1,5V để cấp cho đèn. + Năng lượng: Có thể dùng bộ chuyển đổi boost này trong các hệ thống năng lượng sạch như gió, mặt trời,... Từ các pin năng lượng với điện áp thấp , sau đó boost lên và chuyển đổi DC-AC để hòa vào lưới điện. Ngoài các ứng dụng trên, Boost converter còn được sử dụng trong quá trình tái tạo phanh động cơ DC,.... 1.4 Thiết kế mạch. 1.4.1 Sơ đồ nguyên lí.

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí mạch boost trên Altium

6

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Hình 1.6 Hình ảnh 3D mạch thực

Hình 1.7 Mạch thực tế

7

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Các linh kiện cần dùng : + Nguồn 1 chiều DC 5V, dây cắm + Điện trở, điện cảm, tụ điện, chân cắm, tụ gốm,Diode 1N5819 + Mosfet IRLZ44N + Vi điều khiển STM32F103 1.4.2 Mô phỏng mô hình trên MATLAB Ta có sơ đồ mạch như sau :

Hình 1.8 Mô hình mô phỏng boost DC-DC

-Tính chọn linh kiện cho mạch boost DC-DC + Tần số f =20kHz + Vin= 4.5V + Độ rộng xung Duty= 50% + Cuộn cảm L

IL 

P 20   4.44( A) Vin 4.5

8

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

L

Vin .D 4.5  0.5   84.459(  H ) f s .I L 20.103  0.3  4.44

Vậy ta lựa chọn Cuộn cảm L= 100(µH) + Tụ điện C Vc  V0 , Vc từ 1% đến 5%

C

I 0(max) .D f s .Vc



2.22  0.5  510.87(  F ) 20.103.0.01.9.02

Lựa chọn tụ C có giá trị 470(µF) + Điện trở Rt= 100( Ω) Sau khi điền các thông số ở bên trên, ta có được các đặc tính mô phỏng như sau:

Hình 1.9 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=30%

9

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Ta sẽ tăng tần Duty lên: + Duty= 40%

Hình 1.10 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=40% + Duty= 50%

Hình 1.11 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=50% 10

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

+ Duty=60%

Hình 1.12 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=60% + Duty=70%

Hình 1.13 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với D=70%

11

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Hình 1.14 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC khi tăng dần Duty Bây giờ ta sẽ thay đổi giá trị điện trở Rt + Với Rt= 100Ω

Hình 1.15 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 100Ω

12

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

+ Rt=200Ω

Hình 1. 16 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 200Ω + Rt=300Ω

Hình 1.17 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 300Ω

13

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

+ Rt=400Ω

Hình 1. 18 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 400Ω + Rt=500Ω

Hình 1.19 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC với Rt= 500Ω

14

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Hình 1.20 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC khi tăng dần Rt Dựa trên các kết quả trên, ta có nhận xét sau :  Khi thay đổi Duty thì điện áp ra cũng thay đổi theo, dựa trên kết quả mô phỏng , ta thấy khi tăng Duty thì điện áp cũng tăng, tuy nhiên có giới hạn, vì nếu mở mosfet quá lâu ( độ rộng Duty lớn ) sẽ dẫn đến hiện tượng mosfet bị nóng do bị ngắn mạch, từ đó ta giả thiết mạch chỉ làm việc ở một giới hạn Duty nhất định và dải tần nhất định.  Khi thay đổi điện áp đầu vào thì điện áp đầu ra cũng tăng, với linh kiện như trong mạch thực thì điện áp tăng lên 1,5 – 2,5 lần, tuy nhiên nếu tăng quá điện áp sẽ gây nóng thậm chí hư hỏng điện trở, từ đó ta có thể thấy mạch cũng chỉ làm việc tốt ở 1 dải áp cố định  Khi ta thay đổi điện trở thì đầu ra cũng thay đổi. Cụ thể khi tăng điện trở lên thì áp tăng và ngược lại do dòng điện không qua được điện trở và gây sụt áp ít ở đầu ra. Trong trường hợp dòng điện không đổi, thì coi như đầu ra tăng tuyến tính theo điện trở

15

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Trong quá trình thay đổi các thông số như tần số, Duty, điện áp vào và điện trở tải, khi so sánh các kết quả trong thực tế ta thấy có sự sai số. Đó là do linh kiện cũng như các thao tác đo. Thông thường ta sẽ điều chỉnh 1 trong 2 thông số là tần số hoặc Duty vào cực G của mosfet. Trong đề tài này,ta sẽ thiết kế điều chỉnh độ rộng xung Duty. Phương pháp điều khiển và bộ điều khiển ta sẽ đề cập ở phần sau.

16

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

CHƢƠNG II XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ DC-DC BOOST 2.1 Mô hình ở trạng thái ON

Hình 2.1 Trạng thái ON Theo định luật Kirchhoffs I, ta có :

ei  L

di  i.RL  0 dt

(1)

Biến đổi Laplace :

Ei  Ls.I ( s)  i (0)  I ( s).RL  0 s

(2)

Giả sử i(0)= 0, giải phương trình I(s):

I ( s) 

Ei s ( sL  RL)

(3)

Ta có thể thấy phương trình có dạng đáp ứng bậc nhất nên sếp lại như sau:

I ( s) 

Ei / RL Ei. .L / RL  s s.L  RL

(4)

Áp dụng Laplace ngược, ta có phương trình sau: RL ( t )  Ei Ei.  RLL(t ) Ei i (t )   .e  (1  e L ), t  0 RL RL RL

(5)

17

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Hình 2.2 Đặc tính trạng thái ON của i(t) 2.2 Mô hình ở trạng thái OFF

Hình 2.3 Trạng thái OFF Áp dụng định luật Kirchoffs I, ta có:

ei  L

di  i.RL  0 dt

(6)

Laplace hóa :

Ei  L( s.I ( s)  i0 )  I ( s).( RL  Rt )  0 s

(7)

Hay:

18

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

I ( s) 

Ei Li ( s)  s( sL  RL  Rt ) sL  RL  Rt

(8)

Laplace ngược về miền thời gian: ( RL  Rt ).t ( RL  Rt ).t   Ei L L i (t )  .(1  e )  i (ts).e , t  ts (9) RL  Rt

Trong thực tế tổng chu kì ( tổng thời gian On và Off) là hằng số và mức điện áp đầu ra sẽ đc điều khiển bởi việc hiệu chỉnh độ rộng xung (Duty cycle) của việc chuyển mạch (% thời gian mạch On). Khi chuyển mạch ở trạng thái Off, dòng điện qua tải là iR xấp với dòng điện trên cảm, Tuy nhiên, khi mạch này ở trạng thái ON thì hầu như không có dòng chạy qua khóa chuyển mạch (mosfet). Do đó, ta áp dụng định luật Ohm để có thể xác định điện áp đầu ra qua tải có đặc tính đáp ứng thời gian như sau:

Hình 2.4 Đặc tính đáp ứng thời gian của điện áp đầu ra qua tải Như đã đề cập từ trước, trong thực tế, để tránh trường hợp điện áp trên tải giảm về 0, chúng ta sẽ lắp thêm một tụ ở đầu ra , song song với tải Rt.

19

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Hình 2.5 Sơ đồ mạch sau khi mắc thêm tụ C Khi đó dạng điện áp đầu ra của tải như sau :

Hình 2. 6 Đặc tính áp ra trên tải sau khi có tụ C Chúng ta sẽ phân tích như sau: -

Khi ở trạng thái OFF, giả thiết điều kiện đầu của dòng i(0)=0.

Hình 2. 7 Trạng thái OFF khi có tụ 20

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

( )

Ta có :

Rt 1 1 Z2  (  )1  1/ Cs Rt Rt . .Cs  1

(10)

(11)

Tương đương với mạch sau:

Hình 2.8 Tổng trở hóa Z1 và Z2 Ta có:

Eo  s  Z 2  s  .I  s  Z 2s   Ei  s   Z 2  s   Z1 s   .I  s  Z1 s   Z 2  s 

(12)

Hay ta có:

Eo  s  Rt  Ei  s  L.Rt.Cs.s   RL.Rt.C  L  s  Rt  RL

(13)

Thay số cụ thể ta có

E0 ( s) 100  Ei ( s) 4.7 106 s 2  2.92 103 s  100.06

(14)

21

Đồ án tốt nghiệp

-

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Khi mạch ở trạng thái ON:

Hình 2.9 Trạng thái mạch ON khi có tụ C

1 iR .dt  0 C

Ta có :

iR .Rt 

Hay

I R ( s).Rt 

1 ( I R ( s)   iR .dt )  0 Cs

(15)

(16)

Giả thiết ban đầu tụ nạp 1 lượng là q(0), ta có :

I R (s).( Rt  Mặt khác e0 

1 q(0) ) Cs Cs

(17)

q(0) , ta lại có : C

I R (s) 

C e0 (0) C.Rt .s  1

(18)

Trong thực tế để điện áp đầu ra, dòng điện đầu ra trôi hơn, người ta thường dùng xung có tần số cao hơn để điều chế PWM Ta thấy khó khăn của việc thiết kế bộ điều khiển cho mạch boost là tính phi tuyến cố hữu phụ thuộc vào việc chuyển mạch giữa hai mô hình on và off. Một giải pháp đó là phải tạo ra một mô hình trung bình của trạng thái on và off. Cách xấp xỉ này chấp nhận được khi tần số đủ lớn. Lúc đó, độ nhấp nhô sẽ nhỏ lại và được xấp xỉ như 1 mô hình liên tục. Trong thực tế, mô hình này bỏ qua chuyển mạch và thay thế điện cảm, điện trở của điện cảm bằng một điện cảm tương đương. Điện cảm này được tính theo Duty như sau: 22

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Ltd 

L (1  D) 2

(19)

Nếu D thay đổi trong khoảng nhỏ thì Ltd sẽ hợp lí. Với trên thực tế , RL nhỏ và ta có thể bỏ qua, lúc đó mô hình như sau:

Hình 2.10 Mô hình xấp xỉ Sau khi xấp xỉ lại mô hình ta có phương trình sau: Eo  s  eitb Rt  sLtđ  . 2 D  s  (1  Dtb ) Ltđ .Rttb .C.s 2  Ltđ .s  Rttb

(20)

Ta sẽ chọn điểm làm việc là ở D=50%, thay thông số vào (20), ta có: Eo  s  450  1.8e 3 s  D  s  4,7e 6 s 2  e 4 s  25

-

(21)

Kiểm tra đáp ứng mạch thực tế:

Hình 2.11 Kết nối mạch thực tế và Matlab 23

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Sơ đồ mô phỏng:

Hình 2.12 Sơ đồ mô phỏng Matlab của mạch thực tế -

Đường đặc tính thực tế của hệ thống với D=46%

Hình 2.13 Đáp ứng thực tế khi cấp Duty=46%

24

Đồ án tốt nghiệp

-

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Kiểm tra hàm truyền lý thuyết

Hình 2.14 Sơ đồ mô phỏng Matlab của hàm truyền thực tế -

Đường đặc tính của hàm truyền lý thuyết với D=46%

Hình 2.15 Đáp ứng lý thuyết khi cấp Duty=46%  Nhận xét : Như vậy đáp ứng thu được của thực tế khá giống với hàm truyền tính toán trên lí thuyết. Tuy nhiên đáp ứng của mạch thực tế có điện áp ra nhỏ hơn lý thuyết do sụt áp trên các linh kiện của mạch .Dựa trên cơ sở đó ta sẽ đi thiết kế bộ điều khiển phù hợp cho đối tượng và hiệu chỉnh ở chương sau. 25

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

2.3 Thiết kế bộ điều khiển Trên đây là các phân tích nguyên lí, thông số cũng như đặc điểm của mạch boost nhằm mục đich xác định các thông số phù hợp cho bộ điều khiển PI, chúng ta sẽ mô phỏng và thiết kế nó ngay sau đây. 2.3.1 Mô hình BĐK PI Mô hình (2) rất hữu ích trong việc cung cấp một cái nhìn sâu sắc về đặc tính của bộ biến đổi boost. Đặc biệt chúng ta có thể thấy hệ thống có 2 điểm cực dựa vào bộ lọc LC có sẵn trong mạch. Mặc dù trực quan được đưa ra bởi mô hình trên, nhưng mà sẽ gây sai lệch tính chính xác của mạch. Cho nên ta phải khảo sát thực tế do tính phi tuyến và động học của các phần tử trong mạch. Chúng ta sẽ làm việc này bằng thực nghiệm về mạch boost và tạo ra biểu đồ bode thể hiện đáp ứng tần số của mạch boost

Sơ đồ mạch PID:

Xem lai so do nay, diem lam viec dua vao cho nao; D=50%, u ra=15V

Chu y mo hinh nay là mo hinh duoc xac dinh tai diem lam viec

Hình 2.16 BĐK PI cho mạch DC-DC boost 2.4 Tìm thông số Kp, Ki qua PID TUNER Ta sẽ thiết kế mạch vòng như sau trên Matlab bằng cách điền các thông số hàm truyền đã tìm được ở phần trước

26

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Xem lai cho nay

Hình 2.17 Bộ điều khiển PI  Kích vào khối PI cửa số sau xuất hiện

Hình 2. 18 Hộp thoại Block Parameters  Kích vào Tune ta có cửa sổ sau, lựa chọn và điều chỉnh 2 thông số từ hai thanh kéo bên trên ta sẽ có dạng đặc tính như sau.

27

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Hình 2. 19 Thông số Kp,Ki của bộ điều khiển

Hình 2.20 Đặc tính mô phỏng

Như vậy qua chương II , chúng ta đã tìm được hàm truyền của hệ thống và lựa chọn được các thông số Kp, Ki cho bộ điều khiển. Chúng ta sẽ đi lập trình cho STM32 với bộ điều khiển PI trong chương sau.

28

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

CHƢƠNG III LẬP TRÌNH BĐK PI CHO STM32 CHO MẠCH BOOST DC-DC 3.1 Thông số kĩ thuật của Arduino

Hình 3.1 Board Arduino MEGA 2560 Arduino MEGA được xây dựng với phân nhân là vi điều khiển Atmega1280 sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz. Với vi điều khiển này, ta có tổng cộng 56 pin (ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới 56 (trong đó có 13 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin). Song song đó, ta có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ A0 – A15, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra / vào bình thường (như pin 0 - 13). Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên board. Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn. Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý: 

Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện.

Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board. Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây. Kích thước của vùng nhớ này

29

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như Atmega1280 có 16KB flash memory. Loại bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 80,000 lần ghi / xoá. 

RAM: tương tự như RAM của máy tính, sẽ bị mất dữ liệu khi ngắt điện nhưng bù lại

tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh. Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần. 

EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi /

xoá cao hơn - khoảng 100,000 lần và có kích thước rất nhỏ. Để đọc / ghi dữ liệu ta có thể dùng thư viện EEPROM của Arduino. Ngoài ra, board Arduino còn cung cấp cho ta các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND... Vi điều khiển Điện áp hoạt động Điện áp đầu vào (được đề nghị) Điện áp đầu vào (giới hạn) Số lượng chân I / O Số lượng chân Input Analog Dòng điện DC mỗi I / O Dòng điện DC với chân 3.3V

ATmega2560 5V 7-12V 6-20V 54 (trong đó có 15 cung cấp sản lượng PWM) 16 20 mA 50 mA

Bộ nhớ flash

256 KB trong đó có 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động

SRAM

8 KB

EEPROM

4 KB

Tốc độ đồng hồ

16 MHz

Chiều dài

101,52 mm

Bề rộng

53,3 mm

Cân nặng

37g

30

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

3.2 Vi điều khiển STM32

Hình 3.2 Vi điều khiển STM32F103 Dòng họ STM32F103xx kết hợp ARM hiệu năng cao lõi RISC 32 bit Cortex-M3 hoạt động với hiệu suất cao.  Lõi: CPU ARM 32-bit Cortex ™ -M3 - Tần số tối đa 72 MHz; 1,25 DMIPS / MHz (Dhstallone 2.1) hiệu suất ở 0 bộ nhớ trạng thái chờ truy cập  Bộ nhớ - Bộ nhớ Flash 16 hoặc 32 Kbyte - 6 hoặc 10 Kbyte SRAM -Quản lý đồng hồ, thiết lập lại và cung cấp - Cung cấp ứng dụng 2.0 đến 3.6 V và I / O - POR, PDR và điện áp lập trình máy dò (PVD) - Bộ tạo dao động tinh thể 4 đến 16 MHz - RC cắt bên trong nhà máy 8 MHz 31

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

- RC 40 kHz nội bộ - PLL cho đồng hồ CPU - Bộ dao động 32 kHz cho RTC với hiệu chuẩn  Công suất thấp - Chế độ ngủ, dừng và chờ - Cung cấp VBAT cho RTC và các thanh ghi dự phòng 2 x 12 bit, 1 bộ chuyển đổi A / D (tối đa 16) kênh truyền hình) - Phạm vi chuyển đổi: 0 đến 3,6 V - Khả năng giữ mẫu và giữ mẫu kép - Cảm biến nhiệt độ  DMA - Bộ điều khiển DMA 7 kênh - Thiết bị ngoại vi được hỗ trợ: bộ hẹn giờ, ADC, SPI, 2C và USART  Lên đến 51 cổng I / O nhanh - 26/37/51 I / O, tất cả có thể ánh xạ trên 16 bên ngoài các vectơ ngắt và hầu hết tất cả các dung sai 5 V  Chế độ gỡ lỗi - Giao diện gỡ lỗi dây nối tiếp (SWD) & JTAG 6 giờ - Hai bộ định thời 16 bit, mỗi bộ có tối đa 4 IC / OC / PWM hoặc bộ đếm xung và đầu vào bộ mã hóa cầu phương (tăng dần) - Bộ hẹn giờ PWM điều khiển động cơ 16 bit với thời gian chết và dừng khẩn cấp - 2 bộ định thời watchdog (Độc lập và Cửa sổ) - Bộ đếm thời gian SysTick: bộ đếm xuống 24 bit STM32F103 có 6 giao diện truyền thông - Giao diện 1 x I2C (SMBus / PMBus) - 2 × USARTs (giao diện ISO 7816, LIN, IrDA khả năng, điều khiển modem) - 1 × SPI (18 Mbit / giây) 32

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

- Giao diện CAN (Hoạt động 2.0B) - Giao diện tốc độ đầy đủ USB 2.0 3.3 Kết quả thực tế

Ta sẽ vẽ các khối như sau trên Matlab:

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏngKeetet qua thuc nghiem Điểm đặt U= 13.85(V), đường đen là đường của độ rộng xung, đường màu xanh là đáp ứng.

Hình 3.4 Kết quả mô phỏng

ket qua thuc nghiem

33

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Nen dua them mot vai truong hop ung voi cac dien ap dat khac nhau nhu 10V, 12V, 14V, 15V

Nhận xét: -Ta có thể thấy điện áp đầu ra bám theo điện áp setpoint đáp ứng nhanh và độ quá điều chỉnh ở mức cho phép, khoảng 20%(0,2s). - Như vậy ta thấy bộ điều khiển đã đáp ứng được những yêu cầu mà bộ điều khiển PI cần thỏa mãn như độ quá điều chỉnh nhỏ, thời gian quá độ nhỏ, không có hiện tượng dao động. 3.4 Kết luận và đề xuất Sau khi thiết kế mô hình mô phỏng cho bộ biến đổi điện áp DC-DC boost, ta nhận thấy bộ ĐK PI giúp cho hệ thống làm việc tốt hơn và ổn định hơn rất nhiều so với bộ P, bộ điều khiển trên hoàn toàn có thể áp dụng được vào thực tế. Trên cơ sở nghiên cứu, đề tài đã đưa ra được các kết quả mô phỏng và thực nghiệm sau : + Đưa ra mô hình toán học cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp + Thiết kế được bộ điều khiển cho bộ biến đổi tăng áp với Bộ điều khiển PI + Đưa ra được cấu trúc của bộ điều khiển Như vậy, với các kết quả thu được có thể khẳng định tính ổn định và hiệu suất của BĐK PI. Trong quá trình nghiên cứu và thực tiện vẫn còn nhiều tồn tại như các tỉ lệ scale chưa chính xác, sự hạn chế về dòng áp và nhiệt độ của các linh kiện cũng như các thao tác đo của người thực hiện..... dẫn đến sự sai số không mong muốn. Em rất mong nhận được sự góp ý từ quý thầy cô cùng các bạn sinh viên để đồ án hoàn thiện hơn và áp dụng được vào thực tế.

Bo xung phan ket luan chung cua do an, trinh bay trong do an da lam duoc nhung gi, ket qua ra sao

34

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Chí

Tài liệu tham khảo [1] PGS.TS Nguyễn Văn Chí –“Giáo trình Điều khiển các quá trình công nghệ”, trường Đại học kĩ thuật công nghiệp Thái Nguyên [2] Tài liệu Matlab & Simulink 2016a

Bo xung tai lieu tham khao là do an cua ban Kien,

35