DC DC Boost Son Ha

 

  TRƢỜNG ĐẠI ĐẠI HỌ ẬT CÔNG NGHIỆ HỌC K Ỹ THU  THUẬ NGHIỆP THÁI NGUYÊN KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ  TỬ  

BỘ MÔN K Ỹ THU  THUẬ KHIỂN ẬT ĐO LƢỜNG ĐIỀU ĐIỀU KHIỂ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: ĐỀ TÀI: THIẾ THIẾT K Ế VÀ ĐIỀU ĐIỀU KHIỂ KHIỂN MẠCH MẠCH TĂNG ÁP MỘT MỘT CHIỀ CHI ỀU DC-DC BOOST GIÁO VIÊN HƢỚ NG CHÍ  NG DẪ DẪN :PGS.TS NGUYỄN NGUYỄN VĂN CHÍ  SINH VIÊN THỰ  THỰ C HIỆ HIỆN: VI THỊ THỊ HÀ NGUYỄN NGUY ỄN LAM SƠN  SƠN 

T hái hái nguyê ng uyên n - 201 2019 9

K145520216018 K145520114099

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

Mục Lục LỜI CẢM ƠN ................... .......................................... ............................................. ............................................ ............................................. ...................................... ............... 1 MỞ ĐẦU ...................... ............................................. .............................................. ............................................. ............................................. ......................................... .................. 2 Chương I NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘ NG 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 k ế mạch. .......................... ....................................... ........................... ........................... .......................... .......................... ..................... ........ 6 Chương II XÂY DỰ  NG MÔ HÌNH BỘ DC-DC BOOST ..................... ............................................ ........................... 17 2.1 Mô hình ở  tr   tr ạng thái ON ......................... ....................................... ........................... ........................... ........................... ................ ... 17 2.2 Mô hình ở  tr   tr ạng thái OFF ............ .......................... ........................... .......................... ........................... ........................... ............... 18 2.3 Thiết k ế 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 K ết quả thực tế ............ ......................... .......................... ........................... ........................... .......................... .......................... ................... ...... 33 3.4 K ết luận ........................... ........................................ ........................... ........................... .......................... .......................... ........................... ................ 34 Bo xung ket luan chung cua do an Tài liệu tham khảo............... o............................ ........................... ........................... .......................... .......................... .......................... ................. .... 35

2

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

Hình 1.1 Sơ đồ đơn giản mạch DC-DC boost ............................................................. ........................................................................................ ........................... 3 Hình 1.2 Tr ạng thái ON stage ........................................................................... ................................................................................................................. ...................................... 4 Hình 1.3 Tr ạng thái OFF stage .............................................................. ............................................................................................................... ................................................. 4 Hình 1.4 Tr ạng 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 ph ỏng boost DC-DC.................................................................... ............................................................................................ ........................ 8 ........................................................................ ...................................... 9 Hình 1.9 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC vớ i D=30% .................................. Hình 1.10 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC vớ i D=40% .................................................................... .................................................................... 10 Hình 1.11 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC vớ i D=50% .................................................................... .................................................................... 10 Hình 1.12 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC vớ i D=60% .................................................................... .................................................................... 11 Hình 1.13 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC vớ i 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 Tr ạng thái ON ....................................... ............................................................................................................. ................................................................................. ........... 17 Hình 2.2 Đặc tính tr ạng thái ON của i(t) .............................................................................................. .............................................................................................. 18 Hình 2.3 Tr ạng thái OFF....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 18 Hình 2.4 Đặc tính đáp ứng thờ i 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 Tr ạng thái OFF khi có tụ ........................................................................................................ ....................................................................................................... 20 Hình 2.8 Tổng tr ởở   hóa hóa Z1 và Z2 .......................... ............................................................................................. ................................................................................. .............. 21 Hình 2.9 Tr ạng thái mạch ON khi có tụ C .................................. ............................................................................................ .......................................................... 22 Hình 2.10 Mô hình xấ p xỉ ..................................................................................................................... 23 Hình 2.11 K ết 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 cấ p 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 cấ p Duty=46% ...................................................................... ................................................................................. ........... 25 Hình 2.16 BĐK PI cho mạch DC-DC boost ......................................................................................... 26 Hình 2.17 Bộ điều khiển PI.................................. PI........................................................................................................ ................................................................................. ........... 27 Hình 2.18 Hộ p 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 K ết quả mô phỏng .................................................................................................................. 33

3

 

 

LỜ I CẢM CẢM ƠN  ƠN  Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã nhận đượ c r ất nhiều sự giúp đỡ  và  và chỉ b ảo t ận tình của các thầy cô trong bộ môn Đo lường và điều khiển. Em xin chân thành gửi tớ i 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 su ốt thời gian 5 năm qua.  Em xin chân thành gửi lờ i cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo PGS.TS.

Nguyễn Nguy ễn Văn Chí đã luôn giúp đỡ  sinh   sinh viên chúng em trong quá trình học tậ p tại trường, đặc biệt là sự  tận tình hướ ng ng dẫn cũng như tạo điều kiện thuận lợ i nhất để em có thể tiế p nhận và hoàn thành tốt đồ án một cách tốt nhất. Trong quá trình học tậ p 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. R ất kính mong nhận đượ c sự góp ý chỉ  bảo từ các quý thầy cô và các bạn để đồ án đượ c hoàn thiện hơn. 

Em xin chân thành cảm cảm ơn ! 

1

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

MỞ  ĐẦ ĐẦU U  Công nghiệ p hóa hiện đại hóa đã và đang đóng vai trò quan trọng trong công cuộc

đổi mớ i nền kinh tế, quá trình này mang đến nh ững cơ hội thuận l ợi nhưng cũng đồng thời cũng tồn t ại nh ững khó khăn thách thức l ớn, trong đó có yêu cầu v ề vi ệc đổi mớ i khoa học và công nghệ. Trong lĩnh vực k ỹ thu ật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các  bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thướ c nhỏ g ọn để các thiết b ị sử  dụng điện áp một chiều là hết sức cần thiết. Quá trình xử  lí này đượ c gọi là biến đổi một chiều DC-DC có điện áp đầ u ra lớn hơn điện áp đầu vào hay còn gọi là bộ  biến

đổi tăng áp. Bộ biến đổi này thường đượ c sử dụng ở  m  mạch một chiều trung gian của thiết bị   biến đổi điện năng công suất , bộ  biến đổi này thường đượ c sử  dụng trong các hệ  thống năng lượ ng ng tái tạo như : sức gió, mặt tr ờ  ời,... i ,... Cấu trúc của bộ  biến đổi không  phức tạ p lắm. Tuy nhiên vấn đề  điều khiển để  có được độ chính xác cao và công su ất chất lượ ng ng lại là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Thêm vào đó , bộ biến đổi là

đối tượng điều khiển tương đối phúc tạ p do mô hình có tính phi tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ  biến đổi, với đề  tài : “ Thiết k ế  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 k ế 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 k ế bộ điều khiển PID mô phỏng và hiệu chỉnh

 

Mô phỏng và thực nghiệm















2

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

CHƢƠNG I

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

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

1.1 Sơ đồ c đồ cơơ bản củ của mạ mạch DC-DC boost.  h oạt động đơn giản của mạch tăng áp boost gồm 1 nguồn một Dưới đây là sơ đồ ho chiều, cuộn cảm, chuyển mạch, tụ và điện tr ởở  t tải. Ở đây, ta chỉ xét tải thuần tr ở, ở, nhưng tuy nhiên trong thực thế thì lại khác vì nó có th ể  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 t ạo ra nguồn một chiều. + Cuộn cảm L có vai trò n ạp năng lượ ng ng khi mạch ở  ch  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 tr ạng thái nạ p và xả. Ta chọn F = const, thay đổi Duty +Diode có vài trò ch ống xả ngượ c về nguồn của tụ.

+ Điện tr ở  ở  R R có tác dụng cản tr ởở  dòng điện , tiêu thụ công suất , đại diện cho tải 3

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

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

 Hình 1.2 Tr ạng thái ON stage

- Trong mạch tăng áp, khi chuyển mạch đóng ( hình 1.2) thì dòng điệ n từ pin chạy

ở  kháng thấp hơn so vớ i tải. qua mạch và khép mạch về  nguồn, vì nhánh này có tr ở  Trong thực tế  việc chuyển mạch sẽ  đượ c thực hiện bởi mosfet và được điều khiển thông qua mạch điều khiển ( PWM, Arduino, NE555,... ). Ở tr ạng ạng thái này, điện c ảm của mạch sẽ  đượ c nạp năng lượng ( năng lượng này cho phép điện áp qua tải tăng lên

cao hơn so với điện áp nguồn ) dướ i dạng từ  trườ ng. ng. Trong thực tế thì ta cần một tụ  điện để có thể tích tr ữ  năng lượ ng ng và cung c ấp điện năng cho tả i khi ở  tr   tr ạng thái ON, tụ này đượ c mắc song song vớ i tải.

1.2.2 Trạ Trạng thái OFF stage

 Hình 1.3 Tr ạng thái OFF stage

4

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

- Khi chuyển mạch ở   tr ạng thái hở   mạch thì diode đượ c phân cực thuận và dòng

điện khép mạch từ  nguồn qua tải. Một lượng điện năng tích tũy trên điệ n cảm đượ c truyền tớ i tải và điện áp tại giảm xuống. - Khi mạch chuyển gi ữa hai tr ạng ạng thái ON và OFF thì điện áp đầ u ra qua tải đậ p mạch tăng giảm. Tuy nhiên điện áp trung bình đầ u 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 vớ i tải.

 Hình 1.4 Tr ạng thái ON - OFF stage

1.3 Các ứ ng ng dụ dụng củ của mạch mạch tăng áp một một chiề chiều DC-DC boost Bộ boost converter có tác dụng t ạo ra điện áp đầu ta lớn hơn điện áp đầu vào. Vì vậy nó còn đượ c 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 ứ ng dụng thực tế  của

BBĐ DC-DC boost. + Điện tử cá nhân: BBĐ DC-DC boost tạo ra điện áp phù h ợ  p cho các thiết bị điện tử t ừ nh ững nguồn có điện áp nhỏ  như pin ki ềm, pin đồng xu hoặc Li-on giúp giảm kích

thước để các thiết bị tr ởở  nên  nên nhỏ gọn hơn.  + Ô tô: Có thể tạo ra điện áp cao lên tớ i 300V- 500V từ những bình ắc quy có điện áp nhỏ ( 12V, 24V,...) để cấ p nguồn cho động cơ ô tô điện.

5

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

+ Cũng có thể  bắt gặ p ở   các ứng dụng nhỏ  hơn như các hệ  thống chiếu sáng di động. Một đền led tr ắng cần 3.3V nguồn, vậy ta cần một bộ chuyển đổi từ 1 tế bào akaline 1,5V để cấp cho đèn.  + Năng lượ ng: ng: Có thể dùng bộ chuyển đổi boost này trong các h ệ thống năng lượ ng ng sạch như gió,  mặt tr ờờ i,... i ,... Từ  các pin năng lượ ng ng với điện áp thấp , sau đó boost lên và chuyển đổi DC-AC để hòa vào lưới điện.  Ngoài các ứng d ụng trên, Boost converter còn đượ c s ử d ụng trong quá trình tái t ạo

 phanh động cơ DC,....  1.4 Thiế Thiết k ế m  mạạch.  1.4.1 Sơ đồ nguyên đồ nguyên lí.

 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí mạch boost trên Altium

6

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

 Hình 1.6 Hình ảnh 3D mạch thự c

 Hình 1.7 M ạch thự c t ế  ế  

7

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

Các linh kiện cần dùng : + Nguồn 1 chiều DC 5V, dây c ắm

+ Điện tr ở, ở, điện cảm, tụ điện, chân cắm, tụ gốm,Diode 1N5819 + Mosfet IRLZ44N + Vi điều khiển STM32F103

1.4.2 Mô phỏ 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 r ộng xung Duty= 50% + Cuộn cảm L  I L



 P  V in



20 4.5

4.444( A)    4.

8

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

 L 

Vin .D   f s .I L



4.5  0.5

 

20.10  0.3  4.44 3

 84.459(  H )  

  Vậy ta lựa chọn Cuộn cảm L= 100(µH) + Tụ điện C Vc  V 0 , V c  

C

từ 1% đến 5%

 I 0(max) .D   2. 2.22 22  0. 0.55   510.87(  F )    f s .V c 20.103.0.01.9.02

Lựa chọn tụ C có giá tr ị 470(µF)

+ Điện tr ởở   Rt= Rt= 100( Ω) Sau khi điền các thông số ở  bên  bên trên, ta có được các đặc tính mô ph ỏng như sau:

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

9

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

Ta sẽ tăng tần Duty lên: + Duty= 40%

 Hình 1.10 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC vớ i D=40%

+ Duty= 50%

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

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

+ Duty=60%

 Hình 1.12 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC vớ i D=60%

+ Duty=70%

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

11

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

 Hình 1.14 Đặc tính mô phỏng boost DC- DC khi tăng dần Duty

Bây giờ  ta  ta sẽ thay đổi giá tr ị điện tr ởở  Rt  Rt + Vớ i Rt= 100Ω 

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

12

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

+ Rt=200Ω 

 Hình 1. 16 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC vớ i Rt= 200Ω 

+ Rt=300Ω 

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

13

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

+ Rt=400Ω 

 Hình 1. 18 Đặc tính mô phỏng boost DC-DC vớ i Rt= 400Ω 

+ Rt=500Ω 

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

14

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

 Hình 1.20 Đặc tính mô phỏng boost DC- DC khi tăng dần Rt

Dựa trên các k ết quả trên, ta có nhận xét sau :  



Khi thay đổi Duty thì điện áp ra cũng thay đổi theo, dựa trên k ết quả mô phỏng , ta thấy khi tăng Duty thì điện áp cũng tăng, tuy nhiên có giớ i hạn, vì nếu mở  

mosfet quá lâu ( độ r ộng Duty lớ n ) sẽ dẫn đến hiện tượ ng ng mosfet bị nóng do bị  ngắn mạch, từ  đó ta giả  thiết mạch chỉ làm việc ở   một giớ i hạn Duty nhất định và dải tần nhất định.  



Khi thay đổi điện áp đầu vào thì điện áp đầu ra cũng tăng, vớ i linh kiện như trong mạch thực thì điện áp tăng lên 1,5  –  2,5   2,5 lần, tuy nhiên nếu tăng quá điện áp sẽ gây nóng thậm chí hư hỏng điện tr ở  ở,  từ  đó ta có thể  thấy mạch cũng chỉ  làm việc tốt ở  1  1 dải áp cố định

 



Khi ta thay đổi điệ n tr ởở  thì đầu ra cũng thay đổ i. Cụ thể khi tăng điện tr ở  ở lên   lên thì áp tăng và ngượ c lại do dòng điện không qua được điện tr ở  ở và   và gây sụt áp ít ở   đầu ra. Trong trườ ng ng hợp dòng điện không đổi, thì coi như đầu ra tăng tuyế n tính theo điện tr ởở  

15

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

Trong quá trình thay đổi các thông số như tần số, Duty, điện áp vào và điệ n tr ở  ở  tải, khi so sánh các k ết qu ả trong thực t ế ta thấy có sự sai số. Đó là do linh kiện cũng

như các thao tác đo. Thông thườ ng ng ta sẽ  điều ch ỉnh 1 trong 2 thông số l làà t ần s ố h  hooặc Duty vào cực G của mosfet. Trong đề tài này,ta sẽ  thiết k ế  điều chỉnh độ  r ộng xung

Duty. Phương pháp điều khiển và bộ điều khiển ta sẽ đề cậ p ở  ph  phần sau.

16

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

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

 Hình 2.1 Tr ạng thái ON

Theo định luật Kirchhoffs I, ta có :

di  i.RL  0    L dt 

ei

(1)

Biến đổi Laplace :  E i  s

  Ls.I ( s)  i(0)  I ( s).RL 

0 

(2) 

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

( )

 E i  s( sL  RL)  

(3) 

Ta có thể thấy phương trình có dạng đáp ứng bậc nhất nên sế p lại như sau:   I ( s ) 

 Ei / RL Ei. .L / RL     s s.L  RL

(4) 

Áp dụng Laplace ngược, ta có phương trình sau:  i (t ) 

 Ei  RL



Ei. RL

 RL ( t )

.e



 L



E i RL

(1  e



RL ( t ) L

), t  0  

(5) 

17

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

 Hình 2.2 Đặc tính tr ạng thái ON của i(t)

2.2 Mô hình ở  trạ  trạng thái OFF

 Hình 2.3 Tr ạng thái OFF

Áp dụng định luật Kirchoffs I, ta có:

ei  L

di dt 

 i.RL 

0  

(6)

Laplace hóa :

 E i  s

 L( s.I (s)  i0 )  I (s).( RL  Rt )  0  

(7)

Hay:

18

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

 I ( s) 

 Ei  s(sL  RL  Rt )



Li (s) sL  RL  Rt 

 

(8)

Laplace ngượ c về miền thờ i gian:  E i

  

i(t )   RL  R .(1  e t 

( RL  Rt ).t



( RL  Rt  ).t 

L

L

)  i(ts).e

, t  ts  (9) 

Trong thực tế tổng chu kì ( tổng thờ i gian On và Off) là h ằng số và mức điện áp

đầu ra sẽ đc điều khiển bở i việc hiệu chỉnh độ r ộng xung (Duty cycle) của việc chuyển mạch (% thờ i gian mạch On). Khi chuyển mạch ở   tr ạng ạng thái Off, dòng điện qua tải là iR xấ p với dòng điện trên cảm, Tuy nhiên, khi mạch này ở   tr ạng thái ON thì h ầu như không có dòng chạ y qua khóa chuyển mạch (mosfet). Do đó, ta áp dụng đị nh 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 ứ ng ng thờ i gian của điện áp đầu ra qua t ải

 Như đã đề cậ p từ trướ c, c, trong thực tế, để tránh trườ ng ng hợp điện áp trên tải giảm về 0, chúng ta sẽ lắ p thêm một tụ ở  đầu ra , song song v ớ i tải Rt.

19

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

 Hình 2.5 Sơ đồ mạch sau khi mắ c thêm t ụ C

Khi đó dạng điện áp đầu ra của tải như sau : 

 Hình 2. 6 Đặc tính áp ra trên t ải sau khi có t ụ C

Chúng ta sẽ phân  phân tích như sau:  -  Khi ở  tr   tr ạng thái OFF, giả thiết điều kiện đầu của dòng i(0)=0.

 Hình 2. 7 Tr ạng thái OFF khi có t ụ  20

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

()     

Ta có :

 Z 2  (

1 1 / Cs



1 Rt

) 1



(10)  Rt 

Rt . .Cs  1

 

(11) 

Tương đương vớ i mạch sau:

 Hình 2.8 T ổ n hóa Z1 và Z2 ổ ng   g tr ở  ở  hóa

Ta có:

 Eo s   Ei  s 



Z 2  s  .I  s 

 Z 2  s   Z1 s  .I   s 



Z 2 s Z1 s   Z 2  s 

 

(12)

Hay ta có:  Eo s   Ei  s 



 

Rt 

L.Rt.Cs.s   RL.Rt.C  L  s  Rt  RL

 

(13) 

Thay số cụ thể ta có  E0 ( s )  Ei ( s )



  100   4.7  10 6 s 2  2.92  103 s  100.06

(14) 

21

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

-  Khi mạch ở  tr   tr ạng thái ON:

 Hình 2.9 Tr ạng thái mạch ON khi có t ụ C

1

Ta có :

i R .Rt 

i .dt    0   C 

Hay

 I R ( s ).Rt



(15)

R

1 ( I R ( s )  iR .dt )  0   Cs



(16)

 

(17)

Giả thiết ban đầu tụ nạp 1 lượ ng ng là q(0), ta có :  I R ( s).( Rt  

Mặt khác

e0 

q(0) C 

1 Cs

)

q(0) Cs

 , ta lại có :  I R ( s ) 

C  C.Rt .s  1

e0 (0)  

(18)

Trong thực t ế  để  điện áp đầu ra, dòng điện đầu ra trôi hơn, người ta thườ ng ng dùng xung có tần số cao hơn để điều chế PWM Ta thấy khó khăn của việc thiết k ế 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 c ủa tr ạng thái on và off. Cách xấ p xỉ này chấ p nhận đượ c khi tần số  đủ  lớn. Lúc đó, độ  nhấ p nhô sẽ  nhỏ  lại và đượ c xấ p xỉ như 1 mô hình liên tục. Trong thực tế, mô hình này bỏ qua chuyển mạch và thay thế  điện cảm, điện tr ởở   của điện cảm bằng một điện cảm tương đương. Điện cảm này

được tính theo Duty như sau:  22

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

 Ltd  

 L

(1   D)

2

 

(19)

 Nếu D thay đổi trong khoảng nhỏ thì Ltd sẽ h ợ  p lí. lí . V ớ i trên thực t ế , RL nhỏ và ta có thể bỏ qua, lúc đó mô hình như sau: 

 Hình 2.10 Mô hình xấ   p xỉ  

Sau khi xấ p xỉ lại mô hình ta có phương trình sau:  Eo  s    eitb   Rt  sLt đđ     .     D  s  (1  Dtb )2 Lt đ .Rttb .C.s2   Ltđ .s  Rt tb

(20)

Ta sẽ chọn điểm làm việc là ở  D=50%,  D=50%, thay thông số vào (20), ta có:

    450    1.8 1.8e s   4, 4,7e 7e s  e s  25  D  s  3

 Eo s

6

2

4

(21)

-  Kiểm tra đáp ứng mạch thực tế:

ế t nố i mạch thự c t ế  ế và  Hình 2.11 K ế    và Matlab 23

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

Sơ đồ mô phỏng:

 Hình 2.12 Sơ đồ mô phỏng Matlab của mạch thự c t ế  

-  Đường đặc tính thực tế  của hệ thống vớ i D=46%

 Hình 2.13 Đáp ứ ng ng thự c t ếế  khi   khi cấ   p Duty=46%

24

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

-  Kiểm tra hàm truyền lý thuyết

 Hình 2.14 Sơ đồ mô phỏng Matlab của hàm truyề n thự c t ế  ế 

-  Đường đặc tính của hàm truyền lý thuyết vớ i D=46%

 Hình 2.15 Đáp ứ ng ng lý thuyế t khi cấ   p Duty=46%  



 Nhận xét : Như vậy đáp ứng thu đượ c của thực tế khá giống vớ i hàm truyền tính toán trên lí thuyết. Tuy nhiên đáp ứ ng của mạch thực tế có điện áp ra nhỏ 

hơn lý thuyết do sụt áp trên các linh ki ện của mạch .Dựa trên cơ sở  đó ta sẽ đi thiết k ế bộ điều khiển phù hợp cho đối tượ ng ng và hiệu chỉnh ở  chương sau. 25

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

điều 2.3 Thiế Thiết k ế b  bộộ điề u khiể 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 hợ  p cho bộ điều khiển PI, chúng ta sẽ  mô phỏng và thiết k ế nó ngay sau đây. 

2.3.1 Mô hình BĐK PI  PI  Mô hình (2) r ất hữu ích trong việc cung cấ p một cái nhìn sâu sắc về  đặc tính của b ộ bi ến đổi boost. Đặc bi ệt chúng ta có thể th ấy hệ th ống có 2 điểm c ực d ựa vào  bộ lọc LC có sẵn trong mạch. Mặc dù tr ực ực quan được đưa ra bởi mô hình trên, nhưng mà sẽ gây sai lệch tính chính xác của mạch. Cho nên ta ph ải 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 số Kp, Ki qua PID TUNER Ta sẽ thiết k ế mạch vòng như sau trên Matlab bằng cách điền các thông số hàm truyền đã tìm đượ c ở  ph  phần trướ c

26

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

Xem lai cho nay

 Hình 2.17 Bộ điề u khiể n PI  Kích vào khối PI cửa số sau xuất hiện



 Hình 2. 18 H ộ p 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 t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

 Hình 2. 19 Thông số  Kp,Ki  Kp,Ki của bộ điề u khiể n

 Hình 2.20 Đặc tính mô phỏng

 Như vậy v ậy qua chương II , chúng ta t a đã tìm đượ  đư ợ c hàm truyền c ủa h ệ t thhống và lựa chọn đượ c các thông số Kp, Ki cho b ộ điều khiển. Chúng ta sẽ đi lậ p trình cho STM32 vớ i bộ điều khiển PI trong chương sau.

28

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

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

Hình 3.1 Board Arduino MEGA 2560  Arduino MEGA được xây dựng với phân nhân là vi điều khiển A tmega1280 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,   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 t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

thông thường dựa vào vi   điều khiển được sử dụng, ví dụ như A tmega1280 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. n hanh. 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 cun g cấp cho ta các pin khác nhau như pin cấp nguồn

3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND...   Vi điều khiển

ATmega2560

Điện áp hoạt động

5V

Điện đề nghápị) đầu vào (đượ c Điện áp đầu vào (giớ i hạn)

7-12V

Số lượ ng ng chân I / O Số  lượ ng ng chân Input Analog Dòng điện DC mỗi I / O Dòng điện DC vớ i chân 3.3V

 

6-20V

54 (trong đó có 15 cung cấ p s ản lượ ng ng PWM) 16 20 mA 50 mA

SRAM

256 KB trong đó có 8 KB sử d ụng b ở i  bộ nạ p khởi động 8 KB

EEPROM

4 KB

Tốc độ đồng hồ 

16 MHz

Chiều dài

101,52 mm

Bề r ộng

53,3 mm 37g

Bộ nhớ  flash  flash

Cân nặng

30

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

điều khiể 3.2 Vi điều khiển STM32

Hình 3.2 Vi điều khiển STM32F103 Dòng họ STM32F103xx k ết hợ  p ARM hiệu năng cao lõi RISC 32 bit Cortex-M3 hoạt động vớ i hiệu suất cao.  



 bit Cortex ™ -M3 Lõi: CPU ARM 32- bit

-tr ạTng số  tch ần thái ối ờ đa 72 cMHz;  truy  truy ậ p 1,25 DMIPS / MHz (Dhstallone 2.1) hiệu suất ở   0 bộ  nhớ    



Bộ nhớ  

- Bộ nhớ  Flash  Flash 16 hoặc 32 Kbyte - 6 hoặc 10 Kbyte SRAM -Quản lý đồng hồ, thiết lậ p lại và cung cấ p - Cung cấ p ứng dụng 2.0 đến 3.6 V và I / O - POR, PDR và điện áp lậ p 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 t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

- RC 40 kHz nội bộ  - PLL cho đồng hồ CPU - Bộ dao động 32 kHz cho RTC v ớ i hiệu chuẩn  



Công suất thấ p

- Chế độ ngủ, dừng và chờ   - Cung cấ p 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 đượ c hỗ tr ợợ :  bộ hẹn giờ , ADC, SPI, 2C và USART   Lên đến 51 cổng I / O nhanh 

- 26/37/51 I / O, t ất 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  l lỗi

- Giao diện gỡ   llỗi dây nối tiế p (SWD) & JTAG 6 giờ   - Hai bộ định thờ i 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 vớ i thờ i gian chết và dừng khẩn cấ p - 2 bộ định thời watchdog (Độc lậ p và Cửa sổ) - Bộ đếm thờ i gian SysTick: bộ đếm xuống 24 bit STM32F103 có 6 giao diện truyền thông - Giao diện 1 x I2C (SMBus / PMBus) - 2 × USARTs (giao di ện ISO 7816, LIN, IrDA khả năng, điều khiển modem) - 1 × SPI (18 Mbit / giây) 32

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

- Giao diện CAN (Hoạt động 2.0B) - Giao diện tốc độ đầy đủ USB 2.0 3.3 K ết quả quả th  thự  ự c tế 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 đườ ng ng của độ  r ộng ộng xung, đườ ng ng màu xanh là đáp ứng.

Hình 3.4 K ết quả mô phỏng

ket qua thuc nghiem

33

 

 Đồ án t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS 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 th ấy điện áp đầu ra bám theo điện áp set point  point đáp ứứng ng nhanh n hanh và độ 

quá điều chỉnh ở  m  mức cho phép, khoảng 20%(0,2s). -  Như vậy ta thấy bộ  điều khiển đã đáp ứng đượ c 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 K ết luậ luận và đề xu đề xuấất Sau khi thiết k ế 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 rấ t nhiều so vớ i b ộ  P, bộ điều khiển trên hoàn toàn có thể áp dụng đượ c vào thực tế.

Trên cơ sở   nghiên cứu, đề  tài đã đưa ra đượ c các k ết quả  mô phỏng và thực nghiệm sau :

+ Đưa ra mô hình toán họ c cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp  + Thiết k ế đượ c bộ điều khiển cho bộ biến đổi tăng áp vớ i Bộ điều khiển PI

+ Đưa ra đượ c cấu trúc của bộ điều khiển  Như vậ y, vớ i các k ết quả thu đượ c có thể khẳng định tính ổn định và hiệu suất của BĐK PI. Trong quá trình nghiên cứu và thực ti ện v ẫn còn nhiều tồn tại như các tỉ l ệ  scale chưa chính xác, sự   hạn ch ế  về dòng áp và nhiệt độ  của các linh kiện cũng như các thao tác đo của ngườ i thực hi ện..... dẫn đến s ự sai số không mong muốn. Em r ất mong nhận đượ c sự góp ý từ quý thầy cô cùng các bạn sinh viên để  đồ án hoàn thiện

hơn và áp dụng đượ c 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 t ốố t  nghiệ p

GVHD: PGS.TS PGS.TS Nguyễn Văn Chí  

Tài liệ liệu tham khả khảo [1] PGS.TS Nguyễn Văn Chí  –“Giáo –“Giáo trình Điề u khiển các quá trình công nghệ”,

trường Đại học kĩ thuật công nghiệ p Thái Nguyên

 

[2] Tài liệu Matlab & Simulink 2016a

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

35