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 HOÁ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI
Học viên: LƯU THỊ HUẾ

Học viên: Lưu Thị Huế
Lớp: CHTĐH-K11
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang
Ngày giao đề tài: 7/12/2009
Ngày hoàn thành: 30/07/2010 BAN GIÁM HIỆU
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

STT
Ký hiệu
Diễn giải tên hình vẽ
1
Hình 1.1
Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi
2
Hình 1.2
Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển
3
Hình 1.3
Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn
4
Hình 1.4
Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi tăng áp
5
Hình 1.5
Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp
6
Hình 1.6
Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp
7
Hình 2.1




16
Hình 3.7
Mô hình bộ tạo xung bằng modul



17
Hình 4.1
Sơ đồ bộ bộ biến đổi tăng áp
18
Hình 4.2
Mô hình bộ biến đổi trong khối subsystem
19
Hình 4.3
Bộ biến đổi tăng áp mô hình hóa trên simpowerSystems
20
Hình 4.4
Luật điều khiển phản hồi trạng thái xây dựng trên Matlab-
Simmulink
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

21
Hình 4.5
Mô hình bộ tạo xung bằng


modul

Tín hiệu điều khiển u cho bộ biến đổi
32
Hình 4.16
Điện áp ra trên tụ điện C
33
Hình 4.17
Sơ đồ khối hệ thống
34
Hình 4.18
Tổng hợp bộ biến đổi trên simulink
35
Hình 4.19
Bộ điều chỉnh điện áp PI và cửa sổ nhập số liệu
36
Hình 4.20
Đáp ứng dòng điện i* của hệ thống
37
Hình 4.21
Dòng qua cuộn cảm L khi có bộ điều chỉnh điện áp PI
38
Hình 4.22
Sự bám sát của dòng qua cuộn cảm L khi có bộ điều chỉnh điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

áp PI
39
Hình 4.23
Mối quan hệ giữa i*, i và tín hiệu điều khiển u khi có bộ điều
chỉnh áp PI
40

sức quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghiệp Việt Nam nói riêng và
sự phát triển của đất nước Việt Nam nói chung.
Trong tất cả các loại nguồn điện cung cấp cho ngành công nghiệp, thì
nguồn một chiều cũng đóng một vai trò khá quan trọng. Trong thời đại ngày nay
vấn đề năng lượng trở nên cấp thiết, sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời)
đang được ưa chuộng. Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter, viết tắt là
BC) là một hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo. Cấu trúc của mạch BC
vốn không phức tạp, nhưng vấn đề điều khiển BC nhằm đạt được hiệu suất biến
đổi cao và bảo đảm ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Luận
văn của em có nhiệm vụ thiết kế bộ điều khiển DC-DC tăng áp bằng phương pháp
tuyến tính hoá phản hồi trạng thái.
Để hoàn thành tốt luận văn, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ rất tận
tình của thầy giáo GS.TS. Nguyễn Phùng Quang. Sau sáu tháng làm luận văn em
đã hiểu, thiết kế được bộ điều khiển và khiểm chứng bộ điều khiển trên nền
Matlab & Simmulik cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp. Mặc dù đã hết sức cố gắng
nhưng luận văn của em không tránh khỏi một số thiếu sót, em rất mong nhận được
sự chỉ bảo của các thầy để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tài liệu tham khảo
[1] Hebertt Sira-Ramírez, Ramón Silva-Ortigoza: Control Degign Tschniques in
Power Electronics Devices. Spring London, 2006.
[2] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung: Lý thuyết điều
khiển phi tuyến. NXB KH&KT Hà Nội, tái bản lần 2 có bổ sung, 2006.

DC – DC tăng áp được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp, chính điều này
làm nên ý nghĩa thực tiễn của luận văn.
3. Mục đích của đề tài
Ứng dụng phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái để điều khiển
nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao, bảo đảm ổn định và cấu trúc mạch của bộ
biến đổi DC – DC tăng áp không phức tạp
Tạo cơ sở khoa học để các cán bộ kỹ thuật nắm rõ và làm chủ được công
nghệ trong quá trình giám sát, vận hành. - 5 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƯƠNG 1
MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP
1.1 Giới thiệu các bộ biến đổi bán dẫn
Các bộ biến đổi bán dẫn là đối tượng nghiên cứu cơ bản của điện tử công
suất. Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những
khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi
khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van
bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện,không bị mài
mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán
dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các
mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của
bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như
vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong
bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất

mạch giảm áp có tên gọi buck converter để thực hiện việc này và có thể đạt được
hiệu suất trên 90% với mạch này một cách dễ dàng. Nhưng cần chú ý rằng chất
lượng điện áp tại ngõ ra của giải pháp tuyến tính tốt hơn so với giải pháp chuyển
mạch. Do đó, điều quan trọng ở đây là chúng ta chọn giải pháp thích hợp cho từng
bài toán.
Kỹ thuật chuyển mạch thực tế bao gồm: chuyển mạch cứng (hard-switching)
và chuyển mạch mềm (soft-switching). Với kỹ thuật chuyển mạch cứng, các khóa
(van) được yêu cầu đóng (hay ngắt) khi điện áp đặt vào (hay dòng điện chảy qua)
linh kiện đang có giá trị lớn (định mức). Linh kiện sẽ phải trải qua một giai đoạn
chuyển mạch để đi đến trạng thái đóng (hay ngắt) và giai đoạn này sẽ sinh ra tổn
thất công suất trên linh kiện tương tự như ở chế độ tuyến tính. Tổn thất công suất
trong giai đoạn này được gọi là tổn thất (tổn hao) chuyển mạch. Điều này có nghĩa
là khi tần số làm việc càng lớn (càng có nhiều lần đóng/ngắt linh kiện trong một đơn
vị thời gian) thì tổn thất chuyển mạch càng lớn và đó là một trong những lý do
khiến tần số làm việc của mạch bị giới hạn. Kỹ thuật chuyển mạch mềm cho phép
mở rộng giới hạn tần số của các bộ biến đổi chuyển mạch, nhờ việc đóng/ngắt khóa
(van) ở điện áp bằng 0 (ZVS: zero-voltage-switching) và/hoặc ở dòng điện bằng 0
(ZCS: zero-current-switching). Nhưng tại sao cần nâng cao tần số làm việc của các
- 7 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

bộ biến đổi chuyển mạch? Việc nâng cao tần số làm việc sẽ giúp giảm kích thước
và khối lượng của các linh kiện, và tăng mật độ công suất.
1.2 Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn
Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi chuyển mạch trong điện tử công
suất, nhưng có lẽ cách thông dụng nhất là dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào và
ngõ ra. Về nguyên tắc, chúng ta chỉ có dòng điện một chiều (DC) hay xoay chiều

khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng
điện đi qua điện cảm. Hình 1.2: Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển

1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)
Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện
áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện
cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy
trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Điện áp
đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng và có độ lớn bằng điện
áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm
- 9 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dần theo thời gian. Tụ điện ngõ 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 đi qua điện cảm sẽ
thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của
dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng
điện qua điện cảm là liên tục. Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý
tưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình
của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0. Gọi T là chu
kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và T2 là thời
gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T
1
+ T

1
/T)×V
in
− ((T
1
+ T
2
)/T)×V
out
= 0, (T
1
/T)×V
in
= V
out

Giá trị D = T
1
/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle). Như vậy,
V
out
= V
in
×D. D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó
0 < V
out
< V
in
.
Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm

Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên
tục qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi
dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép
bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi
dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = D
min
(vì thời gian
giảm dòng điện là T
2
, với điện áp rơi không thay đổi là V
out
). Một cách cụ thể,
chúng ta có đẳng thức sau:
(1 − D
min
)×T×V
out
= L
min
×2×I
out,min

Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là L
min
và T. Nếu chúng ta chọn tần số
chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì L
min
cũng cần
phải lớn.
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra.

+ T
2
như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm
khi đóng khóa (van) là (T
1
/T)×V
in
, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt
khóa (van) là − (T
2
/T)×V
out
.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:
(T
1
/T)×V
in
− (T
2
/T)×V
out
= 0
Như vậy:
(T
1
/T)×V
in
= (T
2

, giá trị điện áp ngõ ra V
out
, độ dao
động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu I
out,min
, xác định giá trị của
điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để
đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm
vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: D
min
= V
out
/(V
in,max
+ V
out
), và
D
max
= V
out
/(V
in,min
+ V
out
).
- 12 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn


giữa nguồn áp E và tải R. Ta có thể thấy điều này trên hình 1.4(a). Mặt khác, khi
transistor Q ở trạng thái khóa, diode D phân cực thuận, tức là D dẫn. Nó cho phép
dòng năng lượng truyền từ nguồn E tới tải R, như hình 1.4(b).

Hình 1.3: Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt bằng thiết bị bán dẫn
- 13 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.4: Sơ đồ thay thế của bộ biến đổi tăng áp
Hai sơ đồ mạch ghép nối với bộ biến đổi có thể được kết hợp thành một sơ
đồ mạch đơn bằng cách sử dụng ý tưởng của chuyển mạch lý tưởng như trên hình
1.5

Hình 1.5: Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp

1.3.3.1. Mô hình của bộ biến đổi
Để xác định được mô hình động học của bộ biến đổi, ta áp dụng luật
Kirchoff cho mỗi một sơ đồ mạch như là hệ quả của hai vị trí chuyển mạch. Sơ đồ
mạch đầu tiên nhận được khi chuyển mạch lấy giá trị u = 1, sơ đồ mạch thứ hai
nhận được khi chuyển mạch lấy giá trị u = 0, hai sơ đồ mạch này được biểu diễn
trên hình 1.5.


Dạng động học của bộ biến đổi tăng áp được mô tả bởi hệ phương trình vi
phân (1.1),(1.2) với dạng tổng quát dưới đây:

Evu
dt
di
L  )1(
(1.3)

R
v
iu
dt
dv
C  )1(
( 1.4)
1.3.3.2. Mô hình dạng chuẩn
Dạng chuẩn hóa của hệ phương trình mô tả bộ biến đổi tăng áp đạt được
bằng cách định nghĩa lại các biến trạng thái và biến thời gian như dưới đây:











0
1
2
1
,
LC
t


(1.5)
- 15 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1
1
2
2
1 1 1 1
1 1 1 1
dx
L L di di
x i L
E C dt E C dt E dt
LC
dx
dv L dv

dx
ux
dt
LC LC
  

1)1(
2
1
 xu
d
dx


Từ phương trình (1.4) ta có:

1 1 1 1 1 1 1
(1 )
L dv L L
C u i v
E C dt E C E C R
LC LC LC
   
2
12
1 1 1
1

av

(1.6)

22
1
(1 )
av
dx x
ux
dQ

  
(1.7)
Đặt u=1-u
av
, ta có:
- 16 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1
2
22
1
1
dx

theo một hệ phương trình mà nghiệm của nó mô tả điểm cân bằng của hệ.
Từ phương trình(1.6),(1.7) ta có:

2
2
1
0 (1 ) 1
0 (1 )
av
av
ux
x
ux
Q
   



  


(1.9)
Mô hình trung bình chuẩn hóa của bộ biến đổi tăng áp ứng với giá trị hằng
của đầu vào điều khiển u
av
=U, đưa ra hệ phương trình dưới đây cho trạng thái cân
bằng:




)1(
)1(0
2
1
x
x
Q
U
U
(1.10)
- 17 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Giải ra ta được:

2
1
)1(
11
U
Q
x


,
)1(
1

1

(1.12)
Theo cách này, từ hệ thức (1.10) ta được hàm truyền chuẩn hóa tĩnh của bộ
biến đổi tăng áp cho bởi:
H(U)=
)1(
1
2
U
x


(1.13)
Rõ ràng là hệ số khuếch đại của mạch bộ biến đổi luôn lớn hơn 1. Vì thế, bộ
biến đổi được gọi là bộ biến đổi tăng hay bộ biến đổi tăng áp. Đặc tuyến của hàm
truyền tĩnh của bộ biến đổi tăng áp đựợc minh họa như trên hình 1.6 . Dễ thấy thông
qua sự biến thiên của chu trình hoạt động hay đầu vào điều khiển trung bình U, ta
có thể đọc được giá trị của điện áp đầu ra ổn định của giá trị mong muốn
v
lớn hơn
1.
- 18 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.6: Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi tăng áp

CHƢƠNG2
PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ PHẢN HỒI
TRẠNG THÁI
2.1 Giới thiệu
Chúng ta có thể thấy nổi lên trong việc phân tích hệ phi tuyến là các chỉ tiêu
chất lượng của hệ như tính ổn định, tính điều khiển được, quan sát được, khả năng
tự dao động, hiện tượng hỗn loạn, phân nhánh … nhưng số phương pháp hữu hiệu
phục vụ trực tiếp các công việc đó lại không nhiều. Thường dùng nhất là phương
pháp phân tích gián tiếp thông qua mô hình tuyến tính tương đương của hệ phi
tuyến trong lân cận đủ nhỏ xung quanh điểm làm việc của hệ, phương pháp này
không cung cấp đầy đủ thông tin của hệ trong toàn bộ không gian trạng thái. Đối
với phương pháp phân tích trực tiếp thì ngoài tiêu chuẩn Lyapunov cho việc phân
tích tính ổn định và phương pháp mặt phẳng pha giới hạn ở hệ phi tuyến NL cho hai
biến trạng thái, cho đến nay ta chưa có phương pháp nào khác.
Gần đây, nhờ công cụ hình học vi phân (differential geomertic tools) người
ta đã đi đến được một số phương pháp, bù đắp phần nào những khiếm khuyết trên,
đó là phương pháp phân tích tính điều khiển được (controllable), quan sát được
(obsersable), phân tích tính động học không (zero dynamic) cũng như xác định tính
pha cực tiểu (minimum phase) của hệ phi tuyến có cấu trúc affine.
2.2 Các hệ thống cấu trúc biến
Hệ thống cấu trúc biến là một hệ thống trong đó mô hình trạng thái động chịu
ảnh hưởng lớn trên miền của không gian trạng thái, trên đó các phép toán của hệ
được tìm thấy một cách tường tận. Bản chất không liên tục của mô hình chính là
thông số đặc tính, và những thay đổi đột ngột gây ra hoặc do sự tác động tự ý lên
các thành phần của toán tử, sự kích hoạt tự động của một hay nhiều bộ chuyển mạch
trong hệ thống, hoặc do sự thay đổi các giá trị tạm thời của từng tham số hệ thống
xác định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

,

yR

Các hàm véctơ f(x) và g(x) biểu diễn các trường véctơ trơn, nghĩa là các
trường véctơ khả vi vô hạn, được định nghĩa trên không gian tiếp tuyến với R
n
. Hàm
đầu ra h(x) là một hàm vô hướng trơn với biến x lấy giá trị trên trục thực R. Ta coi x
như là trạng thái của hệ. Biến u được xác định như một đầu vào điều khiển hoặc
đơn giản là lượng điều khiển. Còn biến y chính là đầu ra của hệ. Ta cũng thường coi
f(x) như một trường véctơ sai lệch và g(x) như là trường đầu vào điều khiển.
Đặc điểm chính của hệ mà ta quan tâm là bản chất giá trị nhị phân của biến
đầu vào điều khiển. Không làm mất tính tổng quát, ta giả sử đầu vào điều khiển này
lấy giá trị trên tập rời rạc [0, 1] Chú ý rằng nếu tập các giá trị có thể nhận được của
biến đầu vào vô hướng u là tập rời rạc [W
1
,W
2
] với
i
WR
, i=1,2 thì theo phép biến
đổi tọa độ khả đảo dưới đây ta có:
2
12
()
()
uW
v