ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
DƯƠNG VĂN CƯỜNG
THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP SỬ
DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HÓA
NHỜ PHẢN HỒI ĐẦU RA
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ.
Mã số:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
TỰ ĐỘNG HOÁ
THÁI NGUYÊN - 2010
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học:
GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG
Phản biện 1:
PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH
Phản biện 2:
PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp
tại: Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, ĐHTN.
Ngày…….tháng……năm 2010
Có thể tìm luận văn tại:
Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, ĐHTN
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
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 cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết. Quá
trình xử lý biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp một chiều
khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Một bộ nâng điện áp là

chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công
suất điện cần biến đổi. Không những đạt được hiệu suất cao mà
các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn
năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá
trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với
chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động
hóa. Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu
điện từ không thể có được.
3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM
VỤ CỦA ĐỀ TÀI.
3.1. Đối tượng nghiên cứu.
- Nghiên cứu mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp.
- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ
phản hồi vào ra (IOL) .
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tuyến tính hóa nhờ
phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp.
3.2. Phạm vi nghiên cứu.
Nội dung luận văn nghiên cứu cấu trúc tổng quan và hoạt
động của bộ biến đổi DC-DC trong đó tập trung nghiên cứu hai
bộ biến đổi: Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic (Quadratic
buck converter) và Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) từ đó
đưa ra kết luận và lựa chọn phương pháp điều khiển để điều
khiển đối tượng.
3.3. Nhiệm vụ của đề tài.
- Nghiên cứu mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp
- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa
nhờ phản hồi vào ra (IOL)
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển tuyến tính hóa
nhờ phản hồi vào ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp
- Mô phỏng kiểm chứng lý thuyết trên nền Matlab&

ra cho bộ biến đổi DC – DC tăng áp.
Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab&
Simulink.
CHƯƠNG 1
MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP
I. Phân loại các bộ biến đổi bán dẫn
Để phân loại các bộ biến đổi bán dẫn người ta 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
(AC), do vậy có 4 tổ hợp khác nhau đối với bộ đôi dòng
điện ngõ vào và ngõ ra (theo quy ước thông thường, ngõ
vào trước, sau đó đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC,
và AC-AC.
Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi
II. Các bộ biến đổi DC-DC.
Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có
hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển
mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảm
chuyển mạch. Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế
hơn ở các mạch công suất lớn.
Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch
bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck-
boost/inverting (đảo dấu điện áp). Hình 1.2 thể hiện sơ đồ
nguyên lý của các bộ biến đổi này.
Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển
Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode
khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác
nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng
duy trì dòng điện đi qua điện cảm.
CHƯƠNG 2

Còn đối với phương pháp phân tích trực tiếp thì ngoại trừ tiêu
chuẩn lyapunov cho việc phân tích ổn định và phương pháp
mặt phẳng pha giới hạn ở hệ phi tuyến có hai biến trạng thái
cho tới nay ta chưa có một phương pháp cụ thể nào khác. Gần
đây với công cụ hình học vi phân người ta đã đi đến một số
phương pháp bù đắp phần nào khiếm khuyết trên cụ thể 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)
II. Cấu trúc affine
Cho hệ phi tuyến có cấu trúc affine





=
+=
)(
)()(
xgy
uxHxf
dt
xd
(2.1)
Trong đó f(x), g(x) là các véc tơ hàm, còn H(x) là ma
trận hàm theo biến x , có số chiều phù hợp với số các tín hiệu
vào u∈R
m








=
)()(
)()(
)(,
)(.
)(
)(,
)(
)(
)(
1
111
11
xhxh
xhxh
xH
xg
xg
xg
xf
xf
xf
nmn

ud
ω
=
(2.3)
Ta sẽ trở về được dạng mô hình affine (2.1) quen thuộc
ω








Θ
+








=







=− +


= −


(3.1)

2
2
1
1
( ) ; ( )
x
f x g x
x
x
Q

 
−
 
 
= =
−
 
 

 

hóa động với
d
y V
−
=
được biểu diễn bởi một đường đặc tuyến
mô tả các điểm cân bằng ổn định.
Áp dụng phương pháp xây dựng bộ điều khiển tuyến
tính hóa nhờ phản hồi đầu ra:
2
2
( )h x y y x x
− −
= − = −
;
[ ]
2
2
1
( )
( ) ( ) 0 .
f
h x x
L h x f x
x
x Q
Q

 
∂ −

v y y
α
−
=− −
2
0
0
1 1
( )
( )
/ ( )
( )
av f
av
g
x
y y
v L h x
y Q y y
Q
u
L h x x x
α
α
−
−
− − +
−
− −
→ = = =

2
.
1
1 1
1 1
( ) 1 ( ) 1
d
y V
x
Q x Q x
=− + =− +
Sử dụng phương pháp xấp xỉ hóa tuyến tính ta cho x
1
thay đổi
quanh điểm cân bằng
2
1
/
d
x V Q
=
, ta có:
.
1 1
2
d
Q
x x
V
δ δ

1
1
( )h x x x
= −
2
0 1 1 0 1
( ) ( / )
av d
V x x x V Q
α α
= − − = − −
[ ]
[ ]
2
2
2
1
2
0 1
2
1
( )
( ) ( ) . 1
( )
( ) ( ) .
1 ( )
( )
( )
f
d

−
 
∂
= = 1 0 =−
 

∂
 
+ −
−
→ = =
(3.4)
Đầu vào điều khiển liên quan đến trạng thái ổn định của
đầu ra hệ thống y=x
1
, khi dòng điện ra đạt tới giá trị cân băng
mong muốn thì
2
1
1
d
V
x x
Q
= =
Vì vậy giá trị biến vào điều
khiển xoay quanh giá trị:
2
( ) 1/
av

+
=− −
Xác định âm với mọi giá trị trong không gian trạng thái của x
2,
điểm cân bằng
2
d
x V=
là tiệm cận ổn định. Bộ điều khiển thỏa
mãn điều kiện ổn định cho hệ thống và đầu ra x
2
Kết luận
Với cách xây dựng bộ điều khiển bộ biến đổi DC-DC
tăng áp theo mục II ta có được bộ điều khiển thỏa mãn tính ổn
định và tính điều khiển được
CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN
MATLAB&SIMULINK
Phần mềm mô phỏng Matlab & Simulink của hãng
phần mềm MathWorks là một công cụ mô phỏng mạnh với
giao diện, khả năng lập trình linh hoạt, cùng với các công cụ có
sẵn để phục vụ mô phỏng cho công việc nghiên cứu cho các
ngành kỹ thuật như : Điện, điện tử, điều khiển tự động, cơ khí,
thủy lực…Trong đó Simulink là công cụ dùng để mô phỏng và
phân tích hệ thống động học hệ thống được tích hợp sẵn trong
chương trình Matlab/ Simulink cho phép chúng ta mô phỏng hệ
thống điều khiển trên cả miền thời gian liên tục và gián đoạn.
Các thư viện sẵn có trong Simulink bao gồm các khâu cơ bản
trong ngành kỹ thuật điều khiển tự động đáp ứng đầy đủ yêu
cầu mô phỏng, phân tích cũng như tính mở cho người sử dụng

Bộ biến đổi tăng áp mô hình hóa trên PLECS
II. Xây dựng bộ biến đổi.
Thu gọn các phần tử trong subsystem:
- Đầu vào của khối là tín hiệu u, nhận 1 trong 2 giá trị 0
và 1 đóng cắt cho khóa S1(khóa Q trên sơ đồ ), điều khiển bộ
biến đổi
- Đầu ra là các tín hiệu dòng điện, điện áp
Sử dụng hai mạch vòng phản hồi:
- Vòng trong là phản hồi dòng điện có tác động rất
nhanh, bộ điều khiển là điều khiển tuyến tính hoá nhờ phản hồi
vào ra kết hợp với bộ điều chỉnh PID cho dòng điện
- Vòng ngoài: phản hồi điện áp đặt có tác động chậm
hơn phản hồi dòng điện, sử dụng bộ điều khiển PID. Khi điện
áp ra V
ra
đạt giá trị mong muốn thì e = V
ra
– V*=0, khi đó dòng
điện mong muốn trên cuộn cảm L đạt giá trị cân bằng i*
Thực hiện mô phỏng hệ thống trên Simulink với mô hình sau
Thử nghiệm các thông số hệ thống
Để đánh giá chi tiết hơn về tác dụng của bộ điều chỉnh
và chất lượng động của hệ thống, trong quá trình mô phỏng ta
cho hệ thống làm việc với sự biến động của tải thông qua việc
đóng các khóa S2, S3 để đóng thêm tải theo các mức như sau:
Mức Thời điểm tác
động
Điện trở
đóng them
Tải

Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 30V
Điện áp ra của bộ biến đổi khi đặt giá trị yêu cầu 40V
Với quá trình thử nghiệm như trên, ta thấy rằng bộ biến
đổi có dải điều chỉnh rất rộng, điện áp ra đạt chất lượng theo
yêu cầu, đáp ứng nhanh, thời gian quá độ nhỏ. Ta thấy rằng bộ
biến đổi với các mạch vòng điều khiển của nó đã làm tốt chức
năng của một bộ biến đổi, thỏa mãn các yêu cầu chất lượng
tĩnh và động.