Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái mạch nguồn flyback cho các ứng dụng dùng pin năng lượng mặt trời

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology32 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI MẠCH NGUỒN FLYBACK
CHO CÁC ỨNG DỤNG DÙNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Đào Văn Đã, Phạm Thị Ngọc Anh, Nguyễn Thị Huyền Linh, Bùi Thị Kim Thoa, 
Nguyễn Thị Phương Hòa, Nguyễn Thị Nhung, Nguyễn Thị Thu Hằng, Lý Văn Đạt
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 10/02/2017
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 20/04/2017
Ngày bài báo được duyệt đăng: 25/05/2017
Tóm tắt:
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế thuật toán điều khiển cho mạch Flyback. Bằng 
việc phân tích nguyên lý hoạt động của mạch Flyback từ đó xây dựng mô hình toán học và đưa ra thuật 
toán điều khiển phản hồi trạng thái cho mạch Flyback. Bộ điều khiển này giúp giám sát, điều khiển toàn bộ 
trạng thái của mạch và tăng cường các chế độ hoạt động cho mạch. Kết quả và tính đúng đắn của nghiên 
cứu thể hiện ở kết quả mô phỏng cũng như dạng sóng đo được thực tế sau thiết kế.
Từ khóa: Mạch Flyback, năng lượng mặt trời, mô hình trạng thái, gán điểm cực.
1. Mở đầu
Sơ đồ khối của hệ thống mạch cho hệ thống 
năng lượng mặt trời nối lưới công suất nhỏ điển 
hình được thể hiện ở Hình 1. Hệ thống gồm 2 mạch 
chính là mạch DC/DC và mạch DC/AC trong đó 
mạch DC/DC có hai chức năng Boot đáp ứng và 
chức năng bám điểm công suất cực đại. Điện áp sau 
khối này là điện áp một chiều, ổn định điện áp này 
được đưa tới khối DC/AC nghịch lưu tạo điện áp 
xoay chiều nối lưới. Trong đó các mạch biến đổi 
DC/DC thì một trong những dạng cơ bản nhất phù 
hợp cho công suất nhỏ là mạch Flyback.
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống năng lượng mặt trời 
nối lưới
Mạch Flyback có cấu trúc đơn giản, sử dụng 
số linh kiện ít, đồng thời lại có chức năng cách ly 
2 phần nguồn tạo sự an toàn cho người sử dụng. 
Để ứng dụng được cho hệ thống pin năng lượng 
mặt trời, ngoài chức năng tạo điện áp một chiều, 
mạch còn phải có chức năng bám điểm công suất 
cực đại. Điều này đòi hỏi hệ phải có chức năng điều 
khiển được dòng điện hoặc điện áp và thay đổi các 
giá trị theo tín hiệu điều khiển. Khác với cách mô 
hình hóa cho các đối tượng khác, mô hình hóa cho 
mạch điện tử công suất đòi hỏi phải phân tích từ 
chế độ đóng cắt, từ đó đưa ra mô hình cho tín hiệu 
trung bình. Thường các mô hình ở dạng phi tuyến 
nên phải biến đổi sang dạng tuyến tính. Khi có mô 
hình tuyến tính rồi thì hoàn toàn có thể áp dụng các 
phương pháp khác nhau để thiết kế thuật toán điều 
khiển cho mạch.
2. Mô hình trạng thái mạch nguồn Flyback
2.1. Các trạng thái hoạt động của mạch Flyback 
trong chế độ liên tục
Cấu tạo một mạch Flyback đơn giản được 
thể hiện ở Hình 2. Trong nghiên cứu này, nhóm tác 
giả chỉ tập trung trình bày bộ biến đổi Flyback khi 
nó hoạt động ở chế độ liên tục. Trong chế độ này, 
về bản chất, dòng điện (cả trong cuộn sơ cấp và thứ 
cấp của biến áp) nó sẽ luôn luôn tồn tại và 0 về đến 
0 trong suốt chu kỳ T của xung PWM. Điều này 
nghĩa là, có một phần năng lượng vẫn tồn tại trong 
hệ thống khi xung PWM kết thúc. Ta chia chu kỳ T 
thành hai khoảng thời gian TON và TOFF. Khi đó hoạt 
động của mạch có thể chia làm hai trạng thái hoạt 
động chính, đấy là khi khóa Q1 dẫn và khi khóa Q1 
khóa.
Hình 2. Mạch Flyback khi Q1 on
Khi Q1 dẫn (Trong khoảng 0 đến TON) 
Hình 2(a) biểu diễn cấu trúc mạch flyback 
trong khoảng 0 đến T
ON 
. Lúc này điện áp nguồn 
được cấp thẳng đến quận sơ cấp của biến áp, đồng 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017 Journal of Science and Technology 33
thời dòng điện thứ cấp bằng 0 do Diode D1 khóa 
nên ta thu được hệ phương trình tính dòng và áp 
trên cuộn dây sơ cấp và thứ cấp như sau:
v Lp dt
di
i
C dt
dv
R
v
0
0
dc
Lp
s
out out
=
=
= +
Z
[
\
]]]]]]
]]]]]]
 (1)
Khi Q1 khóa (Trong khoảng TON đến T)
Hình 2 (b) biểu diễn cấu trúc mạch Flyback 
trong khoảng TON đến T. Lúc này năng lượng từ phía 
sơ cấp được tích lũy trong khoảng thời gian trước 
được chuyển toàn bộ sang phần thứ cấp, khi đó D1 
dẫn và điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy 
biến áp được tính như sau:
N v L dt
di
i N i
i C dt
dv
R
v
ps out p
Lp
s ps p
s
out out
- =
=
= +
Z
[
\
]]]]]]
]]]]]]
 (2)
Hình 3. Mạch Flyback khi Q1 off
Từ dạng điện áp và dòng điện suy ra phương 
trình các giá trị trung bình:
v d d N v L dt
di
i d N i
i C dt
dv
R
v
1
1
dcav ps outav p
pav
sav ps pav
sav
outav outav
- - =
= -
= +
_
_
i
i
Z
[
\
]]]]]]
]]]]]]
 (3)
2.2. Xác định hàm truyền đạt bằng tuyến tính 
hóa tại điểm làm việc
• Điểm làm việc:
V
DVdc D NpsVout
Is Nps D Ip
Is R
o
1 0
1
0
- - =
= -
= +
_
_
i
i
Z
[
\
]]]]]
]]]]]
 (4)
• Vi phôi hóa tại điểm làm việc: 
d D d
v V v
i I i
i I i
v V v
dcav dc dc
sav s s
pav p p
outav out out
= +
= +
= +
= +
= +
u
u
u
u
u
Z
[
\
]]]]]]]]
]]]]]]]]
 (5)
• Thu được hệ phương trình 
( ) ( )
V v D d D d N V v
L dt
d I i
I i N D d I i
I i C dt
d V v
R
V v
1
1
dc dc ps out out
p
p p
s s ps p p
s s
out out out out
+ + - - - +
=
+
+ = - - +
+ =
+
+
+
u u u u
u
u u u
u
u u
_ _ _ _
_
_ _
i i i i
i
i i
Z
[
\
]]]]]]]]
]]]]]]]]]
 (6)
Sau rút gọn thành phần hằng số, loại bỏ 
thành phần bậc hai ta thu được:
V d v D D v N dV N L dt
di
i D i N dI N
i C dt
dv
R
v
1
1
dc dc out ps out ps p
p
s p ps p ps
s
out out
+ - - + =
= - -
= +
u u u u
u
u u u
u
u u
_
_
i
i
Z
[
\
]]]]]]
]]]]]]]
(7)
Chuyển sang miền ảnh Laplace:
V d v D D v N dV N L i s
i D i N dI N
i Cv s R
v
1
1
dc dc out ps out ps p p
s p ps p ps
s out
out
+ - - + =
= - -
= +
u u u u u
u u u
u u
u
_
_
i
i
Z
[
\
]]]]]
]]]]] (8)
Ta thu được dạng tuyến tính của mô hình 
toán học của mạch flyback.
2.2. Xây dựng mô hình trạng thái
Nhân các hệ số thích hợp để trừ phương trình 
1 cho 2 ta có:
V d v D D v N dV N L si
N D
i L s
i L s
N D
dI N L s
i Cv s R
v
1
1 1
dc dc out ps out ps p p
ps
s p
p p
ps
p ps p
s out
out
+ - - + =
-
= -
-
= +
u u u u u
u
u
u
u u
u
_
_ _
i
i i
Z
[
\
]]]]]]]
]]]]]]] (9)
Trừ 2 vế của phương trình 1 cho 2 vế của 
phương trình 2, đồng thời đặt
d̃ = u
ĩ
s
 = x
1
ṽ
out 
= x2 = y
Ta có:
x L
D N
x V V N L
N D
u
I N u L
N D D
v
x C x RC x
y x
1 1
1
1 1
p
ps
dc out ps
p
ps
p ps
p
ps
dc
1
2 2
2
2 1 2
2
=-
-
+ +
-
- +
-
= -
=
o
o u
o
_ _ _
_
i i i
i
Z
[
\
]]]]]]]]]]
]]]]]]]]]]]
 (10)
Vậy có thể viết dưới dạng:
x a x a u a u a v
x b x b x
y x
dc1 1 2 2 3 4
2 1 1 2 2
2
=- + - +
= -
=
o o u
o
Z
[
\
]]]
]]]]
 (11)
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology34 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017
Trong đó:
a L
D N1
p
ps
1
2 2
=
-_ i
( )
a L
N D D1
p
ps
4 =
-
a V V N L
N D1
dc out ps
p
ps
2 = +
-_ _i i b C11 =
a I Np ps3 = b RC
1
2 =
3. Thiết kế bộ điều khiển
Thành phần a u a vdc3 4- +o u sẽ được khử 
bằng bộ điều khiển bù u w a
a u a vdc
2
3 4= -
- +o u
.
Sau khi bù hệ tương đương:
x a x a w
x b x b x
y x
1 1 2 2
2 1 1 2 2
2
=- +
= -
=
o
o
Z
[
\
]]]
]]]]
Là mô hình trạng thái x Ax Bw
y Cx
= +
=
o*
Hình 4. Sơ đồ khối hệ điều khiển
Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái 
mở rộng với biến trạng bổ xung: e được lấy thêm từ 
khâu PI. Lúc này biến trạng thái mở rộng: e
x
o
o9 C, ma 
trận A mở rộng thành 
A
C
0
0-
> H ma trận B mở rộng 
trở thành: 
B
0
= G. Sử dụng phương pháp gán điểm cực 
thu được các tham số của bộ điều khiển như trong 
bảng số 1.
Bảng 1. Tham số mô phỏng và hệ thống
Tham số mạch 
Flyback
Điểm cực Tham số bộ 
điều khiển
Nps = 10;
Lp = 0.7e-3;
Vdc = 310;
Vout =15;
Ip = 1.5;
P1=-5000
P2=-7000
P3=-6000]
R1 = 0.0006
R2 = -0.014
R3 = -1.004
Kp = -0.00011
Ki = -1.004
C = 22e-6;
R = 3;
Kết quả được mô phỏng trên Simulink và 
kiểm tra lại trên mạch thực tế có sơ đồ nguyên lý 
như Hình 5. Kết quả mô phỏng cho ở các Hình 6, 
7, 8. Kết quả khảo sát mạch thực tế cho ở Hình 9, 
10, 11.
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017 Journal of Science and Technology 35
Hình 6. Đáp ứng theo điện áp đặt
Hình 7. Dạng dòng điện khi thay đổi điện áp đặt
Hình 8. Đáp ứng điện áp đặt 15V
Hình 9. Dạng dòng điện trong cuộn sơ cấp biến áp 
xung (5µs_2V/div)
Hình 10. Dạng điện áp trên cuộn thứ cấp biến áp 
xung (5µs_2V/div)
Hình 11. Khởi động mềm, đáp ứng tín hiệu điều 
khiển điện áp(5V_1ms/div)
Từ các kết quả khảo sát và mô phỏng cho 
thấy đáp ứng tốt của thuật toán điều khiển. Chất 
lượng đầu ra cho thấy trong cả hai trường hợp hệ 
đều không có độ quá điều chỉnh, thời gian đáp ứng 
tốt (2ms). Điều này chứng tỏ hoàn toàn có thể áp 
dụng các thuật toán chất lượng cao cho các hệ điện 
tử cống suất.
4. Kết luận
Với phương pháp mô hình hóa theo tín hiệu 
đóng cắt rồi tuyến tính hóa tại điểm làm việc ta sẽ 
thu được mô hình toán học dạng tuyến tính của hệ 
tại điểm làm việc. Từ đó có thể áp dụng các phương 
pháp điều khiển khác nhau để điều khiển hệ điện tử 
công suất. Từ mô hình toán học tuyến tính ta hoàn 
toàn chọn được biến đầu ra là dòng điện hoặc điện 
áp. Thuật toán này đã đề xuất đáp ứng dễ dàng các 
thuật toán điều khiển cao trong các hệ năng lượng 
mặt trời (thuật toán bám điểm công suất cực đại).
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology36 Khoa học & Công nghệ - Số 14/Tháng 6 - 2017
Tài liệu tham khảo
[1]. Abraham I. Pressman, “Switching Power Supply Design”, McGraw-Hill, Inc., 1991.
[2]. Lloyd H. Dixon, Jr., “Filter Inductor and Flyback Transformer Design for Switching Power 
Supplies”, Unitrode Power Supply Design Seminar Manual SEM-1100, 1996.
[3]. Bill Andreycak, “Practical Considerations in High Performance MOSFET, IGBT and MCT 
Gate Drive Circuits”, Unitrode Application Note U-137, Unitrode Applications Handbook IC# 
1051, 1997.
[4]. Bill Andreycak, “Practical Considerations in Current Mode Power Supplies, Unitrode 
Application Note U-111”, Unitrode Applications Handbook IC# 1051, 1997.
[5]. Lloyd H. Dixon, Jr., “Control Loop Cookbook”, Unitrode Power Supply Design Seminar Manual 
SEM-1100, 1996.
[6]. Lloyd H. Dixon, Jr., “Closing the Feedback Loop”, Unitrode Power Supply Design Seminar 
Manual SEM-700, 1990.
[7]. Philip C. Todd, Snubber Circuits: “Theory, Design, and Application”, Unitrode Power Supply 
Design Seminar Manual SEM-900, 1993.
DESIGNING A STATE FEEDBACK CONTROLLER FOR FLYBACK SOURCE CIRCUIT
FOR SOLAR PANEL APPLICATIONS
Abstract:
This article presents the study results of designing control algorithm for flyback circuit. Setting 
up a mathematical model and giving a state feedback control algorithm for the flyback circuit basing on 
analyzing operating principle of the Flyback circuit. This method helps to monitor, control the overall state 
of the circuit and enhance operating modes for the circuit. The results and correctness of the study are 
shown in the simulation results as well as waveforms measured during setting a real circuit.
Keywords: Flyback circuit, solar power, state model, pole assignment.