Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển pi ổn định điện áp cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp

ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology36 Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP
Đặng Quang Đồng, Trần Quang Thực, Đào Xuân Tình,
Đỗ Văn Hoan, Phạm Văn Tuân
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
Ngày tòa soạn nhận bài báo: 10/01/2019
Ngày phản biện đánh giá và sửa bài: 25/02/2019
Ngày bài báo được duyệt đăng: 01/03/2019
Tóm tắt:
Hiện nay, việc tăng cường thiết bị phục vụ đào tạo và nghiên cứu của khoa Điện-Điện tử, trường 
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên để thực hiện mục tiêu đào tạo theo định hướng ứng dụng là một nhu 
cầu cấp bách. Để có thể xây dựng được các thiết bị đó thì việc nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng là nền 
tảng khởi đầu quan trọng. Trong bài báo này, nhóm tác giả có đề xuất thực hiện “Thiết kế và mô phỏng 
bộ điều khiển PI ổn định điện áp cho bộ biến đổi DC-DC giảm áp” nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết để xây 
dựng các thiết bị thực nghiệm vào môn học điện tử công suất, lý thuyết điều khiển tự động, vi xử lý, plc [1], 
[2]...trong các đề tài kế tiếp. 
Từ khóa: Điện tử công suất, bộ biến đổi DC-DC, bộ điêu khiển PID.
1. Mở đầu
Trong phần lớn các nhà máy, phân xưởng 
đều có sự góp mặt của tự động hóa. Trong các dây 
chuyền sản xuất, máy móc sử dụng truyền động 
điện bằng xung áp một chiều rất nhiều [1], [2]. Sử 
dụng hệ thống này hiệu quả và độ an toàn cao.
Trước đây các phương pháp điều khiển kinh 
điển đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. 
Bộ điều khiển PID có ưu điểm đơn giản và dễ sử 
dụng [4]-[7], tuy nhiên nó cũng bọc lộ nhược điểm 
khi áp dụng vào điều khiển các đối tượng phi tuyến, 
đối tượng có tham số thay đổi trong quá trình hoạt 
động, cũng như các tác động nhiễu loạn bên ngoài 
[10]-[13].
Đối với bộ biến đổi DC-DC giảm áp có 
phương trình toán học là tuyến tính thì việc ứng 
dụng bộ điều khiển PID để ổn định là khả thi. Tuy 
nhiên bộ biến đổi DC-DC giảm áp có tải thường 
thay đổi dẫn đến điện áp đầu ra không ổn định và có 
tồn tại sai lệch so với giá trị đặt mong muốn. Ngoài 
ra tham số của bộ biến đổi DC-DC giảm áp cũng dễ 
bị thay đổi khi hoạt động nên khi thực nghiệm với 
bộ điều khiển PID cần kiểm tra các trường hợp trên.
Hiện nay, do nhu cầu nghiên cứu và giảng 
dạy của một số môn học như: điện tử công suất, lý 
thuyết điều khiển tự động, vi xử lý, PLC...của khoa 
Điện-điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 
Hưng Yên về điều khiển bộ biến đổi xung áp một 
chiều. Nên, để có thể xây dựng được các thiết bị 
này thì việc nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng là 
nền tảng khởi đầu quan trọng. Trong bài báo này, 
nhóm tác giả có đề xuất thực hiện “Thiết kế và mô 
phỏng bộ điều khiển PI ổn định điện áp cho bộ biến 
đổi DC-DC giảm áp”. 
2. Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp
Bộ biến đổi DC-DC giảm áp là loại mạch 
biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều 
thấp hơn. Sơ đồ mạch bộ biến đổi DC-DC giảm áp 
như trong Hình 1, [3].
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-DC giảm áp
Nguyên lý hoạt động:
Khi M
1
 được đóng lại (như Hình 2) tức là 
nối nguồn vào mạch thì lúc đó dòng điện đi qua 
cuộn cảm và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại 
thời điểm này thì tụ điện được nạp đồng thời cũng 
cung cấp dòng điện qua tải. Chiều dòng điện được 
chạy theo như Hình 2.
Hình 2. Sơ đồ bộ biến đổi khi van M
1
 dẫn
Khi M
1
 được mở ra (như Hình 3) tức là ngắt 
nguồn ra khỏi mạch. Khi đó trong cuộn cảm tích lũy 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019 Journal of Science and Technology 37
năng lượng từ trường và tụ điện được tích lũy trước 
đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm có xu hướng giữ cho 
dòng điện không đổi và giảm dần. Chiều dòng điện 
được chạy theo như Hình 3.
Hình 3. Sơ đồ bộ biến đổi khi van M
1
 không dẫn
Phương trình toán học mô tả bộ biến đổi 
DC-DC giảm áp:
Khi khóa M
1
 đóng: áp dụng định lý Kichoff 
1 và 2 cho mạch điện ta có:
V E dt
Ldi
C
L= - (1)
iL = iC + iR (2)
Từ (1), suy ra:
( )dt
di
L E V
1L
C= - (3)
Từ (2), suy ra:
i C dt
dV
R
V
L
C C= + (4) 
Khi khóa M
1
 mở: áp dụng định lý Kichoff 1 
2 cho mạch điện ta có:
V dt
Ldi
C
L=- (5)
iL = iC + iR (6)
Từ (5) ta có:
( )dt
Ldi
L V
1L
C= - (7)
Từ (6) ta có:
i C dt
dV
R
V
L
C C= + (8)
Từ (3), (4), (7), (8) ta có hệ phương trình 
tổng quát sau:
dt
di
L V L
E u1L C 0=- + (9)
dt
dV
C
i
RC V
1C L
C= - (10)
Với u
0
 = 1 khi M
1
 khóa và u
0
 = 0 khi van M
1
 mở.
Chuyển hệ (9) và (10) sang giá trị trung bình 
ta được:
T u dt T dt T dt T
T
u1 1 1 1 0
ck
T
ck
T
ck
T
ck
on
00 0 0
ck on off
= + = =# # # 
(11)
Phương trình (9) và (10) trở thành:
i L V L
E u
V C i RC V
1
1 1
.
L C
C L C
=- +
= -
:
:
Z
[
\
]]]
]]]]
 (12)
3. Thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ biến đổi 
DC-DC giảm áp
Gọi điện áp đặt là VR là hằng số nên:
,V V0 0
. ..
R R= = (13)
Gọi sai số e = VR-VC, từ hệ (12) ta có:
e V C i RC V
1 1. .
C L C=- =- -a k (14)
e V C i RC V
1 1.. .. . .
C L C=- =- + (15) 
e C L V L
E u RC
e1 1..
.
C=- - + -b l (16)
e LC V V V LC
E u RC
e1..
.
C R R= - + - -_ i (17)
e LC
e
LC
V
LC
E u RC
e..
.
R=- + - - (18)
e RC
e
LC
e
LC
V
LC
E u
..
.
R+ + = - (19)
e RC
e
LC
e v
..
.
+ + = (20)
Với
v LC
V
LC
E uR= - (21)
Bộ PID với các hệ số K
p
, K
i
, K
d
:
v K e K edt K e
.
p i d=- - -# (22)
Từ (20), (21), (22), ta có:
e RC
e
LC
e K e K edt K e 0
..
.
.
p i d+ + + + + =# (23)
e RC K e LC K e K edt
1 1
0
.. .
d p i+ + + + + =b bl l # (24)
e RC K e LC K e K e
1 1
0
... .. .
d p i+ + + + + =b bl l (25)
Chuyển sang biến laplace:
s RC K s LC K s K
1 1
0d p i
3 2+ + + + + =b bl l (26)
Dựa theo tiêu chuẩn Routh (ở Bảng 1) để tìm 
điều kiện K
p
, K
i
, K
d
 để hệ thống ổn định với phương 
trình đặc tính:
a s a s a s a 00 3 1 2 2 3+ + + = (27)
Với các hệ số sau:
, , ,a a RC K a LC K a K1
1 1
d p i0 1 2 3= = + = + =b l 
Bảng 1. Bảng Routh
a
0
a
2
a
1
a3
(a
1
a
2
 - a
0
a3)/a1 0
Điều kiện cần và đủ để hệ ổn định là
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology38 Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019
a RC K
a LC K
a K
a
a a a a
RC K LC K K
1
0
1
0
0
1 1
0
d
p
i
d p i
1
2
3
1
1 2 0 1
2
2
2
2
= +
= +
=
-
= + + -b bl l
Z
[
\
]]]]]]]]]
]]]]]]]]]]
(28)
RC K LC K K
1 1
d p i2+ +b bl l (29)
Với bộ PI thì K
d
 = 0 và điều kiện trở thành
 RC LC K K
1 1
p i2+b l (30)
4. Kết quả mô phỏng
Tham số hệ thống được liệt kê Bảng 2:
Bảng 2. Tham số hệ thống
STT Tham số Giá trị
1 Điện áp đầu vào (E) 24V
2 Điện áp ra mong muốn (V
out
) 12V
3 Dòng điện tải định mức (I) 4A
4 Công suất tải định mức (P) 48W
5 Điện cảm (L) 1mH
6 Điện dung (C) 100uF
7 Tần số đóng cắt (F
pwm
) 20khz
8 K
p
3 x 104
9 K
i
3 x 109
Các trường hợp mô phỏng được ở Bảng 3:
Bảng 3. Các trường hợp mô phỏng
TH Tham số
1 Tải định mức (4A)
2 200% tải định mức (8A)
3 Thay đổi từ tải định mức lên 200% 
(4A -> 8A)
Mô hình hệ thống trên simulink:
Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển 
PID (như Hình 4):
Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều 
khiển PID (như Hình 5):
Hình 5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều 
khiển PID
Sơ đồ khối hệ thống không sử dụng bộ điều 
khiển PID (như Hình 6):
Hình 6. Sơ đồ khối hệ thống không sử dụng bộ điều 
khiển PID
Sơ đồ mô phỏng hệ thống không sử dụng bộ 
điều khiển PID (như Hình 7):
Hình 7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống không sử dụng bộ 
điều khiển PID
Bảng 4. Tham số của Mosfet trong mô phỏng
TT Tham số Giá trị
1 Điện trở Ron (Ohm) 0.1
2 Điện cảm diot bên trong Lon(H) 0
3 Điện trở diot bên trong Rd (Ohm) 0.01
4 Điện áp thuận diot bên trong Vf (V) 0.8
5 Dòng khởi tạ Ic (A) 0
6 Điện trở Snubber Rs (Ohm) 105
7 Điện cảm Snubber Cs ∞
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019 Journal of Science and Technology 39
Bảng 5. Tham số của Diot trong mô phỏng
TT Tham số Giá trị
1 Điện trở Ron (Ohm) 0.05
2 Điện cảm diot bên trong Lon(H) 0
3 Điện áp thuận diot bên trong Vf (V) 0.8
4 Dòng khởi tạ Ic (A) 0
5 Điện trở Snubber Rs (Ohm) 500
6 Điện cảm Snubber Cs 250 e-9
Kết quả mô phỏng:
Kết quả mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều 
khiển PI: 
Hình 8. Kết quả mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều 
khiển PI trong trường hợp 1
Hình 9. Kết quả mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều 
khiển PI trong trường hợp 2
Hình 10. Kết quả mô phỏng hệ thống sử dụng bộ 
điều khiển PI trong trường hợp 3
Kết quả mô phỏng hệ thống không sử 
dụng bộ điều khiển PI:
Hình 11. Kết quả mô phỏng hệ thống không sử dụng 
bộ điều khiển PI trong trường hợp 1
Hình 12. Kết quả mô phỏng hệ thống không sử dụng 
bộ điều khiển PI trong trường hợp 2
Hình 13. Kết quả mô phỏng hệ thống không sử dụng 
bộ điều khiển PI trong trường hợp 3
Hình 8, 9, 10 chỉ ra kết quả dạng sóng của hệ 
thống sử dụng bộ điều khiển PI, trong khi dó hình 
11, 12, 13 chỉ ra kết quả dạng sóng của hệ thống 
không sử dụng bộ điều khiển PI. Nhìn vào các hình 
này, rõ ràng nhận thấy điện áp đầu ra của hệ thống 
(V
c
) trong trường hợp sử dụng bộ PI là tốt hơn vì 
thời gian đáp ứng nhanh hơn, độ quá điều chỉnh nhỏ 
hơn, sai số tĩnh bé hơn.
5. Kết luận
Bài báo này đã thiết lập được phương trình 
mô tả toán học của bộ biến đổi DC-DC giảm áp, 
đồng thời thiết kế và chỉ ra được điều kiện của các 
tham số PID để hệ thống ổn định. Ngoài ra để chứng 
minh tính khả thi của bộ điều khiển PI, kết quả mô 
phỏng đã được đưa ra so sánh trong trường hợp hệ 
thống có và không sử dụng bộ điều khiển PI. Kết 
quả mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống có sử dụng bộ 
điều khiển PI đạt được đáp ứng điện áp nhanh hơn, 
ổn định hơn và sai số tĩnh ít hơn.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology40 Khoa học & Công nghệ - Số 21/Tháng 3 - 2019
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, 2000.
[2]. Võ Minh Chính, Điện tử công suất, NXB khoa học kỹ thuật, 2007.
[3]. Dang D. Q., Vu N. T. T., Choi H. H., and Jung J. W., Neuro-fuzzy control of interior permanent 
magnet synchronous motors: Stability analysis and implementation. Journal of Electrical 
Engineering & Technology, 2013, 8, pp. 1439-1450. 
[4]. Tan, S. C., Lai, Y. M., Tse, C.K., A uni_ed approach to the design of PWM-based sliding mode 
voltage controllers for basic DC-DC converters in continuous conduction mode. IEEE Trans. 
Circuits and Systems-I, 2006, 53, pp.1816-1827
[5]. Jung J. W., Choi H. H., and Kim T. H., Fuzzy PD speed controller for permanent magnet 
synchronous motor. Journal of Power Electronics, 2011, 11, pp. 819-823.
[6]. Dang D. Q., Vu N. T. T., Choi H. H., and Jung J. W., Speed control system design and 
experimentation for interior PMSM drives. International Journal of Electronics, 2015, 102, pp. 
864-885.
[7]. Jung J. W., Kim T. H., and Choi H. H., Speed control of a permanent magnet synchronous motor 
with a torque observer: A fuzzy approach. IET Control Theory & Applications, 2010, 4, pp. 2971-
2981. 
[8]. Choi H. H. and Jung J. W., Takagi-sugeno fuzzy speed controller design for a permanent magnet 
synchronous motor. Mechatronics, 2011, 21, pp. 1317-1328. 
[9]. Choi H. H. and Jung J. W., Fuzzy speed control with an acceleration observer for a permanent 
magnet synchronous motor. Nonlinear Dynamics, 2012, 67, pp. 1717-1728.
[10]. Jung J. W., Choi H. H., and Kim T. H., T-S fuzzy tracking control of surface-mounted permanent 
magnet synchronous motors with a rotor acceleration observer. Journal of Power Electronics, 2012, 
12, pp. 294-304.
[11]. Choi H. H., Vu N. T. T., and Jung J. W., Design and implementation of a takagi-sugeno fuzzy 
speed regulator for a permanent magnet synchronous motor. IEEE Transactions on Industrial 
Electronics, 2012, 59, pp. 3069-3077.
[12]. Choi H. H. and Jung J. W., Discrete-time fuzzy speed regulator design for PM synchronous 
motor. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60, pp. 600-607.
[13]. Dong Quang Dang, Muhammad, Han Ho Choi, and Jin-Woo Jung, Online parameter estimation 
of interior PM synchronous motor for adaptive control. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 
2016, 63, pp. 1438-1449.
DESIGN AND SIMULATION OF VOLTAGE STABILITY PI CONTROLLER
FOR BUCK DC-DC CONVERTER
Abstract:
Now, the develope of equipments for training and research of the Faculty of Electrical and Electrical 
Engineering, Hung Yen University of Technology and Education for the application training goal is very 
necessary. For this, study of theory and simulation is important background. In this paper, the authors 
proposed the project “design and simulation of voltage stability PI controller for buck DC-DC converter” 
in order to built the theoretical basis for developing the experimental devices of the electronic power, 
automatic control theory, processor, programmable logic controller subjectsin the next projects.
Keywords: Electronic Power, DC-DC converter, PID controller.