tom tat k51

7/22/2019 Tom tat K51

http://slidepdf.com/reader/full/tom-tat-k51 1/53

Mục tiêu của đồ án

1


Đồ án tậ p trung nghiên cứu hoạt động, thiết k ế và lắ p ráp bộ Inverter phục vụ cho các

nguồn năng lượ ng phân tán vớ i các thông số như sau:

- Điện áp đầu vào 24 Vdc

- Điện áp đầu ra 220Vac

- Tần số đầu ra 50 Hz

- Công suất 1000 W

1.4. Cấu hình bộ biến đổi

1.4.1 Cấu hình chung của hệ thống

Có nhiều biện pháp để thực hiện bộ biến đổi từ nguồn ắc quy sang nguồn 220V xoay

chiều nhưng một trong những biện pháp có hiệu suất và chất lượ ng điện áp cao nhất là bộ biến đổi hai giai đoạn như hình vẽ:

DC-DC DC-AC350-400V

DC24V DC220V

AC

+

-

~

Vbus

Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ Inverter

Điện áp đầu vào 24V đi qua bộ điều áp một chiều đượ c nâng lên 350-400V. Điện ápnày là đủ để thực hiện khâu nghịch lưu độc lậ p nguồn áp. Sau đây ta sẽ nghiên cứu hoạt

động từng khâu.

1.4.2. Bộ biến đổi băm xung một chiều

Ngày nay, các bộ biến đổi băm xung một chiều đượ c sử d ụng r ất phổ biến trong hoạt

động hàng ngày, vớ i các ưu điểm về kích thướ c gọn nhẹ, chất lượ ng điện áp r ất tốt và

hiệu suất cao.

Hình 1.4. Băm xung một chiều: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]

7/22/2019 Tom tat K51



2

Mạch băm xung một chiều sử d ụng các linh kiện điện tử công suất có thể điều khiển

hoàn toàn để tạo ra được điện áp có d ạng 1 chiều ở đầu ra như ý muốn từ một điện áp 1

chiều đầu vào vớ i tổn thất thấ p nhất nhờ đặc tính giống như công tắc của các linh kiện

này : điện tr ở khi đóng bằng không và khi ngắt bằng vô cùng. Nhờ đó, về mặt lý thuyết,

thất thoát năng lượ ng bằng không.

Có thể thấy điện áp đầu ra của mạch băm xung có d ạng nhấ p nhô, nhưng nếu sử d ụng

các linh kiện có tần số đóng cắt lớ n cộng vớ i mạch lọc phù hợ p thì điện áp đầu ra sẽ có

d ạng đườ ng thẳng ở mức chấ p nhận đượ c cho hầu như tất cả các ứng d ụng.

a.Phân loại:

Có 3 d ạng mạch băm xung chính:

Băm xung một chiều kiểu nối tiế p (Buck Converter):

Buck converter hay còn gọi là step-down converter là mạch băm xung một chiều cơ

bản nhất, sử d ụng một công tắc bán d ẫn mắc nối tiếp băm xung điện áp vào, đưa vào bộ

lọc LC trướ c khi ra tải. Diode có nhiệm vụ d ẫn dòng liên tục trong cuộn cảm L. Điện áp

đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào.

Hình 1.5. Băm xung một chiều nối tiế p: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]

Hàm truyền của Buck converter:out on on

in on off

V T T

=D= =V T +T T . D đượ c gọi là độ mở van

Ta thấy điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn đầu vào. Tuy nhiên nếu thêm biến áp xung vào

mạch, ta sẽ mở ra khả năng nâng áp cho hệ thống. Buck converter là nền tảng cơ bản để

từ đó thiết kế các dạng converter khác có cách ly bằng biến áp phổ biến bao gồm:

7/22/2019 Tom tat K51



3

Forward Converter, Push-Pull Converter, Half-Bridge Converter, Full-Bridge Converter.

Các loại mạch băm xung này sẽ được phân tích k ỹ ở chương sau.

Băm xung 1 chiều song song

Hình 1.6. Băm xung một chiều song song: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]

Boost Converter hay còn gọi là Step-up Converter là mạch băm xung 1 chiều cơ bản

có thể đưa ra điện áp lớn hơn điện áp vào. Khóa S đượ c mắc song song với điện áp vào.

Khi S đóng, năng lượng đượ c tích tr ữ vào cuộn cảm, đồng thờ i diode D khóa. Khi S

khóa, D d ẫn và năng lượng này đượ c truyền đến đầu ra.

Hàm truyền của Boost Converter : out

in

V 1=

V 1 - D

Boost Converter không có d ạng có biến áp cách ly.

Băm xung một chiều kiểu nối tiế p-song song (Buck- Boost Converter):

7/22/2019 Tom tat K51



4

Hình 1.7. Băm xung một chiều nối tiế p-song song: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]

Buck-Boost Converter k ết hợ p khả năng của Boost Converter và Buck Converter khi

có thể tạo ra điện áp ra lớ n hơ n hoặc bé hơ n điện áp vào trong một khoảng cho phép. Khi

S đóng, dòng điện nạ p năng lượ ng cho cuộn cảm L, diode D khóa. Lúc S khóa, D d ẫndòng từ cuộn cảm và tụ C cũng phóng điện.

Hàm truyền của Buck-Boost Converter : out

in

V D=

V 1 - D

Buck-Boost Converter có một d ạng có biến áp cách ly là Flyback Converter.

b. Các chế độ dòng điện:

Như đã phân tích ở trên, trong tất cả các mạch băm xung, luôn xuất hiện mạch lọc LC

vớ i nhiệm vụ san bằng điện áp ra. Tác d ụng của LC có thể đượ c hiểu theo nguyên tắc:chúng nạp năng lượng khi S đóng và giải phóng năng lượ ng này khi S ngắt nhằm duy trì

năng lượ ng cho tải. Trong đó, cuộn cảm L đóng vai tr ò giữ cho dòng không đổi để đầu ra

có d ạng 1 chiều. Khi đượ c cấ p nguồn , dòng qua L không tăng đột ngột mà tăng dần theo

hiện tượ ng cảm ứng điện từ và khi ngắt ra khỏi nguồn, dòng cũng giảm d ần.

Trong thực tế, có 3 chế độ dòng có thể xảy ra cho cuộn cảm:

- Chế độ dòng liên tục (CCM-continuous conduction mode): IL tăng từ giá tr ị Ivalley đến giá tr ị I peak r ồi lại giảm xuống Ivalley khi S khóa. Do dòng không bao

giờ về 0 nên chế độ này đượ c gọi là chế độ dòng liên tục.

- Chế độ dòng gián đoạn (DCM-discontinuous conduction mode): IL tăng từ 0

đến I peak khi S đóng và khi S khóa, dòng giảm về 0 trước khi S đóng lại trong

chu k ỳ tiế p theo.

- Chế độ biên (BCM-boundary or borderline conduction mode hoặc CRM-

critical conduction mode) : mạch điều khiển sẽ điều chỉnh sao cho khi thất IL

vừa giảm về 0, S sẽ đóng để nạ p lại cho L, tức là năng lượ ng của L sẽ đượ cgiải phóng hết trướ c chu k ỳ tiế p theo.

Những tính toán cụ thể cho thấy r ằng việc lựa chọn L sẽ ảnh hưở ng đến chế độ dòngđiện qua nó. Có một giá tr ị L b để xác định ranh giớ i hai chế độ CCM và DCM.

1.4.3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

7/22/2019 Tom tat K51



5

Ngày nay, khi công nghệ chế tạo và điều khiển các vân bán d ẫn điều khiển hoàn toàn

đã hoàn chỉnh r ất nhiều nên trong nghịch lưu nguồn áp ngườ i ta chỉ sử d ụng các van điều

khiển hoàn toàn như IGBT, MOSFET, BJT, GTO.

C1 Q1

Q2

D1

D2C2

E

Iin

IoutCin

Q1

Q2

Q3

Q4

D1

D2

Iin

IoutE

Hình 1.8. Các sơ đồ nghịch lưu độc lậ p nguồn áp

Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp phổ biến trong thực tế bao gồm 2 loại nghịch lưu vớ i

nguyên lý hoạt động tương tự nhau: bán cầu và nghịch lưu cầu. Trong đó, nghịch lưu cầu

đơ n giản và d ễ thực hiện hơ n. Ta sẽ xem xét hoạt động của nghịch lưu điện áp hình cầu.

Vớ i phương pháp điều chế thông thườ ng, các van sẽ đóng mở theo cặ p, cặ p Q1 và Q4

mở trong một nửa chu k ỳ và đóng trong một nửa chu k ỳ còn lại, cặ p Q2 và Q3 hoạt động

ngượ c lại vớ i cặ p Q1 và Q4. K ết quả sẽ có điện áp d ạng xung chữ nhật như hình vẽ

Hình 1.9. Dạng xung nghịch lưu độc lậ p nguồn áp một pha

Nếu tải có tính chất cảm thì dòng điện không thay đổi lậ p tức về chiều và độ lớ n khi

điện áp thay đổi. Điều đó tạo ra những khoảng thờ i gian mà năng lượ ng đượ c tr ả về và

7/22/2019 Tom tat K51



6

tích vào tụ Cin, ứng phần dòng điện âm trên đồ thị. Trên phần này, các cặ p điốt sẽ thay

van d ẫn dòng.

Điện áp hình xung chữ nhật nếu phân tích theo phổ Fourier sẽ gồm các thành phần

sóng 2 bậc lẻ 1.3.5… vớ i biên độ lần lượ t là 4E/π, 4E/3π, 4E/5π. Vớ i phụ tải yêu cầu hìnhsin, chúng ta phải thiết k ế các bộ lọc để lọc các sóng hài bậc cao. Tuy nhiên các bộ lọc

này có kích thướ c r ất lớ n và chưa tối ưu.

Trên thực tế để cải thiện chất lượ ng điện áp và giảm kích thướ c bộ lọc, ngườ i ta sử

d ụng các phương pháp nghịch lưu khác như phương án điều chỉnh điện áp đầu vào, thay

đổi độ r ộng xung hoặc cộng điện áp nhiều bộ nghịch lưu. Phương án điều chế d ộ r ộng

xung PWM là phương án tối ưu và đượ c sử d ụng r ộng rãi hiện nay.

1.4.4.Phương pháp PWM để nâng cao chất lượ ng điện áp nghịch lư u

Phương pháp PWM có những ưu điểm vượ t tr ội sau so vớ i các phương pháp khác:

- Vừa điều chỉnh đượ c điện áp, vừa điều chỉnh đượ c tần số

- Điện áp đẩu ra r ất gần hình sin vớ i kích thướ c bộ lọc nhỏ

- Có thể dùng chỉnh lưu không điều khiển ở đầu vào làm tăng hiệu quả sơ đồ

Nội dung của phương pháp biến điệu độ r ộng xung là so sánh một sóng sin chuẩn có

tần số như tần số mong muốn vớ i một điện áp r ăng cưa tần số cao, cỡ 2÷10hHz. Có 2

d ạng đơ n giản của phương pháp là điều chế 1 cực tinh và 2 cực tính. Theo d ạng điện áp

một cực tính, trong những khoảng điện áp sin chuẩn cao hơ n r ăng cưa, điện áp ra tải là

+E, trong các khoảng còn lại điện áp ra tải là 0. Vớ i phương pháp hai cực tính, các điện

áp này lần lượ t là +E và –E. Ta có thể thấy rõ ở đồ thị:

7/22/2019 Tom tat K51



7

Hình 1.10. Phương pháp điều chế PWM hai cực tính và một cực tính

Để thực hiện phương pháp điều chế hai cực tính, hai cặ p van vẫn thực hiện đóng mở

ngượ c nhau trong một chu k ỷ sóng sóng mang, trong những khoảng điện áp sin chuẩn

cao hơ n r ăng cưa thì cặ p Q1-Q4 d ẫn và ngượ c lại thì cặ p Q2 –Q3 d ẫn.

Để thực hiện phương pháp điều chế một cực tính, một van trong mỗi cặ p sẽ d ẫn trong

suốt một nửa chu k ỷ sóng điều chế, van còn lại sẽ thực hiện đóng mở theo so sánh sóng

mang và sóng sin chuẩn.

Để đơ n giản trong điều khiển, ta lựa chọn phương án hai cực tính.

Ta thấy, trong một chu k ỳ sóng mang,mạch sẽ d ẫn điện áp +E trong 1 khoảng thờ i

gian DTm, vớ i D là độ mở van cặ p Q1-Q4, Tm là chu k ỳ sóng mang đồng thờ i d ẫn điện áp

–E trong thờ i gian (1-D).Tm. Giá tr ị điện áp ra trung bình trong chu k ỳ sóng mang đó là:

Utb =mT

m m

m m0

1 E.D.T E.(1 D).TU(t)dt

T T

E(2D-1)

Giá tr ị biên độ của điện áp ra sẽ ứng vớ i giá tr ị độ mở van lớ n nhất.

Trong các chương tiế p theo ta sẽ thực hiện tính toán cụ thể để thiết k ế bộ nghịch lưu

qua hai giai đoạn.

Chươ ng 2 sẽ phân tích và lựa chọn phương án cho bộ DC-DC, sau đó tính chọn các

thiết bị mạch lực, thông số bộ điều khiển và mô phỏng bộ DC-DC.

7/22/2019 Tom tat K51



8

Chương 3 sẽ phân tích và tính chọn bộ nghịch lưu độc lậ p điện áp, mô phỏng bộ

nghịch lưu và hệ thống tổng thể.

Chương 4 sẽ xây d ựng mạch thực nghiệm qua các bướ c.

Chương 5 sẽ tìm hiểu về phần mềm trên vi xử lý.

Cuối cùng, chương 6 là các k ết quả thực nghiệm.

7/22/2019 Tom tat K51


Thiết k ế mạch lực khâu DC-DC

9

Chương 2

THIẾT KẾ MẠCH LỰ C KHÂU DC-DC2.1.Yêu cầu thiết kế

Như đã phân tích ở chương 1, để tạo ra điện áp hình sin chuẩn bằng phương pháp điều

chế PWM sau bộ nghịch lưu thì điện áp đầu vào tối thiểu của nó là:

Voutmin = ACmax

nlmax

U

2D -1 (2.1)

Vớ i UACmax =220√ 2 là biên độ điện áp xoay chiều, Dnlmax là độ mở van tối đa ở bộ

nghịch lưu, ở đây lựa chọn Dnlmax = 0,95. Rút ra Udcmin = 346V. Trong các thiết k ế thông

thườ ng, điện áp đầu vào nghịch lưu có thể ở vào khoảng tử 320-400V.

Như vậy chúng ta có các số liệu yêu cầu thiết k ế như sau:

Bảng 2-1: Số liệu yêu cầu thiết k ế bộ điều chỉnh DC-DC

Đại lượ ng Ký hiệu Giá tr ị

Điện áp vào VDC 24V

Điện áp vào cao nhất VDC max 28V

Điện áp vào thấ p nhất VDC min 20V

Điện áp ra Vout 350V

Công suất đầu ra PO 1000W

2.2.Phân tích và lự a chọn phương án bộ DC-DC

Từ yêu cầu thiết k ế của bộ băm xung một chiều ta thấy băm xung là bộ tăng áp vớ i hệ

số tăng áp khá lớ n: Vout/Vin = 14,6. Cộng vớ i công suất lớ n ở đẩu ra nên ta lựa chọn các phương án băm xung có biến áp để đảm bảo cách ly giữa đầu vào và đầu ra và cung cấ pmột hệ số nâng áp thích hợ p giảm gánh nặng điều chỉnh độ mở van D.

Như vậy, cần xem xét các phương án sau:

- Flyback Converter- Forward Converter

- Push-Pull Converter- Half-Bridge Converter- Full-Bridge Converter

7/22/2019 Tom tat K51



10

2.2.1.Flyback Converter

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý Flyback Converter và đườ ng cong từ hóa [4]

Flyback converter đượ c phát triển từ Buck-Boost Converter, vớ i thành phẩn cuộn cảmtích lũy năng lượ ng đượ c thay bằng cuộn sơ cấ p của máy biến áp. Máy biến áp đượ c đấu

ngượ c đầu như hình vẽ. Điốt D đượ c nối vào sau cuộn thứ cấ p để d ẫn dòng 1 chiều.

Hình 2.2. Đồ thị dòng và áp trên cuộn sơ cấ p và thứ cấ p biến áp [4]

Khi khóa Q1 thông trong thờ i gian ton, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấ p máy biến áp.

Cuộn cảm trong mạch không cho dòng tăng đột ngột mà tăng d ần theo tỉ lệ d I/d t =

7/22/2019 Tom tat K51



11

VDC/LP.Ở phía thứ cấ p, do cực Anode của D đượ c nối vào đầu âm của cuộn thứ cấ p (máy

biến áp mắc ngượ c) nên D khóa, cuộn thứ cấ p không có dòng điện. Điện áp đầu ra đượ c

duy trì nhờ tụ Co.

Khi Q1 khóa, để đảm bảo không thay đổi dòng đột ngột trên cuộn sơ cấ p, điện áp trêncuộn sơ cấ p ngay lậ p tức bị đảo ngượ c, và trên cuộn thứ cấ p điện áp cũng đảo chiều, d ẫn

đến việc D phân cực thuận và điện áp trên cuộn thứ cấ p lúc này bằng điện áp ra Vout và

cuộn sơ cấ p sẽ cảm ứng một điện ápVr = Vout.n vớ i n là hệ số biến áp.Dòng qua cuộn thứ

cấ p giảm d ần và sẽ về 0 hoặc một giá tr ị d ương tùy vào chế độ dòng điện.

Vr đượ c gọi là điện áp phản xạ, nhằm nói đến việc điện áp trên cuộn thứ cấ p đã gây ra

điện áp trên cuộn sơ cấ p. Đây cũng là nguồn gốc của cái tên Flyback Converter.

Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp: out

DC

V D =V n(1-D)

Ta nhận thấy dòng qua biến áp chỉ chạy theo 1 chiều nên biến áp chỉ hoạt động trên

góc phần tư thứ nhất của đườ ng cong B-H.

2.2.2.Forward Converter

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý Forward Converter và đườ ng cong từ hóa [4]

Forward Converter đượ c phát triển từ Buck Converter, biến áp chỉ đơ n thuần đóng vai

trò truyền d ẫn năng lượ ng. Các điốt D2, D3 đùng để điều chỉnh cho dòng điện chỉ chạy

theo 1 chiều, tụ Lo và Co có vai trò tích lũy năng lượ ng qua đó giữ ổn định dòng và áp

đầu ra.

Cuộn dây thứ 3 của máy biến áp đượ c gọi là cuộn reset có mục đích d ẫn dòng từ hóa

khi Q1 khóa và giảm d ần nó về 0 để tránh bão hòa từ.

Khi Q1 d ẫn, điện áp VDC đượ c đưa vào cuộn sơ cấ p và truyền qua cuộn thứ cấ p, D2

d ẫn và D3 khóa, điện áp thứ cấ p đượ c đưa đến tải. Dòng trên các cuộn sơ cấ p và thứ cấ p

tăng d ần.

7/22/2019 Tom tat K51



12

Khi Q1 khóa, điện áp trên cuộn sơ cấ p và thứ cấ p đều đổi d ấu, D2 khóa và D3 d ẫn,

điện áp ở điểm B về 0 như hình vẽ, điện tải đượ c duy trì nhờ năng lượ ng ở tụ điện. Lúc

này D1 cũng d ẫn dòng trên cuộn sơ cấ p và giảm dòng đó d ần xuống 0. Tỉ số vòng dây

cuộn reset và cuộn sơ cấ p đượ c chọn sao cho dòng từ hóa trong mạch giảm về không

trướ c mỗi chu k ỳ mớ i.

Hình 2.4. Điện áp và dòng trên cuộn sơ cấ p và thứ cấ p máy biến áp[4].


DC

V D=

V n

Ta nhận thấy biến áp cũng chỉ hoạt động trên góc phần tư thứ nhất của đườ ng B-H.

2.2.3.Push-Pull Conveter

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý Push-Pull Converter và đườ ng cong từ hóa [4]

Push-Pull Converter đượ c phát triển từ Forward Converter vớ i cải tiến để biến áp

đượ c từ hóa theo 2 chiều. Biến áp sơ cấ p có 2 cuộn dây quấn cùng chiều và nối vào 2 van

7/22/2019 Tom tat K51



13

Q1, Q2 như hình vẽ.Bên thứ cấ p cũng có 2 cuộn dây đấu trung tính và nối vớ i các điện

tr ở nắn dòng D1 và D2 Các vòng dây bên sơ cấ p có số vòng bằng nhau, tương tự ở bên

thứ cấ p.

Các van đượ c lần lượ t đóng mở trong mỗi nửa chu k ỳ. Do đó độ mở van D khôngvượ t quá 0,5.

Khi Q1 d ẫn, điện áp VDC đượ c đưa vào mạch theo chiều âm, điện áp này truyền sang

phía thứ cấ p và làm D1 d ẫn, D2 khóa và một điện áp d ương đượ c đặt vào điểm A.

Khi Q2 d ẫn, quá trình diễn ra theo chiều ngượ c lại như trên hình 2.6.

Phần thứ cấ p của máy biến áp bao gồm 2 cuộn sơ cấ p và D1, D2 về bản chất hoạt

động như một bộ chỉnh lưu hình tia, chúng có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp 2 chiều trên

cuộn sơ cấ p thành điện áp 1 chiều ở A. Chúng có thể đượ c thay bằng bộ chỉnh lưu cầu,

lúc đó thứ cấ p biến áp chỉ bao gồm một cuộn dây

Hình 2.6. Dạng điện áp trên các cuộn biến áp và ở điểm A[4]


DC

V 2D=

V n

Ta nhận thấy biến áp hoạt động một cách cân bằng. Chúng đượ c từ hóa theo 2 chiều

như trên hình 2.5.

2.2.4. Half-Bridge Converter

Half-Bridge Converter có hoạt động tương tự như Push-Pull Converter, chúng đều tạo

ra các điện áp sơ cấ p đảo chiều và đượ c chỉnh lưu ở bên thứ cấ p như hỉnh 2.8.

7/22/2019 Tom tat K51



14

Hình 2.7.Sơ đồ nguyên lý Half-Bridge Converter và đườ ng cong từ hóa [4]

Ở Half-Bridge Converter điện áp sơ cấ p đượ c tạo ra bằng cách đưa hai điện áp VDC/2

trên hai tụ điện lần lượ t vào cuộn sơ cấ p theo 2 chiều. Do đó mạch chỉ cần một cuộn sơ

cấ p nhưng cần thêm 2 tụ điện điện dung lớ n.

Phía bên thứ cấ p bộ chỉnh lưu cũng có thể là hình tia hoặc hình cầu.

Hình 2.8.Dạng điện áp trên các cuộn biến áp và ở điểm B[4]


DC

V D=

V n

Ta nhận thấy biến áp cũng đượ c từ hóa theo 2 chiều như trên hình 2.7.

2.2.5. Full-Bridge Converter

Full-Bridge Converter có hoạt động tương tự như hai loại trên, đều theo nguyên tắc

tạo ra các điện áp sơ cấ p đảo chiều và đượ c chỉnh lưu ở bên thứ cấ p.

7/22/2019 Tom tat K51



15

Hình 2.9.Sơ đồ nguyên lý Full-Bridge Converter và đườ ng cong từ hóa [4]

Ở Full-Bridge Converter cũng chỉ có một cuộn sơ cấ p. Các van Q1, Q4 cùng d ẫn hoặc

cùng khóa ngượ c vớ i cặ p Q2. Q3. Khi Q1, Q4 d ẫn, điện áp VDC đượ c đưa vào mạch theo

chiều d ương và khi Q2, Q3 d ẫn, điện áp VDC đượ c đưa vào theo chiều âm. Do đó bên sơ

cấ p của máy biến áp cũng chỉ cần 1 cuộn dây, nhưng ở đây đòi hỏi 4 van công suất.

Hình 2.10.Dạng điện áp trên các cuộn biến áp và ở điểm B[4]


DC

V D=

V n

Ta nhận thấy biến áp cũng đượ c từ hóa theo 2 chiều như trên hình 2.7.

2.2.6. Nhận xét và lự a chọn phương án

Từ các phương án đã phân tích ở trên ta rút ra các nhận xét quan tr ọng về các phương

án sau đây:

7/22/2019 Tom tat K51



16

- Ở Flyback và Forward Converter, biến áp hoạt động chỉ trên góc phần tư thứ

nhất của đườ ng cong B-H. Như vậy vớ i dòng điện lớ n như trong yêu cầu thiết

k ế, r ất d ễ xảy ra hiện tượ ng bão hòa từ, làm cho mạch không hoạt động đúng.

Để tránh hiện tượ ng này, chỉ có biện pháp tăng kích thướ c máy biến áp, điều

đó lại d ẫn đến mạch cồng k ềnh và có giá thành cao. Như vậy ta không sử d ụnghai d ạng mạch trên trong thiết k ế này.

- Các d ạng mạch còn lại bao gồm Push-Pull, Half-Bridge và Full-Bridge đều có

máy biến áp đượ c từ hóa theo hai chiều. Nguyên tắc hoạt động của chúng

giống nhau: tạo ra điện áp đảo chiều trên sơ cấ p biến áp và chỉnh lưu chúng ở phía thứ cấ p. Trên thực tế các mạch này đều đã đượ c sử d ụng trong các thiết k ế

tương tự và đều đạt hiệu suất tốt ([2]).

Ta sẽ xét các yếu tố còn lại bao gồm độ phức tạ p khi thực hiện mạch và điều khiển

cũng như giá thành để quyết định chọn d ạng mạch phù hợ p:

- Mạch Push-Pull cần 2 cuộn sơ cấ p. Tuy nhiên trong mạch nâng áp số vòng dây

thứ cấ p r ất bé nên đây không phải là một nhượ c điểm. Khi xem xét k ỹ ta thấy

các van phải chịu được điện áp là 2VDC nhưng do VDC không lớ n nên có thể

chọn đượ c các loại van d ễ dàng đáp ứng yêu cầu này.

Mặt khác, hai van đều ở phía thấ p nên r ất d ễ dàng khi điều khiển.

- Mạch Half-Bridge chỉ có một cuộn sơ cấp nhưng lại có 2 tụ lọc một chiều. Hai

tụ này nhất thiết phải có giá tr ị điện dung lớ n, chúng có vai trò then chốt trong

hoạt động của mạch.Điện áp van chỉ là VDC.

Mạch điều khiển đòi hỏi phải điều khiển van cả phía thấ p và phía cao.

- Mạch Full-Bridge chỉ có một cuộn sơ cấ p nhưng lại có 4 van.

Mạch điều khiển của Full-Bridge là phức tạ p nhất khi có cần điều khiển 4 van

ở phía thấ p và phía cao.

Như vậy ta lựa chọn mạch DC-DC theo nguyên tắc của Push-Pull Converter vớ i ưu

điểm lớ n nhất là điều khiển đơ n giản và mạch phẩn cứng không quá phức tạ p.

Một vấn đề khác cần đượ c xem xét là d ạng mạch chỉnh lưu ở phía thứ cấ p. Như đã

phân tích ở trên, phía thứ cấ p ta có thể dùng mạch chỉnh lưu hình cầu hoặc hình tia:

- Vớ i mạch chỉnh lưu hình tia, ta phải dùng 2 cuộn thứ cấ p ở máy biến áp. Vớ isố vòng dây lớ n ở thứ cấ p thì biến áp sẽ có kích thướ c lớ n và r ất khó quấn.

Mặt khác, các điốt phải chịu điện áp ngượ c bằng 2 lần điện áp đỉnh trướ c chỉnh

lưu. Điện áp này có thể lên tớ i cỡ 1000V.

- Vớ i mạch chỉnh lưu cầu, chỉ cần 1 cuộn thứ cấ p, sẽ giảm kích thướ c biến áp.

7/22/2019 Tom tat K51



17

Mặt khác, mỗi điốt chỉ phải chịu điên áp bằng điện áp đỉnh trướ c chỉnh

lưu.Tuy phải cần 4 điốt, nhưng điốt này r ất d ễ tìm và giá thành thấ p.

Như vậy ta lựa chọn phương áp chỉnh lưu hình cầu.

Kết luận: mạch đượ c lựa chọn là mạch theo nguyên tắc Push-Pull và chỉnh lưu hìnhcầu như hình vẽ:

LoadCo

Lo

Vdc Q1 Q2

D1

D2

D3

D4

Hình 2.11.Sơ đồ nguyên lý đượ c lựa chọn

2.3.Tính chọn các phần tử mạch lự c

2.3.1.Phân tích cụ thể hoạt động của mạch

Mạch trên hình 2.11 đượ c phân tích cụ thể để làm có sở tính chọn thiết bị.

Hình 2.12. Chu k ỳ của tín hiệu điều khiển van

Các van hoạt

động ch

ỉ trong 1 n

ửa chu k

ỳ, không bao gi

ờ đóng

mở

cùng nhau và có

một khoảng thờ i gian cả hai van cùng đóng.

a.Giai đoạn Q1d ẫ n, Q2 khóa:

7/22/2019 Tom tat K51



18

Khi Q1 d ẫn, đầu không có chấm có điện áp d ương hơn đầu có chấm. D2, D3 khóa và

D1,D4 d ẫn. Vớ i giả thiết số vòng dây trên mỗi cuộn sơ cấ p là như nhau (NP1 = NP2), ta có

điện áp trên mỗi cuộn sơ cấ p:

VP = -(VDC – VQ1,on) (2.2)VQ1,on là điện áp rơi tr ên van Q1 khi d ẫn.

Điện áp đặt lên van Q2:

VQ2,off = 2VDC - VQ1,on (2.3)

Dòng điện từ hóa :

DC Q1,on

M

M

-V +VI t =

L (2.4)

LM là điện cảm cuộn sơ cấ p

Dòng điện từ hóa đượ c tính xuất phát từ công thức Ld I/d t =UL

Điện áp trên cuộn thứ cấ p:

sS P DC Q1,on

P

NV =V /n =- (V -V )

N (2.5)

Trên cuộn cảm LO sẽ xuất hiện điện áp tự cảm, điện áp này đượ c tính theo mối quan

hệ vớ i các điện áp còn lại:

VL = (VDC - VQ1,on)/n - 2VD,on - Vout >0 (2.6)

Dòng điện qua cuộn cảm đượ c rút ra từ công thức Ld I/d t =UL:

IL(t) = IL(0) + VL .t/LO (2.7)

Ta thấy dòng tải tăng trong giai đoạn này.

b.Giai đoạn Q2 d ẫ n, Q1 khóa:

Khi Q2 d ẫn, đầu có chấm có điện áp d ương hơn đầu không có chấm. D1,D4 khóa và

D2, D3 d ẫn. Tương tự như trên, ta có điện áp trên mỗi cuộn sơ cấ p:

VP = VDC – VQ2,on (2.8)

VQ2,on là điện áp rơi tr ên van Q2 khi d ẫn.

Dòng điện từ hóa :

7/22/2019 Tom tat K51



19

DC Q2,on

M

M

V - VI t =

L (2.9)

Điện áp trên cuộn thứ cấ p:

Vs = VP/n = (VDC – VQ2,on) (2.10)

Điện áp trên cuộn cảm LO:

VL = (VDC - VQ2,on)/n - 2VD,on - Vout >0 (2.11)

Dòng điện qua cuộn cảm:

IL(t) = IL(0) + VL .t/LO (2.12)

Ta thấy dòng qua cuộn cảm tăng trong giai đoạn này

c.Giai đoạ

n Q1 và Q2 cùng khóa:Trong 1 chu k ỳ hoạt động của mạch có 2 khoảng thờ i gian cả Q1 và Q2 cùng đóng

(TR )

Điện áp trên mỗi van:

VQ = VDC (2.13)

Tuy nhiên, trong quá trình chuyển từ tr ạng thái d ẫn sang tr ạng thái khóa, dòng điện

qua van và cuộn cảm sẽ giảm đột ngột làm cho trên cuộn cảm xuất hiện suất điện động tự

cảm r ất lớ n, làm điện áp trên van tăng đột ngột trướ c khi đạt giá tr ị VDC.

Ở phía sơ cấ p, khi một van đang d ẫn chuyển sang khóa, dòng điện trong cuộn cảm LO

sẽ tiế p tục đi theo chiều trướ c đó, các điốt sẽ d ẫn dòng này

Điện áp trên cuộn cảm:

VL = -Vout - VD (2.14)

Rút ra dòng điện qua cuộn dây:

IL(t) = IL (ton) – (Vout – 2 VD).t/LO (2.15)

Như vậy dòng điện qua cuộn dây giảm trong giai đoạn này.

Ở chế độ dòng liên tục, dòng điện tải sẽ có d ạng r ăng cưa vớ i giá tr ị trung bình

IO,av,nom.

Từ phân tích như trên ta có d ạng đồ thị dòng và áp trên các phần của mạch.

7/22/2019 Tom tat K51



20

2.3.2. Dạng điện áp và dòng điện trên mạch

Hình 2.13. Dạng điện áp và dòng điện bên phía sơ cấ p [4]

Ta thấy r ằng các van chịu điện áp cực đại vào khoảng 2VDC nếu như không k ể đến

xung điện áp khi chuyển tr ạng thái từ khóa sang d ẫn. Ta có thể khắc phục điện áp này

bằng cách sử d ụng mạch snubber để không cho dòng qua cuộn cảm giảm quá nhanh.

Dòng vào Iin có thể thu đượ c bằng cách chồng chậ p dòng qua 2 van.

Từ đồ thị và biểu thức dòng điện qua cuộn cảm LO ta có thể rút ra hàm truyền của

mạch d ựa trên 2 giả thiết sau:

- Trong chế d ộ dòng liên tục, dòng điện cuối giai doạn TR bằng dòng điện đầu giai

đoạn TON và ngượ c lại.

- TR +TON = T/2

Từ đó rút ra: Vout = 2 VDC.D/n vớ i D = TON/T

Dễ dàng nhận thấy r ằng, do có 2 xung đồng thờ i hoạt động trong một chu k ỳ PWM

nên D có giớ i hạn trên là 50%. Hoặc từ công thức trên có thể đưa ra công thức Dmax d ựa

trên điện áp vào cực tiểu VDC,min (bỏ qua VQ1,ON):

7/22/2019 Tom tat K51



21

Dmax = out

DC,min

n.V

2V (2.16)

Hình 2.14. Dạng điện áp và dòng điện bên thứ cấ p [4]

Ta thấy đòng điện qua cuộn sơ cấ p và thứ cấ p có d ạng r ăng cưa nhấ p nhô. Ta có thể

tính gần đúng giá tr ị hiệu d ụng của các dòng này để phục vụ cho việc tính toán kích cỡ

dây.

Sau đây ta sẽ tính toán cụ thể cho mạch sử d ụng nguyên tắc của Push-Pull Converter

để nâng áp.

2.3.3.Tính chọn các phần tử mạch lự c

Ta lần lượ t tính các giá tr ị theo trình tự sau đây

Chọn tần số băm xung:

Tần số băm xung là yếu tố quan tr ọng nhất ảnh hưở ng đến các thiết bị trong mạch.

Tần số băm xung càng cao, càng tiết kiệm về kích thướ c cũng như giá thành mạch.

Tần số băm xung đượ c lựa chọn ở đây là 100kHz, tần số này sẽ làm giảm độ lớ n của

máy biến áp cũng như các thành phần lọc đầu vào và đầu ra.

7/22/2019 Tom tat K51



22

Chọn giá tr ị Dmax

Dmax là giá tr ị r ất quan tr ọng để tính toán các đại lượ ng trong mạch. Như đã nói ở trên

Dmax không vượ t quá 50%. Ở đây ta chọn Dmax = 0,45.

Dòng điện bên phía sơ cấ p

Ta có công suất đầu vào đượ c tính theo công thức:

PI = VDCIP,mr .2Dmax (2.17)

Công thức này có thể d ễ dàng suy ra từ đồ thị hình 2.13.

Mặt khác: PO = PI (2.18)

Vớ i là hiệu suất mong muốn, ở đây tạm lấy 0,85%

Từ 2 công thức này suy ra dòng điện trung bình:

I p,mr = PO/ (2VDCDmax) (2.19)

Thay số ta có IP,mr = 61,72 A

Dòng vào hiệu d ụng có thể đượ c tính gần đúng theo công thức:

in,RMS P, mr maxI =I 2D =58,55A

Công thức này có thể rút ra từ d ạng dòng điện theo đồ thị 2.13

Chọn van

Cũng từ đồ thị 2.13, ta có công thức dòng hiệu d ụng lớ n nhất qua MOSFET:

Q,RMS P, mr maxI =I D =41,4A

Điện áp lớ n nhất trên MOSFET như đã nói ở trên, có giá tr ị bằng 2VDC. Trong thiết

k ế, các tài liệu thườ ng sử d ụng hệ số an toàn 1,3. Ta có:

VQ,max = 2.6 VDC,max (2.20)

Rút ra VQ, max= 72,8 V

Van đượ c chọn là các van điều khiển đượ c hoàn toàn chịu đượ c tần số cao. Sau khi

tham khảo thị trườ ng ta lựa chọn van IRF8010 vớ i UDS = 100V, IDS = 80A

Dòng điện bên thứ cấ p máy biến áp

7/22/2019 Tom tat K51



23

Dạng dòng điện đi qua cuộn cảm đầu ra đượ c miêu tả ở hình 1.8. Ta có giá tr ị dòng

điện trung bình:

OO, av,nom

O

PI = =2,86A

V

Do đó dòng hiệu d ụng qua cuộn thứ cấ p:

S,RMS O, av,nom maxI =I D =1,92A

Các thông số máy biến áp và tính toán sơ bộ:

Tỉ số máy biến áp: sử d ụng công thức 2.16 ta rút ra đượ c n= NP/NS = 1/19.

Dòng hiệu d ụng đầu vào sơ cấ p cũng là dòng hiệu d ụng MOSFET tức là 41,4A.

Dòng hiệu d ụng đầu ra là 1,92A như tính toán ở trên.

Dòng trung bình đầu ra là 2,86A.

Việc chọn lõi biến áp quyết định các thông số còn lại của biến áp. Do điều kiện không

cho phép, ta chọn theo các thiết k ế tham khảo [2] và [5], vớ i lõi sắt ferit có tiết điện lõi

3,5cm2.

Biến áp hoạt động trên 2 góc phần tư của đườ ng cong B-H vớ i tần số cao, 100kHz ta

lấy độ biến thiên cườ ng độ từ trườ ng lớ n nhất là 0,15 Tesla

Theo tài liệu [6], số vòng dây sơ cấ p:

NP = 1.

.

x

c

t U

B S (2.21)

Vớ i tX là độ r ộng 1 xung, tx = Dmax.T = 4,5.10-6

s

U1 là điện áp sơ cấ p, ở đây lấy là VDC

Rút ra NP = 2 vòng. Suy ra NS = NP/n = 38 vòng.

Vớ i dòng hiệu d ụng đẩu ra là 1,92 A, ta chọn dây sơ cấ p là dây đồng có đườ ng kính

1,5mm. Bên sơ cấ p ta dùng dây có đườ ng kính 3mm.

Biến áp đượ c quấn bằng tay và đã đượ c thử nghiệm hoạt động tốt.

Chọn điốt chỉnh lưu với phương án chỉnh lưu cầu:

Vớ i phương án chỉnh lưu hình tia điện áp ngượ c lớ n nhất là 2 lần điện áp chỉnh vào

chỉnh lưu:

7/22/2019 Tom tat K51



24

đố= N.VDC, max=532V

Dòng điện qua mỗi điốt bằng 1 nửa dòng trung bình:

O, av,nom

diode

IV = =1,43A

2

Điốt đượ c lựa chọn có nhãn hiệu SF58 có thông số I = 5A, Vng, max =800V

Chọn cuộn cảm đầu ra:

Độ lớ n của cuộn cảm quyết định độ phẳng của dòng điện đầu ra, khi cuộn cảm đủ lớ n,

mạch sẽ hoạt động ở chế độ CCM

Trong thiết k ế này ta chọn chế độ dòng CCM vớ i độ nhấ p nhô là 15%. Rút ra giá tr ị

dòng nhấ p nhô ∆I = 0,15. IO,av, nom = 0,43A

Công thức tính L:

on,max

DC O

tL (N.V V )

I

(2.22)

ton, max là thờ i gian mở lớ n nhất trong 1 chu k ỳ

Rút ra L≥1,109 mH

Dòng trung bình qua cuộn cảm là 2,86 A. Một điểm đáng chú ý là dòng qua cuộn cảm

có tần số gấ p đôi tần số PWM (xem hình 1.8)

Ta chọn loại điện cảm 1,5 mH có bán trên thị trườ ng

Chọn tụ lọc đầu ra

Tụ điện đầu ra quyết định độ nhấ p nhô của điện áp. Giá tr ị của nó đượ c tính theo công

thức ([1]):

2Os

O

(1-2D)V1C T =1,53μF

32 ΔV L

∆VO là giá tr ị điện áp nhấ p nhô, ở đây chọn là 0,1% VO = 0,35V

Dòng qua cuộn L bao gồm thành phần trung bình và thành phần xoay chiều biến

thiên. Thành phần trung bình chính là giá tr ị IO và đượ c đưa ra tải, thành phần biến thiên

chủ yếu chạy trong tụ điện và gây ra 1 điện áp trên điện tr ở ký sinh của tụ

Do đó,điện tr ở ký sinh của tụ phải nhỏ hơ n :

7/22/2019 Tom tat K51



25

OERS,max

O

ΔV 0,35R = = =0,12Ω

I 2,86

2.2.4. Mạch bảo vệ đóng mở van và điốt

a. M ạch đệm cho van

Như đã phân tích, khi đóng ngắt van chịu điện áp tối đa là 2 VDC. Tuy nhiên khi

chuyển từ tr ạng thái d ẫn sang khóa, trên van sẽ xuất hiện một xung điện áp có giá tr ị r ất

lớ n. Điều nay là do cuộn sơ cấ p biến áp có một giá tr ị điện cảm nhất định, khi dòng qua

nó đột ngột bị ngắt sẽ xuất hiện một điện áp tự cảm r ất lớ n đặt lên MOSFET (xem hình

2.13).

Để khắc phục điều này, ta sử d ụng mạch đệm hỗ tr ợ đóng mở , gọi là Snubber, nhằm

cung cấ p một con đườ ng để dòng điện giảm d ần trướ c khi về 0, hoặc nói cách khác là giải

phóng năng lượ ng trên cuộn sơ cấ p khi nó bị ngắt khỏi mạch. Mạch snubber còn cho

phép giảm tổn thất khi chuyển mạch.

Có hai d ạng snubber phổ biến là RC và RCD.Ta lựa chọn mạch Snubber có cấu hình

RCD do có các ưu điểm sau [6]:

- Giảm xung điện áp đỉnh

- Giảm tổn thất chuyển mạch trên van và trên mạch đệm

- Đảm bảo van làm việc trong vùng an toàn hơ n

Hình 2.15. Mạch đệm RCD

Hình 2.15 là mạch đệm RCD, cuộn cảm ở đây đại diện cho cuộn sơ cấ p của máy biến

áp.

Mạch đệm RCD hoạt động theo nguyên tắc: khi Q khóa, điốt sẽ d ẫn dòng đang chạy

trong mạch và nạ p năng lượ ng cho tụ, điện áp tụ tăng d ần đến cực đại là VDC. Năng

lượ ng này sau đó đượ c giải phóng trên R qua van khi Q d ẫn.

Giá tr ị điện dung đượ c tính theo công thức [6]:

7/22/2019 Tom tat K51



26

Cs = I.ts/4.Eo (2.23)

Vớ i: I là dòng chạy qua van trướ c lúc đóng, I = IP = 61,72A

ts là thờ i gian khóa của van, từ datasheet ta có ts = 0,12µs

EO là điện áp đặt lên van, ở đây chính là VDC =24V

Thay số vào ta có Cs = 0,08µF.Lấy Cs là 0,1µF

Điện tr ở đượ c tính để có thể giải phóng hết năng lượ ng khi van d ẫn. Thờ i gian van

d ẫn nhỏ nhất ton, min đượ c lấy là 0,1T = 1µs. Ta có:

R s = ton,min/2Cs = 5Ω

Công suất của điện tr ở này:

PR = 0,5f.Cs.EO2 = 2,88W ≈3W

Như vậy ta chọn loại điện tr ở 5Ω,3W

b. M ạch bảo vệ cho đ iố t

Khi điốt chỉnh lưu chúng liên tục chuyển tr ạng thái d ẫn dòng theo các giai đoạn của

mạch: từ d ẫn toàn bộ dòng tải đến đẫn ½ dòng tải và chuyển sang khóa hoàn toàn. Mỗi

khi chuyển tr ạng thái d ẫn, điện áp trên chúng sẽ có những xung nhảy vọt r ất nguy hiểm.

Mạch RC mắc song song vớ i điốt sẽ hạn chế tốc đọ tăng điện áp bảo vệ cho điốt.

Tính toán giá tr ị của mạch RC khá phức tạ p, ở đây ta sừ d ụng số liệu từ các thiết k ế

tham khảo [4] và [5], chọn R có giá tr ị 1k Ω 3W và C là 150pF

Hình 2.16. Mạch RC bảo vệ điốt

2.3. Điều khiển mạch DC-DC

Ta sử d ụng phương pháp điều khiển điện áp để điều khiển mạch DC-DC. Điện áp

đượ c phản hồi về vớ i hệ số phản hồi k ph = 0,01. Bộ điều khiển đượ c sử d ụng là bộ PI.

Việc xác định hàm truyền của hệ thống có các phần tử đóng cắt r ất phức tạ p nên trong

phạm vi của đồ án tốt nghiệ p này ta sử d ụng phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols

thứ nhất để xác định hệ số K P, K I của bộ điều khiển.

7/22/2019 Tom tat K51



27

Nội dung của phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất là d ựa trên đồ thị hàm quá độ

của đối tượ ng điều khiển, ta đưa ra d ạng mô hình xấ p xỉ quán tính bậc nhất có tr ễ của nó

vớ i d ạng:

( )1

Ls

keG sTs

(2.24)

Vớ i hàm quá độ h(t) có d ạng chữ S, các tham số k,L,T đượ c xác định xấ p xỉ như sau:

- k là giá tr ị tớ i hạn

- K ẻ tiế p tuyến của h(t) tại điểm uốn của nó, L sẽ là hoành độ của giao điểm giữa

tiế p tuyến đó vớ i tr ục hoành và T sẽ là khoảng thờ i gian cẩn thiết để tiế p tuyến

đi đượ c từ giá tr ị 0 đến giá tr ị k.

Hình 2.17. Đồ thị xấ p xỉ hàm quá độ theo phương pháp Ziegler-Nichols

Trên cơ sở các thông số này, ta d ựa trên các công thức đượ c đề xuất bờ i Ziegler- Nichols để xác định bộ điều khiển theo công thức tham khảo ở bảng sau:

Bảng 2.2: Xác định các thông số bộ PID theo Ziegler-Nichols:

Loại bộ điều

khiển

K p TI TD

P T/kL ∞ 0

PI 0,9T/kL 10/3L 0

PID 1,2T/kL 2L 0,5L

Ta có thể thực hiện phương pháp này trên mô phỏng Matlab bằng cách sử d ụng điện

áp đặt có d ạng bướ c nhảy khi hệ hở để vẽ đồ thị đáp ứng, từ đó xác định các thông số k,

L, T và đưa ra bộ điều khiển:

7/22/2019 Tom tat K51



28

Hình 2.18. Xấ p xỉ hệ thống DC-DC về khâu quán tính bậc nhất có tr ễ

Từ đồ thị trên ta tìm đượ c: L=0,35.10-4

s, T=0,85.10-4

s

K=387

0,97400

dapung

dat

U

U

Từ bảng 2.2 ta rút ra đượ c: Kp=8.75, K I=62,7.103.

Hình 2.19. Mô phỏng kiểm nghiệm các thông số bộ PI

Từ mô phỏng ta thấy vớ i bộ PI đã chọn hệ thống đáp ứng nhanh, đội quá điều chỉnh

nhỏ (<10%).Như vậy bộ PI này hoạt động tốt vớ i hệ thống.

2.4. Mô phỏng bộ DC-DC

7/22/2019 Tom tat K51



29

Trong đồ án này, ta sử d ụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng hệ thống. Thư

viện Powersim system cung cấ p cho ta các mô hình của các phần tử điện tử công suất

thông d ụng. Mặc dù Simulink không thể cung cấ p cho ta các thông số chính xác như các

phần tử thực tế nhưng nó lại có ưu điểm về khả năng tích hợ p mô phỏng các hệ thống

điều khiển.

2.4.1. Mô hình mạch trên Simulink.

Bộ DC-DC đượ c mô phỏng gồm 2 khối chính:

Khối mạch lực đượ c xây d ựng vớ i các phần tử có thông số d ựa trên tính toán ở trên.

Hình 2.20. Mô phỏng khối mạch lực

Khối điều khiển vớ i đầu vào là tín hiệu sai lệch giữa điện áp đặt và điện áp phản hồi

Đầu ra là xung điều khiển hai van. Tín hiệu sai lệch đầu tiên đượ c đưa qua bộ điều khiển

PI, qua khâu giớ i hạn để đưa ra điện áp so sánh vớ i xung r ăng cưa có tần sô 100kHz, từ

đó đưa ra tín hiệu điều khiển hai van

7/22/2019 Tom tat K51



30

Hình 2.21. Mô phỏng khối điều khiển

Điện áp đặt trong mô phỏng này là 400V, ta sử d ụng khối tải biến đổi để kiểm tra đáp

ứng của mạch.

2.4.2.Các kết quả mô phỏng và nhận xét

Điện áp trên mosfet:

Hình 2.22. K ết quả mô phỏng điện áp trên mosfet

Dòng qua mosfet:

7/22/2019 Tom tat K51



31

Hình 2.23. Dòng qua mosfet

Ta thấy vớ i thông số của mạch snubber bảo vệ mosfet ở trên giúp bảo vệ mosfet r ất

hiệu quả giúp hạn chế các xung áp và sự quá dòng ở mức an toàn đối với mosfet đã đượ c

chọn. Các dao động do các phần tử điện cảm và điện dung ký sinh cũng đượ c hạn chế qua

đó giúp van đóng cặt nhanh và giảm tổn thất trong quá trình đóng cắt.

Điện áp sơ cấ p máy biến áp:

Hình 2.24. Điện áp trên cuộn sơ cấ p máy biến áp

Điện áp thứ cấ p máy biến áp:

7/22/2019 Tom tat K51



32

Hình 2.25. Điện áp trên cuộn thứ cấ p máy biến áp

Điện áp sau chỉnh lưu cầu:

Hình 2.26. Điện áp sau chỉnh lưu

Ta thấy điện áp sau khi qua biến áp xung và cầu chỉnh lưu là những xung điện áp khá

phẳng ,không có những xung điện áp lớn điều này giúp cho việc tính toán mạch lọc điện

áp và các thiết bị bảo vệ đơn giản hơn.

Đáp ứng điện áp

7/22/2019 Tom tat K51



33

Hình 2.27. Điện áp sau bộ biến đổi Push-pull converter

Ta thấy khi hoạt động độc lậ p vớ i một tải cố định bộ biến đổi Push- pull cho đáp ứng

điện áp r ất nhanh và bám sát theo giá tr ị đặt vớ i sai số không đáng kể.

Push-pull converter khi hoạt động độc lậ p vớ i tải tải thay đổi:

Hình 2.28. Điệ p áp sau Push-pull Converter khi tải thay đổi

Tại các thời điểm 1ms,2ms,3ms,4ms giá của tải thay đổi đột ngột làm thay d ổi điện áp

ra nhưng bộ biến đổi đã điều chình để đưa điện áp về giá tr ị đặt cố định trong thờ i gian

r ất ngắn và độ quá điều chỉnh r ất nhỏ.

K ết quả mô phỏng r ất phù hợ p vớ i những tính toán lý thuyết, đồng thờ i cũng chứng tỏ

chất lượ ng tốt của bộ điều khiển PI. Đây sẽ là cơ sở để chúng ta thực hiện mạch thực tế.

7/22/2019 Tom tat K51


Xây d ựng phần mềm trên vi điều khiển

34

Chương 4

XÂY DỰ NG MẠCH THỰ C NGHIỆM

4.1.Các thành phần của mạch thự c nghiệm

Hình 4.1.Sơ đồ khối tổng thể của mạch

Mạch thực tế đượ c xây d ựng vớ i các khâu chính như hình vẽ:

- Khối mạch lực gồm 2 khâu chính như đã phân tích ở chương trướ c.

- Vi điều khiển là trái tim của hệ thống, nó sẽ nhận các d ữ liệu về và xử lý phát

xung điều khiển mạch lực, cũng như thực hiện các chức năng giám sát khác.

- Ở trong mạch, chúng ta phản hồi điện áp phía sau và trướ c bộ nghịch lưu cùng

vớ i dòng đi vào bộ nghịch lưu để mở r ộng các chức năng giám sát điều khiển.

- Driver là các mạch đóng mở các van.

- Nguồn điều khiển cung cấ p các điện áp 12V để mở van và 5V để vi xử lý cùng

các chip khác hoạt động.

Sau đây ta sẽ phân tích cụ thể từng khâu:

4.1.1.Khối vi điều khiển

Vi điều khiển đượ c lựa chọn là vi điều khiển DsPIC 30F2020. Đây là vi điều khiển

chuyên d ụng cho các bộ nguồn băm xung (SMPS – Switch Mode Power Supply) vớ i

những tính r ất nổi bật sẽ đượ c xem xét ở chương sau.

7/22/2019 Tom tat K51



35

Cấu hình phần cứng của vi điều khiển không có gì khác so vớ i các cấu hình thông

d ụng vớ i nguồn, thạch anh, các nút ấn reset…

4.1.2.Các khối phản hồi

Ta cần đo về 3 đại lượ ng : điện áp sau bộ biến đổi DC-DC, dòng một chiều vào bộ

nghịch lưu và giá tr ị điện áp hiệu d ụng đầu ra.

Để đo điện áp sau bộ nghịch lưu, ta sử d ụng mạch khuếch đại thuật toán như hình vẽ:

Hình 4.2.Mạch khuếch đại thuật toán phản hồi điện áp một chiều

Các điện tr ở đượ c chọn sao cho R 21=R 22, R 19 = R 20 để đảm bảo tỉ lệ điện áp vào chân

ADC của vi xử lý:

VADC1 = bus

21

20

RV

R = α .V bus

Trong mạch ta chọn tỉ lệ này là 1/100. Điện áp ADC trướ c khi về vi xử lý đượ c lắ p

vào mạch bảo vệ dùng điốt để tránh quá điện áp.

Các tụ lọc đượ c đưa vào mạch để tránh nhiễu. Ngoài ra ta cũng có thể sử d ụng bộ lọc

bằng phần mềm ở vi xử lý.

Để phản hồi dòng một chiều, ta dùng điện tr ở shunt và đưa vào khuếch đại thuật toán.

Chọn loai điện tr ở tải nhỏ 0.25Ω để làm điện tr ở shunt, tỉ lệ khuếch đại thuật toán là 3

lần.

7/22/2019 Tom tat K51



36

Để phản hồi điện áp hiệu d ụng ta dùng vi mạch chuyên d ụng AD736. AD736 là vi

mạch chuyển đổi giá tr ị hiệu d ụng. Nó có tác d ụng chuyển đổi các điện áp xoay chiều có

giá tr ị dướ i 200mV sang giá tr ị điện áp hiệu d ụng:

Hình 4.3.Sơ đồ khối chức năng của AD736

Điện áp xoay chiều sau khi phân áp đượ c lắ p vào mạch như hình vẽ:

Hình 4.4.Sơ đồ mạch dùng AD736

4.1.3.Khối Driver

Hiện nay trên thị trườ ng cung cấ p r ất nhiều vi mạch Driver để điều khiên MOSFET

một kênh thấ p cũng như 2 kênh cao thấ p. Trong mạch, chúng ta cần điều khiển kênh thấ p

ở mạch Push-Pull và cả hai kênh ở mạch nghịch lưu. Ta lựa chọn vi mạch IR2103 của

hãng International Rectifier vớ i sơ đồ cấu trúc như hình vẽ:

7/22/2019 Tom tat K51



37

Hình 4.5.Sơ đồ cấu trúc vi mạch IR2103

Vi mạch IR2103 có khả năng điều khiển cá 2 kênh cao và thấ p,kênh cao có thể lên

đến điện áp 600V, dòng lái 1A, có tích hợ p bộ chống đánh thủng và chống trùng d ẫn.

Mạch điều khiển 2 kênh như hình vẽ:

Hình 4.6.Sơ đồ điều khiển 2 kênh dùng IR2103

Vi mạch này có thể dùng điều khiển chỉ kênh thấ p riêng biệt như sơ đồ sau:

Hình 4.7.Sơ đồ điều khiển một kênh dùng IR2103

7/22/2019 Tom tat K51



38

Do tụ điện ký sinh giữa chân G và chân D của Mosfet, xung vào chân G không thực

sự vuông nếu chi lắ p mạch như sơ đồ 4.6 và 4.7. Điều này sẽ ành hưở ng đến chất lượ ng

điều chỉnh, đặc biệt là ở tần số cao như ở mạch băm xung. Để khắc phục điều này chúng

mắc một điện tr ở song song giữa chân G và chân D như hình:

Hình 4.8.Điện tr ở mắc song song giảm ảnh hưở ng của tụ ký sinh

4.1.4.Khối nguồn phụ

Khối nguồn phụ cung cấ p nguồn 12V để đóng mở Mosfet và nguồn 5V cho các vi

mạch.

Để có nguồn 12V, ta dùng vi mạch LM2576 loại 12V, vớ i sơ đồ chức năng như hình

vẽ:

Hình 4.9.Sơ đồ khối chức năng LM2576

LM2576 hoạt động theo nguyên lý của Buck Converter vớ i mạch vòng kín điều khiển

điện áp. Nó có khả năng tạo ra nguồn 12V vớ i dòng tối đa 3A từ nguồn 15-40V, đủ cung

cấ p nguồn cho tất cả các nhu cầu điều khiển. LM2576 đượ c tích hợ p bộ giớ i hạn dòng và

bộ tránh quá nhiệt. Sơ đồ mạch dùng LM2576:

7/22/2019 Tom tat K51



39

Hình 4.10.Sơ đồ mạch ổn áp dùng LM2576

Mạch tạo nguồn 5V ta dùng vi mạch thông d ụng LM7805H, đầu vào lấy nguồn 12V

từ đầu ra LM2576.Dòng ra của 7805 có thể lên đến 1A, đủ đáp ứng các yêu cầu của

mạch.

4.1.5. Khối RS232

Ta sử d ụng giao tiế p chuẩn RS232 để truyền thông tin về máy tính. Mạch giao tiế p

dùng vi mạch Max232 thông d ụng như hình vẽ:

Hình 4.11.Mạch giao tiế p dùng Max232

4.2. Thự c hiện mạch:

Chúng ta tách riêng hai mạch lực để việc thí nghiệm và chỉnh định d ễ dàng hơ n:

- Mạch DC-DC sẽ có đủ các khối và có vi điều khiển.

- Mạch nghịch lưu chỉ bao gồm phần mạch lực, mạch phản hồi dòng, phản hồi

áp xoay chiều và driver. Các tín hiệu phản hồi và điều khiển cũng như nguồn

nuôi đượ c lấy từ mạch băm xung

MAX232

C1+1

C1-3

C2+4

C2-5

VCC 16

GND 15

V+2

V-

6

R1OUT 12

R2OUT 9

T1OUT14

T2OUT7

R1IN13

R2IN8

T1IN 11

T2IN 10

GND

VCC2

C22

104

GND

P1

DB9 FEMALE

5

9

4

8

3

7

2

6

1

RX_A

GND

TX_A

C18

RX_A

C19

C20

TX_A

C21

GND

GND

U1ATX

U1ARX

GND

VCC2

7/22/2019 Tom tat K51



40

Chương 5

XÂY DỰ NG PHẦN MỀM TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN

5.1.Giớ i thiệu vi điều khiển dsPIC 30F2020

Từ sơ đồ chức năng ở chương trướ c ta thấy mạch điều khiển phải thực hiện các chức

năng sau :

- Đo lườ ng các tín hiệu điện áp một chiều tạo ra tín hiệu phản hồi điện áp cho mạch

vòng điều khiển điện áp.

- Đo dòng điện một chiều cho khâu giớ i hạn dòng.

- Đo điện áp xoay chiều để hiển thị số liệu lên máy tính.

- Thực hiện mạch vòng điều khiển điện áp một chiều theo thuật toán PID .

- Phát xung PWM chế độ push-pull vớ i tần số 100kHz theo thuật toán PID để ổnđịnh điện áp một chiều đầu ra.

- Phát xung PWM ở tần số 10kHz tựa theo điện áp hình Sin cho khâu nghịch lưu. - Giao tiế p vớ i máy tính thông qua giao tiế p UART truyền tín hiệu điện áp xoay

chiều lên máy tính để hiển thị.

Để thực hiện đượ c đầy đủ các nhiệm vụ đó, đặc biệt là ở khâu PWM, cần có một vi

điều khiển đủ mạnh. Ở đây ta lựa chọn vi điều khiển dsPIC 30F2020, một vi xử lý

chuyên d ụng cho các ứng d ụng về mạch nguồn vớ i các ưu điểm nổi bật ở bộ PWM:

-

Có chế độ phát xung lệch pha phù hợ p vớ i nguồn băm xung- Tần số băm xung tối đa có thể lên tớ i 1MHz dù nguồn dao động thạch anh không

cao

- Độ phân giải PWM lớ n- Các bộ PWM có thể phát xung vớ i tần số độc lậ p nhau

Hình 5.1.DsPIC 30F2020 [11]

7/22/2019 Tom tat K51



41

Vi điều khiển dsPIC30F2020 là vi điều khiển 16 bit sử d ụng tậ p lệnh tối thiểu (RISC

– Reduce instruction set computer) theo kiến trúc Harvard mở r ộng. Vi điều khiển

dsPIC30F2020 có thể hoạt động vớ i tốc độ 30 MIPS (milion instructions per second) vớ i

tần số dao động ngoài từ 6Mhz đến 15Mhz, ngoài ra nó còn đượ c tích hợ p bộ tạo daođộng trong và khối nhân tần (PLL) vớ i chế độ 32x nên khi hoạt động vớ i tần số xung

nhị p nhỏ thì dsPIC30F2020 cũng có thể hoạt động xử lý vớ i tốc độ cao.

Vi điều khiển dsPIC30F2020 sử d ụng tậ p lệnh 24 bit với độ dài địa chỉ 16 bit. Tốc độ

thực hiện lệnh thông thườ ng là 1word trong một chu k ỳ máy. Ngoài ra, để tăng tốc độ xử

lý, dsPIC30F2020 còn đượ c tích hợ p một khối DSP vớ i khả năng thực hiện các lệnh liên

quan đến nó vớ i tốc độ 1 chu k ỳ máy/1 lệnh. Bộ nhớ chương tr ình trong vi điều khiển có

dung lượ ng 12 kbytes.

Ta sẽ phân tích các khối chình của vi điều khiển phục vụ cho mạch:

5.1.1.Khối CPU

Vi điều khiển có mảng các thanh ghi làm việc gồm 16 thanh ghi 16 bit và mỗi thanh

ghi có thể chứa d ữ liệu, địa chỉ hoặc các thanh ghi tham chiếu. Riêng thanh ghi W15 của

dsPIC30F2020 có thể đượ c sử d ụng như một con tr ỏ stack cho các trình ngắt hoặc là các

lờ i gọi hàm.

Bộ nhớ d ữ liệu 64 Kbyte đượ c chia làm 2 khối được đặt tên là vùng d ữ liệu X và Y,

mỗi khối có một bộ tạo địa chỉ riêng (AGU – address generation unit). Hầu hết các lệnhthông thường đượ c thực hiện trong khối d ữ liệu X.

Tậ p lệnh của dsPIC30F đượ c chia làm 2 lớ p lệnh: lớ p lệnh MCU và lớ p lệnh DSP k ết

hợ p vào trong cấu trúc thực hiện bở i một khối thực thi chương tr ình. MCU giúp thực hiện

các lệnh không toán hạng, lệnh so sánh, vớ i chế độ định địa chỉ tr ực tiế p bộ nhớ , tr ực tiế p

thanh ghi và gián tiế p thanh ghi. Mỗi lệnh đượ c k ết hợ p vớ i nhóm các chế độ định địa chỉ

có sẵn phụ thuộc vào yêu cầu chức năng của lệnh. Các lệnh của dsPIC30F2020 có khả

năng đọc bộ nhớ d ữ liệu đọc thanh ghi làm việc, ghi bộ nhớ d ữ liệu và đọc bộ nhớ

chương tr ình trong một chu kì lệnh do đó có thể thực hiện một lệnh gồm 3 toán hạng(như lệnh C = A + B) chỉ trong một chu kì lệnh.

Khối DSP có đặc điểm là tốc độ cao có bộ nhân 17x17 bít, ALU 40 bit, 2 bộ cộng 40

bit và bộ ghi d ịch 40 bit 2 chiều. Bộ ghi d ịch 40 bit có khả năng dịch 15 bit về bên phải

hoặc 16 bit về bên trái chỉ trong một chu kì lệnh.

7/22/2019 Tom tat K51



42

Lõi CPU của vi điều khiển dsPIC30F2020 hỗ tr ợ đến 62 vector ngắt dành cho 54 ngắt

(interrupt) và 8 bẫy (trap).

5.1.2. Khối Power Supply PWM

Như tên gọi của nó, khối PWM của 30F2020 đượ c thiết k ế chuyên biệt cho các

ứng d ụng biến đổi công suất.Khối PS PWM đượ c sử d ụng cho các ứng d ụng mà có 1

trong 3 yêu cầu sau :

- Độ phân giải cao ở tần số PWM cao.

- Tạo ra xung chuẩn cho các bộ biến đổi Push-Pull hoặc half bridge.

- Tạo ra các xung PWM vớ i tần số khác nhau và độc lậ p.

Đặc điểm của khối phát xung PS PWM tích hợ p trên dsPIC30F2020 như sau:

- Khối PS PWM có 4 kênh phát xung vớ i 8 chân ra.

- Có thể có đến 4 kênh phát tần số độc lậ p.

- Độ phân giải lớ n ở xung PWM tần số cao : Có thể đạt tớ i 1.1 ns ở tốc độ 30MIPS.

- Hỗ tr ợ nhiều chế độ xung ra : Như chế độ xung PWM chuẩn, chế độ PWM bù,

chế độ Push-pull, chế độ nhiều pha (multi phase) và chế độ tần số khác nhau ở các

kênh độc lậ p.

- Mỗi kênh PWM có thể kích hoạt các bộ biến đổi ADC.

- Có thể cậ p nhậ p giá tr ị độ r ộng xung tức thờ i hoặc khi k ết thúc một xung PWM.

Để cấu hình cho khối PWM ta thực hiện thao tác trên các thanh ghi sau:

- Thanh ghi PTCON để bật hoặc tắt khối PWM và cấu hình sự kiện đặc biệt.- Thanh ghi PTPER dùng để xác định chu k ỳ xung chung cho các kênh PWM. Hoặc

PHASEx ở chế độ tần số độc lậ p cho kênh PWMx. Tùy theo cấu hình bit ITB ở thanh ghi PWMCONx mà PTER hay PHASEx đượ c chọn để tạo ra tần số xung.

- Thanh ghi PDCx xác định độ rộng xung cho từng kênh. Hoặc MDC để xác địnhđộ xung cho cả 4 k ênh. Tùy thuộc vào cấu hình bit MDCS ở thanh ghiPWMCONx mà PDCx hay MDC được chọn để tạo ra độ rộng xung.

- Các thanh ghi PWMCONx được dùng để cấu hình các khối PWM riêng biệt.

- Thanh ghi IOCONx đượ c sử đụng để điều khiển các chân PWM tương ứng.

- Thanh ghi DTRx và ALTDTRx tạo ra khoảng thờ i gian chết cho từng kênh tương

ứng.

Tần số xung PWM đượ c tính theo công thức sau :

ReferenceClock PLL 2PWM Switching Frequency =

, ASExPTER PH

(5.1)

7/22/2019 Tom tat K51



43

Trong đó PLL = 32. Do đó ta thấy có thể tạo đượ c xung PWM có tần số r ất cao vì

đượ c tích hợ p bộ nhân tần 32x.

Trong nội dung đề tài này để thực hiện đượ c các chức năng đã nêu trên, khối phát

xung PS PWM phải thực hiện những nhiệm vụ như sau : - Kênh PWM1 tạo ra xung PWM ở chế độ Push-pull vớ i tần số 100 kHz.

Đồng thờ i tạo ra sự kiện kích hoạt biến đổi đồng bộ vớ i bộ ADC.

- Kênh PWM2 tạo ra xung PWM ở chế độ bù vớ i tần số 10 kHz, và k ết thúc

mỗi xung tạo ra một ngắt để cậ p nhậ p giá tr ị độ r ộng xung theo bảng giá tri Sin đã tính

toán.

Chi tiết các chế độ PWM đượ c sử d ụng trong đồ án :

Chế độ xung PWM bù

Hình 5.2. Dạng xung PWM chế độ xung bù.

Chế độ xung PWM bù có 2 tín hiệu ra trong đó tín hiệu ra PWMxL là bổ xung cho tín

hiệu sơ cấ p PWMxH. Chế độ này đượ c ứng d ụng r ộng rãi trong các bộ biến đổi Buck

đồng bộ.Ở đây ta sử d ụng để phát xung cho bộ nghịch lưu. Một khoảng thờ i gian tr ễ đượ c

tạo ra để tránh hiện tượ ng trùng d ẫn.

Để kích hoạt chế độ xung bù thì chỉ cần đặt bit PMOD = (00)b trong thanh ghi

IOCONx.

Chế độ Push-Pull PWM :

7/22/2019 Tom tat K51



44

Hình 5.3. Dạng xung ở chế độ Push-Pull PWM.

Chế độ Pussh-Pull PWM có 2 tín hiệu ra, trong đó 2 tín hiệu có độ r ộng xung bằngnhau và thay đổi luân phiên nhau trong mỗi nửa chu k ỳ. Đây chính là một trong những

tính năng là ưu việt của dòng dsPIC30F SMPS mà ở các vi điều khiển khác không có

hoặc khó để tạo ra d ạng xung Push-Pull chuẩn.

Để kích hoạt chế độ xung Push-Pull ta chỉ cần đặt bit PMOD = (10)b trong thanh ghi

IOCONx.

Điểm cần chú ý khi lậ p trình là chu k ỳ của xung đượ c định ngh ĩ a chỉ bằng một nửa

chu k ỳ như tính toán ở các chương trướ c

Chế độ phát xung có tần số độc lậ p

Hình 5.4. Dạng xung PWM ở chế độ 4 kênh có tần số khác nhau.

7/22/2019 Tom tat K51



45

Dòng vi điều khiển dsPIC30F SMPS đượ c sử d ụng cho các bộ biến đổi khác nhau mà

yêu cầu tần số xung PWM khác nhau. Như trong đồ án này, vi điều khiển cần phải tạo ra

đồng thờ i 2 xung PWM có tần số khác nhau là 100kHz và 10kHz.

Để đặt xung PWM ở chế độ tần số riêng thì ta cần đặt bit ITB=1 trong thanh ghi

PWMCONx. Khi đó tần số xung PWM đượ c tạo ra bở i thanh ghi PHASEx.

5.1.3.Bộ biến đổi tương tự số ADC

Vi điều khiển dsPIC 30F2020 hỗ trợ bộ chuyển đổi ADC độ phân giải 10 bit. Với tốc

độ lấy mẫu cao, có thể đạt được đến 2Msps (2 triệu mẫu trong một giây). Đặc điểm của

ADC 10 bit tích hợp trong dsPIC30F2020 là :

- Có 12 đầu vào tương tự.

-

Có 5 kênh sample hold.- Có khả năng lấy mẫu đồng thời 5 đầu vào .

- Có chế độ tự động quét các đầu vào.

- Có thể có đến 16 lựa chọn đượ c nguồn khởi động chuyển đổi : PWM , timer1,

timer2…

- Cấu hình đượ c số lần chuyển đổi trướ c khi một ngắt xảy ra.

- Điện áp chuẩn bằng điện áp ở 2 chân AVDD và AVSS.

Khối ADC có một bộ đệm gồm 12 thanh ghi 16 bit từ ADCBUF0 đến ADCBUF11

dùng để lưu trữ k ết quả chuyển đổi.

Tổng thờ i gian chuyển đổi của bộ ADC là 12 chu k ỳ TAD, trong đó bộ ADC yêu cầu

2TAD để trích mẫu và 10 TAD để chuyển đổi. Thờ i gian chuyển đổi có thể đượ c lựa chọn

bằng cách lựa chọn bit ADCS trong thanh ghi ADCON

Một chu k ỳ AD là :R eferenceClock

10

*16 AD

T F

.

Nếu hoạt động ở tần số cao nhất thì: FReferenceClock = 15 MHz.

Theo công thức trên ta có TAD= 41,6 nsec . Như vậy tổng thờ i gian chuyển đổi của bộ

ADC là TTotal

= 12 * TAD

= 0,5 s. (tứ

c 2 Msps).

Lựa chọn chân vào Analog : Lựa chọn các đầu vào tương tự được sử dụng bằng cách

set các bit TRIS tương ứng với các chân lên mức 1 và sử dụng thanh ghi ADPCFG để cấu

hình các bit tương ứng để cấu hình chân ở chế độ đầu vào analog.

7/22/2019 Tom tat K51



46

Để giảm thiểu thờ i gian tr ễ, đồng bộ vớ i bộ biến đổi ADC và cậ p nhật giá tr ị độ r ộng

xung của PWM liên tục thì khối PS PWM có thêm chức năng khởi động bộ biến đổi

ADC. Mỗi một kênh phát xung PWM có thể tạo ra một sự kiện kích hoạt riêng.

Để xác định thời điểm kích hoạt bộ biến đổi ADC ta định ngh ĩa giá trị thanh ghi

TRIGx. Thời điểm kích hoạt chính là thời điểm thanh ghi đếm xung cơ bản PTMR (hoặc

ITMRx ở chế độ phát tần số độc lậ p) bằng vớ i giá tr ị TRIGx đã đặt.

Đồng thờ i bộ PWM cũng cho phép số lần biến đổi ADC trên một sự kiện kích hoạt là

1,2,…,8 lần bằng cách đặt bit TRGDIV<2:0> trong thanh ghi TRGCONx.

5.1.4. Khối truyền thông UART

Vi điều khiển dsPIC30F2020 hỗ tr ợ truyền thông nối tiếp không đồng bộ sử d ụng

cổng UART. Việc sử d ụng cổng UART cho phép vi điều khiển có thể giao tiế p vớ i cácthiết bị khác có cùng giao thức hoặc ghép nối vớ i cổng COM máy tính sau khi thực hiện

biến đổi tín hiệu vật lý nhờ IC MAX232 hoặc nối mạng các thiết bị nhờ IC MAX485.

Bộ điều khiển truyền thông UART của dsPIC30F2020 có các đặc điểm cơ bản như ở

các vi điều khiển khác.

Việc điều khiển cổng UART được thực hiện thông qua các thanh ghi sau:

- UxMODE: cấu hình các chế độ cổng UART.

- UxSTAT: thanh ghi tr ạng thái cổng UART.

- UxTXREG: thanh ghi điều khiển truyền.

- UxRXREG: thanh ghi điều khiển nhận.

- UxBRG: Thanh ghi chọn chế độ baud rate.

5.2.Thự c hiện chương trình trên vi điều khiển

5.2.1. Mô tả các chứ c năng điều khiển

Từ sơ đồ khối của hệ thống và phân tích ở các phần trên ta thấy vi điều khiển

dsPIC30F2020 làm nhiệm vụ đo lường và điều khiển cho cả hệ thống.

Về mặt điều khiển, vi điều khiển nhận tín hiệu phản hồi điện áp một chiều, thực hiện

bộ PID nhằm phát xung điều khiển các van Push-Pull. Tín hiệu điều khiển nghịch lưu

đượ c đưa ra d ựa trên tính toán bảng sin. Tín hiệu phản hồi dòng để thực thiện khầu giớ i

hạn dòng. Tín hiệu điện áp xoay chiều để giám sát và để phục vụ cho các bộ điều khiển

về sau.Các khâu ADC và PWM

7/22/2019 Tom tat K51



47

Về mặt giao tiế p ngoại vi, vi điều khiển hoạt động khi có tín hiệu Start từ nút bấm. Vi

xử lý truyền các tín hiệu điện áp và dòng phản hồi về qua khâu UART.

Để thực hiện đượ c các nhiệm vụ này, trong chương tr ình cũng sử d ụng trình ngắt của

các khối ngoại vi như sau:

Bảng 5.1: Các ngắt ngoại vi

Ngắt Điều kiện gọi ngắt Nhiệm vụ trong trình phục vụ ngắt

Ngắt ngoài INT0 Nút ấn Start đượ c nhấn. Thay đổi tr ạng thái biến Khoidong =1.

Ngắt PWM1Sau 8 xung PWM1.

(Sau 80 s).

Kích hoạt chuyển đổi ADC0, ADC1.

Ngắt PWM2 Sau mỗi xung PWM2.

(Sau 0.1 ms ).Tăng biến đếm bảng Sin lên 1.

Thay đổi độ r ộng xung PWM2 theo giá tr ị

bảng Sin.

Ngắt ADCBộ ADC hoàn thành

chuyển đổi .

(Tức chu k ỳ trích mẫu là

80 s).

Lưu giá trị điện áp thực.

Lưu giá trị dòng điện thực.

Tiến hành tính toán PID.

Thay đổi độ r ộng xung PWM1.

Ngắt Timer1

Ngưỡ ng tràn là 0.01s. Truyền d ữ liệu điện áp lên máy tính.

Tăng biến đếm ngắt lên 1.

Trong quá trình thực hiện nếu các ngắt xảy ra, thì con tr ỏ chương trình sẽ chuyển sang

thực hiện các chương tr ình ngắt tương ứng. Để tránh ngắt chồng trong quá trình thực hiện

cần tiến hành cài đặt các ngắt ở các mức độ ưu tiên khác nhau.

Để tránh xung áp trên van khi khở i động, ta thực hiện bộ khở i động mềm số: sau khi

ấn Start thực hiện tăng điện áp đặt theo 10 cấp, mỗi cấp cách nhau khoảng 4 giây.

Để thực hiện đế thờ i gian 4 giây, ta sử d ụng một biến đếm trong ngắt Timer1. Vớ i

mỗi lần ngắt là 0,01 giây, như vậy biến đếm cứ tăng lên 400 giá trị thì ta thay đổi lượ ng

đặt 1 cấp. Đến khi biến đếm đạt 4000 thì giá tr ị đặt điện áp là lớ n nhất.

5.2.2.Cấu hình các khối cho vi điều khiển

7/22/2019 Tom tat K51



48

Cấu hình khối phát xung PWM

o Kênh PWM1 phát xung PWM ở chế độ Push-Pull PWM vớ i tần số

100kHz. Có độ r ộng xung được thay đổi theo luật điều khiển PID và cho

phép kích hoạt khởi động chuyển đổi ADC0 và ADC1.

o Kênh PWM2 phát xung ở chế độ bù vớ i tần số 10kHz. Bộ PWM2 cho

phép ngắt sự kiện sau mỗi xung để thay đổi độ r ộng xung theo giá tr ị bảng Sin.

Cấu hình bộ biến đổi ADC:

o Sử d ụng 3 kênh AN0,AN1,AN2 để phục vụ cho việc đo các tín hiệu

phản hồi.

o Định d ạng d ữ liệu 16 bit không d ấu.

o Nguồn kích hoạt là PWM1.

o Cho phép sử d ụng ngắt ADC.

o Trong chương tr ình ngắt ADC thực hiện mạch vòng điều khiển điện áp.

Bộ định thờ i Timer1

o Thực hiện tạo ngắt sau mỗi 0,01s.

o Trong chương tr ình ngắt truyền d ữ liệu lên máy tính.

Khối giao tiế p truyền thông UART

o Tốc độ Baudrate là 38400

o Sử d ụng 1 bit stop, no priaty check.

5.2.3.Lưu đồ State Machine miêu tả hoạt động của vi điều khiển

Ta có lưu đồ tr ạng thái hoạt động của phần mềm điều khiển:

7/22/2019 Tom tat K51



49

Hình 5.5.Giản đồ State Machine mô tả hoạt động vi điều khiển

7/22/2019 Tom tat K51



50

5.2.4.Cài đặt bộ điều khiển PID số

Luật PID trên miền thờ i gian liên tục đượ c mô tả như sau:

0

1 ( )( ) ( ) ( )

t

D

i

de t U t K e t e d T T dt

Vớ i : Kp : Hệ số tỷ lệ (Hệ số khuyếch đại).

Ti : Hằng số thờ i gian tích phân.

TD : Hằng số thờ i gian vi phân.

Để tiến hành cài đặt các thuật toán điều khiển PID vào các vi điều khiển số, ta phải

thực hiện một bước đó là xấ p xỉ bộ điều khiển PID sang miền gián đoạn. Để thực hiện

xấ p xỉ, ta xấ p xỉ phép tính tích phân bằng công thức hình chữ nhật, xấ p xỉ thành phần vi

phân theo bậc 1.Công thức tính giá tr ị đầu ra của bộ điều khiển PID trong miền giánđoạn như sau:

1 1 1 2( ) ( 1) . . 2.s d

k k k k k k

i s

T T U k U k Kp e e e e e e

T T

Trong đề tài, chỉ sử d ụng bộ điều khiển PI nên khi đó, biểu thức tính giá tr ị bộ điều

khiển theo công thức truy hồi như sau:

Trong đó ta có chu kỳ trích mẫu đượ c chọn là : Ts = 8* TPWM= 80 (us)

Các tham số Kp , Ti là k ết quả d ựa trên việc tính toán tham số mạch vòng tại chương

2. Sau đó dựa trên k ết quả mô phỏng tiến hành hiệu chỉnh các tham số. R ồi cài bộ điều

khiển PID trên vi điều khiển dsPIC các tham số thực nghiệm như sau:

Kp=80; Ki=62,702.103=

Kp

Ti; Kd = 0 ;

Cài đặt các tham số của bộ điều khiển PID số bộ PID nằm trong file Main.c :

kCoeffs[0] = Kp;

kCoeffs[1] = Q15(Kp* s

i

T

T );

kCoeffs[2] = Kd = 0 ;

Hàm tính toán giá tr ị đầu ra của bộ PID được thực hiện trong ngắt của ADC.

1 1( ) ( 1) . .s

k k k

i

T U k U k Kp e e e

T

7/22/2019 Tom tat K51



51

5.2.5.Điều chế điện áp hình Sin

Trong phần nghịch lưu độc lập điện áp một pha ta đã biết để nâng cao chất lượng điện

áp đầu ra phần nghịch lưu ta sử d ụng phương pháp điều chế hình Sin (SPWM). Trong

quá trình điều chế người ta có 2 phương pháp :

- Phương pháp điều chế một cực tính.

- Phương pháp điều chế 2 cực tính.

Cách thực hiện 2 phương pháp đã đượ c nêu trong phần Nghịch lưu độc lập điện áp ở

chương 2. Ta có dạng phổ sóng hài điều chế một cực tính tốt hơn điều chế hai cực tính.

Tuy nhiên việc lậ p trình tạo ra xung một cực tính yêu cầu thuật toán lậ p trình phức tạ p

hơn và cần phải có 2 kênh phát xung PWM khác nhau trong mỗi nửa chu k ỳ. Nên ở đây

ta lựa chọn phương pháp điều chế SPWM 2 cực tính để thuận tiện cho việc lậ p trình.

Để thực hiện thuật toán SPWM hai cực tính ta tiến hành xây d ựng bảng Sin chứa giá

tr ị độ r ộng xung thay đổi theo luật hình Sin :

Các số liệu đã biết : Điện áp một chiều đầu vào nghịch lưu là E=350 (V).

Điện áp hiệu d ụng xoay chiều là : Uhd = 220 (V).

Tần số điện áp xoay chiều f u= 50 Hz.

Tần số xung PWM2 là f PWM = 10 kHz. Thanh ghi PHASE2 =

51200.

Điện áp xoay chiều hình Sin có d ạng: U(t) = 2 .Uhd Sin(2. . t

T ) (V)

Xung PWM theo thiết k ế có tần số 10 kHz hay TPWM= 410 (s).

Theo yêu cầu đầu bài ta có f=50 Hz thì T= 20 (ms) = 200. TPWM .

Do đó độ dài của bảng Sin là n = 200.

Giả sử tại thời điểm ti = i*TPWM thì xung PWM thứ i có độ r ộng xung là Di.

Ta có điện áp trung bình tại thời điểm Ti là : UTBi= (2 * Di -1) E (V).

Phương pháp điều chế SPWM 2 cực tính có đặc điểm là giá tr ị trung bình của điện áp

trong một xung PWM sẽ bằng giá tr ị tức thờ i của điện áp hình Sin cần điều chế.

Nên: UTBi= (2 * Di -1) E= 2 .Uhd Sin(2. .i

n) (V)

7/22/2019 Tom tat K51



52

2. 1

. (2. . )2. 2

hd i

U i D Sin

E n

Mặt khác giá tr ị độ r ộng xung được xác định bằng giá tr ị thanh ghi PDC2 trong vi

điều khiển : D =2

ASE2

PDC

PH . Thay vào biểu thức trên ta có công thức tính giá tr ị PDC2

như sau : 2. ASE2

2 . ASE2. (2. . )2. 2

hd U i PH

PDC i PH Sin E n

Thay số : 2 22757. (2. . ) 25600200

iPDC i Sin

Thay lần lượ t i =1÷200 ta có giá tr ị bảng sin.

Giá tr ị độ r ộng xung của xung PWM2 được thay đổi theo bảng Sin sau mỗi lần ngắt

của xung PWM2. Sau mỗi lần k ết thúc bảng Sin có độ dài 200 thì giá tr ị lại được đọc lại

từ đầu.

7/22/2019 Tom tat K51


Phụ lục

tom tat k51

Documents