Luận văn: Nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter, HOT

Mục tiêu của đồ án
1
Đồ án tập trung nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter phục vụ cho các
nguồn năng lượng phân tán với 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 lượng điện áp cao nhất là bộ
biến đổi hai giai đoạn như hình vẽ:
DC-DC DC-AC350-400V
DC24V DC
220V
AC
+
-
~
Vbus
Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ Inverter
Điện áp đầu vào 24V đi qua bộ điều áp một chiều được nâng lên 350-400V. Điện áp
này là đủ để thực hiện khâu nghịch lưu độc lập 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 được sử dụng rất phổ biến trong hoạt
động hàng ngày, với các ưu điểm về kích thước gọn nhẹ, chất lượng điện áp rất tốt và
hiệu suất cao.
Hình 1.4. Băm xung một chiều: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]

2
Mạch băm xung một chiều sử dụng các linh kiện điện tử công suất có thể điều khiển
hoàn toàn để tạo ra được điện áp có dạng 1 chiều ở đầu ra như ý muốn từ một điện áp 1
chiều đầu vào với tổn thất thấp nhất nhờ đặc tính giống như công tắc của các linh kiện
này : điện trở khi đóng bằng không và khi ngắt bằng vô cùng. Nhờ đó, về mặt lý thuyết,
thất thoát năng lượng bằng không.
Có thể thấy điện áp đầu ra của mạch băm xung có dạng nhấp nhô, nhưng nếu sử dụng
các linh kiện có tần số đóng cắt lớn cộng với mạch lọc phù hợp thì điện áp đầu ra sẽ có
dạng đường thẳng ở mức chấp nhận được cho hầu như tất cả các ứng dụng.
a.Phân loại:
Có 3 dạng mạch băm xung chính:
 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp (Buck Converter):
Buck converter hay còn gọi là step-down converter là mạch băm xung một chiều cơ
bản nhất, sử dụng một công tắc bán dẫn mắc nối tiếp băm xung điện áp vào, đưa vào bộ
lọc LC trước khi ra tải. Diode có nhiệm vụ dẫn 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 tiếp: 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 được 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:

3
Forward Converter, Push-Pull Converter, Half-Bridge Converter, Full-Bridge Converter.
Các loại mạch băm xung này sẽ được phân tích kỹ 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 được mắc song song với điện áp vào.
Khi S đóng, năng lượng được tích trữ vào cuộn cảm, đồng thời diode D khóa. Khi S
khóa, D dẫn và năng lượng này được truyền đến đầu ra.
Hàm truyền của Boost Converter : out
in
V 1
=
V 1 - D
Boost Converter không có dạng có biến áp cách ly.
 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp-song song (Buck- Boost Converter):

4
Hình 1.7. Băm xung một chiều nối tiếp-song song: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]
Buck-Boost Converter kết hợp khả năng của Boost Converter và Buck Converter khi
có thể tạo ra điện áp ra lớn hơn hoặc bé hơn điện áp vào trong một khoảng cho phép. Khi
S đóng, dòng điện nạp năng lượng cho cuộn cảm L, diode D khóa. Lúc S khóa, D dẫn
dòng 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 dạng 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
với nhiệm vụ san bằng điện áp ra. Tác dụng của LC có thể được hiểu theo nguyên tắc:
chúng nạp năng lượng khi S đóng và giải phóng năng lượng này khi S ngắt nhằm duy trì
năng lượng cho tải. Trong đó, cuộn cảm L đóng vai trò giữ cho dòng không đổi để đầu ra
có dạng 1 chiều. Khi được cấp nguồn , dòng qua L không tăng đột ngột mà tăng dần theo
hiện tượng cảm ứng điện từ và khi ngắt ra khỏi nguồn, dòng cũng giảm dần.
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 trị
Ivalley đến giá trị Ipeak rồi lại giảm xuống Ivalley khi S khóa. Do dòng không bao
giờ về 0 nên chế độ này được gọi là chế độ dòng liên tục.
- Chế độ dòng gián đoạn (DCM-discontinuous conduction mode): IL tăng từ 0
đến Ipeak khi S đóng và khi S khóa, dòng giảm về 0 trước khi S đóng lại trong
chu kỳ tiếp 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 nạp lại cho L, tức là năng lượng của L sẽ được
giải phóng hết trước chu kỳ tiếp theo.
Những tính toán cụ thể cho thấy rằng việc lựa chọn L sẽ ảnh hưởng đến chế độ dòng
điện qua nó. Có một giá trị Lb để xác định ranh giới hai chế độ CCM và DCM.
1.4.3. Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

5
Ngày nay, khi công nghệ chế tạo và điều khiển các vân bán dẫn điều khiển hoàn toàn
đã hoàn chỉnh rất nhiều nên trong nghịch lưu nguồn áp người ta chỉ sử dụng các van điều
khiển hoàn toàn như IGBT, MOSFET, BJT, GTO.
C1 Q1
Q2
D1
D2
C2
E
Iin
Iout
Cin
Q1
Q2
Q3
Q4
D1
D2
Iin
Iout
E
Hình 1.8. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp
Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp phổ biến trong thực tế bao gồm 2 loại nghịch lưu với
nguyên lý hoạt động tương tự nhau: bán cầu và nghịch lưu cầu. Trong đó, nghịch lưu cầu
đơn giản và dễ thực hiện hơn. Ta sẽ xem xét hoạt động của nghịch lưu điện áp hình cầu.
Với phương pháp điều chế thông thường, các van sẽ đóng mở theo cặp, cặp Q1 và Q4
mở trong một nửa chu kỳ và đóng trong một nửa chu kỳ còn lại, cặp Q2 và Q3 hoạt động
ngược lại với cặp Q1 và Q4. Kết quả sẽ có điện áp dạng xung chữ nhật như hình vẽ
Hình 1.9. Dạng xung nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha
Nếu tải có tính chất cảm thì dòng điện không thay đổi lập tức về chiều và độ lớn khi
điện áp thay đổi. Điều đó tạo ra những khoảng thời gian mà năng lượng được trả về và

6
tích vào tụ Cin, ứng phần dòng điện âm trên đồ thị. Trên phần này, các cặp điốt sẽ thay
van dẫn 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… với biên độ lần lượt là 4E/π, 4E/3π, 4E/5π. Với phụ tải yêu cầu hình
sin, chúng ta phải thiết kế các bộ lọc để lọc các sóng hài bậc cao. Tuy nhiên các bộ lọc
này có kích thước rất lớn và chưa tối ưu.
Trên thực tế để cải thiện chất lượng điện áp và giảm kích thước bộ lọc, người ta sử
dụng các phương pháp nghịch lưu khác như phương án điều chỉnh điện áp đầu vào, thay
đổi độ rộng xung hoặc cộng điện áp nhiều bộ nghịch lưu. Phương án điều chế dộ rộng
xung PWM là phương án tối ưu và được sử dụng rộng rãi hiện nay.
1.4.4.Phương pháp PWM để nâng cao chất lượng điện áp nghịch lưu
Phương pháp PWM có những ưu điểm vượt trội sau so với các phương pháp khác:
- Vừa điều chỉnh được điện áp, vừa điều chỉnh được tần số
- Điện áp đẩu ra rất gần hình sin với kích thước 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 rộng xung là so sánh một sóng sin chuẩn có
tần số như tần số mong muốn với một điện áp răng cưa tần số cao, cỡ 2÷10hHz. Có 2
dạng đơn giản của phương pháp là điều chế 1 cực tinh và 2 cực tính. Theo dạng điện áp
một cực tính, trong những khoảng điện áp sin chuẩn cao hơn răng cưa, điện áp ra tải là
+E, trong các khoảng còn lại điện áp ra tải là 0. Với phương pháp hai cực tính, các điện
áp này lần lượt là +E và –E. Ta có thể thấy rõ ở đồ thị:

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 cặp van vẫn thực hiện đóng mở
ngược nhau trong một chu kỷ sóng sóng mang, trong những khoảng điện áp sin chuẩn
cao hơn răng cưa thì cặp Q1-Q4 dẫn và ngược lại thì cặp Q2 –Q3 dẫn.
Để thực hiện phương pháp điều chế một cực tính, một van trong mỗi cặp sẽ dẫn trong
suốt một nửa chu kỷ sóng điều chế, van còn lại sẽ thực hiện đóng mở theo so sánh sóng
mang và sóng sin chuẩn.
Để đơn giản trong điều khiển, ta lựa chọn phương án hai cực tính.
Ta thấy, trong một chu kỳ sóng mang,mạch sẽ dẫn điện áp +E trong 1 khoảng thời
gian DTm, với D là độ mở van cặp Q1-Q4, Tm là chu kỳ sóng mang đồng thời dẫn điện áp
–E trong thời gian (1-D).Tm. Giá trị điện áp ra trung bình trong chu kỳ sóng mang đó là:
Utb =
mT
m m
m m0
1 E.D.T E.(1 D).T
U(t)dt
T T
 
  E(2D-1)
Giá trị biên độ của điện áp ra sẽ ứng với giá trị độ mở van lớn nhất.
Trong các chương tiếp theo ta sẽ thực hiện tính toán cụ thể để thiết kế bộ nghịch lưu
qua hai giai đoạn.
Chương 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.

8
Chương 3 sẽ phân tích và tính chọn bộ nghịch lưu độc lập điện áp, mô phỏng bộ
nghịch lưu và hệ thống tổng thể.
Chương 4 sẽ xây dựng mạch thực nghiệm qua các bước.
Chương 5 sẽ tìm hiểu về phần mềm trên vi xử lý.
Cuối cùng, chương 6 là các kết quả thực nghiệm.

Thiết kế mạch lực khâu DC-DC
9
Chương 2
THIẾT KẾ MẠCH LỰC KHÂU DC-DC
2.1.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)
Với 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 kế thông
thường, 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 kế như sau:
Bảng 2-1: Số liệu yêu cầu thiết kế bộ điều chỉnh DC-DC
Đại lượng Ký hiệu Giá trị
Điện áp vào VDC 24V
Điện áp vào cao nhất VDC max 28V
Điện áp vào thấp nhất VDC min 20V
Điện áp ra Vout 350V
Công suất đầu ra PO 1000W
2.2.Phân tích và lựa chọn phương án bộ DC-DC
Từ yêu cầu thiết kế của bộ băm xung một chiều ta thấy băm xung là bộ tăng áp với hệ
số tăng áp khá lớn: Vout/Vin = 14,6. Cộng với công suất lớn 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 cấp
một hệ số nâng áp thích hợp 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

10
2.2.1.Flyback Converter
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý Flyback Converter và đường cong từ hóa [4]
Flyback converter được phát triển từ Buck-Boost Converter, với thành phẩn cuộn cảm
tích lũy năng lượng được thay bằng cuộn sơ cấp của máy biến áp. Máy biến áp được đấu
ngược đầu như hình vẽ. Điốt D được nối vào sau cuộn thứ cấp để dẫn dòng 1 chiều.
Hình 2.2. Đồ thị dòng và áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp [4]
Khi khóa Q1 thông trong thời gian ton, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp máy biến áp.
Cuộn cảm trong mạch không cho dòng tăng đột ngột mà tăng dần theo tỉ lệ dI/dt =

11
VDC/LP.Ở phía thứ cấp, do cực Anode của D được nối vào đầu âm của cuộn thứ cấp (máy
biến áp mắc ngược) nên D khóa, cuộn thứ cấp không có dòng điện. Điện áp đầu ra được
duy trì nhờ tụ Co.
Khi Q1 khóa, để đảm bảo không thay đổi dòng đột ngột trên cuộn sơ cấp, điện áp trên
cuộn sơ cấp ngay lập tức bị đảo ngược, và trên cuộn thứ cấp điện áp cũng đảo chiều, dẫn
đến việc D phân cực thuận và điện áp trên cuộn thứ cấp lúc này bằng điện áp ra Vout và
cuộn sơ cấp sẽ cảm ứng một điện ápVr = Vout.n với n là hệ số biến áp.Dòng qua cuộn thứ
cấp giảm dần và sẽ về 0 hoặc một giá trị dương tùy vào chế độ dòng điện.
Vr được gọi là điện áp phản xạ, nhằm nói đến việc điện áp trên cuộn thứ cấp đã gây ra
điện áp trên cuộn sơ cấp. 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 đường cong B-H.
2.2.2.Forward Converter
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý Forward Converter và đường cong từ hóa [4]
Forward Converter được phát triển từ Buck Converter, biến áp chỉ đơn thuần đóng vai
trò truyền dẫn năng lượng. 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 lượng qua đó giữ ổn định dòng và áp
đầu ra.
Cuộn dây thứ 3 của máy biến áp được gọi là cuộn reset có mục đích dẫn dòng từ hóa
khi Q1 khóa và giảm dần nó về 0 để tránh bão hòa từ.
Khi Q1 dẫn, điện áp VDC được đưa vào cuộn sơ cấp và truyền qua cuộn thứ cấp, D2
dẫn và D3 khóa, điện áp thứ cấp được đưa đến tải. Dòng trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp
tăng dần.

12
Khi Q1 khóa, điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp đều đổi dấu, D2 khóa và D3 dẫn,
điện áp ở điểm B về 0 như hình vẽ, điện tải được duy trì nhờ năng lượng ở tụ điện. Lúc
này D1 cũng dẫn dòng trên cuộn sơ cấp và giảm dòng đó dần xuống 0. Tỉ số vòng dây
cuộn reset và cuộn sơ cấp được chọn sao cho dòng từ hóa trong mạch giảm về không
trước mỗi chu kỳ mới.
Hình 2.4. Điện áp và dòng trên cuộn sơ cấp và thứ cấp 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 đường B-H.
2.2.3.Push-Pull Conveter
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý Push-Pull Converter và đường cong từ hóa [4]
Push-Pull Converter được phát triển từ Forward Converter với cải tiến để biến áp
được từ hóa theo 2 chiều. Biến áp sơ cấp có 2 cuộn dây quấn cùng chiều và nối vào 2 van

13
Q1, Q2 như hình vẽ.Bên thứ cấp cũng có 2 cuộn dây đấu trung tính và nối với các điện
trở nắn dòng D1 và D2 Các vòng dây bên sơ cấp có số vòng bằng nhau, tương tự ở bên
thứ cấp.
Các van được lần lượt đóng mở trong mỗi nửa chu kỳ. Do đó độ mở van D không
vượt quá 0,5.
Khi Q1 dẫn, điện áp VDC được đưa vào mạch theo chiều âm, điện áp này truyền sang
phía thứ cấp và làm D1 dẫn, D2 khóa và một điện áp dương được đặt vào điểm A.
Khi Q2 dẫn, quá trình diễn ra theo chiều ngược lại như trên hình 2.6.
Phần thứ cấp của máy biến áp bao gồm 2 cuộn sơ cấp 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 cấp thành điện áp 1 chiều ở A. Chúng có thể được thay bằng bộ chỉnh lưu cầu,
lúc đó thứ cấp 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 được 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 cấp đảo chiều và được chỉnh lưu ở bên thứ cấp như hỉnh 2.8.

14
Hình 2.7.Sơ đồ nguyên lý Half-Bridge Converter và đường cong từ hóa [4]
Ở Half-Bridge Converter điện áp sơ cấp được tạo ra bằng cách đưa hai điện áp VDC/2
trên hai tụ điện lần lượt vào cuộn sơ cấp theo 2 chiều. Do đó mạch chỉ cần một cuộn sơ
cấp nhưng cần thêm 2 tụ điện điện dung lớn.
Phía bên thứ cấp 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 được 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 cấp đảo chiều và được chỉnh lưu ở bên thứ cấp.

15
Hình 2.9.Sơ đồ nguyên lý Full-Bridge Converter và đường cong từ hóa [4]
Ở Full-Bridge Converter cũng chỉ có một cuộn sơ cấp. Các van Q1, Q4 cùng dẫn hoặc
cùng khóa ngược với cặp Q2. Q3. Khi Q1, Q4 dẫn, điện áp VDC được đưa vào mạch theo
chiều dương và khi Q2, Q3 dẫn, điện áp VDC được đưa vào theo chiều âm. Do đó bên sơ
cấp 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 được từ hóa theo 2 chiều như trên hình 2.7.
2.2.6. Nhận xét và lựa chọn phương án
Từ các phương án đã phân tích ở trên ta rút ra các nhận xét quan trọng về các phương
án sau đây:

16
- Ở Flyback và Forward Converter, biến áp hoạt động chỉ trên góc phần tư thứ
nhất của đường cong B-H. Như vậy với dòng điện lớn như trong yêu cầu thiết
kế, rất dễ xảy ra hiện tượng bão hòa từ, làm cho mạch không hoạt động đúng.
Để tránh hiện tượng này, chỉ có biện pháp tăng kích thước máy biến áp, điều
đó lại dẫn đến mạch cồng kềnh và có giá thành cao. Như vậy ta không sử dụng
hai dạng mạch trên trong thiết kế này.
- Các dạng mạch còn lại bao gồm Push-Pull, Half-Bridge và Full-Bridge đều có
máy biến áp được từ hóa theo hai chiều. Nguyên tắc hoạt động của chúng
giống nhau: tạo ra điện áp đảo chiều trên sơ cấp biến áp và chỉnh lưu chúng ở
phía thứ cấp. Trên thực tế các mạch này đều đã được sử dụng trong các thiết kế
tương tự và đều đạt hiệu suất tốt ([2]).
Ta sẽ xét các yếu tố còn lại bao gồm độ phức tạp khi thực hiện mạch và điều khiển
cũng như giá thành để quyết định chọn dạng mạch phù hợp:
- Mạch Push-Pull cần 2 cuộn sơ cấp. Tuy nhiên trong mạch nâng áp số vòng dây
thứ cấp rất bé nên đây không phải là một nhược điểm. Khi xem xét kỹ ta thấy
các van phải chịu được điện áp là 2VDC nhưng do VDC không lớn nên có thể
chọn được các loại van dễ dàng đáp ứng yêu cầu này.
Mặt khác, hai van đều ở phía thấp nên rất dễ 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 trị điện dung lớn, 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 thấp và phía cao.
- Mạch Full-Bridge chỉ có một cuộn sơ cấp nhưng lại có 4 van.
Mạch điều khiển của Full-Bridge là phức tạp nhất khi có cần điều khiển 4 van
ở phía thấp và phía cao.
Như vậy ta lựa chọn mạch DC-DC theo nguyên tắc của Push-Pull Converter với ưu
điểm lớn nhất là điều khiển đơn giản và mạch phẩn cứng không quá phức tạp.
Một vấn đề khác cần được xem xét là dạng mạch chỉnh lưu ở phía thứ cấp. Như đã
phân tích ở trên, phía thứ cấp ta có thể dùng mạch chỉnh lưu hình cầu hoặc hình tia:
- Với mạch chỉnh lưu hình tia, ta phải dùng 2 cuộn thứ cấp ở máy biến áp. Với
số vòng dây lớn ở thứ cấp thì biến áp sẽ có kích thước lớn và rất khó quấn.
Mặt khác, các điốt phải chịu điện áp ngược bằng 2 lần điện áp đỉnh trước chỉnh
lưu. Điện áp này có thể lên tới cỡ 1000V.
- Với mạch chỉnh lưu cầu, chỉ cần 1 cuộn thứ cấp, sẽ giảm kích thước biến áp.

17
Mặt khác, mỗi điốt chỉ phải chịu điên áp bằng điện áp đỉnh trước chỉnh
lưu.Tuy phải cần 4 điốt, nhưng điốt này rất dễ tìm và giá thành thấp.
Như vậy ta lựa chọn phương áp chỉnh lưu hình cầu.
Kết luận: mạch được lựa chọn là mạch theo nguyên tắc Push-Pull và chỉnh lưu hình
cầu như hình vẽ:
LoadCo
Lo
Vdc Q1 Q2
D1
D2
D3
D4
Hình 2.11.Sơ đồ nguyên lý được lựa chọn
2.3.Tính chọn các phần tử mạch lực
2.3.1.Phân tích cụ thể hoạt động của mạch
Mạch trên hình 2.11 được phân tích cụ thể để làm có sở tính chọn thiết bị.
Hình 2.12. Chu kỳ của tín hiệu điều khiển van
Các van hoạt động chỉ trong 1 nửa chu kỳ, không bao giờ đóng mở cùng nhau và có
một khoảng thời gian cả hai van cùng đóng.
a.Giai đoạn Q1dẫn, Q2 khóa:

18
Khi Q1 dẫn, đầu không có chấm có điện áp dương hơn đầu có chấm. D2, D3 khóa và
D1,D4 dẫn. Với giả thiết số vòng dây trên mỗi cuộn sơ cấp là như nhau (NP1 = NP2), ta có
điện áp trên mỗi cuộn sơ cấp:
VP = -(VDC – VQ1,on) (2.2)
VQ1,on là điện áp rơi trên van Q1 khi dẫn.
Điện áp đặt lên van Q2:
VQ2,off = 2VDC - VQ1,on (2.3)
Dòng điện từ hóa :
  DC Q1,on
M
M
-V +V
I t =
L
(2.4)
LM là điện cảm cuộn sơ cấp
Dòng điện từ hóa được tính xuất phát từ công thức LdI/dt =UL
Điện áp trên cuộn thứ cấp:
s
S P DC Q1,on
P
N
V =V /n =- (V -V )
N
(2.5)
Trên cuộn cảm LO sẽ xuất hiện điện áp tự cảm, điện áp này được tính theo mối quan
hệ với các điện áp còn lại:
VL = (VDC - VQ1,on)/n - 2VD,on - Vout >0 (2.6)
Dòng điện qua cuộn cảm được rút ra từ công thức LdI/dt =UL:
IL(t) = IL(0) + VL .t/LO (2.7)
Ta thấy dòng tải tăng trong giai đoạn này.
b.Giai đoạn Q2 dẫn, Q1 khóa:
Khi Q2 dẫn, đầu có chấm có điện áp dương hơn đầu không có chấm. D1,D4 khóa và
D2, D3 dẫn. Tương tự như trên, ta có điện áp trên mỗi cuộn sơ cấp:
VP = VDC – VQ2,on (2.8)
VQ2,on là điện áp rơi trên van Q2 khi dẫn.
Dòng điện từ hóa :

19
  DC Q2,on
M
M
V - V
I t =
L
(2.9)
Điện áp trên cuộn thứ cấp:
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 đoạn Q1 và Q2 cùng khóa:
Trong 1 chu kỳ hoạt động của mạch có 2 khoảng thời gian cả Q1 và Q2 cùng đóng
(TR)
Điện áp trên mỗi van:
VQ = VDC (2.13)
Tuy nhiên, trong quá trình chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng 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 rất lớn, làm điện áp trên van tăng đột ngột trước khi đạt giá trị VDC.
Ở phía sơ cấp, khi một van đang dẫn chuyển sang khóa, dòng điện trong cuộn cảm LO
sẽ tiếp tục đi theo chiều trước đó, các điốt sẽ dẫn 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 dạng răng cưa với giá trị trung bình
IO,av,nom.
Từ phân tích như trên ta có dạng đồ thị dòng và áp trên các phần của mạch.

20
2.3.2. Dạng điện áp và dòng điện trên mạch
Hình 2.13. Dạng điện áp và dòng điện bên phía sơ cấp [4]
Ta thấy rằng các van chịu điện áp cực đại vào khoảng 2VDC nếu như không kể đến
xung điện áp khi chuyển trạng thái từ khóa sang dẫn. Ta có thể khắc phục điện áp này
bằng cách sử dụng mạch snubber để không cho dòng qua cuộn cảm giảm quá nhanh.
Dòng vào Iin có thể thu được bằng cách chồng chập 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 dựa trên 2 giả thiết sau:
- Trong chế dộ dòng liên tục, dòng điện cuối giai doạn TR bằng dòng điện đầu giai
đoạn TON và ngược lại.
- TR+TON = T/2
Từ đó rút ra: Vout = 2 VDC.D/n với D = TON/T
Dễ dàng nhận thấy rằng, do có 2 xung đồng thời hoạt động trong một chu kỳ PWM
nên D có giới hạn trên là 50%. Hoặc từ công thức trên có thể đưa ra công thức Dmax dựa
trên điện áp vào cực tiểu VDC,min (bỏ qua VQ1,ON):

21
Dmax = out
DC,min
n.V
2V
(2.16)
Hình 2.14. Dạng điện áp và dòng điện bên thứ cấp [4]
Ta thấy đòng điện qua cuộn sơ cấp và thứ cấp có dạng răng cưa nhấp nhô. Ta có thể
tính gần đúng giá trị hiệu dụng 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 dụng nguyên tắc của Push-Pull Converter
để nâng áp.
2.3.3.Tính chọn các phần tử mạch lực
Ta lần lượt tính các giá trị theo trình tự sau đây
 Chọn tần số băm xung:
Tần số băm xung là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến các thiết bị trong mạch.
Tần số băm xung càng cao, càng tiết kiệm về kích thước cũng như giá thành mạch.
Tần số băm xung được lựa chọn ở đây là 100kHz, tần số này sẽ làm giảm độ lớn của
máy biến áp cũng như các thành phần lọc đầu vào và đầu ra.

22
 Chọn giá trị Dmax
Dmax là giá trị rất quan trọng để tính toán các đại lượng trong mạch. Như đã nói ở trên
Dmax không vượt quá 50%. Ở đây ta chọn Dmax = 0,45.
 Dòng điện bên phía sơ cấp
Ta có công suất đầu vào được tính theo công thức:
PI = VDCIP,mr.2Dmax (2.17)
Công thức này có thể dễ dàng suy ra từ đồ thị hình 2.13.
Mặt khác: PO = PI (2.18)
Với là hiệu suất mong muốn, ở đây tạm lấy 0,85%
Từ 2 công thức này suy ra dòng điện trung bình:
Ip,mr = PO/ (2 VDCDmax) (2.19)
Thay số ta có IP,mr = 61,72 A
Dòng vào hiệu dụng có thể được tính gần đúng theo công thức:
in,RMS P, mr maxI =I 2D =58,55A
Công thức này có thể rút ra từ dạng dòng điện theo đồ thị 2.13
 Chọn van
Cũng từ đồ thị 2.13, ta có công thức dòng hiệu dụng lớn nhất qua MOSFET:
Q,RMS P, mr maxI =I D =41,4A
Điện áp lớn nhất trên MOSFET như đã nói ở trên, có giá trị bằng 2VDC. Trong thiết
kế, các tài liệu thường sử dụng hệ số an toàn 1,3. Ta có:
VQ,max = 2.6 VDC,max (2.20)
Rút ra VQ, max= 72,8 V
Van được chọn là các van điều khiển được hoàn toàn chịu được tần số cao. Sau khi
tham khảo thị trường ta lựa chọn van IRF8010 với UDS = 100V, IDS = 80A
 Dòng điện bên thứ cấp máy biến áp

23
Dạng dòng điện đi qua cuộn cảm đầu ra được miêu tả ở hình 1.8. Ta có giá trị dòng
điện trung bình:
O
O, av,nom
O
P
I = =2,86A
V
Do đó dòng hiệu dụng qua cuộn thứ cấp:
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 dụng công thức 2.16 ta rút ra được n= NP/NS = 1/19.
Dòng hiệu dụng đầu vào sơ cấp cũng là dòng hiệu dụng MOSFET tức là 41,4A.
Dòng hiệu dụng 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 kế tham khảo [2] và [5], với lõi sắt ferit có tiết điện lõi
3,5cm2
.
Biến áp hoạt động trên 2 góc phần tư của đường cong B-H với tần số cao, 100kHz ta
lấy độ biến thiên cường độ từ trường lớn nhất là 0,15 Tesla
Theo tài liệu [6], số vòng dây sơ cấp:
NP = 1.
.
x
c
t U
B S
(2.21)
Với tX là độ rộng 1 xung, tx = Dmax.T = 4,5.10-6
s
U1 là điện áp sơ cấp, ở đây lấy là VDC
Rút ra NP = 2 vòng. Suy ra NS = NP/n = 38 vòng.
Với dòng hiệu dụng đẩu ra là 1,92 A, ta chọn dây sơ cấp là dây đồng có đường kính
1,5mm. Bên sơ cấp ta dùng dây có đường kính 3mm.
Biến áp được quấn bằng tay và đã được thử nghiệm hoạt động tốt.
 Chọn điốt chỉnh lưu với phương án chỉnh lưu cầu:
Với phương án chỉnh lưu hình tia điện áp ngược lớn nhất là 2 lần điện áp chỉnh vào
chỉnh lưu:

24
đ ố = N.VDC, max=532V
Dòng điện qua mỗi điốt bằng 1 nửa dòng trung bình:
O, av,nom
diode
I
V = =1,43A
2
Điốt được lựa chọn có nhãn hiệu SF58 có thông số I = 5A, Vng, max =800V
 Chọn cuộn cảm đầu ra:
Độ lớn của cuộn cảm quyết định độ phẳng của dòng điện đầu ra, khi cuộn cảm đủ lớn,
mạch sẽ hoạt động ở chế độ CCM
Trong thiết kế này ta chọn chế độ dòng CCM với độ nhấp nhô là 15%. Rút ra giá trị
dòng nhấp nhô ∆I = 0,15. IO,av, nom = 0,43A
Công thức tính L:
on,max
DC O
t
L (N.V V )
I
 

(2.22)
ton, max là thời gian mở lớn nhất trong 1 chu kỳ
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 gấp đôi tần số PWM (xem hình 1.8)
Ta chọn loại điện cảm 1,5 mH có bán trên thị trường
 Chọn tụ lọc đầu ra
Tụ điện đầu ra quyết định độ nhấp nhô của điện áp. Giá trị của nó được tính theo công
thức ([1]):
2O
s
O
(1-2D)V1
C T =1,53μF
32 ΔV L

∆VO là giá trị điện áp nhấp 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 trị IO và được đưa ra tải, thành phần biến thiên
chủ yếu chạy trong tụ điện và gây ra 1 điện áp trên điện trở ký sinh của tụ
Do đó,điện trở ký sinh của tụ phải nhỏ hơn :

25
O
ERS,max
O
ΔV 0,35
R = = =0,12Ω
I 2,86
2.2.4. Mạch bảo vệ đóng mở van và điốt
a. Mạch đệm cho van
Như đã phân tích, khi đóng ngắt van chịu điện áp tối đa là 2 VDC. Tuy nhiên khi
chuyển từ trạng thái dẫn sang khóa, trên van sẽ xuất hiện một xung điện áp có giá trị rất
lớn. Điều nay là do cuộn sơ cấp biến áp có một giá trị điện cảm nhất định, khi dòng qua
nó đột ngột bị ngắt sẽ xuất hiện một điện áp tự cảm rất lớn đặt lên MOSFET (xem hình
2.13).
Để khắc phục điều này, ta sử dụng mạch đệm hỗ trợ đóng mở, gọi là Snubber, nhằm
cung cấp một con đường để dòng điện giảm dần trước khi về 0, hoặc nói cách khác là giải
phóng năng lượng trên cuộn sơ cấp khi nó bị ngắt khỏi mạch. Mạch snubber còn cho
phép giảm tổn thất khi chuyển mạch.
Có hai dạng 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 hơn
Hình 2.15. Mạch đệm RCD
Hình 2.15 là mạch đệm RCD, cuộn cảm ở đây đại diện cho cuộn sơ cấp của máy biến
áp.
Mạch đệm RCD hoạt động theo nguyên tắc: khi Q khóa, điốt sẽ dẫn dòng đang chạy
trong mạch và nạp năng lượng cho tụ, điện áp tụ tăng dần đến cực đại là VDC. Năng
lượng này sau đó được giải phóng trên R qua van khi Q dẫn.
Giá trị điện dung được tính theo công thức [6]:

26
Cs = I.ts/4.Eo (2.23)
Với: I là dòng chạy qua van trước lúc đóng, I = IP = 61,72A
ts là thời 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 trở được tính để có thể giải phóng hết năng lượng khi van dẫn. Thời gian van
dẫn nhỏ nhất ton, min được lấy là 0,1T = 1µs. Ta có:
Rs = ton,min/2Cs = 5Ω
Công suất của điện trở này:
PR = 0,5f.Cs.EO
2
= 2,88W ≈3W
Như vậy ta chọn loại điện trở 5Ω,3W
b. Mạch bảo vệ cho điốt
Khi điốt chỉnh lưu chúng liên tục chuyển trạng thái dẫn dòng theo các giai đoạn của
mạch: từ dẫn toàn bộ dòng tải đến đẫn ½ dòng tải và chuyển sang khóa hoàn toàn. Mỗi
khi chuyển trạng thái dẫn, điện áp trên chúng sẽ có những xung nhảy vọt rất nguy hiểm.
Mạch RC mắc song song với điốt sẽ hạn chế tốc đọ tăng điện áp bảo vệ cho điốt.
Tính toán giá trị của mạch RC khá phức tạp, ở đây ta sừ dụng số liệu từ các thiết kế
tham khảo [4] và [5], chọn R có giá trị 1kΩ 3W và C là 150pF
Hình 2.16. Mạch RC bảo vệ điốt
2.3. Điều khiển mạch DC-DC
Ta sử dụng phương pháp điều khiển điện áp để điều khiển mạch DC-DC. Điện áp
được phản hồi về với hệ số phản hồi kph = 0,01. Bộ điều khiển được sử dụng là bộ PI.
Việc xác định hàm truyền của hệ thống có các phần tử đóng cắt rất phức tạp nên trong
phạm vi của đồ án tốt nghiệp này ta sử dụng phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols
thứ nhất để xác định hệ số KP, KI của bộ điều khiển.

27
Nội dung của phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất là dựa trên đồ thị hàm quá độ
của đối tượng điều khiển, ta đưa ra dạng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ của nó
với dạng:
( )
1
Ls
ke
G s
Ts


 (2.24)
Với hàm quá độ h(t) có dạng chữ S, các tham số k,L,T được xác định xấp xỉ như sau:
- k là giá trị tới hạn
- Kẻ tiếp tuyến của h(t) tại điểm uốn của nó, L sẽ là hoành độ của giao điểm giữa
tiếp tuyến đó với trục hoành và T sẽ là khoảng thời gian cẩn thiết để tiếp tuyến
đi được từ giá trị 0 đến giá trị k.
Hình 2.17. Đồ thị xấp xỉ hàm quá độ theo phương pháp Ziegler-Nichols
Trên cơ sở các thông số này, ta dựa trên các công thức được đề xuất bời 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
Kp 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 dụng điện
áp đặt có dạng bước 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:

28
Hình 2.18. Xấp xỉ hệ thống DC-DC về khâu quán tính bậc nhất có trễ
Từ đồ thị trên ta tìm được: L=0,35.10-4
s, T=0,85.10-4
s
K=
387
0,97
400
dapung
dat
U
U
 
Từ bảng 2.2 ta rút ra được: Kp=8.75, KI=62,7.103
.
Hình 2.19. Mô phỏng kiểm nghiệm các thông số bộ PI
Từ mô phỏng ta thấy với bộ PI đã chọn hệ thống đáp ứng nhanh, đội quá điều chỉnh
nhỏ (<10%).Như vậy bộ PI này hoạt động tốt với hệ thống.
2.4. Mô phỏng bộ DC-DC

29
Trong đồ án này, ta sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng hệ thống. Thư
viện Powersim system cung cấp cho ta các mô hình của các phần tử điện tử công suất
thông dụng. Mặc dù Simulink không thể cung cấp cho ta các thông số chính xác như các
phần tử thực tế nhưng nó lại có ưu điểm về khả năng tích hợp mô phỏng các hệ thống
điều khiển.
2.4.1. Mô hình mạch trên Simulink.
Bộ DC-DC được mô phỏng gồm 2 khối chính:
Khối mạch lực được xây dựng với các phần tử có thông số dựa trên tính toán ở trên.
Hình 2.20. Mô phỏng khối mạch lực
Khối điều khiển với 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 được đưa qua bộ điều khiển
PI, qua khâu giới hạn để đưa ra điện áp so sánh với xung răng cưa có tần sô 100kHz, từ
đó đưa ra tín hiệu điều khiển hai van

30
Hình 2.21. Mô phỏng khối điều khiển
Điện áp đặt trong mô phỏng này là 400V, ta sử dụng 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. Kết quả mô phỏng điện áp trên mosfet
 Dòng qua mosfet:

31
Hình 2.23. Dòng qua mosfet
Ta thấy với thông số của mạch snubber bảo vệ mosfet ở trên giúp bảo vệ mosfet rất
hiệu quả giúp hạn chế các xung áp và sự quá dòng ở mức an toàn đối với mosfet đã được
chọn. Các dao động do các phần tử điện cảm và điện dung ký sinh cũng được hạn chế qua
đó giúp van đóng cặt nhanh và giảm tổn thất trong quá trình đóng cắt.
 Điện áp sơ cấp máy biến áp:
Hình 2.24. Điện áp trên cuộn sơ cấp máy biến áp
 Điện áp thứ cấp máy biến áp:

32
Hình 2.25. Điện áp trên cuộn thứ cấp 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

33
Hình 2.27. Điện áp sau bộ biến đổi Push-pull converter
Ta thấy khi hoạt động độc lập với một tải cố định bộ biến đổi Push-pull cho đáp ứng
điện áp rất nhanh và bám sát theo giá trị đặt với sai số không đáng kể.
 Push-pull converter khi hoạt động độc lập với tải tải thay đổi:
Hình 2.28. Điệp 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 dổi điện áp
ra nhưng bộ biến đổi đã điều chình để đưa điện áp về giá trị đặt cố định trong thời gian
rất ngắn và độ quá điều chỉnh rất nhỏ.
Kết quả mô phỏng rất phù hợp với những tính toán lý thuyết, đồng thời cũng chứng tỏ
chất lượng tốt của bộ điều khiển PI. Đây sẽ là cơ sở để chúng ta thực hiện mạch thực tế.

Xây dựng phần mềm trên vi điều khiển
34
Chương 4
XÂY DỰNG MẠCH THỰC NGHIỆM
4.1.Các thành phần của mạch thực nghiệm
Hình 4.1.Sơ đồ khối tổng thể của mạch
Mạch thực tế được xây dựng với các khâu chính như hình vẽ:
- Khối mạch lực gồm 2 khâu chính như đã phân tích ở chương trước.
- Vi điều khiển là trái tim của hệ thống, nó sẽ nhận các dữ 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 trước bộ nghịch lưu cùng
với dòng đi vào bộ nghịch lưu để mở rộng các chức năng giám sát điều khiển.
- Driver là các mạch đóng mở các van.
- Nguồn điều khiển cung cấp 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 được lựa chọn là vi điều khiển DsPIC 30F2020. Đây là vi điều khiển
chuyên dụng cho các bộ nguồn băm xung (SMPS – Switch Mode Power Supply) với
những tính rất nổi bật sẽ được xem xét ở chương sau.

35
Cấu hình phần cứng của vi điều khiển không có gì khác so với các cấu hình thông
dụng với nguồn, thạch anh, các nút ấn reset…
4.1.2.Các khối phản hồi
Ta cần đo về 3 đại lượng : điện áp sau bộ biến đổi DC-DC, dòng một chiều vào bộ
nghịch lưu và giá trị điện áp hiệu dụng đầu ra.
Để đo điện áp sau bộ nghịch lưu, ta sử dụng mạch khuếch đại thuật toán như hình vẽ:
Hình 4.2.Mạch khuếch đại thuật toán phản hồi điện áp một chiều
Các điện trở được chọn sao cho R21=R22, R19 = R20 để đảm bảo tỉ lệ điện áp vào chân
ADC của vi xử lý:
VADC1 = bus
21
20
R
V
R
= α .Vbus
Trong mạch ta chọn tỉ lệ này là 1/100. Điện áp ADC trước khi về vi xử lý được lắp
vào mạch bảo vệ dùng điốt để tránh quá điện áp.
Các tụ lọc được đưa vào mạch để tránh nhiễu. Ngoài ra ta cũng có thể sử dụng bộ lọc
bằng phần mềm ở vi xử lý.
Để phản hồi dòng một chiều, ta dùng điện trở shunt và đưa vào khuếch đại thuật toán.
Chọn loai điện trở tải nhỏ 0.25Ω để làm điện trở shunt, tỉ lệ khuếch đại thuật toán là 3
lần.

36
Để phản hồi điện áp hiệu dụng ta dùng vi mạch chuyên dụng AD736. AD736 là vi
mạch chuyển đổi giá trị hiệu dụng. Nó có tác dụng chuyển đổi các điện áp xoay chiều có
giá trị dưới 200mV sang giá trị điện áp hiệu dụng:
Hình 4.3.Sơ đồ khối chức năng của AD736
Điện áp xoay chiều sau khi phân áp được lắp vào mạch như hình vẽ:
Hình 4.4.Sơ đồ mạch dùng AD736
4.1.3.Khối Driver
Hiện nay trên thị trường cung cấp rất nhiều vi mạch Driver để điều khiên MOSFET
một kênh thấp cũng như 2 kênh cao thấp. Trong mạch, chúng ta cần điều khiển kênh thấp
ở mạch Push-Pull và cả hai kênh ở mạch nghịch lưu. Ta lựa chọn vi mạch IR2103 của
hãng International Rectifier với sơ đồ cấu trúc như hình vẽ:

37
Hình 4.5.Sơ đồ cấu trúc vi mạch IR2103
Vi mạch IR2103 có khả năng điều khiển cá 2 kênh cao và thấp,kênh cao có thể lên
đến điện áp 600V, dòng lái 1A, có tích hợp bộ chống đánh thủng và chống trùng dẫn.
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 thấp riêng biệt như sơ đồ sau:
Hình 4.7.Sơ đồ điều khiển một kênh dùng IR2103

38
Do tụ điện ký sinh giữa chân G và chân D của Mosfet, xung vào chân G không thực
sự vuông nếu chi lắp mạch như sơ đồ 4.6 và 4.7. Điều này sẽ ành hưởng đến chất lượng
điều chỉnh, đặc biệt là ở tần số cao như ở mạch băm xung. Để khắc phục điều này chúng
mắc một điện trở song song giữa chân G và chân D như hình:
Hình 4.8.Điện trở mắc song song giảm ảnh hưởng của tụ ký sinh
4.1.4.Khối nguồn phụ
Khối nguồn phụ cung cấp nguồn 12V để đóng mở Mosfet và nguồn 5V cho các vi
mạch.
Để có nguồn 12V, ta dùng vi mạch LM2576 loại 12V, với 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 với mạch vòng kín điều khiển
điện áp. Nó có khả năng tạo ra nguồn 12V với dòng tối đa 3A từ nguồn 15-40V, đủ cung
cấp nguồn cho tất cả các nhu cầu điều khiển. LM2576 được tích hợp bộ giới hạn dòng và
bộ tránh quá nhiệt. Sơ đồ mạch dùng LM2576:

39
Hình 4.10.Sơ đồ mạch ổn áp dùng LM2576
Mạch tạo nguồn 5V ta dùng vi mạch thông dụng 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 dụng giao tiếp chuẩn RS232 để truyền thông tin về máy tính. Mạch giao tiếp
dùng vi mạch Max232 thông dụng như hình vẽ:
Hình 4.11.Mạch giao tiếp dùng Max232
4.2. Thực hiện mạch:
Chúng ta tách riêng hai mạch lực để việc thí nghiệm và chỉnh định dễ dàng hơn:
- 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 được 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
T1OUT
14
T2OUT
7
R1IN
13
R2IN
8
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

40
Chương 5
XÂY DỰNG PHẦN MỀM TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN
5.1.Giới thiệu vi điều khiển dsPIC 30F2020
Từ sơ đồ chức năng ở chương trước ta thấy mạch điều khiển phải thực hiện các chức
năng sau :
- Đo lường 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 giới 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 với tần số 100kHz theo thuật toán PID để ổn
định điện áp một chiều đầu ra.
- Phát xung PWM ở tần số 10kHz tựa theo điện áp hình Sin cho khâu nghịch lưu.
- Giao tiếp với máy tính thông qua giao tiếp UART truyền tín hiệu điện áp xoay
chiều lên máy tính để hiển thị.
Để thực hiện được 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 dụng cho các ứng dụng về mạch nguồn với các ưu điểm nổi bật ở bộ PWM:
- Có chế độ phát xung lệch pha phù hợp với nguồn băm xung
- Tần số băm xung tối đa có thể lên tới 1MHz dù nguồn dao động thạch anh không
cao
- Độ phân giải PWM lớn
- Các bộ PWM có thể phát xung với tần số độc lập nhau
Hình 5.1.DsPIC 30F2020 [11]

41
Vi điều khiển dsPIC30F2020 là vi điều khiển 16 bit sử dụng tập lệnh tối thiểu (RISC
– Reduce instruction set computer) theo kiến trúc Harvard mở rộng. Vi điều khiển
dsPIC30F2020 có thể hoạt động với tốc độ 30 MIPS (milion instructions per second) với
tần số dao động ngoài từ 6Mhz đến 15Mhz, ngoài ra nó còn được tích hợp bộ tạo dao
động trong và khối nhân tần (PLL) với chế độ 32x nên khi hoạt động với tần số xung
nhịp nhỏ thì dsPIC30F2020 cũng có thể hoạt động xử lý với tốc độ cao.
Vi điều khiển dsPIC30F2020 sử dụng tập lệnh 24 bit với độ dài địa chỉ 16 bit. Tốc độ
thực hiện lệnh thông thường là 1word trong một chu kỳ máy. Ngoài ra, để tăng tốc độ xử
lý, dsPIC30F2020 còn được tích hợp một khối DSP với khả năng thực hiện các lệnh liên
quan đến nó với tốc độ 1 chu kỳ máy/1 lệnh. Bộ nhớ chương trình trong vi điều khiển có
dung lượng 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 dữ liệu, địa chỉ hoặc các thanh ghi tham chiếu. Riêng thanh ghi W15 của
dsPIC30F2020 có thể được sử dụng như một con trỏ stack cho các trình ngắt hoặc là các
lời gọi hàm.
Bộ nhớ dữ liệu 64 Kbyte được chia làm 2 khối được đặt tên là vùng dữ liệu X và Y,
mỗi khối có một bộ tạo địa chỉ riêng (AGU – address generation unit). Hầu hết các lệnh
thông thường được thực hiện trong khối dữ liệu X.
Tập lệnh của dsPIC30F được chia làm 2 lớp lệnh: lớp lệnh MCU và lớp lệnh DSP kết
hợp vào trong cấu trúc thực hiện bởi một khối thực thi chương trình. MCU giúp thực hiện
các lệnh không toán hạng, lệnh so sánh, với chế độ định địa chỉ trực tiếp bộ nhớ, trực tiếp
thanh ghi và gián tiếp thanh ghi. Mỗi lệnh được kết hợp với 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 dữ liệu đọc thanh ghi làm việc, ghi bộ nhớ dữ liệu và đọc bộ nhớ
chương trình 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 dịch 40 bit 2 chiều. Bộ ghi dịch 40 bit có khả năng dịch 15 bit về bên phải
hoặc 16 bit về bên trái chỉ trong một chu kì lệnh.

42
Lõi CPU của vi điều khiển dsPIC30F2020 hỗ trợ 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 được thiết kế chuyên biệt cho các
ứng dụng biến đổi công suất.Khối PS PWM được sử dụng cho các ứng dụng 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 với tần số khác nhau và độc lập.
Đặc điểm của khối phát xung PS PWM tích hợp trên dsPIC30F2020 như sau:
- Khối PS PWM có 4 kênh phát xung với 8 chân ra.
- Có thể có đến 4 kênh phát tần số độc lập.
- Độ phân giải lớn ở xung PWM tần số cao : Có thể đạt tới 1.1 ns ở tốc độ 30MIPS.
- Hỗ trợ 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 lập.
- Mỗi kênh PWM có thể kích hoạt các bộ biến đổi ADC.
- Có thể cập nhập giá trị độ rộng xung tức thời hoặc khi kết 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 kỳ xung chung cho các kênh PWM. Hoặc
PHASEx ở chế độ tần số độc lập cho kênh PWMx. Tùy theo cấu hình bit ITB ở
thanh ghi PWMCONx mà PTER hay PHASEx được chọn để tạo ra tần số xung.
- Thanh ghi PDCx xác định độ rộng xung cho từng kênh. Hoặc MDC để xác định
độ xung cho cả 4 kênh. Tùy thuộc vào cấu hình bit MDCS ở thanh ghi
PWMCONx 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 được sử đụng để điều khiển các chân PWM tương ứng.
- Thanh ghi DTRx và ALTDTRx tạo ra khoảng thời gian chết cho từng kênh tương
ứng.
Tần số xung PWM được tính theo công thức sau :
ReferenceClock PLL 2
PWM Switching Frequency =
, ASExPTER PH
 
(5.1)

43
Trong đó PLL = 32. Do đó ta thấy có thể tạo được xung PWM có tần số rất cao vì
được tích hợp bộ nhân tần 32x.
Trong nội dung đề tài này để thực hiện được 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 với tần số 100 kHz.
Đồng thời tạo ra sự kiện kích hoạt biến đổi đồng bộ với bộ ADC.
- Kênh PWM2 tạo ra xung PWM ở chế độ bù với tần số 10 kHz, và kết thúc
mỗi xung tạo ra một ngắt để cập nhập giá trị độ rộng xung theo bảng giá tri Sin đã tính
toán.
Chi tiết các chế độ PWM được sử dụng 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 cấp PWMxH. Chế độ này được ứng dụng rộng rãi trong các bộ biến đổi Buck
đồng bộ.Ở đây ta sử dụng để phát xung cho bộ nghịch lưu. Một khoảng thời gian trễ được
tạo ra để tránh hiện tượng trùng dẫn.
Để kích hoạt chế độ xung bù thì chỉ cần đặt bit PMOD = (00)b trong thanh ghi
IOCONx.
 Chế độ Push-Pull PWM :

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 rộng xung bằng
nhau và thay đổi luân phiên nhau trong mỗi nửa chu kỳ. 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 dạng 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 lập trình là chu kỳ của xung được định nghĩa chỉ bằng một nửa
chu kỳ như tính toán ở các chương trước
 Chế độ phát xung có tần số độc lập
Hình 5.4. Dạng xung PWM ở chế độ 4 kênh có tần số khác nhau.

45
Dòng vi điều khiển dsPIC30F SMPS được sử dụng 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 thời 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 được tạo ra bởi 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 được nguồn khởi động chuyển đổi : PWM , timer1,
timer2…
- Cấu hình được số lần chuyển đổi trước 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 kết quả chuyển đổi.
Tổng thời gian chuyển đổi của bộ ADC là 12 chu kỳ TAD, trong đó bộ ADC yêu cầu
2TAD để trích mẫu và 10 TAD để chuyển đổi. Thời gian chuyển đổi có thể được lựa chọn
bằng cách lựa chọn bit ADCS trong thanh ghi ADCON
Một chu kỳ AD là :
R eferenceClock
10
*16
ADT
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 thời gian chuyển đổi của bộ
ADC là TTotal= 12 * TAD= 0,5  s. (tức 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.

46
Để giảm thiểu thời gian trễ, đồng bộ với bộ biến đổi ADC và cập nhật giá trị độ rộng
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 nghĩa 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 lập) bằng với giá trị TRIGx đã đặt.
Đồng thời 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 trợ truyền thông nối tiếp không đồng bộ sử dụng
cổng UART. Việc sử dụng cổng UART cho phép vi điều khiển có thể giao tiếp với các
thiết bị khác có cùng giao thức hoặc ghép nối với 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 trạng 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.Thực hiện chương trình trên vi điều khiển
5.2.1. Mô tả các chức 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
được đưa ra dựa trên tính toán bảng sin. Tín hiệu phản hồi dòng để thực thiện khầu giới
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

47
Về mặt giao tiếp 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 được các nhiệm vụ này, trong chương trình cũng sử dụng 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 được nhấn. Thay đổi trạng thái biến Khoidong =1.
Ngắt PWM1 Sau 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 rộng xung PWM2 theo giá trị
bảng Sin.
Ngắt ADC Bộ ADC hoàn thành
chuyển đổi .
(Tức chu kỳ 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 rộng xung PWM1.
Ngắt Timer1 Ngưỡng tràn là 0.01s. Truyền dữ liệu điện áp lên máy tính.
Tăng biến đếm ngắt lên 1.
Trong quá trình thực hiện nếu các ngắt xảy ra, thì con trỏ chương trình sẽ chuyển sang
thực hiện các chương trình 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 khởi động, ta thực hiện bộ khởi 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 thời gian 4 giây, ta sử dụng một biến đếm trong ngắt Timer1. Với
mỗi lần ngắt là 0,01 giây, như vậy biến đếm cứ tăng lên 400 giá trị thì ta thay đổi lượng
đặt 1 cấp. Đến khi biến đếm đạt 4000 thì giá trị đặt điện áp là lớn nhất.
5.2.2.Cấu hình các khối cho vi điều khiển

48
 Cấu hình khối phát xung PWM
o Kênh PWM1 phát xung PWM ở chế độ Push-Pull PWM với tần số
100kHz. Có độ rộng 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 với tần số 10kHz. Bộ PWM2 cho
phép ngắt sự kiện sau mỗi xung để thay đổi độ rộng xung theo giá trị
bảng Sin.
 Cấu hình bộ biến đổi ADC:
o Sử dụng 3 kênh AN0,AN1,AN2 để phục vụ cho việc đo các tín hiệu
phản hồi.
o Định dạng dữ liệu 16 bit không dấu.
o Nguồn kích hoạt là PWM1.
o Cho phép sử dụng ngắt ADC.
o Trong chương trình ngắt ADC thực hiện mạch vòng điều khiển điện áp.
 Bộ định thời Timer1
o Thực hiện tạo ngắt sau mỗi 0,01s.
o Trong chương trình ngắt truyền dữ liệu lên máy tính.
 Khối giao tiếp truyền thông UART
o Tốc độ Baudrate là 38400
o Sử dụng 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 trạng thái hoạt động của phần mềm điều khiển:

49
Hình 5.5.Giản đồ State Machine mô tả hoạt động vi điều khiển

50
5.2.4.Cài đặt bộ điều khiển PID số
Luật PID trên miền thời gian liên tục được mô tả như sau:
0
1 ( )
( ) ( ) ( )
t
D
i
de t
U t K e t e d T
T dt
 
 
   
 

Với : Kp : Hệ số tỷ lệ (Hệ số khuyếch đại).
Ti : Hằng số thời gian tích phân.
TD : Hằng số thời 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 xấp xỉ bộ điều khiển PID sang miền gián đoạn. Để thực hiện
xấp xỉ, ta xấp xỉ phép tính tích phân bằng công thức hình chữ nhật, xấp xỉ thành phần vi
phân theo bậc 1.Công thức tính giá trị đầu ra của bộ điều khiển PID trong miền gián
đoạn 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 dụng bộ điều khiển PI nên khi đó, biểu thức tính giá trị bộ điều
khiển theo công thức truy hồi như sau:
Trong đó ta có chu kỳ trích mẫu được chọn là : Ts = 8* TPWM= 80 (us)
Các tham số Kp , Ti là kết quả dựa trên việc tính toán tham số mạch vòng tại chương
2. Sau đó dựa trên kết quả mô phỏng tiến hành hiệu chỉnh các tham số. Rồi 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 trị 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
 
 
     
 

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 dụng 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 được 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 lập trình tạo ra xung một cực tính yêu cầu thuật toán lập trình phức tạp
hơn và cần phải có 2 kênh phát xung PWM khác nhau trong mỗi nửa chu kỳ. Nên ở đây
ta lựa chọn phương pháp điều chế SPWM 2 cực tính để thuận tiện cho việc lập trình.
Để thực hiện thuật toán SPWM hai cực tính ta tiến hành xây dựng bảng Sin chứa giá
trị độ rộng 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 dụng xoay chiều là : Uhd = 220 (V).
Tần số điện áp xoay chiều fu= 50 Hz.
Tần số xung PWM2 là fPWM = 10 kHz. Thanh ghi PHASE2 =
51200.
Điện áp xoay chiều hình Sin có dạng: U(t) = 2 .Uhd Sin(2.  .
t
T
) (V)
Xung PWM theo thiết kế có tần số 10 kHz hay TPWM= 4
10
(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 rộng 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 trị trung bình của điện áp
trong một xung PWM sẽ bằng giá trị tức thời của điện áp hình Sin cần điều chế.
Nên: UTBi= (2 * Di -1) E= 2 .Uhd Sin(2.  .
i
n
) (V)

52

2. 1
. (2. . )
2. 2
hd
i
U i
D Sin
E n
  
Mặt khác giá trị độ rộng xung được xác định bằng giá trị thanh ghi PDC2 trong vi
điều khiển : D =
2
ASE2
PDC
PH
. Thay vào biểu thức trên ta có công thức tính giá trị PDC2
như sau :
2. ASE2
2 . ASE2. (2. . )
2. 2
hdU i PH
PDC i PH Sin
E n
  
Thay số : 2 22757. (2. . ) 25600
200
i
PDC i Sin  
Thay lần lượt i =1÷200 ta có giá trị bảng sin.
Giá trị độ rộng xung của xung PWM2 được thay đổi theo bảng Sin sau mỗi lần ngắt
của xung PWM2. Sau mỗi lần kết thúc bảng Sin có độ dài 200 thì giá trị lại được đọc lại
từ đầu.

Luận văn: Nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter, HOT

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Luận văn: Nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter, HOT

Similar to Luận văn: Nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter, HOT (20)

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO 0917193864

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO 0917193864 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Luận văn: Nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter, HOT