( Kèm CODE và PCB)Thiết Kế Bộ Biến Đổi DcDc Mạch Cầu 1 Pha Theo Nguyên Lý Băm Xung Điều Khiển Ổn Định Dòng Điện Động Cơ Có Đảo Chiều. Điện Áp U = 12V

Mạch Boostrap không còn xa lạ gì với chúng ta và được dùng rộng rãi trong các mạch điều khiển HBridge, gate driver để điều khiển Mosfet ở một mức điện áp cao hơn điện áp mà IC không thể cung cấp cho cực kích. Như chúng ta đã biết, việc cấp nguồn cho mạch kích khóa tầng dưới (Q2) như bình thường vì điểm 0V của nguồn trùng với cực S của khóa (MOSFET). Tuy nhiên, vấn đề khó khăn hơn khi cấp nguồn mạch kích mosfet ở trên (Q1), bởi vì điện áp cực S của MOSFET tầng trên không cố định mà thay đổi liên tục từ giá trị 0 đến VDC. Giải quyết vấn đề này có 2 cách: Một là tạo nguồn riêng (cách ly) cho mạch kích tầng trên Hai là sử dụng kỹ thuật Bootstrap. Ở đây ta sẽ bàn về kĩ thuật Bootstrap. Cấu trúc của mạch Bootstrap Mạch Bootstrap được sử dụng trong sơ đồ HalfBrigde ( 2 van bán dẫn được mắc theo kiểu PushPull đẩy kéo ) với IC driver chuyên dụng ( ví dụ các họ IC của IR2184, UCC27710, MAX15019, FAN7842). Có 3 phần tử ảnh hưởng đến hoạt động của mạch đó là : Điện trở R_boot thường nằm trong dải từ 0 đến 5ohm Diode D_boot Tụ điện Bootstrap C_boot Hình 1.4 Sơ đồ kích mosfet highside Khi Q2 ( MOSFET lowside ) ở chân LO thì chân S đã được kết nối với âm nguồn do đó điện áp kích vào chân G của Q2 là cố định và rất nhỏ và ta dễ dàng đóng mở Q2. Tuy nhiên khi xét đến Q1 ( MOSFET highside )sẽ thấy chân S của Q2 đang được nối qua tải về âm nguồn do đó để kích mở được Q1 chúng ta cần có một điện áp rất cao để đặt vào chân G mosfet Q1, có thể nói chân S của Q1 là trạng thái lơ lửng – Float. Nguyên tắc hoạt động của mạch Bootstrap Khi MOSFET Q2 dẫn ( Q1 khóa ) thì chân HS ( 1 chân của tụ điện C_boot ) sẽ được kéo xuống GND. Dòng điện chạy từ VDD bias vòng qua điện trở R_boot và diode D_boot nạp cho tụ điện C_boot. Khi đó điện áp trên tụ là VC_boot = VDD Hình 1.5 Nguyên lí hoạt động của Bootstrap Sau đó MOSFET Q2 khóa, và Q1 dẫn, chân HS của driver được thả nổi đồng thời ic driver cũng nối chân HB với HO và điện áp được tích lũy ở chu kì trước sẽ được đẩy vào chân HO theo con đường như hình vẽ. Vậy là mặc dù điểm giữa HS được thả nổi, điện áp tại điểm này có thể lên tới vài trăm Volt, nhưng điện áp giữa 2 cực GS của mosfet luôn luôn là VDD, và mosfet Q1 được kích một cách bình thường. Chu kì kế tiếp, IC điều khiển Q1 khóa, Q2 khóa lại, tụ C_Boot lại tiếp tục được nạp như chu kì đầu và cứ thế tiếp diễn. Lặp lại trình tự này, thì ta luôn luôn có đủ điện áp để kích 2 mosfet luân phiên. Hình 1.6 Nguyên lí hoạt động của Bootstrap 1.2.3 Cấu trúc cầu H một pha Mạch cầu H là một mạch đơn giản dùng để điều khiển động cơ DC quay thuận hoặc quay nghịch. Trong thực tế, có nhiều kiểu mạch cầu H khác nhau tùy vào cách chúng ta lựa chọn linh kiện có dòng điện, áp điều khiển lớn hay nhỏ, tần số xung PWM… Và chúng sẽ quyết định đến khả năng điều khiển của cầu H. Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H Động cơ DC đảo chiều quay khi thay đổi chiều dòng điện chạy vào động cơ. Do đó ta hoàn toàn có thể đổi chiều cấp điện cho động cơ để làm thay đổi chiều quay. Hình bên dưới là sơ đồ mạch cầu H đơn thuần sử dụng 4 van bán dẫn. Các van bán dẫn hoàn toàn có thể sửa chữa thay thế bằng relay hoặc những khóa bán dẫn công suất. Hình 1.7 Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H Khi đóng đồng thời van bán dẫn S1 và S4 thì dòng điện sẽ chạy từ nguồn VCC qua S1, động cơ, S4 và về MASS. Động cơ sẽ quay theo chiều thuận. Khi đóng hai van bán dẫn S3, S2 thì dòng điện đi theo chiều ngược lại từ S3 qua động cơ qua S2 và về MASS. Động cơ lúc này sẽ quay theo chiều ngược lại. Nếu cả hai van trên cùng một nhánh dọc đều đóng thì xảy ra hiện tượng trùng dẫn. Bảng 1.1 Trạng thái điều khiển của cầu H S1 S2 S3 S4 Động Cơ 0 0 0 0 Không quay 1 0 0 1 Quay thuận 0 1 1 0 Quay nghịch 1 1 X X Ngắn mạch X X 1 1 Ngắn mạch 1.2.4 Nguyên lí đảo chiều và ổn định dòng điện động cơ Nguyên lí đảo chiều động cơ điện một chiều: Động cơ DC truyền thống sử dụng dòng điện một chiều để tạo ra lực từ làm quay trục đầu ra. Khi đảo ngược cực tính của điện áp DC, động cơ đảo ngược hướng quay của nó. Thông thường, lực do động cơ tạo ra bằng nhau trong một trong hai hướng. Nguyên tắc ổn định dòng điện động cơ: Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản . Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mômen kéo của động cơ , ngoài ra còn có chức năng bảo vệ , điều chỉnh gia tốc. Một khái niệm đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện có cấu trúc dùng bộ điều chỉnh tốc độ hoặc điện áp R có dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điện phi tuyến P . Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi tuyến ra khỏi vùng kém nhạy thì bộ điều chỉnh làm việc như bộ điều chỉnh tốc độ hay điện áp mà không có sự tham gia của mạch phản hồi dòng điện .Khi dòng điện đủ lớn , khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và phát huy tác dụng hạn chế dòng của bộ điều chỉnh R. Bộ điều khiển PID: Là một bộ điều khiển 3 khâu cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nó tính toán giá trị sai số giữa giá trị biến đổi và giá trị đặt mong muốn và giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh tín hiệu điều khiển. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống.   CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN 2 Mã: 13322 Học Kỳ: 1 – Năm học 2023-2024

Đề tài:

Thiết Kế Bộ Biến Đổi Dc-Dc Mạch Cầu 1 Pha Theo Nguyên Lý Băm Xung Điều Khiển Ổn Định Dòng Điện

Động Cơ Có Đảo Chiều Điện Áp U = 12V

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp

HẢI PHÒNG - 12/2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN 2 Mã: 13322 Học Kỳ: 1 – Năm học 2023-2024

Đề tài:

Thiết Kế Bộ Biến Đổi Dc-Dc Mạch Cầu 1 Pha Theo Nguyên Lý Băm Xung Điều Khiển Ổn Định Dòng Điện

Động Cơ Có Đảo Chiều Điện Áp U = 12V

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, chúng em chân thành cảm ơn các thầy cô và cán bộ của Khoa Điện – Điện

Tử trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quátrình học

Em xin chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy chuyên ngànhĐiện tự động công nghiệp

Em cũng hết lòng biết ơn sự quan tâm và ủng hộ của gia đình và bạn bè Đó chính lànguồn động viên tinh thần rất lớn để tôi theo đuổi và hoàn thành đồ án 2 này Đặc biệt, em

vô cùng tri ân sự hướng dẫn tận tình và theo dõi sát sao đầy tinh thần trách nhiệm cùng lòngthương mến của thầy Vũ Ngọc Minh trong suốt quá trình em thực hiện Báo cáo Đồ án 2

Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn đến toàn bộ quý thầy cô của khoa Điện – Điện

Tử trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam , những người có vai trò rất lớn trong suốt quá trình

em theo học

Trong quá trình thực hiện đồ án nhận thấy chúng em đã cố gắng hết sức nhưng vìkiến thức vẫn còn hẹn hẹp nên vẫn còn nhiều thiếu sót, mong thầy cô bổ sung để Báo cáo

Đồ án 2 được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy/Cô!

Sinh Viên Thực Hiện

( Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN10 1.1 Cơ sở lý thuyết về động cơ một chiều nam châm điện 10

1.2 Cầu H DC-DC converter 10

1.2.1 Van bán dẫn MOSFET 10

1.2.2 Kỹ thuật Bootstrap MOSFET 13

1.2.3 Cấu trúc cầu H một pha 16

1.2.4 Nguyên lí đảo chiều và ổn định dòng điện động cơ 17

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 18

2.1 Xây dựng và tính toán đối tượng điều khiển 18

2.1.1 Tính toán thông số cho mạch động lực 18

2.1.2 Tính toán thông số cho mạch driver 19

2.1.3 Xây dựng mạch vòng dòng điện 27

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 29

3.1 Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian liên tục 29

3.2 Các phần tử trong hệ thống 32

3.3 Phân tích hoạt động hệ thống 36

3.4 Lắp mạch thực, nhận xét, đánh giá kết quả 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHỤ LỤC 44

KẾT LUẬN 50

SUMMARY OF THE PROJECT 51

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều 10

Hình 1.2 Ký hiệu của MOSFET 11

Hình 1.3 Cấu trúc bên trong của MOSFET 11

Hình 1.4 Sơ đồ kích mosfet high-side 14

Hình 1.5 Nguyên lí hoạt động của Bootstrap 15

Hình 1.6 Nguyên lí hoạt động của Bootstrap 15

Hình 1.7 Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H 16

Y Hình 2.1 Sơ đồ cầu H sử dụng van MOSFET 18

Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng bên trong IR2104 21

Hình 2.3 Sơ đồ chân của IR2104 và IR2104S 22

Hình 2.4 Giản đồ thời gian đầu vào/đầu ra 22

Hình 2.5 Linh kiện kích cực gate cho MOSFET 26

Hình 3.1 Thông số lưu trữ trong workspace 30

Hình 3.2 Mô hình hoá động cơ điện một chiều trên miền liên tục 30

Hình 3.3 Mạch vòng dòng điện theo chuẩn tối ưu Module 31

Hình 3.4 Đặc tính dòng điện khi có mạch vòng điều chỉnh 31

Hình 3.5 Vi điều khiển sử dụng trong Arduino 32

Hình 3.6 Cấu hình board Arduino Uno R3 33

Hình 3.7 Hiệu điện thế sinh ra bởi cảm biến Hall 35

Hình 3.8 Chuyển đổi đo cho cảm biến Hall 35

Hình 3.9 Các chân vào/ra của cảm biến ACS712 36

Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống 37

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống 38

Hình 3.12 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 39

Hình 3.13 Board PCB trước và sau khi gắn linh kiện 41

Hình 3.14 Kết quả sau khi tìm được bộ điều khiển PID 42

DANH MỤC BẢ

Bảng 1.1 Trạng thái điều khiển của cầu H 16

Y Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của IRF3205 19

Bảng 2.2 Các giá trị tuyệt đối của IR2104 20

Bảng 2.3 Thông số điều kiện hoạt động đề xuất của IR2104 20

Bảng 2 4 Mô tả chức năng các chân của IR2104 21

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của IR2104 25

Bảng 2.6 Thông số động cơ RH14D-3002 27

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 32

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến ACS712 36

Bảng 3.3 Khai báo các chân chức năng của bộ xử lí trung tâm 39

Bảng 3.4 Bảng chân lí tín hiệu điều khiển 40

Bảng 3.5 Phương pháp thực nghiệm theo Zigner-Nichols 41

Bảng 3.6 Bảng tính toán tham số bộ điều khiển dòng điện 42

Lời Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp chuyên nghiên cứu và phát triển, pháttriển các hệ thống tự động và điều khiển của các dây chuyền sản xuất công nghiệp

Tự động hóa mạnh mẽ để kiểm soát nhanh chóng, chính xác các dây chuyền sảnxuất phức tạp, chính xác và khuôn mẫu Trong xu thế hội nhập toàn cầu, đất nước

ta đang bước vào giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa, bất kỳ ngành nghề kỹthuật nào cũng cần đến tự động hóa Có thể hiểu, Tự động hóa công nghiệp làchuyên ngành nghiên cứu, thiết kế,vận hành các hệ thống tự động, dây chuyền sảnxuất tự động trong các nhà máy (xi măng, sắt thép, nước giải khát, dược phẩm…);thiết kế, điều khiển và chế tạo robot; quản lý sản phẩm tại các công ty trong vàngoài nước kinh doanh thiết bị điện tử tự động Chúng em là sinh viên trường ĐạiHọc Hàng Hải Việt Nam, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô Khoa Điện –Điện Tử nói riêng và của trường Đại Học Hàng Hải nói chung, chúng em đã hoànthành Học phần Đồ án 2 mà thầy giao

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích của đề tài là nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi dc-dc mạch cầu 1 pha theonguyên lý băm xung điều khiển ổn định dòng điện động cơ có đảo chiều

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều khiển và xử lí bằng vi điều khiển để giaotiếp với các thiết bị ngoại vi , các bộ biến đổi công suất nhằm phục vụ mục đích của đề tài

4 Phương pháp nghiên cứu khoa học

Để nắm rõ, cũng như thiết kế, mô phỏng được đề tài này thực tế cần thực hiện:

- Nghiên cứu về các bộ biến đổi công suất , nghiên cứu các cách thức giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

- Nghiên cứu thực tiễn: Tiến hành lựa chọn và nghiên cứu thiết bị, lắp đặt hệ thống,

sử dụng phầm mềm để lập trình điều khiển hệ thống

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Góp phần nâng cao nhận thức về tầm quan trọng và ứng dụng của công nghệ tự

động hóa trong công nghiệp Hiểu được nguyên lý, quá trình hoạt động của bộ biến đổi

dc-dc mạch cầu 1 pha theo nguyên lý băm xung, tạo điều kiện tiếp xúc thực tiễn trong việc lập trình xây dựng 1 bộ điều khiển động cơ DC 12V

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Cơ sở lý thuyết về động cơ một chiều nam châm điện

Cấu tạo của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu gồm nhiều phần trong đó cóhai phần chính là: Stator (Nam châm vĩnh cửu)và Rotor (Cuộn cảm lõi)

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Phần Stator (Nam châm vĩnh cửu):

Stator của nam châm vĩnh cửu bên trong động cơ pm DC như đã được chỉ ra từ trongchính cái tên của động cơ DC: Cực trường của động cơ này thường được làm bằng 1 thanhnam châm vĩnh cửu Một động cơ pm DC sẽ bao gồm 2 phần: 1 stator và 1 armature

Nói chung, vật liệu từ tính như là đất hiếm từ tính thường được sử dụng cho loại namchâm vĩnh cửu

Phần Rotor (Cuộn cảm lõi):

Rotor của động cơ pm DC cũng có cấu tạo tương tự giống như động cơ DC khác.Rôto hay là bộ phận của động cơ DC chạy bằng nam châm vĩnh cửu cũng bao gồm các phầnnhư: cốt lõi, cuộn dây cùng với bộ chuyển mạch Lõi gia cố của động cơ được làm bằng 1lớp sơn cách điện và được cách li mỏng 1 lớp nữa bằng thép Bằng cách cố định chặt cáctấm thép tròn vào 1 chỗ, 1 chiếc lõi hình trụ có khe lúc này cũng được hình thành

1.2 Cầu H DC-DC converter

1.2.1 Van bán dẫn MOSFET

Loại transistor có khả năng đóng cắt nhanh và tổn hao do đóng cắt thấp được gọi làMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) với cổng điều khiển bằngđiện trường (điện áp) MOSFET được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ (vàiKW) và không thích hợp sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn Tuy nhiên MOSFETkhi kết hợp với công nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp vớinhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải công suất lớn

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở Do là một phần tử với các hạt mang điện

cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóngcắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vấn đề quan trọng

Hình 1.2 Ký hiệu của MOSFET

Cấu tạo của MOSFET

Hình 1.3 Cấu trúc bên trong của MOSFET

G: Cực cổng, cực điều khiển

Khi điện áp Ugs = 0 thì điện trở Rds rất lớn

Khi điện áp Ugs > 0 : Do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở Rds giảm, điện áp Ugscàng lớn thì điện trở Rds càng nhỏ

Nguyên tắc kích mở MOSFET

Mạch lái cho một MOSFET công suất sẽ ảnh hưởng đến hành vi chuyển mạch và khảnăng tiêu tán công suất của nó Để bật dẫn MOSFET, phải đặt điện áp cao hơn điện ápngưỡng định mức Vth vào cực cửa Điện áp VGS ˃ Vth khoảng 3 đến 5 V Điện áp VGS củahầu hết các MOSFET công suất không quá 20 VDC (chỉ đề cập đến MOSFET kênh n)

Vì MOSFET về bản chất được điều khiển bằng điện áp, nên chỉ cần dòng điện cựccửa là cần thiết để nạp điện dung đầu vào Ciss Một MOSFET công suất có thể được điềukhiển trực tiếp bởi CMOS hoặc mạch logic TTL cực thu hở

MOSFET thường được sử dụng làm linh kiện chuyển mạch ở tần số từ vài kHz đếnhơn vài trăm kHz Mức tiêu thụ công suất thấp cần thiết để lái cực cửa là một lợi thế củaMOSFET như một linh kiện chuyển mạch MOSFET được thiết kế để lái điện áp thấp cũng

có sẵn

Điện dung kí sinh tồn tại trên các lớp tiếp giáp bán dẫn của MOSFET hay cảTransistor và IGBT Đây là điện dung không mong muốn chính và các nhà sản xuất linhkiện đều muốn cố gắng giảm nó đi hay loại nó đi càng nhỏ càng tốt thì thành phần dẫn củalinh kiện đạt đến mức lí tưởng nhưng trong thực tế không làm được điều đó

Tùy vào từng loại linh kiện và mức giá thành, ứng dụng công nghệ khác nhau màMOSFET có những giá trị điện dung kí sinh khác nhau MOSFET được tích hợp ở trong các

bộ Driver chuyên dụng thường sẽ có giá trị điện dung kí sinh trên các cực rất thấp chỉ vài

pF Đương nhiên giá thành của chúng khá cao Còn đối với các MOSFET ứng dụng trongcác mạch điện tử đại trà thì thường điện dung kí sinh của chúng khoảng vài nghìn pF

Khi đó chính điện dung kí sinh ở chân G và S là yếu tố hạn chế khả năng làm việccủa MOSFET ở tần số cao và đặc biệt gây khó khăn cho vấn đề tầng thúc và tầng kích

Ta lấy ví dụ về MOSFET kênh N Giả sử khi làm việc với tần số 300kHz mà kíchMOSFET thông qua chỉ các van transistor thường thì không bao giờ thực hiện được Đểthực hiện được việc này ta cần phải sử dụng đến những IC Driver chuyên dụng chẳng hạnnhư driver kích class D là IR2092 trong đó người ta phải tích hợp những MOSFET với tần

số cực cao và chế tạo bằng những công nghệ đặc biệt để nó có khả năng thúc ra những xungcao vuông kích cực cửa của MOSFET chỉ thông qua điện trở 2.2ohm Khả năng hoạt độngcao tần của nó tốt và có thể chịu được dòng cực lớn bởi vì khi điện dung kí sinh tại G-S( thường có giá trị tương đương với các tụ 102, 103 ) tại tần số cao thì dung kháng cực nhỏ

và các tụ điện kí sinh này tiêu tốn dòng cực kì lớn nên việc kích MOSFET cần phải dùngnhững driver chuyên dụng Việc sử dụng đèn mắc theo kiểu Push-Pull chỉ nên sử dụng ở tần

số cỡ dưới 60kHz, nếu tần số cao từ 100kHz thì ta phải sử dụng các IC chuyên dụng đểtránh gây nóng FET

Khi đã lên đến tần số 2MHz, ta bắt buộc phải dùng đến những linh kiện đặc biệt đượcchế tạo bởi những công nghệ cực kì hiện đại với giá thành không hề rẻ ví dụ như transistorcao tần trong những ứng dụng phát sóng FM với chân linh kiện được mạ vàng giá từ 12-15triệu / 1 chiếc

1.2.2 Kỹ thuật Bootstrap MOSFET

Mạch Boostrap không còn xa lạ gì với chúng ta và được dùng rộng rãi trong cácmạch điều khiển H-Bridge, gate driver để điều khiển Mosfet ở một mức điện áp cao hơnđiện áp mà IC không thể cung cấp cho cực kích

Như chúng ta đã biết, việc cấp nguồn cho mạch kích khóa tầng dưới (Q2) như bìnhthường vì điểm 0V của nguồn trùng với cực S của khóa (MOSFET)

Tuy nhiên, vấn đề khó khăn hơn khi cấp nguồn mạch kích mosfet ở trên (Q1), bởi vìđiện áp cực S của MOSFET tầng trên không cố định mà thay đổi liên tục từ giá trị 0 đếnVDC

Giải quyết vấn đề này có 2 cách:

- Một là tạo nguồn riêng (cách ly) cho mạch kích tầng trên

- Hai là sử dụng kỹ thuật Bootstrap

Ở đây ta sẽ bàn về kĩ thuật Bootstrap

Cấu trúc của mạch Bootstrap

Mạch Bootstrap được sử dụng trong sơ đồ Half-Brigde ( 2 van bán dẫn được mắctheo kiểu Push-Pull đẩy kéo ) với IC driver chuyên dụng ( ví dụ các họ IC của IR2184,UCC27710, MAX15019, FAN7842)

Có 3 phần tử ảnh hưởng đến hoạt động của mạch đó là :

- Điện trở R_boot thường nằm trong dải từ 0 đến 5ohm

- Diode D_boot

- Tụ điện Bootstrap C_boot

Hình 1.4 Sơ đồ kích mosfet high-side

Khi Q2 ( MOSFET low-side ) ở chân LO thì chân S đã được kết nối với âm nguồn do

đó điện áp kích vào chân G của Q2 là cố định và rất nhỏ và ta dễ dàng đóng mở Q2

Tuy nhiên khi xét đến Q1 ( MOSFET high-side )sẽ thấy chân S của Q2 đang đượcnối qua tải về âm nguồn do đó để kích mở được Q1 chúng ta cần có một điện áp rất cao đểđặt vào chân G mosfet Q1, có thể nói chân S của Q1 là trạng thái lơ lửng – Float

Nguyên tắc hoạt động của mạch Bootstrap

Khi MOSFET Q2 dẫn ( Q1 khóa ) thì chân HS ( 1 chân của tụ điện C_boot ) sẽ đượckéo xuống GND Dòng điện chạy từ VDD bias vòng qua điện trở R_boot và diode D_bootnạp cho tụ điện C_boot Khi đó điện áp trên tụ là VC_boot = VDD

Hình 1.5 Nguyên lí hoạt động của Bootstrap

Sau đó MOSFET Q2 khóa, và Q1 dẫn, chân HS của driver được thả nổi đồng thời icdriver cũng nối chân HB với HO và điện áp được tích lũy ở chu kì trước sẽ được đẩy vàochân HO theo con đường như hình vẽ Vậy là mặc dù điểm giữa HS được thả nổi, điện áptại điểm này có thể lên tới vài trăm Volt, nhưng điện áp giữa 2 cực G-S của mosfet luônluôn là VDD, và mosfet Q1 được kích một cách bình thường

Chu kì kế tiếp, IC điều khiển Q1 khóa, Q2 khóa lại, tụ C_Boot lại tiếp tục được nạpnhư chu kì đầu và cứ thế tiếp diễn Lặp lại trình tự này, thì ta luôn luôn có đủ điện áp đểkích 2 mosfet luân phiên

Hình 1.6 Nguyên lí hoạt động của Bootstrap

1.2.3 Cấu trúc cầu H một pha

Mạch cầu H là một mạch đơn giản dùng để điều khiển động cơ DC quay thuận hoặcquay nghịch Trong thực tế, có nhiều kiểu mạch cầu H khác nhau tùy vào cách chúng ta lựachọn linh kiện có dòng điện, áp điều khiển lớn hay nhỏ, tần số xung PWM… Và chúng sẽquyết định đến khả năng điều khiển của cầu H

Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H

Động cơ DC đảo chiều quay khi thay đổi chiều dòng điện chạy vào động cơ Do đó tahoàn toàn có thể đổi chiều cấp điện cho động cơ để làm thay đổi chiều quay Hình bên dưới

là sơ đồ mạch cầu H đơn thuần sử dụng 4 van bán dẫn Các van bán dẫn hoàn toàn có thểsửa chữa thay thế bằng relay hoặc những khóa bán dẫn công suất

Hình 1.7 Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H

Khi đóng đồng thời van bán dẫn S1 và S4 thì dòng điện sẽ chạy từ nguồn VCC quaS1, động cơ, S4 và về MASS Động cơ sẽ quay theo chiều thuận Khi đóng hai van bán dẫnS3, S2 thì dòng điện đi theo chiều ngược lại từ S3 qua động cơ qua S2 và về MASS Động

cơ lúc này sẽ quay theo chiều ngược lại Nếu cả hai van trên cùng một nhánh dọc đều đóngthì xảy ra hiện tượng trùng dẫn

Bảng 1.1 Trạng thái điều khiển của cầu H

1.2.4 Nguyên lí đảo chiều và ổn định dòng điện động cơ

Nguyên lí đảo chiều động cơ điện một chiều: Động cơ DC truyền thống sử dụng dòng điện

một chiều để tạo ra lực từ làm quay trục đầu ra Khi đảo ngược cực tính của điện áp DC,động cơ đảo ngược hướng quay của nó Thông thường, lực do động cơ tạo ra bằng nhautrong một trong hai hướng

Nguyên tắc ổn định dòng điện động cơ:

Trong các hệ thống truyền động điện tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạchvòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản Chức năng cơ bản của mạch vòng dòngđiện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp hoặc gián tiếp xácđịnh mômen kéo của động cơ , ngoài ra còn có chức năng bảo vệ , điều chỉnh gia tốc

Một khái niệm đơn giản nhất để điều chỉnh dòng điện có cấu trúc dùng bộ điều chỉnhtốc độ hoặc điện áp R có dạng bộ khuếch đại tổng và mạch phản hồi dòng điện phi tuyến P Khi tín hiệu dòng điện chưa đủ để khâu phi tuyến ra khỏi vùng kém nhạy thì bộ điều chỉnhlàm việc như bộ điều chỉnh tốc độ hay điện áp mà không có sự tham gia của mạch phản hồidòng điện Khi dòng điện đủ lớn , khâu P sẽ làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính và pháthuy tác dụng hạn chế dòng của bộ điều chỉnh R

Bộ điều khiển PID:

Là một bộ điều khiển 3 khâu cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộngrãi trong công nghiệp, nó tính toán giá trị sai số giữa giá trị biến đổi và giá trị đặt mong

muốn và giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh tín hiệu điều khiển Giá trị tỉ lệ xác địnhtác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ,

và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác độngnày dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điềukhiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuậtcủa bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt.Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổnđịnh cho hệ thống

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

2.1 Xây dựng và tính toán đối tượng điều khiển

2.1.1 Tính toán thông số cho mạch động lực

Hình 2.1 Sơ đồ cầu H sử dụng van MOSFET

Ta chọn thông số của bộ biến đổi:

Điện áp động cơ: U = 12V

Dòng điện động cơ định mức: I = 5A

Giả sử tại thời điểm ban đầu, T1 và T4 dẫn, T2 và T3 khoá, thì dòng điện đi qua cácvan T1 và T4 chính bằng dòng điện chạy qua động cơ Và điện áp đặt trên các van khi xảy

ra sự cố bằng với điện áp nguồn

Chọn hệ số dự trữ dòng điện Ki = 3.2 và hệ số an toàn cho điện áp Ku = 1.5 Như vậy

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của IRF3205

2.1.2 Tính toán thông số cho mạch driver

Thông số kỹ thuật của IC IR2104

Thông số kĩ thuật của IR2104 – IC driver bán cầu hoạt động theo kỹ thuật bootstrap:Điện áp offset: Voffset = 600V max

Dòng điện xung ngắn mạch đầu ra mức cao: Io+ = 130mA

Dòng điện xung ngắn mạch đầu ra mức thấp: Io- = 270mA

Dải điện áp cung cấp đến cực cổng từ 10-20V

Thời gian chết deadtime đặt nội bộ, tiêu chuẩn là 520ns

Khoá hoạt động của mạch khi điện áp cung cấp tụt thấp nhờ chân /SD

Tương thích với mức logic đầu vào IN là 3,3V, 5V và 15V

Đầu ra HO ( High side mosfet ) cùng pha với đầu vào IN

Độ trễ phù hợp với cả 2 kênh

Các giá trị tối đa tuyệt đối cho biết các giới hạn được duy trì vượt quá mức có thểxảy ra hư hỏng cho linh kiện Tất cả điện áp tham số là điện áp tuyệt đối được tham chiếuvới chân COM Giá trị điện trở tiêu tán và công suất tiêu tán được đo trong điều kiện khôngkhí tĩnh và được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 2.2 Các giá trị tuyệt đối của IR2104

Bảng 2.3 Thông số điều kiện hoạt động đề xuất của IR2104

Logic hoạt động cho VS từ 5 đến +600V Trạng thái logic được giữ cho VS từ 5V đến VBS

-Sơ đồ khối cấu tạo bên trong chức năng của các chân vào/ra của IR2104 được thể hiệnthông qua hình 2.2, 2.3 và bảng 2.4

Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng bên trong IR2104 Bảng 2 4 Mô tả chức năng các chân của IR2104

Hình 2.3 Sơ đồ chân của IR2104 và IR2104S

Hình 2.4 Giản đồ thời gian đầu vào/đầu ra

Từ giản đồ hình 2.4 ta thấy hoạt động bình thường của IR2104 được quyết định bởi cácchân IN, /SD, HO, LO Thời điểm ban đầu khi chân IN có mức logic “0” , chân /SD có mứclogic “1” thì mạch hoạt động và chân HO có mức logic “0” ( vì chân IN và HO cùng phanhau ), còn chân LO có mức logic “1” Như vậy khi đó van (ở đây ta sẽ xét van là N-MOSFET) bên phía trên của bán cầu H (gọi là High-side MOSFET) sẽ khoá do điện áp cực

G chưa đủ để kích, còn van phía dưới bán cầu (gọi là Low-side MOSFET) dẫn

Xung trên 2 chân HO và LO ngược nhau, điều này dễ dàng điều khiển cho các ứng dụng cầu

H Khi chân /SD có mức logic “0” thì cả 2 chân HO và LO đều có logic “0” nghĩa là mạchdừng hoạt động Nhờ vào tính năng này mà ta có thể lập trình điều khiển bảo vệ cho mạchkhỏi những sự cố không mong muốn

Từ góc độ thiết kế, đây là thành phần quan trọng nhất vì nó cung cấp đường dẫn cótrở kháng thấp lấy nguồn dòng điện cực đại để sạc công tắc phía cao Theo nguyên tắcchung, tụ điện khởi động này phải có kích thước đủ để điều khiển cổng MOSFET phía cao

mà không bị cạn kiệt hơn 10% Điện dung tụ boostrap này phải lớn hơn ít nhất 10 lần so với

điện dung cổng của FET phía high-side Lý do là để cho phép thay đổi điện dung bởi nhiệt

độ và đô , đồng thời chu kỳ bị bỏ qua xảy ra trong quá trình tải quá độ Điện dung cổng cóthể được xác định bằng:

C boot ≥ 10× C g (2.2)Ngoài ra, có thể thực hiện tính toán chi tiết hơn về giá trị tụ điện boot tối thiểubằng :

C boot ≥ Q total

∆ V HB (2.3)Với:

Q total=Q g+I HBS × D max

f sw +

I HB

f sw ( 2.4 )Trong đó:

Q G=Total MOSFET gate charge(MOSFE T ' s datasheet) là điện tích tổng cộng trên cực Gcho việc kích mở mosfet

I HBS=HB¿VSS leakage current(gatedrive r ' s datasheet) là dòng rò từ HB đến VSS

D max=Maximunduty cycle là hệ số điều chế tối đa

I HB=HB Quiescent current ( Gate driver’s datasheet) là dòng điện tĩnh

Ta có:

∆ V HB=V DD−V DH−V HBL với:

V DD=Supply voltage of the gatedriver ICnguồn cấp cho IC driver

V DH Bootstrap diode forward voltage drop (Bootstrap diode datasheet ) là điện áp thuận rơi trêndiode bootstrap

V HBL=HB UVLO fallingthreshold (Gate driver datasheet ) là ngưỡng điện áp rơi UVLO( under-voltage lockout là cầu chì điện tử, khi xảy ra sự cố thấp điện áp thì sẽ ngắt hoạtđộng của IC)

Ta có dòng điện đỉnh qua diode bootstrap được xác định bởi:

I peak=C boot × d V

d t (2.5)Giá trị bypass capacitor ( tụ điện lọc nhiễu) ;

C VDD ≥ 10 ×C Boot (2.6)Vai trò của điện trở bootstrap là hạn chế dòng điện cực đại ở diode bootstrap trongsuốt quá trình khởi động Do đó phải được lựa chọn cẩn thận vì nó đưa ra hằng số thời gianvới tụ điện bootstrap được cho bởi:

t= R Boot ×C Boot Duty Cycle (2.7)Hằng số thời gian này xảy ra trong thời gian cao điểm giải thích sự phụ thuộc vàochu kỳ làm việc Nhiệm vụ này chu kỳ không đổi, điện trở bootstrap và tụ điện bootstrapphải được điều chỉnh thích hợp để đạt được thời gian khởi động mong muốn Việc tăng giátrị điện trở bootstrap sẽ tăng hằng số thời gian dẫn đến tốc độ chậm hơn thời gian khởiđộng Ngoài ra, điện trở bootstrap được chọn phải có khả năng chịu được sự tiêu tán nănglượng cao trong lần đầu tiên.trình tự nạp của tụ điện bootstrap Năng lượng này có thể đượcước tính:

E=1

2× C boot ×V2C boot (2.8)Năng lượng này bị tiêu tán trong thời gian nạp của tụ điện bootstrap và có thể đượcước tính bằng :

E ≅ 3 ×C boot × R boot (2.9)Điện trở này rất cần thiết trong việc hạn chế dòng điện cực đại thông qua diodebootstrap khi khởi động và hạn chế dv/dt của HB-HS (nguồn cung cấp nổi phía cao chonguồn cung cấp thả nổi phía cao trở lại) Cường độ dòng điện cực đại qua điện trở này cóthể được tính bằng :

I PK=V DD−V BootDiode

R boot (2.10)

Tính toán thông số linh kiện đi kèm của IR2104

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của IR2104

Từ những lí thuyết đã nêu ở trên ta có thể tính được thông số của linh kiện xungquanh IR2104

Qg = 146nC (Ghi trong datasheet của MOSFET)

Năng lượng tụ điện trong quá trình nạp tụ Cboot: E = 0.5*Cboot*V2Cboot =0.5*100*122*100*10-12

Đồng thời năng lượng này xấp xỉ bằng: E ≈ 3*Cboot*Rboot = 3*100*10-6*Rboot

Đồng nhất 2 vé ta tìm được Rboot = 0.0024, rất nhỏ và ta coi như không cần thiếttrong trường hợp này

Chọn diode bootstrap là diode 1N4148 75V 150mA.

Trong nhiều ứng dụng, hai điện trở cực cổng on và off được sử dụng Diode Dg_offđược sử dụng để giữ cho điện trở cực cổng trong quá trình off thấp hơn điện trở trong quátrình on bởi vì thời gian trễ off thường dài hơn thời gian trễ on đối với một số van công suất

Nó cũng có thể giúp ngăn chặn việc on thông qua điện dung Miller Mặt khác nếu giá trịRg_off quá thấp nó có thể dẫn đến điện áp cao phóng qua van công suất do tốc độ biến thiêndòng điện đột ngột di/dt trong quá trình off Vì vậy ta cần cân nhắc đánh đổi giữa tốc độđóng cắt ( switching speed) và độ bền cho van Theo kinh nghiệm thì ta có thể chọn Rg_on

= 2Rg_off

Từ những phân tích ở trên thì ta thấy rõ ràng điện trở Rg_on này phụ thuộc vào tốc

độ lái của gate driver ON càng nhanh thì Rg_on càng nhỏ Để off nhanh thì ta cần điện trởRg_off và diode Dg_off ( khi mosfet bắt đầu xảy ra quá trình khoá thì điện tích dư trên cực

GS sẽ qua diode Dg_off và chảy xuống GND để khoá nhanh.)

Ở đây ta chọn các thông số :

- Diode Dg_off loại FR307 3A chịu dòng xung đỉnh 150A

- Rg_on = 22ohm

- Rg_off =10ohm

Hình 2.5 Linh kiện kích cực gate cho MOSFET

Điện trở pull-down để xả hết điện tích dư tại chân GS (do cấu tạo của mosfet thì giữa cáccực của nó đều có điện dung kí sinh) Nếu không có điện trở này thì khi off van, điện dung

kí sinh chân GS sẽ vẫn còn tồn tại một điện áp và lúc đó van công suất sẽ dẫn tuyến tính vàphát nóng Chọn điện trở Rgs = 10k