Tìm hiểu về card DSP TMS320F28335 - Bộ biến đổi ng- 123docz.net

2.4.1. Giới thiệu về Card DSP TMS320F28335.

Bộ DSP được lựa chọn là của hãng Texas Intrument (TI) mang số hiệu 320F28335 là thương hiệu uy tín, các khối lệnh được hỗ trợ trong Matlab khá đầy đủ, mang các đặc điểm cơ bản mà đa số các DSP khác đều có. Mô hình bộ nghịch lưu áp 1 pha 5 bậc được xây dựng theo phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng kỹ thuật so sánh giữa sóng tam giác và sóng sin mẫu để tạo ra xung kích cho các IGBT (hay còn gọi là phương pháp sin PWM). So với phương pháp điều chế sáu bước phương pháp này sẽ tận dụng được khả năng phát xung tần số cao của DSP, giúp cho dòng điện qua tải có dạng gần sin hơn. Giữa các kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) như HPWM và SPWM thì phương pháp sin PWM có phần lý thuyết khá đơn giản, dễ hiểu, rất thích hợp cho việc nghiên cứu đề tài trong một khoảng thời gian hạn chế.

Hình 2.14: Ảnh thực tế bên ngoài của Chp TMS320F28335

Hình 2.16: Card DSP TMS320F28335 tháo rời

Hình 2.17 : Hình ảnh thực tế của Card DSP TMS320F28335 khi gắn lên Kit C2000

- Các chân 00 đến 11 là ePWM của 2 kênh A và B , chân 12 đến 17 là HRPWM, có 2 nhóm.

- ADC kênh A và kênh B , còn lại là các GPIO ...

- Thiết bị TMS320F28335 là vi điều khiển thuộc TMS320C28x/ DelfinoTM, ứng dụng đầy đủ nhất cho những nhu cầu điều khiển khác nhau. Thiết bị này tóm lược những đặc trưng quan trọng nhất.

 Ứng dụng:

- Hệ thống hỗ trợ điều khiển được đề xuất. - Trong các chung cư tự động.

22 - Trong các nhà máy tự động.

- Theo dõi và điều khiển tòa nhà thông minh để tạo nên sự an toàn, hiệu năng và môi trường thú vị.

- Phương tiện có sử dụng điện. - Điều khiển động cơ.

- Phân phối công suất. - Kiểm tra và đo lường.

 Đặc điểm của Vi điều khiển TMS320F2833x

 Các tính năng:

- Được thiết kế theo công nghệ CMOS với các đặc tính:

+ Tần số hoạt động lên đến 150 MHz (thời gian điều chế 6.67 nS). + Lõi với mức điện áp 1.8/1.9V, thiết kế I/O với điện áp 3.3V.

- Chứa 6 kênh điều khiển DMA (cho ADC, McBSP, ePWM, XINTF và SARAM).

- GPIO0 đến GPIO63 có thể được kết nối đến 1 trong 8 ngắt ngoài. - Có thể mở rộng đến 58 ngắt ngoài

- 32 Bit CPU (TMS320C28x)

- Thiết bị ngoại vi điều khiển tăng cường: + Lên đến 18 ngõ ra PWM.

+ Lên đến 6 ngõ ra HRPWM với giải quyết 150 pS MEP. - Bộ nhớ trên chip

- 256Kx16 flash ,34Kx16 SARAM - 1Kx16 ROM

- ROM khởi động (8Kx16)

- Với phần mềm khởi động các chuẩn truyền (SCI, SPI. ..) - Chuẩn toán học

23 - Có module watchdog timer.

- 3 Timer CPU 32-Bit. - Các chuẩn truyền

+ Có 3 module truyền SCI + Có 2 module truyền SPI

+ Có 2 module truyền chuẩn CAN + Có 1 bus truyền chuẩn I2C

- Có đầy đủ các chức năng giao tiếp UART, SPI, SCI và truyền thông eCAN,... - Điện áp AC của adapter: 5V - DSP có những điểm thuận lợi nhúng các giải thuật là chúng ta có thể viết các giải thuật này trên Matlab rồi nhúng các giải thuật này xuống card DSP.

2.4.2. Cấu trúc phần cứng.

 Sơ đồ khối chức năng:

 Sơ đồ phân chia vùng chức năng:

Hình 2.21: Địa chỉ của các vùng nhớ trong F28335

2.4.3. Các khối module cơ bản.

2.4.3.1. Điều khiển bộ nhớ truy cập trực tiếp (DMA).

Mỗi CPU đều có module DMA 6 kênh riêng. Mô đun DMA cung cấp phương pháp phần cứng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị ngoại vi và / hoặc bộ nhớ mà không cần sự can thiệp từ CPU, do đó giải phóng băng thông cho các chức năng hệ thống khác. Ngoài ra, DMA có khả năng sắp xếp lại các dữ liệu trực tiếp khi nó được truyền tải cũng như dữ liệu "ping-pong" giữa các bộ đệm. Các tính năng này rất hữu ích cho cấu trúc dữ liệu vào các khối để tối ưu hóa chế độ CPU.

 Các tính năng:

- 6 kênh với PIE ngắt độc lập. - Nguồn khởi động

- ePWM SOCA/SOCB. - ADC tuần tự 1 và 2.

- Mạch logic truyền và nhận McBSP-A và McBSP-B. - XINT1–7 và XINT13.

 Dữ liệu nguồn.

- L4-L7 16K× 16 SARAM. - Tất cả các vùng XINTF. - Thanh ghi ePWM.

 Module PWM tăng cường (ePWM).

- IC F28379 chứa tới 6 module ePWM (ePWM1, ePWM2, ePWM3, ePWM4, ePWM5, ePWM6)…

 PWM độ phân giải cao (HRPWM).

- Các module HRPWM cung cấp PWM độ phân giải cao, tốt hơn đáng kể so với cách sử dụng phương pháp PWM kỹ thuật số. Những đặc điểm chính của module HRPWM là:

- Khả năng mở rộng độ phân giải thời gian được suy ra từ phương pháp kỹ thuật số PWM.

- HRPWM thường được sử dụng khi độ phận giải PWM giảm xuống dưới 9-10 bit. Điều này xảy ra ở PWM có tần số lớn hơn 200kHz khi sử dụng một CPU/hệ thống có xung đồng hồ 200MHz.

- Khả năng này có thể được sử dụng ở cả 2 chu kỳ hoạt động và phương pháp điều khiển làm lệch pha.

2.5. Tóm tắt – tổng kết chương 2.

- Chương 2 giúp chúng ta hiểu rõ hơn về những thành phần tham gia vào đồ án này: + Pin năng lượng mặt trời và bộ tích trữ điện (Acquy).

+ Bộ nghịch lưu áp cầu 5 bậc sử dụng cho tải 1 pha.

- Tìm hiểu về thiết bị điều khiển nghịch lưu là card DSP TMS320F28335 của hang TI (Texas Instrument) và những ứng dụng của nó trong đồ án này nói riêng và đời sống nói chung.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH PHẦN CỨNG 3.1. Mạch nguồn +15V -5V

Module nguồn chỉnh lưu có chức năng chỉnh lưu nguồn xoay chiều cung cấp từ các máy biến áp, ra nguồn một chiều cung cấp cho mạch kích của các IGBT trong mạch cầu. Có hai cầu H vì vậy cần 8 mạch nguồn đôi (±) để cung cấp cho mạch kích của 8 IGBT. Các IGBT có điện áp xung kích cần +15Vdc và -5Vdc. Vì vậy, ta chọn mạch IC ổn áp 7815 và 7905.

3.1.1. Biến áp nguồn

Hình 3.1 Mạch nguyên lý biến áp nguồn cung cấp

Gồm một cuộn dây sơ cấp và các cặp nguồn đôi xoay chiều đối xứng 15V 0V 15V bên thứ cấp, các cặp nguồn thứ cấp này cách ly, độc lập.

Ngoài ra, máy biến áp còn có chức năng tạo cách ly giữa các linh kiện hàn trên bo mạch với nguồn 220 Vac. Nhờ có tính cách ly này, tạo an toàn cho người sử dụng.

3.1.2. Mạch nguồn ổn áp DC

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dùng IC ổn áp 7815 và 7905

Hình 3.3 Mạch nguồn sau khi lắp ráp thực tế

 Chức năng từng linh kiện trong mạch nguồn:

Cầu diode: Chỉnh lưu nguồn đối xứng cuộn thứ cấp MBA biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều. Trong mỗi pha luôn có 2 diode hoạt động dẫn.

Hình 3.4 Mạch nguyên lý hoạt động cầu diode

Tụ hóa (C1, C3, C5, C7): Sau khi chỉnh lưu ta thu được điện áp một chiều nhấp nhô, nếu không có tụ lọc thì điện áp nhấp nhô này chưa thể dùng được vào các mạch điện tử, do đó trong các mạch nguồn, ta phải lắp thêm các tụ lọc có trị số từ vài trăm µF đến vài ngàn µF vào sau cầu Diode chỉnh lưu.

Hình 3.5 Điện áp sau khi lọc

IC ổn áp: Có chức năng ổn áp để tạo ra đường nguồn có mức đáp ứng đúng yêu cầu. Ở đây, ta dùng IC 7815 để ổn định điện áp dương IC 7815 từ 15VAC thành +15VDC và IC 7905 để ổn định điện áp âm 5VAC xuống -5VDC.

Ngoài ra, còn có các linh kiện sau:

+ Tụ C2, C6, C4 và C8 có chức năng là lọc nhiễu. + R1, R2 làm điện trở phân áp cho LED D1, D2. + LED D1, D2 đèn hiển thị.

3.2. Mạch kích

Hình 3.6 Sơ đồ mạch xung kích 1 pha

J3 : Ngõ vào xung kích từ Card DSP gồm 4 xung kích từ D0 đến D3 (từ chân 4 đến số 1). IC 74HC245 là IC đệm, ngõ vào là các xung kích từ Card DSP và IC 74HC14, ngõ ra là 8 xung kích. Mạch kích cho mỗi cặp khóa công suất đối nghịch FGA25N120 được thiết kế như sau.

Hình 3.7 Mỗi cặp khóa công suất đối nghịch trong mạch kích (có 4 cặp)

Mạch tạo thời gian trễ để chống trùng dẫn cho các khóa IGBT, sẽ được thực hiện bằng phần cứng với các cổng đảo của vi mạch 74HC14 kết hợp các diode Zener D9, D10, các tụ điện C19, C21 và điện trở R27, R30.

Hình 3.8 Dòng điện nạp và xả tụ

Khi điện áp điều khiển tại đầu nối A0 thay đổi từ mức [0] qua mức [1], làm xuất hiện dòng nạp vào tụ C19 thông qua điện trở R1(Hình 3.8). Điện áp trên tụ C19 tăng dần. Khi điện áp trên tụ C19 tăng vượt qua ngưỡng mức logic cao tương ứng 3V sẽ làm thay đổi trạng thái ngõ ra IC74HC14 (của A0) xuống mức [0]. Kết quả là transistor của bộ cách ly quang TLP250 dẫn điện, làm cho IGBT ở nhánh này sẽ được kích dẫn và dẫn điện. Thời gian từ lúc có sự thay đổi trạng thái điện áp điều khiển đến khi IGBT này thay đổi trạng thái từ ngắt sang dẫn

Đồng thời điện áp điều khiển tại đầu nối A1 thay đổi từ mức [1] sang [0], điện áp tụ điện C21 sẽ được xả thông qua diode khi phân cực thuận diode (hình 3.8). Do đó điện áp trên tụ sẽ giảm dần từ 5V. Khi điện áp trên tụ C21 giảm đến ngưỡng mức logic thấp (là 0.8V) sẽ làm thay đổi trạng thái ngõ ra IC74HC14 (của A1) tăng lên mức [1]. Kết quả là transistor của bộ cách ly quang TLP250 ngắt điện, từ đó IGBT phía nhánh này được kích ngắt và sẽ ngắt điện.

Kết quả: Thực nghiệm cho thấy thời gian trễ khi qua mạch dead time là khoảng 2 µs. Các điện trở R28, R31 trên sơ đồ có chức năng hạn chế dòng kích qua cực cổng của IGBT và hạn chế dòng trùng dẫn 2 transistor của ghép nối quang TLP250. Giá trị các điện trở này được xác định dựa trên datasheet của IGBT. Do đó, R28, R31 ta có thể xác định giá trị điện trở của chúng là: R3 = R6 = 10 (Ω)

Hình 3.9 Datasheet IGBT

3.3. Mạch công suất IGBT

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất

Có hai lựa chọn chính cho việc sử dụng khoá đóng cắt đó là MOSFET và IGBT. Cả hai loại MOSFET và IGBT đều là linh kiện được điều khiển bằng điện áp, nghĩa là việc dẫn và ngưng dẫn của linh kiện được điều khiển bằng một nguồn điện áp nối với cực Gate của linh kiện thay vì là dòng điện trong các bộ nghịch lưu sử dụng Transitor như trước đây. Vì vậy cách sử dụng loại linh kiện này làm cho việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn.

35 Điểm yếu của MOSFET là không có khả năng chịu dòng điện cao. Trong khi đó IGBT thích hợp với các ứng dụng ở tốc độ thấp và có khả năng chịu được dòng điện cao. Vì vậy tuỳ vào đặc điểm của ứng dụng mà có sự lựa chọn linh kiện phù hợp.

Các yêu cầu chính đặt ra cho linh kiện sử dụng làm mạch công suất: + Điện áp Vds của MOSFET hay Vce của IGBT phải lớn hơn Vdc. + Dòng điện qua linh kiện > Iđm của tải ở nhiệt độ hoạt động bình thường.

+ Chịu được tần số đóng ngắt cao.

Để an toàn có thể chọn IGBT có dòng cực đại lớn hơn 2 lần Imax và điện áp ngược cực đại phải lớn hơn 2 lần Vd. Vì vậy có thể chọn IGBT FGA25N120ANTD

có thông số như ở bảng 3.1 sau.

Bảng 3.13 Thông số IGBT 25N120NTD

Nguyên lý hoạt động của mạch công suất IGBT: Nguồn điện áp DC từ bình ắc quy sẽ là nguồn Vcc cung cấp cho các IGBT hoạt động. Các IGBT ghép tầng theo cấu trúc Cascade, các IGBT hoạt động theo xung kích đóng cắt theo giải thuật điều khiển để chuyển đổi điện áp DC sang điện áp xoay chiều AC theo sự vận hành của khối điề khiển trung tâm.

Hình 3.14 Dạng sóng điện áp ngõ ra của một pha trên mô phỏng

3.4. Mạch tăng áp DC/DC

Bộ DC/DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy. Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy. Ở đây chúng ta sử dụng mạch boost để tăng điện áp DC từ ắc quy vào mạch công suất.

Hình 3.16 chế độ hoạt động của mạch boost

Khi khóa đóng, dòng điện chạy qua cuộn cảm theo chiều kim đồng hồ và cuộn dây tích trữ năng lượng. Chiều bên trái cuộn dây mang dấu dương.

Khi khóa mở, dòng điện bị giảm. Tuy nhiên dòng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm). Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thông qua diode D.

Nếu khóa hoàn thành chu kỳ chuyển mạch, điện cảm sẻ không được tích đầy giữa trạng thái tích điện và tải sẻ có điện áp lớn hơn đầu vào khi khóa mở. Khi khóa mở, tụ nối song song tải được tích điện tới điện áp tương ứng. Khi khóa được

đóngvà phần mạch bên phải ngắn mạch từ bên trái, tụ sẻ cung cấp điện áp và năng lượng cho tải.

3.5. Bộ điều khiển năng lượng mặt trời

Điện áp của tấm pin năng lượng mặt trời không ổn định. Nên chúng ta phải sử dụng bộ điều khiển sạc để đảm bảo điện áp khi sạc cũng như bảo vệ được bình ắc quy không gây giảm tuổi thọ bình.

Nhiệm vụ chính của nó là "điều khiển" việc sạc bình ắc quy từ nguồn điện sinh ra từ pin mặt trời.

+ Bảo vệ bình: Khi đầy bình thì bộ điều khiển ngăn không cho nguồn điện tiếp tục nạp vào ắc quy làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của bình. Khi bình gần cạn đến ngưỡng phải ngắt để bảo vệ bình, bộ điều khiển sẽ ngắt không cho sử dụng tải để bảo vệ bình không hết bình.

+ Bảo vệ tấm pin mặt trời: Nguyên lý của dòng điện là chảy từ nơi điện thế cao đến nơi điện thế thấp. Vì đặc tính của tấm pin là điện áp không ổn định. Điện áp, dòng điện cao vào ban ngày và thấp vào ban đêm (do không đủ nắng). Vì vậy nhiệm vụ của bộ điều khiển sẽ ngăn một cách triệt để không để cho dòng điện có thể đi ngược lên tấm pin để tránh hiện tượng trên. Giúp tăng tuổi thọ cho tấm pin cũng như đảm bảo hiệu suất của tấm pin cao nhất.

Hiện nay có khá nhiều phương pháp sạc Ắc-quy, như sạc ở chế độ thả nổi (Float), phương pháp này có giá thành rẽ, dể lắp đặt, nhưng có thời gian sạc dài và không có khả năng bảo vệ Ắc-quy tránh quá dòng cũng như quá áp.

39 Một phương pháp khác là sạc 3 giai đoạn nó có ưu điểm là thời gian sạc rất nhanh và các chức năng bảo vệ Ắc-quy đều được tích hợp, phương pháp này có rất nhiều ưu điểm nhưng mạch điều khiển khá phức tạp. Trong mô hình này, bộ sạc được thiết kế theo phương pháp tốt nhất, đó là phương pháp sạc Ắc-quy 3 giai đoạn, với tính chất sạc trong thời gian ngắn, tăng tuổi thọ Ắc-quy và có các chức năng