Đang tải... (xem toàn văn)
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 Mã: 13322 Học Kỳ: – Năm học 2023-2024 Đề tài: Thiết Kế Bộ Biến Đổi Dc-Dc Mạch Cầu Pha Theo Nguyên Lý Băm Xung Điều Khiển Ổn Định Dịng Điện Động Cơ Có Đảo Chiều Điện Áp U = 12V SINH VIÊN LÊ VĂN THẠCH NGUYỄN VĂN HIẾN NGUYỄN VĂN KIÊN MSV 85812 86575 86731 LỚP ĐTĐ61ĐH ĐTĐ61ĐH ĐTĐ61ĐH NHIỆM VỤ Nhóm trưởng Thành viên Thành viên Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chun ngành Điện tự động cơng nghiệp Giảng viên hướng dẫn : Ths Vũ Ngọc Minh 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 Mã: 13322 Học Kỳ: – Năm học 2023-2024 Đề tài: Thiết Kế Bộ Biến Đổi Dc-Dc Mạch Cầu Pha Theo Nguyên Lý Băm Xung Điều Khiển Ổn Định Dòng Điện Động Cơ Có Đảo Chiều Điện Áp U = 12V SINH VIÊN LÊ VĂN THẠCH NGUYỄN VĂN HIẾN NGUYỄN VĂN KIÊN MSV 85812 86575 86731 LỚP ĐTĐ61ĐH ĐTĐ61ĐH ĐTĐ61ĐH NHIỆM VỤ Nhóm trưởng Thành viên Thành viên Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp Giảng viên hướng dẫn : Ths Vũ Ngọc Minh HẢI PHÒNG - 12/2023 ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC MẠCH CẦU PHA THEO NGUYÊN LÝ BĂM XUNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH DỊNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ CĨ ĐẢO CHIỀU ĐIỆN ÁP U = 12V Giảng Viên Hướng Dẫn ( Ký ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Trước hết, chúng em chân thành cảm ơn thầy cô cán Khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học Em xin chân thành cảm ơn tất quý thầy cô nhiệt tình giảng dạy chun ngành Điện tự động cơng nghiệp Em hết lòng biết ơn quan tâm ủng hộ gia đình bạn bè Đó nguồn động viên tinh thần lớn để theo đuổi hoàn thành đồ án Đặc biệt, em vô tri ân hướng dẫn tận tình theo dõi sát đầy tinh thần trách nhiệm lòng thương mến thầy Vũ Ngọc Minh suốt trình em thực Báo cáo Đồ án Cuối em muốn gửi lời cảm ơn đến tồn q thầy khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam , người có vai trị lớn suốt trình em theo học Trong trình thực đồ án nhận thấy chúng em cố gắng kiến thức cịn hẹn hẹp nên cịn nhiều thiếu sót, mong thầy bổ sung để Báo cáo Đồ án hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy/Cô! Sinh Viên Thực Hiện ( Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN10 1.1 Cơ sở lý thuyết động 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 pha 16 1.2.4 Ngun lí đảo chiều ổn định dịng điện động 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 18 2.1 Xây dựng tính tốn đối tượng điều khiển 18 2.1.1 Tính tốn thơng số cho mạch động lực 18 2.1.2 Tính tốn thơng số cho mạch driver .19 2.1.3 Xây dựng mạch vòng dòng điện 27 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 29 3.1 Khảo sát đặc tính động học động miền thời gian liên tục 29 3.2 Các phần tử hệ thống 32 3.3 Phân tích hoạt động hệ thống 36 3.4 Lắp mạch thực, nhận xét, đánh giá kết 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 điện chiều 10 Hình 1.2 Ký hiệu MOSFET 11 Hình 1.3 Cấu trúc bên MOSFET .11 Hình 1.4 Sơ đồ kích mosfet high-side .14 Hình 1.5 Nguyên lí hoạt động Bootstrap .15 Hình 1.6 Ngun lí hoạt động Bootstrap .15 Hình 1.7 Nguyên lí hoạt động mạch cầu H 16 Y Hình 2.1 Sơ đồ cầu H sử dụng van MOSFET 18 Hình 2.2 Sơ đồ khối chức bên IR2104 21 Hình 2.3 Sơ đồ chân IR2104 IR2104S 22 Hình 2.4 Giản đồ thời gian đầu vào/đầu 22 Hình 2.5 Linh kiện kích cực gate cho MOSFET .26 Hình 3.1 Thông số lưu trữ workspace 30 Hình 3.2 Mơ hình hố động điện chiều miền liên tục .30 Hình 3.3 Mạch vịng dịng điện theo chuẩn tối ưu Module .31 Hình 3.4 Đặc tính dịng điện có mạch vịng điều chỉnh .31 Hình 3.5 Vi điều khiển sử dụng Arduino 32 Hình 3.6 Cấu hình board Arduino Uno R3 33 Hình 3.7 Hiệu điện sinh cảm biến Hall 35 Hình 3.8 Chuyển đổi đo cho cảm biến Hall .35 Hình 3.9 Các chân vào/ra 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 mơ toàn hệ thống 39 Hình 3.13 Board PCB trước sau gắn linh kiện 41 Hình 3.14 Kết sau tìm điều khiển PID 42 DANH MỤC BẢ Bảng 1.1 Trạng thái điều khiển cầu H 16 Y Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật IRF3205 19 Bảng 2.2 Các giá trị tuyệt đối IR2104 20 Bảng 2.3 Thông số điều kiện hoạt động đề xuất IR2104 20 Bảng Mô tả chức chân IR2104 21 Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật IR2104 25 Bảng 2.6 Thông số động RH14D-3002 27 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 32 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật cảm biến ACS712 36 Bảng 3.3 Khai báo chân chức 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 tốn tham số điều khiển dòng điện 42 Lời Mở đầu Tính cấp thiết đề tài Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp chuyên nghiên cứu phát triển, phát triển hệ thống tự động điều khiển dây chuyền sản xuất công nghiệp Tự động hóa mạnh mẽ để kiểm sốt nhanh chóng, xác dây chuyền sản xuất phức tạp, xác khn mẫu Trong xu hội nhập toàn cầu, đất nước ta bước vào giai đoạn cơng nghiệp hóa, đại hóa, ngành nghề kỹ thuật cần đến tự động hóa Có thể hiểu, Tự động hóa cơng nghiệp chun ngành nghiên cứu, thiết kế,vận hành hệ thống tự động, dây chuyền sản xuất tự động nhà máy (xi măng, sắt thép, nước giải khát, dược phẩm…); thiết kế, điều khiển chế tạo robot; quản lý sản phẩm cơng ty ngồi nước kinh doanh thiết bị điện tử tự động Chúng em sinh viên trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam, giúp đỡ tận tình thầy Khoa Điện – Điện Tử nói riêng trường Đại Học Hàng Hải nói chung, chúng em hồn thành Học phần Đồ án mà thầy giao Mục đích nghiên cứu đề tài Mục đích đề tài nghiên cứu thiết kế biến đổi dc-dc mạch cầu pha theo nguyên lý băm xung điều khiển ổn định dịng điện động có đảo chiều Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu hệ thống điều khiển xử lí vi điều khiển để giao tiếp với thiết bị ngoại vi , biến đổi cơng suất nhằm phục vụ mục đích đề tài Phương pháp nghiên cứu khoa học Để nắm rõ, thiết kế, mô đề tài thực tế cần thực hiện: - Nghiên cứu biến đổi công suất , nghiên cứu cách thức giao tiếp với thiết bị ngoại vi - Nghiên cứu thực tiễn: Tiến hành lựa chọn nghiên cứu thiết bị, lắp đặt hệ thống, sử dụng phầm mềm để lập trình điều khiển hệ thống Ý nghĩa khoa học thực tiễn Góp phần nâng cao nhận thức tầm quan trọng ứng dụng cơng nghệ tự động hóa cơng nghiệp Hiểu nguyên lý, trình hoạt động biến đổi dcdc mạch cầu pha theo nguyên lý băm xung, tạo điều kiện tiếp xúc thực tiễn việc lập trình xây dựng điều khiển động DC 12V