Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại như băng chuyền tự động hay hệ thống máy trộn hóa chất, việc duy trì sự ổn định của hệ thống máy móc và nguồn điện áp cung cấp đóng vai trò then chốt. Hầu hết các nhà máy, xí nghiệp đều sử dụng hệ thống máy phát điện và động cơ điện một chiều (DC). Các hệ thống này đặt ra yêu cầu khắt khe về việc ổn định điện áp tại một điểm làm việc xác định, hoặc thay đổi điện áp một chiều linh hoạt trong phạm vi cho phép nhằm đáp ứng quy trình vận hành và đảm bảo an toàn lao động.

Trước đây, các hệ thống biến đổi điện áp thường sử dụng các mạch điều khiển tương tự (analog). Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý, hệ truyền động điều khiển số (digital control) ngày càng được ưu tiên ứng dụng để thay thế nhờ các đặc tính vượt trội: kích thước nhỏ gọn, độ tin cậy và độ chính xác cao, khả năng xử lý đồng thời nhiều luồng tín hiệu trong thời gian thực. Bên cạnh đó, tại các cơ sở đào tạo đại học và cao đẳng, việc trang bị các bộ thí nghiệm tự động hóa chuyên sâu thường đòi hỏi nguồn kinh phí lớn. Sự kết hợp giữa bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 và phần mềm Matlab cung cấp một giải pháp kỹ thuật linh hoạt, cho phép thực thi các thuật toán điều khiển từ cổ điển đến thông minh với chi phí hợp lý.

Đề tài "Xây dựng mô hình chỉnh lưu cầu 3 pha cho động cơ DC và cuộn kích từ máy phát DC điều khiển bằng card DSP F28335" được thực hiện bởi sinh viên Hoàng Viết Cường và Nguyễn Trung Hiếu, dưới sự hướng dẫn của ThS. Đỗ Đức Trí tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 06/2014).

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu lý thuyết và nguyên lý vận hành của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần sử dụng linh kiện bán dẫn SCR.
  2. Khảo sát kiến trúc phần cứng và tập lệnh của card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 (hãng Texas Instruments).
  3. Xây dựng giải thuật và lập trình các khối điều khiển, tạo xung kích (xung kép) trên nền tảng Matlab/Simulink, sau đó nạp trực tiếp xuống card DSP.
  4. Thiết kế, thi công hoàn chỉnh các khối phần cứng bao gồm: mạch nguồn, mạch đệm ngõ vào, mạch đệm đảo và mạch công suất.
  5. Thực nghiệm ghép nối hệ thống với tải thực tế gồm động cơ DC (180Vdc, công suất 1 HP) kéo máy phát điện DC (công suất 2 HP) và cấp nguồn cho cuộn kích từ; tiến hành đo đạc dạng sóng xung kích và điện áp chỉnh lưu ngõ ra bằng máy hiện sóng Tektronix.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng SCR, card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335, giải thuật phát xung kích điều khiển bằng Matlab, động cơ điện một chiều và máy phát điện một chiều kích từ độc lập.
  • Phạm vi thực hiện: Mô hình thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Điện tử Công suất nâng cao (D209), Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong thời gian 16 tuần (từ tháng 02/2014 đến tháng 06/2014).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng dựa trên lý thuyết mạch điện tử công suất, máy điện và kỹ thuật xử lý tín hiệu số vi điều khiển:

1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần: Mạch sử dụng 6 thyristor (SCR) chia thành hai nhóm riêng biệt: nhóm Anode chung (SCR2, SCR4, SCR6) và nhóm Catode chung (SCR1, SCR3, SCR5). Để mạch làm việc bình thường ở chế độ dòng tải liên tục hoặc gián đoạn, hệ thống áp dụng nguyên lý kích xung kép: mỗi SCR khi nhận tín hiệu kích mở cũng đồng thời phát lại xung kích cho SCR của pha dẫn trước đó (hai xung kích cách nhau một góc $60^\circ$ hay $\pi/3$).
  • Máy điện một chiều (Động cơ và Máy phát DC): Khảo sát cấu tạo stator, rotor, hệ thống chổi than - vành góp và cuộn dây kích từ. Mô hình vận hành của động cơ DC sinh ra sức phản điện động (counter-EMF hay CEMF) đối kháng với điện áp đặt vào. Hệ thống sử dụng phương pháp kích từ độc lập, trong đó nguồn cấp cho phần ứng và cuộn kích từ hoàn toàn riêng biệt, cho phép mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và điện áp.
  • Kiến trúc phần cứng xử lý tín hiệu số: Card điều khiển trung tâm sử dụng DSP TMS320F28335 thuộc dòng C2000 (kiến trúc Harvard cải tiến 32-bit, tốc độ xử lý 150 MHz, thời gian chu kỳ máy 6.67 ns). Bộ xử lý tích hợp bộ nhớ Flash 256Kx16, SARAM 34Kx16, 16 kênh chuyển đổi ADC 12-bit (thời gian chuyển đổi 80 ns) và 18 kênh điều chế độ rộng xung ePWM.

2. Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập và nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về điện tử công suất, vi xử lý và truyền động điện để thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch công suất và giải thuật kích mở SCR.
  • Phương pháp mô hình hóa và lập trình nhúng: Xây dựng mô hình giải thuật trên Matlab/Simulink với chu kỳ lấy mẫu xác định, chuyển đổi và nạp trực tiếp mã thực thi xuống card DSP.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế, chế tạo mạch in (PCB), tích hợp các khối phần cứng, kết nối với nguồn điện 3 pha và hệ thống động cơ - máy phát thực tế; sử dụng máy hiện sóng Tektronix để thu thập và đối soát dạng sóng điện áp thực tế với lý thuyết.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module đồng bộ, kết nối chặt chẽ giữa phần mềm điều khiển và phần cứng công suất.

                                    [ Mạch nguồn phụ DC ]

1. Kiến trúc phần cứng

Hệ thống phần cứng bao gồm các khối chức năng chính:

  • Khối xử lý trung tâm (DSP TMS320F28335): Đóng vai trò tạo chuỗi xung điều khiển đồng bộ 6 kênh xuất ra từ các chân GPIO/ePWM theo đúng quy luật góc kích $\alpha$.
  • Mạch đệm ngõ vào: Nhận tín hiệu điện áp xoay chiều 12V từ biến áp đồng pha của lưới, thực hiện chỉnh lưu/hạ áp về mức logic an toàn 3.3V để đưa vào các cổng số của DSP nhằm phục vụ khâu dò điểm không (Zero-crossing detection).
  • Mạch đệm đảo: Nhận tín hiệu điều khiển logic từ card DSP (mức áp 3.3V), khuếch đại nâng mức điện áp lên 5V, đồng thời đảo trạng thái logic để tương thích với ngõ vào tầng kích mở (trigger) của mạch công suất.
  • Mạch công suất: Cầu chỉnh lưu 3 pha gồm 6 van SCR chịu dòng và áp định mức, kết hợp cùng mạch tạo xung cách ly bảo vệ.
  • Mạch nguồn phụ: Chuyển đổi và ổn áp các mức điện áp DC cần thiết để nuôi mạch đệm, mạch kích và các mạch tích hợp trên bo mạch.

2. Thiết kế giải thuật điều khiển trên Matlab

Chương trình điều khiển được thiết lập với các thông số cấu hình: tần số lưới $f = 50\text{ Hz}$, chu kỳ lấy mẫu $T_s = 0.0001\text{ s}$ (tương ứng số mẫu trong một chu kỳ sample = 1 / (f * Ts) = 200). Các khối giải thuật cơ bản gồm:

  • Khối dò điểm không (Zero-crossing): Xác định thời điểm điện áp pha chuyển qua điểm 0 để đồng bộ hóa việc tính toán thời gian kích:
function y = fcn(u)
if (u > 100)
    y = 1;
else
    y = 0;
end
  • Khối phát xung kích các pha thuận (A, B, C): Tính toán độ trễ thời gian dựa trên góc kích $\alpha$ (anpha) và góc dịch pha ban đầu (init_angle) để tạo xung có độ rộng $15^\circ$:
function [y, enable] = fcn(u, anpha, init_angle, sample)
% Khối tính toán xuất xung kích
if (t >= (anpha + init_angle) / 360 * sample) && (t <= (anpha + init_angle + 15) / 360 * sample)
    y = 1;
else
    y = 0;
end
  • Khối tạo trễ (hamdelay_10Ts): Duy trì độ trễ 10 chu kỳ lấy mẫu để tạo xung kép đồng bộ:
function [y, t] = hamdelay_10Ts(y_p, u, t_p)
t = t_p + 1;
if (t >= 10)
    t = 0;
    y = u;
else
    y = y_p;
end
  • Khối phát xung kích các pha đảo (A đảo, B đảo, C đảo): Kiểm tra điều kiện chuyển mạch đồng thời của các trạng thái ngõ vào để kích hoạt biến enable và tạo chuỗi xung đối ứng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Dẫn nhập

Chương này trình bày bối cảnh công nghệ của ngành điện tử công suất, tầm quan trọng của việc điều khiển và ổn định điện áp cho máy phát điện và động cơ DC trong sản xuất công nghiệp. Tác giả phân tích lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu thực tiễn về mô hình học tập tự động hóa giá thành hợp lý, xác định đối tượng nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật và lập bảng kế hoạch thực hiện đồ án trong 16 tuần.

Chương II: Cơ sở lí thuyết

Chương II tập trung hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết liên quan đến:

  1. Phân loại các bộ chỉnh lưu (không điều khiển, bán điều khiển, điều khiển toàn phần; sơ đồ hình tia và hình cầu).
  2. Phân tích chi tiết giản đồ dòng - áp và nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần dùng 6 SCR với các khoảng góc kích $\alpha \in [0, \pi/3]$, $\alpha = \pi/2$, và điều kiện ngưng dẫn khi $\alpha > \pi/2$.
  3. Cấu tạo cơ điện, phương trình đặc tính và phân loại kích từ của động cơ điện một chiều và máy phát điện một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu, kích từ độc lập, nối tiếp, song song và hỗn hợp).
  4. Khảo sát chi tiết phần cứng card DSP TMS320F28335: cấu trúc CPU C28xx, tổ chức phân vùng bộ nhớ (Flash 256Kx16, SARAM L0-L7, M0, M1), các chuẩn giao tiếp ngoại vi (ePWM, HRPWM, ADC, SPI, SCI, CAN, I2C) và chuẩn nạp JTAG IEEE 1149.

Chương III: Lập trình bằng Matlab

Trình bày chi tiết sơ đồ kết nối khối và các đoạn mã hàm giải thuật lập trình nhúng trên Matlab/Simulink:

  • Khối phát hiện điểm không của tín hiệu lưới.
  • Khối tính toán góc kích và tạo xung kích cho 3 pha thuận (A, B, C).
  • Khối trễ hamdelay phục vụ thuật toán phát xung kép.
  • Khối tạo xung kích cho 3 pha đảo (A đảo, B đảo, C đảo) đảm bảo khóa/mở chính xác các cặp thyristor theo chu kỳ $50\text{ Hz}$.

Chương IV: Thiết kế phần cứng

Mô tả sơ đồ nguyên lý tổng quát và hình ảnh thi công thực tế của các mạch thành phần:

  • Bo mạch xử lý trung tâm DSP TMS320F28335.
  • Mạch đệm ngõ vào hạ áp từ 12V xuống 3.3V.
  • Mạch đệm đảo nâng áp từ 3.3V lên 5V và đảo mức logic điều khiển.
  • Mạch nguồn cấp một chiều cho hệ thống mạch phụ trợ.
  • Tích hợp bộ nguồn với hệ truyền động động cơ DC - máy phát điện DC.

Chương V: Kết quả thực nghiệm - Kết luận - Hướng phát triển

Ghi nhận kết quả đo đạc thực nghiệm trên hệ thống phần cứng với nguồn 3 pha cấp $74\text{V}$ và $12\text{V}$, kéo tải động cơ DC 180V (1 HP) và máy phát DC (2 HP). Chương này cung cấp các hình chụp dạng sóng thực tế trên máy hiện sóng Tektronix, đưa ra đánh giá về độ ổn định của hệ thống, chỉ rõ các hạn chế còn tồn tại và đề xuất hướng nâng cấp tiếp theo.


Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình phần cứng và nạp chương trình điều khiển hoạt động chính xác theo yêu cầu thiết kế. Kết quả đo đạc dạng sóng xung kích và điện áp trên tải ở các góc kích khác nhau được ghi nhận chi tiết qua máy hiện sóng Tektronix:

Thông số thực nghiệm Giá trị / Kết quả ghi nhận
Nguồn cấp 3 pha $74\text{V}$ và $12\text{V}$, tần số $50\text{ Hz}$
Phương pháp kích SCR Xung kép (độ rộng mỗi xung cơ bản $15^\circ$, lặp lại sau $60^\circ$)
Đối tượng tải phần cứng Động cơ DC $180\text{Vdc}$ ($P = 1\text{ HP}$), Máy phát DC ($P = 2\text{ HP}$)
Xung kích các pha A, B, C Dạng sóng xung vuông chuẩn logic, xuất đúng thứ tự dịch pha $120^\circ$ tại góc kích $0^\circ$
Dạng sóng điện áp tải tại $\alpha = 0^\circ$ Dạng sóng chỉnh lưu 6 xung liên tục, biên độ đỉnh đồng đều
Dạng sóng điện áp tải tại $\alpha = 30^\circ$ Xuất hiện đoạn dịch pha mở chậm của SCR, điện áp trung bình bắt đầu giảm
Dạng sóng điện áp tải tại $\alpha = 60^\circ$ Dạng sóng xung điện áp bán kỳ thu hẹp theo đúng lý thuyết điều khiển pha
Dạng sóng điện áp tải tại $\alpha = 90^\circ$ Điện áp ngõ ra tiến sát biên độ ngưỡng chuyển tiếp dòng gián đoạn
Dạng sóng điện áp tải tại $\alpha = 120^\circ$ Điện áp chỉnh lưu giảm sâu, các đoạn dẫn của SCR bị thu hẹp hoàn toàn

2. Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Làm chủ quy trình lập trình nhúng DSP qua Matlab: Chứng minh tính khả thi của việc thiết kế giải thuật điều khiển xung kích phức tạp (xung kép) trên giao diện đồ họa Simulink/Matlab và biên dịch trực tiếp xuống vi xử lý TMS320F28335 mà không cần viết thủ công toàn bộ bằng hợp ngữ/C phức tạp.
  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Xây dựng hệ thống mạch ghép nối trung gian (mạch đệm ngõ vào 12V $\rightarrow$ 3.3V, mạch đệm đảo 3.3V $\rightarrow$ 5V) đảm bảo cách ly và bảo vệ an toàn cho card DSP công suất nhỏ khi điều khiển trực tiếp dàn van công suất SCR.
  • Khả năng điều chỉnh và ổn định: Điều chỉnh được điện áp cấp cho cuộn kích từ của máy phát điện và tốc độ động cơ DC kéo máy phát thông qua biến trở, giúp điện áp đầu ra đạt độ ổn định theo yêu cầu đặt trước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích đánh giá thực nghiệm tại Chương V, tác giả đã chỉ ra hai vấn đề tồn tại chính của mô hình:

  1. Chưa tích hợp cảm biến phản hồi điện áp tự động: Hệ thống hiện tại điều chỉnh điện áp kích từ thông qua can thiệp biến trở thủ công, chưa có vòng điều khiển kín (closed-loop) sử dụng cảm biến điện áp để tự động bù áp khi thay đổi tải, dẫn đến hiện tượng sụt áp khi mang tải lớn.
  2. Kích thước phần cứng: Các khối mạch rời (mạch đệm ngõ vào, mạch đệm đảo, mạch công suất, mạch nguồn) còn được bố trí cồng kềnh, chưa được tối ưu hóa về mặt không gian và thẩm mỹ công nghiệp.

Hướng phát triển đề xuất:

  • Nghiên cứu thiết kế và tích hợp thêm module cảm biến điện áp ngõ ra kết nối về khối ADC của card DSP TMS320F28335 để thực thi giải thuật tự động điều chỉnh dòng kích từ, duy trì ổn định điện áp máy phát khi tăng tải.
  • Tối ưu hóa layout bo mạch in (PCB), tích hợp các khối mạch đệm và nguồn phụ vào một cấu trúc module nguyên khối nhỏ gọn, tăng tính thẩm mỹ và độ bền cơ học cho mô hình thí nghiệm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về việc kết nối, nạp chương trình và cấu hình phần cứng dòng chip xử lý DSP TMS320F28335 kết hợp phần mềm Matlab.
  • Người thực hiện đồ án, nghiên cứu về Điện tử Công suất: Cung cấp giải thuật chi tiết cho bộ phát xung kép điều khiển cầu 3 pha SCR, phương pháp thiết kế mạch đệm tương thích mức điện áp logic (12V - 3.3V - 5V) và phương pháp đo kiểm trên máy hiện sóng Tektronix.
  • Phòng thí nghiệm các trường đại học/cao đẳng: Tài liệu đóng góp phương án xây dựng bộ kit thực hành thí nghiệm truyền động điện - máy điện DC với chi phí linh kiện hợp lý và tính linh hoạt cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần cần phải sử dụng phương pháp điều khiển bằng xung kép?
Trong mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần, tại mỗi thời điểm bất kỳ dòng điện phải chạy qua đồng thời 2 SCR thuộc 2 nhóm khác nhau (một van nhóm Anode chung và một van nhóm Catode chung) nối giữa 2 pha. Nếu chỉ kích bằng một xung ngắn đơn lẻ, khi khởi động hoặc khi tải rơi vào chế độ dòng điện bị gián đoạn, van thứ hai không có xung kích đồng thời dẫn đến mạch không thể mở dòng và không hoạt động được. Phương pháp kích xung kép đảm bảo mỗi SCR khi nhận xung kích mở sẽ đồng thời phát lại một xung kích cho SCR của nhánh dẫn trước đó (cách nhau $60^\circ$).

2. Card DSP TMS320F28335 xử lý mức điện áp I/O nào và tác giả đã thiết kế mạch đệm như thế nào để tương thích với phần cứng?
DSP TMS320F28335 hoạt động với mức điện áp core $1.8\text{V} - 1.9\text{V}$ và điện áp xuất nhập (I/O) là $0 - 3.3\text{V}$. Do đó, tác giả thiết kế hai mạch đệm trung gian:

  • Mạch đệm ngõ vào: Hạ mức điện áp từ biến áp đồng pha 12V xuống 3.3V để truyền an toàn vào chân vi xử lý phục vụ dò điểm 0.
  • Mạch đệm đảo: Nâng mức điện áp xuất ra từ DSP từ 3.3V lên 5V và đảo mức logic để phù hợp với yêu cầu kích mở của mạch kích van SCR.

3. Thông số cấu hình của giải thuật tạo xung kích trên Matlab được thiết lập như thế nào?
Giải thuật trên Matlab được xây dựng với tần số sóng sin nguồn $f = 50\text{ Hz}$, chu kỳ lấy mẫu thời gian $T_s = 0.0001\text{ s}$ ($0.1\text{ ms}$). Số lượng mẫu trong một chu kỳ được tính theo công thức sample = 1 / (f * Ts) = 200 mẫu. Độ rộng của mỗi xung kích được thiết lập tương ứng với khoảng dịch $15^\circ$ trên chu kỳ sóng.

4. Thông số tải thực tế được sử dụng để kiểm chứng mô hình trong đồ án là gì?
Mô hình thực nghiệm sử dụng nguồn cấp 3 pha $74\text{V}$ và $12\text{V}$ ($50\text{ Hz}$). Hệ thống tải gồm một động cơ điện một chiều điện áp định mức $180\text{Vdc}$, công suất $1\text{ HP}$ dùng để kéo một máy phát điện một chiều công suất $2\text{ HP}$, kết hợp cùng mạch chỉnh lưu cấp nguồn cho cuộn kích từ độc lập.

5. Kết quả dạng sóng điện áp ngõ ra trên tải thay đổi như thế nào khi tăng dần góc kích $\alpha$ từ $0^\circ$ đến $120^\circ$?
Khi $\alpha = 0^\circ$, dạng sóng chỉnh lưu ngõ ra gồm 6 xung liên tục với giá trị điện áp trung bình lớn nhất. Khi tăng dần góc kích lên các mức $30^\circ$, $60^\circ$, $90^\circ$ và $120^\circ$, thời điểm mở của các van SCR bị trễ dần lại, biên độ và diện tích phần sóng điện áp dẫn trên tải bị thu hẹp tương ứng theo quy luật điều khiển pha, làm giảm dần điện áp một chiều trung bình cấp cho tải.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Hoàng Viết Cường và Nguyễn Trung Hiếu đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và thi công mô hình chỉnh lưu cầu 3 pha dùng 6 SCR điều khiển bằng card DSP TMS320F28335 thông qua công cụ nhúng Matlab. Hệ thống phần cứng mạch đệm, mạch công suất và giải thuật phát xung kép vận hành ổn định trên hệ truyền động động cơ DC 1 HP kéo máy phát DC 2 HP. Dù còn hạn chế về kích thước cơ khí và chưa có vòng phản hồi tự động chống sụt áp, công trình đã cung cấp một tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về phương pháp điều khiển số trong lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện.