Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nồng độ các chất khí phát thải độc hại như carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), các hợp chất lưu huỳnh oxit (SOx) và nitơ oxit (NOx) từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch của động cơ đốt trong đang gây ra những biến đổi tiêu cực đối với hệ sinh thái và sức khỏe con người. Khí CO làm suy giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu; CO2 gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu; trong khi SOx và NOx là tác nhân chính gây ra hiện tượng mưa axit và các bệnh lý nghiêm trọng về đường hô hấp. Cùng với sự thắt chặt của các tiêu chuẩn khí thải quốc tế như EURO 5, EURO 6 và sự cạn kiệt dần của nguồn dầu mỏ, xu hướng chuyển dịch phương tiện giao thông từ sử dụng nhiên liệu truyền thống sang năng lượng điện đã trở thành một yêu cầu thực tiễn cấp bách. Tại Việt Nam cũng như trên thế giới, xe máy điện đang phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi các nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống điều khiển nhằm nâng cao hiệu suất truyền động và độ ổn định của hệ thống truyền lực.

Đề tài "Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển động cơ xe máy điện" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Đoàn Duy Khôi và Trương Thanh Bình dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thanh Phúc tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 06/2024).

Đề tài xác định 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, các linh kiện bán dẫn công suất và các phương pháp điều chế độ rộng xung.
  2. Mô phỏng hệ thống bộ nghịch lưu ba pha trên phần mềm chuyên dụng để phân tích dạng sóng điện áp và dòng điện.
  3. Tính toán số liệu, lập thuật toán và thông số đầu vào cho bộ điều khiển.
  4. Lập trình vi điều khiển để xuất các tín hiệu xung điều khiển nghịch lưu ba pha.
  5. Thiết kế và chế tạo phần cứng mạch điều khiển, mạch lái và mạch công suất; sau đó tiến hành thực nghiệm trên mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn rõ ràng:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ không đồng bộ ba pha xoay chiều; vi điều khiển STM32F103C8T6 kiến trúc ARM Cortex-M; các công cụ phần mềm kỹ thuật gồm Matlab/Simulink, STM32CubeMX, Keil uVision5 và Proteus 8.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu lý thuyết và nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ ba pha; nghiên cứu phương pháp điều khiển nghịch lưu (chế độ điều khiển tỷ lệ điện áp/tần số v/f và các kỹ thuật điều chế xung sin SPWM, HSPWM, ASPWM); thiết kế mạch in (PCB) phần cứng bao gồm khối xử lý trung tâm, khối cách ly quang, khối IC lái (driver) và khối công suất IGBT; thử nghiệm mạch thực tế với tải thuần trở và các mô hình động cơ công suất 0,3 kW, 2 kW và 1,5 kW trên khung xe máy điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết máy điện xoay chiều và kỹ thuật điều khiển nghịch lưu nguồn áp (VSI - Voltage Source Inverter).

Về mặt máy điện, động cơ không đồng bộ ba pha hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ giữa từ trường quay của stator và dòng điện cảm ứng trong các thanh dẫn rotor. Từ trường quay được tạo ra bởi hệ thống ba cuộn dây stator đặt lệch nhau một góc 120 độ trong không gian khi có dòng điện ba pha lệch pha 120 độ chạy qua. Tốc độ đồng bộ của từ trường quay được xác định theo biểu thức:

$$n_1 = \frac{60f}{p}$$

Trong đó:

  • $n_1$: Tốc độ từ trường quay (vòng/phút - RPM).
  • $f$: Tần số của nguồn điện cung cấp (Hz).
  • $p$: Số cặp cực từ của dây quấn stator.

Rotor của động cơ quay với tốc độ $n$ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ $n_1$. Sự sai khác này tạo ra tốc độ trượt $n_2 = n_1 - n$ và hệ số trượt $s$:

$$s = \frac{n_1 - n}{n_1}$$

Tốc độ trên trục động cơ được tính bằng:

$$n = (1 - s)n_1 = (1 - s)\frac{60f}{p}$$

Để điều chỉnh tốc độ động cơ, nhóm tác giả phân tích ba phương pháp: thay đổi số cặp cực từ, thay đổi điện áp stato và thay đổi tần số nguồn cấp. Trong đó, phương pháp điều khiển tỷ lệ điện áp/tần số (v/f) được chọn làm cơ sở chính. Đặc tính điều khiển v/f được chia thành ba vùng hoạt động:

  • Vùng bù điện áp (0 Hz đến $f_{\text{khởi động}}$): Điện áp cung cấp được bù thêm để khắc phục sụt áp trên điện trở cuộn dây stator, đảm bảo duy trì mô-men khởi động.
  • Vùng tuyến tính ($f_{\text{khởi động}}$ đến $f_{\text{hoạt động}}$): Tỷ lệ giữa điện áp và tần số $U/f$ được duy trì không đổi để giữ từ thông cực đại trong khe hở không khí không đổi, tạo ra mô-men xoắn ổn định.
  • Vùng giới hạn điện áp ($f_{\text{hoạt động}}$ đến $f_{\text{định mức}}$): Điện áp giữ nguyên ở mức cực đại định mức để tránh phá hỏng cách điện của cuộn dây, khi tần số tiếp tục tăng thì từ thông sẽ bị suy giảm (vùng suy giảm từ thông).

Về lý thuyết mạch nghịch lưu ba pha, giá trị hiệu dụng của điện áp pha đầu ra từ nguồn một chiều $E$ được tính theo công thức:

$$U_{pha} = \sqrt{\frac{1}{2\pi} \int_{0}^{2\pi} U_{pha}^2(\theta)d\theta} = \frac{\sqrt{2}}{3}E$$

Biểu thức tức thời của điện áp ba pha lệch nhau 120 độ có dạng:

$$U_A(t) = \frac{2}{3}E \sin(\omega t)$$

$$U_B(t) = \frac{2}{3}E \sin(\omega t + 120^\circ)$$

$$U_C(t) = \frac{2}{3}E \sin(\omega t + 240^\circ)$$

Nhóm nghiên cứu áp dụng phối hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

  • Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu cấu tạo động cơ lồng sóc, khe hở không khí (0,2 - 1 mm), lá thép kỹ thuật điện 0,5 mm phủ sơn cách điện nhằm giảm tổn hao dòng điện xoáy (Foucault), nguyên lý các linh kiện bán dẫn như IGBT, IC driver IR2103, opto quang và IC ổn áp 78xx.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink xây dựng mô hình nghịch lưu ba pha, khối tạo sóng mang tam giác, khối tạo sóng sin chuẩn tham chiếu, khối so sánh PWM và khối dead time để kiểm tra dạng sóng điện áp, dòng điện trước khi thi công phần cứng.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Đo đạc tín hiệu thực tế bằng máy hiện sóng Tektronix TBS 1072C, giám sát nhiệt độ linh kiện bằng máy đo nhiệt tầm xa Hikvision, kiểm tra dạng xung trên tải thuần trở và vận hành thử nghiệm trên động cơ thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc phần cứng phân tầng, tách biệt giữa mạch điều khiển xử lý tín hiệu số, mạch tiền khuếch đại (driver) và mạch công suất điện áp cao nhằm giảm thiểu can nhiễu điện từ.

Cấu trúc phần cứng của hệ thống

  1. Khối vi điều khiển (MCU): Sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 hoạt động với thạch anh ngoài, chịu trách nhiệm nhận tín hiệu điện áp từ biến trở tay ga qua bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC1), xử lý thuật toán và phát tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM thông qua các bộ định thời (Timer).
  2. Khối cách ly tín hiệu: Sử dụng các bộ ghép quang (Optocoupler) để cách ly hoàn toàn phần tín hiệu điều khiển điện áp thấp (3,3V - 5V) với phần mạch động lực công suất cao, bảo vệ vi điều khiển khi xảy ra sự cố đánh thủng khóa bán dẫn.
  3. Khối IC lái (Driver IR2103): Sử dụng 3 vi mạch IR2103 chuyên dụng để điều khiển 3 nhánh cầu bán dẫn. Mỗi IC nhận tín hiệu kích mức cao (HIN) và mức thấp (LIN) từ vi điều khiển để xuất ra tín hiệu tương ứng tại chân HO (High Out) và LO (Low Out). Mạch tích hợp cơ chế tụ nạp bootstrap và diode chuyển mạch nhanh để cấp điện áp điều khiển cho cực cổng (Gate) của các IGBT nhánh trên khi trôi nổi điện thế.
  4. Khối mạch công suất nghịch lưu: Cấu tạo từ 6 cặp khóa bán dẫn IGBT H25R1203 mắc song song (tổng cộng 12 khóa bán dẫn) nhằm tăng khả năng chịu dòng tải cho hệ thống, kết hợp với các điện trở xả và tụ lọc nguồn DC.
Bộ phận / Linh kiện Thông số / Đặc tính kỹ thuật Chức năng trong hệ thống
Vi điều khiển STM32F103C8T6 Kiến trúc 32-bit ARM Cortex-M3, tích hợp bộ định thời nâng cao, ADC 12-bit Xử lý tín hiệu tay ga, thuật toán điều chế xung SPWM/ASPWM
IC lái IR2103 Điện áp kích mở cực cổng lên tới 600V, ngõ ra HO/LO tương thích nửa cầu Kích dẫn/ngắt cực Gate của IGBT, điều khiển nhánh trên qua tụ bootstrap
Khóa công suất IGBT H25R1203 Khả năng chịu điện áp 1200V, dòng định mức 25A (mắc song song 2 van/nhánh) Chuyển mạch nghịch lưu từ nguồn DC thành nguồn AC ba pha
Máy hiện sóng Tektronix TBS 1072C Băng thông 70 MHz, 2 kênh đo Đo kiểm tín hiệu xung kích, độ trễ và dạng sóng điện áp pha
Máy đo nhiệt tầm xa Hikvision Đo nhiệt hồng ngoại không tiếp xúc Giám sát nhiệt độ phát sinh trên phiến tản nhiệt của van IGBT

Thiết kế phần mềm và giải thuật tạo xung

Việc lập trình cho STM32F103C8T6 được cấu hình ban đầu bằng phần mềm STM32CubeMX và viết mã nguồn, biên dịch trên Keil uVision5:

  • Bộ chuyển đổi ADC1: Đọc điện áp tương tự từ cảm biến vị trí tay ga xe máy điện để quy đổi sang tần số đặt cho động cơ.
  • Cấu hình Timer: Để đảm bảo tính đồng bộ của 6 xung kích ba pha lệch nhau 120 độ, Timer 1 được cấu hình làm bộ định thời chủ (Master Timer) để phát tín hiệu kích khởi (Trigger/Ngắt) đồng bộ cho Timer 2 và Timer 3 (Slave Timers). Timer 2 được thiết lập để xuất 4 xung PWM và Timer 3 xuất 2 xung PWM còn lại.
  • Kỹ thuật canh lề xung Center Aligned PWM: Thay vì sử dụng Left Aligned (canh lề trái) hoặc Right Aligned (canh lề phải) dễ gây trùng dẫn ở cạnh lên hoặc cạnh xuống của chu kỳ xung, hệ thống sử dụng phương pháp Center Aligned (canh lề giữa). Phương pháp này giúp xung mở nằm ở tâm của chu kỳ, cho phép tạo khoảng thời gian trễ đồng đều ở cả cạnh lên và cạnh xuống.

Phân tích và xử lý thời gian trễ (Dead time)

Hiện tượng trùng dẫn giữa van phía trên và van phía dưới trong cùng một nhánh cầu nghịch lưu sẽ gây ngắn mạch nguồn DC, dẫn đến phá hủy van công suất. Đặc tính đóng ngắt của IGBT H25R1203 được ghi nhận như sau:

Thông số đóng ngắt IGBT H25R1203 Ký hiệu Giá trị ở nhiệt độ 175°C
Thời gian trễ khi bật $t_{d(on)}$ Giá trị thực nghiệm bảng thông số
Thời gian tăng dòng $t_r$ Giá trị thực nghiệm bảng thông số
Thời gian trễ khi ngắt $t_{d(off)}$ $373\text{ ns}$
Thời gian giảm dòng $t_f$ $90\text{ ns}$

Tổng thời gian trễ khi ngắt của IGBT H25R1203 là:

$$t_{off_deadtime} = t_{d(off)} + t_f = 373\text{ ns} + 90\text{ ns} = 463\text{ ns}$$

Do đó, tín hiệu kích cấp vào chân Gate chỉ được phép chuyển sang trạng thái dẫn khi van đối diện đã ngắt hoàn toàn. Trong mô phỏng Matlab/Simulink, nhóm tác giả đã thiết lập độ trễ chuyển trạng thái xấp xỉ $20,\mu\text{s}$ ($20,\mu\text{s} \gg t_{off_deadtime}$). Khi triển khai mạch thực nghiệm, khoảng thời gian trễ cài đặt giữa cặp chân vào HIN và LIN là $4,\mu\text{s}$, đáp ứng biên độ an toàn chống ngắn mạch cho cầu công suất.

So sánh các phương pháp điều chế nghịch lưu trong đồ án:
Tiêu chí so sánh Phương pháp SPWM chuẩn Phương pháp HSPWM (Nửa kỳ) Phương pháp ASPWM (Không đồng bộ có Dead time)
Nguyên lý kích So sánh sóng sin chuẩn và sóng mang tam giác liên tục trên cả chu kỳ Kích van phía cao, khóa hoàn toàn van phía thấp trong suốt bán kỳ và ngược lại Chèn khoảng thời gian trễ ($4,\mu\text{s}$) tại các thời điểm chuyển mạch đóng/ngắt
Nguy cơ trùng dẫn Nguy cơ trùng dẫn cao do đặc tính trễ ngắt tự nhiên của van IGBT Hạn chế trùng dẫn tốt do ngắt hẳn một phía trong nửa chu kỳ Loại trừ hoàn toàn hiện tượng trùng dẫn nhờ khoảng trễ chủ động
Dạng sóng đầu ra Dạng sin tương đối mịn nhưng yêu cầu phần cứng đáp ứng tốc độ cao Dạng sóng bị gián đoạn cục bộ tại điểm chuyển mạch bán kỳ Dạng sóng điện áp và dòng điện ổn định, an toàn cho mạch công suất

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc phát triển các giải pháp truyền động điện nhằm giảm thiểu ô nhiễm không khí và thích ứng với lộ trình hạn chế khí thải hóa thạch. Tác giả khảo sát tình hình nghiên cứu xe điện trong nước thông qua các đề tài luận văn thạc sĩ của Đinh Cao Trí, đồ án của Phạm Chí Linh và Lê Thị Thu Hải tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, cũng như các sản phẩm thương mại của VinFast (mẫu xe điện VF e-Lux), PEGA (Xmen City) và YADEA (U5). Ở phạm vi quốc tế, tác giả tổng hợp xu hướng đầu tư của các tập đoàn sản xuất xe máy lớn như Honda, Yamaha, Suzuki và các yêu cầu kỹ thuật về an toàn, hiệu suất và khả năng tích hợp công nghệ điều khiển thông minh. Chương này xác định rõ 5 nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp luận thực hiện và kết quả kỳ vọng của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết liên quan đến máy điện và điện tử công suất. Nội dung phân tích chi tiết cấu tạo stato (lõi thép từ các lá tôn Silic dày 0,5 mm, dây quấn ba pha lệch 120 độ), roto (kiểu lồng sóc và dây quấn), cùng ảnh hưởng của khe hở không khí (0,2 - 1 mm). Tác giả thiết lập các công thức xác định tốc độ từ trường quay, hệ số trượt và mô hình điều khiển tốc độ theo quy luật v/f. Tiếp theo, chương phân tích sơ đồ khối mạch nghịch lưu ba pha, nguyên lý biến đổi điện áp một chiều sang xoay chiều ba pha.

Tác giả tiến hành mô phỏng trên Matlab/Simulink đối với ba giải thuật điều chế xung: SPWM, HSPWM và ASPWM; tính toán thời gian trễ đóng ngắt của van IGBT H25R1203 ($t_{off_deadtime} = 463\text{ ns}$); khảo sát kỹ thuật điều chế xung tiêm sóng hài bậc ba (THIPWM) nhằm nâng cao biên độ điện áp ra. Cuối chương giới thiệu đặc tính kỹ thuật của vi điều khiển STM32F103C8T6, IC lái IR2103, máy hiện sóng Tektronix TBS 1072C, máy đo nhiệt Hikvision và các động cơ thử nghiệm (động cơ 0,3 kW, 2 kW và động cơ 1,5 kW trên xe máy).

Chương 3: Xây dựng hệ thống

Chương 3 trình bày các bước tính toán và thiết kế chi tiết phần cứng và phần mềm của bộ điều khiển. Về mặt tính toán, tác giả xác định hệ số trượt danh định và vận tốc không tải của xe máy điện. Phần mềm điều khiển được xây dựng thông qua việc tạo sóng mang tần số cao, thuật toán so sánh tạo xung SPWM với phương pháp Center Aligned PWM, cấu hình ngắt đồng bộ giữa Master Timer 1 và hai Slave Timer (Timer 2, Timer 3) cùng bộ chuyển đổi ADC1 đọc cảm biến tay ga.

Về phần cứng, chương 3 minh họa toàn bộ sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in (PCB) hai lớp trên phần mềm Proteus cho ba khối chức năng: khối vi điều khiển STM32, khối cách ly quang kết hợp IC lái IR2103 (tích hợp quá trình sạc và duy trì năng lượng cho tụ bootstrap), và khối mạch công suất nghịch lưu gồm 6 cặp IGBT H25R1203 mắc song song cùng phiến tản nhiệt nhôm.

Chương 4: Thực nghiệm

Chương 4 ghi lại quá trình đo đạc và đánh giá kết quả thực tế trên mô hình phần cứng đã chế tạo. Tác giả sử dụng máy hiện sóng Tektronix TBS 1072C để khảo sát dạng sóng ngõ ra: kiểm tra xung kích lệch pha giữa hai chân HO1 và LO1 trong cùng nhánh cầu; đo kiểm góc lệch pha 120 độ giữa hai nhánh cầu HO1 và HO2; kiểm chứng độ trễ an toàn giữa tín hiệu HIN và LIN đạt mức $4,\mu\text{s}$. Các phép thử nghiệm được tiến hành lần lượt ở hai chế độ điều chế ASPWM và HSPWM:

  • Thử nghiệm trên tải thuần trở (hệ thống bóng đèn ba pha) để đánh giá sự cân bằng điện áp giữa các pha.
  • Thử nghiệm đóng tải động cơ không đồng bộ ba pha công suất 0,3 kW và 2 kW trong phòng thí nghiệm.
  • Thử nghiệm vận hành thực tế trên động cơ 1,5 kW lắp đặt trực tiếp trên mô hình xe máy điện, kiểm tra sự biến thiên tốc độ khi vặn tay ga điều khiển.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được sau quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống nghịch lưu; đồng thời chỉ ra các điểm thiếu sót về mặt phần cứng và thuật toán. Tác giả kiến nghị các giải pháp cải tiến cấu trúc mạch, nâng cấp sơ đồ kích khóa bán dẫn và đề xuất tích hợp các giải thuật điều khiển tiên tiến cho các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Về mô phỏng: Đã xây dựng thành công mô hình nghịch lưu nguồn áp ba pha trên Matlab/Simulink, mô phỏng chính xác sự khác biệt về dạng sóng điện áp và dòng điện stato giữa các phương pháp điều chế SPWM, HSPWM và ASPWM. Xác định được việc chèn thời gian trễ $20,\mu\text{s}$ trong mô phỏng giúp loại bỏ xung dòng quá độ gây ngắn mạch nguồn.
  2. Về phần cứng: Chế tạo hoàn chỉnh bo mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6, mạch lái tích hợp 3 IC IR2103 có mạch bootstrap, và mạch công suất sử dụng 12 van IGBT H25R1203 (mắc song song 2 van trên mỗi vị trí công tắc) trên mạch in PCB hai lớp.
  3. Về dạng sóng thực nghiệm:
    • Đo kiểm trên máy hiện sóng Tektronix TBS 1072C xác nhận tín hiệu xung tại hai ngõ ra HO1 và LO1 không bị trùng dẫn.
    • Khoảng thời gian trễ (dead time) giữa cặp tín hiệu vào HIN - LIN đo được đạt giá trị thực tế $4,\mu\text{s}$, lớn hơn nhiều so với thời gian trễ ngắt danh định của IGBT ($463\text{ ns}$ ở 175°C).
    • Tín hiệu kích giữa các pha HO1 và HO2 đảm bảo độ lệch pha chuẩn 120 độ.
    • Thử nghiệm thành công trên tải thuần trở (bóng đèn), động cơ ba pha 0,3 kW, động cơ 2 kW và hệ thống truyền động động cơ 1,5 kW trên khung xe máy điện.

Đóng góp của đề tài

  • Tự chủ trong việc thiết kế sơ đồ mạch phần cứng, phân tầng rõ rệt giữa mạch điều khiển, mạch cách ly lái và mạch công suất phù hợp với ứng dụng xe máy điện quy mô sinh viên.
  • Ứng dụng thành công kỹ thuật Center Aligned PWM kết hợp cơ chế đồng bộ hóa liên Timer (Timer 1 làm Master, Timer 2 và Timer 3 làm Slave) trên vi điều khiển STM32F103C8T6 để phát 6 xung nghịch lưu ba pha có chèn thời gian trễ mà không làm suy giảm hiệu năng xử lý của CPU.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm so sánh đối chứng giữa hai chế độ điều chế ASPWM và HSPWM khi điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mạch công suất và mạch lái còn sử dụng nhiều dây nối trung gian giữa các bo mạch rời rạc, làm tăng kích thước tổng thể và dễ phát sinh nhiễu đường truyền tín hiệu tần số cao.
  • Hệ thống hoạt động theo phương pháp điều khiển v/f vòng hở, chưa tích hợp cảm biến hồi tiếp tốc độ (như cảm biến Hall hoặc Encoder) và cảm biến dòng điện hồi tiếp để thực hiện điều khiển vòng kín hoặc bảo vệ quá dòng tự động bằng phần mềm.
  • Khả năng tản nhiệt của khối công suất khi thử nghiệm tải nặng trong thời gian dài còn hạn chế, dẫn đến nguy cơ gia tăng nhiệt độ van bán dẫn vượt quá ngưỡng an toàn.
  • Đồ án chưa triển khai thuật toán tiêm sóng hài bậc ba THIPWM hoặc điều chế vector không gian SVPWM trên phần cứng thực tế mà mới dừng lại ở bước khảo sát lý thuyết và mô phỏng.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu tích hợp các giải thuật điều khiển tiên tiến như điều khiển tựa từ thông (FOC - Field Oriented Control) hoặc điều chế vector không gian (SVPWM) nhằm nâng cao hệ số sử dụng điện áp DC và giảm độ méo dạng sóng dòng điện.
  • Bổ sung các mạch phản hồi dòng điện, điện áp và cảm biến tốc độ rotor để xây dựng hệ thống điều khiển kín (Closed-loop control), đồng thời thiết lập cơ chế ngắt bảo vệ phần cứng khi xảy ra hiện tượng quá dòng, quá áp hoặc quá nhiệt.
  • Thiết kế tích hợp nguyên khối (All-in-one PCB) giữa mạch vi điều khiển, mạch lái và mạch công suất, tối ưu hóa các đường mạch chịu dòng lớn và cải tiến phiến tản nhiệt cưỡng bức cho van IGBT.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Điện tử - Viễn thông và Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán, thiết kế và thi công bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha dùng cho phương tiện giao thông chạy điện.
  • Người làm đề tài về hệ thống nhúng và điều khiển động cơ: Đáng tham khảo trực tiếp tại Chương 3 ở phần cấu hình các bộ định thời Timer 1, Timer 2, Timer 3 trên vi điều khiển STM32F103C8T6 để tạo ngắt đồng bộ và xuất xung Center Aligned PWM.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng công suất nhỏ: Cung cấp sơ đồ nguyên lý mạch IC lái IR2103 có mạch bootstrap cho khóa bán dẫn nửa cầu và phương pháp tính toán thời gian trễ dead time chống trùng dẫn van IGBT.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại động cơ nào để điều khiển trên mô hình xe máy điện?
Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế hệ thống nghịch lưu điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha (AC Induction Motor), với các mô hình thử nghiệm cụ thể gồm động cơ 0,3 kW, động cơ 2 kW trong phòng thí nghiệm và động cơ 1,5 kW lắp trên khung xe máy.

2. Thời gian trễ (Dead time) ngắt của van IGBT H25R1203 được tính toán ra sao và mạch thực nghiệm cài đặt bao nhiêu?
Thời gian trễ khi ngắt danh định của IGBT H25R1203 ở nhiệt độ 175°C được tính bằng tổng thời gian trễ ngắt và thời gian giảm dòng: $t_{off_deadtime} = t_{d(off)} + t_f = 373\text{ ns} + 90\text{ ns} = 463\text{ ns}$. Trên mạch thực nghiệm, nhóm tác giả cài đặt khoảng thời gian trễ giữa hai ngõ vào HIN và LIN là $4,\mu\text{s}$ để đảm bảo van đối diện đã ngắt hoàn toàn trước khi van còn lại mở.

3. Làm thế nào để vi điều khiển STM32F103C8T6 xuất được 6 xung điều khiển lệch pha 120 độ một cách đồng bộ?
Tác giả thiết lập Timer 1 đóng vai trò là Master Timer để phát tín hiệu ngắt kích khởi (Trigger) đồng bộ cho Timer 2 và Timer 3 đóng vai trò là Slave Timers. Timer 2 xuất 4 xung PWM và Timer 3 xuất 2 xung PWM, kết hợp thuật toán canh lề giữa (Center Aligned PWM) để duy trì sự đồng bộ và góc lệch pha 120 độ giữa ba pha.

4. Khối IC lái công suất trong đồ án sử dụng linh kiện gì và nguyên lý cấp nguồn nhánh trên như thế nào?
Khối IC lái sử dụng 3 vi mạch IR2103. Tín hiệu điều khiển cho các van nhánh trên (High-side IGBT) được cấp nguồn thông qua mạch tụ bootstrap kết hợp diode chuyển mạch nhanh, cho phép nạp tụ khi van nhánh dưới dẫn và xả tụ duy trì điện áp kích cực Gate khi van nhánh trên hoạt động ở điện thế trôi nổi.

5. Các thiết bị đo đạc chuyên dụng nào đã được sử dụng để kiểm chứng mạch thực nghiệm?
Nhóm nghiên cứu sử dụng máy hiện sóng kỹ thuật số Tektronix TBS 1072C (băng thông 70 MHz) để thu thập dạng sóng xung kích, đo độ lệch pha và thời gian trễ; cùng máy đo nhiệt tầm xa Hikvision để giám sát mức độ sinh nhiệt của các khóa bán dẫn IGBT trong quá trình thử tải.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển động cơ xe máy điện" của sinh viên Đoàn Duy Khôi và Trương Thanh Bình đã hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu kỹ thuật đặt ra từ mô phỏng lý thuyết đến thiết kế, chế tạo mạch phần cứng thực tế. Tác giả đã làm chủ quy trình tạo xung điều chế sin ba pha lệch 120 độ trên vi điều khiển STM32F103C8T6, giải quyết được bài toán chống trùng dẫn khóa bán dẫn IGBT bằng việc thiết lập thời gian trễ $4,\mu\text{s}$ trên mạch lái IR2103. Dù hệ thống mới dừng lại ở cấu hình điều khiển v/f vòng hở và mạch công suất còn ở dạng mô hình thí nghiệm, các kết quả đo đạc trên máy hiện sóng và quá trình chạy thử nghiệm trên tải động cơ 1,5 kW đã chứng minh tính khả thi của giải pháp, tạo tiền đề tốt cho các nghiên cứu phát triển bộ biến tần hoàn chỉnh trên xe máy điện.