Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tự động hóa trong các quy trình sản xuất và vận hành hệ thống điện ngày càng được đề cao. Nguồn điện một chiều từ ắc quy đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải, viễn thông và hệ thống điện dự phòng. Tuy nhiên, việc vận hành, bảo dưỡng và nạp điện cho ắc quy đòi hỏi chế độ nghiêm ngặt; nếu quá trình nạp không được kiểm soát chính xác về dòng điện và điện áp, ắc quy sẽ nhanh chóng bị suy giảm dung lượng, chai phồng bản cực, sôi dung dịch điện phân hoặc giảm tuổi thọ nghiêm trọng.

Trước thực tế đó, các bộ điều khiển kỹ thuật số sử dụng vi điều khiển với chương trình phần mềm linh hoạt, tốc độ xử lý cao và khả năng thay đổi cấu trúc tham số theo thời gian thực đã trở thành giải pháp tối ưu nhằm chuẩn hóa các hệ thống nạp tự động. Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện Tự động công nghiệp tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (năm 2016) do sinh viên Nguyễn Mạnh Hùng thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Thắng tập trung giải quyết bài toán: "Thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mạch nạp acquy tự động sử dụng vi điều khiển AVR, đi sâu thiết kế phần mềm".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, đặc tính hóa lý, các chế độ nạp - phóng và các thông số vận hành cơ bản của bình ắc quy công nghiệp.
  2. Tính toán, lựa chọn sơ đồ và thiết kế mạch động lực (mạch công suất) chỉnh lưu có điều khiển, bao gồm tính chọn van bán dẫn công suất (Thyristor, Diode) và máy biến áp nguồn cấp cho hệ nạp ắc quy định mức 24V - 10A.
  3. Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển AVR kết hợp các mạch chức năng: mạch nguồn, mạch phát hiện điểm không của điện áp lưới, mạch phát xung điều khiển van, mạch đo lường dòng điện và điện áp.
  4. Xây dựng giải thuật và phát triển toàn diện phần mềm điều khiển tự động theo thuật toán PID, lập trình cơ chế nạp dòng - áp kết hợp, ngắt an toàn và giao tiếp dữ liệu hai chiều với mạch giám sát.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đối tượng ắc quy chì-axit loại 24V, công suất nạp định mức 10A, ứng dụng dòng vi điều khiển 8-bit họ AVR (ATmega128L) kết hợp chỉnh lưu điều khiển pha.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Đồ án xây dựng dựa trên lý thuyết biến đổi điện hóa của nguồn ắc quy chì-axit và nguyên lý điện tử công suất điều khiển pha:

  • Mối quan hệ sức điện động và nồng độ chất điện phân: Sức điện động tĩnh của một ngăn ắc quy đơn phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ dung dịch axit sunfuric ($H_2SO_4$): $$E_0 = 0{,}85 + \gamma \quad (\text{V})$$ (với $\gamma$ là nồng độ dung dịch điện phân ở $15^\circ\text{C}$, đơn vị $\text{g/cm}^3$, dao động từ $1{,}1 \div 1{,}3\text{ g/cm}^3$).
  • Phương trình điện áp khi phóng và nạp:
    • Khi phóng điện: $E_P = U_P + I_P \cdot r_{aq}$
    • Khi nạp điện: $E_n = U_n - I_n \cdot r_{aq}$ (trong đó $U_P, U_n$ là điện áp đo trên cực; $I_P, I_n$ là dòng phóng/nạp; $r_{aq}$ là điện trở trong của ắc quy).
  • Dung lượng nạp và phóng: Xác định theo tích phân dòng điện qua thời gian: $C_P = I_P \cdot t_P$ và $C_n = I_n \cdot t_n$ (tính theo Ampe-giờ, Ah). Dung lượng chuẩn so sánh ở chế độ phóng 20 giờ ký hiệu là $C_{20}$.
  • Quy luật nạp dòng - áp kết hợp: Tận dụng ưu điểm của phương pháp nạp ổn dòng ($I = \text{const}$) trong giai đoạn chính ($75 \div 80%$ dung lượng đầu với dòng $I_n = 0{,}1 C_{10}$ trong khoảng 8 giờ) nhằm tránh hiện tượng dòng tăng vọt làm sôi dung dịch khi ắc quy đói, sau đó tự động chuyển sang chế độ ổn áp ($U = \text{const}$) khi ắc quy bắt đầu sôi (đạt ngưỡng điện áp chuyển đổi) và nạp bổ sung trong $2 \div 3$ giờ cho đến khi dòng nạp tự giảm về 0.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp giải tích và tính toán kỹ thuật: Áp dụng các công thức giải tích mạch chỉnh lưu công suất để tính toán giá trị điện áp ngược cực đại ($U_{n\max}$), dòng điện hiệu dụng ($I_{hd}$), hệ số dự trữ ($K_{dtu}, K_i$) nhằm chọn van bán dẫn và biến áp hạ áp phù hợp.
  • Phương pháp thiết kế phần cứng và nhúng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý các khối phát hiện điểm không ($\alpha = 0^\circ$), mạch tạo xung cách ly kích mở Thyristor, mạch xử lý tín hiệu tương tự (Analog) đưa về bộ chuyển đổi ADC 10-bit của vi điều khiển.
  • Phương pháp điều khiển tự động: Ứng dụng giải thuật điều khiển số PID rời rạc (Proportional - Integral - Derivative) để hiệu chỉnh sai lệch giữa dòng điện đặt ($I_s$) và dòng điện nạp thực tế ($I_{thuc}$), xuất tín hiệu điều khiển góc mở $\alpha$.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu tra cứu bảng thông số kỹ thuật linh kiện bán dẫn (Datasheet Thyristor 5P4M, Diode S6460P-G, vi điều khiển ATmega128L), tiêu chuẩn nạp bình ắc quy công nghiệp và kết quả đo đạc thực nghiệm từ mô hình phần cứng thi công.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu về công nghệ nạp Ắc quy

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cấu tạo, phản ứng hóa học và đặc tính làm việc của nguồn ắc quy:

  • Cấu tạo bình ắc quy chì-axit: Gồm các phân khối bản cực dương ($\text{PbO}_2$ màu nâu), phân khối bản cực âm (chì xốp $\text{Pb}$ màu xám) ghép xen kẽ và ngăn cách bởi các tấm cách xốp bằng polyvinyl dày $0{,}8 \div 1{,}2\text{ mm}$. Khung xương bản cực đúc từ hợp kim chì pha $5 \div 8%\text{ Sb}$ để tăng độ dẫn điện và độ bền cơ học.
  • Quá trình biến đổi năng lượng: Trình bày phản ứng hóa học hai chiều trên hai điện cực: $$\text{PbO}_2 + \text{Pb} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \underset{\text{Phóng}}{\overset{\text{Nạp}}{\rightleftharpoons}} 2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$ Nồng độ dung dịch điện phân $\text{H}_2\text{SO}_4$ giảm khi phóng điện và tăng dần khi nạp điện, phản ánh trạng thái tích điện của bình.
  • So sánh các loại ắc quy: Phân tích ưu nhược điểm giữa ắc quy axit và ắc quy kiềm làm cơ sở lựa chọn đối tượng thiết kế.
Tiêu chí so sánh Ắc quy Axit (Chì - Axit) Ắc quy Kiềm
Khả năng quá tải Không cao; dòng nạp lớn nhất khi quá tải đạt $I_{n\max} = 20% Q_{10}$ Rất lớn; dòng/áp nạp quá tải có thể đạt tới $50% Q_{10}$
Độ tự phóng điện Lớn; nhanh hết điện khi không sử dụng Nhỏ; lưu trữ năng lượng tốt hơn
Sức điện động đơn Cao ($\approx 2{,}1\text{ V/cell}$) Thấp hơn ($\approx 1{,}2 \div 1{,}25\text{ V/cell}$)
Điện trở trong ($r_{aq}$) Nhỏ ($0{,}001 \div 0{,}0015,\Omega$ khi no; $0{,}02 \div 0{,}025,\Omega$ khi cạn) Lớn hơn so với ắc quy axit
Giá thành & Ứng dụng Giá thành thấp; dùng phổ biến trong ô tô, xe máy, trạm nguồn tĩnh Giá thành cao; dùng trong hàng không, quốc phòng, tải nặng
  • Phân tích các phương pháp nạp:
    • Nạp dòng không đổi: Cần điều chỉnh dòng qua các nấc nạp (nấc 1: $(0{,}3 \div 0{,}5) C_{20}$, nấc 2: $0{,}05 C_{20}$), thời gian nạp kéo dài.
    • Nạp áp không đổi: Điện áp nạp cố định ($2{,}3 \div 2{,}5\text{ V/cell}$), thời gian nhanh nhưng không nạp no được bình.
    • Nạp dòng - áp kết hợp: Phương pháp tối ưu được lựa chọn cho đề tài, kết hợp nạp ổn định dòng $I_n = 0{,}1 C_{10}$ trong giai đoạn đầu và tự động chuyển sang ổn áp khi điện áp đạt giá trị tới hạn để nạp no bổ sung.

Chương 2: Tính toán thiết kế mạch công suất

Chương 2 trình bày quy trình tính toán, lựa chọn cấu trúc mạch động lực và linh kiện công suất cho bộ nạp ắc quy định mức 24V - 10A:

  • Cấu trúc vòng kín: Hệ thống gồm nguồn xoay chiều, máy biến áp hạ áp, bộ chỉnh lưu có điều khiển, mạch lọc và phụ tải ắc quy. Bộ điều khiển nhận tín hiệu đặt kết hợp tín hiệu phản hồi (dòng nạp, điện áp nạp) để điều chỉnh góc kích mở $\alpha$ của các van Thyristor.
  • Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu: So sánh giữa mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Diode và mạch chỉnh lưu cầu dùng Thyristor. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển có ưu điểm số xung áp lớn trong một chu kỳ, dòng trung bình qua mỗi van nhỏ ($\approx 1/3$ dòng tải), làm việc đối xứng không lệch pha lưới và cho phép điều khiển linh hoạt công suất ra tải.
+----------------+      +------------------+      +-------------------+
|  Điện áp lưới  | ---> |  Máy biến áp     | ---> |  Mạch chỉnh lưu   | ---> [ Ắc quy 24V ]
|  3 pha / 220V  |      |  hạ áp (30.71V)  |      |  Thyristor 5P4M   |          |
+----------------+      +------------------+      +-------------------+          |
                                                            ^                    | (U_do, I_do)
                                                            | Tín hiệu xung      |
                                                  +--------------------+         |
                                                  |  Mạch điều khiển   | <-------+
                                                  |  AVR ATmega128L    |  Phản hồi
                                                  +--------------------+
  • Tính toán chọn van bán dẫn:
    • Điện áp ngược cực đại: $U_{n\max} = \frac{K_{nu} \cdot U_d}{K_u} = \frac{\pi \cdot 24}{2} = 37{,}68\text{ V}$.
    • Điện áp ngược định mức van (với hệ số dự trữ $K_{dtu} = 1{,}8$): $U_{nv} = 1{,}8 \cdot 37{,}68 = 67{,}82\text{ V}$.
    • Dòng điện hiệu dụng qua van: $I_h = K_{hd} \cdot I_d = 0{,}71 \cdot 10 = 7{,}1\text{ A}$.
    • Dòng điện định mức chọn van (với hệ số dự trữ dòng $K_i = 1{,}4$): $I_{dmv} = 1{,}4 \cdot 7{,}1 = 9{,}94\text{ A}$.
    • Linh kiện lựa chọn thực tế: Chọn 2 Thyristor mã hiệu 5P4M ($U_n = 80\text{ V}$, $I_{dm} = 13\text{ A}$, xung dòng đỉnh $I_{pk} = 250\text{ A}$, dòng điều khiển $I_{dk} = 0{,}04\text{ A}$, sụt áp dẫn $\Delta U = 2{,}1\text{ V}$) và 2 Diode mã hiệu S6460P-G ($I_{\max} = 30\text{ A}$, $U_{ng} = 500\text{ V}$, sụt áp $\Delta U = 1{,}2\text{ V}$).
  • Tính toán máy biến áp nguồn:
    • Điện áp pha sơ cấp: $U_1 = 220\text{ V}$.
    • Phương trình cân bằng điện áp có tải: $U_{d0} \cdot \cos\alpha_{\min} = U_d + 2\Delta U_v + \Delta U_{dm} + \Delta U_{ba}$.
    • Với sụt áp trên van $\Delta U_v = 2{,}1\text{ V}$, sụt áp trên biến áp $\Delta U_{ba} = 6%$, tính được $U_{d0} = 27{,}65\text{ V}$.
    • Điện áp hiệu dụng phía thứ cấp biến áp: $U_\alpha = \frac{U_{d0}}{K_u} = \frac{\pi \cdot 27{,}65}{2\sqrt{2}} = 30{,}71\text{ V}$.

Chương 3: Xây dựng và thiết kế bộ điều khiển

Chương 3 đi sâu vào kiến trúc phần cứng và thiết kế chi tiết phần mềm điều khiển trên vi điều khiển AVR:

  • Lựa chọn bộ vi điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ATmega128L (họ AVR 8-bit RISC của Atmel) hoạt động với thạch anh ngoài tần số $11{,}0592\text{ MHz}$. Chip tích hợp bộ nhớ Flash tự lập trình, SRAM dung lượng cao, EEPROM, các bộ Timer/Counter hỗ trợ PWM, ADC 10-bit đa kênh, bộ so sánh tương tự và giao diện truyền thông nối tiếp USART/I2C/SPI.
  • Thiết kế phần cứng hệ thống:
    • Khối nguồn: Mạch chỉnh lưu và hạ áp tạo nguồn $5\text{V DC}$ cấp cho vi điều khiển và mạch logic.
    • Mạch phát hiện điểm không ($\alpha = 0^\circ$): Đồng pha điện áp lưới xoay chiều, tạo xung ngắt đưa vào chân ngắt ngoài INT5 của ATmega128L để định thì kích mở Thyristor.
    • Mạch tạo xung điều khiển: Khuếch đại và cách ly xung điều khiển trước khi đưa vào cực điều khiển (Gate) của Thyristor 5P4M.
    • Mạch đo lường: Cảm biến dòng và phân áp đo điện áp ắc quy, đưa tín hiệu về các kênh đầu vào tương tự ADC của vi điều khiển.
    • Mạch giao tiếp và hiển thị: Module màn hình LCD kết nối qua cổng I/O và module giao tiếp nối tiếp phục vụ kết nối với mạch giám sát.
  • Thuật toán và mã nguồn phần mềm điều khiển:
    • Thuật toán vòng lặp chính: Đọc giá trị điện áp ắc quy ($U_a$) từ ADC. So sánh với ngưỡng điện áp cao ($V_h$) và ngưỡng thấp ($V_l$). Nếu $U_a < V_l$, kích hoạt cờ nạp (charg = 1). Nếu $U_a > V_h$, ngắt mạch nạp (charg = 0). Khi đang nạp, nếu có lệnh chạy (PID_RUN = 1) và không bị quá dòng (OV_Curent = 1), thuật toán PID số sẽ tính toán sai lệch giữa dòng đặt $I_s$ và dòng thực tế dong_thuc.
    • Cơ chế điều khiển PID rời rạc: $$\text{sai_lech} = I_s - \text{dong_thuc}$$ $$\text{Ty_le} = K_p \cdot \text{sai_lech}$$ $$\text{Tich_phan} = \text{Tich_phan} + K_i \cdot (\text{sai_lech} + \text{old_sai_lech})$$ $$\text{Vi_phan} = K_d \cdot (\text{sai_lech} - \text{old_sai_lech})$$ $$\text{New_control} = \text{New_control} + (\text{Ty_le} + \text{Tich_phan} + \text{Vi_phan})$$
    • Giá trị điều khiển New_control được khống chế trong dải giới hạn [PID_MIN = 0, PID_MAX = 1020], sau đó nhân hệ số 64 và xuất trực tiếp ra thanh ghi điều khiển góc mở qua địa chỉ mở rộng out_low (0x2001) và out_hig (0x2000).
    • Chương trình ngắt nhận và truyền dữ liệu: Sử dụng khung truyền chuỗi kích thước 50 byte (scan_max = 50) để trao đổi dữ liệu hai chiều liên tục giữa mạch điều khiển và mạch giám sát (cập nhật dòng nạp, điện áp, trạng thái cảnh báo 'Y', 'F', 'K', 'O').

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ kết nối

+---------------------------------------------------------------------------------+
|                              ATmega128L (11.0592 MHz)                           |
|                                                                                 |
|  [INT5] <---------- Mạch đồng pha / Phát hiện điểm không (alpha = 0 độ)         |
|  [ADC Channels] <-- Mạch cảm biến đo dòng nạp (I) & điện áp acquy (U)           |
|  [Ext Memory] ----> Thanh ghi xuất xung: out_low (0x2001) & out_hig (0x2000)   |
|  [PORTB / I2C] ---> Màn hình hiển thị LCD                                       |
|  [USART / IO] ----> Khối truyền nhận dữ liệu chuỗi (Mạch giám sát)              |
+---------------------------------------------------------------------------------+

Thông số kỹ thuật của các khối linh kiện chính

Khối chức năng Linh kiện / Thông số kỹ thuật Vai trò trong hệ thống
Vi điều khiển ATmega128L (Clock 11.059200 MHz, Data Stack: 1024) Xử lý trung tâm, tính toán PID, quét ADC, tạo góc kích $\alpha$
Van Thyristor 5P4M ($U_n = 80\text{V}, I_{dm} = 13\text{A}, T_{\max} = 125^\circ\text{C}$) Đóng cắt điều khiển pha dòng điện nạp ắc quy
Van Diode S6460P-G ($I_{\max} = 30\text{A}, U_{ng} = 500\text{V}, \Delta U = 1{,}2\text{V}$) Chỉnh lưu công suất kết hợp trong sơ đồ cầu
Biến áp nguồn Sơ cấp $U_1 = 220\text{V}$, Thứ cấp $U_\alpha = 30{,}71\text{V}$ Biến đổi và cách ly điện áp lưới cấp cho mạch lực
Phần mềm nhúng Ngôn ngữ C, biên dịch CodeVisionAVR Thực thi giải thuật điều khiển số và truyền thông nối tiếp

Cơ chế an toàn và giám sát

  1. Bảo vệ quá dòng: Phần mềm kiểm tra liên tục biến dong_thuc. Nếu dong_thuc >= Im, cờ OV_Curent chuyển về 0, gửi mã lỗi 'F' về mạch giám sát và ngắt điều khiển xung mở van.
  2. Tự động ngắt khi đầy: Khi điện áp nội suy $U > V_h$, biến charg tự động xóa về 0, dừng xuất xung điều khiển để chống sôi bình.
  3. Tự động kích hoạt khi cạn: Khi điện áp $U < V_l$, hệ thống tự chuyển charg = 1 và khởi động lại quá trình nạp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

  • Tính toán thiết kế hoàn chỉnh hệ thống: Đã xây dựng đầy đủ thuyết minh tính toán mạch công suất và sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho hệ nạp ắc quy $24\text{V} - 10\text{A}$.
  • Thi công thực tế phần cứng: Chế tạo thành công mô hình phần cứng gồm mạch nguồn $5\text{V}$, mạch đồng pha phát hiện điểm không lưới điện kết nối chân ngắt ngoài INT5, mạch kích mở Thyristor 5P4M, mạch đo lường dòng - áp đưa về ADC và khối hiển thị LCD.
  • Xây dựng chương trình điều khiển số hóa: Lập trình hoàn chỉnh mã nguồn ứng dụng trên vi điều khiển ATmega128L bằng ngôn ngữ C, tích hợp thuật toán PID khống chế góc mở với dải biến thiên từ $0 \div 1020$, cùng giao thức truyền thông chuỗi 50 byte trao đổi với mạch giám sát.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án

  • Hiện thực hóa giải thuật nạp dòng - áp tự động trên nền tảng vi điều khiển họ AVR, giải quyết nhược điểm làm giảm tuổi thọ ắc quy của các bộ nạp thủ công truyền thống.
  • Ứng dụng kỹ thuật số hóa điều khiển Thyristor bằng thuật toán PID phần mềm, giúp hệ thống có khả năng tự động ổn định dòng nạp bất chấp sự biến thiên của điện áp lưới hoặc nội trở của bình trong quá trình nạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Thiết kế mạch lực và thông số van bán dẫn hiện tại được tính toán tối ưu riêng cho dải điện áp định mức $24\text{V}$ và dòng điện $10\text{A}$, chưa hỗ trợ tự động nhận diện và cấu hình cho nhiều cấp điện áp ắc quy công nghiệp khác nhau ($12\text{V}, 48\text{V}, 110\text{V}$).
  • Hệ thống truyền thông giữa mạch điều khiển và mạch giám sát mới chỉ thực hiện trao đổi dữ liệu dạng chuỗi cơ bản qua cổng I/O nối tiếp nội bộ, chưa tích hợp giao thức truyền thông công nghiệp chuẩn hóa (như Modbus RTU qua RS485).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng công suất mạch lực và thiết kế thuật toán tự động nhận dạng cấp điện áp bình ắc quy khi gắn vào hệ thống nạp.
  • Phát triển giao diện phần mềm giám sát trên máy tính (SCADA/GUI) hoặc kết nối IoT/mạng công nghiệp để theo dõi đường đặc tính nạp, lưu trữ dữ liệu lịch sử và cảnh báo sự cố từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Tham khảo phương pháp tính chọn van bán dẫn công suất (Thyristor, Diode), tính toán máy biến áp hạ áp và nguyên lý mạch phát hiện điểm không phục vụ điều khiển góc mở pha.
  • Người phát triển hệ thống nhúng và điện tử công suất: Tham khảo phương pháp viết chương trình điều khiển số PID, kỹ thuật ghép nối ngoại vi, xử lý tín hiệu ADC và cấu trúc giao tiếp truyền nhận dữ liệu chuỗi trên vi điều khiển họ AVR (ATmega128L) trong môi trường lập trình C.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp nạp dòng - áp kết hợp thay vì nạp ổn dòng hoặc ổn áp đơn thuần?

Vì ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động. Nếu nạp ổn áp ngay từ đầu khi ắc quy đang đói, dòng nạp sẽ tăng vọt không kiểm soát làm sôi dung dịch và hỏng bản cực; ngược lại, nếu duy trì nạp ổn dòng liên tục suốt quá trình thì khi dung lượng đạt trên $80%$, bình sẽ bị sôi mạnh làm cạn nước chất điện phân. Phương pháp dòng - áp kết hợp ổn định dòng $I_n = 0{,}1 C_{10}$ ở $75 \div 80%$ dung lượng đầu (khoảng 8 giờ), sau đó chuyển sang ổn áp để nạp no bổ sung, giúp tối ưu hóa thời gian và bảo vệ tuổi thọ ắc quy.

2. Vi điều khiển ATmega128L nhận biết thời điểm chuyển dấu điện áp lưới bằng cách nào?

Hệ thống sử dụng một mạch đồng pha chuyên dụng để phát hiện thời điểm điện áp xoay chiều chuyển dấu qua điểm không ($\alpha = 0^\circ$). Tín hiệu xung đồng bộ này được đưa trực tiếp vào chân ngắt ngoài INT5 của ATmega128L để kích hoạt ngắt thời gian thực, từ đó vi điều khiển định thì chính xác góc mở $\alpha$ kích van Thyristor.

3. Thuật toán PID trong chương trình điều khiển hoạt động như thế nào?

Chương trình tính sai lệch giữa dòng điện đặt ($I_s$) và dòng điện nạp thực tế đo từ ADC (sai_lech = Is - dong_thuc). Ba thành phần tỷ lệ (Ty_le = Kp * sai_lech), tích phân (Tich_phan += Ki * (sai_lech + old_sai_lech)) và vi phân (Vi_phan = Kd * (sai_lech - old_sai_lech)) được cộng dồn vào giá trị New_control. Giá trị này được giới hạn trong khoảng từ 0 đến 1020, nhân với hệ số 64 và xuất ra hai thanh ghi địa chỉ mở rộng out_low (0x2001) và out_hig (0x2000) để điều khiển thời điểm phát xung kích Thyristor.

4. Các thông số van Thyristor và Diode được lựa chọn trong mạch lực là gì?

Hệ thống sử dụng 2 Thyristor mã hiệu 5P4M (điện áp ngược định mức $80\text{V}$, dòng định mức $13\text{A}$, dòng xung đỉnh $250\text{A}$, sụt áp dẫn $2{,}1\text{V}$) và 2 Diode mã hiệu S6460P-G (dòng cực đại $30\text{A}$, điện áp ngược $500\text{V}$, sụt áp dẫn $1{,}2\text{V}$). Các van này đáp ứng các yêu cầu tính toán cho mạch nạp $24\text{V} - 10\text{A}$ với hệ số dự trữ điện áp $K_{dtu} = 1{,}8$ và hệ số dự trữ dòng điện $K_i = 1{,}4$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Mạnh Hùng đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát mạch nạp ắc quy tự động $24\text{V} - 10\text{A}$. Đề tài đã giải quyết tốt bài toán tính toán mạch động lực chỉnh lưu điều khiển pha kết hợp van bán dẫn Thyristor 5P4M, thiết kế phần cứng đồng pha phát hiện điểm không và xây dựng giải thuật điều khiển số PID trên vi điều khiển AVR ATmega128L. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích, có tính ứng dụng cao trong việc tự động hóa quá trình nạp và nâng cao tuổi thọ vận hành của ắc quy công nghiệp.