Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa hiện đại, việc điều chỉnh và ổn định tốc độ truyền động của động cơ điện một chiều (DC) giữ vai trò then chốt nhờ khả năng điều chỉnh trơn, dải điều tốc rộng và mô-men mở máy lớn. Nhằm cung cấp nguồn năng lượng một chiều có thể điều khiển được từ lưới điện xoay chiều ba pha, các bộ chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng van bán dẫn có điều khiển (Thyristor/SCR) được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên, tại các phòng thí nghiệm đào tạo chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và Tự động hóa, việc trang bị các mô hình thực hành tích hợp các bộ điều khiển số tiên tiến thường đòi hỏi chi phí đầu tư cao. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng Card DSP F28335 điều khiển bộ chỉnh lưu cầu 3 pha" do sinh viên Lê Hữu Lý và Nguyễn Như Ngà thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Hoàng Minh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải quyết bài toán thiết kế, thi công phần cứng mô hình và lập trình nhúng điều khiển vòng kín nhằm ổn định điện áp/tốc độ động cơ DC.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần sử dụng 6 van SCR, kết hợp vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 để điều khiển và ổn định điện áp cấp cho động cơ một chiều kích từ độc lập, đảm bảo điện áp ngõ ra không đổi khi điện áp lưới ngõ vào biến thiên.
Nhiệm vụ nghiên cứu
Tác giả xác định 4 nội dung công việc cụ thể:
- Nội dung 1: Nghiên cứu cấu tạo, đặc tính động cơ DC kích từ độc lập; khảo sát cấu trúc phần cứng và tập lệnh của card DSP TMS320F28335; nghiên cứu thuật toán điều khiển, các khối chức năng trong MATLAB/Simulink và quy trình nạp chương trình trực tiếp xuống DSP; nghiên cứu nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu 3 pha, mạch đệm và mạch hồi tiếp.
- Nội dung 2: Tính toán, thiết kế và thi công mạch phần cứng chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển cùng các khối mạch chức năng phụ trợ.
- Nội dung 3: Xây dựng mô hình mô phỏng thuật toán điều khiển vòng hở và vòng kín hồi tiếp trên MATLAB/Simulink; tiến hành lắp ráp, đóng gói hoàn thiện mô hình thí nghiệm.
- Nội dung 4: Vận hành thực nghiệm, đo đạc dạng sóng và đánh giá kết quả hoạt động của hệ thống so với lý thuyết và mô phỏng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển toàn phần dùng SCR BT151-500R; hệ thống vi xử lý DSP TMS320F28335; động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
- Phạm vi mô hình và thông số giới hạn:
- Hệ thống được xây dựng dưới dạng mô hình thí nghiệm với khung vỏ kích thước 60cm × 60cm × 100cm.
- Thiết kế 02 mạch công suất có khả năng điều khiển độc lập hoặc đồng thời 02 loại tải: tải thuần trở R (bóng đèn 220V – 60W) và tải động cơ RLE (động cơ DC 180V – 5A).
- Khảo sát dạng sóng và đáp ứng điện áp ở các góc kích: $0^\circ, 15^\circ, 30^\circ, 45^\circ, 60^\circ$ trong cả hai chế độ chưa có hồi tiếp (vòng hở) và có hồi tiếp (vòng kín).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Hệ thống dựa trên lý thuyết biến đổi điện tử công suất và truyền động điện một chiều:
- Cấu trúc bộ chỉnh lưu cầu 3 pha toàn phần: Sử dụng 6 van SCR chia thành 2 nhóm: nhóm Catot chung (SCR1, SCR3, SCR5) và nhóm Anot chung (SCR2, SCR4, SCR6). Để hệ thống hoạt động liên tục hoặc khởi động trong điều kiện dòng điện gián đoạn, phương pháp kích xung kép (dual pulse) được áp dụng: mỗi SCR nhận một xung kích chính và một xung phụ lặp lại sau $60^\circ$.
- Mô hình toán điện áp ngõ ra ($U_{dc\ out}$):
- Khi góc kích $\alpha \le \frac{\pi}{3}$:
$$U_{dc\ out} = \frac{3\sqrt{6}}{\pi} U \cos\alpha$$
- Khi góc kích $\alpha > \frac{\pi}{3}$ (tải thuần trở R):
$$U_{dc\ out} = \frac{3\sqrt{6}}{\pi} U \left[1 + \cos\left(\alpha + \frac{\pi}{3}\right)\right]$$
- Mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Mô-men điện từ sinh ra trong động cơ tuân theo công thức:
$$M = \frac{p \cdot N}{2\pi a} \Phi I = k \Phi I$$
(trong đó: $p$ là số đôi cực, $N$ là số thanh dẫn phần ứng, $a$ là số đôi mạch nhánh song song, $\Phi$ là từ thông kích từ, $I$ là dòng điện phần ứng).
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập và chuẩn hóa dữ liệu lý thuyết về giải thuật phát xung đồng bộ, điều chế xung kích và cấu trúc phần cứng DSP TMS320C2000.
- Phương pháp mô phỏng số: Thiết kế mô hình hệ thống trên môi trường MATLAB/Simulink bao gồm khối dò điểm qua không (Zero-crossing), khối phát sóng sin đồng bộ, khối tạo xung kích góc $\alpha$ và khối bù sai lệch điện áp hồi tiếp.
- Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Thi công các bo mạch in (PCB), lắp ráp phần cứng cơ điện, nạp mã nhúng từ Simulink qua giao tiếp JTAG và thu thập dạng sóng bằng máy hiện sóng (Oscilloscope) trên tải thực tế.
Thiết kế và triển khai hệ thống
Hệ thống điều khiển được phân chia thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:
[ Mạch nguồn ổn áp ]
Các khối phần cứng chức năng
- Khối xử lý trung tâm (DSP TMS320F28335): Kit vi xử lý 32-bit tốc độ 150 MHz, tích hợp bộ nhớ Flash 256K×16, 34K×16 SARAM, 16 kênh ADC 12-bit (thời gian chuyển đổi 80ns), và các cổng xuất xung ePWM/GPIO.
- Khối nguồn cấp: Chuyển đổi điện áp xoay chiều thành nguồn DC đối xứng và ổn áp thông qua cầu diode kết hợp các IC ổn áp tuyến tính LM7812 (+12V), LM7805 (+5V) và LM7905 (-5V).
- Khối mạch đệm ngõ vào: Sử dụng IC khuếch đại thuật toán TL084 kết hợp cầu phân áp $U_{ra} = U_{vao} \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2}$ để hạ điện áp tín hiệu đo từ 12V xuống mức 3.3V an toàn cho bộ chuyển đổi ADC của DSP.
- Khối mạch đệm đảo ngõ ra: Sử dụng IC đệm bus 2 chiều 74HC245 để nâng biên độ tín hiệu xung kích từ 3.3V (chuẩn logic DSP) lên 5V, đồng thời đảo trạng thái logic cấp cho tầng kích công suất.
- Khối mạch phát xung và công suất: Tín hiệu từ 74HC245 được khuếch đại qua transistor công suất H1061, truyền qua biến áp xung để cách ly quang/điện và kích mở cổng G của 6 Thyristor BT151-500R trong mạch cầu 3 pha.
- Khối hồi tiếp: Đo lường điện áp ngõ ra tải, chuẩn hóa qua mạch lọc và đưa về bộ chuyển đổi ADC trên DSP để thực hiện thuật toán bù sai lệch vòng kín.
Tổng hợp linh kiện phần cứng chính
| Khối chức năng |
Tên linh kiện / IC |
Thông số kỹ thuật chính |
Vai trò trong hệ thống |
| Xử lý trung tâm |
DSP TMS320F28335 |
32-bit, 150 MHz, 256K Flash, 16-Ch ADC 12-bit |
Xử lý thuật toán, phát xung kích và nhận tín hiệu hồi tiếp |
| Đệm ngõ vào |
TL084 |
Quad Op-Amp, nguồn cấp $\pm 18\text{V}$, dải nhiệt $0 - 70^\circ\text{C}$ |
Khuếch đại đệm, phối hợp trở kháng và hạ áp tín hiệu đo |
| Đệm ngõ ra |
74HC245 |
Octal Bus Transceiver, logic 5V |
Nâng mức áp $3.3\text{V} \to 5\text{V}$, đảo mức kích van |
| Khuếch đại xung |
Transistor H1061 |
BJT NPN công suất |
Đóng cắt cuộn sơ cấp biến áp xung |
| Cách ly xung |
Biến áp xung |
Tỷ số truyền phù hợp xung hẹp |
Cách ly điện áp cao giữa mạch lực và mạch điều khiển |
| Van mạch lực |
SCR BT151-500R |
$V_{DRM} = 500\text{V}$, $I_{T(RMS)} = 12\text{A}$ |
Đóng mở chỉnh lưu dòng điện 3 pha cấp cho tải |
| Ổn áp nguồn |
LM7805 / LM7905 / LM7812 |
Điện áp ra cố định $+5\text{V}, -5\text{V}, +12\text{V}$ |
Cung cấp nguồn nuôi cho mạch đệm, mạch kích và DSP |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp và hiện trạng thiết bị thí nghiệm tại các cơ sở đào tạo. Tác giả trình bày lý do lựa chọn kit DSP TMS320F28335 kết hợp MATLAB làm nền tảng phát triển, xác định rõ mục tiêu chế tạo mô hình, 4 nội dung nghiên cứu, ý nghĩa thực tiễn cùng các giới hạn về tải (tải đèn 220V - 60W, tải động cơ 180V - 5A) và kích thước khung vỏ ($60\text{cm} \times 60\text{cm} \times 100\text{cm}$).
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương tập trung vào 3 trụ cột lý thuyết:
- Nguyên lý chỉnh lưu: Phân loại các bộ chỉnh lưu; phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch cầu 3 pha điều khiển toàn phần; giải thích nguyên tắc kích mở theo góc $\alpha$ và cơ chế phát xung kép lệch pha nhau $60^\circ$.
- Máy điện một chiều: Phân tích ưu nhược điểm, cấu tạo phần tĩnh (stator gồm cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, chổi than) và phần quay (rotor gồm lõi thép phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp mica); nguyên lý sinh mô-men điện từ; phân loại động cơ kích từ độc lập, song song, nối tiếp và hỗn hợp.
- Cấu trúc phần cứng DSP TMS320F28335: Giới thiệu kiến trúc CPU Harvard bus, hệ thống ngắt mở rộng PIE (58 ngắt), bộ nhớ Flash/SARAM, các module ngoại vi ePWM, ADC 12-bit và cổng giao tiếp thời gian thực JTAG (chuẩn IEEE 1149).
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Chương này mô tả chi tiết quá trình thiết kế hệ thống phần cứng:
- Xây dựng sơ đồ khối tổng thể gồm 7 khối chức năng.
- Tính toán lựa chọn linh kiện và thiết kế sơ đồ nguyên lý kèm layout mạch in (PCB) cho từng module: bo mạch nguồn đối xứng ($\pm 5\text{V}, +12\text{V}$), bo mạch đệm ngõ vào dùng TL084, bo mạch đệm ngõ ra dùng 74HC245, bo mạch tín hiệu - công suất dùng Thyristor BT151-500R và mạch hồi tiếp điện áp.
- Trình bày thông số chi tiết của các vi mạch đệm và ổn áp.
Chương 4: Thi công và mô phỏng hệ thống
Nội dung chương trình bày quy trình chế tạo thực tế và xây dựng phần mềm:
- Thi công phần cứng: Gia công bo mạch PCB, hàn lắp linh kiện, kiểm tra thông mạch, lắp ráp các module vào khung mô hình kích thước $60\text{cm} \times 60\text{cm} \times 100\text{cm}$.
- Xây dựng chương trình điều khiển: Lập trình trên MATLAB/Simulink thông qua các khối nhúng chuyên dụng: khối tạo sóng sin chuẩn, khối dò điểm zero của điện áp lưới, khối tính toán góc kích và phân phối xung kép qua cổng GPIO/ePWM.
- Mô phỏng kiểm chứng: Thực hiện mô phỏng so sánh dạng sóng ngõ ra của bộ chỉnh lưu trong chế độ chưa hồi tiếp và có hồi tiếp tại các góc kích $0^\circ, 30^\circ, 60^\circ$.
Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá, Kết luận và hướng phát triển
Chương 5 tổng hợp toàn bộ kết quả đo kiểm thực tế trên mô hình phần cứng:
- Đo đạc dạng sóng tín hiệu ngõ vào và ngõ ra tại mạch đệm TL084, mạch đệm đảo 74HC245 và biến áp xung.
- Ghi nhận dạng sóng điện áp ngõ ra mạch công suất trên cả hai loại tải (tải điện trở R và tải động cơ DC) tại 5 góc kích thực nghiệm: $0^\circ, 15^\circ, 30^\circ, 45^\circ, 60^\circ$.
- Lập bảng số liệu so sánh chi tiết giữa chế độ vòng hở và vòng kín.
- Đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu, chỉ ra các tồn tại kỹ thuật và đề xuất hướng mở rộng nghiên cứu.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
- Hoàn thiện phần cứng: Thiết kế và thi công thành công mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, hoạt động ổn định với đầy đủ các khối nguồn, đệm tín hiệu, card DSP F28335, mạch công suất 6 SCR BT151 và biến áp xung cách ly.
- Triển khai thuật toán điều khiển nhúng: Xây dựng thành công giải pháp đồng bộ và phát xung kép từ MATLAB/Simulink đổ trực tiếp xuống DSP F28335, điều khiển chính xác góc kích mở SCR từ $0^\circ$ đến $60^\circ$.
- Khả năng ổn định điện áp qua vòng hồi tiếp: Kết quả đo đạc thực nghiệm trên tải điện trở (220V - 60W) và tải động cơ (180V - 5A) chứng minh: khi có vòng phản hồi điện áp, điện áp cấp cho động cơ duy trì ổn định, triệt tiêu ảnh hưởng của dao động điện áp đầu vào so với chế độ không có hồi tiếp.
Bảng tổng hợp kết quả đo đạc và kiểm chứng thực nghiệm
| Góc kích ($\alpha$) |
Chế độ tải thử nghiệm |
Trạng thái xung kích & Dạng sóng |
Đánh giá đáp ứng vòng kín (Có hồi tiếp) |
| $0^\circ$ |
Tải R (220V-60W) & Động cơ (180V-5A) |
6 xung kép đồng bộ nhịp nhàng, điện áp DC ngõ ra đạt giá trị cực đại |
Điện áp duy trì ổn định ở mức định mức đặt trước |
| $15^\circ$ |
Tải R & Động cơ DC |
Dạng sóng chỉnh lưu có độ gợn sóng đúng lý thuyết |
Bù sai lệch nhanh khi nguồn ngõ vào dao động |
| $30^\circ$ |
Tải R & Động cơ DC |
Điểm chuyển mạch van chính xác, không bị trùng dẫn |
Triệt tiêu sụt áp trên tải động cơ |
| $45^\circ$ |
Tải R & Động cơ DC |
Dạng sóng xuất hiện khoảng gián đoạn điện áp phù hợp góc kích |
Điện áp trung bình ngõ ra giữ vững giá trị xác lập |
| $60^\circ$ |
Tải R & Động cơ DC |
Biên độ điện áp DC giảm theo hàm $\cos\alpha$ |
Hệ thống bám sát giá trị tham chiếu đặt từ bộ điều khiển |
Đóng góp thực tiễn và học thuật
- Cung cấp một bộ tài liệu thiết kế phần cứng hoàn chỉnh (sơ đồ nguyên lý, layout PCB, bảng chọn linh kiện) cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha công suất nhỏ và vừa.
- Đề xuất quy trình lập trình nhúng trực quan thông qua MATLAB/Simulink kết nối DSP TMS320F28335, giúp rút ngắn thời gian phát triển phần mềm nhúng điều khiển truyền động điện mà không cần viết mã C/Assembly thuần phức tạp.
- Tạo ra một mô hình thí nghiệm trực quan, giá thành hợp lý, phục vụ công tác giảng dạy và thực hành các môn học Điện tử Công suất, Truyền động điện và Điều khiển số.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế tồn tại
- Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thí nghiệm trong phòng thực hành ($60\text{cm} \times 60\text{cm} \times 100\text{cm}$), chưa được thử nghiệm trong môi trường công nghiệp công suất lớn với độ rung chấn và nhiễu điện từ cao.
- Mạch hồi tiếp chủ yếu thực hiện chức năng ổn định điện áp ngõ ra; hệ thống chưa tích hợp vòng điều khiển dòng điện (Current Loop) hoặc cảm biến đo tốc độ thực (Encoder/Tachometer) để thực hiện điều khiển vòng kín kép (tốc độ - dòng điện) chuyên sâu.
- Tổn hao nhiệt trên các linh kiện công suất và biến áp xung vẫn cần các giải pháp tản nhiệt tối ưu hơn khi vận hành lâu dài ở dòng tải tối đa 5A.
Hướng phát triển
- Mở rộng thuật toán điều khiển: Nghiên cứu ứng dụng các giải thuật điều khiển hiện đại trên DSP như điều khiển mờ (Fuzzy Logic), mạng nơ-ron hoặc điều khiển trượt (Sliding Mode Control) nhằm nâng cao chất lượng động học của động cơ.
- Bổ sung khâu hồi tiếp dòng điện và tốc độ để tạo thành hệ thống điều tốc vòng kín đa vòng hoàn chỉnh (Cascade Control).
- Hoàn thiện đóng gói công nghiệp: Tối ưu hóa layout chống nhiễu, nâng cấp mạch bảo vệ quá áp, quá dòng, mất pha tự động và phát triển giao diện giám sát SCADA/HMI trên máy tính.
Giá trị tham khảo
Tài liệu khóa luận mang lại giá trị thực hành cao cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử Công nghiệp và Tự động hóa:
- Phần cứng & Sơ đồ mạch: Các sơ đồ nguyên lý mạch đệm ngõ vào dùng TL084, mạch chuyển mức logic và đệm bus 74HC245, mạch lái van SCR qua biến áp xung là tài liệu tham khảo trực tiếp cho các đề tài thiết kế mạch lực và mạch điều khiển van bán dẫn.
- Quy trình kết nối DSP - MATLAB: Chương 4 cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp xây dựng các khối phát xung điều chế, khối đồng bộ hóa lưới điện và cấu hình giao tiếp nạp mã tự động từ Simulink sang kit Texas Instruments F28335.
Câu hỏi thường gặp
1. Bộ chỉnh lưu trong đồ án sử dụng loại van bán dẫn nào và cấu trúc mạch lực ra sao?
Hệ thống sử dụng 6 van Thyristor (SCR) mã hiệu BT151-500R mắc theo sơ đồ cầu ba pha điều khiển toàn phần. Mạch lực chia thành hai nhóm van: nhóm Catot chung (SCR1, SCR3, SCR5) và nhóm Anot chung (SCR2, SCR4, SCR6), cho phép biến đổi nguồn xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều điều chỉnh được.
2. Tại sao đồ án phải áp dụng phương pháp phát xung kép (dual pulse) để kích mở SCR?
Trong mạch chỉnh lưu cầu 3 pha, tại mỗi thời điểm dẫn luôn cần ít nhất 2 van thuộc 2 nhóm khác nhau cùng thông. Nếu chỉ dùng một xung kích đơn ngắn, mạch không thể khởi động được hoặc sẽ ngưng hoạt động khi dòng tải bị gián đoạn. Phương pháp xung kép phát một xung chính cho van cần mở và gửi lặp lại một xung phụ cách đó $60^\circ$ tới van đã kích trước đó nhằm đảm bảo mạch luôn dẫn dòng liên tục.
3. Khối đệm ngõ vào và đệm ngõ ra sử dụng những IC nào và giữ nhiệm vụ gì?
- Khối đệm ngõ vào: Sử dụng IC Op-Amp TL084 kết hợp cầu phân áp để hạ tín hiệu điện áp ngõ vào từ 12V xuống 3.3V, đảm bảo phù hợp với dải đo an toàn của kênh ADC trên card DSP.
- Khối đệm ngõ ra: Sử dụng IC đệm bus 74HC245 để nâng biên độ tín hiệu xung điều khiển từ mức 3.3V của DSP lên 5V, đồng thời đảo trạng thái logic trước khi đưa vào transistor công suất H1061 kích biến áp xung.
4. Hệ thống được kiểm nghiệm trên các loại tải nào và thông số kỹ thuật là bao nhiêu?
Mô hình hỗ trợ 02 mạch công suất điều khiển đồng thời hoặc độc lập 02 loại tải thực nghiệm:
- Tải thuần trở (R): Cụm bóng đèn công suất 220V – 60W.
- Tải động cơ (RLE): Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có thông số danh định 180V DC – 5A.
5. Hệ thống thực hiện chức năng ổn định điện áp ngõ ra như thế nào?
Điện áp ngõ ra trên tải được lấy mẫu liên tục thông qua mạch phân áp và đệm cách ly TL084, đưa về bộ biến đổi ADC 12-bit của DSP TMS320F28335. Tại đây, thuật toán xây dựng trên MATLAB so sánh giá trị điện áp thực tế với giá trị đặt trước để tự động điều chỉnh góc kích mở $\alpha$, giúp điện áp ngõ ra duy trì cố định dù điện áp lưới đầu vào có sự thay đổi.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng Card DSP F28335 điều khiển bộ chỉnh lưu cầu 3 pha" đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu thiết kế, chế tạo phần cứng và xây dựng thuật toán điều khiển vòng kín cho hệ truyền động động cơ điện một chiều. Bằng việc kết hợp kit xử lý số DSP TMS320F28335 với môi trường MATLAB/Simulink, nhóm tác giả đã làm chủ quy trình phát xung kép điều khiển 6 van SCR BT151-500R và ổn định điện áp trên các mức tải thuần trở 220V - 60W cũng như tải động cơ DC 180V - 5A. Kết quả thực nghiệm đo đạc ở các góc kích từ $0^\circ$ đến $60^\circ$ chứng minh tính chính xác của mô hình lý thuyết, đồng thời mở ra tiềm năng ứng dụng thiết thực trong công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật điện tử công suất.
