( Kèm CODE và PCB)Thiết Kế Bộ Biến Đổi DcDc Mạch Cầu 1 Pha Theo Nguyên Lý Băm Xung Điều Khiển Ổn Định Dòng Điện Động Cơ Có Đảo Chiều. Điện Áp U = 12V

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN 2
Mã: 13322
Học Kỳ: 1 – Năm học 2023-2024

Đề tài:
Thiết Kế Bộ Biến Đổi Dc-Dc Mạch Cầu 1 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 và 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 2
Mã: 13322
Học Kỳ: 1 – Năm học 2023-2024

Đề tài:
Thiết Kế Bộ Biến Đổi Dc-Dc Mạch Cầu 1 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 và 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 2
THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC MẠCH CẦU 1 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 và ghi rõ họ tên)




LỜI CẢM ƠN
Trước hết, chúng em chân thành cảm ơn các thầy cô và cán bộ của Khoa Điện – Điện
Tử trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá
trình học.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy chun ngành
Điện tự động cơng nghiệp.
Em cũng hết lòng biết ơn sự quan tâm và ủng hộ của gia đình và bạn bè. Đó chính là
nguồn động viên tinh thần rất lớn để tôi theo đuổi và hoàn thành đồ án 2 này. Đặc biệt, em
vơ cùng tri ân sự hướng dẫn tận tình và theo dõi sát sao đầy tinh thần trách nhiệm cùng lòng
thương mến của thầy Vũ Ngọc Minh trong suốt quá trình em thực hiện Báo cáo Đồ án 2 .
Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn đến toàn bộ quý thầy cô của khoa Điện – Điện
Tử trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam , những người có vai trị rất lớn trong suốt q trình
em theo học.
Trong q trình thực hiện đồ án nhận thấy chúng em đã cố gắng hết sức nhưng vì
kiến thức vẫn cịn hẹn hẹp nên vẫn cịn nhiều thiếu sót, mong thầy cơ bổ sung để Báo cáo
Đồ án 2 được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy/Cô!

Sinh Viên Thực Hiện
( Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ......................................................................................7
DANH MỤC BẢNG............................................................................................8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN10
1.1 Cơ sở lý thuyết về động cơ một 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 một pha..................................................................16
1.2.4 Nguyên lí đảo chiều và ổn định dòng điện động cơ........................17
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...................................18
2.1 Xây dựng và 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 vịng dịng điện.....................................................27
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ..............29
3.1

Khảo sát đặc tính động học của động cơ trên miền thời gian liên tục......29

3.2

Các phần tử trong hệ thống......................................................................32

3.3

Phân tích hoạt động hệ thống..................................................................36

3.4

Lắp mạch thực, nhận xét, đánh giá kết quả..............................................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 cơ điện một chiều...........................................................10
Hình 1.2 Ký hiệu của MOSFET..........................................................................11
Hình 1.3 Cấu trúc bên trong của MOSFET.........................................................11
Hình 1.4 Sơ đồ kích mosfet high-side.................................................................14
Hình 1.5 Ngun lí hoạt động của Bootstrap.......................................................15
Hình 1.6 Ngun lí hoạt động của Bootstrap.......................................................15
Hình 1.7 Ngun lí hoạt động của mạch cầu H...................................................16
Y
Hình 2.1 Sơ đồ cầu H sử dụng van MOSFET.....................................................18
Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng bên trong IR2104..............................................21
Hình 2.3 Sơ đồ chân của IR2104 và IR2104S.....................................................22
Hình 2.4 Giản đồ thời gian đầu vào/đầu ra..........................................................22
Hình 2.5 Linh kiện kích cực gate cho MOSFET.................................................26
Hình 3.1 Thơng số lưu trữ trong workspace........................................................30
Hình 3.2 Mơ hình hố động cơ điện một chiều trên miền liên tục.......................30
Hình 3.3 Mạch vịng dịng điện theo chuẩn tối ưu Module.................................31
Hình 3.4 Đặc tính dịng điện khi có mạch vịng điều chỉnh.................................31
Hình 3.5 Vi điều khiển sử dụng trong Arduino...................................................32
Hình 3.6 Cấu hình board Arduino Uno R3..........................................................33
Hình 3.7 Hiệu điện thế sinh ra bởi cảm biến Hall................................................35

Hình 3.8 Chuyển đổi đo cho cảm biến Hall.........................................................35
Hình 3.9 Các chân vào/ra của cảm biến ACS712................................................36
Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống............................................................................37
Hình 3.11 Lưu đồ thuật tốn điều khiển hệ thống...............................................38
Hình 3.12 Sơ đồ mơ phỏng tồn hệ thống...........................................................39
Hình 3.13 Board PCB trước và sau khi gắn linh kiện..........................................41
Hình 3.14 Kết quả sau khi tìm được bộ điều khiển PID......................................42


DANH MỤC BẢ
Bảng 1.1 Trạng thái điều khiển của cầu H...........................................................16
Y
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của IRF3205...........................................................19
Bảng 2.2 Các giá trị tuyệt đối của IR2104...........................................................20
Bảng 2.3 Thông số điều kiện hoạt động đề xuất của IR2104..............................20
Bảng 2. 4 Mô tả chức năng các chân của IR2104................................................21
Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của IR2104.............................................................25
Bảng 2.6 Thông số động cơ RH14D-3002..........................................................27
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3.....................................................32
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến ACS712............................................36
Bảng 3.3 Khai báo các chân chức năng của bộ 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 bộ điều khiển dòng điện..................................42


Lời Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp chuyên nghiên cứu và phát triển, phát
triển các hệ thống tự động và điều khiển của các dây chuyền sản xuất cơng nghiệp.

Tự động hóa mạnh mẽ để kiểm sốt nhanh chóng, chính xác các dây chuyền sản
xuất phức tạp, chính xác và khn mẫu. Trong xu thế hội nhập toàn cầu, đất nước
ta đang bước vào giai đoạn cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa, bất kỳ ngành nghề kỹ
thuật nào cũng cần đến tự động hóa. Có thể hiểu, Tự động hóa cơng nghiệp là
chuyên ngành nghiên cứu, thiết kế,vận hành các hệ thống tự động, dây chuyền sản
xuất tự động trong các nhà máy (xi măng, sắt thép, nước giải khát, dược phẩm…);
thiết kế, điều khiển và chế tạo robot; quản lý sản phẩm tại các cơng ty trong và
ngồi nước kinh doanh thiết bị điện tử tự động. Chúng em là sinh viên trường Đại
Học Hàng Hải Việt Nam, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cơ Khoa Điện –
Điện Tử nói riêng và của trường Đại Học Hàng Hải nói chung, chúng em đã hồn
thành Học phần Đồ án 2 mà thầy giao.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích của đề tài là nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi dc-dc mạch cầu 1 pha theo

nguyên lý băm xung điều khiển ổn định dòng điện động cơ có đảo chiều.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều khiển và xử lí bằng vi điều khiển để giao
tiếp với các thiết bị ngoại vi , các bộ biến đổi cơng suất nhằm phục vụ mục đích của đề tài.
4. Phương pháp nghiên cứu khoa học
Để nắm rõ, cũng như thiết kế, mô phỏng được đề tài này thực tế cần thực hiện:.
-

Nghiên cứu về các bộ biến đổi công suất , nghiên cứu các cách thức giao
tiếp với các thiết bị ngoại vi

-

Nghiên cứu thực tiễn: Tiến hành lựa chọn và nghiên cứu thiết bị, lắp đặt hệ thống,
sử dụng phầm mềm để lập trình điều khiển hệ thống.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Góp phần nâng cao nhận thức về tầm quan trọng và ứng dụng của cơng nghệ tự
động hóa trong cơng nghiệp. Hiểu được ngun lý, quá trình hoạt động của bộ biến đổi dcdc mạch cầu 1 pha theo nguyên lý băm xung, tạo điều kiện tiếp xúc thực tiễn trong việc
lập trình xây dựng 1 bộ điều khiển động cơ DC 12V.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.1 Cơ sở lý thuyết về động cơ một chiều nam châm điện
Cấu tạo của động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu gồm nhiều phần trong đó có
hai phần chính là: Stator (Nam châm vĩnh cửu)và Rotor (Cuộn cảm lõi)

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

 Phần Stator (Nam châm vĩnh cửu):
Stator của nam châm vĩnh cửu bên trong động cơ pm DC như đã được chỉ ra từ trong
chính cái tên của động cơ DC: Cực trường của động cơ này thường được làm bằng 1 thanh
nam châm vĩnh cửu. Một động cơ pm DC sẽ bao gồm 2 phần: 1 stator và 1 armature.
Nói chung, vật liệu từ tính như là đất hiếm từ tính thường được sử dụng cho loại nam
châm vĩnh cửu.
 Phần Rotor (Cuộn cảm lõi):
Rotor của động cơ pm DC cũng có cấu tạo tương tự giống như động cơ DC khác.
Rôto hay là bộ phận của động cơ DC chạy bằng nam châm vĩnh cửu cũng bao gồm các phần
như: cốt lõi, cuộn dây cùng với bộ chuyển mạch. Lõi gia cố của động cơ được làm bằng 1
lớp sơn cách điện và được cách li mỏng 1 lớp nữa bằng thép. Bằng cách cố định chặt các
tấm thép trịn vào 1 chỗ, 1 chiếc lõi hình trụ có khe lúc này cũng được hình thành.
1.2 Cầu H DC-DC converter


1.2.1 Van bán dẫn MOSFET
Loại transistor có khả năng đóng cắt nhanh và tổn hao do đóng cắt thấp được gọi là

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) với cổng điều khiển bằng
điện trường (điện áp). MOSFET được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài
KW) và khơng thích hợp sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn. Tuy nhiên MOSFET
khi kết hợp với công nghệ linh kiện GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với
nhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải cơng suất lớn.
Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang điện
cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng
cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vấn đề quan trọng .

Hình 1.2 Ký hiệu của MOSFET

Cấu tạo của MOSFET

Hình 1.3 Cấu trúc bên trong của MOSFET

G: Cực cổng, cực điều khiển


S: Cực nguồn
D: Cực máng
Chất nền
Với G là cực điều khiển được cách ly hồn tồn bởi lớp điện mơi cực mỏng dioxitsilic (SiO₂) với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi.) với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi.
Cực máng (D) là cực đón các hạt mang điện.
Điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn. Nhưng điện
trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch Ugs. Lúc này có các trường hợp
xảy ra như sau:
Khi điện áp Ugs = 0 thì điện trở Rds rất lớn
Khi điện áp Ugs > 0 : Do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở Rds giảm, điện áp Ugs
càng lớn thì điện trở Rds càng nhỏ.
Nguyên tắc kích mở MOSFET

Mạch lái cho một MOSFET cơng suất sẽ ảnh hưởng đến hành vi chuyển mạch và khả
năng tiêu tán cơng suất của nó. Để bật dẫn MOSFET, phải đặt điện áp cao hơn điện áp
ngưỡng định mức Vth vào cực cửa. Điện áp VGS ˃ Vth khoảng 3 đến 5 V. Điện áp V GS của
hầu hết các MOSFET công suất không quá 20 VDC (chỉ đề cập đến MOSFET kênh n).
Vì MOSFET về bản chất được điều khiển bằng điện áp, nên chỉ cần dòng điện cực
cửa là cần thiết để nạp điện dung đầu vào Ciss. Một MOSFET cơng suất có thể được điều
khiển trực tiếp bởi CMOS hoặc mạch logic TTL cực thu hở.
MOSFET thường được sử dụng làm linh kiện chuyển mạch ở tần số từ vài kHz đến
hơn vài trăm kHz. Mức tiêu thụ công suất thấp cần thiết để lái cực cửa là một lợi thế của
MOSFET như một linh kiện chuyển mạch. MOSFET được thiết kế để lái điện áp thấp cũng
có sẵn.
Điện dung kí sinh tồn tại trên các lớp tiếp giáp bán dẫn của MOSFET hay cả
Transistor và IGBT. Đây là điện dung khơng mong muốn chính và các nhà sản xuất linh
kiện đều muốn cố gắng giảm nó đi hay loại nó đi càng nhỏ càng tốt thì thành phần dẫn của
linh kiện đạt đến mức lí tưởng nhưng trong thực tế khơng làm được điều đó.


Tùy vào từng loại linh kiện và mức giá thành, ứng dụng cơng nghệ khác nhau mà
MOSFET có những giá trị điện dung kí sinh khác nhau. MOSFET được tích hợp ở trong các
bộ Driver chuyên dụng thường sẽ có giá trị điện dung kí sinh trên các cực rất thấp chỉ vài
pF. Đương nhiên giá thành của chúng khá cao. Còn đối với các MOSFET ứng dụng trong
các mạch điện tử đại trà thì thường điện dung kí sinh của chúng khoảng vài nghìn pF.
Khi đó chính điện dung kí sinh ở chân G và S là yếu tố hạn chế khả năng làm việc
của MOSFET ở tần số cao và đặc biệt gây khó khăn cho vấn đề tầng thúc và tầng kích.
Ta lấy ví dụ về MOSFET kênh N. Giả sử khi làm việc với tần số 300kHz mà kích
MOSFET thơng qua chỉ các van transistor thường thì khơng bao giờ thực hiện được. Để
thực hiện được việc này ta cần phải sử dụng đến những IC Driver chuyên dụng chẳng hạn
như driver kích class D là IR2092 trong đó người ta phải tích hợp những MOSFET với tần
số cực cao và chế tạo bằng những công nghệ đặc biệt để nó có khả năng thúc ra những xung
cao vng kích cực cửa của MOSFET chỉ thơng qua điện trở 2.2ohm. Khả năng hoạt động

cao tần của nó tốt và có thể chịu được dịng cực lớn bởi vì khi điện dung kí sinh tại G-S
( thường có giá trị tương đương với các tụ 102, 103 ) tại tần số cao thì dung kháng cực nhỏ
và các tụ điện kí sinh này tiêu tốn dịng cực kì lớn nên việc kích MOSFET cần phải dùng
những driver chuyên dụng. Việc sử dụng đèn mắc theo kiểu Push-Pull chỉ nên sử dụng ở tần
số cỡ dưới 60kHz, nếu tần số cao từ 100kHz thì ta phải sử dụng các IC chuyên dụng để
tránh gây nóng FET.
Khi đã lên đến tần số 2MHz, ta bắt buộc phải dùng đến những linh kiện đặc biệt được
chế tạo bởi những công nghệ cực kì hiện đại với giá thành khơng hề rẻ ví dụ như transistor
cao tần trong những ứng dụng phát sóng FM với chân linh kiện được mạ vàng giá từ 12-15
triệu / 1 chiếc.
1.2.2 Kỹ thuật Bootstrap MOSFET
Mạch Boostrap khơng cịn xa lạ gì với chúng ta và được dùng rộng rãi trong các
mạch điều khiển H-Bridge, 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 Half-Brigde ( 2 van bán dẫn được mắc
theo kiểu Push-Pull 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 high-side

Khi Q2 ( MOSFET low-side ) 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 high-side )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 Ngun 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 G-S của mosfet ln
ln 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 ln ln có đủ điện áp để
kích 2 mosfet luân phiên.


Hình 1.6 Ngun 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 dịng 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 dịng điện chạy vào động cơ. Do đó ta
hồn tồn 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 hồn tồn có thể
sửa chữa thay thế bằng relay hoặc những khóa bán dẫn cơng suất.

Hình 1.7 Ngun lí hoạt động của mạch cầu H


Khi đóng đồng thời van bán dẫn S1 và S4 thì dịng 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

0
1
0
1
X

0
0
1
1
X

0
0
1
X
1

0
1

0
X
1

Động Cơ
Khơng quay
Quay thuận
Quay nghịch
Ngắn mạch
Ngắn mạch

1.2.4 Ngun lí đảo chiều và ổn định dịng điện động cơ
Ngun 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. Thơng 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
vịng 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 , ngồi ra cịn có chức năng bảo vệ , điều chỉnh gia tốc.
Một khái niệm đơn giản nhất để điều chỉnh dịng 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 dịng 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 khơng 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 cơng nghiệp, nó tính tốn 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 q trình thơng 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 khơng đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn
định cho hệ thống.


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
2.1 Xây dựng và tính tốn đối tượng điều khiển
2.1.1 Tính tốn thơng số cho mạch động lực

Hình 2.1 Sơ đồ cầu H sử dụng van MOSFET

Ta chọn thông số của bộ biến đổi:
Điện áp động cơ: U = 12V
Dòng điện động cơ định mức: I = 5A
Giả sử tại thời điểm ban đầu, T1 và T4 dẫn, T2 và T3 khố, thì dịng điện đi qua các
van T1 và T4 chính bằng dòng điện chạy qua động cơ. Và điện áp đặt trên các van khi xảy
ra sự cố bằng với điện áp nguồn.
Chọn hệ số dự trữ dòng điện Ki = 3.2 và hệ số an toàn cho điện áp Ku = 1.5. Như vậy
ta có:
I vmax =3,2.5=17 A
U vmax =1,5.12=18 V

Vậy ta chọn MOSFET kênh N IRF3205 có thơng số:

+ VDS = 55V
+ ID = 110A
+ RDS(on) = 8.0mΩ ( tại VGS = 10V, ID = 62A )