Vi điều khiển và ứng dụng đề tài thiết kế mạch tạo điện áp hình sin 12VAC

Đại học Bách khoa Hà NộiTrường Điện- Điện tử Vi điều khiển và ứng dụng Đề tài Thiết kế mạch tạo điện áp hình sin 12VAC Sinh viên thực hiện: Đào Đức Thắng- 20181752 Giáo viên hướng dẫn

Đại học Bách khoa Hà Nội

Trường Điện- Điện tử

Vi điều khiển và ứng dụng

Đề tài

Thiết kế mạch tạo điện áp hình sin 12VAC

Sinh viên thực hiện: Đào Đức Thắng- 20181752 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hồng Quang

Hà Nội, 3-2022

Mục Lục

Chương I Tổng quan về đề tài 4

1 Mục tiêu đề tài 4

2 Các chỉ tiêu kĩ thuật 4

Chương II Thiết kế và lựa chọn các thông số của mạch 5

1 Sơ đồ tổng quát của mạch 5

Chương III Thiết kế chương trình trên STM32F103C8T6 11

1 Thiết bộ STM32F103C8T6 11

Chương IV: Mô phỏng và thực nghiệm 15

1 Thiết kế mạch trên Altium 15

2 Mô phỏng mạch thật trên Proteus 16

3 Làm mạch trên thực tế 18

Chương I Tổng quan về đề tài

1 Mục tiêu đề tài

Nghiệm vụ và yêu cầu kĩ thuật:

- Tạo điện áp hình sin 12V AC từ nguồn một chiều 24V DC

- Ổn định điện áp với tải thay đổi

Mạch sử dụng các linh kiện sau:

- Vi điều khiển STM32 F103C8T6

- Mosfet

- Tụ điện, điện trở, cuộn cảm

2 Các chỉ tiêu kĩ thuật

- Độ đập mạch điện áp: 5%

- Độ đập mạch dòng điện: 10%

- Bộ điều khiển PI để ổn định điện áp đầu ra

- Bảo vệ quá dòng 1A

Chương II Thiết kế và lựa chọn các thông số của mạch

1 Sơ đồ tổng quát của mạch

Hình 1: Sơ đồ khối mạch

Cấu tạo mạch bao gồm 5 khối Mạch sử dụng nguồn điện một chiều 24VDC lấy từ nguồn tổ ong Khối nguồn sẽ biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện một chiều với các mức điện áp ổn định cấp cho các linh kiện trong thiết bị hoạt động Vi điều khiển STM32F103C8T6 sẽ tạo ra các sung PWM đóng cắt mạch cầu H để tạo điện áp hình sin tương ứng khi qua bộ lọc đầu ra, vi điều khiển xử lý các tín hiệu đo từ đầu ra của mạch nghịch lưu Sau đó bộ vi điều khiển sử dụng bộ điều chỉnh PI để điều khiển ổn định điện áp đầu ra từ tín hiệu

đo được

 Khối đo:

Sơ đồ nguyên lý kênh đo điện áp

Vi điều khiển STM32 F103 C8T6 Mạch cầu H

Mạch lọc đầu ra Khối nguồn cấp

Khối đo

Hình 2 Sơ đồ khối đo điện áp

Khối đo hoạt động theo nghuyên lý mạch phân áp, điện áp đo được đưa qua mạch triết áp (sử dụng biến trở 10kΩ) Như vậy điện áp sau khi đi qua mạch triết

áp được tính theo công thức

V out = r

10 k

Trong đó:

 V¿ là điện áp đầu vào cần đo

 V out điện áp đàu ra mạch phân áp

Do đầu vào ADC của vi điều khiển nhận giá trị điện áp trong giải 0-3.3V nên đầu ra của khối đo cũng phải nằm trong khoảng 0-3.3V

Sau khâu giảm áp, tín hiệu được đưa qua mạch lặp điện áp không đảo sử dụng LM324 với hệ số khuếch đại K=1 giúp làm tăng trở kháng cho mạch đo trước khi vào ADC, giảm tổn hao năng lượng và bảo vệ mạch vi điều khiển phía sau khi có sự cố xảy ra

Diode D1 và D2 bảo vệ quá áp trước khi vào ADC của vi điều khiển

 Khối nguồn cho vi điều khiển

Hình 3 Khối nguồn

Khối nguồn 3.3V sử dụng IC ổn áp thông dụng AMS1117 – 3.3V thuộc liểu

IC nguồn thuyến tính Điện áp 5V được lấy từ nguồn tổ ong

Một số thông số kỹ thuật chính của IC nguồn AMS1117-3.3V

- Điện áp cấp tối đa: 15VDC

- Điện áp đầu ra: 3.3V±3%

- Điều kiện hoạt độngL 1.5V≤ ( V¿−V out¿≤ 12V

- Dòng ra tải tối đa: 0.8A

- Dải nhiệt độ hoạt động: -40 0C đến 125 0C

 Van mosfet

Chọn mosfet IRFZ44 với các thông số sau:

Hình 4 Mosfet IRFZ44

- Tích hợp điot xả trên van

- Điện áp điều khiển VGS= 10V

- Điện áp VDS= 60V

 Chọn IC lái mosfet IR2101

Hình 5 IC IR2101

Kí hiệu Miêu tả

HIN Đầu vào logic cho đầu ra trình điều khiển cổng bên cao (HO),

theo pha LIN Đầu vào logic cho đầu ra trình điều khiển cổng bên thấp (LO),

theo pha

V B Nguồn cung cấp bên cao

HO Đầu ra tín hiệu cao

V s Tải cung cáp cao

V cc Nguồn cung cấp cố định bên thấp

LO Đầu ra tín hiệu thấp

COM Tải cung cấp thấp

 Tính toán và chọn thông số mạch lọc

Hình 6 Mô phỏng trên matlab mạch nghịch lưu với vòng hở

Hình 7 Khâu điều chế SPWM

Hình 8 Kết quả mô phỏng

- Với thông số mạch nghịch lưu như sau:

 VDC(in) = 24V

 VAC(out)= 12V

 Dòng điện qua tải I < 1A

- Tính toán mạch lọc:

6.f sw ∆ I Lmax= 24

6.20000 0,1√2≈ 1.4mH

C= ∆ I 8 f

s ∆U = 0.1√2

8.20000 1,2≈ 0,7 μF

Chọn L= 1.4mH, C= 0.7μF

Chương III Thiết kế chương trình trên STM32F103C8T6

1 Thiết bộ STM32F103C8T6

- Sử dụng STM32CubeMX để cài đặt cho vi điều khiển STM32F103C8F6

Hình 9 Cài đặt các chân cho vi điều khiển STM32F103C8F6

 Chọn tần số thạch anh ngoài(clock configuretion) là 72MHz

 TIM_CH1 và TIM_CH2: để điều khiển các van mosfet

- Từ phần mềm STM32CubeMX, ta tạo code trên phần mềm KeilC V5 với xung PWM như sau:

 Từ tín hệu điều khiển trên ta xác định được duty trong SPWM: 0, 113,

226, 339, 451, 563, 674, 785, 895, 1004, 1112, 1219, 1325, 1429,

1532, 1634, 1734, 1832, 1928, 2023, 2115, 2206, 2294, 2380, 2464,

2545, 2624, 2700, 2773, 2844, 2912, 2977, 3039, 3098, 3154, 3207,

3583, 3592, 3597, 3599, 3597, 3592, 3583, 3571, 3555, 3535, 3512,

3486, 3456, 3423, 3386, 3346, 3303, 3256, 3207, 3154, 3098, 3039,

2977, 2912, 2844, 2773, 2700, 2624, 2545, 2464, 2380, 2294, 2206,

2115, 2023, 1928, 1832, 1734, 1634, 1532, 1429, 1325, 1219, 1112,

1004, 895, 785, 674, 563, 451, 339, 226, 113

 Từ đó ta có được code như sau:

- Khởi tạo các tham số và các biến:

Hình 10 Khởi tạo biến hằng pwm

- Khởi tạo timer và ADC

Hình 11 Khởi động Timer 1 và ADC

- Khởi tạo xung điều khiển cho mosfet

Hình 12 Cập nhật biến duty với các thông số đã được khai báo

- Đọc giá trị ADC

Hình 13 Đọc giá trị điện áp ra

- Bộ điều chỉnh PI

Hình 14 Bộ điều chỉnh PI

Chương IV: Mô phỏng và thực nghiệm

1 Thiết kế mạch trên Altium

Hình 15 Sơ đồ mạch cầu H

Hình 16 Sơ đồ khối đo và nguồn cho vi điều khiển

2 Mô phỏng mạch thật trên Proteus

(Do với tần số thạch anh 72MHz khi mô phỏng trong proteus gặp một số lỗi, chúng em đã chọn cách mô phỏng sơ đồ nghịch lưu vòng hở với tần số thạch anh 8MHz và tần số song mang 1KHz)

- Sử dụng STM32CubeMX để cài đặt cho vi điều khiển STM32F103C8F6

Hình 17 Cái đặt các chân cho vi điều khiển STM32F103C8F6

 TIM_CH1: để điều khiển các van mosfet

- Từ phần mềm STM32CubeMX, ta tạo code trên phần mềm KeilC V5 với xung PWM như sau:

 Từ bảng SPWM, ta có các giá trị duty cycle: 64, 71, 81, 86, 85, 86,

83, 74, 64, 50, 39, 28, 19, 14, 10, 11, 15, 26, 37, 47 (%)

- Ta có code như sau:

Hình 18 Khởi tạo biến hằng duty

Hình 19 Khởi động Timer

Hình 20 Cập nhật biến duty với các thông số đã được khai báo

- Sau đó chạy code trên KeilC, ta được file hex để nạp vào STM32 chạy trên proteus tron hình dưới đây:

Hình 21 Mạch tạo điện áp hình sin mô phỏng trên Proteus với vòng hở

Hình 22 Kết quả mô phỏng

- Chú thích

 Đường màu vàng là tín hiệu sóng sin thu được sau khi nạp code vào STM32 và cho chạy mô phỏng

 Đường màu xanh: Tín hiệu sóng khi chưa bộ lọc

- Nhận xét

 Do mô phỏng với tần số song mang là 1 KHz nên vẫn còn tồn tại song hài khá lớn

3 Làm mạch trên thực tế

- Bộ nguồn tổ ong với 3 đầu ra 5V, 12V, 24V

 Với đầu ra 5V nguồn dành cho vi điều khiển

 Với đầu ra 12V nguồn dành cho bên cao của IC lái fet IR2101

 Với đầu ra 24V nguồn cho mạch cầu H

Hình 23 Bộ nguồn

 Vi điều khiển STM32F103C8T6

- Sử dụng IC AMS1117_3.3V để tạo nguồn 3.3V cho vi điều khiển

Hình 24 Sơ đồ vi điểu khiển

 Mạch cầu H

Hình 25 Sơ đồ mạch cầu H

Hình 26 Hình dạng sóng sin trên Osiloscope khi chạy mạch