Thiết kế chế tạo và thử nghiệm bộ điều khiển lindrive

LUẬN VĂN Thiết kế chế tạo thử nghiệm điều khiển LinDrive -1- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GIỚI THIỆU Báo cáo bao gồm 03 phần:  Phần I: Trình bày tìm hiểu xung quanh đối tượng động thực tế sử dụng Lý việc là: Khi mua động từ hãng cung cấp LinMot, truyền động động tuyến tính bao gồm compact hệ thống động cơ+drive+phần mềm Do vậy, tài liệu hãng cung cấp chủ yếu quan điểm dành cho người sử dụng, lập trình ứng dụng (application) Các thơng số điện động khiêm tốn, gây khó khăn định cho công việc tiến hành thiết kế chế tạo thử nghiệm điều khiển LinDrive  Phần II: trình bày thao tác thực thực nghiệm mạch thiết kế theo phiên lần Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy thiết kế không phù hợp với điều kiện nghiên cứu ban đầu Thiết kế phù hợp điều kiện nghiên cứu trước cho kết ổn định, cần tinh giảm linh kiện, hạ giá thành phù hợp cho thương phẩm Phần III trình bày cải tiến mạch thiết kế lần 2, bổ xung mạch bảo vệ điện tử công suất, mạch CPLD để thay đổi linh hoạt phương thức kết hợp giao hoán kênh điều khiển, kết đo thực tế -2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com PHẦN I: THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ VÀ CẢM BIẾN ĐI KÈM Các thông số kèm theo catalog sản phẩm có sau: Thơng số Giá trị Đơn vị Lực tác động 39 (8,77) (Ibf/A) Dòng điện cực đại 15 A Điện trở pha 25/80°C 3.1/3.7 Ω Điện cảm pha 3.1 mH Loại sensor vị trí Sine/cosine Tốc độ cực đại 1.7 m/s Đường kính stator 48 mm Chiều dài stator 290 Mm Chiều dài slider 630 mm Các thông số khiêm tốn Đặc biệt gần khơng có thơng tin cảm biến vị trí gắn liền với động Thơng tin cảm biến có là:  Cảm biến dạng cách ly hiệu ứng Hall  Là dạng có chu kỳ lặp lại sin/cos  Được cấp điện áp vào 5V Có hai kênh điện áp ra, khơng có tín hiệu zero -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Để tìm hiểu cảm biến, nhóm nghiên cứu nối động vào điều khiển hãng, lập trình để slider chuyển động theo quỹ đạo lặp lại với tốc độ không đổi Sử dụng chức quan sát đồ thị (dữ liệu thu thập qua cổng COM RS232), thu kết sau: Hình 1.1: Thí nghiệm cảm biến vị trí Trong  Đường 1: Tín hiệu Sine  Đường 2: Tín hiệu Cosine  Đường 3: Góc chuyển mạch  Đường 4: Vị trí tính tốn -4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sine Cosine 4.5V Sine_s = 2.5V Cosine_s=0.5V 2.5V Hướng trái 60mm (60/540mm length) Phương pháp thử nghiệm: - Cấp nguồn 5V cho mạch sensor động - Dịch chuyển động cực hạn trái (điểm lấy mốc, khuyên sắt) - Dịch chuyển từ từ rotor sang trái (hướng người nhìn), đo max, min, bước hai tín hiệu sensor 0.5V 0.3V Cực hạn trái (cơ khí) Hình 1.2: Tương quan tín hiệu cảm biến vị trí thực Từ thí nghiệm, có kết luận cảm biến vị trí sau:  Điện áp nguồn ni 5V, điện áp tín hiệu sine theo vị trí, có giá trị = 0.5V, max=4.5V Điểm zero tín hiệu sine điện áp 2.5V  Tín hiệu sine cosine lệch pha π/2  Chu kỳ tín hiệu sine/cosine phản ánh bước cực nam châm slider  Mỗi cặp cực nam châm có chiều dài 60mm, tổng hành trình 540mm (09 cặp) Từ thơng số cảm biến có được, mạch phần cứng để nhận tín hiệu vị trí tính tốn sau: -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 1.3: Trị số linh kiện cho mạch nhận tín hiệu cảm biến Tầng khuếch đại đầu bao gồm hai khuếch đại thuật toán U701A U701B tạo thành mạch khuếch đại vi sai, hệ số khuếch đại 1:1, mục đích tạo trở kháng cao đầu vào Tầng thứ hai tầng khuếch đại với hệ số khuếch đại 5:3 Trong giá trị cực đại điện áp vào chọn 5V, giá trị điện áp cực đại 3V Chọn R705 R706 điện trở 10k, R hồi tiếp cần có 6k Tuy nhiên, điện trở 6k loại linh kiện nên chọn giải pháp mắc song song hai điện trở 12k Tụ C705 đóng vai trị mạch lọc thông thấp Điện trở R713 diode zener D704 đóng vai trị mạch bảo vệ điện áp vào kênh ADC DSP //ADCINA2, Sensor Sine RawData = (AdcRegs.ADCRESULT4>>4)&0x0FFF; // Remove LSB unused bits Tmp = (float)(RawData*3.0)/4095.0; // Scale to 0-3V, integer calculating Tmp = Tmp*5/3; // Scale to 0-5V, float calculating Tmp = Tmp - 2.5; // Zero point is 2.5V if (Tmp>2.0) Tmp=2.0; // high limit -6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com if (TmpfSinValue=Tmp; //ADCINB2, Sensor Cosine RawData = (AdcRegs.ADCRESULT5>>4)&0x0FFF; // Remove LSB unused bits Tmp = (float)(RawData*3.0)/4095.0; // Scale to 0-3V, integer calculating Tmp = Tmp*5/3; // Scale to 0-5V, float calculating Tmp = Tmp - 2.5; // Zero point is 2.5V if (Tmp>2.0) Tmp=2.0; // high limit if (TmpfCosValue=Tmp; Hình 1.4: Đoạn chương trình tính tốn với cảm biến vị trí PHẦN II: THỰC HIỆN MẠCH LINDRIVE, V1.2 Vấn đề tụ boostrap: Điểm bật mạch điều khiển động tuyến tính mạch cơng suất sử dụng hai cầu H (H-bridge) với phương án điều khiển van kiểu mạch boostrap -7- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2.1: Mạch điều khiển van Boostrap Căn vào tài liệu “AN-978: HV Floating MOS-Gate driver ICs”, trang 6, tính tốn tụ boostrap sau Tụ bootstrap mạch tụ C532, tác dụng tạo điện áp chênh so với VBUS để mở van phía áp cao Q531 Tụ nạp thời gian van Q531 off, với giả thiết lúc van Q532 on, kéo chân Vs IC U504 xuống GND (cho phép chênh 5V Vs-GND) Dòng nạp chảy từ Vcc(15V) qua diode D531 trở R531 (Diode xung) Các yếu tố sau ảnh hưởng đến giá trị điện dung tụ bootstrap:  Điện áp ngưỡng mở cửa Gate van  IQBS Dòng tiêu thụ tĩnh quiescent current khơng có xung PWM  Dịng mạch nâng áp  Dòng rò tiếp giáp gate-source  Dòng rò tụ bootstrap Riêng dòng rò tụ bootstrap đáng để ý dùng tụ hóa Trong trường hợp khơng cần thiết, khơng nên dùng tụ hóa Loại tụ khơng-hóa (gốm…) bỏ qua Cơng thức tính sau: -8- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com I I    2Qg  qbs ( max)  Qls  Cbs ( leak )  f f  C  Vcc  V f  VLS  VMin Q g = Điện tích nạp high-side FET, IRF37100 130nC f = tần số điều chế, dự kiến f=10kHz ICbs(leak)= Dịng rị tụ Bỏ qua dùng tụ dán Iqbs(max) = Dòng tĩnh cực đại IC driver, IR2101 55uA V cc = Điện áp nguồn nạp tụ, thiết kế 15V V f = Điện áp rơi diode nạp Trong trường hợp mạch khó xác định bao gồm điện áp rơi trở R531 Tạm lấy Vf 1V V LS = Điện áp chân driver IC với GND Trong trường hợp mạch điện áp rơi FET IR3710: RDS x IDSmax = 23mΩ x 57A ≈ 1.3 V VMin = Hiệu điện tối thiểu VB VS, IR2101 9V Q ls= Điện tích để dịch mức (thường 5nC với loại dùng VBUS 600V, 20nC với loại 1200V) Lấy 5nC Kết luận:   55 106  130  10 9    10 9  10 10   146 nF C  15   1.3   Dùng tụ nhỏ hơn: Không mở van  Dùng tụ lớn nhiều: Hỏng diode xung  Chọn tụ: 224 474 105 Vấn đề kỹ thuật nạp trình lên flash on-chip TMS320F2812: TMS320F2812 có 03 vùng nhớ để chứa chương trình người dùng viết nạp vào là:  Vùng nhớ SRAM-H0 (8k x 16): Nạp chương trình chạy tạm thời, bị xóa ngắt nguồn cung cấp -9- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Vùng nhớ Flash (128k x 16): Khơng bị hủy chương trình ngắt nguồn  Vùng nhớ XINTF: Giống ROM với vi điều khiển bit truyền thống Việc DSP chọn vùng nhớ để lấy chương trình khởi động phụ thuộc vào số chân chọn chip Trên thiết kế, chân nối với jumper chuyển để người dùng chuyển chế độ boot Khi nạp chương trình vào Flash, người dùng phải chuyển jumper sang vị trí chạy sau để DSP khởi động cấp nguồn Để nạp chương trình xuống DSP vào vùng Nhớ Flash SRAM-H0, phải thơng qua giao diện JTAG Có 02 phương thức để thực việc này:  Dùng “XDS510 USB JTAG Emulator” phần mềm SDConfig, SDFlash Bộ “XDS510 USB JTAG Emulator” có jack cắm vào cổng USB máy tính, jack 7x2 chân cắm vào card (xem trang http://www.spectrumdigital.com)  Trên card tích hợp sẵn chip JTAG để người dùng nạp chương trình, debug thông qua giao diện LPT (máy in) PC phần mềm Code Composer Studio (CCS) Texas cung cấp Tuy nhiên để CCS (của Texas) giao tiếp với card ezDsp (của hãng Spectrum Digital) cần có driver riêng, download từ trang web http://www.spectrumdigital.com - 10 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Tốc độ thạch anh OSCCLK là: 30MHz  Thông số PLLCR là: 10  Chế độ nạp : “Erase, Program, Verify”  Nhấn nút “Flash Programer Setting ” để xuất cửa sổ sau Để nạp chương trình xuống Flash, Code Composer không nạp trực tiếp mà phải thơng qua chương trình khác nạp trước xuống SRAM Chương trình tiếp nhận file *.out người dùng muốn nạp xuống Flash ghi chúng xuống Flash Vì vậy, q trình u cầu thao tác xóa/ghi/kiểm tra Flash Texas Instrument gọi Algorithm Người nạp phải xác định file cho chương trình thơng qua cửa sổ “Flash Programmer Settings” Nhấn vào nút “Browse ” để trỏ đến file algorithm (cũng file *.out) Trong trường hợp kiểm tra không thấy thư mục: CCS Dir\ plugins\Flash28xx\Algorithms\2812\ nghĩa Plugins cho eZdsp chưa cài đặt cài đặt không Nhấn OK để quay lại cửa sổ “On-chip Flash Programer”, nhấn nút “Execute Operation” đợi đến trình nạp kết thúc Chú ý: Trong trình nạp điện khó có khả truy cập lại nhớ Flash, vùng Password bị ghi mọt giá trị - 15 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các tồn thiết kế LinDrive, v1.2: Sau lập chương trình thử nghiệm điều chế đơn giản, nạp xuống flash on-chip để đo đạc thử nghiệm, nhóm nghiên cứu phát thấy thiết kế có nhiều khiếm khuyết Cụ thể sau: Sử dụng IR2101 làm IC driver cho van công suất theo kiểu mạch boostrap không hợp lý Các van mở không khóa chéo, hậu dẫn đến thơng mạch VBUS-GND điều chế sai, kích thích nhiễu, cố nguồn Nên sử dụng thêm IC CPLD, ví dụ GAL16V08 Các tụ loại CF611, C532 sai kích cỡ linh kiện mạch in Các IC PC817, phần mạch digital input, chân 3-4 bị chéo (nhầm từ vẽ nguyên lý) Các driver không dùng nguồn cách ly mà sử dụng kỹ thuật boostrap Khi thử nghiệm không an tồn, điện áp cao xâm nhập vào IC driver van bị đánh thủng dẫn đến điện áp cao xâm nhập phần mạch logic, phá hỏng hàng loạt linh kiện Thực tế phá hỏng 03 card ezDsp Kênh sin/cos encoder khơng cần thiết có diode phía đầu khuếch đại thuật tốn ngưỡng điện áp tối thiểu 0.5V (tối đa 4.5V) Việc đưa tín hiệu PWM theo dạng đảo, thông qua IC 74HCT14 (mục đích đảm bảo mức zero bị trạng thái “treo”) không hợp lý Nguyên nhân: chân PWM DSP định nghĩa mức tích cực high low Tuy nhiên, phần deadtime tính số dương, nghĩa cho phép kênh sau (ví dụ PWM2) mở sau kênh trước (VD PWM1) Nếu nghịch đảo, xung kênh trước sau trở thành chồng nên (ngắn mạch DC bus) - 16 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2.2: Overlap xung điều khiển Phần nguồn sử dụng mạch ngồi khơng hợp lý Khi cấp nguồn, phần DSP cấp riêng, phần Driver cấp riêng dẫn đến trước nguồn cấp trước, nguồn sau dẫn đến có trạng thái khơng xác lập khơng mong muốn, dẫn đến cố Phần cấp nguồn cho cảm biến dịng điện pha chưa có chân GND (Lỗi thiết kế) Chính khiếm khuyết mạch nên nhóm định thiết kế lại, bổ xung thêm chức hợp lý sửa chữa khuyết tật mạch LinDrive v1.2 - 17 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com PHẦN III: PHẦN THỬ NGHIỆM MẠCH LINDRIVE V2.1 Các thay đổi thiết kế mới:  Thiết kế lại phần nguồn cấp  Chuyển phương án mạch drive cho van công suất từ phương án kiểu boostrap sang phương án dùng IC drive có bảo vệ q dịng  Bổ xung vào mạch điều chế phần tử logic lập trình CPLD làm nhiệm vụ khóa chéo kênh điều chế (interlock), hoán đổi kênh điều chế linh hoạt  Bổ xung sai sót thiết kế sai sót thực layout mạch Thiết kế lại phần nguồn: Bao gồm:  Nguồn cấp cho board mạch DSP, IC logic họ TTL  Nguồn cách ly cho van riêng biệt  Phần nguồn cấp cho IC họ CMOS tạo áp chuẩn cho ADC giữ nguyên phương án cũ Hình 3.1: Mạch phía sơ cấp cuộn biến áp Mạch nguồn thiết kế theo phương án push-pull half-bridge (kéo/đẩy) Tính tốn tần số: - 18 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com f  1  1.4  ( RT  150)  CT 1.4  (10  150) 109 71.5kHz Thực tế kiểm tra: Hình 3.2: Điện áp sơ cấp biến áp push-pull Phần mạch tạo nguồn vi sai +/-15V cho IC loại Op-Amp nguồn 5V cho IC TTL, đồng thời cấp cho mạch DSP sau: Hình 3.3: Nguồn cho Op-Amp TTL - 19 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thực mạch thực tế: Hình 3.4: Hình ảnh phần mạch nguồn Khi thực thử nghiệm phiên LinDrive1.2 thấy rằng: Việc cách ly tín hiệu điều khiển đến van (xung PWM) khơng đủ Khi có sai sót thí nghiệm, van bị đánh thủng trạng thái ba cực G-S-D thông Điện áp cao từ mạch lực, theo đường nguồn cấp cho IC drive đưa vào phá hủy phần khác mạch Phiên LinDrive2.1 thiết kế phần nguồn cách ly cho van riêng biệt sử dụng IC tạo xung push-pull phía sơ cấp Phần tử cơng suất chịu dịng lớn sử dụng 02 van MOSFET loại IRF640 - 20 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.5: Nguồn cách ly cho IC khiển van cơng suất Vì nguồn ni cho IC khiển van nằm dải rộng từ 8V đến 30V nên cần cầu chỉnh lưu phía thứ cấp biến áp đủ, không cần IC ổn áp gây phức tạp mạch nguồn Mạch khiển van: Chuyển từ phương án Boostrap sang sử dụng IC khiển có chức bảo vệ cao Dùng nguồn cách ly hoàn toàn Cụ thể mạch có 08 van cơng suất (hai cầu H), sử dụng 08 IC drive 08 nguồn riêng biệt IC HPCL316J có đặc điểm sau:  Cách ly hồn tồn phía logic phía lực Phía logic sử dụng nguồn riêng 4.5-5.5V, tương thích CMOS/TTL Phía lực sử dụng nguồn riêng, điện áp cấp đến chân van cơng suất  Bảo vệ q dịng, ngắt tín hiệu khiển đến van phát dòng Nguyên tắc việc chip nhận biết điện áp rơi lớp tiếp giáp D-S Khi cao q dịng, chip ngắt tín hiệu mở chân G, khóa drive, báo lỗi nên an toàn điều kiện tiến hành thử nghiệm - 21 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.6: Mạch khiển van cơng suất Hình 3.7: Tín hiệu mở van chân Gate Mạch bảo vệ logic phối hợp tín hiệu PWM: Dựa kinh nghiệm thí nghiệm thi cơng thiết kế cũ, LinDrive v1.2 thấy cần thiết có mạch sau:  Mạch Enable xung điều chế khóa cứng (dù phần mềm làm điều này) Điều giúp cho mạch cơng suất thêm tầng an tồn  Phương án mạch công suất bao gồm nhánh van song song, nối vào mạch chiều trung gian Điều cho phép thực linh hoạt nhiều phương án điều chế (đơn cực, lưỡng cực, vector không gian cho ba pha) Tuy nhiên, tín hiệu tự chân PWM chip DSP đưa đến IC drive van có thay đổi thứ tự Điều - 22 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thực tương đối đơn giản thuận lợi ta đặt tầng DSP Drive IC khả trình kiểu CPLD  Các tín hiệu PWM cần khóa chéo tránh trường hợp ngắn mạch chiều Đây tầng bảo vệ sở, trước tầng bảo vệ dòng thực mạch drive Vì vậy, thiết kế LinDrive2.1, nhóm đưa vào thêm cụm mạch dùng chip “trắng” CPLD để lập trình logic cần thiết Hình 3.8: Mạch dùng CPLD EPM7064 Tín hiệu vào gồm có:  Tồn 12 đường tín hiệu PWM từ DSP Việc chọn tín hiệu xuất kênh đầu phụ thuộc vào việc cấu hình chip CPLD  08 kênh báo lỗi từ IC drive  Tín hiệu Reset Khi IC drive chuyển sang chế độ bảo vệ dòng, IC chốt (latch) trạng thái bảo vệ có xung reset  Tín hiệu Enable cho kênh PWM - 23 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thực phần khóa lỗi Một IC drive báo lỗi tạo thành xung ngắt, đưa DSP: Hình 3.10: Config ngắt lỗi Thực khóa chéo: Hình 3.11: Khóa chéo tín hiệu điều chế phần cứng, phối hợp PWM_EN Kết thực nghiệm cho thấy mạch hoạt động hiệu Các sai sót q trình thử nghiệm loại trừ hậu tối đa Kết thi công thử nghiệm: Trang bên số hình ảnh thiết bị đặc tính - 24 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 4.1: Tồn mạch thực hiện, từ góc trái Hình 4.2: Mạch LinDrive 2.1 nhìn từ xuống - 25 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 4.3: Cận ảnh phần mạch drive van bảo vệ Hình 4.4: Tín hiệu chip CPLD, đưa đến IC drive - 26 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 4.5: Tín hiệu điều chế chân IC drive, đo nhánh cầu H Hình 4.6: Tín hiệu chân G-S, đo nhánh cầu H - 27 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 4.7: Điện áp cuộn dây pha A B động cơ, đo với thang thời gian 100us Hình 4.8: Điện áp cuộn dây A B, đo với thang thời gian 2ms - 28 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 4.9: Dịng điện tức thời, chế độ chạy khơng tải - 29 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... hành thiết kế chế tạo thử nghiệm điều khiển LinDrive  Phần II: trình bày thao tác thực thực nghiệm mạch thiết kế theo phiên lần Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy thiết kế không phù hợp với điều. .. xung vào mạch điều chế phần tử logic lập trình CPLD làm nhiệm vụ khóa chéo kênh điều chế (interlock), hốn đổi kênh điều chế linh hoạt  Bổ xung sai sót thiết kế sai sót thực layout mạch Thiết kế. .. thiết kế LinDrive, v1.2: Sau lập chương trình thử nghiệm điều chế đơn giản, nạp xuống flash on-chip để đo đạc thử nghiệm, nhóm nghiên cứu phát thấy thiết kế có nhiều khiếm khuyết Cụ thể sau: Sử dụng