Nghiên cứu ứng dụng công nghệ fpga để thiết kế bộ điều khiển cho vi động cơ từ trở chuyển mạch hai pha

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 7(80).2014 43 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO VI ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ CHUYỂN MẠCH HAI PHA RESEARCH ON THE APPLICATION OF FPGA TO CONTROLLER DESIGN FOR THE TWO-PHASE MICRO SWITCHED RELUCTANCE MOTOR Võ Như Thành 1, Đặng Phước Vinh1, Ngơ Thanh Nghị1, Nguyễn Đăng Trình1, Đồn Lê Anh2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: thanhvous@gmail.com, dangphuocvinh@gmail.com, thanhnghipy@gmail.com, trinhmeiko@gmail.com Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; Email: doanleanh024@gmail.com Tóm tắt - Mục đích báo đề xuất thiết kế điều khiển cho vi động có đường kính 1mm hai pha dựa vào cơng nghệ FPGA Thiết kế điều khiển cho vi động gặp khó khăn kích thước q nhỏ tần số yêu cầu tín hiệu điều khiển cho động phải cao Công nghệ FPGA với khả xuất tín hiệu nhanh tốc độ điều xung lớn (lên tới 200MHz), lập trình để tạo tín hiệu điều khiển cho động chế độ nguyên bước, chế độ nửa bước, chế độ vi bước đề xuất Bộ điều khiển lập trình VHDL ngơn ngữ phổ biến để lập trình FPGA Trong báo, tác giả trình bày cách cấu hình lập trình bo mạch Xilinx-XC3S700AN cho chế độ điều khiển trên; kết mơ tín hiệu điều khiển cho thấy tính khả thi việc ứng dụng công nghệ FPGA điều khiển loại động có yêu cầu tần số tín hiệu điều khiển cao Abstract - The purpose of this paper is proposing a controller design for a 1mm-diameter two-phase micro switched reluctance motor based on field programmable gate aray (FPGA) technology It is very difficult to design a controller for such micro motor due to its extreamly small size and also the requirement of high speed control signal FPGA technology with high speed clocking signal (up to 200MHz) and ability to config to generate motor signal in full step mode, or half step mode, or micro step mode is put into consideration This FPGA based controller was programmed by VHSIC Hardware Description Language (VHDL) which is a common FPGA programming language Within this paper, the authors present the configuration and programming on XilinxXC3S700AN FPGA board for control modes mentioned above; the simulation results show the feasibility of FPGA technology in designing controllers that require high frequency signal Từ khóa - FPGA; VHDL; vi động hai pha; chế độ nguyên bước; chế độ nửa bước; chế độ vi bước Key words - FPGA; VHDL; two-phase micro motor; full step mode; half stepmode; micro stepmode Đặt vấn đề Động từ trở chuyển mạch (ĐCTTCM) loại động có kết cấu đơn giản cấu tạo chắn sử dụng nhiều ứng dụng với nhiều mức điện áp, nhiều cấp tốc độ nhiều loại có hình dáng kết cấu hình học khác Với ứng dụng yêu cầu khối lượng kích thước nhỏ thiết bị dùng phẫu thuật, rơ le công tắc mini…thì loại động thể ưu điểm Tuy nhiên, vi động pha việc điều xung để điều khiển cho động hoạt động ổn định xác khơng dễ dàng kích thước nhỏ, tốc độ cao ảnh hưởng nhiễu lớn đến trình làm việc động FPGA (Field-Programmable Gate Array) công nghệ tiên tiến việc thiết kế thiết bị điện tử điều khiển, thiết bị truyền thơng Các mạch logic ICs thích hợp để xây dựng phần điều khiển cho loại động nói chung vi động đề cập báo nói riêng khả cấu hình linh hoạt tốc độ xử lý tín hiệu nhanh Các bo mạch FPGA lập trình sử dụng vi điều khiển, vi xử lý, mơ-đun có chức riêng biệt tùy theo yêu cầu hệ thống Thông thường, cấu hình lập trình cho card FPGA người ta sử dụng ngôn ngữ VHDL (VHSIC(Very High Speed Intergrated Circuit) Hardware Description Language) Đây ngôn ngữ mạnh mẽ để lập trình cho hệ thống kỹ thuật số Ngày trở thành ngơn ngữ tiêu chuẩn cho cơng nghiệp lập trình phần cứng tương đối giống với ngôn ngữ C linh hoạt cấu trúc lập trình Sự khác biệt ngơn ngữ VHDL C ngơn ngữ C giải chương trình theo trình tự, VHDL giải chương trình song song, nghĩa chương trình VHDL lập trình cho FPGA xử lý đồng thời Đây điểm mạnh VHDL lập trình cho card FPGA việc xử lý tín hiệu phức tạp Do đó, việc đề xuất thiết kế điều khiển cho vi động từ trở chuyển mạch sử dụng công nghệ FPGA theo chế độ linh hoạt (nguyên bước, nửa bước vi bước) quan tâm nghiên cứu trình bày báo Vi động từ trở chuyển mạch hai pha 2.1 Khái quát vi ĐCTTCM hai pha Với loại động hai pha 4/2 (4 cực sator cực rotor) hình [1], pha A bao gồm hai cuộn dây quấn quanh cực và pha B bao gồm hai cực Loại động khơng thể hoạt động khơng có cấu truyền động tay hay dạng hỗ trợ khởi động khác Nhược điểm loại động có vùng chết (điểm mà có momen xoắn 0) Vùng chết (Hình 1) xuất ta không đặt cuộn dây pha nghiêng với độ tự cảm dương khơng có momen xoắn trục động Vùng chết giảm nhiều hình dáng hình học rotor cải tiến s A r #1 B A #2 Stator Rotor Dead Zone Hình Các vùng chết động hai pha [1] Võ Như Thành, Đặng Phước Vinh, Ngơ Thanh Nghị, Nguyễn Đăng Trình, Đồn Lê Anh 44 Giải pháp đơn giản để khắc phục vấn đề mở rộng cung tròn rotor Một số giải pháp đề xuất rotor có dạng cam xoắn ốc, cấu truyền động tay động có khe hở rotor stator dạng bậc Đối với loại dạng bậc (Hình 2) độ tự cảm thẳng hàng lớn so với loại động cơ hình Tuy nhiên độ tự cảm không thẳng hàng tăng nhiều Ở loại vùng chết gần vị trí không thẳng hàng giảm nhiều cấp xung chưa cao sai số lớn Do vậy, điều khiển PFGA đề xuất thay để đạt kết tốt so với sử dụng IC thơng dụng A B B' A' Hình Cấu trúc vi ĐCTTCM hai pha dạng bậc 2 /Ns s A B Stator A #2 #1 2 /Nr r Rotor Hình Đặc trưng dịng điện momen xoắn động lý thuyết thực nghiệm Thiết kệ điều khiển PFGA Phần giới thiệu phương thức điều khiển động hai pha Các phương thức lập trình vào điều khiển FPGA ngơn ngữ lập trình VHDL 3.1 Điều khiển nguyên bước Đây phương thức điều khiển động pha cấp đơn giản cách cấp xung cho stators theo thứ tự, điều khiển nguyên bước có kiểu hay gặp điều khiển theo mơ men cao mơ men thấp hình Hình Cấu trúc dạng bậc loại bỏ vùng chết 2.2 Vi ĐCTTCM hai pha với đường kính 1mm Để tránh vùng không khởi động động hai pha rotor nên có hình dạng khơng đối xứng Bằng cách sử dụng phương pháp tối ưu hình học Topo, hình dạng tối ưu rotor (Hình 4) xác định qua bước với tiêu chí ràng buộc trình bày báo trước nhóm tác giả [1] Hình Điều khiển nguyên bước momen cao Hình Điều khiển nguyên bước momen thấp Hình Cấu trúc rotorvi ĐCTTCM hai pha 3.2 Điều khiển nửa bước Trong chế độ hoạt động số lượng bước vòng tăng gấp đơi Vì vậy, giúp tăng khả kiểm sốt tốc độ, nhiên mơ men khơng ổn định nửa bước kết hợp điều khiển nguyên bước mô men cao mô men thấp Trong thực tế mô-men bị giảm từ 15% đến 30%, tùy thuộc vào tốc độ động cơ.[9] Động quay mà khơng cần cấu quay tay hay hỗ trợ ban đầu với tốc độ tối đa 9800 vòng/phút momen xoắn tối đa 0.0719 µNm cấp dịng điện 1A Đường đặc trưng dòng điện momen xoắn động lý thuyết thực nghiệm thể rõ hình Tuy nhiên nghiên cứu trước [1], tín hiệu xung điều khiển cho vi động tạo từ mạch IC-HA17555 chia PMM-8713PT cho kết chưa mong muốn Bộ điều khiển sử dụng IC đơn giản dễ ứng dụng có nhược điểm tốc độ Hình Hệ thống điều khiển nửa bước TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 7(80).2014 3.3 Điều khiển vi bước Đây trường hợp mà xung cấp cho pha động có dạng sóng hình sin với góc lệch pha 90 độ Tùy theo tốc độ xuất tín hiệu điều khiển, chia xung hình sin thành vi bước theo tỉ lệ khác Các xung nhỏ động hoạt động trơn tru, nhiên chia vi bước nhỏ ảnh hưởng đến mô men động 45 Hình 11 Mơ hình điều khiển với ngõ vào cần thiết PFGA Hình Hệ thống điều khiển vi bước 3.4 So sánh kiểu điều khiển Khơng dễ dàng để lựa chọn định kiểu điều khiển tối ưu phụ thuộc vào u cầu thiết kế hệ thống Có thể dựa vào bảng tác giả tổng hợp thơng tin từ [3],[5],[9] để lựa chọn kiểu điều khiển thích hợp Bảng Các thông số chế độ điều khiển Kỹ thuật Mô men Nhiễu Ổn định Nguyên bước Dễ Cao Cao Không tốt Nửa bước Dễ Vừa Vừa Vừa phải Vi bước Khó Thấp Thấp Tốt 3.5 Thiết kế mơ tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển vi động cấp xung từ FPGA sang mạch khuyếch đại vào cực A B vi động hình 10 Trong báo thiết kế điều khiển dựa bo mạch Xilinx XC3S700AN FPGA Card hoạt động cao tần số 133MHz, nhiên để điều khiển cho vi động hai pha này, tác giả sử dụng xung tần số 50MHz cho dễ dàng tính tốn tránh tình trạng q tải mạch Mơ hình điều khiển sơ đồ khối điều khiển thể hình 10 hình 11 Trong SCL: Ngõ cấp xung vào; SDA: Ngõ liệu; EX CLK: Ngõ cấp xung ngồi (50MHz); EN: Tín hiệu kích hoạt; DIR: Tín hiệu chạy với xung cấp ngồi; FULL: Chạy theo chế độ nguyên bước nửa bước với xung cấp (bằng hay 0); RST: Khởi tạo lại; Y1: Tín hiệu vào cực A; Y2: Tín hiệu vào cực B Hình 12 Pin V14, V15, W16, V16 cho ngõ SCL, SDA, EX_CLK, EX_EN Tiếp theo phần giới thiệu chức mô-đun kết nối chúng bao gồm mô-đun sau: môđun chia xung (clock divider), mô-đun bước (stepper logic), mô-đun xung đếm bước (stepping clock), mô-đun vi bước (micro stepping), mơ-đun PWM (pulse width modulation) Hình 13 Sơ đồ khối điều khiển Mô-đun chia xung (clock divider): FPGA chạy tần số 50MHz khơng thích hợp cho điều khiển động trực tiếp mô-đun chia xung cung cấp xung sở cho mô-đun khác Giá trị chia lưu trữ ghi sửa đổi qua giao tiếp I2C Bộ chia xung thực tế hoạt động đếm vượt giá trị cần đếm xuất xung cao thấp Nhờ mơ-đun chia xung mà vi động điều chỉnh xung vào pha cách linh hoạt, phù hợp với loại ứng dụng loại động khác cần thiết Các chế độ chia xung khác thể hình 14 Hình 14 Kết mơ mơ-đun chia xung Hình 10 Mơ hình điều khiển Mơ-đun bước (stepper logic): Mơ-đun cung cấp tín hiệu điều khiển (tín hiệu vào pha) cho vi động Tín 46 Võ Như Thành, Đặng Phước Vinh, Ngô Thanh Nghị, Nguyễn Đăng Trình, Đồn Lê Anh hiệu điều khiển vào pha vi động điều khiển động quay thuận hay nghịch theo chế độ nguyên bước nửa bước tùy thuộc vào chế độ hoạt động cần thiết Hình 15 thể tín hiệu vào cho pha động điều khiển Hình 15 Kết mơ mơ-đun bước Hình 17 Tín hiệu vi bước lần từ nguyên bước Mô-đun xung đếm bước (stepping clock): Mô-đun để điều chỉnh tăng giảm tốc độ động với liệu đầu vào từ giao tiếp I2C Các liệu bao gồm tổng số bước, số bước tăng tốc, số bước giảm tốc sở chia xung Tín hiệu đầu mơ-đun xung tín hiệu cung cấp cho mô-đun bước Các giá trị lưu trữ ghi thay đổi qua giao tiếp I2C Khi tăng tốc tốc độ điều xung phải tăng dần tốc độ ban đầu thấp đạt tốc độ ổn định, ngược lại giảm tốc giảm dần tốc độ từ cao chuyển thấp thể Hình 16 Mơ-đun PWM (pulse width modulation): Mơ-đun phần quan trọng điều khiển vi động pha Mô-đun PWM ban đầu làm việc với giá trị cài đặt sẵn ghi, nhiên giá trị thay đổi qua giao tiếp I2C tùy theo chế độ hoạt động động Do đó, điều khiển khả điều khiển cho vi động pha cịn có khả làm việc với nhiều loại động bước có điện áp số pha khác Mô-đun PWM sử dụng để tạo xung mà mơ-đun chia xung khơng thực tín hiệu xung mơ Hình 18 Hình 18 Tín hiệu PWM mơ Các mơ-đun vi bước có hai mô-đun phụ Mô-đun nhận xung từ mô-đun xung đếm bước xung cho biết trạng thái động cần điều chỉnh Sau trạng thái tín hiệu vào cho mơ-đun để điều chỉnh tín hiệu PMW Hình 19 Mơ-đun phụ mơ-đunPWM Hình 16 Kết mơ mơ-đun xung đếm bước Mô-đun vi bước (Micro Stepping): Chế độ vi bước xây dựng dạng mô-đun riêng rẽ kích hoạt qua giao tiếp I2C Tuy nhiên, chế độ vi bước hoạt động với xung cấp ngồi Thay điều khiển vi động cách chia xung với giá trị xác định chế độ nguyên bước chế độ vi bước cập nhật giá trị tín hiệu điều khiển sau xung FPGA Tùy vào vị trí rotor so với stator mà giá trị xung cuộn dây khác Trong trường hợp vi bước chia nhỏ lần từ nguyên bước thể Hình 17 Mặc dù mơ-đun có hạn chế hoạt động tần số PWM cố định 1/8 lần nguyên bước, giúp vi động chạy trơn tru Các thơng số cường độ cuộn A B thể bên phải Hình 17 Giao tiếp I2C sử dụng thí nghiệm dựa bo mạch Xilinx XC3S700AN FPGA Giao tiếp I2C tích hợp điều khiển ENABLE pin set Địa điều khiển động cố định ghi 0x5F-16 bits, liệu lưu trữ ghi điều chỉnh giá trị vi điều khiển máy tính Kết luận Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất thiết kế điều khiển cho vi động từ trở chuyển mạch hai pha dựa vào cơng nghệ FPGA lập trình ngơn ngữ VHDL với kết mơ tín hiệu điều khiển tốt Bộ điều khiển gồm chế độ hoạt động linh hoạt nguyên bước, nửa bước vi bước Bộ điều khiển có khả xuất tín TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 7(80).2014 hiệu trơn tru, điều chỉnh điện vào động qua mơ-đun PWM Tuy cịn số nhược điểm cần điều chỉnh chế độ vi bước tần số PWM số lượng bước chia nhỏ cố định, chia xung chưa linh hoạt khó điều chỉnh, dịng điện cung cấp FPGA tương đối thấp Hướng mở rộng nghiên cứu tối ưu hóa mã lập trình VDHL để điều khiển linh hoạt sử dụng cho loại vi động cơ, động khác Ngoài ra, hoạt động chế độ vi bước điều khiển tự động chia bước thiết lập tần số PWM thích hợp để có kết tối ưu Khả ứng dụng linh hoạt trình xử lý liệu song song cơng nghệ FPGA thích hợp để điều khiển mạch động phức tạp mạng lưới động hoạt động song song với [4] [5] [6] [7] [8] [9] TÀI LIỆU THAM KHẢO [10] [1] Đặng Phước Vinh, Ngô Thanh Nghị, Võ Như Thành, Đoàn Lê Anh,“Thiết kế chế tạo vi động từ trở chuyển mạch hai pha” Tạp chí tự động hóa ngày nay, trang 3-10, chuyên san số 8, tháng 12/2013 [2] C Liu and T Chiang,“On the Magnetic Saturation Analyses of a Micro Linear Switched-Reluctance Motor” IEEE Transactions on Magnetics, Vol 40, No 4, 2004 [3] E Afiei, B Mazloomnezhad, and A Seyadatan,“A Novel Two Phase Configuration for Switched Reluctance Motor with High [11] [12] [13] 47 Starting Torque” Proceedings of International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, pp 1049-1052, 2008 C Liu, Y Chen, and D Pang, “Optimal Design of a Micro Axial Flux Switched-reluctance Motor” IEEE Transactions of Energy Conversion, pp 1130-1134, 2005 T J E Miller, “Switched Reluctance Motor and Their Control” Magna Physics Publishing/Clarendon Press, Oxford, 1993 G CrCciunaD, “Field oriented control of a two phase induction motor” International Symposium on System Theory, XI Edition, Craiova, 2003, pp.28-31 G CrCciunaD,“Two-phase induction machine behavior at transient regime running”, International Symposium on System Theory, XII Edition, Craiova, 2005, pp 333-336 P C Krause, “Analysis of Electric Machinery” IEEE Press, 1995 Douglas W Jones,“Control of Stepping Motors” The University of Iowa, Department of Computer Science Received from http://homepage.cs.uiowa.edu/ jones/step/ Pong P Chu,“FPGA prototyping by VHDL examples Xilinx Spartan TM -3 Version”, John Wiley &Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2008 Xilinx,“Spartan-3A/3AN FPGA Starter Kit Board User Guide”, June 19th,2008 Ngoc Quy Le and Jae Wook Jeon, “An Open-loop Stepper Motor Driver Based on FPGA”, International Conference on Control, Automation and Systems, October 2007 Đặng Phước Vinh, Võ Như Thành, Ngơ Thanh Nghị, Đồn Lê Anh, “Thiết kế chế tạo vi động từ trở tích hợp cảm biến dịng điện Eddy” Hội nghị tồn quốc Điều khiển Tự động hóa, 2013 (BBT nhận bài: 02/04/2014, phản biện xong: 26/05/2014) ... tính Kết luận Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất thiết kế điều khiển cho vi động từ trở chuyển mạch hai pha dựa vào công nghệ FPGA lập trình ngơn ngữ VHDL với kết mơ tín hiệu điều khiển tốt Bộ. .. 3.5 Thiết kế mơ tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển vi động cấp xung từ FPGA sang mạch khuyếch đại vào cực A B vi động hình 10 Trong báo thiết kế điều khiển dựa bo mạch Xilinx XC3S700AN FPGA. .. Hướng mở rộng nghiên cứu tối ưu hóa mã lập trình VDHL để điều khiển linh hoạt sử dụng cho loại vi động cơ, động khác Ngoài ra, hoạt động chế độ vi bước điều khiển tự động chia bước thiết lập tần