Đồ án nghiên cứu hoạt động thiết kế và lắp ráp bộ inverter phục vụ cho các nguồn năng lượng phân tán công suất 1kw

Mục tiêu đồ án Mục tiêu đồ án Đồ án tập trung nghiên cứu hoạt động, thiết kế lắp ráp Inverter phục vụ cho nguồn lượng phân tán với thông số sau: Điện áp đầu vào 24 Vdc Điện áp đầu 220Vac Tần số đầu 50 Hz Công suất 1000 W - 1.4 Cấu hình biến đổi 1.4.1 Cấu hình chung hệ thống Có nhiều biện pháp để thực biến đổi từ nguồn ắc quy sang nguồn 220V xoay chiều biện pháp có hiệu suất chất lượng điện áp cao biến đổi hai giai đoạn hình vẽ: Vbus + 24V DC DC-DC 350-400V DC DC-AC 220V AC ~ Hình 1.3 Sơ đồ khối Inverter Điện áp đầu vào 24V qua điều áp chiều nâng lên 350-400V Điện áp đủ để thực khâu nghịch lưu độc lập nguồn áp Sau ta nghiên cứu hoạt động khâu 1.4.2 Bộ biến đổi băm xung chiều Ngày nay, biến đổi băm xung chiều sử dụng phổ biến hoạt động hàng ngày, với ưu điểm kích thước gọn nhẹ, chất lượng điện áp tốt hiệu suất cao Hình 1.4 Băm xung chiều: a) nguyên lý b) đồ thị [3] Mục tiêu đồ án Mạch băm xung chiều sử dụng linh kiện điện tử công suất điều khiển hồn tồn để tạo điện áp có dạng chiều đầu ý muốn từ điện áp chiều đầu vào với tổn thất thấp nhờ đặc tính giống công tắc linh kiện : điện trở đóng khơng ngắt vơ Nhờ đó, mặt lý thuyết, thất lượng khơng Có thể thấy điện áp đầu mạch băm xung có dạng nhấp nhơ, sử dụng linh kiện có tần số đóng cắt lớn cộng với mạch lọc phù hợp điện áp đầu có dạng đường thẳng mức chấp nhận cho tất ứng dụng a.Phân loại: Có dạng mạch băm xung chính:  Băm xung chiều kiểu nối tiếp (Buck Converter): Buck converter hay gọi step-down converter mạch băm xung chiều nhất, sử dụng công tắc bán dẫn mắc nối tiếp băm xung điện áp vào, đưa vào lọc LC trước tải Diode có nhiệm vụ dẫn dịng liên tục cuộn cảm L Điện áp đầu nhỏ điện áp đầu vào Hình 1.5 Băm xung chiều nối tiếp: a) nguyên lý b) đồ thị [3] Hàm truyền Buck converter: Vout Ton T =D= = on D gọi độ mở van Vin Ton +Toff T Ta thấy điện áp đầu nhỏ đầu vào Tuy nhiên thêm biến áp xung vào mạch, ta mở khả nâng áp cho hệ thống Buck converter tảng để từ thiết kế dạng converter khác có cách ly biến áp phổ biến bao gồm: Mục tiêu đồ án Forward Converter, Push-Pull Converter, Half-Bridge Converter, Full-Bridge Converter Các loại mạch băm xung phân tích kỹ chương sau  Băm xung chiều song song Hình 1.6 Băm xung chiều song song: a) nguyên lý b) đồ thị [3] Boost Converter hay gọi Step-up Converter mạch băm xung chiều đưa điện áp lớn điện áp vào Khóa S mắc song song với điện áp vào Khi S đóng, lượng tích trữ vào cuộn cảm, đồng thời diode D khóa Khi S khóa, D dẫn lượng truyền đến đầu Hàm truyền Boost Converter : Vout = Vin - D Boost Converter khơng có dạng có biến áp cách ly  Băm xung chiều kiểu nối tiếp-song song (Buck- Boost Converter): Mục tiêu đồ án Hình 1.7 Băm xung chiều nối tiếp-song song: a) nguyên lý b) đồ thị [3] Buck-Boost Converter kết hợp khả Boost Converter Buck Converter tạo điện áp lớn bé điện áp vào khoảng cho phép Khi S đóng, dịng điện nạp lượng cho cuộn cảm L, diode D khóa Lúc S khóa, D dẫn dịng từ cuộn cảm tụ C phóng điện Hàm truyền Buck-Boost Converter : Vout D = Vin - D Buck-Boost Converter có dạng có biến áp cách ly Flyback Converter b Các chế độ dòng điện: Như phân tích trên, tất mạch băm xung, xuất mạch lọc LC với nhiệm vụ san điện áp Tác dụng LC hiểu theo nguyên tắc: chúng nạp lượng S đóng giải phóng lượng S ngắt nhằm trì lượng cho tải Trong đó, cuộn cảm L đóng vai trị giữ cho dịng khơng đổi để đầu có dạng chiều Khi cấp nguồn , dịng qua L khơng tăng đột ngột mà tăng dần theo tượng cảm ứng điện từ ngắt khỏi nguồn, dòng giảm dần Trong thực tế, có chế độ dịng xảy cho cuộn cảm: - Chế độ dòng liên tục (CCM-continuous conduction mode): IL tăng từ giá trị Ivalley đến giá trị Ipeak lại giảm xuống Ivalley S khóa Do dịng khơng nên chế độ gọi chế độ dòng liên tục - Chế độ dòng gián đoạn (DCM-discontinuous conduction mode): IL tăng từ đến Ipeak S đóng S khóa, dịng giảm trước S đóng lại chu kỳ - Chế độ biên (BCM-boundary or borderline conduction mode CRMcritical conduction mode) : mạch điều khiển điều chỉnh cho thất IL vừa giảm 0, S đóng để nạp lại cho L, tức lượng L giải phóng hết trước chu kỳ Những tính tốn cụ thể cho thấy việc lựa chọn L ảnh hưởng đến chế độ dịng điện qua Có giá trị Lb để xác định ranh giới hai chế độ CCM DCM 1.4.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Mục tiêu đồ án Ngày nay, công nghệ chế tạo điều khiển vân bán dẫn điều khiển hoàn toàn hoàn chỉnh nhiều nên nghịch lưu nguồn áp người ta sử dụng van điều khiển hoàn toàn IGBT, MOSFET, BJT, GTO Iin Iin C1 Q1 Q1 D1 Iout E E C2 Q2 D2 D1 Q3 Iout Cin Q2 D2 Q4 Hình 1.8 Các sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp phổ biến thực tế bao gồm loại nghịch lưu với nguyên lý hoạt động tương tự nhau: bán cầu nghịch lưu cầu Trong đó, nghịch lưu cầu đơn giản dễ thực Ta xem xét hoạt động nghịch lưu điện áp hình cầu Với phương pháp điều chế thơng thường, van đóng mở theo cặp, cặp Q1 Q4 mở nửa chu kỳ đóng nửa chu kỳ cịn lại, cặp Q2 Q3 hoạt động ngược lại với cặp Q1 Q4 Kết có điện áp dạng xung chữ nhật hình vẽ Hình 1.9 Dạng xung nghịch lưu độc lập nguồn áp pha Nếu tải có tính chất cảm dịng điện khơng thay đổi chiều độ lớn điện áp thay đổi Điều tạo khoảng thời gian mà lượng trả Mục tiêu đồ án tích vào tụ Cin, ứng phần dịng điện âm đồ thị Trên phần này, cặp điốt thay van dẫn dịng Điện áp hình xung chữ nhật phân tích theo phổ Fourier gồm thành phần sóng bậc lẻ 1.3.5… với biên độ 4E/π, 4E/3π, 4E/5π Với phụ tải yêu cầu hình sin, phải thiết kế lọc để lọc sóng hài bậc cao Tuy nhiên lọc có kích thước lớn chưa tối ưu Trên thực tế để cải thiện chất lượng điện áp giảm kích thước lọc, người ta sử dụng phương pháp nghịch lưu khác phương án điều chỉnh điện áp đầu vào, thay đổi độ rộng xung cộng điện áp nhiều nghịch lưu Phương án điều chế dộ rộng xung PWM phương án tối ưu sử dụng rộng rãi 1.4.4.Phương pháp PWM để nâng cao chất lượng điện áp nghịch lưu Phương pháp PWM có ưu điểm vượt trội sau so với phương pháp khác: - Vừa điều chỉnh điện áp, vừa điều chỉnh tần số Điện áp đẩu gần hình sin với kích thước lọc nhỏ Có thể dùng chỉnh lưu không điều khiển đầu vào làm tăng hiệu sơ đồ Nội dung phương pháp biến điệu độ rộng xung so sánh sóng sin chuẩn có tần số tần số mong muốn với điện áp cưa tần số cao, cỡ 2÷10hHz Có dạng đơn giản phương pháp điều chế cực tinh cực tính Theo dạng điện áp cực tính, khoảng điện áp sin chuẩn cao cưa, điện áp tải +E, khoảng lại điện áp tải Với phương pháp hai cực tính, điện áp +E –E Ta thấy rõ đồ thị: Mục tiêu đồ án Hình 1.10 Phương pháp điều chế PWM hai cực tính cực tính Để thực phương pháp điều chế hai cực tính, hai cặp van thực đóng mở ngược chu kỷ sóng sóng mang, khoảng điện áp sin chuẩn cao cưa cặp Q1-Q4 dẫn ngược lại cặp Q2 –Q3 dẫn Để thực phương pháp điều chế cực tính, van cặp dẫn suốt nửa chu kỷ sóng điều chế, van cịn lại thực đóng mở theo so sánh sóng mang sóng sin chuẩn Để đơn giản điều khiển, ta lựa chọn phương án hai cực tính Ta thấy, chu kỳ sóng mang,mạch dẫn điện áp +E khoảng thời gian DTm, với D độ mở van cặp Q1-Q4, Tm chu kỳ sóng mang đồng thời dẫn điện áp –E thời gian (1-D).Tm Giá trị điện áp trung bình chu kỳ sóng mang là: T Utb = m E.D.Tm  E.(1  D).Tm U(t)dt   E(2D-1)  Tm Tm Giá trị biên độ điện áp ứng với giá trị độ mở van lớn Trong chương ta thực tính tốn cụ thể để thiết kế nghịch lưu qua hai giai đoạn Chương phân tích lựa chọn phương án cho DC-DC, sau tính chọn thiết bị mạch lực, thông số điều khiển mô DC-DC Mục tiêu đồ án Chương phân tích tính chọn nghịch lưu độc lập điện áp, mô nghịch lưu hệ thống tổng thể Chương xây dựng mạch thực nghiệm qua bước Chương tìm hiểu phần mềm vi xử lý Cuối cùng, chương kết thực nghiệm Thiết kế mạch lực khâu DC-DC Chương THIẾT KẾ MẠCH LỰC KHÂU DC-DC 2.1.Yêu cầu thiết kế Như phân tích chương 1, để tạo điện áp hình sin chuẩn phương pháp điều chế PWM sau nghịch lưu điện áp đầu vào tối thiểu là: Voutmin = U ACmax 2Dnlmax -1 (2.1) Với UACmax =220√2 biên độ điện áp xoay chiều, Dnlmax độ mở van tối đa nghịch lưu, lựa chọn Dnlmax = 0,95 Rút Udcmin = 346V Trong thiết kế thông thường, điện áp đầu vào nghịch lưu vào khoảng tử 320-400V Như có số liệu yêu cầu thiết kế sau: Bảng 2-1: Số liệu yêu cầu thiết kế điều chỉnh DC-DC Đại lượng Ký hiệu Giá trị Điện áp vào VDC 24V Điện áp vào cao VDC max 28V Điện áp vào thấp VDC 20V Điện áp Vout 350V Công suất đầu PO 1000W 2.2.Phân tích lựa chọn phương án DC-DC Từ yêu cầu thiết kế băm xung chiều ta thấy băm xung tăng áp với hệ số tăng áp lớn: Vout/Vin = 14,6 Cộng với công suất lớn đẩu nên ta lựa chọn phương án băm xung có biến áp để đảm bảo cách ly đầu vào đầu cung cấp hệ số nâng áp thích hợp giảm gánh nặng điều chỉnh độ mở van D Như vậy, cần xem xét phương án sau: - Flyback Converter Forward Converter Push-Pull Converter Half-Bridge Converter Full-Bridge Converter Thiết kế mạch lực khâu DC-DC 2.2.1.Flyback Converter Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý Flyback Converter đường cong từ hóa [4] Flyback converter phát triển từ Buck-Boost Converter, với thành phẩn cuộn cảm tích lũy lượng thay cuộn sơ cấp máy biến áp Máy biến áp đấu ngược đầu hình vẽ Điốt D nối vào sau cuộn thứ cấp để dẫn dịng chiều Hình 2.2 Đồ thị dòng áp cuộn sơ cấp thứ cấp biến áp [4] Khi khóa Q1 thơng thời gian ton, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp máy biến áp Cuộn cảm mạch khơng cho dịng tăng đột ngột mà tăng dần theo tỉ lệ dI/dt = 10 Xây dựng phần mềm vi điều khiển Hình 4.10.Sơ đồ mạch ổn áp dùng LM2576 Mạch tạo nguồn 5V ta dùng vi mạch thông dụng LM7805H, đầu vào lấy nguồn 12V từ đầu LM2576.Dịng 7805 lên đến 1A, đủ đáp ứng yêu cầu mạch 4.1.5 Khối RS232 Ta sử dụng giao tiếp chuẩn RS232 để truyền thơng tin máy tính Mạch giao tiếp dùng vi mạch Max232 thơng dụng hình vẽ: P1 RX_A 13 TX_A 14 TX_A RX_A C18 GND DB9 FEMALE C19 GND R1IN R2IN R1OUT R2OUT T1OUT T2OUT C1+ C1C2+ C2V+ V- T1IN T2IN VCC GND 12 U1ARX 11 10 U1ATX 16 15 VCC2 C22 104 GND MAX232 VCC2 C21 GND C20 GND GND Hình 4.11.Mạch giao tiếp dùng Max232 4.2 Thực mạch: Chúng ta tách riêng hai mạch lực để việc thí nghiệm chỉnh định dễ dàng hơn: - Mạch DC-DC có đủ khối có vi điều khiển Mạch nghịch lưu bao gồm phần mạch lực, mạch phản hồi dòng, phản hồi áp xoay chiều driver Các tín hiệu phản hồi điều khiển nguồn nuôi lấy từ mạch băm xung 39 Xây dựng phần mềm vi điều khiển Chương XÂY DỰNG PHẦN MỀM TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN 5.1.Giới thiệu vi điều khiển dsPIC 30F2020 Từ sơ đồ chức chương trước ta thấy mạch điều khiển phải thực chức sau : - Đo lường tín hiệu điện áp chiều tạo tín hiệu phản hồi điện áp cho mạch vịng điều khiển điện áp Đo dòng điện chiều cho khâu giới hạn dòng Đo điện áp xoay chiều để hiển thị số liệu lên máy tính Thực mạch vịng điều khiển điện áp chiều theo thuật tốn PID Phát xung PWM chế độ push-pull với tần số 100kHz theo thuật toán PID để ổn định điện áp chiều đầu Phát xung PWM tần số 10kHz tựa theo điện áp hình Sin cho khâu nghịch lưu Giao tiếp với máy tính thơng qua giao tiếp UART truyền tín hiệu điện áp xoay chiều lên máy tính để hiển thị Để thực đầy đủ nhiệm vụ đó, đặc biệt khâu PWM, cần có vi điều khiển đủ mạnh Ở ta lựa chọn vi điều khiển dsPIC 30F2020, vi xử lý chuyên dụng cho ứng dụng mạch nguồn với ưu điểm bật PWM: - Có chế độ phát xung lệch pha phù hợp với nguồn băm xung Tần số băm xung tối đa lên tới 1MHz dù nguồn dao động thạch anh không cao Độ phân giải PWM lớn Các PWM phát xung với tần số độc lập Hình 5.1.DsPIC 30F2020 [11] 40 Xây dựng phần mềm vi điều khiển Vi điều khiển dsPIC30F2020 vi điều khiển 16 bit sử dụng tập lệnh tối thiểu (RISC – Reduce instruction set computer) theo kiến trúc Harvard mở rộng Vi điều khiển dsPIC30F2020 hoạt động với tốc độ 30 MIPS (milion instructions per second) với tần số dao động từ 6Mhz đến 15Mhz, ngồi cịn tích hợp tạo dao động khối nhân tần (PLL) với chế độ 32x nên hoạt động với tần số xung nhịp nhỏ dsPIC30F2020 hoạt động xử lý với tốc độ cao Vi điều khiển dsPIC30F2020 sử dụng tập lệnh 24 bit với độ dài địa 16 bit Tốc độ thực lệnh thông thường 1word chu kỳ máy Ngoài ra, để tăng tốc độ xử lý, dsPIC30F2020 cịn tích hợp khối DSP với khả thực lệnh liên quan đến với tốc độ chu kỳ máy/1 lệnh Bộ nhớ chương trình vi điều khiển có dung lượng 12 kbytes Ta phân tích khối chình vi điều khiển phục vụ cho mạch: 5.1.1.Khối CPU Vi điều khiển có mảng ghi làm việc gồm 16 ghi 16 bit ghi chứa liệu, địa ghi tham chiếu Riêng ghi W15 dsPIC30F2020 sử dụng trỏ stack cho trình ngắt lời gọi hàm Bộ nhớ liệu 64 Kbyte chia làm khối đặt tên vùng liệu X Y, khối có tạo địa riêng (AGU – address generation unit) Hầu hết lệnh thông thường thực khối liệu X Tập lệnh dsPIC30F chia làm lớp lệnh: lớp lệnh MCU lớp lệnh DSP kết hợp vào cấu trúc thực khối thực thi chương trình MCU giúp thực lệnh khơng tốn hạng, lệnh so sánh, với chế độ định địa trực tiếp nhớ, trực tiếp ghi gián tiếp ghi Mỗi lệnh kết hợp với nhóm chế độ định địa có sẵn phụ thuộc vào yêu cầu chức lệnh Các lệnh dsPIC30F2020 có khả đọc nhớ liệu đọc ghi làm việc, ghi nhớ liệu đọc nhớ chương trình chu kì lệnh thực lệnh gồm tốn hạng (như lệnh C = A + B) chu kì lệnh Khối DSP có đặc điểm tốc độ cao có nhân 17x17 bít, ALU 40 bit, cộng 40 bit ghi dịch 40 bit chiều Bộ ghi dịch 40 bit có khả dịch 15 bit bên phải 16 bit bên trái chu kì lệnh 41 Xây dựng phần mềm vi điều khiển Lõi CPU vi điều khiển dsPIC30F2020 hỗ trợ đến 62 vector ngắt dành cho 54 ngắt (interrupt) bẫy (trap) 5.1.2 Khối Power Supply PWM Như tên gọi nó, khối PWM 30F2020 thiết kế chuyên biệt cho ứng dụng biến đổi công suất.Khối PS PWM sử dụng cho ứng dụng mà có yêu cầu sau : - Độ phân giải cao tần số PWM cao - Tạo xung chuẩn cho biến đổi Push-Pull half bridge - Tạo xung PWM với tần số khác độc lập Đặc điểm khối phát xung PS PWM tích hợp dsPIC30F2020 sau: - - Khối PS PWM có kênh phát xung với chân Có thể có đến kênh phát tần số độc lập Độ phân giải lớn xung PWM tần số cao : Có thể đạt tới 1.1 ns tốc độ 30MIPS Hỗ trợ nhiều chế độ xung : Như chế độ xung PWM chuẩn, chế độ PWM bù, chế độ Push-pull, chế độ nhiều pha (multi phase) chế độ tần số khác kênh độc lập Mỗi kênh PWM kích hoạt biến đổi ADC Có thể cập nhập giá trị độ rộng xung tức thời kết thúc xung PWM Để cấu hình cho khối PWM ta thực thao tác ghi sau: - - - Thanh ghi PTCON để bật tắt khối PWM cấu hình kiện đặc biệt Thanh ghi PTPER dùng để xác định chu kỳ xung chung cho kênh PWM Hoặc PHASEx chế độ tần số độc lập cho kênh PWMx Tùy theo cấu hình bit ITB ghi PWMCONx mà PTER hay PHASEx chọn để tạo tần số xung Thanh ghi PDCx xác định độ rộng xung cho kênh Hoặc MDC để xác định độ xung cho kênh Tùy thuộc vào cấu hình bit MDCS ghi PWMCONx mà PDCx hay MDC chọn để tạo độ rộng xung Các ghi PWMCONx dùng để cấu hình khối PWM riêng biệt Thanh ghi IOCONx sử đụng để điều khiển chân PWM tương ứng Thanh ghi DTRx ALTDTRx tạo khoảng thời gian chết cho kênh tương ứng Tần số xung PWM tính theo cơng thức sau : PWM Switching Frequency = 42 ReferenceClock  PLL  PTER, PHASEx (5.1) Xây dựng phần mềm vi điều khiển Trong PLL = 32 Do ta thấy tạo xung PWM có tần số cao tích hợp nhân tần 32x Trong nội dung đề tài để thực chức nêu trên, khối phát xung PS PWM phải thực nhiệm vụ sau : Kênh PWM1 tạo xung PWM chế độ Push-pull với tần số 100 kHz Đồng thời tạo kiện kích hoạt biến đổi đồng với ADC Kênh PWM2 tạo xung PWM chế độ bù với tần số 10 kHz, kết thúc xung tạo ngắt để cập nhập giá trị độ rộng xung theo bảng giá tri Sin tính tốn Chi tiết chế độ PWM sử dụng đồ án :  Chế độ xung PWM bù Hình 5.2 Dạng xung PWM chế độ xung bù Chế độ xung PWM bù có tín hiệu tín hiệu PWMxL bổ xung cho tín hiệu sơ cấp PWMxH Chế độ ứng dụng rộng rãi biến đổi Buck đồng bộ.Ở ta sử dụng để phát xung cho nghịch lưu Một khoảng thời gian trễ tạo để tránh tượng trùng dẫn Để kích hoạt chế độ xung bù cần đặt bit PMOD = (00)b ghi IOCONx  Chế độ Push-Pull PWM : 43 Xây dựng phần mềm vi điều khiển Hình 5.3 Dạng xung chế độ Push-Pull PWM Chế độ Pussh-Pull PWM có tín hiệu ra, tín hiệu có độ rộng xung thay đổi luân phiên nửa chu kỳ Đây tính ưu việt dòng dsPIC30F SMPS mà vi điều khiển khác khơng có khó để tạo dạng xung Push-Pull chuẩn Để kích hoạt chế độ xung Push-Pull ta cần đặt bit PMOD = (10)b ghi IOCONx Điểm cần ý lập trình chu kỳ xung định nghĩa nửa chu kỳ tính tốn chương trước  Chế độ phát xung có tần số độc lập Hình 5.4 Dạng xung PWM chế độ kênh có tần số khác 44 Xây dựng phần mềm vi điều khiển Dòng vi điều khiển dsPIC30F SMPS sử dụng cho biến đổi khác mà yêu cầu tần số xung PWM khác Như đồ án này, vi điều khiển cần phải tạo đồng thời xung PWM có tần số khác 100kHz 10kHz Để đặt xung PWM chế độ tần số riêng ta cần đặt bit ITB=1 ghi PWMCONx Khi tần số xung PWM tạo ghi PHASEx 5.1.3.Bộ biến đổi tương tự số ADC Vi điều khiển dsPIC 30F2020 hỗ trợ chuyển đổi ADC độ phân giải 10 bit Với tốc độ lấy mẫu cao, đạt đến 2Msps (2 triệu mẫu giây) Đặc điểm ADC 10 bit tích hợp dsPIC30F2020 : - Có 12 đầu vào tương tự Có kênh sample hold Có khả lấy mẫu đồng thời đầu vào Có chế độ tự động quét đầu vào Có thể có đến 16 lựa chọn nguồn khởi động chuyển đổi : PWM , timer1, timer2… Cấu hình số lần chuyển đổi trước ngắt xảy Điện áp chuẩn điện áp chân AVDD AVSS Khối ADC có đệm gồm 12 ghi 16 bit từ ADCBUF0 đến ADCBUF11 dùng để lưu trữ kết chuyển đổi Tổng thời gian chuyển đổi ADC 12 chu kỳ TAD, ADC yêu cầu 2TAD để trích mẫu 10 TAD để chuyển đổi Thời gian chuyển đổi lựa chọn cách lựa chọn bit ADCS ghi ADCON Một chu kỳ AD : TAD  10 FR eferenceClock *16 Nếu hoạt động tần số cao thì: FReferenceClock = 15 MHz Theo cơng thức ta có TAD= 41,6 nsec Như tổng thời gian chuyển đổi ADC TTotal= 12 * TAD= 0,5  s (tức Msps) Lựa chọn chân vào Analog : Lựa chọn đầu vào tương tự sử dụng cách set bit TRIS tương ứng với chân lên mức sử dụng ghi ADPCFG để cấu hình bit tương ứng để cấu hình chân chế độ đầu vào analog 45 Xây dựng phần mềm vi điều khiển Để giảm thiểu thời gian trễ, đồng với biến đổi ADC cập nhật giá trị độ rộng xung PWM liên tục khối PS PWM có thêm chức khởi động biến đổi ADC Mỗi kênh phát xung PWM tạo kiện kích hoạt riêng Để xác định thời điểm kích hoạt biến đổi ADC ta định nghĩa giá trị ghi TRIGx Thời điểm kích hoạt thời điểm ghi đếm xung PTMR (hoặc ITMRx chế độ phát tần số độc lập) với giá trị TRIGx đặt Đồng thời PWM cho phép số lần biến đổi ADC kiện kích hoạt 1,2,…,8 lần cách đặt bit TRGDIV ghi TRGCONx 5.1.4 Khối truyền thông UART Vi điều khiển dsPIC30F2020 hỗ trợ truyền thông nối tiếp không đồng sử dụng cổng UART Việc sử dụng cổng UART cho phép vi điều khiển giao tiếp với thiết bị khác có giao thức ghép nối với cổng COM máy tính sau thực biến đổi tín hiệu vật lý nhờ IC MAX232 nối mạng thiết bị nhờ IC MAX485 Bộ điều khiển truyền thơng UART dsPIC30F2020 có đặc điểm vi điều khiển khác Việc điều khiển cổng UART thực thơng qua ghi sau: - UxMODE: cấu hình chế độ cổng UART UxSTAT: ghi trạng thái cổng UART UxTXREG: ghi điều khiển truyền - UxRXREG: ghi điều khiển nhận UxBRG: Thanh ghi chọn chế độ baud rate 5.2.Thực chương trình vi điều khiển 5.2.1 Mô tả chức điều khiển Từ sơ đồ khối hệ thống phân tích phần ta thấy vi điều khiển dsPIC30F2020 làm nhiệm vụ đo lường điều khiển cho hệ thống Về mặt điều khiển, vi điều khiển nhận tín hiệu phản hồi điện áp chiều, thực PID nhằm phát xung điều khiển van Push-Pull Tín hiệu điều khiển nghịch lưu đưa dựa tính tốn bảng sin Tín hiệu phản hồi dịng để thực thiện khầu giới hạn dịng Tín hiệu điện áp xoay chiều để giám sát để phục vụ cho điều khiển sau.Các khâu ADC PWM 46 Xây dựng phần mềm vi điều khiển Về mặt giao tiếp ngoại vi, vi điều khiển hoạt động có tín hiệu Start từ nút bấm Vi xử lý truyền tín hiệu điện áp dịng phản hồi qua khâu UART Để thực nhiệm vụ này, chương trình sử dụng trình ngắt khối ngoại vi sau: Bảng 5.1: Các ngắt ngoại vi Ngắt Điều kiện gọi ngắt Nhiệm vụ trình phục vụ ngắt Ngắt ngồi INT0 Nút ấn Start nhấn Thay đổi trạng thái biến Khoidong =1 Ngắt PWM1 Sau xung PWM1 Kích hoạt chuyển đổi ADC0, ADC1 (Sau 80  s) Ngắt PWM2 Sau xung PWM2 Tăng biến đếm bảng Sin lên (Sau 0.1 ms ) Thay đổi độ rộng xung PWM2 theo giá trị bảng Sin Ngắt ADC Ngắt Timer1 Bộ ADC hoàn thành Lưu giá trị điện áp thực chuyển đổi Lưu giá trị dòng điện thực (Tức chu kỳ trích mẫu Tiến hành tính tốn PID 80  s) Thay đổi độ rộng xung PWM1 Ngưỡng tràn 0.01s Truyền liệu điện áp lên máy tính Tăng biến đếm ngắt lên Trong trình thực ngắt xảy ra, trỏ chương trình chuyển sang thực chương trình ngắt tương ứng Để tránh ngắt chồng trình thực cần tiến hành cài đặt ngắt mức độ ưu tiên khác Để tránh xung áp van khởi động, ta thực khởi động mềm số: sau ấn Start thực tăng điện áp đặt theo 10 cấp, cấp cách khoảng giây Để thực đế thời gian giây, ta sử dụng biến đếm ngắt Timer1 Với lần ngắt 0,01 giây, biến đếm tăng lên 400 giá trị ta thay đổi lượng đặt cấp Đến biến đếm đạt 4000 giá trị đặt điện áp lớn 5.2.2.Cấu hình khối cho vi điều khiển 47 Xây dựng phần mềm vi điều khiển  Cấu hình khối phát xung PWM o Kênh PWM1 phát xung PWM chế độ Push-Pull PWM với tần số 100kHz Có độ rộng xung thay đổi theo luật điều khiển PID cho phép kích hoạt khởi động chuyển đổi ADC0 ADC1 o Kênh PWM2 phát xung chế độ bù với tần số 10kHz Bộ PWM2 cho phép ngắt kiện sau xung để thay đổi độ rộng xung theo giá trị bảng Sin  Cấu hình biến đổi ADC: o Sử dụng kênh AN0,AN1,AN2 để phục vụ cho việc đo tín hiệu phản hồi o Định dạng liệu 16 bit không dấu o Nguồn kích hoạt PWM1 o Cho phép sử dụng ngắt ADC o Trong chương trình ngắt ADC thực mạch vòng điều khiển điện áp  Bộ định thời Timer1 o Thực tạo ngắt sau 0,01s o Trong chương trình ngắt truyền liệu lên máy tính  Khối giao tiếp truyền thơng UART o Tốc độ Baudrate 38400 o Sử dụng bit stop, no priaty check 5.2.3.Lưu đồ State Machine miêu tả hoạt động vi điều khiển Ta có lưu đồ trạng thái hoạt động phần mềm điều khiển: 48 Xây dựng phần mềm vi điều khiển Hình 5.5.Giản đồ State Machine mô tả hoạt động vi điều khiển 49 Xây dựng phần mềm vi điều khiển 5.2.4.Cài đặt điều khiển PID số Luật PID miền thời gian liên tục mô tả sau: t  de(t )  U (t )  K e(t )   e( )d  TD  Ti dt   Với : Kp : Hệ số tỷ lệ (Hệ số khuyếch đại) Ti : Hằng số thời gian tích phân TD : Hằng số thời gian vi phân Để tiến hành cài đặt thuật toán điều khiển PID vào vi điều khiển số, ta phải thực bước xấp xỉ điều khiển PID sang miền gián đoạn Để thực xấp xỉ, ta xấp xỉ phép tính tích phân cơng thức hình chữ nhật, xấp xỉ thành phần vi phân theo bậc 1.Cơng thức tính giá trị đầu điều khiển PID miền gián đoạn sau:   T T U ( k )  U ( k  1)  Kp   ek  ek 1   s ek 1  d  ek  2.ek 1  ek    Ti Ts   Trong đề tài, sử dụng điều khiển PI nên đó, biểu thức tính giá trị điều khiển theo công thức truy hồi sau:   T U ( k )  U ( k  1)  Kp   ek  ek 1   s ek 1  Ti   Trong ta có chu kỳ trích mẫu chọn : Ts = 8* TPWM= 80 (us) Các tham số Kp , Ti kết dựa việc tính tốn tham số mạch vịng chương Sau dựa kết mơ tiến hành hiệu chỉnh tham số Rồi cài điều khiển PID vi điều khiển dsPIC tham số thực nghiệm sau: Kp=80; Ki=62,702.103 = Kp ; Ti Kd = ; Cài đặt tham số điều khiển PID số PID nằm file Main.c : kCoeffs[0] = Kp; kCoeffs[1] = Q15(Kp* Ts ); Ti kCoeffs[2] = Kd = ; Hàm tính tốn giá trị đầu PID thực ngắt ADC 50 Xây dựng phần mềm vi điều khiển 5.2.5.Điều chế điện áp hình Sin Trong phần nghịch lưu độc lập điện áp pha ta biết để nâng cao chất lượng điện áp đầu phần nghịch lưu ta sử dụng phương pháp điều chế hình Sin (SPWM) Trong trình điều chế người ta có phương pháp : - Phương pháp điều chế cực tính Phương pháp điều chế cực tính Cách thực phương pháp nêu phần Nghịch lưu độc lập điện áp chương Ta có dạng phổ sóng hài điều chế cực tính tốt điều chế hai cực tính Tuy nhiên việc lập trình tạo xung cực tính u cầu thuật tốn lập trình phức tạp cần phải có kênh phát xung PWM khác nửa chu kỳ Nên ta lựa chọn phương pháp điều chế SPWM cực tính để thuận tiện cho việc lập trình Để thực thuật tốn SPWM hai cực tính ta tiến hành xây dựng bảng Sin chứa giá trị độ rộng xung thay đổi theo luật hình Sin : Các số liệu biết : Điện áp chiều đầu vào nghịch lưu E=350 (V) Điện áp hiệu dụng xoay chiều : Uhd = 220 (V) Tần số điện áp xoay chiều fu= 50 Hz Tần số xung PWM2 fPWM = 10 kHz Thanh ghi PHASE2 = 51200 Điện áp xoay chiều hình Sin có dạng: U(t) = Uhd Sin(2  t ) T (V) Xung PWM theo thiết kế có tần số 10 kHz hay TPWM= 104 (s) Theo u cầu đầu ta có f=50 Hz T= 20 (ms) = 200 TPWM Do độ dài bảng Sin n = 200 Giả sử thời điểm ti = i*TPWM xung PWM thứ i có độ rộng xung Di Ta có điện áp trung bình thời điểm Ti : UTBi= (2 * Di -1) E (V) Phương pháp điều chế SPWM cực tính có đặc điểm giá trị trung bình điện áp xung PWM giá trị tức thời điện áp hình Sin cần điều chế Nên: UTBi= (2 * Di -1) E= Uhd Sin(2  51 i ) n (V) Xây dựng phần mềm vi điều khiển  Di  2.U hd i Sin(2. )  2.E n Mặt khác giá trị độ rộng xung xác định giá trị ghi PDC2 vi điều khiển : D = sau : Thay số : PDC Thay vào biểu thức ta có cơng thức tính giá trị PDC2 PHASE2 PDC 2i  2.U hd i PHASE2 PHASE2.Sin (2. )  2.E n PDC 2i  22757.Sin(2. i )  25600 200 Thay i =1÷200 ta có giá trị bảng sin Giá trị độ rộng xung xung PWM2 thay đổi theo bảng Sin sau lần ngắt xung PWM2 Sau lần kết thúc bảng Sin có độ dài 200 giá trị lại đọc lại từ đầu 52 Phụ lục 53