Cựng với sự phỏt triển của cụng nghệ bỏn dẫn, cỏc bộ điều khiển vi xử lý tốc độ tớnh toỏn cao là sự ra đời của cỏc thiết bị biến tần càng làm cho động cơ khụng đụng bộ ba pha đỏp ứng đượ
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ : KHÔNG ĐỒNG BỘ BA
Giới thiệu chung
1.1.1 Cấu tạo Động cơ không đồng bộ ba được cấu tạo gồm hai phần :
Phần tĩnh: gồm vỏ máy, lõi sắt và dây quấn stator
Vỏ máy thường được chế tạo từ gang, trong khi máy có công suất lớn hơn 1000kW thường sử dụng thép tấm hàn để tạo thành vỏ Vỏ máy không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc cho máy mà còn giúp tản nhiệt hiệu quả, đồng thời không được thiết kế để dẫn từ.
• Dây quấn: được đặt vào các rãnh của lõi sắt và cách điện tốt với lõi sắt Dây quấn stator gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ điện
• Phần quay: gồm lõi sắt, dây quấn rotor và trục
• Trục: làm bằng thép, dùng để đỡ lõi sắt rotor Trên trục còn có các chi tiết như quạt làm mát, ổ đỡ…
Lõi sắt của động cơ bao gồm các lá thép kỹ thuật điện tương tự như phần stator, được ép chặt lên trục Bên cạnh đó, lõi sắt còn được thiết kế với các rãnh để lắp đặt dây quấn, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Here is a rewritten paragraph that contains the important sentences and complies with SEO rules:"Loại rotor kiểu dây quấn là một cấu trúc quan trọng trong động cơ điện, bao gồm dây quấn 3 pha giống như ở stator và thường được nối sao Ba đầu ra của dây quấn rotor được nối với ba vành trượt bằng đồng, cố định trên trục rotor và được cách điện với trục Nhờ có ba chổi than tỳ vào ba vành trượt, dây quấn rotor được nối với ba biến trở bên ngoài, cho phép mở máy hay điều chỉnh tốc độ một cách hiệu quả."
Rotor kiểu lồng sóc là một cấu trúc trong đó mỗi rãnh của lõi sắt được lắp đặt thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm, kết nối ngắn mạch ở hai đầu bằng hai vòng đồng hoặc nhôm Thiết kế này tạo thành một cái lồng, được gọi là lồng sóc, mà không cần cách điện giữa dây quấn rotor và lõi sắt.
Khi cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stator, xuất hiện từ trường quay trong hở stator quay đều với tốc độ n1 p f
Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor, tạo ra sức điện động Khi dây quấn rotor được nối ngắn mạch, sức điện động này sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn Lực tác dụng giữa từ trường quay và thanh dẫn mang dòng điện làm rotor quay theo chiều của từ trường với tốc độ n.
Động cơ không đồng bộ ba pha có đặc trưng là tốc độ đầu trục động cơ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay Mối quan hệ này được thể hiện qua hệ số trượt.
Trong đó n1: Tốc độ từ trường quay ( vòng/phút ) n : Tốc độ đầu trục ( vòng/phút ) p: số đôi cực
1.1.3 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ Đặc tính cơ thể hiện mối quan hệ giữa mômen và tốc độ của động cơ n=f(M) Phương trình đặc tính cơ:
+ ω (1 1)- f1: tần số các đại lượng stator s : hệ số trượt p : số đôi cực động cơ
U1 : điện áp pha cung cấp động cơ
R 2: điện trở pha dây quấn rotor qui đổi về stator
X 2 : điện kháng tản rotor ứng với tần số stator đã được qui đổi về stator
Hình 1.2 Đặc tính cơ động cơ ĐCKĐB
• ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ:
- ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stator
- ảnh hưởng điện trở mạch rotor
- ảnh hưởng của suy giảm điện áp lưới cấp cho động cơ
- ảnh hưởng của thay đổi tần số lưới cấp cho động cơ
Mô hình vectơ không gian của động cơ không đồng bộ ba pha được xây dựng nhằm hỗ trợ phát triển các thuật toán điều khiển Để thiết lập các phương trình động học, cần xem xét cấu trúc phân bố cuộn dây phức tạp và sự móc vòng từ thông giữa các mạch từ Do đó, việc đưa ra một số giả thiết là cần thiết trước khi tiến hành xây dựng các phương trình động học.
1 Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian
2 Bỏ qua các tổn hao sắt từ và bão hoà từ
3 Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ
4 Các giá trị điện cảm, điện trở là bất biến theo theo thời gian và như nhau trên các pha
Hệ phương trình động học điện
Phương trình điện áp trên ba cuộn dây stator
+ dt t t d i R t u dt t d t i R t u dt t t d i R t u sc sc s sc b sb s sb sa sa s sa
Rs điện trở cuộn dây pha stator Ψsa , Ψsb , Ψsc từ thông stator của các cuộn dây pha a, b, c
Phương trình điện áp trên ba cuộn dây roto:
+ dt t t d i R dt t t d i R dt t t d i R rc rc s rb rb r ra ra r
Rr điện trở cuộn dây pha rotor Ψra , Ψrb , Ψrc từ thông rotor của các cuộn dây pha a, b, c
Sử dụng phép biến đổi Park để khảo sát các đại lượng điện từ trong hệ tọa độ hai pha cố định DQ (hệ tọa độ αβ) Phương trình điện áp của stator và rotor trong động cơ không đồng bộ ba pha được xác định bằng các biến đổi này.
( , s s , s s s s i u ψ vectơ điện áp pha, dòng điện, từ thông móc vòng stator
( , r s , r s s r i u ψ vectơ điện áp pha, dòng điện, từ thông móc vòng stator
Phương trình quan hệ từ thông stator và rotor :
L m hỗ cảm giữa stator và rotor
Lσs điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
Lσr điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor
Ls= Lσs+Lm điện cảm stator
Lr= Lσr+Lm điện cảm rotor
Các chỉ số (s) biểu thị các đại lượng đang được khảo sát trong hệ tọa độ cố định D-Q Theo quy ước, tất cả các phương trình sẽ được khảo sát trong hệ tọa độ này, do đó chúng ta sẽ bỏ qua các chỉ số (s) Từ (1.8b), ta có thể thu được kết quả cần thiết.
Tới đây ta định nghĩa thêm:
Ts = Ls / Rs hằng số thời gian stator
Tr = Lr / Rr hằng số thời gian rotor σ = 1- Lm 2/ (LsLr) hệ số tiêu tán tổng
Hệ phương trình động học điện trong động cơ không đồng bộ:
Phương trình chuyển động dt d p m J m M T ω
J : momen quán tính cơ ω : tốc độ góc rotor
Hệ truyền động động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha
Here is the rewritten paragraph:Động cơ không đồng bộ ba pha được ứng dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm nổi bật như kết cấu đơn giản, vận hành dễ dàng và phù hợp với lưới điện sẵn Với sự phát triển của kỹ thuật điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý và kỹ thuật điều khiển tốc độ, động cơ không đồng bộ đã được ứng dụng cho các hệ truyền động chất lượng cao, có yêu cầu khắt khe về tốc độ và momen, dần thay thế cho các hệ truyền động động cơ một chiều Một số phương pháp điều chỉnh tốc độ được ứng dụng thực tế, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các hệ thống truyền động hiện đại.
• Phương pháp điều khiển điện áp phần ứng : Khi điện áp lưới suy giảm, momen tới hạn giảm bình phương lần độ suy giảm của điện áp
• Phương pháp điều khiển điện trở rotor : thay đổi điện trở rotor không làm giảm momen cực đại mà chỉ làm thay đổi độ trượt s
Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn điện xoay chiều ngày càng được ưa chuộng nhờ vào hiệu suất năng lượng cao và khả năng điều chỉnh linh hoạt Việc điều chỉnh tần số và điện áp nguồn cấp cho phép cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống truyền động, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Các phương pháp điều khiển đơn giản như điều khiển điện áp phần ứng và điều khiển điện trở roto thường gặp nhiều hạn chế về độ chính xác và hiệu suất, trong khi hệ truyền động biến tần bán dẫn sử dụng thiết bị bán dẫn như IGBT và MOSFET giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển Cấu trúc của hệ thống bao gồm bộ điều khiển DsPIC, DSP và các linh kiện điện tử công suất, cho phép thiết lập tần số và điện áp mong muốn, từ đó nâng cao chất lượng điện áp một chiều trong các ứng dụng công nghiệp.
Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp
Điều khiển tần số nguồn cấp là một phương pháp hiện đại giúp đạt được hiệu suất cao và điều khiển mượt mà, phù hợp với các hệ truyền động yêu cầu khắt khe Sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc làm tăng tính đơn giản cho hệ thống Cấu trúc điều khiển bao gồm mạch vòng hở và mạch vòng kín có phản hồi về tốc độ và dòng điện Các hệ truyền động vòng kín được thiết kế để nâng cao độ ổn định và khả năng phản ứng khi tải thay đổi, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu chất lượng.
1.3.1 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp
Biểu thức tốc độ quay động cơ không đồng bộ ba pha :
= 2π 1 1 ϖ w: tốc độ quay của động cơ s: hệ số trượt. f1: tần số nguồn điện cấp cho động cơ p: số đôi cực động cơ.
Thay đổi tần số điện áp nguồn cấp f1 ảnh hưởng đến tốc độ từ trường quay trong cuộn dây stator, dẫn đến sự thay đổi tốc độ đầu trục động cơ Hệ điều khiển được mô tả như một đối tượng điều khiển, trong đó tín hiệu đầu vào chủ đạo là tốc độ đặt, còn tín hiệu đầu ra bao gồm các tham số giá trị thực như tốc độ, mômen động cơ và vị trí.
Kết hợp với kỹ thuật điều chế vectơ không gian, tần số nguồn cấp của động cơ được điều chỉnh theo nhiều luật khác nhau :
Điều khiển theo nguyên tắc giữ từ thông stator không đổi là phương pháp giữ nguyên tỉ số điện áp và dòng điện với tần số lưới điện cung cấp cho động cơ Kết quả là momen định mức của động cơ không thay đổi nhờ vào việc duy trì từ thông stator Phương pháp này còn được biết đến với tên gọi điều khiển vô hướng.
Giữ từ thông roto không đổi (FOC) là phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha, chuyển đổi về mô hình điều khiển động cơ một chiều bằng cách tách biệt hai thành phần: thành phần từ thông roto và thành phần momen Phương pháp này mang lại chất lượng cao nhưng đòi hỏi mô hình tính toán phức tạp.
Điều khiển trực tiếp mô-men xoắn được thực hiện bằng cách so sánh từ thông và mô-men động cơ giữa giá trị đặt và giá trị thực, được tính toán gián tiếp qua dòng điện và điện áp động cơ Mô-men động cơ được điều chỉnh trực tiếp thông qua việc áp đặt các vectơ điện áp hợp lý đã được chỉ định trước Phương pháp này có ưu điểm là tốc độ đáp ứng nhanh và mô hình tính toán đơn giản, tuy nhiên, chất lượng của phương pháp phụ thuộc nhiều vào kết quả tính toán giá trị từ thông stator.
Cả ba phương pháp điều khiển đều được ứng dụng rộng rãi trong thực tế Để làm rõ kỹ thuật điều chế vectơ trong bộ biến tần nguồn áp, luận văn tập trung vào phương pháp điều khiển vô hướng với điện áp/tần số giữ không đổi Phương pháp này đơn giản, phổ biến và đủ để giải thích nguyên lý điều chế PWM vectơ không gian.
1.3.2 Phương pháp điều khiển vô hướng Điều khiển vô hướng là phương pháp điều khiển song song tần số và điện áp động cơ Luật điều khiển luôn giữ tỷ số điện áp và tần số nguồn cung cấp (U/f) không đổi Kết quả cho phép giữ nguyên khả năng quá tải momen trong suốt dải điều chỉnh Tuỳ thuộc vào đối tượng vào đối tượng điều khiển, quan hệ U/f có thể khác nhau Nguyên tắc điều khiển chung được biểu diễn theo công thức :
Trong đó: x: Hệ số phụ thuộc vào đặc tính tải
Khi thay đổi tần số và điện áp, trở kháng và từ thông của động cơ sẽ bị thay đổi Để duy trì mối quan hệ U/f = const, biện pháp điều khiển này giúp đảm bảo các chỉ tiêu điều chỉnh mà không gây ra hiện tượng quá dòng cho động cơ Để hiểu rõ hơn về phương pháp này, cần phân tích mối quan hệ điện từ dưới góc độ khả năng sinh mô men của động cơ Từ thông trong cuộn dây stator được mô tả bằng công thức: Φ(t) = Φmaxsin(ϖst), với ws = 2πfs là tốc độ góc của từ trường quay.
Sức điện động sinh ra do một vòng dây stator: t dt e s dΦ =ϖ s Φ max cosϖ s
= (1.17) Trị số hiệu dụng sức điện động stator :
N1: số vòng dây nối tiếp một pha
Kw: hệ số dây quấn
Quan sát biểu thức (1.18) rút ra nhận xét : s s m f
Để đạt hiệu quả tối ưu cho động cơ, cần duy trì từ thông khe hở ở mức định sẵn, với khả năng sinh mô men lớn nhất Điều này đòi hỏi phải giữ tỷ số Es/fs không đổi Khi sụt áp trên trở kháng tản từ nhỏ, có thể coi Es = Us, dẫn đến việc điều chỉnh theo tỷ số U/f = const Phương pháp này, gọi là điều khiển tần số theo luật U/f = const, đảm bảo từ thông khe hở luôn ổn định bằng cách duy trì tỷ số U/f theo tiêu chuẩn đã định Thuật toán điều khiển này dựa vào mối quan hệ giữa điện áp và tần số, do đó còn được gọi là phương pháp điều khiển vô hướng (Scalar) Các hệ thống biến tần - động cơ hoạt động theo nguyên tắc U/f = const có cấu trúc đặc trưng.
Hình1.3: Sơ đồ khối luật điều khiển U/f =const
Theo (1.20) momen động cơ tỉ lệ thuận với tỉ số U/f trong một giới hạn cho phép :
K X ϖ ϖ ϖ ϖ ϖ (1.20c) ws=2πfs tần số góc của điện áp nguồn cung cấp wsl=2πfsl tần số góc của điện áp rotor s hệ số trượt
Nguồn lưu cấp IM ω s * + PWM
Xs=Xσs +Xm điện kháng tổng stator ứng với tần số nguồn cung cấp
Xr ‘=Xσr +Xm điện kháng tổng rotor ứng với tần số nguồn cung cấp
Chất lượng phương pháp điều khiển được làm rõ hơn theo đặc tính cơ thực nghiệm:
Hình 1.4 Đặc tính cơ phương pháp điều khiển U/f =const
Chất lượng momen sinh ra của động cơ phụ thuộc vào tần số điện áp cung cấp, với momen tới hạn gần như không đổi ở tần số cao Khi tần số giảm, momen tới hạn giảm nhanh, đặc biệt ở vùng tần số thấp, do điện áp chủ yếu rơi trên điện trở stator, dẫn đến momen động cơ sụt giảm mạnh Để cải thiện chất lượng điều khiển, tỉ số điện áp – tần số thường được điều chỉnh ở vùng tần số thấp nhằm giữ cho từ thông ổn định Việc bù điện áp stator ở tần số thấp giúp duy trì từ thông không đổi và giảm ảnh hưởng của điện áp rơi trên điện trở stator.
Hình 1.5 Quan hệ điện áp – tần số có bù thành phần rơi trên điện trở
Sau khi thực hiện bù điện áp, phương pháp điều khiển đã cải thiện chất lượng mô-men xoắn nhờ vào việc bù điện áp rơi trên điện trở stato Kết quả cho thấy chất lượng mô-men đạt được khá cao và theo lý thuyết, có thể duy trì mô-men cực đại ở mọi vùng tần số.
Hình 1.6 Đặc tính cơ điều khiển vô hướng giữ từ thông khe hở không đổi
Động cơ không đồng bộ ba pha nổi bật với kết cấu đơn giản và khả năng kết hợp hiệu quả với các bộ biến tần biến dẫn, dẫn đến việc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng.
Kỹ thuật điều khiển tần số nguồn cấp từ đơn giản đến phức tạp cho thấy khả năng đáp ứng tốt cho các hệ truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác Đồng thời, nó cũng giúp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.
Phương pháp điều khiển vô hướng 10Hz được sử dụng phổ biến trong thực tế nhằm bù điện áp ở vùng tần số thấp, giúp duy trì momen điện từ ổn định Tín hiệu tần số và biên độ điện áp được tính toán dựa trên tốc độ mong đợi, nhằm điều khiển bộ biến tần bán dẫn cung cấp dòng năng lượng cho động cơ với các đặc tính tương ứng Kết quả mang lại là tốc độ động cơ được điều chỉnh một cách mượt mà, với các đường đặc tính cơ cứng vững hơn so với đặc tính cơ tự nhiên.
TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ –
Hệ biến tần bán dẫn
Biến tần bán dẫn là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ tần số lưới điện thành dòng điện xoay chiều với tần số mong muốn Có hai loại biến tần chính.
Biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều mà không cần thông qua khâu trung gian một chiều Tần số điện áp đầu vào có giới hạn f2 < f (với f là tần số điện áp lưới cấp đầu vào) Bộ biến tần trực tiếp có cấu trúc phức tạp, và tần số điện áp đầu ra phụ thuộc vào tần số điện áp đầu vào Thông thường, các bộ biến tần trực tiếp được sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn nhờ hiệu suất sử dụng cao.
Cấu trúc hệ biến tần gián tiếp bao gồm ba khâu chính: chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu Điện áp tần số f được chuyển đổi sang tần số f2 thông qua khâu trung gian một chiều, do đó gọi là biến tần gián tiếp Điện áp xoay chiều công nghiệp f được chỉnh lưu thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu có hoặc không có điều khiển, trong đó chỉnh lưu không điều khiển là phổ biến Điện áp một chiều sau đó được san phẳng bằng tụ điện hoặc cuộn kháng Bộ nghịch lưu thực hiện điện áp tần số f2 ở đầu ra thông qua các luật điều khiển đóng cắt Sự phát triển của thiết bị bán dẫn chất lượng cao và kỹ thuật xử lý tín hiệu mới đã thúc đẩy việc ứng dụng các bộ biến tần gián tiếp, bao gồm biến tần nguồn áp và biến tần nguồn dòng tùy thuộc vào tính chất dòng năng lượng sau chỉnh lưu Hệ biến tần nguồn dòng thường được sử dụng trong phạm vi công suất lớn, trong khi biến tần nguồn áp phổ biến hơn trong các ứng dụng có công suất nhỏ và vừa.
Cấu trúc bộ biến tần nguồn áp :
Hình 2.1 Cấu trúc bộ biến tần nguồn áp
Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM
Dòng năng lượng từ bộ biến tần đến động cơ được điều khiển thông qua các van bán dẫn, cho phép đóng cắt nhanh theo quy luật hợp lý Điều này tạo ra điện áp với các thành phần điều hòa bậc cao, giảm thiểu lượng điện cung cấp cho động cơ Phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM là một trong những phương pháp quan trọng, thường được sử dụng trong các cấu trúc điều khiển yêu cầu chất lượng cao nhờ vào những đặc tính cơ bản tốt.
• Phạm vi điều khiển tuyến tính rộng
• Điện áp và dòng điện ra chứa ít các thành phần điều hoà bậc cao
• Cho phép làm việc ở vùng tần số thấp
• Phạm vi điều chỉnh rộng, có thể hoạt động ở chế độ quá điều chế
• Mạch động lực có cấu tạo đơn giản
Các phương pháp điều chế PWM phổ biến :
• Điều chế sin PWM (SPWM)
• Điều chế vector không gian PWM
Kỹ thuật điều chế sóng mang xung (SPWM) được áp dụng phổ biến trong các ứng dụng biến tần công nghiệp Nguyên lý của điều chế SPWM cho điện áp ba pha được minh họa qua hình vẽ.
Hình 2.2 Nguyên tắc điều chế độ rộng xung SPWM ba pha
Tín hiệu xung răng cưa (sóng mang) có tần số fs được so sánh với ba tín hiệu điều chế điện áp ba pha sin v, a0v, b0v, có tần số c0f Thời điểm giao cắt của các tín hiệu điều chế sin và xung răng cưa tạo ra các tín hiệu logic SA và Sb.
Sc điều khiển sự đóng cắt các van bán dẫn a tín hiệu điều chế sin có cùng B biên độ, tần số lệch pha nhau 120 0
Kết quả cho hệ thống điện áp ba pha đầu ra gần giống tín hiệu điện áp hình sin:
Hình 2.3 Dạng sóng điện áp pha - điện áp dây điều chế theo phương pháp SPWM
Bằng cách điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu điều chế, có thể tạo ra điện áp với tần số cơ bản tương tự như tín hiệu điều chế, và biên độ tỉ lệ với biên độ tín hiệu cung cấp cho động cơ Khi tần số đóng cắt (f s) tăng, tần số đóng cắt của các thiết bị bán dẫn cũng tăng, dẫn đến tổn hao đóng cắt gia tăng, trong khi điện áp ra sẽ có ít thành phần sóng điều hòa bậc cao hơn và tổn hao đồng giảm Do đó, việc lựa chọn tần số f s phải được cân nhắc kỹ lưỡng, nhằm đạt được sự cân bằng giữa tổn hao đóng cắt trong bộ biến tần và tổn hao đồng trong động cơ, đồng thời tuân thủ giới hạn tần số cho phép của các linh kiện bán dẫn Phương pháp phân tích chuỗi Fourier có thể được sử dụng để biểu diễn điện áp đầu ra Van.
Van = 0,5mVdsin (ϖt + ϕ) + thành phần bậc cao ( Mϖ c ± Nϖ) (2.1) Trong đó :
- ϖ: tần số điện áp cơ bản ( tần số điện áp điều biến)
Hệ số điều biến điện áp được định nghĩa :
Vp : biên độ đỉnh điện áp điều chế
VT : Biên độ đỉnh tín hiệu sóng mang
Hình 2.4 Dạng sóng điện áp điều chế theo phương pháp SPWM khi m>1
Hệ số điều biến thường dao động từ 0 đến 1, tạo ra mối quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu điều chế và điện áp đầu ra Khi m=1, biên độ đỉnh của điện áp đầu ra đạt 0,5Vd, đánh dấu giới hạn điều chế Nếu m vượt quá 1, mối quan hệ tuyến tính giữa biên độ điện áp đầu ra và biên độ tín hiệu điều chế sẽ không còn, dẫn đến sự xuất hiện của các thành phần sóng điều hoà bậc 5 và bậc 7 Khi m quá lớn, phương pháp điều khiển PWM sẽ chuyển sang phương pháp điều chế xung điện áp, cho phép biên độ điện áp đầu ra đạt tới π.
2.2.2 Điều chế vectơ không gian PWM
Khảo sát sơ đồ nghịch lưu áp ba pha theo hình (2.5), điện áp trên tải là hệ thống ba pha đối xứng :
Hình 2.5 Nghịch lưu áp ba pha và đồ thị xung
Hệ thống điện áp ba pha bởi vectơ U n ứng với mỗi 1/6 chu kỳ điện áp ra ( n = 0, 1, 2, 3, 4, 5) Vectơ điện áp U n có biên độ U V dc
= 2 Xét trong khoảng t0 ÷ t1 có ba van dẫn là 1, 2, 4, nếu chiếu vectơ U1 lên các trục a,b, c thì: U a V dc
Trong một chu kỳ điện áp ra có 6 lần chuyển mạch tương ứng với sáu vectơ điện áp U1, U2, U3, U4, U5, U6 mô tả điện áp ba pha đối xứng:
Hình2.6 Vector chuẩn và phân chia sector
Vị trí và giá trị các vectơ này xác định :
• Giá trị điện áp tức thời trong các pha
• Luật đóng mở các van
Do đó, các vectơ này gọi là các vectơ chuyển mạch
• Vectơ U1 ứng với tổ hợp van 1, 6, 2 dẫn điện.
• Vectơ U2 ứng với tổ hợp van 1, 5, 2 dẫn điện.
• Vectơ U3 ứng với tổ hợp van 4, 3, 2 dẫn điện.
• Vectơ U4 ứng với tổ hợp van 4, 3, 5 dẫn điện.
• Vectơ U5 ứng với tổ hợp van 4, 6, 5 dẫn điện.
• Vectơ U6 ứng với tổ hợp van 1, 6, 5 dẫn điện.
Ngoài 6 vectơ điện áp còn hai trạng thái vectơ cho điện áp đầu ra bằng 0 :
• Vectơ U7 ứng với tổ hợp van 1, 3, 5 dẫn điện.
• Vectơ U2 ứng với tổ hợp van 2, 4, 6 dẫn điện.
Sáu vectơ điện áp chia không gian thành 6 phần bằng nhau, được gọi là các sector từ 1 đến 6 Khi đóng mở 2 trong số 6 vectơ tích cực và 2 vectơ điện áp không chuyển với tần số fs, sẽ tạo ra các vectơ trung gian dịch chuyển trong mặt phẳng pha với góc quay bằng f/fs.
360 0 α = Có thể phân tích vectơ điện áp U * nằm trong sector 1 thành hai vectơ thành phần U * = U 1 ' + U ' 2 theo hình vẽ :
Hình 2.7 Phân tích vectơ điện áp chuyển mạch theo các vectơ không gian
Vec tơ U * được xác định dựa vào hai vectơ cơ bản U1 và U2 Nếu chia chu kỳ Ts ra những khoảng thời gian sao cho Ts = t1+ t2 + t0
Với : t0 : thời gian mà nghịch lưu điện áp ra bằng không t1 : thời gian làm việc của vectơ điện áp U1 ’ t2 : thời gian làm việc của vectơ điện áp U2 ’
Vector U* tại bất kỳ vị trí nào trong không gian vectơ có thể được phân tích thành tổng hai vectơ thành phần Các vectơ này tỷ lệ với vectơ điện áp chuẩn nằm trên biên các sector, theo thời gian duy trì đóng cắt tại vị trí sector cụ thể.
Vectơ chuyển mạch U* quay trong mặt phẳng phụ tải tương tự như vectơ không gian Us, và giá trị cùng vị trí của nó quyết định điện áp ra, dạng điện áp ra và thành phần sóng hài cơ bản của điện áp nghịch lưu U* quay với góc quay gián đoạn, khác với phương pháp điều khiển PWM thông thường.
Trong hệ thống ba pha, việc sử dụng điều chế xung riêng cho từng pha là rất quan trọng Vectơ U* là vectơ tổng quát, được tính toán đồng thời cho cả ba pha, dựa trên sáu vectơ cơ bản Điều này đảm bảo rằng các xung điều khiển đưa vào mạch lưu là hệ thống ba pha đối xứng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.
Vectơ điện áp có biên độ không đổi Vs có thể được sử dụng để biểu diễn hệ điện áp ba pha hình sin điều hoà Khi chiếu vectơ điện áp lên ba trục trong mặt phẳng phụ tải, ta thu được giá trị điện áp của từng pha Tạo một vectơ điện áp tương đương quay tròn trong không gian vectơ điện áp sẽ cho ra hệ điện áp ba pha ở đầu ra Vectơ điện áp quay tròn giúp loại bỏ sóng hài bậc cao, làm cho biên độ áp ra trở nên tuyến tính Phương pháp điều chế vectơ không gian cho phép bộ nghịch lưu tạo ra điện áp ba pha gần giống với dạng sin, với thành phần sóng hài thấp và biên độ điện áp ra tuyến tính Thành phần điện áp cơ bản có tần số bằng tần số góc quay của vectơ điện áp U*, và biên độ điện áp tỷ lệ với biên độ vectơ điện áp U*.
Hình 2.8 Luật điều khiển SV PWM
Giả sử vectơ U* nằm trong sectơ 1, với góc lệch pha α giữa vectơ U* và vectơ U1 như thể hiện trong hình vẽ 2.7 Giá trị t1 và t2 được xác định dựa trên góc lệch α và biên độ điện áp U*.
Để tối ưu hóa quá trình cắt, các đ van bán dẫn cần được điều chỉnh theo yêu cầu nhằm giảm thiểu số lần đóng cắt trong một chu kỳ, từ đó giảm thiểu tổn thất nhiệt trong quá trình cắt Đối với khu vực sector 1, các vectơ được đóng cắt theo quy luật cụ thể.
Tương tự, các trạng thái đóng ắt các vectơ trong các c sectơ khác:
Hình 2.9 Giản đồ phân phối xung điều khiển vectơ điện áp
2.2.3 So sánh phương pháp PWM thông thường và PWM điều chế vectơ không gian
Phương pháp điều chế vectơ PWM truyền thống yêu cầu cấu trúc phần cứng phức tạp với ba bộ điều chế điện áp cho ba pha riêng biệt, dẫn đến chất lượng điện áp ra kém do chứa nhiều sóng hài bậc cao Ngược lại, điều chế vectơ không gian chỉ cần một tín hiệu điện áp chủ đạo, giúp đơn giản hóa cấu trúc hệ thống và nâng cao độ tin cậy Phương pháp này không chỉ vận hành an toàn mà còn cho phép sử dụng điện áp cao đạt tỷ số m = 0,907, vượt trội hơn so với phương pháp PWM với m = 0,7855.
Xây dựng cấu trúc hệ biến tần động cơ –
Hệ biến tần được lựa chọn cho động cơ là hệ biến tần nguồn áp với cấu trúc gián tiếp, cho phép thay đổi điện áp đầu ra Hệ này hoạt động hiệu quả trong phạm vi tần số từ 0 đến 50 Hz và sử dụng phương pháp điều khiển vòng hở.
Hệ biến tần - động cơ có cấu trúc :
Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc hệ biến tần nguồn áp – động cơ
Hệ biến tần được chia thành hai phần chính: mạch động lực và mạch điều khiển Mạch điều khiển sử dụng phương pháp điều chế vectơ không gian PWM với luật U/f = hằng số, trong đó hệ điều khiển là hệ điều khiển số Điện áp có tần số f được biểu diễn bằng vectơ điện áp Vs quay trong không gian vectơ trong khoảng thời gian Ts = 1/f Phương pháp điều khiển vectơ không gian tính toán vị trí vectơ Vs trong chu kỳ thời gian Tpwm, dẫn đến góc quay của vectơ Vs không liên tục mà bị gián đoạn, phụ thuộc vào thời gian tính, số lượng điểm mẫu và tần số điện áp đầu ra Sự thay đổi nhỏ trong vị trí vectơ Vs được ký hiệu là Δφ.
U * trong không gian vectơ đưa về xác định vị trí Δφs
Bộ biến tần bán dẫn là thiết bị chuyển đổi điện áp U1, f1 thành điện áp U2, f2 theo yêu cầu điều khiển tốc độ Phổ biến nhất là bộ biến tần gián tiếp, bao gồm hai phần chính: chỉnh lưu và nghịch lưu Các van bán dẫn trong phần nghịch lưu được điều khiển bằng các kỹ thuật điều chế khác nhau, nổi bật là kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) Kỹ thuật này giúp tạo ra điện áp chất lượng cao, giảm thiểu các thành phần sóng hài bậc cao, và tín hiệu điện áp gần giống với sóng hình sin cơ bản, đồng thời cho phép điều chỉnh tuyến tính rộng Hai phương pháp chính trong điều chế PWM là so sánh tín hiệu điện áp cơ bản với sóng mang và điều chế vectơ không gian PWM, với ưu điểm sử dụng điện áp cao và hệ thống điều khiển đơn giản Bộ biến tần gián tiếp được thiết kế để thực hiện kỹ thuật điều chế vectơ không gian PWM, tạo ra nguồn điện áp theo quy luật U/f không đổi.
THIẾT KẾ TÍNH CHỌN CÁC VAN ĐỘNG LỰC CHO BỘ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP
Yêu cầu chung
Bộ biến tần gián tiếp cung cấp điện áp cho động cơ từ 0 đến 380 V (3 pha) với tần số biến thiên từ 0 đến 50 Hz Hệ thống điều khiển sử dụng luật U/f không đổi vòng hở và công nghệ điều chế vectơ không gian PWM.
Sơ đồ mạch lực bộ biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha được giới thiệu trong hình vẽ 3.1:
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lực bộ biến tần nguồn áp
Sơ đồ mạch động lực gồm :
Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi điện áp xoay chiều 380V từ nguồn điện thành điện áp một chiều thông qua mạch cầu ba pha Mạch chỉnh lưu cầu ba pha giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo nguồn điện ổn định cho các ứng dụng điện tử.
• Tụ C có vai trò đảm bảo ổn đình nguồn áp một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tiếp nhận năng lượng phản kháng từ động cơ
• Bộ nghịch lưu thực hiện đóng mở các van theo luật điều chế cấp điện áp xoay chiều cho động cơ, sử dụng linh kiện IGBT
• Mạch hãm tiếp nhận năng lượng hãm từ động cơ để tăng hiệu quả quá trình hãm cũng như tránh hiện tượng quá áp khi thực hiện hãm
3 1.2 Tính chọn các van cho bộ biến tần:
Khi thực hiện luật điều khiển PWM, dòng điện qua van động lực iT và dòng điện qua các diode iD là các xung có độ rộng khác nhau
Tính chọn van nghịch lưu IGBT:
Mạch nghịch lưu bao gồm sáu IGBT (T1 đến T6) có chức năng đóng cắt theo quy luật điều khiển, nhằm cung cấp điện áp xoay chiều ba pha cho động cơ Giá trị dòng trung bình qua van nghịch lưu trong một chu kỳ điện áp ra được xác định như sau.
Rút gọn biểu thức ta được:
Công thức có sai số 6%, dòng điện trung bình qua van sé lớn nhất ứng với tần số thấp nhất:
Chọn giá trị μ = 0.8, dòng điện cực đại qua các IGBT trong phần nghịch x ( ) ( ) A
Chọn hệ số dự trữ dòng ki = 1,3 Giá trị dòng điện tính toán cho van:
Qui chuẩn chọn IGBT SKW30N60 cho mạch nghịch lưu:
IC max Vce Pdmax Vcesat
Tính chọn diode cho mạch nghịch lưu:
Sáu diode D7 đến D12 phối hợp cùng các van IGBT để dẫn dòng điện xoay chiều cho động cơ Dòng trung bình qua các diode được xác định bằng công thức cụ thể.
Giá trị dòng điện cực đại qua diode:
Các diode được chọn đảm bảo chịu được dòng điện cực đại chạy qua
Chọn diode có hệ số dự dòng ki = 1.5, dòng điện tính toán cho diode có độ lớn:
Tính chọn các van cho bộ chỉnh lưu:
Bộ chỉnh lưu cầu ba pha gồm sáu diode D1÷ D6 biến đổi điện áp xoay chiều từ lưới thành điện áp một chiều Điện áp ngược lớn nhất trên van:
Chọn hệ số quá áp ku = 1,5 Điện áp chọn lựa diode chỉnh lưu:
Tính chọn điện trở hãm:
Khi có lệnh hãm, các van IGBT đóng lại, cho phép năng lượng từ động cơ được trả về lưới Động cơ chuyển từ chế độ làm việc của động cơ sang chế độ máy phát, với dòng điện qua các diode quay trở lại thành dòng điện một chiều qua van T Điện trở R sẽ tiêu tán năng lượng trong các cuộn dây, giúp giảm nhanh quá trình hãm Độ lớn của điện trở hãm được tính theo công thức: max d d h I.
Với Ud là điện áp một chiều sau chỉnh lưu:
Idmax là giá trị dòng một chiều sau chỉnh lưu trong trường hợp dòng tải bằng giá trị dòng làm việc
Thay trở lại ta tính được :
Sơ đồ mạch lực
Mạch điều khiển biến tần nguồn áp xoay chiều ba pha thực hiện chức năng điều khiển mạch nghịch lưu theo mô hình mạch lực đã được chọn Phương pháp điều chế vectơ không gian và luật điều chỉnh vô hướng u/f = constant được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất Nguyên lý chung trong việc điều khiển tốc độ động cơ là duy trì sự ổn định và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Tốc độ động cơ f * được điều chỉnh theo điện áp điều khiển từ 0 đến 10V, tương ứng với tần số làm việc từ 0 đến 50 Hz Qui luật điện áp U/f đã được xác định trước, cung cấp giá trị điện áp xoay chiều đầu ra dựa trên quá trình tính toán thời gian điều khiển đóng mở các vectơ điện áp cơ sở Ba tín hiệu xung được sử dụng qua mạch cách ly để điều khiển việc đóng mở 6 van IGBT trên mạch lực.
Trung tâm của mạch điều khiển là hệ vi xử lý Chọn lựa vi xử lý DsPIC
Vi điều khiển 16 bit đảm bảo trạng thái làm việc của mạch lực, đáp ứng yêu cầu hệ truyền động với các tính năng tích hợp như chuyển đổi tín hiệu ADC, phát xung PWM và điều chỉnh deadband để đảm bảo an toàn Ngoài ra, mạch điều khiển còn bao gồm các thành phần phụ như mạch nguồn, mạch đo lường điện áp một chiều, mạch cách ly và mạch đệm.
4 1 Khái quát chungbộ điều khiển tín hiệu số dsPIC30F4011
Vi điều khiển số dsPIC30F4011 là sự kết hợp hoàn hảo giữa vi điều khiển 16 bit và bộ điều khiển tín hiệu số của Microchip, mang lại tốc độ xử lý cao cùng với các ngoại vi phong phú Thiết kế này giúp giảm thiểu tối đa các mạch điện tử hỗ trợ bên ngoài, tạo ra những ưu điểm vượt trội cho ứng dụng trong các hệ thống nhúng.
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Khái quát chung bộ điều khiển tín hiệu số dsPIC30F4011
Vi điều khiển số dsPIC30F4011 là sự kết hợp hoàn hảo giữa vi điều khiển 16 bit và bộ điều khiển tín hiệu số của Microchip, mang lại tốc độ xử lý cao và tích hợp đầy đủ các ngoại vi Nhờ đó, thiết bị này giảm thiểu tối đa các mạch điện tử hỗ trợ bên ngoài Với những ưu điểm vượt trội và giá thành hợp lý, dsPIC30F4011 là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển trong công nghiệp và những nhiệm vụ yêu cầu khối lượng tính toán lớn.
Hình 4.1 : Sơ đồ chân dsPIC30F4011
Cấu trúc thiết bị : Được chia thành 3 nhóm:
Lõi CPU : Có đầy đủ các đặc điểm cần thiết để thiết bị vận hành được Các phần liên quan tới lõi CPU bao gồm :
- Bộ xử lí trung tâm CPU
- Bộ máy xử lí tín hiệu số DSP
Hệ thống tích hợp: Chức năng hệ thống tích hợp giúp:
- Giảm giá thành hệ thống
- Tăng tính linh hoạt của thiết kế
Các phần có trong hệ thống tích hợp của chíp dsPIC30F4011 :
- Mạch tìm điện áp thấp
- Watchdog timer và chế độ bảo vệ nguồn
- Bộ lập trình bộ nhớ Flash và Eeprom
- Cấu hình thiết bị Đặc điểm của ngoại vi :
1) Cổng vào ra ( IO Port ) :
Chân vào ra có thể đưa ra dòng 25mA, nên có thể điều khiển trực tiếp LED
Có 5 timer 16 bit với 3 kiểu, Có kiểu timer A có khả năng hoạt động ở chế độ không đồng bộ ở tần số thấp 32KHz cho chức năng như đồng hộ thời gian thực Có thể kết hợp 2 timer kiểu B,C để tạo ra bộ đếm/định thời 32 bit
3) Modul Input capture/Output compare/PWM
Modul giao tiếp encoder có 3 chân tín hiệu, nhưng cũng có thể hoạt động với 2 chân mà không cần xung index Thiết bị này thực chất là một bộ đếm, giúp đếm số xung trả về của encoder trong một khoảng thời gian mẫu, từ đó xác định vị trí, tốc độ động cơ và có thể tính toán gia tốc nếu cần Bên trong modul được trang bị bộ lọc nhiễu đầu vào và chế độ nhân xung x2 hoặc x4 để tăng độ phân giải.
Bộ chuyển đổi tương tự sang số 10 bit với 4 bộ lấy mẫu có tốc độ chuyển đổi lên tới 1Msps Sử dụng chip dsPIC30F4011, thiết bị này cung cấp 9 đầu vào tương tự Đặc biệt, quá trình chuyển đổi vẫn diễn ra ngay cả khi chip ở chế độ ngủ hoặc IDLE.
6) Uart ( Universal asynchronous receiver transmitter ) với bộ đệm FIFO
9) Modul điều khiển động cơ MCPWM:
Bài viết này đề cập đến khả năng điều khiển động cơ 3 pha không đồng bộ, đồng bộ và đặc biệt là động cơ BLDC, cùng với khả năng điều khiển nhiều động cơ 1 chiều đồng thời Thiết bị được trang bị 6 đầu ra PWM với các chế độ bù hoặc độc lập, center aligned hoặc edge aligned, và tích hợp bộ tạo dead time bên trong.
Chuẩn CAN mang lại nhiều lợi ích như tốc độ truyền dữ liệu cao, khả năng đánh địa chỉ nút mạng, và khối lượng dữ liệu lớn lên đến 8 byte trên mỗi khung truyền Nó cũng có khả năng chống nhiễu tốt, phục hồi và sửa lỗi trong quá trình truyền thông, rất phù hợp cho các ứng dụng trao đổi dữ liệu trong ngành công nghiệp.
Chi tiết các ngoại vi của họ dsPIC30F 4011
CPU của dsPIC30F4011 sử dụng cấu trúc Harvard 16 bits và có tập lệnh nâng cao, hỗ trợ mạnh mẽ cho bộ DSP trong các phép toán CPU này có từ lệnh dài 24 bit với trường opcode có độ dài thay đổi Bộ đếm chương trình PC cũng dài 24 bit, cho phép định nghĩa không gian bộ nhớ chương trình lên đến 4Mx24bit.
dsPIC30F4011 có hai tập lệnh riêng biệt: một dành cho CPU và một dành cho DSP Hai tập lệnh này được tích hợp vào cấu trúc chung và thực hiện từ một khối thực thi chương trình duy nhất.
CPU hỗ trợ các lệnh không phải toán học và lệnh so sánh thông qua các chế độ định địa chỉ như trực tiếp bộ nhớ, trực tiếp thanh ghi và gián tiếp thanh ghi Mỗi lệnh được kết hợp với các chế độ định địa chỉ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu chức năng Tối đa có 6 chế độ định địa chỉ có thể hỗ trợ cho mỗi lệnh.
Trong hầu hết các lệnh của dsPIC30F4011, khả năng đọc bộ nhớ dữ liệu, đọc thanh ghi làm việc, ghi bộ nhớ dữ liệu và đọc bộ nhớ chương trình chỉ diễn ra trong một chu kỳ lệnh Điều này cho phép thực hiện lệnh với 3 toán hạng một cách hiệu quả.
A + B = C, có thể được thực hiện trong 1 chu kì lệnh duy nhất
Bộ máy DSP của dsPIC30F4011 nổi bật với tốc độ cao, bao gồm bộ nhân 17x17 bit, ALU 40 bit, hai bộ cộng 40 bit và một bộ ghi dịch 40 bit hai chiều Bộ ghi dịch này có khả năng dịch 15 bit sang bên phải hoặc 16 bit sang bên trái chỉ trong một chu kỳ lệnh dsPIC30F4011 cũng tích hợp sơ đồ vector ngắt với 8 nguồn non-maskable traps và 54 nguồn ngắt khác nhau, mỗi nguồn có thể được gán với 7 mức độ ưu tiên khác nhau, tạo nên sự linh hoạt và hiệu quả trong xử lý.
- Có cấu trúc harvard nâng cao
- Cấu trúc tập lệnh tối ưu cho trình biên dịch C, t ng thích với các chế ươ độ định địa chỉ
- Từ lệnh dài 24 bit , đường dẫn dữ liệu rộng 16 bit
- Có 48Kbyte bộ nhớ chương trình flash ( 16K từ lệnh )
- Tốc độ tối đa được 30 MIPS ( Triệu phép tính trên giây )
- 30 Nguồn ngắt với 7 mức ưu tiên.
IO Port (Cổng vào ra ) :
Tất cả các chân thiết bị (ngoại trừ VDD, VSS, MCLR và OSC1|CLK) được dùng chung giữa các ngoại vi và chức năng vào ra chung
Cổng vào ra đa mục đích của dsPIC30F4011 cho phép giám sát và điều khiển thiết bị bên ngoài Hầu hết các chân vào ra được dồn kênh với các chức năng khác nhau, phụ thuộc vào đặc điểm ngoại vi của từng thiết bị Khi một ngoại vi được sử dụng, chân tương ứng sẽ không còn khả năng hoạt động như chân vào ra đa mục đích.
Các thanh ghi điều khiển cho các cổng vào ra:
Tất cả các cổng đều có 3 thanh ghi điều khiển trực tiếp với sự vận hành của cổng
TRIS : Thanh ghi điều khiển chiều dữ liệu
PORT : Thanh ghi cổng vào ra.
LAT : Thanh ghi chốt dữ liệu
Mỗi chân vào ra của thiết bị có bit điều khiển riêng trong các thanh ghi trên Change Notification (CN ):
Chân CN trên vi xử lý dsPIC30F4011 cho phép tạo ra yêu cầu ngắt khi có sự thay đổi trạng thái trên các chân đầu vào được chọn Thiết bị này hỗ trợ tối đa 24 chân vào có thể được cấu hình để kích hoạt ngắt, và số lượng chân CN cụ thể sẽ tùy thuộc vào từng phiên bản của dsPIC30F4011.
Các ngắt chân CN tương tự như ngắt ngoài, nhưng khác ở chỗ tất cả yêu cầu ngắt từ các chân CN được gom lại thành một vector ngắt duy nhất Để xác định yêu cầu ngắt đến từ chân nào, cần phải đọc trạng thái của các chân vào để phân tích.
Timer/Counter ( Bộ đếm/bộ định thời ) :
Tùy thuộc vào từng thiết bị dsPIC30F4011 khác nhau cung cấp một vài Timer 16 bit Những timer này: timer1, timer2, timer3…
Mỗi modul timer là một bộ đếm/bộ định thời 16 bit bao gồm những thanh ghi sau:
- TMR: thanh ghi đếm bộ định thời
- PR: thanh ghi chu kì
- TCON: thanh ghi điều khiển
Mỗi modul timer cũng có các bit cho việc điều khiển ngắt
- TIE : Bit cho phép ngắt
- FTI : Bit trạng thái cờ ngắt
- TIP : Bit điều khiển ưu tiên ngăt
Các timer 16 bit được phân thành 3 kiểu tùy theo chức năng của nó: Kiểu
A, Kiểu B, Kiểu C Một số timer có thể kết hợp với nhau để hình thành timer
32 bit Các Timer/Counter ngoài chức năng đếm và định thời thông thường thì tùy theo kiểu nó còn các ch c năng riêng khác:ứ
Có ít nhất một timer kiểu A trên hầu hết các dsPIC30F4011, thường thì timer1 là timer kiểu A Một timer kiểu A có những đặc điểm riêng như sau:
• Có thể vận hành từ nguồn dao động 32k công suất thấp
• Có thể trong chế độ không đồng bộ từ nguồn Clock bên ngoài
• Nhờ những đặc điểm riêng của timer kiểu A cho phép nó đuợc sử dụng cho ứng dụng đồng hồ thời gian thực
Timer 2 và timer 4, nếu có thì là timer kiểu B trên hầu hết các thiết bị dsPIC30F4011 Một timer kiểu B có những đặc điểm riêng sau:
• Có thể kết hợp với timer kiểu C để hình thành nên bộ định thời 32 bit
• Clock đồng bộ cho timer kiểu B được tạo ra sau logic chia tỉ lệ
Timer 3 và timer 5 là timer kiểu C trên hầu hết các thiết bị dsPIC30F4011 Timer kiểu C có những đặc điểm riêng sau:
• Có thể kết hợp với timer kiểu B để hình thành timer 32 bit
• Trên một thiết bị có ít nhất một timer kiểu C có khả năng khởi động quá trình chuyển đổi A/D
Module điều khiển động cơ PWM (MCPWM):
MCPWM module đã tối ưu hóa quá trình tạo PWM với nhiều đầu ra và đồng bộ xung PWM, hỗ trợ hiệu quả cho các ứng dụng điều khiển di chuyển và công suất.
- Động cơ cảm ứng xoay chiều 3 pha
- Động cơ một chiều không chổi than
MCPWM module có những đặc điểm sau;
- Có 3 bộ tạo PWM, và 2 chân đầu ra cho mỗi bộ, do đó có tất cả 6 đầu ra PWM điều khiển trực tiếp động cơ xoay chiều 3 pha
- Có thể vận hành trong chế độ bù hoặc độc lập cho mỗi cặp chân đầu ra
- Bộ tạo dead time cho chế độ bù
- Cực tính chân đầu ra có thể đuợc lập trình bởi các bit cấu hình thiết bị
- Các chế độ đầu ra bao gồm :
Center aligned mode with double updates
- Thanh ghi override OVDCON cho các chân đầu ra PWM
- Cập nhật dutycycle có thể được cấu hình là tức khắc hoặc đồng bộ với PWM - Chân vào báo lỗi phần cứng
- Khởi động sự kiện đặc biệt cho việc đồng bộ với quá trình chuyển đổi ADC
- Mỗi chân ra kết hợp với PWM có thể cho phép riêng rẽ
Hinh 4.3 Sơ đồ khối MCPWM module
Tính chọn thiết bị phụ trợ mạch điều khiển
Các bit ADCS được dùng để thiết lập tốc độ xung clock cho module ADC Giá trị của ADCS được xác định theo công thức:
Giá trị được chọn của TAD không được phép nhỏ hơn 83.33 ns
Khi thực hiện chuyển đổi ADC trong chế độ sleep, cần sử dụng bộ dao động RC riêng cho module ADC bằng cách thiết lập bit ADRC (ADCON3) Lúc này, giá trị của các bit ADCS sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động của module ADC.
1 4.2 Tính chọn thiết bị phụ trợ mạch điều khiển
4.2.1 Tính chọn mạch cách ly:
Để đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển, tín hiệu từ bộ điều khiển cần được cách ly trước khi đưa vào chân cực gate của IGBT Việc sử dụng biến áp xung hoặc IC cách ly quang là cần thiết, nhưng với các ứng dụng hoạt động ở tần số cao, biến áp xung thường không đủ hiệu quả do hiện tượng bão từ Trong khi đó, cách ly quang đảm bảo hoạt động ổn định ở tín hiệu tần số cao mà không gây biến dạng cho tín hiệu đầu ra Do đó, việc chọn HCLP là một giải pháp tối ưu.
4.2.2 Mạch đệm đóng mở IGBT :
Tín hiệu sau cách ly cần được điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu đóng mở chính xác của IGBT Hiện nay, có nhiều IC chuyên dụng hỗ trợ việc điều khiển mạch đệm cho IGBT Một trong những lựa chọn hiệu quả là sử dụng IR2136 để thực hiện chức năng này.
4.2.3 Mạch đo lường điện áp một chiều Điện áp một chiều sau chỉnh lưu được đo làm cơ sở cho thực hiện thuật toán điều chế vectơ không gian PWM Điện áp một chiều sau chỉnh lưu có cần được cách ly và chuyển đổi về chuẩn điện áp Sử dụng cảm biến điện áp CE-VZ01 có đặc tính làm việc :
• Giới hạn điện áp đo : 10mV – 1000 V.
• Phạm vi điện áp đầu ra : 0 -10V
- Kh ởi tạo các cổng I/O ( chế độ digital và a nalogue
- Khởi tạo các bộ ADC.
- Khởi tạo các khối MCPWM.
- Reset các biến (điện áp, tần số đặt)
Kh ởi động ( nạp tụ chỉnh lưu)
Ch ương trình ngắt Ngắt ADC
GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Giải thuật chương trình điều khiển
5.1.1 Giải thuật chương trình chính: Đọc giá trị điện áp DC từ thanh ghi Đọc giá trị tần số đặt từ thanh ghi
Tramp = 0 f đặt > fhiện thời f hiện thời = f hiện thời + 1 f hiện thời = f hiện thời - 1 sai
T ramp = T ramp + 200 ms đúng sai
5.1.2 Giải thuật chương trình ngắt ADC
Qui đổi φ nằm trong sector 1
Lưu nội dung vào các thanh ghi PCD
5.1.3 Giải thuật chương trình điều chế vectơ không gian.
Giải thích giải thuật chương trình chương trình
1 5.2 Giải thích giải thuật chương trình chương trình
Trong khối khởi tạo, đặt chế độ hoạt động cho 3 khối cơ bản dùng để thực hiện thuật toán điều khiển: khối ADC, khối MCPWM, khối vào/ra.
• Khối MCPWM: khởi tạo đặt tần số PWM bằng 10 kHz
• Các chân PWMxH và PWMxL bù nhau cho từng kênh điều khiển riêng biệt
• Khối khởi tạo ADC, đặt bao nhiêu kênh lấy mẫu, nguồn xung kích từ khối MCPWM…
• Khối vòng lặp: đặt vi điều khiển ở trạng thái không làm gì, chờ có tín hiệu ngắt ADC
ADC là khối chính để thực hiện thuật toán điều khiển khi ngắt được gọi từ chương trình chính Chương trình ngắt thực hiện :
• Chuyển đổi tín hiệu đo Udc và tần số đặt f
• Tính toán vị trí góc φ
• Xác định giá trị U = f ( tần số ) có bù phần điện áp rơi trên điện trở các cuộn dây
• Gọi chương trình điều chế vectơ không gian
Hình 5.1 Quan hệ điện áp tần số–
Hình 5.5 Dạng điện áp dây đầu ra U AB
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ biến tần bán dẫn thực hiện điều chế vectơ không gian theo luật U/f không đổi vòng hở với tín hiệu điện áp dạng sin vuông và dòng điện ba pha của động cơ dạng hình sin Thực nghiệm đã xác nhận tính chính xác của thuật toán điều khiển và hiệu quả của kỹ thuật điều chế vectơ không gian trên bộ biến tần nguồn áp.
Bản luận văn tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế bộ biến tần nguồn áp cho động cơ không đồng bộ ba pha, tập trung vào các phương pháp điều khiển tốc độ hiện đại thông qua việc thay đổi tần số nguồn điện áp Nghiên cứu đề cập đến các kỹ thuật điều chế độ rộng xung kinh điển và kỹ thuật điều chế độ rộng xung theo phương pháp điều chế vectơ không gian Kết quả thực nghiệm khẳng định tính chính xác của lý thuyết và cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc cũng như thuật toán điều chế độ rộng xung cho bộ biến tần.
1 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội 2004.–
2 Nguyễn Phùng Quang Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha – NXB Giáo dục 2000
3 Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học kỹ thuật Hà nội–
4 Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến, Đoàn Quang Vinh Điều khiển động cơ xoay chiều cấp từ biến tần bán dẫn - NXB Khoa học kỹ thuật – 2004
5 Nguyễn Bính Điện tử công suất NXB Khoa học kỹ thuật 2000– –
Mordem power electronics and AC drivers – Prentice Hall
7 dsPIC30F4011 manual http:// www Microchip.com
Mã nguồn chương trình điều khiển thuật toán điều chế vectơ không gian theo luật U/f = const có bù cho hệ vi điều khiển dsPIC30F4011
_FOSC(CSW_FSCM_OFF & XT_PLL8);
_FBORPOR(PBOR_OFF & MCLR_EN);
#define PWM_PORT PORTE // định nghĩa các tín hiệu PWM có đầu
#define PWM_TRIS TRISE //Định nghĩa thanh ghi ba trạng thái
#define PWM_LAT LATE // Thanh ghi chôt tín hiệu PWM
#define Fcy 16000000 // Tần số thực thi lệnh
#define Fpwm 2500 // Tần số điều chế vectơ
#define SIXTY_DEG 0x2aaa float tisodieuche ;
#define VOLTS_LIMIT 28300 // Gioi han dien ap dieu che qui doi trong
//Khai bao cac bien toan chuong trinh unsigned int dem ; int voltageControl; unsigned int deltaPhi,Phi; unsigned int ADCValue, tocdodat; unsigned int charger, dem_charger ; void Init_TMR1(void) {
TMR1 = 0; //Xoa so dem trong TMR1
PR1 = 0x0320; //Nguong tran la 1 giay ung voi clock = 32 MHz
_T1IF = 0; //Xoa co ngat cua Timer 1
T1CON = 0x8010; //Dung fcy lam clock, prescale =
_T1IE = 1; //Cho phep ngat khi Timer 1 tran
// Ham khoi tao chuong trinh ngat cho bo dieu khien ADC void Init_ADC10(void) {
_ADIF = 0; //Xoa co ngat ADC
_ADIE = 1; //Cho phep ngat ADC
_ASAM = 1; //Khoi dong che do tu dong lay mau
// Bang tra gia tri sine
// Lay so luong diem la 1024 trong mot chu ky, gioi han tra trong 1 //sector 60 do so luong diem can thiet: 1024*(60/360)
Chương trình thực hiện thuật toán điều chế vectơ không gian PWM, trong đó thời gian đóng mở van t1 và t2 được tính toán chính xác Kết quả sẽ được nạp vào các thanh ghi điều khiển PWM: PCD1, PCD2, PCD3, nhằm cấp xung đóng mở van bán dẫn Hàm void SVM(unsigned int ap, int volts, unsigned int angle) thực hiện các chức năng này.
{ unsigned int angle1, angle2; // vị trí vectơ điện áp trong quĩ
//đạo vec tơ unsigned int half_t0,t1,t2,tpwm; // thời gian đóng cắt t1, t2,t0 tpwm = PTPER VOLTS_LIMIT) volts = VOLTS_LIMIT;
// Kiểm tra giới hạn điện áp điều chế
// kiểm tra vị trí vectơ điện áp trong sector 1 if(angle < VECTOR2)
- angle2 = angle VECTOR1; // tính toán góc angle 2
To calculate the angle, we start with angle1 set to SIXTY_DEG and angle2 The sine values for these angles are retrieved from the sine table, specifically using the expressions t1 = sinetable[(unsigned char)(angle1 >> 6)] and t2 = sinetable[(unsigned char)(angle2 >> 6)] Next, we normalize the value of t1 to a 16-bit system by applying the formula t1 = ((long)t1*(long)volts) >> 15 Finally, we further standardize t1 by adjusting it with the pulse width modulation value using t1 = ((long)t1*(long)tpwm) >> 15.
// Qui chuẩn t2 t2 = ((long)t2*(long)volts) >> 15; t2 = ((long)t2*(long)tpwm) >> 15;
// Xác định thời gian đóng cắt các vectơ điện áp trong vùng sectơ 2
// tính các thành phần điện áp phạm vi sector 2 else if(angle < VECTOR3)
- angle2 = angle VECTOR2; // Qui đổi về vị trí góc sectơ 1
- angle1 = SIXTY_DEG angle2; // tính góc angle 1 t1 = sinetable[(unsigned char)(angle1 >> 6)]; // tra bảng sine t2 = sinetable[(unsigned char)(angle2 >> 6)]; // tra bảng sine
// Qui chuẩn t1 hệ 16 bit t1 = ((long)t1*(long)volts) >> 15;
// tính t2 t2 = ((long)t2*(long)volts) >> 15; t2 = ((long)t2*(long)tpwm) >> 15;
- - half_t0 = (tpwm t1 t2) >> 1; // tính giá trị t0
// Tính thời gian điều chế vectơ trong vùng sectơ 2 (60 - 119 độ)
// tính các thành phần điện áp phạm vi sector 3 else if(angle < VECTOR4)
To calculate angle 1 and angle 2, we first define angle2 as a vector in 3D space Angle1 is then derived by subtracting angle2 from 60 degrees We utilize a sine table to retrieve the sine values for both angles, adjusting the angle values accordingly Finally, the sine value for angle1 is multiplied by the voltage and right-shifted to obtain the final result.
// Qui chuẩn t1 t1 = ((long)t1*(long)tpwm) >> 15;
// Tính t2 t2 = ((long)t2*(long)volts) >> 15; t2 = ((long)t2*(long)tpwm) >> 15;
// Tính thời gian điều chế trong Sector 3 (120 179 degrees)
// tính các thành phần điện áp phạm vi sector 4 else if(angle < VECTOR5)
- angle2 = angle VECTOR4; // tính angle 2
- angle1 = SIXTY_DEG angle2; // tính angle 1 t1 = sinetable[(unsigned char)(angle1 >> 6)]; //tra bảng sine t2 = sinetable[(unsigned char)(angle2 >> 6)]; // tra bảng sine
// Scale t1 to by the volts variable. t1 = ((long)t1*(long)volts) >> 15;
// Scale t1 for the duty cycle range. t1 = ((long)t1*(long)tpwm) >> 15;
// Scale t2 time t2 = ((long)t2*(long)volts) >> 15; t2 = ((long)t2*(long)tpwm) >> 15;
// Tính thời gian điều chế trong Sector
// tính các thành phần điện áp phạm vi sector 5 else if(angle < VECTOR6)
- angle2 = angle VECTOR5; // tính angle 2 angle1 = SIXTY_DEG - angle2; // tính angle 1 t1 = sinetable[(unsigned char)(angle1 >> 6)]; // tra bảng sine t2 = sinetable[(unsigned char)(angle2 >> 6)]; // tra bảng sine
// Scale t1 to by the volts variable. t1 = ((long)t1*(long)volts) >> 15;
// Scale t1 for the duty cycle range. t1 = ((long)t1*(long)tpwm) >> 15;
// Scale t2 time t2 = ((long)t2*(long)volts) >> 15; t2 = ((long)t2*(long)tpwm) >> 15; half_t0 = (tpwm - t1 - t2) >> 1; // tính t0
// Tính thời gian điều chế trong Sector 5 (240 299 degrees) -
//tính các thành phần điện áp phạm vi sector 6 else
- angle2 = angle VECTOR6; // tính angle 2
- angle1 = SIXTY_DEG angle2; // tính angle 1 t1 = sinetable[(unsigned char)(angle1 >> 6)]; // tra bảng sine t2 = sinetable[(unsigned char)(angle2 >> 6)]; // tra bảng sine
// Scale t1 to by the volts variable. t1 = ((long)t1*(long)volts) >> 15;
// Scale t1 for the duty cycle range. t1 = ((long)t1*(long)tpwm) >> 15;
// Scale t2 time t2 = ((long)t2*(long)volts) >> 15; t2 = ((long)t2*(long)tpwm) >> 15;
// Tính thời gian điều chế trong Sector 6 ( 300 359 degrees -
} //kết thúc chương trình SVM()
//Chuong trinh chinh int main(void) {
// nạp tính thời gian ramp charger=0; dem_charger=0; while (charger>1 ;; //Dat thanh ghi chu ky voi tan
PWMCON1bits.PMOD1=0; // Dat che do hai chan PWM1L va
// '1' la doc lap, '0' la bu nhau
PWMCON1bits.PEN1H=1 ; // '1' enable '0' disable for output
OVDCON = 0xFF00; //Khong dung overdrive
PDC1 = 4800; //Khoi tao PWM1, 2, va 3 l
PTCON = 0x8002; //Kich hoat module PWM
} // kết thúc chương trình chính
//Chuong trinh xu ly ngat Timer 1 void _ISR _T1Interrupt(void)
// Chương trình ngắt ADC void _ISR _ADCInterrupt(void)
ADCValue = ADCBUF0; // đọc giá trị ADC từ thanh ghi đêm BUF0 if (ADCValue < 300)
ADCValue = 300 ; tocdodat = ADCBUF2*2 + 130; if (tocdodat > 1550)
ADCValue = (long)(32*ADCValue); dem+1; if (dem == 1500)