Thiết kế biến tần điều khiển động cơ dựa trên chip MC3PHAC

Nếu đem xung điều khiển này cấp cho một bộ biến tần một pha thì đó ngõ ra sẽ thu được một dạng điện áp dạng điều rộng xung có tần số bằng với tần số nguồn sin mẫu và biên độ hài bậc nhấ

MỤC LỤC

Y Z

CHƯƠNG I - GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3

I TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3

1 Nguyên lý làm việc 3

II ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 5

1 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế máy điện một chiều 6

2 Kết luận 6 CHƯƠNG II - LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 7

I GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP V/f 7

1 Phương pháp E/f 7

II CÁC PHƯƠNG PHÁP THÔNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG

1 Phương pháp điều khiển điều chế vector không gian (Space vector) 13

CHƯƠNG III - TỔNG QUAN VỀ MC3PHAC 17

1 Đặc tính điện 19

4 Tính năng 23

CHƯƠNG IV - CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA MC3PHAC 32

1 Hoạt động 32

2 Biều đồ thay đổi thông số hoạt động ở chế độ độc lập 33

1 Giao thức kết nối của MC3PHAC 35

2 Mạch giao tiếp máy tính qua chuẩn RS232 có cách ly 46

5 Ví dụ mẫu về Chương trình điều khiển động cơ bằng MC3PHAC trên PC Master 64

CHƯƠNG V - GIẢN ĐỒ MẠCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 70

1 Mạch phát hiện lỗi cao áp, thấp áp 83

2 Mạch phát hiện lỗi nhiệt độ 84

3 Bảng điều khiển 86

4 Mạch nguồn DC cao áp, mạch lọc EMI, mạch xả tụ, mạch điện trở hãm 87

II KẾT NỐI PHẦN CỨNG 88

CHƯƠNG VI - CHẠY THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐƯỢC 89

1 Tần số áp 3 pha 15Hz 90

2 Tần số áp 3 pha 35Hz 91

3 Tần số áp 3 pha 40Hz 92

4 Tần số áp 3 pha 50Hz 94

5 Công suất điều khiển động cơ đo bằng Fluke 43B 96

CHƯƠNG I - GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1 Nguyên lý làm việc

Hình 1: Nguyên lý hoạt động của động cơ

Khi nam châm điện quay ( tốc độ n1 vòng/ phút ) làm đường sức từ quay cắt qua các cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây Sức điện động E sinh ra dòng điện I chạy trong khung dây Vì dòng điện I nằm trong từ trường nên khi từ trường quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F Lực điện từ này làm khung dây chuyển động với tốc độ n vòng/ phút.Vì n < n1 nên gọi là không đồng bộ

ĐCKĐB ba pha có dây quấn ba pha phía stator, roto của ĐCKĐB là một bộ dây quấn ba pha có cùng số cực trên lõi thép của Roto

Khi Stator được cung cấp bởi nguồn ba pha cân bằng với tần số f, từ trường quay với tốc độ ωđb

sẽ được tạo ra Quan hệ giữa từ trường quay và tần số f của nguồn ba pha là :

ω đb = 2π f/p = ω 1/ p (rad/s)

Trong đó :

p : số đôi cực

ω1 : tần số góc của nguồn ba pha cung cấp cho động cơ: ω1 = 2π f

Nếu tốc độ quay của roto là ω , độ sai lệch giữa tốc độ từ trường quay stator và roto là:

ω sl =ω đb −ω = s.ω đb

Trong đó ωsl gọi là tốc độ trượt

Thông số s gọi là độ trượt, ta có: s = (ω đb −ω)/ ω đb

Vì có tốc độ tương đối giữa roto và từ trường quay stator , điện áp cảm ứng ba pha sẽ được sinh ra trong roto Tần số của điện áp này sẽ tỉ lệ với độ trượt theo công thức :

F m : giá trị đỉnh của sức từ động roto

δr : góc lệch pha giữa sức từ động roto và sức từ động khe hở không khí

- Lõi sắt

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn hao lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện ép lại Khi đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 90mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đường kính ngoài lớn hơn thì dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 1.2) ghép lại

Hình 2: Lá thép kỹ thuật điện

- Dây quấn

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt

ii Phần quay (roto)

Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc

- Rotor dây quấn :

Rôto có dây quấn giống như dây quấn của stator Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao còn ba đầu kia được nối vào vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngoài Đặc điểm là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ hay suất điện động phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc

độ hoặc cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm việc bình thường dây quấn rotor được nối

ngắn mạch Nhược điểm so với động cơ rotor lòng sóc là giá thành cao, khó sử dụng ở môi trường khắc nghiệt, dễ cháy nổ

iii Khe hở không khí

Vì rotor là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng bộ rất nhỏ để

hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn

Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng Ước tính

có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện

Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được Hiện nay khoảng 75 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm Phần còn lại, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu trong quá trình tự động hóa

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, máy quay dĩa, Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi

So với máy điện DC, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó khăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc máy của động cơ điện xoay chiều so với máy điện một chiều

Cho nên việc tách riêng điều khiển giữa moment và từ thông để có thể điều khiển độc lập đòi hỏi một hệ thống có thể tính toán cực nhanh và chính xác trong việc qui đổi các giá trị xoay chiều

về các biến đơn giản Vì vậy, cho đến gần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng có tốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng cho máy điện thường đắt

và có hiệu suất kém Động cơ không đồng bộ cũng không tránh khỏi nhược điểm này

1 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế máy điện một chiều

Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ xoay chiều chính là làm thế nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việc điều khiển của động cơ DC Vì vậy, một ý tưởng về việc biến đổi một máy điện xoay chiều thành một máy điện một chiều trên phương diện điều khiển

đã ra đời Đây chính là điều khiển vector Điều khiển vector sẽ cho phép điều khiển từ thông và moment hoàn toàn độc lập với nhau thông qua điều khiển giá trị tức thời của dòng (động cơ tiếp dòng) hoặc giá trị tức thời của áp (động cơ tiếp áp)

Điều khiển vector cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của cả từ thông và moment trong cả quá trình quá độ cũng như quá trình xác lập của máy điện xoay chiều giống như máy điện một chiều Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn và những bộ vi xử lý có tốc độ nhanh và giá thành hạ, việc ứng dụng của điều khiển vector ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp

Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động luôn đòi hỏi sự cải tiến thường xuyên của các loại hệ truyền động khác nhau Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là tăng độ tin cậy, giảm khả năng tiêu thụ điện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăng độ chính xác và tăng khả năng điều khiển phức tạp Vì vậy, những hệ truyền động với động cơ điện một chiều đang dần thay thế bởi những hệ truyền động động cơ xoay chiều sử dụng điều khiển vector Bởi vì, lý do chính để

sử dụng rộng rãi động cơ điện một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từ thông và moment lực đã nêu cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản Tuy nhiên, chi phí mua và bảo trì động cơ cao, đặc biệt khi số lượng máy điện phải dùng lớn Trong khi đó, các ứng dụng thực tế của lý thuyết điều khiển vector đã được thực hiện từ những năm 70 với các mạch điều khiển liên tục Nhưng các mạch liên tục không thể đáp ứng được sự đòi hỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiếu quay do điều này đòi hỏi một khối lượng tính toán trong một thời gian ngắn

Sự phát triển của những mạch vi xử lý đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý thuyết điều khiển vector Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiển vector là nền móng cho sự phát triển rộng rãi của các hệ truyền động xoay chiều (vì giá thành của động cơ xoay chiều rất rẻ hơn so với động cơ một chiều)

Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự phát triển đáng chú ý khác chính là việc ứng dụng mạng neural (neural networks) và logic mờ (fuzzy logic) vào điều khiển vector đang là những đề tài nghiên cứu mới trong nghiên cứu hệ truyền động Hai kỹ thuật điều khiển mới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bực cho hệ truyền đồng của máy điện xoay chiều trong một tương lai gần Triển vọng ứng dụng rộng rãi của hai kỹ thuật này phụ thuộc vào sự phát triển của bộ vi xử lý bán dẫn (semiconductor microprocessor)

Với sự phát triển mạnh của các bộ biến đổi điện tử công suất, một lý thuyết điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector đã ra đời Lý thuyết điều khiển trực tiếp moment lực (Direct Torque Control hay viết tắt là DTC) do giáo sư Noguchi Takahashi đưa ra vào cuối năm 80 Tuy nhiên, kỹ thuật điều khiển moment trực tiếp vẫn chưa phải hoàn hảo và cần phải nghiên cứu thêm

2 Kết luận

Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất cao và kỹ thuật vi xử lý, hiện nay các

bộ điều khiển ĐCKĐB đã được chế tạo với đáp ứng tốt hơn, giá thành rẽ hơn các bộ điều khiển động cơ DC Do đó , ĐCKĐB có thể thay thế được động cơ Dctrong rất nhiều ứng dụng Dự kiến trong tương lai gần , ĐCKĐB sẽ được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các bộ truyền động điều khiển tốc độ

CHƯƠNG II - LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Được sử dụng hầu hết trong các biến tần hiện nay Tốc độ của ĐCKĐB tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp Do đó, nếu thay đổi tần số của nguồn cung cấp cho động cơ thì cũng sẽ thay đổi được tốc độ đồng bộ, và tương ứng là tốc độ của động cơ

Tuy nhiên, nếu chỉ thay đổi tần số mà vẫn giữ nguyên biên độ nguồn áp cấp cho động cơ sẽ làm cho mạch từ của động cơ bị bão hòa Điều này dẫn đến dòng từ hóa tăng, méo dạng điện áp và dòng điện cung cấp cho động cơ gây ra tổn hao lõi từ, tổn hao đồng trong dây quấn Stator

Ngược lại, nếu từ thông giảm dưới định mức sẽ làm giảm sẽ làm giảm khả năng mang tải của động cơ Vì vậy, khi giảm tần số nguồn cung cấp cho động cơ nhỏ hơn tần số định mức thường đòi hỏi phải giảm điện áp V cung cấp cho động cơ sao cho từ thông trong khe hở không khí được giữ không đổi.Khi động cơ làm việc với tần số cung cấp lớn hơn tần số định mức, thường giữ điện áp cung cấp không đổi và bằng định mức, do giới hạn về cách điện stator hoặc điện áp nguồn

1 Phương pháp E/f

Ta có công thức sau : a = f / fđm

Với f - tần số làm việc của động cơ, fđm - tần số định mức của động cơ

Giả sử động cơ hoạt động dưới tần số định mức (a<1) Từ thông động cơ được giữ ở giá trị không đổi Do từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng từ hóa của động cơ, nên từ thông được giữ không đổi khi dòng từ hóa được giữ không đổi tại mọi điểm làm việc của động cơ

Ta có phương trình tính dòng từ hóa tại điểm làm việc định mức như sau:

ܫ݉ ൌܧđ݉

݂đ݉ Ǥ

ͳʹߨܮ݉ Với Lm là điện cảm mạch từ hóa

Tại tần số làm việc f:

ܫ݉ ൌ ܧđ݉

ܽǤ ݂đ݉Ǥ

ͳʹߨܮ݉

Từ 2 phương trình trên suy ra điều kiện để dòng điện từ hóa không đổi:

2 Phương pháp V/f

Tuy nhiên trong thực tế, việc giữ từ thông không đổi đòi hỏi mạch điều khiển rất phức tạp Nếu

bỏ qua sụt áp trên điện trở và điện kháng tản mạch stator, ta có thể xem như U ≈ E Khi đó nguyên tắc điều khiển E/f=const được thay bằng phương pháp V/f=const

Trong phương pháp V/f=const (gọi ngắn là V/f), như đã trình bày ở trên thì tỉ số V/f được giữ không đổi và bằng giá trị tỉ số này ở định mức.Cần lưu ý là khi moment tải tăng , dòng động cơ tăng làm gia tăng sụt áp trên điện trở Stator dẩn đến E giảm, có nghĩa là từ thông động cơ giảm.Do

đó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi

Ta có công thức moment định mức ứng với sơ đồ đơn giản của động cơ:

ܯ ൌ  ͵

߱đܾۏێێێ

Và moment cực đại ở chế độ định mức :

ܯ ൌ  ͵

ʹǤ ߱đܾۏێێ

đʹ݉

ܴͳേටܴͳʹ൅ ൫ܺͳ ൅ ܺʹ′൯ʹےۑ

ۑۑ

Khi thay các giá trị định mức bằng giá trị đó nhân với tỉ số a (aωđm, aVđm, aX), Ta có được công thức moment của động cơ ở tần số f khác định mức:

ܯ ൌ  ͵

߱đܾǤۏێێێ

cơ gần như không đổi

Tuy nhiên, khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R1/a sẽ tương đối lớn so với giá trị của (X1+X2.), dẫn đến sụt áp nhiều ở điện trở stator khi moment tải lớn Điều này làm cho E bị giảm

và dẫn đến suy giảm từ thông và moment cực đại

Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp Ta sẽ cung cấp them cho động cơ một điện áp Uo

U=Uo+K.f Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U cấp cho động cơ bằng Uđm tại f = fđm

Khi a>1 (f > fđm ), Điện áp được giữ không đổi và bằng định mức Khi đó động cơ hoạt động ở chế

độ suy giảm từ thông

Khi đó moment và moment cực đại của động cơ tại tần số f cung cấp sẽ là:

ܯ ൌ  ͵

߱đܾǤۏێێێ

ۍ

ܸđʹ݉Ǥܴʹ′

ܽݏቆܴͳ൅ܴʹ′

ݏ ቇ

ʹ

൅ ܽʹ൫ܺͳ൅ ܺʹ′൯ʹ

ےۑۑۑ

Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số trong phương pháp

điều khiển V/f=const

Hình 1: Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số

ĐỒNG BỘ

Có nhiều phương pháp để điều khiển bộ nghịch lưu áp để tạo ra điện áp có biên độ và tần số mong muốn cung cấp cho động cơ.Trong nội dung này chúng ta khái quát hai phương pháp đó là :

- Phương pháp điều rộng xung (SinPWM)

- Phương pháp điều chế vector không gian ( Space Vector)

1 Phương pháp điều rộng xung PWM

Để tạo ra một điện áp xoay chiều bằng phương pháp SINPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung

tam giác tần số cao đem so sánh với một điện áp sin chuẩn có tần số f Nếu đem xung điều khiển

này cấp cho một bộ biến tần một pha thì đó ngõ ra sẽ thu được một dạng điện áp dạng điều rộng xung có tần số bằng với tần số nguồn sin mẫu và biên độ hài bậc nhất phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cung cấp và tỉ số giữa biên độ sóng sin mẫu và sóng mang

Tần số sóng mang phải lớn hơn tần số của sóng sin mẫu Sau đây là hình vẽ miêu tả nguyên lý của phương pháp điều rộng sin một pha:

Hình 2: Nguyên lý của phương pháp điều rộng xung SinPWM

Hình 3: Sơ đồ dạng điện áp trên các pha

Sau khi đã nói về phương pháp điều khiển V/f=const và phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu

áp theo phương pháp điều rộng xung SINPWM, ta có thể đưa ra một thuật toán điều khiển động cơ theo một tần số đặt cho trước như sau

Do động cơ được điều khiển vòng hở nên không thể đo đạc được tốc độ thực của động cơ, nên

ta hiểu tần số đặt ở đây là tần số nguồn sin điều rộng xung cấp cho động cơ

Trong trường hợp ta muốn cho động cơ đang ở trạng thái đứng yên chuyển sang chạy ở tần số đặt thì phải thông qua một quá trình khởi động mềm tránh cho động cơ khởi động lập tức đến tốc

độ đặt, gây ra dòng điện khởi động lớn làm hỏng động cơ Tần số nguồn cung cấp sẽ tăng từ giá trị

0 (đứng yên) đến giá trị đặt (tương ứng với biên độ tăng từ V0 đến Vf=V0+K.freq).Thời gian khởi động này có thay đổi theo công suất của từng động cơ Đối với động cơ công suất lớn thì thời gian khởi động lâu hơn so với động cơ công suất nhỏ.Thời gian khời động của động cơ thông thường được chọn từ 5 đến 10 giây Sau khi tần số nguồn đã đạt đến giá trị yêu cầu lúc đầu thì sẽ giữ nguyên giá trị đó

Trong quá trình động cơ đang chạy ổn định mà có một nhu cầu thay đổi tần số thì cũng có một quá trình chuyển tần số từng bước thay vì nhảy ngay lập tức đến giá trị tần số yêu cầu mới

Khi muốn thay đổi chiều của động cơ cần phải đưa động cơ về tần số đủ nhỏ rồi sau đó mới thực hiện việc đổi chiều quay (thay đổi thứ tự pha nguồn cấp cho động cơ) tránh hiện tượng moment xoắn có thể làm gãy trục động cơ và tăng dòng đột ngột

Khi muốn dừng động cơ thì phải hạ tần số từ giá trị hiện tại về giá trị 0 Thời gian hãm này phụ thuộc vào quán tính quay của động cơ Khi muốn hãm nhanh có thể dùng các phương pháp hãm như phương pháp hãm động năng (Dynamic Breaking) có dùng điện trở thắng Như vậy có thể hình dung quá trình hoạt động của bộ điều khiển như sau:

Hình 4 : Quá trình hoạt động của bộ điều khiển Đoạn 1 ứng với khởi động động cơ tần số tăng từ 0 đến giá trị đặt sau khoảng thời gian khởi động (Tramp)

Đoạn 2 ứng với việc thay đổi tần số khi động cơ đang chạy ổn định

Đoạn 3 ứng với việc đổi chiều động cơ được chia làm hai giai đoạn Đoạn 3a ứng với giảm tần số

về 0 Cuối đoạn 3a sẽ tiến hành đảo thứ tự pha nguồn cung cấp cho động cơ Đoạn 3b ứng với tăng tần số lên đến giá trị mới (Có thay đổi tần số đặt trong lúc đổi chiều nên giá trị tần số sau khi đổi chiều không bằng giá trị cũ)

Đoạn 4 ứng với ngừng động cơ Tần số cấp cho động cơ được giảm dần từ giá trị đặt về 0 sau khoảng thời gian dừng (Tramp)

Đối với phương pháp điều chế SINPWM, tại mỗi thời điểm mà một trong hai khoá trên cùng một nhánh ở trạng thái ON thì biểu thức điện áp giữa mỗi pha và điểm trung tín ảo (O) có dạng như sau:

Hình 5: Sơ đồ kết nối các khóa trong bộ nghịch lưu

Giá trị điện áp dây lớn nhất : ܸ݀Ÿݕ ൌ ξ͵ʹ ܸܦܥ

Vậy đối với phương pháp này, điện áp do bộ chỉnh lưu cung cấp chỉ được sử dụng tối đa là 86.67% trong vùng điều khiển tuyến tính

1 Phương pháp điều khiển điều chế vector không gian (Space vector)

Phương pháp điều rộng xung vector không gian (SVM - Space Vector Modulation) khác với các phương pháp điều rộng xung khác (PWM - Pulse Width Modulation) Với các phương pháp PWM khác, bộ nghịch lưu được xem như là ba bộ biến đổi kéo-đẩy riêng biệt với ba điện áp pha độc lập với nhau

Hình 6 : Sơ đồ bộ biến tần nghịch lưu 6 khóa IGBT Đối với phương pháp điều rộng xung vector không gian, bộ nghịch lưu được xem như là một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt riêng biệt từ 0 đến 7

Thành lập vector không gian:

Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình sau

Ua(t) + Ub(t) + Uc(t) = 0 (2.1)

Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển sang hệ tọa độ 2 chiều vuông góc Ta có thể biểu diễn phương trình trên dưới dạng 3 vector gồm: [ua 0 0]T trùng với trục x,

vector [0 ub 0]T lệch một góc 120o và vector [0 0 uc]T lệch một góc 240o so với trục x như hình sau đây

Hình 7 : Biểu diễn vector không gian trong hệ tọa độ x-y

Từ đó ta xây dựng được vector không gian trong hệ tọa độ phức như sau

ݑሺݐሻ ൌ ʹ͵൫ݑܽ ൅ ݑܾ݆݁ ሺʹȀ͵ሻߨ൅ ݑܿ݁െ݆ ሺʹȀ͵ሻߨ൯ (2.2)

Trong đó 2/3 là hệ số biến hình Phân tích u(t) trong phương trình trên thành phần thực và phần ảo

ݑሺݐሻ ൌ  ݑݔ ൅ ݆ݑݕ (2.3)

Ta xây dựng được công thức chuyển đổi hệ tọa độ từ ba pha abc sang hệ tọa độ phức x-y bằng cách cân bằng phần thực và phần ảo trong phương trình (2.2)

ܸത݊ ൌ ʹξ͵ሾ…‘• ൬

Hình 8 : Các vector không gian từ 1 đến 6

Hình 9 : Trạng thái đóng ngắt của các khóa

Bảng : Giá trị điện áp các trạng thái đóng ngắt và vector không gian tương ứng

CHƯƠNG III - TỔNG QUAN VỀ MC3PHAC

I GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT

MC3PHAC là một IC điều khiển động cơ thông minh được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các yêu cầu về chi phí thấp, khả năng thay đổi tốc độ, các hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha Thiết bị này có khả năng thích nghi và cấu hình được, dựa trên môi trường hoạt động Nó chứa tất

cả các chức năng hoạt động cần thiết để thực hiện việc điều khiển động cơ vòng hở, "lái" động cơ xoay chiều 3 pha

Một trong những mặt độc đáo của thiết bị này là mặc dù nó có khả năng thích nghi và cấu hình được dựa trên môi trường hoạt động nhưng nó không đòi hỏi phải phát triển bất kỳ phần mềm điều khiển nào Vì vậy MC3PHAC hoàn toàn phù hợp cho các ứng dựng của khách hàng đòi hỏi điều khiển động cơ AC nhưng bị giới hạn hoặc không có phần mềm sẵn có

Các tính năng của thiết bị này là:

• Điều khiển tốc độ bằng phương pháp V/f

• Lọc tín hiệu xử lý số (DSP) để nâng cao độ ổn định tốc độ

• Tính toán 32-bit giúp cho việc hoạt động có độ chính xác cao

• Cho phép kết nối Internet

• Người sử dụng không phải phát triển phần mềm để điều khiển hoạt động

• Bộ điều rộng xung 6 chân PWM

• tạo dạng sóng 3 pha

• 4 kênh ADC

• Người dùng tự cấu hình để hoạt động ở chế độ độc lập (standalone) hoặc (hosted)

• Chống nhiễu tín hiệu cổng vào

• Cho phép chọn phân cực và tần số PWM

• Có thể lựa chọn tần số cơ bản là 50/60Hz

• "Vòng khóa pha" (PLL) dựa trên "lõi dao động" của hệ thống

• Kết nối cổng nối tiếp (SCI)

• Mạch phát hiện điện áp cung cấp thấp

MC3PHAC còn tích hợp các tính năng bảo vệ gồm có cổng theo dõi điện áp DC và một cổng vào báo lỗi hệ thống, nó sẽ vô hiệu hóa ngay lập tức các module PWM ngay khi phát hiện lỗi từ hệ thống

MC3PHAC có thể được ứng dụng ở:

• Các động cơ công suất thấp trong hệ thống HVAC (hệ thống nhiệt, thông gió và điều hòa nhiệt độ)

• Các thiết bị gia đình

• Máy giặt và máy rửa chén

• Kiểm soát quy trình

• Các loại máy bơm và quạt

Hình 1: Hệ thống điều khiển động cơ dựa trên chíp MC3PHAC Dòng chíp MC3PHAC bao gồm:

• Dòng chíp 28 chân song song (dual in-line package - DIP)

• Dòng chíp 28 chân dán (small outline intergrated circuit - SOIC)

• Dòng chíp dán vuông 32 chân (quad flat pack - QFP)

Bảng 1 Những loại chip MC3PHAC

MC3PHACVP -40 Æ 105 độ C 28 chân cắm

MC3PHACVDW -40 Æ 105 độ C 28 chân dán

MC3PHACVFA -40 Æ 105 độ C 32 chân dán

Xem sơ đồ chân ở Hình 2 và Hình 3:

Hình 2: Sơ đồ 28 chân của dòng DIP và SOIC

Hình 3: Sơ đồ 32 chân của dòng QFP

1 Đặc tính điện

Chế độ công suất tối đa (maximum ratings):

Điện áp ngõ vào (input) VIn -0.3 đến (VDD + 0.3) V

Dòng điện tối đa vào mỗi chân không bao gồm ở Vdd

và VSS

Điện áp so với VSS:

Thiết bị này có chứa các mạch điện bảo vệ các cổng vào nhằm chống lại sự phá hủy do điện áp tĩnh cao (high static voltage) hay do điện trường Tuy nhiên, người thiết kế nên tránh thiết kế các ứng dụng có điện áp cao hơn mức điện áp tối đa cho mạch trở kháng cao này Để chíp hoạt động tốt, nhà sản xuất khuyến cáo Vin và Vout được giới hạn trong phạm vi VSS ≤ (Vin hoặc Vout) ≤ Vdd Độ tin cậy khi hoạt động sẽ tăng thêm nếu nối các đầu vào không sử dụng với một mức điện

áp logic thích hợp (ví dụ, hoặc VSS hoặc Vdd)

Các vùng hoạt động (funtional operating range)

Tầm nhiệt độ hoạt động (xem Bảng 1) TA –40°C to +105°C °C

Định thì điều khiển (Control timing)

Theo khuyến cáo của các nhà sản xuất tinh thể cộng hưởng (crystal/resonator), các thông số của tinh thể cộng hưởng sẽ quyết định thông số của các thành phần bên ngoài (external component)

để hoạt động ổn định tối đa và khởi động tin cậy Các giá trị điện dung tải sử dụng trong thiết kế mạch của bộ dao động (oscillator) cần bao gồm tất cả các điện dung cảm ứng

Đặc tính điện một chiều

Điện áp ngõ ra mức cao (ILoad=-2.0mA)

Tất cả các chân vào ra (I/O) trừ chân

RBAKE

Điện áp ngõ ra mức cao RBRAKE

Điện áp ngõ ra mức thấp (ILoad=1.6 mA)

Tất cả các chân vào ra (I/O) trừ chân

FAULTOUT và RETRY/TxD

Điện áp ngõ ra mức thấp (ILoad=15 mA)

Ngõ vào mức cao

Ngõ vào mức thấp

Dòng rò cổng vào/ra trở kháng cao IIL +- 5 uA

Điện dung

Các cổng vào/ra

COut CIn

12

Điện áp thấp VDD ngăn ngừa reset VLVR1 3.80 4.3 V

Điện áp trễ VDD sau reset hoặc recovery VLVH1 50 150 mV

VDD power-on reset re-arm voltage VPOR 3.85 4.45 V

2 Giới hạn trong chế độ độc lập (standalone) là 0 – 35%

3 Giới hạn trong chế độ độc lập (standalone) là 0.5 – 6.0 us

4 Giới hạn trong chế độ độc lập (standalone) là 0 – 53s

2 Mô tả chức năng chân

Bảng 2 là bảng mô tả chức năng chân của MC3PHAC Số thứ tự chân trong bảng là của dòng 28 chân (xem Hình 2)

Bảng 2 Bảng mô tả chức năng chân của MC3PHAC

Số Tên chân Chức năng chân

Điện áp đầu vào tham khảo cho bộ ADC tích hợp sẵn Để nhận được tín hiệu tốt nhất (không bị nhiễu), chân này nên được gắn với chân VDDA (tín hiệu tương tự - analog)

Khi chân này ở tích cực thấp (mức logic 0), nó sẽ khởi động lại

từ đầu MC3PHAC Tất cả các chân ra PWM sẽ được đặt ở chế

độ trở kháng cao (high-impedance) RESET là chân lưỡng hướng cho phép reset lại toàn bộ hệ thống Nó sẽ bị lái xuống mức thấp khi nó nhận một tín hiệu reset từ bên trong (ví dụ: mất tín hiệu xung nhịp, điện áp VDD thấp, )

3 VDDA Chân cấp điện thứ nhất cho các bộ tương tự của MC3PHAC,

bao gồm mạch tạo xung nhịp (PLL) và ADC

4 VSSA Chân cấp điện thứ 2 cho các bộ tương tự của MC3PHAC, bao

gồm mạch tạo xung nhịp (PLL) và ADC

5 OSC2 Ngõ ra nối với phần tử tạo dao động gồm thạch anh hay mạch

Nối tụ điện từ chân này xuống đất sẽ ảnh hưởng đến độ ổn định

và thời gian phản ứng của mạch xung nhịp PLL Các giá trị nhỏ hơn sẽ làm ảnh hưởng tới tốc độ hiệu chỉnh nhanh tần số tham khảo Các giá trị lớn hơn sẽ ổn định hơn Giá trị 0,1 μF là giá trị tiêu chuẩn

12 PWM_V_BOT Ngõ ra tín hiệu PWM cho các transistor hàng dưới để lái pha V động cơ

13 PWM_W_TOP Ngõ ra tín hiệu PWM cho các transistor hàng trên để lái pha W động cơ

14 PWM_W_BOT Ngõ ra tín hiệu PWM cho các transistor hàng dưới để lái pha W động cơ

15 FAULTIN

Khi ngõ vào này ở mức logic cao, các ngõ ra PWM sẽ bị vô hiệu hóa ngay lập tức Khoảng thời gian chờ "chạy lại" sẽ bắt đầu ngay khi chân này trở về mức logic thấp

16 PWMFREQ_RxD Trong chế độ độc lập, chân ngõ ra này sẽ lái xuống mức thấp để cho biết rằng các tham số bộ trộn kênh chân ngõ vào đang

đọc một tín hiệu điện áp analog nhằm xác định tần số PWM mong muốn Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính, chân này là một ngõ vào để nhận dữ liệu UART nối tiếp

17 RETRY_TxD

Trong chế độ độc lập, ngõ ra này sẽ lái xuống mức thấp để cho biết rằng các tham số bộ trộn kênh chân ngõ vào đang đọc một tín hiệu điện áp analog nhằm xác định thời gian chờ sau khi xuất hiện lỗi trước khi cho phép các ngõ ra PWM hoạt động trở lại Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính, chân này là ngõ ra để truyền dữ liệu UART nối tiếp

18 RBRAKE

Ngõ ra, nó sẽ được lái lên mức logic cao ngay khi điện áp ngõ vào DC vượt quá giá trị định trước Tín hiệu này cần được nối thêm một điện trở qua tụ DC để ngăn quá điện áp trên tụ điện

19 DT_FAULTOUT

Trong chế độ độc lập, chân ngõ ra này sẽ "lái" xuống mức thấp

để cho biết rằng các tham số bộ trộn kênh chân ngõ vào đang đọc một tín hiệu điện áp analog nhằm xác định dead-time giữa các trang thái của tín hiệu chân PWM phía trên và phía dưới Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính, chân này là một ngõ ra luôn ở mức logic thấp bất cứ khi nào có lỗi xảy ra

20 VBOOST_MODE

Lúc khởi động, ngõ vào này được lấy mẫu để xác định xem chế

độ là độc lập (mức logic cao) hay điều khiển bằng phần mềm máy tính(logic thấp) Trong chế độ độc lập, ngõ ra này sẽ "lái" xuống mức thấp để cho biết rằng các tham số bộ trộn kênh chân ngõ vào đang đọc một tín hiệu điện áp analog nhằm xác định lượng tăng điện áp để cấp cho động cơ

21 VDD +5-volt digital power supply to the MC3PHAC

22 VSS Digital power supply ground return for the MC3PHAC

23 FWD Ngõ vào, nó được lấy mẫu để xác định động cơ quay thuận

(forward) hay quay nghịch (reverse)

24 START Ngõ vào, nó được lấy mẫu để xác định động cơ có đang chạy

(crystal/resonator), các thông số của tinh thể cộng hưởng sẽ quyết định thông số của các thành phần bên ngoài (external component) để hoạt động ổn định tối đa và khởi động tin cậy Các giá trị điện dung tải sử dụng trong thiết kế mạch của bộ dao động (oscillator) cần bao gồm tất cả các điện dung cảm ứng

3 Đặc tính thiết kế và vận hành

MC3PHAC là một khối điều khiển thông minh được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các yêu cầu

về chi phí thấp, khả năng thay đổi tốc độ, các hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều 3 pha Thiết

bị này có khả năng thích nghi và cấu hình được, dựa trên môi trường hoạt động Được chế tạo có tốc độ CMOS cao (bán dẫn có bổ sung ô xít kim loại), MC3PHAC cho thấy hiệu suất cao hơn và khó hư hỏng hơn trong các môi trường khắc nghiệt thường thấy trong các hệ thống điều khiển động

cơ

Thiết bị này bao gồm:

• Bộ điều rộng xung 6 chân ra

• 4 kênh ADC

• "Vòng khóa pha" (PLL) dựa trên "lõi dao động" của hệ thống (Phase-lock loop (PLL) based system oscillator)

• Mạch phát hiện điện áp cung cấp thấp

• Kết nối cổng nối tiếp (SCI)

Giao tiếp cổng nối tiếp (SCI) được sử dụng trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính nhờ đó việc điều khiển MC3PHAC sẽ từ một máy chủ hay một máy tính cá nhân chạy phần mềm điều khiển hoặc từ một Vi điều khiển giả lập các lệnh của phần mềm điều khiển Hơn nữa, việc điều khiển qua internet là hoàn toàn khả thi

MC3PHAC còn tích hợp các tính năng bảo vệ gồm có cổng theo dõi điện áp DC và một cổng vào báo lỗi hệ thống (a system fault input) nó sẽ vô hiệu hóa ngay lập tức các module PWM khi phát hiện lỗi hệ thống

Các tính năng điều khiển động cơ bao gồm:

• Điều khiển vòng hở tốc độ bằng phương pháp V/f

• Điều khiển quay thuận hay quay nghịch

• Điều khiển khởi động/dừng động cơ

• Ngõ vào báo lỗi hệ thống

• Tăng điện áp khi tốc độ thấp

• Mạch reset trong(POR)

4 Tính năng

Tạo dạng sóng 3-phase - MC3PHAC tạo ra sáu tín hiệu PWM được điều chế với điện áp và

tần số có thể thay đổi được để điều khiển một động cơ 3 pha AC Một hài bậc 3 được thêm vào trên đỉnh của tần số cơ bản để nhận được hoàn toàn điện áp từ bus Dạng sóng nhận được ở ngõ ra có biên độ lớn hơn 15% so với dạng sóng sin gốc

Dạng sóng được cập nhật với tần số 5,3 kHz (trừ khi tần số PWM là 15,9 kHz), kết quả là: sóng gần như liên tục Ở tần số 15,9 kHz, dạng sóng được cập nhật với tần số 4,0 kHz

Lọc nhiễu - Trong chế độ độc lập, bộ lọc số 24-bit IIR được sử dụng ở ngõ vào tín hiệu

SPEED giúp tăng sự ổn định tốc độ trong môi trường có nhiễu Chu kì lấy mẫu của bộ lọc là 3ms (trừ khi tần số PWM là 15.9kHz) và nó sẽ giả phản hồi từ một cực ngõ lọc tín hiệu analog đơn tại tần số 0.4Hz Ở tần số PWM 15,9 kHz, chu kì lấy mẫu là 4 ms và cực

Tính toán với độ chính xác cao - Độ phân giải lên tới 32-bit được sử dụng cho các điều khiển

chính xác và mượt hơn Ví dụ tốc độ động cơ có thể được kiểm soát với độ phân giải 4 mHz

Thay đổi điện áp điều khiển mượt (Smooth Voltage Transitions) - Khi tốc độ điều khiển

của động cơ vượt qua ± 1 Hz, điện áp sẽ được tiếp tục hay ngắt đi tùy thuộc vào hướng thay đổi tốc

độ Nhờ đó loại bỏ lỗi có thể xảy ra, đặc biệt là trong điều kiện mà điện áp cao tăng lên ở tần số thấp

Khởi động phía cao áp (High-Side Bootstrapping) - Có rất nhiều mạch lái động cơ (đặc biệt

là các mạch lái cao áp) sử dụng OPTO để cung cấp tín hiệu PWM cho các transistor động lực (phía cao áp) Thông thường, transistor động lực sẽ lái dòng để cung cấp điện phù hợp cho mỗi transitor cao áp, mạch này độc lập với các tín hiệu PWM phía hạ áp để gia tăng công suất Khi động cơ đã được tắt trong một khoảng thời gian, điện tích trên tụ điện phía cao áp (phía mạch động lực) sẽ bị

xả hết, và cần phải nạp lại trước khi bộ PWM hoạt động trở lại

Để có được mạch như vậy, MC3PHAC phải luôn cung cấp 100ms của 50% xung lái PWM cho phần transitor hạ áp mỗi khi động cơ được mở lên Vì các transitor hàng trên vẫn còn ngắt suốt khoảng thời gian này, nó làm cho điện áp trên động cơ bằng 0-volt nên động cơ không hoạt động Sau khoảng thời gian đó, điều chế sóng động cơ bắt đầu, mạch lái PWM cũng có thể ứng dụng ở các transitor phía cao áp

Đáp ứng vận tốc nhanh (fast velocity updating) - Trong các khoảng thời gian mà tốc độ động

cơ thay đổi, tốc độ cập nhật vận tốc động cơ đủ nhanh để hoạt động trơn tru (smooth operation) Nếu cập nhật quá nhanh, hiện tượng "trật cóc" (ratcheting effect) sẽ xảy ra trên động cơ làm cho động cơ không chạy trơn tru nữa Tuy nhiên vận tốc đặt trước được tính toán rất kĩ để động cơ hoạt động sẽ chạy tốt với yêu cầu được đặt ra trước đó

Trong MC3PHAC, kỹ thuật pipeline vận tốc được sử dụng, nó cho phép nội suy tuyến tính giá trị vận tốc, kết quả là: vận tốc mới được tính ra sau mỗi 189 μs (252 μs cho PWM 15,9 kHz) Kết quả "ròng" (net result) là vận tốc chuyển tiếp cực mịn, động cơ không thể nhận ra mỗi bước vận tốc này

Loại bỏ nhiễu ở các cổng (Dynamic Bus Ripple Cancellation)-MC3PHAC rất nhạy với các

điện áp DC ở các cổng, bất kỳ sự sai lệch nào so với giá trị tiêu chuẩn đinh trước (3,5 V trên chân ngõ vào cổng DC) sẽ ảnh hưởng đến sự chính xác của giá trị PWM để chống lại tác động của hiện tượng thay đổi điện áp cổng trên dòng động cơ Tần số tính toán này đủ cao để cho phép bù lại tần

số nhiễu của đường dây, đồng thời cũng chậm hơn điện áp thấp được thay đổi từ những nguồn vào Xem Hình 4

Có thể lựa chọn tần số cơ bản (selectable base freq) - Các động cơ xoay chiều được thiết kế

để hoạt động ở tần số điện áp 50 hoặc 60 Hz MC3PHAC có thể điều khiển cả 2 loại động cơ bằng cách cho phép giá trị điện áp tiến tới giá trị cực đại ở cả 50HZ và 60 Hz Thông số này có thể được quy định khi khởi động ở chế độ độc lập, hay nó có thể thay đổi bất cứ lúc nào trong chế độ điều

khiển bằng phần mềm máy tính Có thể lựa chọn phân cực cho PWM - Phân cực của các ngõ ra PWM có thể quy định là mức logic cao trên một đầu ra PWM, hoặc be the asserted or negated state

of the signal Trong chế độ độc lập, thông số này được quy định khi khởi động và áp dụng cho tất

cả sáu đầu ra PWM Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính, chiều phân cực của các tín hiệu PWM hàng trên có thể được quy định riêng rẽ với chiều phân cực của các tín hiệu PWM hàng dưới

Đặc điểm này có thể được thực hiện bất cứ lúc nào, nhưng một khi nó được thực hiện, chiều phân cực sẽ bị khóa và không thể thay đổi cho đến khi reset Ngoài ra, bất kỳ lệnh nào từ phần mềm điều khiển máy tính cho phép PWM hoạt động đều bị MC3PHAC ngăn lại cho đến khi chiều phân cực được xác định

Hình 4 Lọc nhiễu Trong chế độ độc lập, tần số cơ bản và phân cực của PWM được xác định tại cùng lúc trong suốt quá trình khởi động bằng cách kết nối chân 25, 26, 27 hay 28 dành riêng cho các ngõ vào PWMPOL_ _BASEFREQ Trong quá trình khởi động, các chân 25, 26, 27 và 28 se được xoay vòng cùng lúc để xác định chân nào đã được kết nối với ngõ vào PWMPOL_BASEFREQ

Bảng 3 cho thấy chiều phân cực PWM được lựa chọn và tần số cơ bản được lựa chọn qua việc kết nối một trong những chân của MC3PHAC Tham khảo sơ đồ chế độ độc lập ở Hình 8 Chỉ có một trong các jumper (JP1-JP4) được phép kết nối tại một thời điểm

Chú ý

Không cần thiết phải ngắt kết nối này khi giai đoạn khởi động hoàn tất

MC3PHAC sẽ hoạt động tốt trong kết nối này vẫn đang còn

Bảng 3 Chiều phân cực PWM và Đặc điểm tần số cơ bản trong chế độ độc lập

Chân kết nối Phân cực PWM Tần số cơ bản MUX_IN (JP1) logic thấp = on 50Hz SPEED (JP2) logic cao = on 50Hz ACCEL (JP3) logic thấp = on 60Hz DC_BUS (JP4) logic cao = on 60Hz

Có thể lựa chọn tần số PWM - MC3PHAC chạy bốn tần số PWM rời rạc và có thể thay

đổi tự động trong khi động cơ đang chạy Điện trở này có thể là một cầu phân thế hoặc điện trở cố định trong phạm vi ở Bảng 4 Trong chế độ độc lập, tần số PWM được xác định bằng cách cấp một điện áp ở chân MUX_IN và chân PWMFREQ_RxD được lái xuống mức thấp Bảng 4 cho biết mức điện áp cần thiết cấp cho chân MUX_IN và tần số PWM kết hợp cho mỗi phạm vi điện áp

Chú ý

Các tần số PWM được dựa trên tần số mẫu là 4,00 MHz dùng cho đầu vào

dao động thạch anh (oscilator)

Điện áp đầu vào Tần số PWM

Có thể lựa chon thời gian deadtime cho PWM - Bên cạnh việc có thể để xác định tần số

PWM, thời gian "trắng" (blanking time) giữa các trạng thái của các cặp PWM liên hợp cũng có thể được chỉ định Tham khảo các đồ thị trong Hình 9 cho giá trị điện trở và deadtime tương ứng Hình

9 giả sử rằng có một điện trở pullup 6,8 kΩ ± 5% Trong chế độ độc lập, điều này được thực hiện bằng cách cấp một điện áp ở chân MUX_IN và chân DT_FAULTOUT được lái xuống mức thấp Bằng cách này, deadtime có thể được xác định qua hệ số tỉ lệ của 2,075 μs mỗi volt, với trị giá tối thiểu là 0,5 μs Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính, giá trị này được lựa chọn từ 0

và 32 μs

Trong cả hai chế độ, chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính và chế độ độc lập, giá trị deadtime chỉ có thể viết chỉ một lần Cập nhật thêm thông số này bị khóa cho đến khi reset

Điều khiển tốc độ - Tần số động cơ đồng bộ được xác định theo thời gian thực ở bất kỳ giá trị

nào từ 1 Hz đến 128 Hz bằng điện áp dùng cho chân SPEED Hệ số tỉ lệ là 25,6 Hz mỗi volt Thông số này cũng có thể được điều khiển trực tiếp từ phần mềm máy tính theo thời gian thực.Chân SPEED được xử lý bởi một bộ lọc kỹ thuật số 24-bit để tăng cường sự ổn định tốc độ trong các môi "nhiễu" (noisy) Bộ lọc này chỉ kích hoạt trong chế độ độc lập

Điều khiển gia tốc - Gia tốc của động cơ có thể được xác định theo thời gian thực được trong

khoảng từ 0,5 Hz / giây, khác nhau, đến 128 Hz/giây, bằng điện áp dùng cho chân ACCEL Hệ số

tỉ lệ là 25,6 Hz/giây cho mỗi volt Thông số này cũng có thể được điều khiển trực tiếp từ phần mềm máy tính theo thời gian thực

Điều khiển điện áp cung cấp cho động cơ - MC3PHAC điều khiển điện áp động cơ tỷ lệ với

tốc độ động cơ như được chỉ ra trong hình 5

Một động cơ xoay chiều được thiết kế để tạo ra giá trị dòng từ hóa nhất định khi cung cấp điện áp định mức ở tần số cơ bản Khi giảm tần số, giả sử không có thất thoát ở stator, điện áp phải giảm với tỷ lệ chính xác để duy trì dòng từ hóa hiện cần thiết Trong thực tế, khi tần số giảm, điện áp rơi trong điện trở nối tiếp stator tăng tỷ lệ với điện áp qua cảm kháng từ hóa (magnetizing inductance) Chính điều này tiếp tục làm giảm điện áp qua cuộn cảm từ hóa do đó giảm dòng từ hóa Một mạch điện đại diện cho hiệu ứng này được minh họa trong Hình 6 Để bù lại điện áp thất thoát , the voltage profile được tăng cao hơn bình thường đường cong điện áp trong Hình 5, do đó dòng điện vẫn không đổi trên vùng tốc độ

Hình 5 : Sơ đồ điện áp, bao gồm điện áp khởi động

Hình 6 : Sơ đồ một pha động cơ xoay chiều MC3PHAC cho phép xác định điện áp boost theo tỉ lệ phần trăm với điện áp đủ ở 0 Hz như trong Hình 5 Trong chế độ độc lập, điện áp boost được xác định trong giai đoạn khởi động bằng cách cấp cấp một điện áp ở chân MUX_IN và chân VBOOST_MODE được lái xuống mức thấp Tham khảo các đồ thị trong Hình 11 cho giá trị điện trở so với điện áp boost Hình 11 giả sử rằng có một điện trở pullup 6,8 kΩ Bằng cách này, điện áp boost có thể xác định trong khoảng 0-40%, với hệ

số tỉ lệ là 8 phần trăm mỗi volt Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính,điện áp boost có thể xác định trong khoảng 0-100%và có thể thay đổi bất cứ lúc nào

Bằng cách sử dụng giá trị điện áp boostvà tần số cơ bản xác địnhMC3PHAC có đầy đủ thông tin cần thiết để tự động tạo ra a voltage profile dựa trên tần số dạng sóng đã được tạo ra Một tính năng

bổ sung hỗ trợ trên chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính là: giá trị điện áp có thể được ghi

đè và điều khiển trong thời gian thực Việc xác định điện áp thấp hơn điện áp V/f bình thường cho phép phản hổi ngẫu lực mượt hơn tương ứng trong những tình huống an toàn Nó cũng cho phép kiểm soát hệ số công suất tải và các hiệu suất vận hành cao hơn với những tải có mô men quán tính lớn hay những tải có mô men thay đổi tức thời Thông tin chi tiết tính năng này được đề cập trong phần Điều khiển MC3PHAC bằng phần mềm máy tính

Tạo xung nhịp "vòng khóa pha" (PLL Clock Generation) - Tín hiệu ở chân OSC1 được dùng

như là 1 xung nhịp tham khảo cho mạch xung nhịp PLL bên trong , mạch này dùng để "lái" các xung nhịp nội của MC3PHAC Nó cung cấp sự bảo vệ tuyệt vời chống lại các "gai" nhiễu có thể xảy ra ở chân OSC1 Mạch xung nhịp mà không kết hợp với một "vòng khóa pha" PLL, chỉ cần một gai nhiễu trên ngõ vào xung nhịp có thể tạo ra một cạnh xung nhịp, nó sẽ làm sai lệch thời gian cài đặt của mức logic xung nhịp (clocking logic) và có thể làm thiết bị bị trục trặc Với cùng "gai" nhiễu đó đưa vào ngõ vào mạch tạo xung nhịp PLL nó sẽ bị nhận biết bởi vòng khóa pha PLL như

là một lượng thay đổi trong tần số tham khảo và tần số ngõ ra của vòng khóa pha PLL bắt đầu thay đổi để khóa tần số mới Tuy nhiên, trước có bất kỳ thay đổi nào đáng kể xảy ra, "gai" đã biến mất,

và PLL ổn định trở lại ở đúng tần số tham khảo

Bảo vệ Lỗi hệ thống (Fault protection) - MC3PHAC hỗ trợ một module phúc tạp để báo lỗi và

tính năng phòng chống lỗi Nếu một lỗi nào xảy ra, MC3PHAC ngay lập tức vô hiệu hóa bộ PWM

và đợi cho đến khi tín hiệu lỗi được xóa trước khi bắt đầu chạy timer để kích hoạt lại PWM Tham khảo đồ thị trong Hình 10 cho giá trị điện trở tương ứng với thời gian retry Hình 10 giả sử rằng có một điện trở pullup 6,8 kΩ Trong chế độ độc lập, khoảng thời gian chờ được quy định trong giai đoạn khởi động bằng cách cấp một điện áp trên chân MUX_IN và chân RETRY_TxD lái xuống mức thấp Bằng cách này, thời gian retry có thể được chỉ định từ 1-60 giây, với tỉ lệ là 12 giây / volt Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính,thời gian retry có thể đặt từ 0.25 giấy đến hơn 4.5 giờ và có thể thay đổi bất cứ lúc nào

Các chức năng bảo vệ và chống lỗi là:

x Giám sát lỗi ngoài (External Fault Monitoring) - Chân FAULTIN cho phép nhận một tín hiệu

số cho biết lỗi vừa được phát hiện thông qua mạch giám sát bên ngoài Mức logic cao trên ngõ vào này sẽ làm cho các chân PWM ngay lập tức bị vô hiệu hóa Các tín hiệu lỗi thông thường

là quá áp DC trên cổng, quá dòng trên cổng hay quá nhiệt độ hơn nhiệt độ Khi ngõ vào này trở về mức logic thấp, the fault retry timer se được khởi động và các chân PWM được bật lại sau khoảng thời gian chờ đã được lập trình

x Bảo vệ mất xung nhịp - Nếu tín hiệu trên chân OSC1 bị mất hoàn toàn, MC3PHAC sẽ ngay

lập tức vô hiệu hóa các ngõ ra PWM để bảo vệ các động cơ điện và phần tử điện tử công suất Đây là một tín hiệu lỗi đặc biệt, nó sẽ làm MC3PHAC bị reset Phát hiện bị mất xung nhịp là một lưu ý quan trọng về an toàn, như nhiều quy định của các tổ chức về an toàn hiện nay yêu cầu phải kiểm tra dead crystal trước khi chíp được xuất xưởng

x Bảo vệ điện áp thấp ở chân VDD - Bất cứ khi nào chân VDD thấp hơn VLVR1, một nguồn giám sát on-board sẽ khởi động lại MC3PHAC Nó cho phép MC3PHAC hoạt động đúng với các nguồn 5 volt với sai số 5-10%

x Giám sát toàn bộ các điện áp cổng - Chân DC_BUS được theo dõi ở tần số 5,3 kHz (4,0 kHz

khi tần số PWM được thiết lập là 15,9 kHz), và bất kỳ điện áp đọc của acceptable window tạo thành một tín hiệu lỗi Trong chế độ độc lập, các ngưỡng window cố định tại 4,47 volt (128% định mức), và 1,75 volt (50% định mức), ở giá trị định mức là 3,5 volt Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính,cả mức giới hạn của hàng window trên và dưới có thể được cài đặt độc lập từ 0 volt (0% định mức) và lớn hơn 5 volt (143% định mức), và có thể thay đổi bất

cứ lúc nào.Khi mà tín hiệu DC_BUS trở về giá trị thuộc vùng có thể chấp nhận, MC3PHAC sẽ bắt đầu chạy lại, và các chân PWM được bật lại sau khoảng thời gian chờ đã được lập trình

x Trong thời gian mở điện,VDD có thể đạt giá trị hoạt động trước khi tụ ở cồng DC nạp đủ giá trị định mức của nó Khi toàn bộ các cổng DC đã được kiểm tra, một giá trị điện áp thấp có thể được phát hiện và xử lý như lỗi một,với khoảng thời gian chờ liên hợp của nó Để ngăn chặn điều này, MC3PHAC giám sát điện áp cổng DC trong suốt quá trình mở điện trong chế độ độc lập và đợi đến khi điện áp này cao hơn ngưỡng dưới điện áp trước khi tiếp tục Trong thời gian này, tất cả các chức năng MC3PHAC bị "đóng băng" Khi đạt được ngưỡng này, các MC3PHAC sẽ tiếp tục bình thường, với bất kỳ tín hiệu dưới điện áp thêm nào bị xem là một lỗi

x Nếu không mong muốn bị giám sát điện áp cổng vào DC, có thể cấp điện áp 3.5 volt ± 5% vào chân DC_BUS thông qua một trở kháng khoảng từ 4,7 kΩ đến 15 kΩ

MC3PHAC kết hợp hai kỹ thuật để đối phó với hãm tái sinh:

x Điều khiển hãm tái sinh - Hãm tái sinh là một quá trình trong đó năng lượng cơ được tích lũy

trong động cơ và truyền ngược công suất vào mạch lái, thông thường là do sự giảm tốc đột ngột (aggressive decleration operation) Trong những trường hợp đặc biệt ở đó quá trình này xảy ra thường xuyên (ví dụ: hệ thống điều khiển động cơ thang máy), nó sẽ rất kinh tế khi kết hợp các tính năng đặc biệt trong mạch lái động cơ cho phép năng lượng này sẽ được cung cấp ngược trở lại nguồn điện xoay chiều Tuy nhiên, để có các mạch lái xoay chiều chi phí thấp, năng lượng này được trữ trong các tụ điện cổng DC bằng cách tăng điện áp của nó Nếu quá trình này không được kiểm tra, điện áp cổng dc có thể tăng đến mức nguy hiểm, có thể phá hủy các

tụ điện cổng hoặc phá hủy các transistor trong bộ biến tần

x Nối điện trở hãm - Chân DC_BUS bị giám sát ở tần số 5,3 kHz (4.0 kHz khi tần số PWM

được thiết lập là 15,9 kHz), và khi điện áp đạt đến một ngưỡng nhất định, chân RBRAKE được lái lên mức cao Tín hiệu này có thể được dùng để điều khiển điện trở hãm được đặt trên các tụ điện cổng DC, như vậy năng lượng cơ từ động cơ sẽ bị tiêu tán thành nhiệt trong các điện trở thay vì trữ điện áp trong tụ điện.Trong chế độ độc lập, ngưỡng ở chân DC_BUS cần để xác định tín hiệu ở chân RBRAKE cố định ở 3.85 volt (110% định mức) khi giá trị định mức là 3,5 volt Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính, ngưỡng này có thể đặt giá trị bất kỳ giữa 0 volt (0% định mức) và lớn hơn 5 volts (143% định mức) và có thể thay đổi bất cứ lúc nào

x Điều khiển giảm tốc độ tự động - Khi giảm tốc độ động cơ, MC3PHAC sử dụng giá trị gia

tốc quy định cho giảm tốc độ Nếu điện áp trên chân DC_BUS đạt đến một ngưỡng nào đó, MC3PHAC bắt đầu hãm động cơ theo mức điện áp này, như trong Hình 7 Phạm vi điện áp trên chân DC_BUS là từ khi bắt đầu giảm tốc độ , đến khi nó tới 0, là 0,62 vôn Trong chế độ độc lập, điện áp chân DC_BUS ở đó quá trình giảm tốc độ bắt đầu được cố định tại 3,85 volt (110% khi giá trị định mức là 3,5 volt Trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính, ngưỡng này có thể được cài đặt từ 0 volt (0% định mức) và lớn hơn 5 volt (143% định mức), và

có thể thay đổi bất cứ lúc nào

Hình 7 : Hãm tốc là một hàm của điện áp ở ngõ DC_BUS

Cung cấp nguồn ở bộ kĩ thuật số MC3PHAC

VDD và VSS là hai chân cung cấp nguồn và nối đất cho MC3PHAC Để tránh bị nhiễu, cần phải cẩn thận khi cung cấp nguồn cho chân VDD và VSS Nối các tụ rẽ nhánh càng gần MC3PHAC càng tốt Sử dụng tụ gốm đáp ứng tần số cao, ví dụ: 0.1 μF, nối song song với nhau để được bộ tụ

từ 1μF đến 10 μF

Nguồn cung cấp cho bộ tương tự

VDDA và VSSA là chân cấp điện cho phần analog của bộ xung nhịp và bộ ADC Trong sơ đồ mạch của tài liệu này, "đất" của tín hiệu tương tự được đánh nhãn A và "đất" khác là của nguồn số Nguồn Analog được đánh nhãn +5 A Đây là một ví dụ tốt để cách ly tín hiệu tương tự và nguồn

"số" (digital power) +5 volt được cấp bằng cách nối một cuộn cảm nhỏ hay một điện trở nhỏ hơn 5 ohm nối tiếp với nguồn "số" để tạo ra +5 A ADC VREF là chân cung cấp điện cho các cài đặt điện

áp tham khảo của ADC

Việc tách rời những chân này có thể ở nguồn cung cấp vòng được nói ở bên trên ADC VREF (chân 1) và VDDA (chân 3) sẽ được nối với nhau và kết nối với cùng một điện thế chẳng hạn là VDD

Nối đất cho MC3PHAC

Bố trí mạch in là một khâu thiết kế rất quan trọng Đặc biệt là cực nối đất và việc liên kết chúng với nhau thế nào sẽ ảnh hưởng tới khả năng chống nhiễu của hệ thống Để tối đa hóa khả năng tránh nhiễu, việc chọn được một mặt nối đất tốt (ground plane) rất quan trọng cho MC3PHAC Nó cũng rất quan trọng để cách ly tín hiệu tương tự và tín hiệu số Đó là lý do tại sao trên các sơ đồ mạch lại thiết kế 2 nối đất, nối đất cho tín hiệu tương tự được đánh dấu với ký tự A và các nối đất khác là của nối đất tín hiệu số GND là chân nối đất cho tín hiệu số và trả công suất về GNDA là chân nối đất cho mạch tín hiệu tương tự Cả 2 đều ở cùng một mức điện áp tham khảo nhưng được chuyển hướng riêng rẽ và nối lại tại cùng một điểm

Trạng thái đóng ngắt (Power-Up/Power-Down)

Khi điện được cấp hay ngắt, các ngõ ra transitor ở hàng trên và dưới của bộ biến tần cùng pha phải không được đóng đồng thời Vì các trạng thái logic luôn được xác định trong quá trình khởi động, phải đảm bảo tất cả các transistor công suất vẫn còn ngắt khi điện áp của vi điều khiển vẫn dưới mức điện áp vận hành bình thường Các ngõ ra PWM của MC3PHAC thực hiện điều này dễ

dàng bằng cách chuyển sang cấu hình trở kháng cao bất cứ khi nào nguồn cung cấp 5-volt ở dưới mức tối thiểu quy định của nó

Người dùng nên sử dụng điện trở pullup hoặc pulldown trên đầu ra của PWM để đảm bảo trong suôt quá trình mở điện và ngắt điện ngõ vào mạch lái của biến tần đang ở trạng thái ngắt

CHƯƠNG IV - CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA MC3PHAC

MC3PHAC là một vi điều khiển nhiều tính năng dùng để điều khiển động cơ 3 pha MC3PHAC

có những tính năng như tạo dạng sóng 3 pha, chống nhiễu cổng vào và một bộ lọc xử lý số tín hiệu tốc độ

Bộ điều khiển động cơ MC3PHAC sẽ hoạt động trong hai chế độ

- Chế độ đầu tiên là hoạt động độc lập, theo đó MC3PHAC có thể được sử dụng mà không cần bất kỳ sự can thiệp nào từ máy tính cá nhân bên ngoài Trong chế độ độc lập, MC3PHAC khởi động nhờ các thiết bị kết nối thụ động với MC3PHAC và ngõ vào cho hệ thống ở các khoảng thời gian khởi động hay reset (power-up/reset) Trong chế độ độc lập, một số thông số tiếp tục được nhập vào hệ thống Tốc độ, tần số PWM, điện áp cổng, và các thông số gia tốc đầu vào được đưa vào hệ thống theo thời gian thực qua những thiết đặt phần cứng

- Chế độ thứ hai là chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính.Chế độ vận hành này đòi hỏi phải

sử dụng một máy tính cá nhân và một phần mềm điều khiển thực thi trên máy tính cá nhân, kết nối với MC3PHAC hoặc từ một vi điều khiển giả lập các lệnh của phần mềm điều khiển Tất cả các lệnh và thông tin cài đặt là tín hiệu đầu vào MC3PHAC qua các máy chủ PC

1 Hoạt động

Nếu chân VBOOST_MODE ở mức cao khi MC3PHAC khởi động hay sau khi reset, MC3PHAC sẽ chạy ở chế độ độc lập Trong chế độ này, các chức năng của nhiều chân trong bộ MC3PHAC thay đổi vì vậy thiết bị có thể điều khiển động cơ mà không cần thông tin cài đặt từ bên ngoài Khi hoạt động trong chế độ độc lập, MC3PHAC sẽ lái một số chân tương ứng với các thông số đã được chỉ rõ, đồng thời giám sát tín hiệu của các chân khác

Trong nhiều trường hợp, thông số được xác định là tín hiệu điện áp analog ở chân MUX_IN, các chân khác bị lái xuống mức thấp Làm như vậy, MC3PHAC có thể sử dụng bộ trộn kênh analog bên ngoài, bộ trộn kênh này sẽ chuyển đổi nhiều tín hiệu trên chân MUX_IN khi tín hiệu chọn đường dẫn xuống mức thấp Tất cả các tín hiệu phải nằm trong vùng từ 0V đến VREF Trở kháng tương đương Thevenin của mạng lưới thụ động này nhìn từ chân MUX_IN thì rất quan trọng và nên nằm trong khoảng 5 kΩ đến 10 kΩ Nếu điện trở quá cao, dòng rò từ các chân vào/ra (I/O) sẽ tạo nên điện áp offset, nó sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của tín hiệu đọc Nếu giá trị điện trở quá nhỏ, thông số lựa chọn chân sẽ không thể đưa dòng điện cần thiết để đảm bảo tín hiệu đọc được chính xác Sử dụng điện trở pullup 6,8 kΩ (như trong Hình 8), kết quả của những thông số được thiết đặt bởi việc chọn giá trị những biến trở trong hỉnh 9, hình 10 hình 11 và bảng 4 Một công tắc có thể được nối trực tiếp với chân START Ngõ vào này rất nhạy nhưng mức logic phải tồn tại ở mức 1 trên chân này trước khi trở về mức 0, nó được xem là một tín hiệu khởi động Điều này giúp động cơ tránh khởi việc khởi động ngẫu nhiên trong trường hợp MC3PHAC đang được khởi động khi công tắc đang ở vị trí khởi động

Chân ngõ vào FWD có thể được nối trực tiếp với một công tắc Ngõ vào này cũng rất nhạy

Hình dưới cho thấy sơ đồ bố trí jumper nối với chân ngõ vào PWMPOL_BASEFREQ Để mạch chạy đúng, tại thời điểm bất kỳ chỉ có một jumper được kết nối Bảng 3 cho thấy sự phân cực

và các sự lựa chọn tần số cơ bản như là một chức năng của các jumper

Hình 12 : Mạch tham khảo MC3PHAC chạy ở chế độ độc lập

2 Biều đồ thay đổi thông số hoạt động ở chế độ độc lập

Hình 9 : Lựa chọn Dead Time theo thông số của biến trở

Hình 10 : Lựa chọn thời gian thử chạy lại theo thông số biến trở

Hình 11 : Lựa chọn phần trăm điện áp khởi động theo thông số của biến trở

3 Điện trở deadtime là 5.1kΩ nghĩa là 4.5μs (từ Bảng 9)

4 Fault retry time resistor = 8.2 kΩ, nghĩa là 32.8 giây (từ Hình 10)

5 Voltage boost resistor = 12 kΩ, nghĩa là 25.5% (từ Hình 11)

6 Điện áp trên cầu phân áp là 2.5V = gia tốc là 64Hz/giây (từ mô tả điều khiển gia tốc trên Trang 11) Trong trường hợp này, cầu phân áp có thể là cầu chia điện trở.Nếu một cầu chia điện trở thay thế cho cầu phân áp gia tốc, hãy dùng điện trở tổng nhỏ hơn 10 kΩ Luôn sử dụng điện trở 4.7 kΩ nối tiếp với vị trí chính giữa của cầu chia điện trở phân áp gia tốc nối

7 Các giá trị của tụ điện ở bộ tinh thể cộng hưởng (crystal/resonator) theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất

1 Giao thức kết nối của MC3PHAC

a.Giới thiệu về giao thức kết nối bằng phần mềm máy chủ

MC3PHAC tương thích với phần mềm máy chủ của Freescale theo giao thức giao tiếp nối tiếp (SCI) Giao tiếp diễn ra trên bộ UART gắn trên chíp MC3PHAC với thiết bị bên ngoài ở tốc độ baud là 9600 Thiết bị đó có thể là 1 vi điều khiển có tích hợp bộ UART hay là một máy tính cá nhân thông qua cổng COM Với phần mềm máy tính, một bộ điều khiển bên ngoài có thể theo dõi

và kiểm soát tất cả các hoạt động của MC3PHAC

Khi MC3PHAC hoạt động ở chế độ phần mềm máy tính, tất cả điều khiển hệ thống đều thông qua bộ UART tích hợp sẵn trên MC3PHAC Các ngõ vào như START, FWD, SPEED, ACCEL, MUX_IN, PWMPOL_BASEFREQ sẽ không ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Ngay cả các ngõ vào SPEED, START, và FWD cũng bị vô hiệu hóa khi hệ thống đang trong chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính Các trạng thái của những ngõ vào này được quan sát bằng phần mềm máy tính

Máy tính cá nhân thường được sử dụng để chạy phần mềm này với giao diện đồ họa cho người

sử dụng, vẽ đồ thị các dữ liệu, giao diện ActiveX Hình 13 cho thấy MC3PHAC được cấu hình ở chế độ phần mềm máy tính Tài liệu này sẽ không mô tả giao thức của phần mềm máy tính hay cách cài đặt trên máy tính cá nhân Để có thêm thông tin về những vấn đề này, hãy tham khảo các tài liệu liên quan khác của Freescale về giao thức của phần mềm máy tính và các phần mềm sẵn có cho máy chủ

Hình 13 : Cấu hình MC3PHAC chạy ở chế độ điều khiển từ máy chủ Khi cấp điện lần đầu tiên cho MC3PHAC hoặc một mức logic thấp đặt vào chân RESET, MC3PHAC lập tức đi vào chế độ điều khiển bằng phần mềm máy tính nếu chân VBOOST_MODE

ở mức thấp trong suốt thời gian khởi động MC3PHAC ghi nhận một tập hợp con của tập lệnh của phần mềm máy tính, được liệt kê trong Bảng 5

Bảng 5 Các lệnh được ghi nhận bởi phần mềm máy chủ

GETINFOBRIEF MC3PHAC sẽ trả về thông tin tóm tắt ngắn gọn về cài đặt phần cứng và thông

tin cấu hình các liên kết READVAR8 MC3PHAC đọc một biến 8-bit ở địa chỉ chỉ định và trả về giá trị của nó

READVAR16 MC3PHAC đọc một biến 16-bit ở địa chỉ chỉ định và trả về giá trị của nó READVAR32 MC3PHAC đọc một biến 32-bit ở địa chỉ chỉ định và trả về giá trị của nó WRITEVAR8 MC3PHAC viết giá trị một biến 8-bit vào địa chỉ chỉ định

WRITEVAR16 MC3PHAC viết giá trị một biến 16-bit vào địa chỉ chỉ định

Với các lệnh READVARx, các địa chỉ được kiểm tra hiệu lực, và lệnh được thực thi chỉ khi địa chỉ nằm trong giới hạn thích hợp Nói chung, một lệnh được đọc với một giá trị địa chỉ dưới $0060 hoặc trên $EE03 sẽ không thực thi chính xác, nhưng thay vào đó sẽ trả về một tín hiệu hoạt động không hợp lệ Một ngoại lệ cho quy tắc này là phần mềm máy tính cho phép đọc các địa chỉ $0001,

$0036 và $FE01, chúng là thanh ghi PORTB, thanh ghi deadtime và các thanh ghi trạng thái reset Các địa chỉ cho các lệnh WRITEVARx được kiểm tra hiệu lực, và các vùng dữ liệu cũng giới hạn trong phạm vi hợp lệ cho mỗi biến Xem Bảng 6 cho danh sách các giá trị dữ liệu hợp lệ và các địa chỉ hợp lệ

Các biến giao diện người dùng và các địa chỉ hỗ trợ bởi phần mềm máy tính được liệt kê trong Bảng 6

Bảng 6 Các biến giao diện người dùng sử dụng với phần mềm máy tính

$11 Stop — $20 Lệnh reset $1000 W 1 Ép MC3PHAC phải reset ngay

$42 15.9 kHz —

$44 21.1 kHz —

$48

Đọc chu kỳ PWM $00A8 R 2

Giá trị nguyên (modulus – biên độ) cấp cho bộ điều chế PWM được sử dụng bởi MC3PHAC – giá trị này nhân với 250ns để nhận được chu kỳ PWM

Deadtime = (giá trị)*125ns Thông số này chỉ được viết một lần

Điều khiển tần số

của động cơ(3) $0062 R/W 2 Điều khiển tần số theo đơn vị

Hz (định dạng 8.8(9)) $0000–$7FFF Tần số thực $0085 R 2 Tần số thực của động cơ theo

Hz (định dạng 8.8) $0000–$7FFF Trạng thái(7) $00C8 R 1 Byte trạng thái $00–$FF

Điện áp boost

(Voltage boost) $006C R/W 1 Điện áp 0Hz

%Điện áp boost = (giá trị)/$FF $00–$FF

Tỷ số điều chế $0091 R 1 Mức điện áp (phần trăm biên độ

dạng sóng động cơ sau khi giả $00–$FF

sử không có bù nhiễu ở cồng)

Tỷ số điều chế = (giá trị)/$FF

Điện áp lớn nhất $0075 R/W 1

Chỉ số điện áp lớn nhất cho phép điều chế

%Điện áp lớn nhất = (giá trị)/$FF

$00–$FF

Điện áp VBus (5),(10) $0079 R 2 Giá trị đọc điện áp cổng DC $000–$3FF

Thời gian chờ sau

Chỉ định thời gian chờ sau khi

có lỗi trước khi cho phép động

$0000–$FFFF Giá trị hãm tốc

VBus(10) $00C9 R/W 2 Giá trị đọc VBus lớn hơn giá trị

này để làm giảm tốc $0000–$03FF Giá trị RBRAKE

trên VBus(10) $0064 R/W 2

Giá trị đọc Vbus lớn hơn giá trị này để chân RBRAKE được sử dụng

$0000–$03FF Giá trị quá áp trên

VBus(10) $0068 R/W 2 Giá trị đọc VBus lớn hơn giá trị

này sẽ xuất hiện lỗi quá điện áp $0000–$03FF Tốc độ trong bộ

Giá trị nhị phân 10-bit canh trái của tốc độ đọc từ ngõ vào chân SPEED

$0000–$FFC0

Cài đặt (7) $00AE R 1

Trường bit này chỉ rõ những thông số nào vừa được khởi tạo trước khi cho phép động cơ

$E0–$FF

Trường bit này chỉ rõ trạng thái hiện tại của khóa start/stop và forward/reverse

$00–$FF

Trạng thái reset(6),(7) $FE01 R 1 Chỉ rõ nguyên nhân của lần

Phiên bản $EE00 R 4 Phiên bản của MC3PHAC ASCII field

1 Các lệnh điều khiển tần số PWM không thể thực thi cho đến khi các ngõ ra PWM ra khỏi trạng thái trở kháng cao Tần số PWM mặc định là 15.873 kHz

2 Các chân ngõ ra PWM vẫn ở trạng thái trở kháng cao cho đến khi các thông số này được xác định

3 Thông số này phải được xác định trước khi MC3PHAC khởi động động cơ

4 Thông số này chỉ được phép ghi (cài đặt) một lần Lần ghi đầu tiên vào địa chị này sẽ thực hiện bình thường Những lần ghi sau sẽ làm xuất hiện tín hiệu hoạt động không hợp lệ từ MC3PHAC

5 Giá trị của tham số này không hợp lệ cho đến khi các ngõ ra PWM ra khỏi trạng thái trở kháng cao

6 Các dữ liệu trong vùng này chỉ được phép đọc 1 lần Các lần đọc tiếp theo sẽ trả về giá trị ở

7 Xem các mô tả các bit của thanh ghi

8 Gia tốc là một giá trị không dấu với 7 bit cao ở vùng $00 đến $7F = vùng giá trị của gia tốc

từ 0 đến 127Hz/giây 9 bit cao tạo thành một vùng nhỏ hơn của thông số gia tốc Phạm vi của nó từ $000 đến $1FF tương ứng giá trị từ 0 đến 1 Vì vậy, vùng gia tốc là từ 0 đến 127.99 Hz/giây

9 Lệnh điều khiển tần số động cơ và tần số thực là giá trị có dấu với byte cao là $00 đến $7F

= tần số 0-127 Hz Byte thấp là vùng nhỏ hơn của tần số Phạm vi của nó là $ 00 đến $ FF tương ứng với giá trị từ 0 đến 1

10 VBus là giá trị điện áp cấp cho chân ngõ vào tín hiệu analog DC BUS Bộ ADC 10-bit với ngõ vào lớn nhất 5 volt.Giá trị này bằng với điện áp cấp cho chân ngõ vào DC_BUS/VREF*$03FF

Mỗi biến liệt kê trong Bảng 6 được định nghĩa trong Hình 14, Hình 15, Hình 16, Hình 17

SPEED CHANGING Bit - Bit này chỉ cho phép đọc, nó chỉ rõ trạng thái

của đông cơ là ổn định, tăng tốc hay giảm tốc

0 Động cơ đang ở trạng thái ổn định tốc độ

1 Động cơ đang tăng tốc hoặc giảm tốc

5

FORWARD

MOTION

FORWARD MOTION Bit - Bit này chỉ cho phép đọc, nó chỉ rõ chiều

quay của đông cơ Nó cũng cho biết động cơ đã dừng hay chưa

1 Tất cả các kết quả đầu ra PWM đã được kích hoạt

3 RESISTIVE BREAK Bit - Bit này chỉ cho phép đọc, nó chỉ rõ trạng thái

RESISTIVE

BREAK

của ngõ ra chân RBRAKE

0 Ngõ ra chân RBRAKE đang không được kích hoạt và không có quá trình hãm nào diễn ra

1 Ngõ ra chân RBRAKE đã được kích hoạt Quá trình hãm đang diên ra

2

EXTERNAL

FAULT TRIP

EXTERNAL FAULT TRIP Bit - Bit này chỉ cho phép đọc, nó chỉ rõ một

tín hiệu LỖI đã xảy ra từ một mức logic 1 cấp vào chân FAULTIN

0 Mức logic 0 đang được cấp cho chân FAULTIN và không có khoảng thời gian LỖI nào được chạy

1 Mức logic 1 được cấp cho chân FAULTIN và khoảng thời gian LỖI vẫn đang được chạy

1

OVER-VOLTAGE

TRIP

OVER-VOLTAGE TRIP Bit - Bit này chỉ cho phép đọc, nó chỉ rõ nếu

điện áp trên chân DC_BUS vượt quá giá trị định sẵn VBus - quá điện áp ở địa chỉ $0068 và $0069

0 Điện áp cấp cho chân DC_BUS nhỏ hơn giá trị đặt trước quá áp VBus và khoảng thời gian chờ LỖI không được kích hoạt

1 Điện áp cấp cho chân DC_BUS vượt quá giá trị đặt trước quá áp VBus và khoảng thời gian chờ LỖI được kích hoạt

0

UNDER-VOLTAGE TRIP

UNDER-VOLTAGE TRIP Bit - Bit này chỉ cho phép đọc, nó chỉ rõ nếu

điện áp ở chân DC_BUS nhỏ hơn giá trị hiện tại của sụt áp VBus

ở địa chỉ $0066 và $0067

0 Điện áp cấp cho chân DC_BUS lớn hơn giá trị dưới điện áp đặt trước VBus

và khoảng thời gian chờ LỖI không được kích hoạt

1 Điện áp cấp cho chân DC_BUS nhỏ hơn giá trị dưới điện áp đặt trước VBus

và khoảng thời gian chờ LỖI được kích hoạt

Địa chỉ: $00AE

Hình 15 Thanh ghi cài đặt (Setup register)