Thiết kế bộ biến tần ba pha theo phương pháp SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC

Tài liệu luận văn trình bày thiết kế biến tần điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp SINPWM sử dụng vi điều khiển PIC từ cơ sở lý thuyết đến thiết kế mạch điện, phần mềm đến thi công mạch, vận hành và cân chỉnh kết quả mạch điện hoạt động đúng đảm bảo yêu cầu của đề tài và khả thi áp dụng thực tế

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ HÌNH VẼ……… vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 5

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 5

1.2 PHÂN LOẠI BIẾN TẦN 6

1.2.1 Biến tần trực tiếp 6

1.2.2 Biến tần gián tiếp 8

1.3 CÁC KHỐI TRONG BIẾN TẦN GIÁN TIẾP 10

1.3.1 Khối chỉnh lưu 11

1.3.2 Khối lọc 13

1.3.3 Khối nghịch lưu 14

1.3.4 Điều biến độ rộng xung (Khối băm) 15

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 16

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SINPWM VÀ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F4431 17

2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SINPWM 17

2.1.1 Các công thức tính toán 19

2.1.2 Cách thức điều khiển 20

2.1.3 Quy trình tính toán 22

2.1.4 Hiệu quả của phương pháp điều khiển 27

2.2 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F4431 28

2.2.1 Tổng quan về vi điều khiển PIC [5] 28

2.2.2 Giới thiệu khái quát về cấu trúc phần cứng 30

2.2.3 Khái quát về các thanh ghi 37

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 53

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 3 PHA 54

Bảng 3.1 Thông số động cơ 54

3.1 CẤU TẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ PHẦN CỨNG 54

3.1.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển 54

3.1.2 Giới thiệu chi tiết các khối điều khiển 55

3.2 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 61

3.2.1 Sơ đồ mạch lái và cách ly 61

3.2.2 Sơ đồ mạch động lực 62

3.2.3 Sơ đồ mạch điều khiển 63

3.3 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 63

3.3.1 Sơ đồ khối giải thuật 63

3.3.2 Sơ đồ giải thuật chương trình 64

3.3.3 Kết quả khảo sát 67

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

I KẾT LUẬN 72

II KIẾN NGHỊ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 74

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog To Digital Conversion Bộ chuyển đổi tuần tự sang

số

điều khiển

Fosc Oscillator Frequency Tần số dao động

MCU Micro Controller Unit Vi điều khiển

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

SINPWM Sin Pulse Width Modulation Điều rộng xung sin

AC Alternating Current Điện xoay chiều

PIC Programable Intelligent Computer Máy tính thông minh khả trình

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số động cơ 52Bảng 3.2 Bảng định nghĩa các chân của IC TLP250 54Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của IC TLP250 55

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của IGBT-FGA25N120 57

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Biến tần SIEMENS 5

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp 6

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp 6

Hình 1.4 Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin 7

Hình 1.5 Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp 8

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp 9

Hình 1.7 Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu áp 9

Hình 1.8 Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu dòng 10

Hình 1.9 Cấu trúc của một biến tần 10

Hình 1.10 Các sơ đồ mạch chỉnh lưu 12

Hình 1.11 Các dạng sóng điện áp ra của bộ chỉnh lưu 12

Hình 1.12 Sơ đồ mạch lọc 13

Hình 1.13 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha 14

Hình 1.14 Giản đồ xung thời gian của điện áp ra của tải theo thời gian 15

Hình 1.15 Điều biến độ rộng xung đơn cực 16

Hình 1.16 Điều biến độ rộng xung lưỡng cực 16

Hình 2.1 Nguyên lý của phương pháp điều chế độ rộng SIN 1 pha 17

Hình 2.2 Sơ đồ kết nối các khóa trong bộ nghich lưu 18

Hình 2.3 Nguyên lý của phương pháp điều rộng xung SIN 3 pha và dạng sóng điện áp ngõ ra 18

Hình 2.4 Quá trình hoạt động của bộ biến đổi 21

Hình 2.5 Giản đồ miêu tả hoạt động của bộ PWM khi thay đổi giá trị thanh ghi so sánh 24

Hình 2.6 Giản đồ thời gian miêu tả hoạt động bộ PWMMDB8 25

Hình 2.7 Sơ đồ kết nối các khóa trong bộ nghich lưu 28

Hình 2.8 Sơ đồ chân của PIC 18F4431 30

Hình 2.9 Cấu trúc bên trong của vi điều khiển PIC 18F4431 31

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo bên trong một I/O 37

Hình 2.11 Sơ đồ cấu tạo tổng quan của các I/O Port trong MCU 39

Hình 2.12 Sơ đồ khối của module PWM 41

Hình 2.13 Sơ đồ khối modul PWM time base 43

Hình 2.14 Giản đồ thời gian ngắt của module PWM với kiểu chạy tự do 44

Hình 2.15 PWM với kiểu Single-Shot 45

Hình 2.16 PWM với Kiểu đếm lên /xuống 46

Hình 2.17 Bộ đếm tỉ lệ trong module PWM 47

Hình 2.18 Cập nhật giái trị PWM ở chế độ tự do, chế độ đếm lên –xuống 48

Hình 2.19 Chế độ dutycycle trong thanh ghi của module PWM 49

Hình 2.20 Xung PWM dạng edge-aligned 49

Hình 2.21 Cập nhật giá trị PWM trong chế độ đếm lên xuống 50

Hình 2.22 Cập nhật giá trị PWM trong chế độ cập nhật kép 50

Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc của bộ tạo thời gian dead time 51

Hình 2.24 Sơ đồ cấu trúc của bộ A/D 52

Hình 2.25 Cặp thanh ghi kết quả: ADRESH và ADRESL 53

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển dùng mosfet 55

Hình 3.2 Sơ đồ khối của IC TLP250 56

Hình 3.3: Hình dáng IC TLP250 57

Hình 3.4 Sơ đồ ký hiệu của MOSFET và IGBT 57

Hình 3.5 Hình dạng và ký hiệu của IGBT- FGA25N120 58

Hình 3.6 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha IGBT 59

Hình 3.7 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha 60

Hình 3.8 Sơ đồ mạch lái và cách ly 61

Hình 3.9 Sơ đồ mạch động lực 62

Hình 3.10 Sơ đồ khối mạch điều khiển 63

Hình 3.11 Sơ đồ khối điều khiển chính 62

Hình 3.12 Sơ đồ khối hiển thị 63

Hình 3.13 Sơ đồ khối nút bấm 63

Hình 3.14 Mạch lái và cách ly 67

Hình 3.15 Mạch điều khiển 68

Hình 3.16 Mạch động lực 68

Hình 3.17 Xung điều khiển 69

Hình 3.18 Xung điện áp ngõ ra 70

Hình 3.19 Màn hỉnh hiển thị thông số 70

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Cùng với sự phát triển của điện khí hóa và tự động hóa, động cơ không đồng

bộ với những ưu điểm như giá thành thấp, không cần bảo trì thường xuyên, khảnăng làm việc cao nên được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp

và trong đời sống hàng ngày

Hiện nay điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng biến tần theo phương pháp SINPWM đã và đang là giải pháp thông dụng trong các hệ thống

truyền động điện hiện đại ngày nay Nó dần dần thay thế các hệ truyền động dùngđộng cơ một chiều với giá thành cao và độ tin cậy thấp Cùng với sự phát triểnmạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi xử lý đặc biệt là phương pháp điềuchế độ rộng xung để điều khiển các tín hiệu điện áp ra gần giống sin giúp cho cácđộng cơ làm việc ổn định hơn kể cả khi có tín hiệu nhiễu trong công nghiệp

Với nhận thức trên, tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế bộ biến tần ba pha theo

phương pháp SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC” làm luận văn tốt nghiệp của

mình nhằm tìm hiểu các phương pháp điều khiển biến tần nguồn áp cung cấp chođộng cơ theo phương pháp điều chế SINPWM, nghiên cứu giải thuật và viết chươngtrình để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo phương pháp SINPWM

2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

Từ cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điềukhiển bằng tần số và qua tìm hiều khảo sát các bộ biến tần thực tế hiện nay cũngnhư đánh giá các phương pháp điều khiển thì việc điều khiển tốc độ động cơ bằngcác thiết bị khởi động mềm đang được sử dụng rất nhiều trong thực tế như: phươngpháp điều khiển U/f, phương pháp điều chế SINPWM, phương pháp điều chế vectorkhông gian, …

Điều khiển động cơ sử dụng biến tần bằng hai phương pháp đó là điều khiểngián tiếp và điều khiển trực tiếp [1,4] Tuy nhiên trong luận văn này tác giả đi sâuvào nghiên cứu điều khiển động cơ bằng bộ biến tần gián tiếp nó đã trở thành mộtphương thức điều khiển phổ biến và có tính ứng dụng cao trong thực tế

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung SINPWM đã và đang được áp dụng rất phổbiến trong công nghiệp để tạo ra điện áp xoay chiều dạng sin mà biên độ không thayđổi cho dù có các hiện tượng nhiễu tín hiệu điện áp trong công nghiệp Trong thực

tế có nhiều cách có thể điều chế được độ rộng xung SINPWM như: Lắp ráp cácmạch điện phần cứng sử dụng các IC số… Hiện nay điều chế độ rộng xungSINPWM được sử dụng với phương pháp lập trình các chíp vi điều khiển được sửdụng rộng rãi và phổ biến với dòng PIC 18F4431 là loại mà được Microchip sảnxuất dùng để chuyên điều khiển các loại động cơ 1 chiều, 1 pha, 3 pha với độ phângiải lên đến 10 bit và có 3 module PWM [6,7]

Vấn đề điều chỉnh tần số đầu ra cho bộ biến đổi kết hợp với các thông sốđiện áp đầu ra được nghiên cứu trong luận văn này theo phương pháp điều chế độrộng xung SINPWM để điều khiển phần tử nghịch lưu sử dụng các IGBT [8] Khâubảo vệ cho thiệt bị vẫn là vấn đề mà cần phải được tiếp tục phát triển và nghiên cứutiếp

3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Mục đích của luận văn là nghiên cứu phương pháp điều khiển thay đổi tần

số, điện áp đầu ra của bộ biến đổi dựa trên thuật toán điều khiển điều chế độ rộngxung SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC Mặt khác tác giả nghiên cứu phân tích

và xây dựng mô hình khối nghịch lưu của bộ biến tần cụ thể :

- Tìm hiểu và thiết kế bộ biến tần ba pha theo phương pháp điều chếSINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC

- Tìm hiểu các chức năng của modul PWM sử dụng trong vi điều khiển PIC18F4431

- Khảo sát nguyên tắc đóng cắt các khóa bán dẫn trong bộ nghịch lưu

- Kiểm tra, đánh giá dạng sóng điện áp ngõ ra

- Nghiên cứu giải thuật và viết chương trình điều khiển, làm sản phẩm thực tế

để phục vụ vào quá trình điều khiển tốc độ quay của động cơ trong quá trình sản

xuất cũng như áp dụng vào quá trình giảng dạy trong các trường dạy nghề giúp sinhviên tiếp cận tốt hơn với yêu cầu thực tế

4 CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI

Luận văn của tôi được chia làm 3 chương:

Chương 1 Giới thiệu tổng quan về biến tần

Phân tích các cơ sở lý thuyết của các loại biến tần và các phương thức điềukhiển, các khối dùng trong biến tần, các dạng sóng của các sơ đồ điều khiển bởi cáckhóa bán dẫn trong các bộ nghịch lưu, các phương pháp điều biên độ rộng xung

Chương 2 Phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC 18F4431

+ Tìm hiểu về phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM ứng dụng viđiều khiển PIC

+ Cách thức điều khiển để điều chế độ rộng xung theo phương pháp PWM sửdụng vi điều khiển PIC

+ Nghiên cứu cấu trúc của vi điều khiển PIC, các chế độ làm việc của cácthanh ghi và các module có bản của vi điều khiển PIC 18F4431 đặc biệt là modulePWM và các module chức năng được ứng dụng trong chương trình thuật toán lậptrình điều khiển

Chương 3 Thiết kế bộ biến tần nguồn áp 3 pha

Để xây dựng cấu trúc phần cứng của mạch điện ta cần:

+ Nêu được yêu cầu các mạch lái và cách ly IGBT hoặc MOSFET để lựachọn được linh kiện phù hợp

+ Tra thông số kỹ thuật của các IGBT để lựa chon cho phù hợp đảm bảo theoyêu cầu

+ Sau khi đưa ra được cơ sở lý thuyết, sẽ tiến hành vẽ mạch nguyên lý, mạch

in, gia công mạch và thực hiện lắp ráp các mạch theo sơ đồ nguyên lý

+ Khi có phần cứng hoàn chỉnh ta tiến hành xây dựng giải thuật chươngtrình, lập trình cho vi điều khiển PIC bằng phần mềm CCS hoặc C… và tiến hànhhiệu chỉnh các thông số cho phù hợp với yêu cầu đặt ra

+ Sau khi lập trình xong ta tiến hành nạp chương trình và cấp nguồn, sử dụngcác dụng cụ đo như đồng hồ vạn năng, máy hiện sóng để đo các thông số như điện

áp đầu ra, dạng sóng, xung điều khiển PWM, sóng điện áp khi không có tải và khi

có tải

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết à khảo sát nguyên tắc đống cắt của các khóa bán dẫn

và phương pháp điều chế độ rộng xung SINPWM ứng dụng vi điều khiển PIC à vẽmạch điện, lập trình mô phỏng bằng phần mềm à lắp ráp phần cứng, phân tích vàđánh giá các kết quả àKết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Hình 1.1 Biến tần SIEMENS

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo đểthay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạchnhư điện trở phụ, thay đổi từ thông Từ đó tạo ra các đặc tính cơmới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp đểđiều chỉnh tốc độ động cơ:

+ Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ

số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

+ Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện, phương pháp nàylàm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được cực tính điềuchỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiểnbằng điện tử

Khảo sát thực tế cho thấy:

+ Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiểnmômen

+ Trong các bộ điều khiển mômen động cơ chiếm 55% là cácứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điềuhòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủyếu là trong công nghiệp nặng

Trước kia khi công nghệ bán dẫn chưa phát triển, người ta sửdụng chủ yếu các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưu điểm chínhcủa các thiết bị chính dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt(ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bándẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:

+ Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn+ Tổn thất công suất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổnthất trên hệ thống nghịch lưu

+ Chiếm diện tích lắp đặt lớn dẫn đến khó khăn trong việclắp đặt, bảo trì cũng như thay mới

+ Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ

bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hòa từ của lõi thépmáy biến áp

1.2 PHÂN LOẠI BIẾN TẦN

Biến tần thường được chia làm hai loại:

+ Biến tần trực tiếp

+ Biến tần gián tiếp

1.2.1 Biến tần trực tiếp

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điệnxoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều Tần số rađược điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới (f1<flưới) Loại biếntần này hiện nay ít sử dụng

Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 1.2 Bộbiến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồnđiện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoaychiều có điện áp và tần số điều chỉnh được Do quá trình biến đổikhông phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực

tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter)

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp

Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạobởi mạch điện mắc song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu thyristor(hình 1.3) Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận nghịch lần lượt được điềukhiển làm việc theo chu kỳ nhất định Trên phụ tải sẽ nhận đượcđiện áp ra xoay chiều U1 Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điềukhiển α, còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quátrình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc songsong ngược Nếu góc điều khiển α không thay đổi thì điện áp trungbình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu

ra Muốn nhận được điện áp đầu ra có dạng gần hình sin hơn cầnphải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnhlưu trong thời gian làm việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra);chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thayđổi góc điều khiển α từ π/2 (ứng với điện áp trung bình bằngkhông) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau

đó lại tăng dần α từ 0 lên tới π /2 thì điện áp trung bình đầu ra của

sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc αthay đổi trong phạm vi π/2 ÷ 0 ÷ π/2, để điện áp biến đổi theo quyluật gần hình sin, như trên hình 1.4 Trong đó, tại điểm A có α = 0,điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, Egóc α tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đếnđiểm F với α = π/2 điện áp trung bình là 0

Hình 1.4 Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay

chiều-xoay chiều hình sin [1]

Hình 1.5 Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm

việc của các khâu trong biến tần trực tiếp [1].

Trên đây đã phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều xoay chiều (trực tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũngdùng mạch điện đảo chiều mắc song song ngược, điện áp trungbình đầu ra có góc pha lệch nhau 1200 Như vậy, nếu mỗi một sơ

-đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ -đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha

sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng mộttiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18

tiristor Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉdùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rấtnhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn.

Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượngphần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lượngđiện áp ra thấp, nhưng có ưu điểm là hiệu suất cao hơn so với các

bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất

hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ công suấtđến 16.000 KW) Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.5) ta thấy công suấttức thời của biến tần bao gồm có bốn giai đoạn Trong hai khoảng

ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dương, biến tần lấycông suất từ lưới cung cấp cho tải Trong hai khoảng còn lại ta cótích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biếnđổi cung cấp lại công suất cho lưới

1.2.2 Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp

Như vậy để biến đổi tần số cần qua một khâu trung gian mộtchiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần loại này còn được phânlàm hai loại:

+ Biến tần dùng nghịch lưu áp

+ Biến tần dùng nghịch lưu dòng

Bộ lọc sử dụng tụ C lớn ở đầu vào của bộ nghịch lưu nên điện

áp đặt vào bộ nghịch lưu như nguồn áp, cùng với điện cảm L tụ Clàm phẳng điện áp chỉnh lưu

Ngoài ra tụ C còn nhiệm vụ trao đổi công suất phản kháng Qgiữa tải với bộ nghịch lưu và mạch một chiều, bằng cách cho phép

sự thay đổi nhưng trong thời gian ngăn dòng vào bộ nghịch lưu màkhông phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu

Khi sử dụng bộ băm điện áp hay phương pháp điều biến độrộng xung thì có thể sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùngdiode)

Do tác dụng của diode ngược nên đầu vào của bộ nghịch lưuluôn luôn

dương Đối với loại này thì yêu cầu của bộ biến tần là năng lượngđược truyền tải hai chiều tức là động cơ thực hiện hãm tái sinh thì

bộ chỉnh lưu làm việc được cả bốn góc phần tư

b Biến tần dùng nghịch lưu dòng:

Hình 1.8 Sơ đồ biến tần dùng nghịch lưu dòng [4]

Bộ lọc có cuộn san bằng có cảm kháng lớn có tác dụng nhưnguồn dòng cấp cho bộ nghịch lưu Dòng điện trong mạch mộtchiều được san phẳng bởi L, dòng điện này không thể đảo chiều

Ngoài ra cuộn san bằng L còn có tác dụng đảo chiều côngsuất phản kháng của tải trong mạch một chiều, cuộn kháng nàycho phép đảo chiều điện áp đặt vào bộ nghịch lưu mà không phụthuộc vào bộ chỉnh lưu

1.3 CÁC KHỐI TRONG BIẾN TẦN GIÁN TIẾP

Hình 1.9 Cấu trúc của một biến

Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha Bộchỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành mộtchiều

M

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnhlưu

Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thànhđiện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được Điện áp mộtchiều được biến thành xoay chiều nhờ vào việc mở hoặc khóa cácvan công suất theo một quy luật nhất định

Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo mộtquy luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộnghịch lưu Ngoài ra còn có một số chức năng sau:

+ Theo dõi sự cố lúc vận hành

+ Xử lý thông tin người sử dụng

+ Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm

+ Xác định đặc tính – mômen tốc độ

+ Xử lý thông tin từ mạch thu thập dữ liệu

+ Kết nối với máy tính

Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trựctiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu Mạch cách ly cónhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo

cầu điện áp cấp phải ổn định Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồnđiện thích hợp đó.

1.3.1 Khối chỉnh lưu

Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiềuthành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là có điều chỉnh hoặckhông điều chỉnh Trong các bộ biến đổi công suất lớn người tathường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụbảo vệ cho hệ thống khi quá tải Tùy theo tâng nghịch lưu yêu cầunguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hayđiện áp tương đối ổn định

Đối với mạch chỉnh lưu có các cách mắc như sau:

Hình 1.10 Các sơ đồ mạch chỉnh lưu [4]

Tùy thuộc vào mức độ yêu cầu về chất lượng điện áp DC nàocho phù hợp, dạng sóng điện áp ra như sau:

Hình 1.11 Các dạng sóng điện áp ra của bộ chỉnh lưu [4]

Đối với chỉnh lưu một pha 1/2 chu kỳ: Ta thấy dạng sóng ranhấp nhô, do đó muốn ít nhấp nhô cần phải có bộ lọc tốt

Đối với chỉnh lưu cầu một pha: Dạng sóng ra đỡ nhấp nhôhơn chỉnh hình tia một pha, do đó vận hành sẽ kinh tế hơn

Đối với chỉnh lưu hình tia ba pha: Dạng sóng điện áp ra ítnhấp nhô hơn chỉnh lưu một pha

Đối với chỉnh lưu cầu ba pha: cho điện áp và dòng chỉnh lưutốt hơn so với chỉnh lưu ba pha hình tia Giá trị trung bình của điện

áp ra đối với sơ đồ hình cầu như sau:

1.3.2 Khối lọc

Có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau khi chỉnh lưu

Hình 1.12 Sơ đồ mạch lọc [3]

Mạch lọc được dùng cả tụ điện C và điện kháng L dẫn đếnbiên độ sóng hài được giảm nhỏ và điện áp ra tải ít bị đập mạchhơn Vì vậy bộ lọc LC thường được sử dụng nhiều nhất

1.3.3 Khối nghịch lưu

Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng điện mộtchiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làmviệc với phụ tải độc lập Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:

+ Nghịch lưu nguồn áp: Trong dạng này, dạng điện áp ra tảiđược định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạngdòng điện phụ thuộc vào tính chất tải Nguồn điện áp cung cấpphải là nguồn suất điện động có nội trở nhỏ Trong các ứng dụngđiều khiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu áp

Hình 1.13 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha [1]

Các transistor mở lần lượt T1 ÷ T6 với góc lệch pha giữa cáctransistor là 600 Như vậy ở bất kỳ thời điểm nào cũng có batransistor dẫn (hai của nhóm này và một của nhóm kia) cho dòngchảy qua

Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với haipha đấu song song, do vậy điện áp trên tải chỉ có hai giá trị hoặc

Ed/3 (khi pha đó đấu song song với một pha khác) hoặc 2Ed/3 (khi

nó đấu nối tiếp với hai pha khác đấu song song) Giả thiết tải đốixứng ZA = ZB = ZC theo dạng điện áp ra có trị số hiệu dụng của nó.

Ta có biểu đồ điện áp ra của tải theo thời gian như hình 1.14+ Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòngđiện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vàotải Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng mộtchiều ổn định Vì vậy nếu nguồn là suất điện động thì phải có điệncảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắcđiều khiển ổn định dòng điện

+ Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộnghưởng khi mạch hoạt động, do đó dạng dòng điện hoặc điện ápthường có dạng hình sin Cả điện áp và dòng điện ra phụ thuộc vàotính chất tải

Hình 1.14 Giản đồ xung thời gian của điện áp ra của tải theo

thời gian [3]

1.3.4 Điều biến độ rộng xung (Khối băm)

Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép vừa điềuchỉnh được điện áp ra vừa giảm nhỏ được ảnh hưởng của các sónghài bậc cao Để xác định khoảng cách xung chùm điều khiển cácvan, ta tạo ra các sóng dạng sin Uf có tần số bằng tần số mongmuốn gọi là sóng điều biên Dùng một khâu so sánh là Ur và Up,các giao điểm của các sóng hài này xác định khoảng phát xung

Tỷ số giữa biên độ sóng điều biên và biên độ sóng mang là tỷ

(1.6)

Để điều chỉnh độ rộng xung tức là điều chỉnh điện áp ra trêntải ta điều chỉnh Ar Điều biến độ rộng xung được chia thành hailoại:

a Điều biến độ rộng xung đơn cực

Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, cótrị số 0 và E

Hình 1.15 Điều biến độ rộng xung đơn cực [4]

b Điều biến độ rộng xung lưỡng cực

Điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau vàcó

sóng của các sơ đồ điều khiển bởi các khóa bán dẫn trong các bộ nghịch lưu, cácphương pháp điều biên độ rộng xung.

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SINPWM

VÀ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F44312.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SINPWM

Để tạo ra một điện áp xoay chiều bằng phương pháp SINPWM, ta sử dụngmột 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 ngõ ra đó

sẽ thu được một dạng điện áp dạng điều rộng xung có tần số bằng với tần số nguồnsin 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 điềurộng sin một pha:

Hình 2.2 Sơ đồ kết nối các khóa trong bộ nghich lưu [7]

Như vậy, để tạo ra nguồn điện 3 pha dạng điều độ rộng xung ta cần có nguồnsin 3 pha mẫu và giản đồ kích đóng của 3 pha sẽ được biểu diễn như hình vẽ dướiđây:

Hình 2.3 Nguyên lý của phương pháp điều rộng xung SIN 3 pha và

dạng sóng điện áp ngõ ra [7]

2.1.1 Các công thức tính toán

Ta cần tính được biên độ hài bậc nhất của điện áp ngõ ra từ tỉ số biên độ giữasóng mang và sóng tam giác

Ta có công thức sau tính biên độ của hài bậc nhất:

Trong đó: ma - là tỉ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang – còn

gọi là tỉ số điều biên

Vcontrol - Biên độ sóng điều khiển

Vtri - Biên độ sóng mang

Trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1 ), biên độ của thành phần sin cơ bản V01

điện áp pha trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức:

Đối với điện áp dây là:

Như vậy trong phương pháp này biên độ điện áp dây đầu ra bộ nghịch lưuchỉ có thể đạt 86,67% điện áp một chiều đầu vào trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1)

Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điềukhiển:

Trong đó: mf – Hệ số điều chế tỷ số

ftri – Tần số sóng mang, bằng tần số PWM

f control – Tần số tín hiệu điều khiểnGiá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ Nếu mf là mộtgiá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ(subharmonic) Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tạithành phần một chiều và các hài bậc chẵn Giá trị của mf nên là bội số của 3 đôinghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài

là bội số của 3

Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ vàtần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin

chuẩn Vcontrol Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòacủa điện áp ra Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóngmang hay tần số PWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạchlại tăng lên.

2.1.2 Cách thức điều khiển

Sau khi đã nói về phương pháp điều khiển U/f=const và phương pháp điềukhiển 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 thựccủa động cơ, nên ta hiểu tần số đặt ở đây là tần số nguồn sin điều rộng xung cấp chođộng cơ

Trong trường hợp ta muốn cho động cơ đang ở trạng thái đứng yên chuyểnsang chạy ở tần số đặt thì phải thông qua một quá trình khởi động mềm tránh chođộng cơ khởi động lập tức đến tốc độ đặt, gây ra dòng điện khởi động lớn làm hỏngđộng 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 thờigian khởi động lâu hơn so với động cơ công suất nhỏ Thời gian khởi động củađộng 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 giátrị 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 đếngiá trị tần số yêu cầu mới

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

Khi muốn dừng động cơ thì phải hạ tần số từ giá trị hiện tại về giá trị 0 Thờigian 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 (DynamicBreaking) có dùng điện trở thắng.

Như vậy có thể hình dung quá trình hoạt động của bộ điều khiển như sau:

Hình 2.4 Quá trình hoạt động của bộ biến đổi

Đoạn 1 ứng với khởi động động cơ – tần số tăng từ 0 đến giá trị đặt saukhoảng 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 Đoạn3a ứng với giảm tần số về 0 Cuối đoạn 3a sẽ tiến hành đảo thứ tự pha nguồn cungcấp cho động cơ Đoạn 3b ứng với tăng tần số lên đến giá trị mới (có thay đổi tần sốđặt 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 từgiá trị đặt về 0 sau khoảng thời gian dừng (Tramp)

có biên độ và chu kỳ có thể lập trình được Xung này sau đó được đưa đến bộ DB

Chức năng tạo dải an toàn sẽ tạo ra trên cả hai đầu ra chính và đầu ra phụ củakhối Chức năng này sinh ra xung nhịp không gối lên nhau Hai pha xung nhịp đó

không bao giờ ở mức cao trong cùng một thời điểm và khoảng thời gian ở giữa haipha đó gọi là dải an toàn Độ rộng của dải an toàn được xác định bởi giá trị đặttrước của thanh ghi Trong trường hợp này, nguồn xung nhịp cấp cho bộ tạo giải antoàn DB là một PWM, hai đầu ra của bộ DB Phase 1 và Phase 2 là hai PWM đảmbảo không gối lên nhau Một tín hiệu tích cực trên đầu vào ‘Kill’ sẽ khóa cả hai đầu

ra này ngay lập tức

Module PWM được cấu hình sử dụng một hay hai khối số để tạo ra một bộPWM 8 bit hay PWM 16 bit Ở đây tác giả sử dụng ba bộ PWMDB 8 bit Việc sửdụng PWMDB 16 bit cũng tương tự Mỗi bộ PWMDB 8 bit có hai đầu ra phase 1

và phase 2, hai đầu ra này là hai tín hiệu cấp cho hai van trong cùng một kênh của

bộ nghịch lưu áp ba pha

Cách hoạt động của module PWMDB 8, 16 bit cũng như bộ Timer 16 bit cóthể tham khảo trong datasheet của các module này trong phần phụ lục Ở đây tác giảchỉ trình bày các chức năng chính phục vụ cho việc điều chế sin PWM ba pha

Bộ PWM 8 có ba thanh ghi chính sau:

+ Thanh ghi đếm (Counter Register), giá trị của nó được ký hiệu là c(i)

+ Thanh ghi chu kỳ (Period Register), giá trị của nó ký hiệu là p(i)

+ Thanh ghi so sánh (Compare Register), hay còn gọi là thanh ghi độ rộng

xung (PulseWidth Register), giá trị của nó được ký hiệ là w(i)

Trong đó: i- ký hiệu cho chu kỳ PWM thứ i Nếu chỉ viết c,p,w thì có nghĩa là đang

đến chu kỳ bất kỳ

Giá trị trong thanh ghi đếm giảm dần từ giá trị trong thanh ghi chu kỳ mỗikhi có sườn lên của xung nhịp đầu vào Khi đạt giá trị tới hạn, giá trị của thanh ghiđếm được nạp lại giá trị trong thanh ghi chu kỳ Quá trình đó cứ lặp đi lặp lại liêntục (khi có tín hiệu cho phép và bắt đầu chạy của bộ đếm) Giá trị trong thanh ghichu kỳ gọi là giá trị chu kỳ (PeriodeValue), giá trị này có thể lập trình để thay đổiđược

Trong mỗi chu kỳ, giá trị trong thanh ghi đếm được so sánh với giá trị trongthanh ghi so sánh Khi giá trị trong thanh ghi đếm nhỏ hơn (less than) hoặc nhỏ hơn

hoặc bằng (less than or equal) giá trị trong thanh ghi so sánh, đầu ra được đặt lêncao, ngược lại đầu ra sẽ có mức thấp Đầu ra của bộ PWM sẽ luôn giữ ở mức cao(HIGH) nếu thiết lập để giá trị thanh ghi so sánh lớn hơn giá trị thanh ghi chu kỳ

(w > P), và luôn giữ ở mức thấp nếu giá trị thanh ghi so sánh bằng 0 (w = 0).

Trong thiết kế này, ta sử dụng phép so sánh nhỏ hơn (less than) do đó công thức tính độ rộng xung PWM đầu ra như sau:

d – Độ rộng xung (duty cylce)

w – Giá trị trong thanh ghi so sánh

P- Giá trị trong thanh chu kỳ

Tần số băm xung được xác định như sau:

Trong đó : fPWM : Tần số băm xung

fclk : Tần số xung nhịp đầu vàoTần số xung nhịp đầu vào được sử dụng cho cả bộ PWM và DB cũng nhưcho cả ba bộ PWMDB Hình 2.5 minh họa một xung PWM với các thông số đượcthiết lập như sau:

P = 3W= 0,1,2,3,4,

fclk = 100kHz

Hình 2.5 Giản đồ miêu tả hoạt động của bộ PWM khi thay đổi giá trị

thanh ghi so sánh [6]

Việc chọn tần số băm xung là sự lựa chọn dung hòa giữa nhiều yếu tố Tần

số băm xung lớn nghĩa là tần số chuyển mạch của các van công suất (hay các khóađiện tử) trong bộ nghịch lưu lớn dẫn đến tăng tổn hao do chuyển mạch nhưng lạilàm giảm các điều hòa bậc cao trong dạng sóng dòng điện do đó làm giảm tổn haochung trong động cơ Mạch từ của động cơ, ứng với tần số của điện áp, có các tổnhao từ lớn và gây tiếng ồn Việc chuyển mạch nhanh của các linh kiện cũng gâytiếng ồn lớn Ngoài ra tốc độ băm xung cũng phụ thuộc vào khả năng đáp ứng củacác khâu cách ly, khâu mạch kích và khả năng đóng cắt của van Trong chương trìnhnày đặt cấu hình như sau, fclk = 4/3MHz, P = 255, do đó tần số băm xung là:

3 pwm

trễ này được tính theo giá trị trong thanh ghi trễ DeadTime (DeadTime Register)như sau:

Ttrễ = (Giá trị trong thanh ghi trễ +1)*Tclk (2.10)Trong đó:

Ttrễ : Thời gian trễ

Tclk : Chu kỳ nhịp xung đầu vào

Trong chương trình này, xem cấu hình như sau: fclk = 4/3MHz nên :

Tclk = 1/fclk = 0,75µs, giá trị thanh ghi trễ là 2, và do đó Ttrễ = 3.0,75 = 2,25µs

Hoạt động của bộ PWMDB có thể được giải thích qua giản đồ thời gian sau:

Hình 2.6 Giản đồ thời gian miêu tả hoạt động bộ PWMMDB8 [6]

Để tạo ra tín hiệu sin, giá trị độ rộng xung (PulseWitdhValue) được điều chếtheo một hàm sin Để giải quyết bài toán này, tác giả sử dụng một bộ Timer16 vàmột bảng sin

Bảng sin này chứa các giá trị từ 0 đến 2π Một câu hỏi đặt ra ở đây là baonhiêu giá trị trong bảng sin là hợp lý Không có một câu trả lời chính xác cho câuhỏi này Quá ít giá trị sẽ làm cho dạng dòng điện trong đầu ra bộ nghịch lưu có dạng

bậc thang, làm tổn hao trong động cơ tăng lên Nếu quá nhiều điểm sẽ làm tốn bộnhớ của MCU Ta có thể áp dụng luật sau để xác định số giá trị trong bảng sin:

Trong đó:

N : Số giá trị trong bảng sin

fPWM(max) : Tần số băm xung lớn nhất

fmodulation(max) : Tần số điều chế lớn nhất mong muốn

Tần số băm xung chọn là 5,2kHz, tần số đầu ra lớn nhất là 50Hz Áp dụngcông thức trên, N = 100 Ở đây cấu hình chọn N = 255

Một biến con trỏ được sử dụng để chỉ đến một giá trị trong bảng sin Các giátrị trong bảng sin được đọc ra theo mỗi chu kỳ ngắt được xác định bởi Timer16 Cácgiá trị này được biến đổi để phù hợp với tần số đầu ra nhằm đảm bảo luậtU/f=const, sau đó được ghi vào thanh ghi so sánh của bộ PWM

Để đi hết một bảng sin cần 255 chu kỳ ngắt Timer Như vậy chu kỳ và do dó,tần số đầu ra sẽ phụ thuộc vào khoảng thời gian giữa hai lần ngắt Có thể tính tần sốđầu ra theo công thức sau:

Trong đó:

fout: Tần số sóng sin đầu ra

N: Số giá trị trong bảng sin

Tngắt : Chu kỳ ngắt của Timer

Chu kỳ ngắt được xác định theo giá trị trong thanh ghi chu kỳ (PeriodRegister) của bộ Timer theo công thức sau:

Tngắt = Tclk (PeriodValue + 1) (2.13)Trong đó:

PeriodValue : Giá trị thanh ghi chu kỳ của bộ Timer16

Tclk : Chu kỳ xung nhịp đầu vào, Tclk = 1/fclk là tần số xung nhịp đầu vào bộTimer16

Để điều chỉnh tần số đầu ra, ta điều chỉnh giá trị của thanh ghi chu kỳ của bộTimer16 theo công thức sau:

clk out

control

52PeriodVal 08

Để tạo ra tín hiệu ba pha ta cần ba biến con trỏ lệch nhau 120o, ta sử dụng babiến con trỏ tương ứng với ba bộ PWMDB Giá trị của ba biến con trỏ này lệchnhau 120o

2.1.4 Hiệu quả của phương pháp điều khiển

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

Hình 2.7 Sơ đồ kết nối các khóa trong bộ nghich lưu [7]

Điện áp giữa hai pha được tính toán như sau:

Từ công thức trên ta thấy giá trị điện áp lớn nhất giữa hai pha đạt được trong vùng tuyến tính khi m = 1

Giá trị điện áp lớn nhất là:

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

2.2 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F4431

2.2.1 Tổng quan về vi điều khiển PIC [5]

Họ vi điều khiển PIC và dsPIC do hãng chế tạo và sản xuất vớicông nghệ hiện đại, phù hợp cho các ứng dụng đơn giản cho đến phức tạp Đặc biệtngoài ngôn ngữ lập trình assembler như các MCU khác, có thể lập trình PIC trênngôn ngữ C, quen thuộc thông qua các phần mềm hỗ trợ (PIC 18C, CCS C,… )

Gồm các họ như sau:

+ Loại 8 bit gồm có: PIC10, PIC12, PIC16, PIC18

+ Loại 16 bit gồm có: PIC24F, PIC24H, dsPIC30, dsPIC33

Tùy theo các ứng dụng cụ thể mà người dùng có thể chọn ra Chip phù hợp(theo hướng dẫn của nhà sản xuất tại trang chủ của Microchip) Trong đóPIC18F4431 là IC chuyên dùng để điều khiển động cơ 3 pha theo đề nghị củaMicrochip

Các khối chính trong vi điều khiển

+ Khối bộ nhớ ROM + RAM

+ Khối xử lý trung tâm (CPU)

- Là CPU sử dụng tập lệnh RISC và có tốc độ xử lý cao, công suất thấp nhờ

sử dụng công nghệ CMOS FLASH/EFPROM

- 768 byte bộ nhớ RAM, trong đó bộ nhớ EFPROM lên đến 256 byte

- Trang bị tới 34 ngắt với 8 cấp độ ngắt

- Có 5 port I/O

- Trang bị 3 bộ định thời: 2 bộ 8 bít, 1 bộ 16 bít

- Hai module Capture/Compare/PWM

- Bộ chuyển đổi 10 bít ADC với tốc độ 5 – 10 us

- Cổng serial đồng bộ với chế độ SPI (Master) và I2C (Master/Slave) thựchiện bằng phần cứng

- Chế độ chuyển nhận đồng bộ/bất đồng bộ với 9 bít địa chỉ kiểm tra

- Cổng song song (PSP) 8 bít

- Các chế độ định địa chỉ : trực tiếp, gián tiếp, và tường đối

- Cho phép đọc/ghi bộ nhớ chương trình

- Chế độ SLEEP(tạm nghỉ) để tiết kiệm điện năng

- Cho phép lựa chọn chế độ dao động (nội, ngoại)

- Hai chân cho phép gỡ rối hoạt động của vi điều khiển

- Lập trình thông qua cổng serial với điện thế chỉ 5V

- Tầm điện thế hoạt động rộng : từ 2 đến 5,5V Dòng cấp khoảng 25mA

2.2.2 Giới thiệu khái quát về cấu trúc phần cứng.

a Sơ đồ chân PIC18F4431 [6]

Hình 2.8 Sơ đồ chân của PIC 18F4431 [6]

b Cấu trúc bên trong của vi điều khiển PIC18F4431

Hình 2.9 Cấu trúc bên trong của vi điều khiển PIC 18F4431 [6]

 Khối ALU – Arithmetic Logic Unit