2.2.1 Giới thiệu tổng quát
Hình 2.3 trình bày cấu hình Quasi Switched Boost Inverter (qSBI) gồm một cuộn dây, một tụ điện, hai diode và một khóa ngắn mạch. Mô hình mới này được tạo ra bằng cách xếp chồng các yếu tố cơ bản của mạch boost truyền thống như thiết bị chuyển mạch, diode, tụ điện và cuộn dây nhưng được lựa chọn để phù hợp với những hệ thống yêu cầu công suất cao.
Hình 2.3 Sơ đồ mạch boost cấu hình mới 2.2.2 Ưu điểm
So sánh với cấu hình của mạch boost truyền thống, điện áp đặt trên các thiết bị chuyển mạch thấp hơn so với mức điện áp ngõ ra của toàn mạch, đảm bảo tuổi thọ của các linh kiện. Điều đó làm tăng chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu quả kinh tế.
2.2.3 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của mô hình này cũng dựa trên nguyên lý chung của mạch boost truyền thống. Có thể giải thích nguyên lý hoạt động của mạch bằng hai chế độ sau:
Hình 2.4 Cấu trúc qSBI (a) không ngắn mạch (b) ngắn mạch
Trạng thái không ngắn mạch hình 2.4(a) trong khoảng thời gian là T-T0. Ở trạng thái này thì các khóa hai INV đóng ngắt theo phương pháp PWM thông thường, S0 không dẫn, D1, D2 dẫn, tụ C nạp điện và cuộn dây L xả điện.
Trạng thái ngắn mạch hình 2.4(b) trong khoảng thời gian là T0, ở trạng thái này thì tất cả các khóa của hai INV cùng đóng, S0 đóng, D1, D2 không dẫn, tụ C xả điện và cuộn dây L tích điện.
Cấu hình này có ưu điểm là tăng hệ số boost, giảm điện áp đặt trên tụ, giảm số lượng linh kiện so với cấu hình nghịch lưu nguồn Z và mạch boost cổ điển.
2.3 Tổng quan về mạch chỉnh lưu
2.3.1 Giới thiệu tổng quát
Một mạch chỉnh lưu là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
Khi chỉ dùng một diode đơn lẻ để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, bằng cách khóa không cho phần dương hoặc phần âm của dạng sóng đi qua mạch điện, thì mạch chỉnh lưu được gọi là chỉnh lưu nửa chu kỳ hay chỉnh lưu nửa sóng. Trong các bộ nguồn một chiều người ta hay sử dụng các mạch chỉnh lưu nhiều diode (2 hoặc 4 diode) với các cách sắp xếp khác nhau để có thể biến đổi từ xoay chiều thành một chiều bằng phẳng hơn trường hợp sử dụng một diode riêng lẻ.
2.3.2 Nguyên lý hoạt động
2.3.2.1 Chỉnh lưu nữa bán kỳ
Hình 2.5 Dạng sóng chỉnh lưu nửa bán kỳ
Một mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ một trong nửa chu kỳ dương hoặc âm có thể dễ dàng đi ngang qua diode, trong khi nửa kia sẽ bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt của diode. Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu suất truyền công suất rất thấp. Mạch chỉnh lưu nửa sóng có thể lắp bằng chỉ một diode bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.
2.3.2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ
Hình 2.6 Dạng sóng chỉnh lưu toàn kỳ
Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều. Do đó nó có hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên trong mạch điện không có điểm giữa của biến áp người ta sẽ cần đến 4 diode thay vì một như trong mạch chỉnh lưu nửa sóng. Điều này có nghĩa là đầu cực của điện áp ra sẽ cần đến 2 diode để chỉnh lưu. Đầu ra còn lại cũng cần chính xác như thế, kết quả là phải cần đến 4 diode. Các diode dùng cho kiểu nối này gọi là cầu chỉnh lưu.
Bộ chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai nửa chu kỳ thành một điện áp đầu ra có một chiều duy nhất: dương (hoặc âm) vì nó chuyển hướng đi của dòng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của dạng sóng xoay chiều. Nửa còn lại sẽ kết hợp với nửa kia thành một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh.
Đối với nguồn xoay chiều một pha, nếu dùng biến áp có điểm giữa, chỉ cần 2 diode nối đấu lưng với nhau (nghĩa là anode với anode hoặc cathode với cathode) có thể thành một mạch chỉnh lưu toàn sóng.
Hình 2.7 Chỉnh lưu toàn cầu dùng biến áp có điểm giữa
2.4 Các mạch nghịch lưu
2.4.1 Dạng diode kẹp (NPC - Neutral Point Clamped)
Sử dụng trong trường hợp khi các nguồn DC tạo nên từ hệ thống điện AC. Bộ nghịch lưu đa bậc NPC có một mạch nguồn DC được phân chia thành một số cấp điện áp nhỏ hơn nhờ chuỗi các tụ điện mắc nối tiếp. Giả sử mạch nguồn DC gồm n nguồn có độ lớn bằng nhau mắc nối tiếp, điện áp nguồn DC có thể đạt được n+1 giá trị khác nhau và số bậc điện áp nghịch lưu là n+1 bậc.
+ - + - Vd/2 Vd/2 Vd
Bộ nghịch lưu áp đa bậc dùng diode kẹp cải tiến dạng sóng điện áp tải và giảm sự tăng vọt điện áp trên linh kiện n lần. Với bộ nghịch lưu đa bậc thì tần số đóng ngắt giảm đi một nữa. Tuy nhiên với n > 3, mức độ chịu gai áp trên các diode khác nhau, ngoài ra cân bằng điện áp giữa các nguồn DC (áp trên tụ) trở nên khó khăn, đặc biệt khi số bậc lớn.
- Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu này là:
+ Số tụ sử dụng ít.
+ Có thể sử dụng một nguồn áp DC.
- Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu này là:
+ Cần phải có diode kẹp.
+ Vấn đề không cân bằng điện áp trên các tụ điện ở biến tần đa bậc dạng này có thể gây ra quá áp trên một hay nhiều linh kiện đóng ngắt.
2.4.2 Dạng dùng tụ điện thay đổi
Vd
A B C
- Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu này là: + Khi tần số tăng cao thì không dùng bộ lọc.
+ Có thể điều tiết công suất tác dụng và công suất phản kháng từ đó có thể điều tiết được phân bố công suất trong lưới dùng biến tần.
- Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu này là:
+ Số lượng tụ công suất lớn tham gia trong mạch nhiều dẫn đến giá thành tăng và độ tin cậy giảm.
+ Việc điều khiển đóng ngắt các linh kiện công suất sẽ khó khăn khi số bậc nghịch lưu tăng cao.
2.4.3 Dạng ghép tầng cascade
Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng cascade gồm nhiều cầu nghịch lưu H ghép nối tiếp nhau, và mỗi cầu nghịch lưu này sử dụng một nguồn áp dc độc lập. Thông thường nguồn dc này được lấy từ máy biến áp có nhiều cuộn dây thứ cấp độc lập, hoặc từ nhiều biến áp riêng biệt hoặc từ ắc quy.
Bằng cách kích đóng các linh kiện trong mỗi bộ nghịch lưu áp một pha, ba mức điện áp (-Vd, 0, Vd) được tạo thành. Sự kết hợp hoạt động của n bộ nghịch lưu áp trên một nhánh sẽ tạo nên n mức điện áp âm (-Vd, -2*Vd, ...-n*Vd); n mức điện áp dương (Vd, 2*Vd,…n*Vd) và mức áp 0. Như vậy, bộ nghịch lưu áp dạng cascade gồm n bộ nghịch lưu áp một pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2n+1) bậc.
- Ưu điểm chính của bộ nghịch lưu này là: + Đạt được sự cân bằng điện áp các nguồn DC. + Không sử dụng diode kẹp hay tụ.
+ Tần số đóng ngắt cho một linh kiện có thể giảm đi n lần. - Nhược điểm chính của bộ nghịch lưu này là:
+ Số lượng linh kiện công suất nhiều, mạch điều khiển phức tạp + Phải sử dụng biến áp ở ngõ ra.
+ - + - + - A B C + - + - + - Vd/2 Vd/2 Vd/2 Vd/2 Vd/2 Vd/2
Hình 2.10 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc dạng Cascade 2.4.4 Dạng nghịch lưu kép
Cấu trúc bộ nghịch lưu kép gồm hai loại, loại dùng nguồn riêng (hình 2.11) và loại dùng chung nguồn hay nguồn đơn (hình 2.12). Đối với bộ nghịch lưu nguồn riêng thì có nhược điểm là mất cân bằng điện áp nguồn nên ít được sử dụng. Trong bộ nghịch lưu kép thì mỗi bộ nghịch lưu có 8 trạng thái hoạt động, tổng hợp của hai bộ nghịch lưu có tất cả 64 trạng thái hoạt động. Cụ thể chúng ta có: 10 vector không, 36 vector biên độ 2Vdc/3, 12 vector biên độ 2√3Vdc/3, 6 vector biên độ 4Vdc/3
Hình 2.11 Cấu trúc bộ nghịch lưu kép nguồn riêng
Bộ nghịch lưu kép này được điều khiển bằng phương pháp vector không gian hay phương pháp điều chế độ rộng xung, có thể giảm số lần chuyển mạch, giảm điện áp common mode, giảm dòng rò.
Hình 2.12 Cấu trúc bộ nghịch lưu kép nguồn đơn (chung nguồn)
2.5 Bộ điều khiển PID
2.5.1 Giới thiệu tổng quát
PIDlà một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID - Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều
khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV).
Ta có công thức:
MV(t) = Pout + Iout + Dout
Trong đó Pout, Iout và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID.
2.5.2 Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ được cho bởi công thức:
Pout = Kp*e(t) Trong đó:
Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra
(2.1)
Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
e: sai số = SP – PV (PV giá trị đầu ra, SP giá trị đặt mong muốn ngõ ra) t: thời gian tại điểm đang xét hiện tại.
2.5.3 Khâu tích phân
Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân, Ki.
Thừa số tích phân được cho bởi công thức: Iout = 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(
𝑡 0
τ) dτ Trong đó:
Iout: thừa số tích phân của đầu ra
Ki: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh
e: sai số = SP – PV
t: thời gian tại thời điểm hiện tại đang xét
τ: một biến tích phân trung gian
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác).
2.5.4 Khâu vi phân
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ (2.3)
này với độ lợi tỉ lệ Kd. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd. Thừa số vi phân được cho bởi công thức:
Dout = Kd𝑑𝑡𝑑 𝑒(𝑡)
Trong đó:
Dout: thừa số vi phân của đầu ra
Kd: độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh e: sai số = SP – PV
t: thời gian tại thời điểm đang xét
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn.
2.6 Tổng quan về DSP
2.6.1 Giới thiệu kit nhúng DSP TMS320/F28335
• Công nghệ CMOS tĩnh hiệu suất cao đến 150MHz (Thời gian chu kỳ
6,67ns)
• CPU 32-Bit hiệu suất cao (TMS320C28x )
- Kiến trúc Harvard Bus - Đáp ứng ngắt nhanh
- Mô hình lập trình bộ nhớ thống nhất - Mã hiệu quả ( trong C/C++ và hợp ngữ )
• Bộ điều khiển DMA sáu kênh (ADC, McBSP, ePWM, XINTF, và SARAM )
• Giao tiếp ngoại vi 16-bit hoặc 32-Bit
• On - Chip Memory
- F28335, F28235: 256Kx16 Flash, 34Kx16 SARAM
• Boot ROM (8Kx16 )
- Chế độ khởi động phần mềm (thông qua SCI, SPI, CAN, I2C, McBSP, XINTF, và I/O song song)
• Hệ thống điều khiển và đồng hồ
- Hỗ trợ thay đổi tỷ lệ PLL động - On Chip Oscillator
- Module Watchdog Timer
• Các chân GPIO 0 đến GPIO 63 có thể được kết nối với một đến tám ngắt
ngoài lõi (Core)
• Khối mở rộng ngắt ngoại vi
• Khóa/mã khóa an toàn 128-Bit
- Bảo vệ Blocks Flash/OTP/RAM
- Ngăn chặn kỹ thuật đảo ngược phần mềm
• Tăng cường kiểm soát thiết bị ngoại vi
- Lên đến 18 đầu ra PWM
- Lên đến 6 đầu ra HRPWM với 150ps MEP
• Độ chính xác
- Lên đến 6 đầu vào giữ sự kiện
- Lên đến 2 giao diện mã hóa lệch pha nhau 90°
- Lên đến 8 Timer 32Bit(6 cho eCAPs và 2 cho eQEPs) - Lên đến 9 Timer 16Bit (6 cho ePWMs và 3 XINTCTRs)
• Thiết bị ngoại vi cổng nối tiếp - Lên đến 2 module CAN
- Lên đến 3 module SCI (UART )
- Lên đến 2 module McBSP (cấu hình như SPI) - Một module SPI
- Một bus Inter - Integrated Circuit (I2C)
• ADC 12Bit, 16 kênh
- Tỷ lệ chuyển đổi 80ns
- Bộ dồn kênh đầu vào 2x8 kênh - Chuyển đổi đồng thời/độc lập - Lấy mẫu bên trong hoặc ngoài
• Lên đến 88 cá thể lập trình, các chân GPIO đa hợp với lọc đầu vào
• Hỗ trợ quét biên JTAG
• Tính năng mô phỏng nâng cao
- Real Time gỡ lỗi thông qua phần cứng
• Hỗ trợ phát triển bao gồm
- ANSI C/C++ Compiler/Assembler/Linker - Code Composer Studio IDE
- DSP/BIOS
- Thư viện phần mềm điều khiển động cơ số và nguồn số
• Chế độ Low Power và tiết kiệm điện (hỗ trợ IDLE, STANDBY, HALT)
2.6.2 Giới thiệu