4. Biến áp áp điện kiểu rung theo hướng kính
4.2.2. Với mạch vòng kín
Với kết quả của mạch vòng hở, ta xác định được tần số cộng hưởng và độ lệch pha giữa tín hiệu pha của dòng đầu vào và áp đầu ra của biến áp áp điện.
Ta sử dụng chương trình với mạch vòng kín, có phản hồi pha dòng và áp của biến áp áp điện, thực hiện thuật toán PLL để đưa biến áp làm việc ở điểm cộng hưởng. Chương trình cho mạch vòng kín đề cập ở phụ lục [3]. Kết quả thu được như sau:
:
Chương 4. Thiết kế mạch ứng dụng của biến áp áp điện
Với giá trị độ lệch pha đặt trước PLL luôn khóa độ lệch pha của áp đầu vào và dòng ra của biến áp theo giá trị cố định này.
Tần số làm việc của biến áp được duy trì bám điểm cộng hưởng với sai lệch rất nhỏ, có thể quan sát giá trị này trên OSCILOSCOP hoặc bằng giá trị Real-time qua cửa sổ Watch của CSS.
Giá trị điện áp đầu ra của biến áp là rất lớn.
Khi ta cho 1 xung nhiễu tần số vào chân ngắt của DSP, ta thấy thuật toán PLL đưa biến áp về điểm làm việc rất nhanh.
Cũng với thuật toán PLL trên mạch ứng dụng, ta thực hiện nhanh chóng được những thực nghiệm khảo sát hoạt động của biến áp áp điện khi thay đổi giá trị tải. Ta thay đổi giá trị của tải đầu ra, cho thuật toán PLL hoạt động theo các góc lệch pha khác nhau, tại giá trị góc lệch pha nào có đầu ra đẹp nhất, đó sẽ là điểm làm việc tối ưu của biến áp áp điện. Các giá trị thực nghiệm thu được trong bảng sau:
Bảng 4-3. Dữ liệu thực nghiệm khi thay đổi tải
Giá trị tải (kΩ) Góc lệch pha(o) Điện áp đầu ra(V) Công suất (W)
107 45 409.7 0.784 87.8 50 290.1 0.479 77.9 55 242.8 0.378 68 60 209.9 0.324 58.2 60 178.4 0.274 48.2 50 155.0 0.249 38.4 40 122.1 0.194 28.5 25 123.8 0.269 18.6 40 105.7 0.300
Chương 4. Thiết kế mạch ứng dụng của biến áp áp điện
Hình 4-61. Đồ thị góc lệch pha theo tải.
Hình 4-62. Đồ thị công suất đầu ra theo tải.
Những đồ thị thực nghiệm này cho ta 1 cái nhìn thực tế hơn về hoạt động của biến áp áp điện:
Khi thuật toán PLL làm việc với độ lệch pha giữa tín hiệu dòng đầu ra và áp đầu vào của biến áp áp điện thì cần phải cập nhật giá trị độ lệch pha theo sự biến thiên của giá trị tải và điều kiện hoạt động của biến áp áp điện.
Chương 4. Thiết kế mạch ứng dụng của biến áp áp điện
Trong dải giá trị tải mà ta khảo sát, thực nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa công suất đầu ra với giá trị tải có dạng giống với đường đặc tính thu được khi mô phỏng bằng MATLAB.
Chương 5. Nhận xét chung
NHẬN XÉT CHUNG
Những nhận xét này được đưa ra trên hai phương diện: Phương diện hoạt động của biến áp áp điện
Phương diện hoạt động của thuật toán PLL
Về phương diện điều khiển hoạt động của biến áp áp điện:
Ứng dụng đã hoàn thành được bài toán điều khiển biến áp áp điện làm việc bám tần số cộng hưởng theo độ lệch pha tại tần số đó
Nếu có phương pháp bắt pha của dòng điện đầu vào thì bài toán điều khiển biến áp áp điện sẽ được giải quyết triệt để. Tuy nhiên điều này sẽ rất khó khăn, nên việc bắt pha dòng đầu ra là khả dĩ. Mặt khác, khi tải thay đổi, bản thân giá trị độ lệch pha giữa dòng đầu ra và áp đầu vào cũng bị thay đổi. Nên việc điều khiển bám tần số cộng hưởng của biến áp áp điện chỉ có ý nghĩa khi tải thay đổi không nhiều (thay đổi do nhiễu tải, nhiệt độ…).
Khi tải thay đổi ở dải rộng thì rõ ràng việc cập nhật giá trị độ lệch pha ứng với giá trị của tải là cần thiết. Ta lại cần phải có thêm tín hiệu phản hồi về để nhận biết điểm cộng hưởng ( Tín hiệu điện áp, chẳng hạn). Từ đó xác định độ lệch pha theo tải mới. Và thuật toán PLL sẽ làm cho biến áp áp điện làm việc bám tần số mà tại đó có giá trị độ lệch pha này
Với tín hiệu phản hồi thêm về ta có thể điều khiển biến áp áp điện, không những làm việc tối ưu mà còn đảm bảo những yêu cầu khác (chẳng hạn như ổn định điện áp, giao tiếp tích hợp trong hệ thống lớn…). Đây cũng sẽ là hướng đi tiếp cho các khóa sau nêu tiếp tục đề tài điều khiển biến áp áp điện này.
Về phương diện thuật toán Phase locked Loop, đây là 1 phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong viễn thông. Nhưng trong phạm vi đồ án này, ta chỉ kết luận trên quan điểm ứng dụng của PLL vào lĩnh vực điện tử công suất:
Thuật toán PLL ta thiết kế ở trên là dành riêng cho đối tượng biến áp áp điện. Trong lĩnh vực điện, điện tử ta cũng có thể thấy khá nhiều ứng dụng cần đến PLL: nguồn cộng hưởng, hòa đồng bộ lưới điện…Bằng kết quả thu được từ thực nghiệm, có thể khẳng
Chương 5. Nhận xét chung
So sánh với PLL thực hiện bằng phần cứng, SPLL đạt được nhiều ưu điểm vượt trôi như: tính linh hoạt, mềm dẻo, dễ hiệu chỉnh, dễ tích hợp, bảo vệ chất xám của người thiết kế…Tuy nhiên nó không tránh khỏi những nhược điểm nói chung của phần mềm như: độ tin cậy, tính ổn định của chương trình phần mềm phụ thuộc nhiều vào người thiết kế, tốc độ không cao như mạch phần cứng vì bị giới hạn bới tốc độ tính toán của vi xử lí… Nhưng hiện nay, khả năng tính toán của các vi xử lí ngày càng được tăng cường. Do vậy việc thực hiện PLL ở tần số cao, thậm chí rất cao là khả thi. Mở ra ứng dụng của PLL cho các đối tượng hoạt động ở tần số cao.
KẾT LUẬN
Với đề tài “Nghiên cứu, phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện”, em đã tổng hợp được khá nhiều lượng kiến thức đã học trên giảng đường trong 5 năm học vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo TS.ĐỖ MẠNH CƯỜNG, các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hoá XNCN và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành bản đồ án này.
Với đề tài này, em đã thu được những kết quả cụ thể như sau.
Đã thực hiện:
- Tìm hiểu lí thuyết về biến áp áp điện
- Thiết kế thành công mạch ứng dụng của biến áp áp điện cấp nguồn cho tải trở. - Xây dựng và thực hiện thành công thuật toán PLL điều khiển biến áp áp điện làm việc tại điểm cộng hưởng
- Khai thác sử dụng CARD eZdsp F2812 của hãng Texas Instruments
Định hướng mở rộng:
- Điều khiển độ lớn điện áp đầu ra của biến áp áp điện
- Phát triển chương trình điều khiển biến áp áp điện dưới dạng 1 ”sub-system”
- Phát triển thuật toán PLL tổng quát trên vi xử lí, mở rộng ứng dụng của nó sang các đối tượng khác : nguồn cộng hưởng, đồng bộ lưới, lọc tích cực…
Do những khó khăn mang tính khách quan và những hạn chế của bản thân em nên trong đồ án này sẽ không tránh khỏi những thiết sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, chỉ bảo quí báu của thày cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
1.1. Lịch sử ra đời ... 3
1.2. Cơ sở vật lý của biến áp áp điện ... 4
1.2.1. Tính phân cực của vật liệu áp điện...4
1.2.2. Sự mất tính phân cực của vật liệu áp điện...6
1.2.3. Các hằng số áp điện...7
1.3. Cấu trúc và phân loại máy biến áp áp điện ... 8
2. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen ...9
3. Máy biến áp áp điện kiểu rung theo chiều dày...10
4. Biến áp áp điện kiểu rung theo hướng kính...10
...12
1.4. Sơ đồ tương đương của biến áp áp điện ... 12
1.5. Phân tích hoạt động của biến áp áp điện ... 13
2.2.1. Hệ số biến áp...13
2.2.2. Công suất đầu ra...17
2.2.3. Hiệu suất biến áp...18
2.2.4. Mô phỏng đặc tính làm việc...19
1.6. Các mô hình điều khiển biến áp áp điện ... 23
3.1.1. Giới thiệu chung...23
3.1.2. Sơ đồ điều khiển lớp D...23
3.1.3. Sơ đồ điều khiển lớp E...30
1.7. Thuật toán điều khiển bám tần số cộng hưởng ... 33
3.2.2. Tính chất của DPLL...41
3.2.3. Thiết kế DPLL...41
3.2.4. Xây dựng thuật toán của SDPLL...44
...48
1.8. Mạch ứng dụng của biến áp áp điện ... 48
4.1.1. Module mạch nguồn...48
4.1.2. Module điều khiển...49
4.1.3. Module mạch lực...57
4.1.4. Module biến áp áp điện...58
4.1.5. Module bắt pha áp vào và dòng ra của biến áp áp điện...59
4.1.6. Module tải ...59
1.9. Đo đạc và đánh giá kết quả thu được ... 60
4.2.1. Với mạch vòng hở...61
4.2.2. Với mạch vòng kín...63
KẾT LUẬN...71
1. Code MATLAB mô phỏng đặc tính của biến áp áp điện ...74
2. Code điều khiển vòng hở...76
3. Code điều khiển vòng kín...76 KẾT LUẬN
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC