Để thực hiện xõy dựng mụ hỡnh toỏn học thỡ phải ƣớc lƣợng động cơ về cỏc phần tử điện cơ bản. Hỡnh 2.1 trỡnh bày mụ hỡnh mạch điện trong ĐCMCKCT bao gồm 3 cuộn dõy stator đƣợc ƣớc lƣợng bởi điện trở Ra và điện cảm La, do 3 cuộn dõy của stator đƣợc đặt cạnh nhau nờn xảy ra hiện tƣợng hỗ cảm giữa cỏc cuộn dõy với nhau, sự hỗ cảm giữa cỏc cuộn dõy đƣợc thể hiện qua đại lƣợng M. Mặt khỏc do rotor của động cơ là nam chõm vĩnh cửa nờn khi rotor quay sẽ quột qua cuộn dõy stator nờn cú sự tƣơng tỏc giữa hai từ trƣờng. Vỡ vậy cỏc đại lƣợng ea, eb, ec thể hiện sự tƣơng tỏc giữa hai từ trƣờng, biờn độ của cỏc sức phản điện động này là bằng nhau và bằng E. Do cỏc nam chõm đều đƣợc làm từ vật liệu cú suất điện trở cao nờn cú thể bỏ qua dũng cảm ứng rotor.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn Ec Vc Ra La Rb Lb Rc Lc M M M Va Ea Eb Vb Hỡnh 2.1: Mụ hỡnh mạch điện của ĐCMCKCT
Từ mụ hỡnh mạch điện của động cơ thỡ phƣơng trỡnh điện ỏp của một pha:
a c c c b b b b a a a a e dt di L i R V e dt di L i R V e dt di L i R V . . . (2-1)
Đặt s là toỏn tử laplace khi đú di/dt=i.s Phƣơng trỡnh điện ỏp của ba pha:
= . + s. . + (2-2)
Trong đú, La, Lb, Lc là điện cảm của cỏc cuộn dõy động cơ. Lab, Lbc, Lca là hỗ cảm giữa cỏc cuộn dõy tƣơng ứng. Ra, Rb, Rc là điện trở của cuộn dõy stator động cơ. Do cỏc pha là đối xứng nờn cỏc giỏ trị điện trở, điện cảm, hỗ của ba cuộn dõy là bằng nhau. Khi đú:
Ra = Rb = Rc = R La = Lb = Lc = L Lab = Lca = Lcb = M
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
= . + s. . + (2-3)
Trờn hỡnh 2.1 cỏc cuộn dõy của stator đấu sao nờn:
ia + ib + ic = 0 (2-4)
Suy ra :
M.ia + M.ib = -M.ic (2-5)
Kết hợp hai biểu thức (2.3) và (2.5), suy ra:
= . + s. . + (2-6)
Chuyển vế của biểu thức (2-6) để đƣa dũng điện về một vế ta đƣợc:
s. = .
(2-7)
Từ biểu thức (2-7) xõy dựng đƣợc mụ hỡnh thu gọn của ĐCMCKCT.
Ec Vc Ra L-M Rb Rc Va Ea Eb Vb L-M L-M Hỡnh 2.2: Mụ hỡnh thu gọn của ĐCMCKCT
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Thay vào biểu thức (2-7) :
s. = . (2-8)
2.1.2. Momen điện từ
Momen điện từ của ĐCMCKCT đƣợc tớnh thụng qua cỏc cụng suất cơ và cụng suất điện. Do trong ĐCMCKCT ma sỏt sinh ra chủ yếu giữa trục động cơ và ổ đỡ nờn lực ma sỏt này nhỏ. Thờm vào đú vật liệu chế tạo động cơ cũng là loại cú điện trở suất cao nờn cú thể giả thiết bỏ qua cỏc tổn hao sắt, tổn hao đồng… Vỡ vậy, cụng suất điện cấp cho động cơ cũng chớnh bằng cụng suất cơ trờn đầu trục.
Với là tốc độ của động cơ, cụng suất cơ đƣợc tớnh theo biểu thức:
Pc = M.ω (2-9)
Cụng suất điện đƣợc tớnh theo biểu thức:
Pđ = ea.ia + eb.ib + ec.ic (2-10) Cõn bằng cụng suất ở hai biểu thức trờn:
M.ω = ea.ia + eb.ib + ec.ic (2-11)
=> M = (2-12)
Biểu thức (2.12) là cụng thức dựng để tớnh momen điện từ của ĐCMCKCT.
2.1.3. Phƣơng trỡnh động học của ĐCMCKCT
Momen quỏn tớnh : Jm
Momen ma sỏt : Mf
Ma sỏt thƣờng tỷ lệ với tốc độ và đƣợc biểu hiện thụng qua hệ số nhớt D theo biểu thức:
Mf = D.m
Momen tải của động cơ : Mc Momen quỏn tớnh của tải : Jc
Nhƣ vậy, phƣơng trỡnh động học tổng quỏt của động cơ cú dạng nhƣ sau:
Mc D dt d J J M ( m c) . (2-13)
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn J M D M dt d . c (2-14) Viết dƣới dạng toỏn tử Laplace:
J M D M s c . . (2-15)
2.2. Phƣơng trỡnh đặc tớnh cơ của động cơ một chiều khụng chổi than
Đặc tớnh cơ của động cơ là mối quan hệ giữa tốc độ và momen của động cơ. Cụng suất cơ của động cơ là tớch số giữa momen và tốc độ. Tuy vậy, ở cựng một giỏ trị cụng suất, mỗi loại động cơ khỏc nhau thỡ mối quan hệ giữa hai đại lƣợng này là khỏc nhau.
Xột sơ đồ một pha tƣơng đƣơng của ĐCMCKCT trong hỡnh 2.3 gồm nguồn cấp một chiều cú độ lớn V, sức phản điện động là E, điện trở cuộn dõy là R và dũng điện mỗi pha ở chế độ xỏc lập là I. Do tại một thời điểm trong ĐCMCKCT luụn cú 2 pha cựng dẫn nờn phƣơng trỡnh cõn bằng điện ỏp của động cơ ở thời điểm xỏc lập nhƣ sau:
V = 2.E + 2.R.I (2-16)
Hỡnh 2.3: Sơ đồ 1 pha tương đương của ĐCMCKCT
Ta cú biểu thức cụng suất điện:
Pd = ea.ia + eb.ib + ec.ic = 2.E.I (2-17)
Biểu thức về cụng suất cơ:
Pc = M. (2-18) Biểu thức về sức phản điện động: E = Ke. (2-19) R V E L
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Nếu bỏ qua cỏc tổn hao về momen nhƣ tổn hao do ma sỏt, tổn hao sắt từ, khe hở… thỡ cú thể coi cụng suất cơ xấp xỉ bằng cụng suất điện. Trong biểu thức về sức phản điện động trờn, E là giỏ trị đo theo đỉnh – đỉnh. Vỡ vậy, biờn độ của sức phản điện động phải là E/2. Cõn bằng cỏc phƣơng trỡnh (2 -17) và (2-18) kết hợp với biểu thức sức phản điện động, ta đƣợc:
I K I K I E M e . e. . 2 . . 2 . . 2 . e K M I (2-20)
Nếu thay biểu thức sức điện động vào (2-15), ta sẽ cú biểu thức của tốc độ nhƣ sau: e K I R V2. . (2-21)
Từ hai biểu thức (2-20) và (2-21), ta sẽ cú phƣơng trỡnh đặc tớnh cơ của ĐCMCKCT: M K R K V e e . . 2 2 (2-22)
Giao điểm của đặc tớnh cơ với trục tốc độ chớnh là biểu thị của tốc độ khụng tải lý tƣởng. Lỳc đú, dũng điện bằng 0. e K V 0 (2-23)
Giao điểm của đƣờng đặc tớnh cơ với trục momen là giỏ trị momen lớn nhất hay momen ngắn mạch (tƣơng ứng với dũng điện ngắn mạch).
R K V M e mm . 2 . (2-24)
Cú thể thấy, dạng của phƣơng trỡnh đặc tớnh cơ của động cơ một chiều thụng thƣờng với ĐCMCKCT là giống nhau.
2.3. Sơ đồ cấu trỳc của ĐCMCKCT
Sơ đồ cấu trỳc của ĐCMCKCT mang tớnh tổng quỏt cho một động cơ 3 pha. Do trong ĐCMCKCT hệ số nhớt là rất nhỏ nờn cú thể bỏ qua thành phần D trong
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
cỏc phƣơng trỡnh tớnh toỏn. Xuất phỏt từ biểu thức (2-7), cỏc phƣơng trỡnh điện đƣợc viết lại nhƣ sau:
ia = (Va – ea) (2-25)
ib = (Vb – eb) (2-26)
ic = (Vc – ec) (2-27)
Trong đú Tƣ=Lƣ/Rƣ đƣợc gọi là hằng số thời gian điện từ của ĐCMCKCT. Từ 3 phƣơng trỡnh trờn, kết hợp với cỏc phƣơng trỡnh momen điện từ (2-11) và phƣơng trỡnh động học (2-14), bỏ qua ma sỏt trong động cơ, sơ đồ khối của ĐCMCKCT đƣợc trỡnh bày nhƣ trong hỡnh 2.4.
Hỡnh 2.4: Sơ đồ khối ĐCMCKCT
2.4. Lựa chọn thuật toỏn điều khiển cho ĐCMCKCT 2.4.1. Đặt vấn đề 2.4.1. Đặt vấn đề
Để thực hiện điều khiển ĐCMCKCT thỡ chỳng ta thực hiện điều khiển sự đúng cắt của cỏc van trong bộ biến đổi để cấp điện cho từng cặp van tƣơng ứng. Vỡ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
thế cú hai cỏch để thay đổi điện ỏp đặt lờn van đú là thay đổi điện ỏp một chiều hoặc thay đổi điện ỏp cấp cho cuộn dõy stator của động cơ.
Để điều khiển ĐCMCKCT hiện nay với cụng nghệ bỏn dẫn ngày càng phỏt triển nờn cỏc nhà sản xuất IC cú thể tớch hợp nhiều chức năng trờn một IC bỏn dẫn vỡ thế nờn việc nghiờn cứu điều khiển cỏc loại động cơ gặp nhiều thuận lợi hơn trƣớc. Cú rất nhiều loại vi xử lý khỏc nhau của nhiều hóng khỏc nhau sản xuất nhƣng mỗi loại lại cú sự khỏc nhau về cấu trỳc vào ra và chức năng của cỏc chõn cũng khỏc nhau. Vỡ vậy khi lựa chọn vi xử lý cần phải để ý đến mục đớch của việc điều khiển động cơ là nhƣ thế nào tức là điều khiển cho động cơ loại cụng suất nào, chủng loại của động cơ. Đối với ĐCMCKCT dựng phƣơng phỏp chuyển mạch hai cực tớnh để cấp điện cho cỏc cuộn dõy của động cơ nờn chỳng ta cú thể thực hiện điều khiển động cơ thụng qua việc điều chế độ rộng xung trong khoảng thời gian mà cỏc van dẫn để thay đổi điện ỏp đặt lờn động cơ. Việc điều chế độ rộng xung là hoàn toàn cú thể làm đƣợc vỡ ở chƣơng trƣớc chỳng ta đó giới thiệu van cho bộ chuyển mạch nghịch lƣu là IGBT. Đõy là loại van cú thể chịu đƣợc tần số đúng cắt khỏ lớn đủ để cho chỳng ta cú thể thực hiện điều chế độ rộng xung để thay đổi điện ỏp đặt vào động cơ.
Nhà sản xuất Microchip nổi tiếng đó sản xuất ra loại vi xử lý chuyờn hỗ trợ cho việc điều khiển cỏc loại động cơ nhƣ động cơ khụng đồng bộ, động cơ một chiều, động cơ từ trở hay động cơ khụng chổi than. Vỡ thế đối với động cơ mà đề tài nghiờn cứu cũng cú thể sử dụng loại vi xử lý này vỡ nú cung cấp sẵn cho cỏc cổng ra điều chế độ rộng xung.
Loại vi xử lý 30F4011 thỡ cú sẵn 6 đầu phỏt xung PWM và tớch hợp cỏc tớnh chất đặc biệt khỏc nhƣ ADC độ phõn giải cao cựng cỏc tớnh năng xử lý tốc độ cao nờn việc điều khiển động cơ là cú thể làm đƣợc vỡ vi xử lý phải nhanh thỡ mới đỏp ứng kịp sự thay đổi của việc truyền động nhanh. Trong cụng nghiệp thỡ khi xõy dựng cỏc hệ thống thỡ việc xử lý thụng tin phải đảm bảo tớnh thời gian thực.
Đối với ĐCMCKCT 30kW thỡ cỏc van của bộ biến đổi đƣợc sử dụng cấp dũng lớn cỡ vài trăm ampe. Vỡ vậy cỏc tớn hiệu điều khiển từ cỏc loại vi xử lý đƣa ra là
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
khụng đủ điện ỏp để mở cỏc van nờn để thực hiện đƣợc truyền động cho động cơ thỡ ngoài mạch điều khiển dựng vi xử lý 30F4011 thỡ cần phải cú thờm mạch đệm để kớch mở van IGBT.
Vỡ vậy trong phần này sẽ cú hai vấn đề đƣợc trỡnh bày đú là: - Thiết kế mạch điều khiển
- Thiết kế mạch đệm
2.4.2. Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F4011
DSPIC30F4011 là bộ vi điều khiển xử lý tớn hiệu số 16 bit cú hiệu suất cao do hóng microchip sản xuất. Nú cú một số đặc điểm chớnh sau:
+ Khối điều khiển trung tõm CPU hiệu suất cao với tập lệnh rỳt gọn nõng cao tốc độ xử lý:
- Kiến trỳc tập lệnh tối ƣu cho ngụn ngữ C và cỏc chế độ địa chỉ linh hoạt nờn việc làm việc đồng thời trờn nhiều chõn là rất tốt
- Cú 83 lệnh cơ bản
- Cỏc lệnh cú độ rộng 24 bit, dữ liệu cú độ lớn 16 bit - 48Kb flash rom (16k từ lệnh)
- 2Kb ram trờn chip
- 1Kb eeprom dựng để chứa dữ liệu
- Cú thế hoạt động với tốc độ 30 mips (triệu lệnh/s), tần số thạch anh đầu vào cú thể từ 4-10MHz
- 30 nguồn ngắt, trong đú cú 3 nguồn ngắt ngoài, 8 mức ƣu tiờn ngắt - Mảng thanh ghi cú thể làm việc 16 x 16 bit
+ Cỏc đặc trƣng về cơ chế xử lý tớn hiệu số
- Thanh ghi chứa nạp lại cho hoạt động xử lý tớn hiệu số - Cỏc chế độ địa chỉ húa đảo bit và theo module
- 2 thanh chứa cú độ rộng 40 bit để thực hiện tớnh toỏn.
- Bộ nhõn số thực/số nguyờn bằng phần cứng đơn chu kỳ 17bit x 17bit - Tất cả cỏc lệnh xử lý tớn hiệu số đều gúi gọn trong 1 chu kỳ
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Tớn hiệu của cỏc chõn vào ra cú cấp dũng điện lớn 25mA - Module định thời cú bộ chia trƣớc lập trỡnh đƣợc
- Cỏc hàm so sỏnh/xuất PWM 16bit
- Hỗ trợ chế độ I2C để thực hiện kết nối cỏc vi xử lý lại với nhau - Module UART
- Module CAN + Cỏc bộ A/D
- Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số 10bit với 4 đầu vào sample and hold - Tốc độ chuyển đổi là 1 msps (triệu mẫu/s)
- 9 kờnh đầu vào
Hỡnh 2.5: Sơ đồ chõn linh kiện vi điều khiển DSPIC30F4011
2.4.2.1. Ngắt của DSPIC30F4011
DSPIC30F4011 cú tổng cộng 30 nguồn ngắt và 4 ngoại lệ ngắt (bẫy bộ xử lý). Chỳng đƣợc phõn định nhờ 7 mức ƣu tiờn ngắt.
CPU cú trỏch nhiệm tra trong bảng vector ngắt, tỡm ra địa chỉ của vector ngắt của ngắt hiện thời rồi chuyển địa chỉ đú vào bộ đếm chƣơng trỡnh. Bộ điều khiển
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
ngắt cú trỏch nhiệm xử lý cỏc ngắt và cỏc bẫy bộ xử lý. Cỏc ngắt đƣợc cài đặt, sử dụng và điều khiển nhờ vào cỏc thanh ghi chức năng đặc biệt sau:
- IFS0<15:0>, IFS1<15:0>, IFS2<15:0> với chức năng lƣu giữ cỏc cờ ngắt. Cỏc cờ này đƣợc xúa bởi phần mềm.
- IEC0<15:0>, IEC1<15:0>, IEC2<15:0> lƣu giữ bit điều khiển cho phộp/khụng cho phộp ngắt của tất cả cỏc nguồn ngắt.
- IPC0<15:0>... IPC11<7:0> là 12 thanh ghi lƣu giữ mức ƣu tiờn của tất cả cỏc ngắt. Chỳng đƣợc cài đặt do lập trỡnh của ngƣời sử dụng.
- IPL<3:0> mức ƣu tiờn CPU hiện thời đƣợc lƣu ở đõy. IPL<3> cú mặt trong thanh ghi CORCON cũn cỏc bit IPL<2:0> cú mặt trong thanh ghi trạng thỏi SR.
- INTCON1<15:0>, INTCON2<15:0> chức năng điều khiển ngắt toàn cục đƣợc lƣu giữ ở đõy.
Mỗi một nguồn ngắt cú thể đƣợc lập trỡnh để gỏn cho nú 1 trong 7 mức ƣu tiờn ngắt thụng qua thanh ghi ICPx. Mỗi một nguồn ngắt tƣơng ứng với một vector ngắt trong bảng cỏc vector ngắt. Mức ƣu tiờn 7 và 1 tƣơng ứng là cỏc mức ƣu tiờn cao nhất và thấp nhất.
Cú một đặc điểm trong DSPIC30F4011 về hoạt động ngắt. Bit NSTDIS (INTCON1<15>) đƣợc set để chắn cỏc ngắt khỏc khi ngắt đú đang đƣợc phục vụ. Cú nghĩa là khi một chƣơng trỡnh con dịch vụ ngắt đang đƣợc thực thi, nếu bit này đƣợc set lờn sẽ cú thể chắn cỏc ngắt khỏc, kể cỏc khi cỏc ngắt khỏc cú mức ƣu tiờn cao hơn.
2.4.2.2. Cổng vào ra của DSPIC30F4011
DSPIC30F4011 cú 5 cổng vào ra đƣợc đỏnh ký hiệu từ RB đến RF. Số lƣợng bit của cỏc cổng là khỏc nhau, vớ dụ cổng RB cú 9 bit trong khi cổng RE cú 6 bit. Cỏc cổng vào ra này cú thể chịu đƣợc dũng 25mA vào và xuất ra đƣợc 25mA, cú nghĩa là tớn hiệu xuất trực tiếp từ cổng đủ mạnh để cú thể điều khiển LED trực tiếp.
Cú 3 thanh ghi chớnh phục vụ cho cổng vào ra.
Thanh ghi TRISx (x là tờn cổng) cú nhiệm vụ điều khiển chiều đi của dữ liệu qua cỏc chõn cổng tức là thanh ghi này cài đặt cho một chõn của cổng là đầu vào hay đầu ra. Quy ƣớc, 1 là đầu vào và 0 là đầu ra.
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hỡnh 2.6: Cấu trỳc một chõn của cổng vào ra
Thanh ghi PORTx cú nhiệm vụ chốt dữ liệu khi cổng là đầu vào, một