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. Kết quả thu được như sau:
Hình 4-60. Thuật toán PLL với góc lệch pha 70o
Với thực nghiệm trên ta thấy, thuật toán PLL mà ta thiết kế làm việc rất tốt:
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
Chương 4. Thiết kế ứng dụng của biến áp áp điện
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 CCS
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 gần sin 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 4–4. Dữ liệu thực nghiệm khi thay đổi tải
Giá trị tải (kΩ) Góc lệch pha(o) Tần số(Khz) Điện áp đầu ra(V) Công suất (W)
18.6 40 100 75.7 0.154 28.5 25 99.8 74.3 0.097 38.4 40 103.1 106.5 0.148 48.2 50 103.3 140.9 0.206 58.2 60 103.2 178.4 0.274 68 60 103.3 230.9 0.392 77.9 55 103.2 278.2 0.497 87.8 50 103.3 483.5 1.331 107 45 103.2 572.2 1.530
Chương 4. Thiết kế ứng dụng của biến áp áp điện
Từ bảng số liệu trên, ta vẽ được đồ thị của góc lệch pha theo giá trị tải:
Hình 4-61. Đồ thị góc lệch pha 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.
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
Kết luận
KẾT LUẬN
Những kết luận 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 đàm 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 nếu 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 định rằng bộ SDPLL là một công cụ hữu hiệu để điều khiển các đối tượng làm việc dựa trên độ lệch pha của tín hiệu.
• So sánh với PLL thực hiện bằng phần cứng, SPLL đạt được nhiều ưu điểm vượt trội như: tính linh hoạt, mềm dẻo, dễ hiệu chỉnh, dễ tích hợp, bảo vệ chất xám của (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết luận
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
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đỗ Mạnh Cường
Piezoelectric Transformer Integration Posibility in High Power Density Applications – Technische Universitat Dresden - 2008
[2]. Gregory Ivensky, Isaac Zafrany, and Shmuel Ben-Yaakov,
Generic operation characteristics of piezoelectric transformers - IEEE Trans. Power Electron, vol. 17, pp. 1049-1057, Nov. 2002
[3]. Eddy Wells
Comparing magnetic and piezoelectric transformer approaches in CCFL applications – Texas Instruments Incorporated - 2005
[4]. Alfredo Vázquez Carazo
50 years of Piezoelectric Transformers. Trends in the technology - Department of R&D Engineering, Face Electronics, LC - 2004
[5]. Bronstein, S., and Ben-Yaakov, S.
Design Considerations for Achieving ZVS in a Half Bridge Inverter that Drives a Piezoelectric Transformer with No Series Inductor - Power Electronics Specialists Conference, 2002. pesc 02. 2002 IEEE 33rd Annual
[6]. Lin C. H., Lu Y.,Lo Y. K., Pai K. J.and Wang Y. Y.
Inductor less piezoelectric transformer electronic ballast for linear flourescent lamp -
Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2001. APEC 2001. Sixteenth Annual IEEE
[7]. Ben-Yaakove, S., Ivensky, G.
Drivers and Rectifiers for Piezoelectric Elements - IEEE Power Electronics Specialist Conference - PESC-2005
[8]. Chang-Hua Lin, Ying-Chi Chen, Ying Lu
DPLL Technique Applied to Backlight Module for Eliminating Temperature Effect in Piezoelectric Transformer - Dept. of Computer and Communication Engineering, St. John's University – 2005
[9]. E. Dailago and A. Danioni
Resonance frequency tracking control for piezoelectric transformer DC-DC converter - ELECTRONICS LETTERS - October 2001
[10]. Wei-Chuan Su, Po-Chen Lin, Chern-Lin Chen
Phase Controlled Piezoelectric-Transformer Backlight Inverter with No Magnetic Device - Conference and Exposition, 2006. APEC '06. Twenty-First Annual IEEE. [11]. Floyd M. Gardner
Phaselock Techniques – 1979 [12]. Roland E. Best
Phase-Locked Loops - Design, Simulation, and Applications – McGraw-Hill – 1999 [13]. Spectrum Digital Incorporated
eZdspTM F2812 Technical Reference – 2003
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ……..………1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
TỔNG QUAN VỀ BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN...3
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
1.3.1 Máy biến áp áp điện kiểu Rosen...9
1.3.2 Máy biến áp áp điện kiểu rung theo chiều dày...9
1.3.3 Biến áp áp điện kiểu rung theo hướng kính...10
ĐẶC TÍNH CỦA BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN...13
1.4. Sơ đồ tương đương của biến áp áp điện...13
1.5. Phân tích hoạt động của biến áp áp điện...14
1.5.1 Hệ số biến áp...14
1.5.2 Công suất đầu ra...18
1.5.3 Hiệu suất biến áp...19
1.5.4 Mô phỏng đặc tính làm việc...20
NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN...24
1.6. Các mô hình bộ biến đổi công suất điều khiển biến áp áp điện...24
1.6.1 Giới thiệu chung...24
1.6.2 Sơ đồ điều khiển lớp D...24
1.6.3 Sơ đồ điều khiển lớp E...30
1.7. Thuật toán điều khiển bám tần số cộng hưởng...34
1.7.1 Cấu trúc của DPLL...36
1.7.2 Tính chất của DPLL...42
THIẾT KẾ ỨNG DỤNG CỦA BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN...49
1.8. Mạch ứng dụng của biến áp áp điện...49
1.8.1 Module mạch nguồn...49
1.8.2 Module điều khiển...50
1.8.3 Module mạch lực...61 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.8.4 Module biến áp áp điện...61
1.8.5 Module bắt pha áp vào và dòng ra của biến áp áp điện...62
1.8.6 Module tải ...63
1.9. Đo đạc và phân tích kết quả thu được...64
1.9.1 Với mạch vòng hở...65
1.9.2 Với mạch vòng kín...67
MỤC LỤC...74
Kết luận ………..……….………65 TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hình 1-1. Cấu trúc phân tử của vật liệu áp điện...5
Hình 1-2. Quá trình phân cực biến áp áp điện...6
Hình 1-3. Phần tử áp điện...8
Hình 1-4. Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc...8
Hình 1-5. Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang...9
Hình 1-6. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen...9
Hình 1-7. Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày...10
Hình 1-8. Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính...11
Hình 2-9. Sơ đồ thay thế của biến áp áp điện với 3 tần số cộng hưởng...14
Hình 2-10. Sơ đồ thay thế biến áp áp điện tại 1 tần số cộng hưởng...14
Hình 2-11. Sơ đồ thay thế máy biến áp áp điện với tải thuần trở...15
Hình 2-12. Sơ đồ qui đổi biến áp áp điện tải thuần trở về phía sơ cấp...15
Hình 2-13. Sơ đồ thay thế tương đương biến áp áp điện...16
Hình 2-14. Quan hệ và ...19
Hình 2-15. Điện trở tối ưu...20
Hình 2-16. Hệ số biến áp ...21
Hình 2-17. Công suất đầu ra...22
Hình 2-18. Hiệu suất biến áp...22
Hình 2-19. Đặc tính hoạt động của PT...23
Hình 3-20. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D...25
Hình 3-21. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D quy đổi về sơ cấp...25
Hình 3-22. Giản đồ thể hiện nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D...25 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3-23. Quan hệ pha giữa dòng điện cộng hưởng irL và điện áp tụ đầu vào Vin27 Hình 3-24. Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp D...28
Hình 3-25. Tần số 95kHz (ngoài dải cộng hưởng)...29
Hình 3-26. Tần số 97kHz (trong dải cộng hưởng)...29
Hình 3-27. Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động....30
Hình 3-28. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp E...31
Hình 3-29. Mô tả hoạt động bộ biến đổi lớp E...31
Hình 3-30. Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp E...32
Hình 3-31. Kết quả mô phỏng...33 Hình 3-32. Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động [1].
Hình 3-33. Sơ đồ cấu trúc điều khiển biến áp áp điện bằng PLL...36
Hình 3-34. Cấu trúc tổng quát của DPLL...36
Hình 3-35. Sơ đồ nguyên lí của EXOR Phase Detector...37
Hình 3-36. Sơ đồ nguyên lí của JK-FlipFlop Phase Detector...37
Hình 3-37. Sơ đồ nguyên lí của PFD Phase Detector...38
Hình 3-38. Giản đồ chuyển trạng thái của PFD Phase Detector...38
Hình 3-39. Đầu ra của PFD khi và ...39
Hình 3-40. Đầu ra của PFD khi và ...39
Hình 3-41. Đầu ra của PFD khi và ...40
Hình 3-42. Sơ đồ nguyên lí của bộ lọc thông thấp thụ động...40
Hình 3-43. Sơ đồ nguyên lí của bộ lọc thông thấp tích cực...41
Hình 3-44. Sơ đồ nguyên lí của bộ lọc thông thấp tích cực PI...41
Hình 3-45. Bộ lọc thông thấp thụ động...46
Hình 3-46. Lưu đồ thuật toán thực hiện SDPLL...48
Hình 4-47. Mạch nguyên lí của khối nguồn...50
Hình 4-48. Sơ đồ các khối của eZdsp TMS320F2812...52
Hình 4-49. Sơ đồ khối của CPU Timers...53
Hình 4-50. Đồ thị thể hiện chế độ Timer đếm tiến...55
Hình 4-51. Đồ thị thể hiện chế độ Timer đếm tiến/lùi...57
Hình 4-52. Đồ thị thể hiện sự thay đổi tần số và độ rộng xung phát...58
Hình 4-53. Mạch lực...61
Hình 4-54. Biến áp áp điện...62 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4-55. Mạch bắt pha áp vào và dòng ra của biến áp áp điện...63
Hình 4-56. Toàn bộ hệ thống trong quá trình chạy thực tế...64
Hình 4-57. Layout của mạch ứng dụng...64
Hình 4-58. Kết quả đo đạc tại tần số ngoài cộng hưởng f=80kHz...65
Hình 4-59. Kết quả tại tần số cộng hưởng f=103.6 kHz...66
Hình 4-60. Thuật toán PLL với góc lệch pha 70o...67
Hình 4-61. Đồ thị góc lệch pha theo tải...69
Bảng 2–1. Liên hệ các đại lượng cơ - vật lý với điện học...13
Bảng 2–2. Thông số biến áp áp điện...20
Bảng 3–3. Thông số biến áp áp điện...27
PHỤ LỤC
1. Code Matlab mô phỏng đặc tính làm việc của biến áp áp điện
Vin = 5; %Dien ap vao bien ap
%Thong so bien ap
Rm = 1.33; %Dien tro dac trung ton hao co
Lr = 0.66e-3; %Dien cam noi tiep dau vao
Cr = 3.925e-9; %Dien dung noi tiep dau vao
n = 32; %Ty so truyen co ly tuong
Cin = 105e-9; %Dien dung dau vao PT
Co = 20e-12; %Dien dung dau ra PT
f = [90000:200:110000]; %Dai tan so tai khao sat
logaR =[0:0.1:9]; Ro = 10.^logaR;
[X,Y] = meshgrid(f,Ro); %Lenh tao luoi ve do thi %Tinh cac thong so
omega = 2*pi.*X; %Tan so goc
R1o = Y./(n*n); %R'o
C1o = (n*n)*Co; %C'o
R2o = R1o./(1+(omega*C1o.*R1o).^2); %R"o
C2o = C1o.*((1+(omega*C1o.*R1o).^2)./(omega*C1o.*R1o).^2); %C"o
A = C1o/Cr; %A omega_rs= 1/sqrt(Lr*Cr); % frs = omega_rs/(2*pi); Q = omega_rs*Co*Y; Qm = 1/(omega_rs*Cr*Rm); f1 = X./frs; K1 = (1 - A*(f1.*f1 - 1) + Rm./R1o); K2 =((omega_rs./omega).*(A./Q).*(f1.^2-1)+ f1.*A/Qm); K = K1.^2 + K2.^2; %Y n2 = n./sqrt(K); %He so bien ap
Po = ((Vin*n2).^2)./Y; %Cong suat dau ra (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
%e = R2o(:,51)./(R2o(:,51)+Rm)*100; %Hieu suat bien ap
close all; %Xoa cac hinh hien tai
surf(X,logaR,n2); %Do thi he so bien ap
xlabel('TAN SO HOAT DONG [Hz]'); ylabel('Log10(R)');
zlabel('HE SO BIEN AP'); view(10,10);
figure;
surf(X,logaR,Po); %Do thi cong suat dau ra
xlabel('TAN SO HOAT DONG [Hz]'); ylabel('Log10(R)');
zlabel('CONG SUAT DAU RA [W]'); view(10,10);
figure;
plot(logaR,e) surf(X,logaR,e);
xlabel('TAN SO HOAT DONG [Hz]'); ylabel('Log10(R)');
zlabel('HIEU SUAT BIEN AP [%]');
view(10,10); %Dieu chinh goc nhin
e = R2o./(R2o+Rm)*100; %Hieu suat bien apmax_n2 max_n2 = max(n2'); max_Po = max(Po'); max_e = max(e'); plot(logaR,max_n2./16,'--','LineWidth',2.5); hold on; plot(logaR,max_Po*20,'-r','LineWidth',2.5); plot(logaR,max_e,':g','LineWidth',2.5);
legend('He so bien ap','Cong suat','Hieu suat');
2. Hàm thực hiện thuật toán SDPLL trên TMS320F2812, trình dịch Code Composer Studio v3.3
void SDPLL(void) // tinh toan theo thuat toan Software Digital PLL { T_lech=T*(360-T_lech_rect)/360; T_cross+=T_lech; while(T_cross>=T) { T_cross-=T; }
//Tinh toan cho PFD
if(T_cross<T/2) // U se som pha so voi I, can giam tan so xuong
{
T_neg=T_cross; T_pos=0;
}
else // U tre pha so voi I, can tang tan so len
{
T_neg=0;
T_pos=T-T_cross; }
//tinh toan cho bo loc
if(T_pos > 0) {
Uc_cur = Uc_pre + (float)(U_b - Uc_pre) * T_pos / (T_1 + T_2); Uf_cur = Uc_cur + T_pos * T_2 * ((float)U_b-Uc_cur)/(T * (T_1 + T_2)); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
}
else if(T_neg > 0) {
Uc_cur = Uc_pre * (1 - ((float)T_neg / (T_1 + T_2)));
Uf_cur = Uc_cur * (1 - ((float)T_2 * T_neg/(T * (T_1 + T_2)))); }
else {
Uf_cur = Uc_cur; }
// Tinh toan cho DCO
f=f_0+K_0*Uf_cur; T=1000000000/f;
// update cac gia tri tinh toan cho lan tinh toan tiep theo
Uc_pre=Uc_cur; Uf_pre=Uf_cur; }