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
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
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
- 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
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.
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 thao tỏc đọc thanh ghi POTRx sẽ cho biết trạng thỏi của port đú (khi đú là cổng vào).
Thanh ghi LATx là thanh ghi chốt dữ liệu cho cổng ra. Để gửi dữ liệu ra bờn ngoài, một thao tỏc ghi vào thanh ghi LATx đƣợc thực hiện.
Sau khi RESET hệ thống, tất cả cỏc PORT đều đƣợc định nghĩa là cổng vào.
2.4.2.3. Cỏc bộ định thời
DSP IC30F4011 cú 5 bộ định thờ i, trong đú, cỏc bộ định thờ i đƣợ c chia làm 3 loại: A, B và C. Mỗi kiểu định thờ i cú một đặc trƣng riờng.
Bộ định thờ i Timer1 là loại A. Module đ ịnh thờ i 1 là bộ định thờ i 16 bit cú thể làm nhiệm vụ cun g cấp bộ đếm thờ i gian cho đồng hồ thờ i gian thực hoặc cũng cú thể hoạt động nhƣ một bộ đếm/định thờ i tự do và theo khoản g. Bộ định thờ i 16 bit cú cỏc chế độ sau:
- Chế độ định thờ i 16 bit: khi ở chế độ này, bộ định thờ i sẽ tăng giỏ trị của nú lờn 1 sau mỗi chu kỳ lệnh. K hi nội dung bộ định thờ i bằng vớ i giỏ trị đặt trong thanh ghi PR 1, giỏ trị của nú sẽ đƣợ c reset về 0 và lại tiếp tục đếm từ đầu.
- Chế độ đếm đồn g bộ 16 bit: tro ng chế đ ộ này, giỏ trị của bộ đị nh thờ i đƣợ c tăng lờn một mỗi khi phỏt hiện một sƣờ n lờn của xung clock bờn ngoài đƣa tớ i. X ung cloc k từ bờn ngoài này sẽ đƣợ c đồng bộ vớ i xun g cloc k bờn t rong vi đ iều khiển. K hi giỏ trị bộ định thờ i bằng vớ i giỏ trị đặt tron g tha nh ghi PR1, nú sẽ đƣợ c reset về 0 và tiếp tục đếm từ đầu.
- Chế độ đế m khụn g đồn g bộ 16 bit: tro n g chế độ này, giỏ trị của bộ định thờ i đƣợ c tăng lờn một mỗi khi ph ỏt hiện một sƣờ n lờ n của xung cloc k bờn n goài đƣa tớ i. K hi giỏ trị bộ định thờ i bằng vớ i giỏ trị đặt trong thanh ghi PR1, nú sẽ đƣợ c r eset về 0 và tiếp tục đế m từ đầu.
Bộ định thời 16 bit cú khả năng tạo ra ngắt cứ mỗi khi nội dung của nú bằng với nội dụng của thanh ghi PR1. Khi đú, bit T1IF đƣợc set và một ngắt đƣợc tạo ra. Bit T1IF cần phải đƣợc xúa bởi phần mềm khi vào thủ tục ngắt.
Cỏc bộ định thời 2/3 là cỏc bộ định thời kiểu B, chỳng là cỏc module định thời 32 bit và cú thể đƣợc cấu hỡnh thành 2 bộ định thời 16 bit với cỏc chế độ cú thể lựa chọn đƣợc. Cỏc bộ định thời này cú thể đƣợc sử dụng bởi cỏc module ngoại vi nhƣ module bắt đầu vào, module PWM. Cỏc bộ định thời 32 bit cú cỏc chế độ làm việc sau:
- 2 bộ định thời làm việc độc lập (bộ 2 và bộ 3) với cỏc chế độ định thời 16 bit (ngoại trừ chế độ đếm khụng đồng bộ)
- Hoạt động ở chế độ định thời 32 bit - Hoạt động ở chế độ đếm đồng bộ 32 bit
- Ngoài ra, bộ định thời 2/3 cũn hỗ trợ cho cỏc hoạt động ADC, cài đặt bộ chia trƣớc, hoạt động định thời trong cỏc chế độ ngủ và nguồn nghỉ…
Cỏc bộ định thời 4/5 cũng là bộ định thời 32 bit và cũng đƣợc ghộp từ 2 bộ định thời 16 bit. Tuy nhiờn bộ định thời 4 là kiểu B trong khi bộ định thời 5 là kiểu C. Ở bộ định thời 5, chõn cấp xung clock đƣa vào là khụng cú. Cũn về cỏc chế độ hoạt động cỏc bộ 4/5 hoàn toàn giống với bộ 2/3 nhƣng chỉ khỏc là hỗ trợ hoạt động của ADC và chỳng cú thể đƣợc sử dụng bởi cỏc module ngoại vi nhƣ chụp đầu vào và so sỏnh đầu ra.
2.4.2.4. Module chuyển đổi tƣơng tự - số ADC 10bit
Cỏc chip DSPIC cú module ADC thuộc một trong hai dạng: 10-bit với tốc độ lờn đến 1 MSPS (triệu mẫu/giõy) hay 12-bit với tốc độ lờn đến 200 ksps (nghỡn mẫu/giõy). Cỏc module ADC đƣợc thiết kế nhằm phục vụ cho cỏc mục đớch khỏc nhau. Trong cỏc DSPIC thuộc dũng điều khiển động cơ, module ADC là loại 10-bit với tốc độ cao, nhằm đỏp ứng yờu cầu về tốc độ lấy mẫu của cỏc bộ điều khiển truyền động điện. Cỏc bộ ADC trong cỏc DSPIC sử dụng thuật toỏn chuyển đổi successive approximation register - sar, do đú cú thời gian chuyển đổi đó đƣợc xỏc định trƣớc. Việc chuyển đổi tớn hiệu từ dạng tƣơng tự sang dạng số bao gồm hai giai
đoạn: giai đoạn lấy mẫu tớn hiệu và giai đoạn chuyển đổi, cú thể bắt đầu giai đoạn lấy mẫu bằng tay hay tự động. Thời điểm chấm dứt lấy mẫu (và bắt đầu chuyển đổi) cú thể do ngƣời dựng xỏc định (bằng cỏch tắt bit SAMP) hay đƣợc một ngoại vi nào đú xỏc định (một timer dành riờng, module MCPPWM, Timer 3, hay chõn INT(0). Nhƣ vậy thời gian lấy mẫu là khỏc nhau với cỏc thiết lập khỏc nhau. Giai đoạn chuyển đổi dữ liệu cần cú 12 xung clock cho module ADC, với một chu kỳ xung
clock TAD cú thể đƣợc chọn là từ Tcy/2 đến 32Tcy. Tcy chớnh là thời gian của một chu
kỳ mỏy.
Module ADC của DSPIC30F4011 cú 4 bộ khuếch đại s/h (sample and hold), đƣợc đỏnh địa chỉ là kờnh 0 đến kờnh 3. Cú thể chỉ dựng kờnh 0, hay dựng kờnh 0 và 1, và cũng cú thể dựng cả 4 kờnh cho việc thu thập dữ liệu. Kờnh 0 là kờnh linh hoạt nhất trong việc chọn lựa cỏc ngừ vào tƣơng tự. Bộ đệm của module ADC cú thể chứa đƣợc tối đa 16 kết quả.
Module ADC của DSPIC30F4011 cú 6 thanh ghi 16 bit:
- A/D CONTROL REGISTER - ADCONx với x là số thứ tự từ 1 đến 3. Thanh ghi này điều khiển hoạt động của ADC.
- A/D INPUT SELECT REGISTER - ADCHS cú nhiệm vụ chọn kờnh cần chuyển đổi.
- A/D PORT CONFIGURAITON REGISTER - ADPCFG cấu hỡnh cho cỏc PORT là đầu vào tƣơng tự hay đầu vào số.
- A/D INPUT SCAN SELETION REGISTER (ADCSSL) chọn đầu vào để quột
Hỡnh 2.8: Cấu trỳc của module ADC 10bit trong DSPIC30F4011
Sau khi chuyển đổi, kết quả sẽ đƣợc lƣu vào cỏc bộ đệm tờn là ADCBUF0 đến ADCBUFF.
Hoạt động chuyển đổi của ADC module cần phải thiết lập theo cỏc bƣớc sau: - Chọn cỏc chõn dựng làm ngừ vào analog bằng cỏc bit ADPCFG<15:0> - Chọn nguồn điện ỏp chuẩn bằng cỏc bit ADCON2<15:13>
- Chọn tốc độ xung clock cho module ADC phự hợp với tốc độ dữ liệu và tốc độ của bộ xử lý bằng cỏc bit ADCON3<5:0>
- Xỏc định bao nhiờu kờnh S/H sẽ đƣợc dựng bằng cỏc bit ADCON2<9:8> và ADPCFG<15:0>
- Xỏc định cỏch thức lấy mẫu bằng cỏc bit ADCON1<3> và ADCSS1<15:0> - Chọn thứ tự lấy mẫu/chuyển đổi thớch hợp bằng cỏc bit ADCON1<7:0> và
ADCON3<12:8>
- Chọn cỏch biểu diễn kết quả chuyển đổi trong bộ đệm bằng cỏc bit ADCON1<9:8>
- Chọn tốc độ tạo ngắt bằng cỏc bit ADCON2<5:9> - Bật module ADC bằng bit ADCON1<15>
- Nếu cú sử dụng ngắt, cần thiết lập thờm cấu hỡnh cho ngắt A/D - Xúa bit ADIF
- Chọn độ ƣu tiờn cho ngắt A/D
Cỏc bit ADCS<5:0> (ADCON3<5:0>) đƣợc dựng để thiết lập tốc độ xung clock cho module ADC. Giỏ trị của ADCS<5:0> đƣợc xỏc định từ cụng thức:
ADCS =2 ìTAD −1
TCY
Giỏ trị đƣợc chọn của TAD khụng đƣợc phộp nhỏ hơn 83.33 ns.
2.4.2.5. Module PWM điều khiển động cơ
Đối với DSPIC30F4011 thỡ bộ PWM đó đƣợc tớch hợp sẵn với 6 xung đồng bộ đõu ra chuyờn để dựng điều khiển cỏc thiết bị là.
- Điều khiển động cơ cảm ứng xoay chiều 3 pha - Điều khiển động cơ từ trở
- Điều khiển ĐCMCKCT - Nguồn lƣu điện UPS
Để khởi tạo hoạt động của module PWM điều khiển động cơ theo trỡnh tự sau: - Xỏc định thời gian cho một chu kỳ xung bằng cỏch đặt một giỏ trị 15bit
vào thanh ghi ngƣỡng đếm chu kỳ xung PTPER, theo cụng thức:
f PTPER = cy −1 f PWM ìPTMR Pr escale f
So sỏnh theo xung răng cƣa sƣờn thẳng
PTPER = cy
−1
f PWM ìPTMR Pr escaleì 2 So sỏnh theo xung răng cƣa sƣờn dốc
- Thiết lập chế độ dựng cỏc chõn pwm bằng thanh ghi PWMCON1