DSP TMS320LF2407A
2.2.3.2. Giới thiệu DSP TMS320LF2407A
TMS320LF2407A là DSP của Texas Instrument, dấu chấm tĩnh 16bit, cĩ tốc độ 40MIPS, 2.5 KWord RAM, 32 KWord Flash, 4 Timer, 2 cổng giao tiếp nối tiếp. TMS320LF2407A được thiết kế chuyên dùng cho điều khiển động cơ ba pha khơng
đồng bộ, tích hợp on-chip 16 kênh PWM, 16 kênh ADC 10 bit (375ns) hỗ trợ đọc
dịng điện động cơ, bộ đọc xung Incremental Encorder QEP hỗ trợ đọc tốc độ động cơ bằng phần cứng. Phần cứng on-chip hỗ trợ kết hợp đồng bộ các Timer, PWM, ADC và QEP cho các thao tác thu thập và điều khiển động cơ.
Hình 2.61. Sơ đồ khối các chức năng điều khiển của DSP TMS320LF2407A TMS320LF2407A thi hành chuỗi lệnh theo pipeline 4 mức, nhờ đĩ cĩ thể thực thi đối với các lệnh cĩ sử dụng dữ liệu lưu trên bộ nhớ chỉ tốn 1 chu kỳ lệnh. DSP thực thi các phép cộng, trừ và nhân 16bit cĩ kết hợp shift, kết quả 32bit chỉ sau 1 chu kỳ lệnh. Đặc biệt, bộ logic số trung tâm (hình bên) hỗ trợ thi hành nhanh các thuật tốn lọc, lặp và FFT rất phù hợp với các thuật
tốn điều khiển động cơ. Đặc điểm này là một trong
những ưu điểm nổi bậc của DSP so với các bộ điều khiển thơng thường khác.
Hình 2.62: DSP thực hiện phép tính cộng dồn và dịch 32 bit
CPU
ADC Modul
PWM Genrator Capture/ QEP
PDPINT
SCI/ SPI Digital IO
Speed Sensor Driver Circuits Current Sensors Comm Serial Control Logic Fault Protection Motor Three phase Inverter Power Stage DSP Control Speed
DSP TMS320LF2407A cĩ ưu điểm hỗ trợ điều khiển trực tiếp động cơ khơng đồng bộ ba pha. Nhưng với tốc độ 40Mhz và chỉ xử lý tín hiệu 16 bit dấu chấm tĩnh, nên trong một số trường hợp khơng thể đáp ứng được các thuật tốn cĩ khối lượng tính tốn lớn hay cĩ yêu cầu nghiêm ngặt về sai số tính tốn. Giải thuật
điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha bằng phương pháp mơ hình nội
(IMC) cĩ khối lượng xử lý khơng quá nhiều, thích hợp với bộ điều khiển DSP này.
2.2.3.1. Hệ thống điều khiển biến tần dùng DSP TMS320LF2407A
Giải thuật điều khiển được cài đặt trên kit DSP TMS320LF2407A.
Hình 2.63: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số ĐCKĐB ba pha dùng DSP
Hình 2.64: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số bộ biến tần dùng Bộ điều khiển DSP
Bộđiều khiển DSP Bộ xử lý PWM QEP ADC SCI I/O ADC L3 L2 L1 N L Bộ xử lý trung tâm DSP TMS320LF2407A Inverter (VSI) Chỉnh lưu DC Link Nguồn AC Động cơ Cảm biến dịng điện Cảm biến tốc độ Giao tiếp Hiển thị Điều khiển
Bộ điều khiển động cơ KĐB 3 pha gồm cĩ các khối chức năng:
• Khối điều rộng xung PWM lái bộ nghịch lưu áp 3 pha.
• Khối ADC đo dịng điện và điều khiển tốc độ đặt từ biến trở.
• Khối QEP đọc hồi tiếp tốc độ từ encoder.
• Khối xử lý thuật tốn điều khiển biến tần dùng IMC.
• Khối logic control điều khiển phím nhấn và LED hiển thị trạng thái hoạt động của biến tần.
• Khối SCI giao tiếp, điều khiển, giám sát từ máy tính.
2.2.3.1. Lập trình DSP cài đặt giải thuật điều khiển biến tần dùng IMC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sau khi mơ phỏng trên Matlab cĩ kết quả và các phương trình đã được chuẩn hĩa, thuật tốn được lập trình cài đặt lên DSP để điểu khiển hệ thống thực. DSP TMS320LF2407A được lập trình trên phần mềm chuyên dụng Code Composer 4.12 của nhà sản xuất Texas Instrument, cho phép viết chương trình kết hợp đồng thời bằng hai ngơn ngữ Assembly và C.
Lập trình điều khiển động cơ khơng đồng bộ được chia thành hai phần chính:
• Lập trình kết nối điều khiển và thu thập dữ liệu: lập trình cho DSP điều khiển mạch kích, thu thập tín hiệu hồi tiếp, giao tiếp truyền thơng, cập nhật thơng số và nhận lệnh điều khiển và hiển thị trạng thái điều khiển.
• Lập trình tính tốn thuật tốn: lập trình DSP tính tốn các thơng số điều khiển, xử lý thuật tốn điều khiển. Thực hiện trên dấu chấm tĩnh.
Để hệ thống điều khiển linh động hơn, hai phần trên được cài đặt trên hai
chip riêng biệt giao tiếp online với nhau. DSP TMS320LF2407A là chip đa năng cĩ thể thực hiện được cả hai nhiệm vụ trên. Song để giảm khối lượng lập trình, trong nhiều trường hợp dùng DSP xử lý dấu chấm động để thực hiện tính tốn thuật tốn. Trong điều kiện hạn chế chỉ cĩ một chịp DSP TMS320LF2407A, vì vậy phải lập trình cả hai nhiệm vụ trên cùng một chip. Chính vì vậy, trong đề tài này khơng thể cài đặt các thuật tốn ước lượng từ thơng và ước lượng tốc độ cĩ khối lượng xử lý lớn lên cùng một DSP. Các thế hệ DSP mới sau này hỗ trợ xử lý dấu chấm tĩnh 32 bit và cĩ tốc độ xử lý rất cao cĩ thể cho phép xử lý đơn chip đồng thời tất cả chức năng điều khiển và tính tốn.
Chương trình lập trình bao gồm hai phần:
Phần lập trình kết nối điều khiển và thu thập dữ liệu gồm các unit chính: ¾ Tạo tín hiệu kích điều rộng xung (PWM) ba pha.
¾ Đọc dịng điện hồi tiếp qua ADC từ cảm biến HALL.
¾ Đo tốc độ từ Incremental Encoder.
¾ Giao tiếp nối tiếp (SCI) với máy tính hay mạch hiển thị. ¾ Cập nhật lệnh điều khiển qua IO và ADC.
Phần lập trình tính tốn thuật tốn gồm các unit chính: ¾ Tính tốn các thơng số là hằng số của thuật tốn. ¾ Tính tốn thuật tốn điều khiển tốc độ động cơ.
2.2.4. Lập trình giao tiếp máy tính và khảo sát đáp ứng của bộ biến tần
Thuật tốn điều khiển động cơ khơng đồng bộ ba pha bằng phương pháp mơ hình nội được cài đặt trên hệ thống phần cứng thơng qua bộ điều khiển DSP TMS320LF2407A. Đề tài này sử dụng phương pháp dùng máy tính thu thập dữ liệu (tốc độ, dịng điện,…) từ xa thơng qua cổng truyền thơng nối tiếp RS232, vẽ đồ thì đáp ứng của động cơ, để khảo sát chất lượng điều khiển thực của hệ thống. Đồng thời cũng qua giao diện này cho phép thay đổi thơng số mơ hình (khi thay đổi động cơ) và thơng số điều khiển (tốc độ đặt) của hệ thống từ máy tính. Chương trình giao tiếp, điều khiển, hiển thị, lưu trữ và vẽ đồ thị đáp ứng viết bằng ngơn ngữ Visual Baisic 6.0. Dữ liệu được lưu trữ dưới dạng file exel để khảo sát chất lượng điều khiển.
Hình 2.66: Hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu cho biến tần
Hình 2.67: Giao diện thu thập dữ liệu và điều khiển từ máy tính
Ngồi ra, giá trị tốc độ động cơ cịn cĩ thể được hiển thị trên LED 7 đoạn thơng qua cổng giao tiếp nối tiếp RS232 của bộ biến tần.
Hình 2.68: Hiển thị tốc độ trên LED 7 đoạn
Hình 2.69: Giao tiếp với biến tần, thu thập dữ liệu và điều khiển từ máy tính Các chế độ điều khiển và thu thập dữ liệu:
• Chế độ điều khiển trực tiếp: điều khiển bộ biến tần qua các nút nhấn, nhập tốc độ đặt qua biến trở, trạng thái hoạt động hiển thị trên LED đơn và tốc độ hiển thị trên LED 7 đoạn. Trong chế độ điều khiển này,
máy tính chỉ cĩ thể thu thập dữ liệu và hiện thị tốc độ, khơng thể nhập thơng số điều khiển được.
• Chế độ điều khiển từ xa: từ trên máy tính, cho phép nhập giá trị tốc độ đặt, đáp ứng tốc độ được truyền lên máy tính hiển thị và vẽ đồ thị đáp ứng. Trong chế độ điều khiển này, các nút nhấn trực tiếp trên bộ điều khiển vẫn cĩ tác dụng, biến trở đặt tốc độ khơng cịn tác dụng.
2.2.5. Đáp ứng thực nghiệm của bộ biến tần dùng phương pháp IMC
Bộ biến tần điều khiển thử nghiệm với động cơ khơng đồng bộ ba pha rotor lồng sĩc, 1 cặp cực, nối Y, cơng suất trung bình với các thơng số sau:
• Điện áp định mức 220V
• Cơng suất định mức 280W
• Tốc độ định mức 2000 vịng/phút (RPM)
• Dịng điện định mức 1.5A
Thời gian lên tương ứng với thời hằng của bộ lọc IMC cho tốc độ là 250ms với tải thay đổi liên tục. Hồi tiếp tốc độ thơng qua Incremental Encoder 4000PPR. Tần số điều rộng xung (PWM) và tần số lấy mẫu xử lý tín hiệu là 5Khz. Chu kỳ thu thập dữ liệu về máy tính để khảo sát khoảng 0,11đến 0,16 giây cho mỗi mẫu. Tải là 1 mơ hình băng chuyền trong phịng thí nghiệm, cĩ thể điều chỉnh thay đổi moment.
Kết quả thực nghiệm khi điều khiển vịng hở: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.71: Đáp ứng tốc độ động cơ khi chạy vịng hở và khơng tải.
Hình 2.72: Đáp ứng tốc độ động cơ khi chạy vịng hở và cĩ tải.
Nhận xét:
• Khi điều khiển vịng hở, tốc độ khơng đạt được giá trị mong muốn.
• Khi cĩ tải, tốc độ càng bị suy giảm nhiều và dao động.
• Cĩ thể điều khiển thay đổi được tốc độ động cơ.
Kết quả thực nghiệm khi điều khiển vịng kín dùng IMC:
Hình 2.73: Đáp ứng tốc độ động cơ khi chạy khơng tải.
Hình 2.74: Đáp ứng tốc độ động cơ khi chạy cĩ tải.
Hình 2.75: Đáp ứng dịng điện hiệu dụng Irms khi chạy khơng tải.
Hình 2.76: Đáp ứng dịng điện hiệu dụng Irms khi chạy cĩ tải.
Hình 2.77: Đáp ứng mơmen khi chạy khơng tải.
Hình 2.79: Đáp ứng từ thơng khi chạy khơng tải.
Hình 2.78: Đáp ứng mơmen khi chạy cĩ tải.
Hình 2.80: Đáp ứng từ thơng khi chạy cĩ tải
Hình 2.81: Đáp ứng dịng điện pha A va pha B ở tần số 33Hz
Hình 2.83: Do dịng điện qua dao động ký Nhận xét:
• Hệ thống cĩ đáp ứng khá ổn định.
• Thời gian đáp ứng tốc độ phù hợp với hằng số bộ lọc IMC (gần 1s).
• Đáp ứng tốc độ của trường hợp chạy khơng tải và cĩ tải là khá ổn định
và chính xác, sai số xác lập khơng quá 1%.
• Dịng điện khởi động nhỏ, bằng dịng định mức, cĩ dạng hình sin.
• Từ thơng rotor ổn định.
• Kết quả thực nghiệm trên khá tương quan với kết quả mơ phỏng.
2.2.6. Mơ hình bộ biến tần dùng cho phịng thí nghiệm
Hệ thống thực điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha (BỘ BIẾN TẦN) dùng phương pháp điều khiển IMC trên nền DSP TMS320LF2407A cĩ nhiều ưu điểm:
¾ Dễ thiết kế: điều khiển thời gian đáp ứng thơng qua bộ lọc IMC. ¾ Dễ cài đặt lập trình nhờ thuật tốn đơn giản.
¾ Khối lượng xử lý khơng nhiều. ¾ Bền vững với sai số của mơ hình. ¾ Chất lượng điều khiển tốt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
¾ Hỗ trợ đo lường và khảo sát đáp ứng trên máy tính phục vụ thí nghiệm. Song hệ thống điều khiển dùng DSP này cũng cịn một số yếu điểm như DSP
TMS320LF2407A chưa đủ mạnh để xử lý hết các thuật tốn mở rộng của phương pháp IMC. Phương pháp điều khiển mơ hình nội áp dụng cho động cơ khơng đồng bộ cịn mới nên chưa khảo sát hết các ưu điểm đặc thù của
phương pháp này. Trong đĩ cĩ khả năng kết hợp với các phương pháp phân tích thơng minh khác để nâng cao hơn nữa chất lượng của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha nĩi riêng và điều khiển động cơ nĩi chung.
Hình 2.84: Mơ hình bộ biến tần cho phịng thí nghiệm cĩ giao tiếp máy tính.
Hình 2.86: Đáp ứng dịng điện và tốc độ khi biến tần điều khiển động cơ.
Hình 2.87: Thử nghiệm so sánh với các biến tần các hãng khác.
Thử nghiệm so sánh với các biến tần các hãng nổi tiếng khác như biến tần của De Lorenzo (DL 2646), Siemens (MM420), Allen Bradley (160S). Chất lượng đáp ứng của mơ hình biến tần dùng phương pháp điều khiển IMC cho kết quả tương đương.
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả của đề tài
3.1.1. Thuật tốn điều khiển bộ biến tần dùng phương pháp mơ hình nội
Mơ hình mơ phỏng trên Matlab Simulink hệ thống điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha dùng phương pháp điều khiển mơ hình nội:
Hình 3.1: Hệ thống điều khiển ĐCKĐB dùng bộ dùng phương pháp IMC.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -5 0 5 10 M T M e (N m ) m om en tai m om en dien 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 Fi r (W b ) tu thong dat tu thong dap ung
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 50 100 tim e (s ) W ( ra d /s ) toc do dat toc do dap ung
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -200 0 200 tim e (s ) U A U B ( V o lt) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -10 -5 0 5 10 I A I B (A m p e re ) dien ap pha A dien ap pha B dong dien pha A dong dien pha B
Hình 3.3: Đáp ứng của hệ thống khi sử dụng PWM (5Khz). Đánh giá chất lượng điều khiển
• Hệ thống cĩ đáp ứng ổn định và bền vững ngay cả khi thơng số của đối tượng bị sai lệch hay thay đổi trong khi làm việc (do nhiệt độ hay do các tác nhân khác khi hệ thống đang làm việc). Hệ thống luơn ổn định nội với chu kỳ lấy mẫu xử lý nhỏ hơn 1ms.
• Sai số của các đại lượng điều khiển là tốc độ và từ thơng rotor khơng đáng kể, ngay cả khi mơ hình cĩ sại lệch so với đối tượng điều khiển (trong giới hạn cho phép rộng).
• Thời gian đáp ứng của tốc độ và từ thơng rotor phụ thuộc vào các thời hằng của bộ lọc IMC. Do đĩ, hệ thống điều khiển ĐCKĐB ba pha dùng mơ hình nội IMC rất dễ thiết kế, chỉ cần thay đổi thời hằng của bộ lọc IMC (mà khơng cần quan tâm nhiều đến các thơng số khác của đối tượng điều khiển phi tuyến như ĐCKĐB ba pha ).
3.1.2. Mơ hình bộ biến tần cho phịng thí nghiệm
• Đề tài đã xây dựng hệ thống điều khiển dùng mơ hình nội phi tuyến cho
ĐCKĐB ba pha với các mơ hình thuận và mơ hình ngược là mơ hình phi tuyến trong hệ tọa độ từ thơng rotor. Hệ thống điều khiển đề nghị đã được cài đặt trên bộ xử lý DSP TMS320LF2407A của hãng Texas Instruments. Kết quả trên hệ thực cho thấy hệ thống điều khiển hoạt động tốt, cĩ thể điều
phát triển để ứng dụng cho thí nghiệm và phát triển ứng dụng trong cơng nghiệp.
•
Hình 3.4: Mơ hình bộ biến tần giao tiếp điều khiển từ máy tính
Hình 3.6: Đáp ứng tốc độ động cơ quan sát từ máy tính
Hình 3.8: Mơ hình bộ biến tần PTN Kỹ Thuật Điện -ĐH Bách Khoa TPHCM.
3.2. Ứng dụng kết quả của đề tài
• Kết quả của đề tài là một mơ hình phục vụ thí nghiệm và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực điều khiển động cơ, và điều khiển truyền động điện hiện
đại, dùng kỹ thuật số (DSP). Hiện đã được phát triển thành các bài thí (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nghiệm dành cho sinh viên, học viên tại PTN Kỹ thuật điện, Khoa Điện - Điện Tử, ĐH Bách Khoa TpHCM.
Hình 3.10: Sinh viên thí nghiệm mơn học Điều khiển động cơ điện xoay chiều tại PTN Kỹ Thuật Điện -ĐH Bách Khoa TPHCM.
• Mơ hình biến tần này đã được sử dụng hướng dẫn cho 12 sinh viên làm luận văn tốt nghiệp, trong đĩ cĩ 4 sinh viên trường quân sự Saint-Cyr (Pháp). Ngồi ra, mơ hình này cịn được sử dụng hướng dẫn cho sinh viên và học viên cao học làm mơ hình thí nghiệm cho mơn học Thí nghiệm điều khiển động cơ điện xoay chiều do tác giả tham gia giảng dạy (lớp chính quy, lớp kỹ