Để tạo ra sóng sin đồng pha với lưới ta sử dụng một vòng khóa pha (PLL)
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 64 Vòng khoá pha PLL là hệ thống vòng kín hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng để khoá tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha tín hiệu vào. Tín hiệu vào có thể có dạng tương tự hình sine hoặc dạng số. Ứng dụng đầu tiên của PLL vào năm 1932 trong việc tách sóng đồng bộ. Ngày nay, nhờ công nghệ tích hợp cao làm cho PLL có kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, giá thành rẻ, dễ sử dụng. kỹ thuật PLL được ứng dụng rộng rãi trong các mạch lọc, tổng hợp tần số, điều chế và giải điều chế, điều khiển tự động v.v...
5.3.2 Sơ đồ khối
Hình 5.1 Sơ đồ khối của Vòng khóa pha
5.3.2.1 Bộ tách sóng pha (phase detector): so sánh pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu
ra của VCO để tạo ra tín hiệu sai lệch
Hình 5.2 Nguyên lý hoạt động bộ tách sóng pha
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 65 Qua bộ lọc thông thấp LPF, chỉ còn thành phần tần số thấp. Khi khóa pha ( i= 0) có Vd = Asin( i - 0). Điện áp này tỷ lệ với biên độ điện áp vào A và độ sai pha e= i - 0. Nếu e nhỏ, hàm truyền đạt của bộ tách sóng pha coi như tuyến tính.
5.3.2.2 Lọc thông thấp (Low pass filter): lọc gợn của điện áp sai lệch để trở thành
điện áp biến đổi chậm
LPF thường là mạch lọc bậc 1, tuy nhiên cũng dùng bậc cao hơn để triệt thành phần AC theo yêu cầu. LPF có thể ở dạng mạch thụ động hay tích cực.
Hình 5.3 Mạch lọc thông thấp
Ngõ ra bộ tách sóng pha gồm nhiều thành phần f0, fi, fi-f0, fi+f0, v.v... Sau LPF chỉ còn thành phần tần số rất thấp (fi-f0) đến bộ khuếch đại để điều khiển tần số VCO bám theo fi. Sau vài vòng điều khiển hồi tiếp PLL được đồng bộ (khóa pha) fi=f0 (tức là fi-f0=0). Vòng khóa pha hoạt động chính xác khi tần số vào fi, f0 thấp khoảng vài trăm KHz trở lại.
5.3.2.3 VCO (Voltage Controlled Oscillator): Là mạch dao động có tần số được
kiểm soát bằng điện áp.
Yêu cầu chung của mạch VCO là quan hệ giữa điện áp điều khiển Vdk (t) và tần số ra f0(t) phải tuyến tính. Ngoài ra mạch còn có độ ổn định tần số cao, dải biến đổi của tần số theo điện áp vào rộng, đơn giản, dễ điều chỉnh và thuận lợi cho việc tổ hợp thành vi mạch (không có điện cảm).
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 66 Về nguyên tắc có thể dùng mọi mạch dao động là tần số dao động có thể biến thiên được trong phạm vi từ ±10% đến ±50% xung quanh tần số dao động tự do. Tuy nhiên các bộ dao động tạo xung chữ nhật được sử dụng rộng rãi vì loại này có thể làm việc trong phạm vi tần số khá rộng (từ 1MHz đến khoảng 100MHz). Trong phạm vi từ 1MHz đến 50MHz thường dùng các mạch dao động đa hài.
Hình 5.4 Mạch VCO tiêu biểu
5.3.2.4 N : bộ chia
Dùng chia nhỏ tần số fN tạo ra bởi VCO sao cho bằng với tần số vào fi. Khi PLL thực hiện khoá pha, thì ta có fi = . Suy ra fN = fi.N = f0.N
5.3.3 Nguyên lý hoạt động
Vòng khoá pha hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển mà đại lượng vào và ra là tần số và chúng được so sánh với nhau về pha. Vòng điều khiển pha có nhiệm
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 67 vụ phát hiện và điều chỉnh những sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào và ra. Nghĩa là PLL làm cho tần số f0 của tín hiệu VCO bám theo tần số fi của tín hiệu vào.
Khi không có tín hiệu Vi ở ngõ vào, điện áp sau lọc thông thấp Vdc(t) =0, bộ dao động VCO hoạt động ở tần số tự nhiên fN được cài đặt bởi điện trở, tụ điện ngoài. Khi có tín hiệu vào Vi, bộ tách sóng pha so sánh pha và tần số của tín hiệu vào với tín hiệu ra của VCO. Ngõ ra bộ tách sóng pha là điện áp sai lệch Vd(t), chỉ sự sai biệt về pha và tần số của hai tín hiệu. Điện áp sai lệch Vd(t) được lọc lấy thành phần biến đổi chậm Vdc(t) nhờ bộ lọc thông thấp LPF, tín hiệu này cũng chính là tín hiệu điều khiển Vdk(t) đưa đến ngõ vào VCO, để điều khiển tần số VCO bám theo tần số tín hiệu vào. Đến khi tần số f0 của VCO bằng tần số fi của tín hiệu vào, ta nói bộ VCO đã bắt kịp tín hiệu vào. Lúc bấy giờ sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này chỉ còn là sự sai lệch về pha mà thôi. Bộ tách sóng pha sẽ tiếp tục so sánh pha giữa 2 tín hiệu để điều khiển cho VCO hoạt động sao cho sự sai lệch pha giữa chúng giảm đến giá trị bé nhất.
5.3.4 Dải bắt và dải khóa
Dải bắt BC (Capture range): ký hiệu BC=f2- f1, là dải tần số mà tín hiệu vào thay đổi nhưng PLL vẫn đạt được sự khoá pha, nghĩa là bộ VCO vẫn bắt kịp tần số tín hiệu vào. Nói cách khác, là dải tần số mà tín hiệu vào ban đầu phải lọt vào để PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ (chế độ khóa).
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 68 Giả sử mạch PLL đã đạt được chế độ khoá, VCO đã đồng bộ với tín hiệu vào. Bây giờ ta thay đổi tần số tín hiệu vào theo hướng lớn hơn tần số VCO thì VCO sẽ bám theo. Tuy nhiên khi tăng đến một giá trị nào đó thì VCO sẽ không bám theo được nữa và quay về tần số tự nhiên ban đầu của nó. Ta làm tương tự như trên nhưng thay đổi tần số tín hiệu vào theo hướng nhỏ hơn tần số VCO. Đến một giá trị nào đó của tần số tín hiệu vào thì VCO sẽ không bám theo được nữa và cũng trở về tần số tự nhiên của nó. Dải giá trị tần số từ thấp nhất đến cao nhất đó của tín hiệu vào được gọi là dải khoá. Từ đó ta định nghĩa:
Dải khóa BL (Lock range): BL=fmax- fmin, là dải tần số mà PLL đồng nhất được tần số f0 với fi. Dải này còn gọi là đồng chỉnh (Tracking range). Các tần số fmax, fmin
là tần số cực đại và cực tiểu mà PLL thực hiện được khóa pha (đồng bộ). Dải khóa phụ thuộc hàm truyền đạt (độ lợi) của bộ tách sóng pha, khuếch đại, VCO. Nó không phụ thuộc vào đáp tuyến bộ lọc LPF vì khi PLL khóa pha thì fi- f0= 0.
Khi PLL chưa khóa pha thì fi≠ f0, khi PLL khóa phathì fi= f0. Ở chế độ khóa pha, dao động f0 của VCO bám đồng bộ theo fi trong dải tần khóa BL rộng hơn dải tần bắt BC.
Đáp ứng của vòng PLL có tính đối xứng, nghĩa là tần số tự nhiên tại trung tâm của dải khoá và dải bắt.
5.3.5 Vòng khóa pha sử dụng IC4046
Để tạo một mạch khóa pha, ta dùng 1 IC cứng là IC4046 (đây là loại IC khá phổ biến, giá thành rẻ và có thể mua dễ dàng). Mạch khóa pha dùng IC4046 là mạch gồm 1 bộ VCO tuyến tính và 2 bộ so sánh pha
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 69
Hình 5.6 Sơ đồ chức năng 4046
Các điện trở R1, R2 và tụ C1 để tạo ra tần số f0 của bộ VCO. Ta có thể tính giá trị các tụ điện và điện trở này hoặc có thể tra ra từ đồ thị.
Ở đây, để tạo ra tần số fN = 50kHz ta tra đồ thị sau để tìm ra giá trị điện trở và tụ điện phù hợp:
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 70
Hình 5.7 Đồ thị tần số trung tâm fN với R2 =
Từ đồ thị ta tra ra được R1 = 100k , R2 = , C1= 200pF
Để f0 = fi = 50Hz thì ta cần có bộ chia với N = 1000, ta có thể dùng 3 IC4017(chia 10) mắc nối tiếp.
Tính toán bộ lọc thông thấp:
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 71 Tần số cắt được tính như sau:
fc =
Chọn fc = 5Hz, C2 = 1 F => R3 = 31,8k => Lấy R3 = 33k Vậy sơ đồ mạch PLL với IC4046 như sau:
Hình 5.8 Mạch PLL với IC4046
Sóng sin 50Hz từ lưới được đưa vào chân 14 của IC4046 qua 1 op-apm. Tụ C1 và R1 tạo ra tần số 50kHz ở chân 4, qua 3 IC chia 4017 sẽ được tần số 50Hz đưa về chân 3 so sánh với sóng sin chuẩn của lưới. Xung 50Hz và 50kHz được lấy ra đưa vào dsPIC (như sơ đồ).
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 72
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 73
Chƣơng 6: MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐƢỢC
Hình 6.1 Phần mạch điều khiển
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 74
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 75
KẾT LUẬN
Qua một thời gian nghiên cứu và thiết kế bộ nghịch lưu có thể nhận thấy tính khả thi trong việc ứng dụng vào thực tế. Việc chế tạo thử nghiệm bộ nghịch lưu đã đạt được một số kết quả nhất định.
Những kết quả cụ thể đã đạt được trong đồ án của em như sau: - Xây dựng mô hình tính toán đối tượng
- Xây dựng bộ điều khiển PD - Mô phỏng trên Matlab/Simulink - Điều chế ra sóng sin chuẩn - Xây dựng vòng khoá pha Hướng phát triển của đề tài:
- Hoàn chỉnh vòng phản hồi hoà đồng bộ - Nâng cao hiệu suất bộ nghịch lưu
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 76
PHỤ LỤC 1: CHƢƠNG TRÌNH VIẾT CHO VI ĐIỀU KHIỂN
/*---*/
// DO AN TOT NGHIEP //
//---//
// De tai: Thiet ke bo nghich luu cho he thong UPS có kha nang ket noi luoi //
//---//
// Giang vien huong dan : Ths Hoang Anh //
// Dong huong dan : Ths Nguyen Thanh Khang //
// Sinh vien thuc hien : Nguyen Van Chung //
// Lop : Thiet bi dien – Dien tu 1 - K51 – DHBKHN //
/*---*/
#include<P33FJ12MC202.h> _FOSCSEL(FNOSC_PRIPLL&IESO_OFF); //dung dao dong ngoai co bo PLL _FOSC(FCKSM_CSDCMD&OSCIOFNC_OFF&POSCMD_XT); //chon che do XT _FWDT(FWDTEN_OFF); //tat watchdog _FPOR(PWMPIN_ON & HPOL_OFF & LPOL_OFF); // cac chan ra dieu khien boi PORT luc reset deu co the cao //---
//Cac hang so cua chuong trinh (gia tri tuc thoi dung trong chuong trinh)
#define Fcy 40000000 //Tan so thuc thi lenh Fcy = 40 MHz
#define Fpwm 10000 //Tan so PWM = 10 kHz
#define TS 499
//Cac prototype cho cac chuong trinh con
void Init_PORTS(void); void Init_MCPWM(void); void Init_ADC10(void); void Read_ADC (void);
SVTH: Nguyễn Văn Chung – Lớp TBĐ-ĐT1-K51 77
//bien toan cuc
float V, vmax, hs, e1, voffset, kp, kd, vref, vadc, v1, vph, vthuc, e, p, d, u, edel; unsigned int i=0;
float const sin_table[200] = {0, 0.0314, 0.0628, 0.0941, 0.1253, 0.1564, 0.1874, 0.2181, 0.2487, 0.279, 0.309, 0.3387, 0.3681, 0.3971, 0.4258, 0.454, 0.4818, 0.509, 0.5358, 0.5621, 0.5878, 0.6129, 0.6374, 0.6613, 0.6845, 0.7071, 0.729, 0.7501, 0.7705, 0.7902, 0.809, 0.8271, 0.8443, 0.8607, 0.8763, 0.891, 0.9048, 0.9178, 0.9298, 0.9409, 0.9511, 0.9603, 0.9686, 0.9759, 0.9823, 0.9877, 0.9921, 0.9956, 0.998, 0.9995, 1, 0.9995, 0.998,0.9956, 0.9921, 0.9877, 0.9823, 0.9759, 0.9686, 0.9603, 0.9511, 0.9409, 0.9298, 0.9178, 0.9048, 0.891, 0.8763, 0.8607, 0.8443, 0.8271, 0.809, 0.7902, 0.7705, 0.7501, 0.729, 0.7071, 0.6845, 0.6613, 0.6374, 0.6129, 0.5878, 0.5621, 0.5358, 0.509, 0.4818, 0.454, 0.4258, 0.3971, 0.3681, 0.3387, 0.309, 0.279, 0.2487, 0.2181, 0.1874, 0.1564, 0.1253, 0.0941, 0.0628, 0.0314, 0, -0.0314, -0.0628, -0.0941, -0.1253, -0.1564, -0.1874, -0.2181, -0.2487, -0.279, -0.309, -0.3387, - 0.3681, -0.3971, -0.4258, -0.454, -0.4818, -0.509, -0.5358, -0.5621, -0.5878, -0.6129, -0.6374, -0.6613, -0.6845, - 0.7071, -0.729, -0.7501, -0.7705, -0.7902, -0.809, -0.8271, -0.8443, -0.8607, -0.8763, -0.891, -0.9048, -0.9178, - 0.9298, -0.9409, -0.9511, -0.9603, -0.9686, -0.9759, -0.9823, -0.9877, -0.9921, -0.9956, -0.998, -0.9995, -1, -0.9995, -0.998, -0.9956, -0.9921, -0.9877, -0.9823, -0.9759, -0.9686, -0.9603, -0.9511, -0.9409, -0.9298, -0.9178, -0.9048, - 0.891, -0.8763, -0.8607, -0.8443, -0.8271, -0.809, -0.7902, -0.7705, -0.7501, -0.729, -0.7071, -0.6845, -0.6613, -