THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU SỬ DỤNG INCREMENT ENCODER Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (12)

TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO VÀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU

Tổng quan về hệ truyền động Servo

Hệ truyền động servo là thiết bị chuyển đổi điện năng thành cơ năng, cho phép điều chỉnh chính xác tốc độ, vị trí và mô men Nó bao gồm một động cơ có đặc tính động học tốt, được trang bị cảm biến vị trí và bộ biến đổi điện tử công suất chất lượng cao, cùng với thiết bị điều khiển sử dụng các thuật toán nhằm đảm bảo kiểm soát chính xác các tham số yêu cầu.

Hình 1.1 Cấu trúc đầy đủ của hệ thống truyền động Servo sử dụng ĐCXCBP

Ngoài các bộ phận nói trên, hệ truyền động servo thường có thêm các bộ phận:

 Bộ chỉnh lưu tích cực cho phép điều khiển điện áp một chiều và cho dòng năng lượng đi theo 2 chiều

 Truyền thông với các Master: Máy tính hoặc HMI

Chương 1 Tổng quan về hệ truyền động servo và động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Hệ truyền động servo, với những tính năng và ưu điểm vượt trội, đang được ứng dụng rộng rãi trong tự động hóa máy móc cả trong công nghiệp và dân dụng.

Sự gia tăng phát triển và ứng dụng các hệ thống tự động hóa đã dẫn đến nhu cầu ngày càng cao về hệ truyền động servo Hệ truyền động servo đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

 Ứng dụng cho ngành chế tạo Robot: Điều khiển chính xác các khớp để tạo ra quỹ đạo chuyển động phù hợp với yêu cầu công nghệ

Hệ truyền động servo là giải pháp hiệu quả cho ngành lắp ráp và đóng gói sản phẩm, thường được áp dụng trong các hệ thống vận chuyển như băng tải Với khả năng điều khiển chính xác, servo hỗ trợ các quá trình như đóng chai, đóng bao, dán nhãn, lắp ráp sản phẩm và cân băng định lượng, đảm bảo hiệu suất và độ chính xác cao trong sản xuất.

 Ứng dụng cho các cơ cấu tự hành: sử dụng trong các xe tự hành chiến đấu, dò mìn

 Ứng dụng trong y tế: sử dụng trong các máy X-quang, máy siêu âm…

 Ứng dụng trong lĩnh vực in ấn

 Ứng dụng trong lĩnh vực dệt may: sử dụng trong việc điều khiển kéo sợi, cuốn sợi, dệt

Trong giai đoạn từ những năm 60 đến 80, các hệ truyền động servo sử dụng động cơ điện một chiều đã phát triển mạnh mẽ trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ servo một chiều là chi phí cao và sự phức tạp trong vận hành do sự hiện diện của chổi than và cổ góp Bước sang thập kỷ 1980 và 1990, với sự tiến bộ của kỹ thuật điện - điện tử, đặc biệt là sự ra đời của vi xử lý và các phương pháp điều khiển mới, các hệ truyền động servo sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha với độ chính xác cao đã dần thay thế các động cơ servo một chiều.

THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN FOC CHO ĐCĐB-KTVC VÀ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG MATLAB/SIMULINK

Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor FOC

Động cơ điện một chiều (ĐCMC) cho phép điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: dòng kích từ tạo từ thông và dòng điện phần ứng tạo moment quay Nhờ vào việc hai mạch điện của ĐCMC hoàn toàn cách ly, các thuật toán điều chỉnh trở nên đơn giản và yêu cầu vi xử lý chỉ một lượng thời gian tính toán không lớn, đây là một ưu điểm nổi bật của ĐCMC.

Động cơ xoay chiều ba pha có cấu trúc phức tạp do hệ thống cuộn dây và nguồn cấp điện 3 pha, gây khó khăn trong việc mô tả toán học các đặc điểm cách ly Mục tiêu của phương pháp dựa trên từ thông rotor chính là tạo ra công cụ giúp tách biệt các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo moment quay từ dòng điện xoay chiều 3 pha trong cuộn dây stator của động cơ.

Hệ truyền động điều khiển theo phương pháp tựa từ thông rotor hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển cách ly các thành phần dòng thông qua mạch vòng điều chỉnh dòng stator Phương pháp này thuộc lớp các phương pháp điều khiển vector cho máy điện.

2.1.1 Biểu diễn các đại lượng xoay chiều 3 pha dưới dạng các vector

Ba dòng pha hình sin phía stator i su ,i sv ,i sw của ĐCXCBP không nối điểm trung tính:

Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC và mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab/Simulink

( ) ( ) ( ) 0 su sv sw i t i t i t  (2.1) có thể được mô tả dưới dạng vector phức i s quay trong không gian với tần số stator f s

Lúc này, ba dòng pha sẽ là hình chiếu của vector i s xuống trục của các cuộn dây tương ứng jq d

Hình 2.1 Biểu diễn các đại lượng xoay chiều 3 pha dưới dạng vector

2.1.2 Chọn hệ tọa độ dq có trục thực d trùng với trục của vector từ thông rotor

Lúc này hệ tọa độ dq, vector i s đều quay cùng vận tốc góc  s Vì vậy các thành phần i sd ,i sq là các thành phần dòng một chiều (không đổi)

Góc lệch giữa 2 trục d và  là kết quả tích phân:

Việc chọn hệ tọa độ dq đem lại lợi thế trong việc:

 Mô hình hóa cấu trúc vật lý của đối tượng (ĐCXCBP)

 Thiết kế cấu trúc điều khiển

2.1.3 Các phép chuyển hệ tọa độ

Phép biến đổi Clarke: chuyển đổi các đại lượng từ xoay chiều 3 pha về hệ trục tọa độ 

Hình 2.2 Khối chuyển hệ tọa độ uvw

Phép biến đổi Park: chuyển các đại lượng trên hệ tọa độ  sang dq

Hình 2.3 Khối chuyển hệ tọa độ  dq

Phép biến đổi iPark: chuyển các đại lượng trên hệ tọa độ dq sang  cos ( ) sin ( ) cos ( ) sin ( ) sd s s s s sq s s s s u u u u u u

Hình 2.4 Khối chuyển hệ tọa độ dq

2.1.4 Ưu thế của hệ tọa độ dq

Khi lựa chọn trục d , thành phần trục q của từ thông rotor sẽ bị loại bỏ, giúp làm rõ mối quan hệ vật lý giữa moment quay, từ thông rotor và các thành phần dòng Các quan hệ này có thể được diễn đạt một cách trực tiếp.

Với m M - Moment quay; P c - Số đôi cực;  p - Từ thông cực

Mối quan hệ tuyến tính giữa moment và thành phần dòng i sq được thể hiện rõ qua công thức (2.7) Do từ thông rotor là hằng số, dòng i sq trở thành đại diện cho moment quay Vì vậy, chúng ta có thể sử dụng giá trị đầu ra của bộ điều khiển tốc độ quay để đặt giá trị i sq * cho thành phần dòng trục q.

Kết luận: Để thành công trong việc điều khiển vector dòng i s, cần đảm bảo ba tiêu chí quan trọng: nhanh chóng, chính xác và không tương tác giữa quá trình từ hóa và quá trình tạo moment quay hay điều khiển tách kênh Nếu đáp ứng được những tiêu chí này, chúng ta có thể thiết kế bộ điều khiển vòng ngoài tương tự như động cơ một chiều kích thích độc lập.

Cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC

Clarke sd 𝛼𝛽 u u sq u s  u s  t u t w i u i v i w i s  i s  i sd i sq

Hình 2.5 Cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC sử dụng DSP

 Khối 1: Bộ điều khiển vị trí R  , đầu vào là sai lệch giữa lượng đặt vị trí  s * và vị trí thực  s , đầu ra là tốc độ đặt  *

 Khối 2: Bộ điều khiển tốc độ R  , đầu vào là sai lệch giữa lượng đặt tốc độ  * và tốc độ thực , đầu ra là giá trị đặti * sq

Khối 3 bao gồm bộ điều khiển dòng điện R i, có chức năng khử tương tác và nhanh chóng áp đặt hai thành phần dòng i sd và i sq Hai thành phần này tương ứng với thông roto và momen quay, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hiệu suất của hệ thống.

 Khối 4: Khối biến đổi hệ tọa độ iPark, chuyển đổi hệ trụcdq

 Khối 5: Bộ điều chế vector không gian SVM

 Khối 6: Khối phát xung PWM để cấp tín hiệu điều khiển cho van

 Khối 7: Khối nghịch lưu phía động cơ

 Khối 8: Khối đo và chuẩn hóa tín hiệu dòng

 Khối 9: Khối biến đổi hệ tọa độ Clarke, chuyển đổi hệ trụcabc

 Khối 10: Khối biến đổi hệ tọa độ Park, chuyển đổi hệ trục dq

 Khối 11+12: Khối tích phân tốc độ trả về vị trí

 Khối 13: Bộ QEP xử lý tín hiệu từ encoder trả về

 Khối 15: Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

2.2.1 Khâu điều chế vector điện áp

Hình 2.6 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha

Ta sẽ thu được tổng cộng 8 vector điện áp cố định tương ứng với 8 trạng thái của mạch nghịch lưu – được gọi là 8 vector biên chuẩn

Hình 2.7 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh

Vị trí vector điện áp u có thể nằm bất kỳ trong các sector trên hệ tọa độ tĩnh s  Các bước thực hiện phương pháp điều chế vector không gian:

Bước 1: Xác định trạng thái (vecto chuẩn) của mạch nghịch lưu

Bảng 2.1 Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn

Ta thấy biên độ các vector chuẩn  u 1,u 2 ,u 3 ,u 4 ,u 5 ,u 6  đều có độ lớn là

23U dc và các góc pha lệch nhau một góc

3, biên độ của 2 vector không còn lại

 u 0 ,u 7  có độ lớn bằng không Từ các cặp vector biên chuẩn này, không gian vector chia làm 6 sector đều nhau, có độ mở là  3

Nguyên tắc thực hiện điều chế không gian vector là tổng hợp vector điện áp đặt từ các vector điện áp đã biết của mạch nghịch lưu Các bước thực hiện sẽ được tiến hành lần lượt để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình điều chế.

 Tính toán thời gian thực hiện cả vector chuẩn bao gồm cả thời gian thực hiện vector không và vector tích cực trong một chu kì điều chế

 Xác định trình tự thực hiện các vector chuẩn khi vector điện áp đặt nằm trong các sector khác nhau

 Xuất ra thời gian đóng cắt cho các nhánh van mạch nghịch lưu

Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt u s

Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt u s

Hình 2.8 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời u sa ,u sb ,u sc

Tính u sa , u sb , u sc theo (*) u sa u sb u α u β u sb u sc u sb < u sc u sc u sa u sc < u sa

Sector 3 Sector 2 Sector 4 Sector 1 Sector 5 Sector 6

Sai Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng

Hình 2.9 Thuật toán xác định vector điện áp trong mỗi sector

Bước 3: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai vector chuẩn trong mỗi chu kỳ điều chế T s

Vector điện áp đặt u s sẽ được tổng hợp từ hai vector biên trong khoảng thời gian

T T Thời gian còn lại (T s T 1 T 2 ) thực hiện vector không

Hình 2.10 Nguyên tắc điều chế vector điện áp

1, 2 d d được xác định như sau:

Hệ số d 0 điều chế vector không xác định d 0   1 d 1 d 2

Bảng 2.2 Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector

Bước 4: Tính toán thời gian thực hiện hoặc hệ số điều chế cho nhánh van nghịch lưu trong mỗi chu kỳ T s Để giảm thiểu tổn hao do việc đóng cắt các van, cần đảm bảo rằng trong mỗi chu kỳ, các cặp van phải chuyển mạch ít nhất một lần.

Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1:

Bảng 2.3 Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1 u 1 u 2 u 7 u 0

Trình tự chuyển mạch như sau u 1 u 2 u 7 u 2  u 1 u 0 với thời gian tương ứng d a d b d c d b d a thì số lần chuyển mạch là ít nhất Ta có mẫu xung đưa ra trong Sector 1 như sau: s 2

Sector 1Hình 2.11 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 Tương tự xét trong các sector còn lại, ta có kết quả:

Bảng 2.4 Hệ số điều chế cho nhóm van của mạch nghịch lưu Sector Thời gian đóng/cắt Sector Thời gian đóng/cắt

2.2.2 Mô hình hóa cấu trúc vật lý ĐCĐB-KTVC

Theo [1], phương trình điện áp stator (trên hệ thống cuộn dây stator):

Với R s : điện trở stator;  s s : từ thông stator

Ta chuyển phương trình (2.11) từ hệ thống cuộn dây pha của stator sang hệ tọa độ tựa từ thông rotor, ta được:

Quan hệ giữa từ thông stator và rotor được mô tả: f f f s L i s s p

Trong hệ tọa độ, vector từ thông cực  p f có thành phần vuông góc (thành phần trục q) bằng không do trục d trùng với trục của từ thông cực Do đó, vector này chỉ có duy nhất thành phần thực.

Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC và mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab/Simulink sd sd sd p sq sq sq

Thay hai phương trình (2.13), (2.15) vào (2.12) sẽ thu được: sd sd s sd sd s sq sq sq sq s sq sq s sd sd s p u R i L di L i dt u R i L di L i dt

Từ phương trình moment tổng quát của máy điện từ trường quay

Thay (2.15) vào (2.18) ta thu được phương trình tính moment quay của ĐCĐB- KTVC:

M 2 c p sq sd sq sd sq m  P  i i i L L  (2.18)

Khi xây dựng hệ thống điều khiển từ thông rotor, cần điều khiển vector dòng i s sao cho nó vuông góc với từ thông cực, nhằm loại bỏ thành phần tạo từ thông và chỉ giữ lại thành phần tạo moment quay Do đó, i sd = 0, từ đó ta có thể thu được phương trình moment.

Chuyển (2.16) sang miền ảnh Laplace, ta được:

.(1 ) . sd s sd sd s sq sq sq s sq sq s sd sd s p u R s T i L i u R s T i L i

Với sd sd ; sq sq s s

2.2.3 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện

Bộ điều khiển dòng giữ vai trò quan trọng trong việc khống chế quá trình điện từ bằng cách giảm hằng số thời gian của mạch stator thông qua việc lựa chọn điểm không của bộ điều khiển PI tại điểm cực của đối tượng điều khiển Trong hệ thống ĐCXCBP và ĐCĐB-KTVC, các thành phần trên các trục d và q có sự tương tác lẫn nhau Tuy nhiên, nhờ vào bộ điều khiển dòng kết hợp với việc khử tương tác, chúng ta có thể điều khiển độc lập hai quá trình quan trọng: quá trình từ hóa và quá trình tạo moment quay.

Vòng dòng điện sử dụng hai bộ điều khiển PI độc lập để điều chỉnh hai thành phần dòng một chiều i sd và i sq, từ đó tính toán các thành phần điện áp u sd và u sq, là các đại lượng đầu ra của hai bộ điều khiển này.

Ta có hệ phương trình của động cơ PMSM:

.(1 ) . sd s sd sd s sq sq sq s sq sq s sd sd s p u R s T i L i u R s T i L i

 Để đảm bảo không tương tác giữa 2 thành phần trục d và trục q thì ta có cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện có dạng như sau:

Hình 2.12 Cấu trúc đan kênh của bộ điều khiển dòng điện Để đơn giản cho cách thiết kế bộ PI, ta thực hiện như sau:

 Bỏ qua thành phần đan kênh

 sd s sd sd sq s sq sq u R p T i u R p T i (2.21)

Như vậy ý tưởng thiết kế 2 bộ điều khiển PI cho 2 đối tượng trên 2 trục d và q là giống nhau

Xét thành phần trên trục d : ta có hàm truyền của dòng điện

 (2.22) Đối tượng là khâu quán tính bậc nhất, ta lựa chọn bộ điều khiển có dạng PI

Hình 2.13 Cấu trúc bộ điều khiển dòng stato i sd

Ta chọn T id T sd để triệt tiêu hằng số thời gian của đối tượng, khi đó ta có hàm truyền hệ hở có dạng:

  pd  hd Risd isd d s sd

 pd  pd  pd d s sd sd sd s s k k k k R T R L L

Ta lựa chọn hằng số thời gian của hàm truyền hệ kín bằng số nguyên lần chu kì phát xung:

 Kết quả thông số của bộ PI như sau:

Chương 2 Thiết kế cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC và mô phỏng kiểm chứng bằng Matlab/Simulink n.

 sd id sd s sd pd k

Biến đối tương tự với thành phần trục q ta có kết quả thông số của bộ PI là:

 sq iq sq s sq pq k

Trong trường hợp này, em chọn n5

2.2.4 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ

Khi vòng điều khiển dòng điện hoạt động chính xác và không có sự tương tác giữa hai thành phần trục d và trục q, hàm truyền đạt của vòng điều khiển dòng điện có thể được coi là xấp xỉ bằng 1.

Xuất phát từ phương trình chuyển động:

Chuyển về miền ảnh laplace ta được:

Hàm truyền của đối tượng:

Với  p là từ thông rotor được tính toán theo công thức

Lúc này ta có cấu trúc của bộ điểu khiển tốc độ quay có dạng:

Hình 2.14 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ

Ta có hàm truyền hệ hở :

(2.33) Theo dạng chuẩn của hàm bậc hai có dạng:

Trong đó:  n là tần số dao động riêng ( n 1)

 là hệ số dao động tắt dần (0 <  1 và  n < 1).

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ CHẠY THỰC NGHIỆM

Xây dựng hệ thống thực nghiệm

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống thực nghiệm

Hình 3.2 Mạch phần cứng của hệ thống thực nghiệm

Chương 3 Xây dựng mô hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm

Hệ thống thực nghiệm gồm các phần :Equation Chapter 3 Section 1

 Mạch lực: mạch nghịch lưu phía động cơ, mạch driver

 Mạch đo: đo dòng điện pha và điện áp 1 chiều

 Mạch điều khiển : sử dụng vi điều khiển TMS320F28377s

 ĐCĐB-KTVC nối cứng trục với ĐCKĐB có gắn increment encoder

3.1.1 Thiết kế mạch lực a) Tính chọn mạch lực

Xuất phát từ chỉnh lưu 3 pha đầu vào, ta có điện áp một chiều DC-bus

U DC   V Chọn hệ số dự phòng K u 1.5, suy ra :

Để lựa chọn van cho động cơ dưới 5kW với biên độ dòng định mức pha nhỏ hơn 25A, van IPM 7MBP25RA120 là sự lựa chọn phù hợp, vì nó có khả năng chịu được dòng qua van nhỏ hơn 25A.

Các đặc tính và thông số quan trọng của IPM 7MBP25RA120:

 Điện áp DC bus lên tới V DC 900 V , điện áp đánh thủng: V CE 1200 V

 Thời gian đóng cắt: t on  0.3  s t , off  3.6  s

 Điện áp bão hòa V CE sat ( )  2.6 V

 Điện áp cung cấp cho tầng pre-driver: Vcc(max) 20 V

 Điện áp tín hiệu điều khiển đầu vào: V in V zener 8 V

 Bảo vệ quá nhiệt, ngắn mạch, quá dòng, khóa dưới điện áp

Nhà sản xuất khuyến nghị một số thông số quan trọng cho thiết bị, bao gồm: điện áp bus DC từ 200 đến 800V, điện áp nguồn cấp cho tần pre-driver trong khoảng 13.5 đến 16.5V, và tần số đóng cắt tín hiệu vào đạt 120kHz.

Chương 3 Xây dựng mô hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm b) Mạch lực

Hình 3.3 Sơ đồ tổng quan mạch lực

Với sự tiến bộ của công nghệ bán dẫn, các module van công suất thông minh (IPM) như 7MBP25RA120 của FUJI đang dần thay thế các van IGBT riêng lẻ, mang lại sự đơn giản và độ tin cậy cao cho mạch nghịch lưu Chỉ cần một mạch interface để cách ly IPM với mạch điều khiển và cung cấp nguồn cho tầng pre-driver Mạch nghịch lưu sử dụng sáu van cho động cơ, trong khi van thứ bảy được dùng cho mục đích braking-chopper, giúp giải phóng năng lượng của động cơ khi hãm hoặc dừng đột ngột, năng lượng này được xử lý qua điện trở hoặc đưa về nguồn qua bộ chỉnh lưu tích cực.

Hình 3.4 Sơ đồ khối và các chân của IPM 7MBP25RA120

Hình 3.5 Dạng sóng tín hiệu vào và dòng I c qua van Hình 3.5 cho thấy để mở mỗi van tương ứng trong IPM, tín hiệu vào phải là ở

Chương 3 Xây dựng mô hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm đến IPM, mạch Interface ở giữa ngoài chức năng cách li, cần phải có chức năng làm đảo được mức logic các tín hiệu PWM

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý 7MBP25RA120

Đầu vào của hệ thống là chùm 6 xung PULSE1-PULSE6, tương ứng với tín hiệu đóng mở van, được chuyển đổi từ tín hiệu PWM qua khối cách li Đầu ra là tín hiệu ALARM, có chức năng bảo vệ mạch van Khi xảy ra các sự cố như quá nhiệt, ngắn mạch, quá dòng hoặc điện áp thấp, chân ALARM sẽ hoạt động ở mức logic thấp để gửi tín hiệu cảnh báo về mạch điều khiển xử lý.

Phía mạch lực: Đầu vào là điện áp 1 chiều DC bus qua 2 chân Udc P và Udc N Đầu ra là 3 chân U, V, W cấp cho động cơ c) Mạch driver

Hình 3.7 Mạch driver HCPL-4505 Hình 3.8 Mạch nguồn cấp cho Pre-driver

Khối chức năng này có nhiệm vụ cách li giữa mạch điều khiển và mạch lực, đồng thời cung cấp mức điện áp tín hiệu PULSE chính xác cho tầng pre-driver trong IPM Ngoài ra, nó còn đảo mức tín hiệu PWM để điều khiển việc đóng mở van một cách thuận tiện và chính xác Cụ thể, khi tín hiệu PWM ở mức cao, tín hiệu PULSE sẽ ở mức thấp, cho phép mở van một cách hiệu quả.

 Đầu vào: các tín hiệu PWM từ mạch điều khiển

 Đầu ra: các tín hiệu xung PULSE đến IPM

Nghịch lưu 6 van sử dụng IGBT với tín hiệu điều khiển giữa các cực G và E Mỗi van cần điều khiển độc lập, do đó các tầng pre-driver phải có nguồn cấp riêng Ba van dưới có cực E nối chung và kết nối với điện áp Udc N cố định, chỉ cần một nguồn VCC4 cho tầng pre-driver của chúng Trong khi đó, ba van trên có điện áp cực E thay đổi tùy thuộc vào trạng thái đóng cắt, nên mỗi tầng pre-driver cần nguồn cấp độc lập để tạo điện áp trôi giữa cực G và E.

Hình 3.9 Tổng quan mạch điều khiển

Theo như sơ đồ trên, mach điều khiển bộ biến đổi gồm các phần sau:

 Khối lâ ̣p trình logic CPLD

 Khối phát xung (PWM) và đọc tín hiệu đo lường (ADC)

 Khối giao tiếp ngoa ̣i vi DI/DO

 Khối đo tốc độ QEP a) Vi điều khiển TMS320F2877s

Sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử đã dẫn đến sự ra đời của nhiều loại vi xử lý và vi điều khiển cho các ứng dụng đa dạng Hiện nay, trong hệ thống điều khiển, các chip vi xử lý, vi điều khiển (Microprocessor/Microcontroller) và chip xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processing) đang được sử dụng phổ biến.

Vi xử lý DSP là loại vi điều khiển đặc biệt, nổi bật với khả năng thực hiện các bài toán tính toán phức tạp với độ chính xác và tốc độ cao, chủ yếu được phát triển cho xử lý tín hiệu Texas Instruments cung cấp ba dòng DSP chính: C6000, C5000 và C2000 Dòng C6000 được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng xử lý ảnh, âm thanh và truyền thông đa phương tiện Dòng C5000 được thiết kế cho các thiết bị di động và điện thoại, trong khi dòng C2000 được ứng dụng trong điều khiển số, điện tử công suất và truyền động điện.

Dòng vi xử lý DSP hỗ trợ tính toán dấu phẩy động và tĩnh, giúp tăng tốc độ tính toán Texas Instruments cung cấp thư viện “C28x DMC Library” để hỗ trợ các bài toán điều khiển truyền động, bao gồm các khối chuyển tọa độ Park, Clarke, khối điều khiển PID và khối điều chế vector không gian SVGenDQ.

Với cấu trúc điều khiển như bộ điều khiển nghich lưu phía động cơ, em xin đề xuất dùng vi xử lý DSP TMS320F28377s của hãng Texas Intrument

Giới thiệu về vi điều khiển DSP TMS320F28377s

Hình 3.10 Mạch LaunchPad KIT TMS320F28377S

Vi điều khiển DSP TMS320F28377s là một sản phẩm 32bit dấu phẩy tĩnh thuộc dòng C2000 của Texas Instruments, nổi bật trong các ứng dụng điện tử công suất và hệ thống truyền động điện nhờ vào thời gian tính toán nhanh chóng.

Một số đặc điểm của vi điều khiển TMS28377s:

 Tần số xung clock tối đa 200MHz

 Hỗ trợ tính toán dấu phẩy động

 Bộ nhớ Flash 1MB, bộ nhớ RAM 164KB

 Có 16 kênh ADC với độ phân giải 12 bit hoặc 16 bit

 Hỗ trợ các chuẩn truyền thông SPI, UART, CAN, USB, I2C

 Có 160 chân GPIO có thể lập trình được

 Có module QEP hỗ trợ việc đọc xung từ increment encoder

 Có bộ CLA (control law accelerator) hoạt động song song CPU, hỗ trợ tính toán dấu phẩy động

Cấu trúc phần cứng của DSP TMS320F28377s được xây dựa trên kiến trúc phần cứng Harvard architecture Đây là cấu trúc giúp tăng hiệu suất của thiết bị

Hình 3.11 Kiến trúc vi điều khiển

CPU DSP TMS320F28377s có khả năng thực hiện đồng thời phép nhân và phép cộng nhờ vào bộ nhân 32x32 bit song song và khối ALU Bên cạnh đó, CPU này còn hỗ trợ tính toán dấu phẩy động, cho phép xử lý trực tiếp các số thực phẩy động.

Texas Instruments cung cấp dòng DSP cho phép lập trình viên sử dụng ngôn ngữ C hoặc Assembly, cùng với công cụ mạnh mẽ Code Composer Studio để debug chương trình Hãng cũng cung cấp các thư viện hữu ích như “C28x Digital Motor Control” và “C28x Solar Library” hỗ trợ cho các bài toán điều khiển Đối với các mạch vi điều khiển số, nguồn điện là yếu tố cực kỳ quan trọng.

Mạch hoạt động tốt phụ thuộc vào nguồn điện cấp nhất, vì vậy hệ thống nguồn cấp cần đảm bảo yêu cầu chính xác và ổn định Để bảo đảm an toàn, nguồn điện phải được thiết kế cách ly giữa các mạch và các loại nguồn khác nhau Nguồn cấp cho mạch được lấy từ nguồn một chiều 24V.

Các loa ̣i nguồn sử du ̣ng trong ma ̣ch gồm có:

 Nguồn 3,3V cho vi điều khiển TMS320F28377S, CPLD

 Nguồn 5V cho giao tiếp ngoa ̣i vi DI

Nguồn DC 24V được chuyển đổi sang DC 5V bằng IC NSD15-S5 của hãng Mean Well Để chuyển đổi nguồn DC 5V sang 3.3V, sử dụng IC LD1085D2T33R Đối với nguồn cách ly phục vụ cho truyền thông, có thể sử dụng nguồn cách ly của hãng Recom, bao gồm các mẫu R1S-3.33.3-R và R1S-0505-R.

Hình 3.12 Sơ đồ tổng quan mạch đo dòng a) Nguyên lý làm việc của các LEM

Chuẩn hóa dữ liệu

Trong chương 2, các thuật toán được xây dựng dựa trên các biến và tham số dưới dạng đại lượng vật lý nguyên thủy Tuy nhiên, trước khi lập trình, các thuật toán cần trải qua giai đoạn chuẩn hóa Mục đích của chuẩn hóa là chuyển đổi tất cả các biến và tham số sang dạng không có thứ nguyên mà vẫn giữ nguyên bản chất vật lý của thuật toán và chương trình, đồng thời ngăn ngừa hiện tượng tràn thanh ghi trong vi điều khiển.

3.2.1 Chuẩn hóa mạch vòng điều chỉnh dòng điện ĐC dòng điện ĐC điện áp u sd u sq

Hình 3.19 Bộ điều chỉnh dòng điện Đầu ra của bộ điều chỉnh là lượng đặt dòng điện:

Thực hiện sai phân (backwark euler)

1 ( ) p p dq dq i i i s dq dq dq p i u k K i k i k u k u k K T i k i k u k u k u k

_ max _ max _ max _ max _ max _ max

1 s dsp dsp dsp p p dq dq s s dsp dsp dsp dsp i i s i dq dq s dsp dsp dsp dq p i u k K I i k i k

3.2.2 Chuẩn hóa mạch vòng điều chỉnh tốc độ ĐC tốc độ ĐC điện áp

Hình 3.20 Bộ điều chỉnh tốc độ Đầu ra của BĐK tốc độ là lượng đặt cho thành phần dòng trên trục q

Thực hiện sai phân (backwark euler):

1 s dsp dsp dsp p p e e s s dsp dsp dsp dsp i i s i e e s dsp dsp dsp sq p i i k K k k

3.2.3 Chuẩn hóa mạch vòng điều chỉnh vị trí ĐC vị trí ĐC điện áp

Hình 3.21 Bộ điều chỉnh vị trí Đầu ra BĐK vị trí là lượng đặt tốc độ:

Thực hiện sai phân (backwark euler):

1 s dsp dsp dsp p p s s s s dsp dsp dsp dsp i i s i s s s dsp dsp dsp s p i k K k k k k T K k k k k k

3.2.4 Chuẩn hóa thuật toán tính tốc độ

3.2.5 Chuẩn hóa thuât toán SVM

Xét ví dụ trong sector 1, ta tính được hệ số điều chế d 1 , d 2 cho hai vecto chuẩn

1, 2 u u Các sector khác ta làm tương tự.

_ max _ max _ max _ max _ max

DC s DC s s s dsp dsp s s dsp

Trình tự khởi động

Để khởi động, cần xác định vị trí ban đầu của từ thông rotor, được định nghĩa là góc giữa từ thông rotor và pha U (θs0).

Hình 3.22 Định nghĩa vị trí ban đầu của từ thông rotor

3.3.1 Vì sao phải xác định vị trí ban đầu của từ thông rotor

Đầu tiên, việc xác định chính xác góc lệch ban đầu là rất quan trọng để đặt trục d trên trục từ thông của rotor Nếu sai lệch trong quá trình này, toàn bộ thiết kế sau đó sẽ bị ảnh hưởng và bộ điều khiển vị trí sẽ không còn hiệu quả.

Khi tần số nguồn cấp cho các cực của động cơ được đặt ở tần số đồng bộ trong quá trình khởi động, moment sinh ra trên đầu trục động cơ sẽ có dạng như hình 3.23 [6] Hệ quả là moment trung bình trên đầu trục động cơ bằng không, khiến động cơ không thể tăng tốc và bị rung tại một vị trí.

Thứ ba, nếu việc xác định vị trí ban đầu của từ thông rotor không chính xác sẽ không phát huy được moment khởi động

Hình 3.23 Moment trên đầu trục động cơ bị đập mạch

Đối với encoder gia tăng, việc xác định vị trí ban đầu của từ thông rotor là một thách thức Để khắc phục nhược điểm này, bài viết giới thiệu hai phương pháp hiệu quả: đầu tiên là phương pháp cấp điện áp đặc biệt, và thứ hai là phương pháp đưa rotor về vị trí đỉnh cực thông qua bộ điều khiển dòng Vị trí đỉnh cực được xác định khi góc giữa vector từ thông rotor và pha U của stator bằng không.

3.3.2 Phương pháp cấp điện áp đặc biệt

Mục đích: Xác định góc lệch ban đầu giữa trục từ thông roto ở 2 vị trí: vị trí thẳng góc với trục từ pha U và vị trí encoder xuất hiện Z

Góc thực của từ thông roto được biểu thị bằng  m, trong khi góc đo được từ encoder là  enc Phương pháp này cho phép xác định giá trị  offset, nhằm hiệu chỉnh encoder để đảm bảo nó trả về góc thực của từ thông roto một cách chính xác.

Để xác định offset, có thể ước lượng từ tín hiệu encoder khi roto đi qua các vị trí đặc biệt Để đưa roto về các vị trí này, cần cấp các giá trị từ thông stato đã được đặt trước bằng cách áp dụng 6 điện áp chuẩn.

Hình 3.25 Các vector đặc biệt

Đầu tiên, chúng ta cần đóng 6 vector điện áp từ V1 đến V6 theo thứ tự và lặp lại quá trình này trong một khoảng thời gian hữu hạn, với mỗi lần cách nhau 0.5 giây, cho đến khi nhận được xung Z, đánh dấu thời điểm góc đo được reset về 0.

 Sau đó đóng V1 để đưa trục từ thông roto về trùng trục từ pha A

 Góc đọc được là góc cần tìm

Hình 3.26 Thuật toán phương pháp cấp điện áp đặc biệt

Chương 3 Xây dựng mô hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm Đối với động cơ có P c đôi cực thì kết quả tính toán được là góc cơ cần phải hiệu chỉnh để ra góc điện cho hệ trục dq tựa Hiệu chỉnh theo công thức: s P c m

3.3.3 Phương pháp đưa rotor về vị trí đỉnh cực bằng bộ điều khiển dòng

Với các điều kiện:  i sd  0, i sq  0,  s  0 , ở chế độ xác lập: Áp dụng phép biến đổi Park:

(3.19) Áp dụng phép biến đổi Clarke:

(3.20) Ở chế độ xác lập, từ trường cuộn dây pha U cùng chiều với từ thông Rotor Từ trường cuộn dây pha V, W ngược chiều với từ thông Rotor (khử từ)

Hình 3.27 Trình tự khởi động

Ban đầu, đặt một lượng dòng khác không (khoảng 0.25A tùy theo tải) cho thành phần dòng i sd * và giá trị không cho thành phần dòng i sq * theo kịch bản trong hình 3.27, nhằm giảm nhiệt độ trên cuộn dây stator Sau 1 giây (thời gian này được chọn bằng k lần hằng số điện của stator để đảm bảo rotor ổn định ở vị trí đỉnh cực), vector từ thông rotor sẽ trùng với pha U, sau đó tiến hành khởi động bình thường.

Hình 3.28 Quá trình đưa rotor về vị trí đỉnh cực

Phương pháp cấp điện áp đặc biệt có nhược điểm là không kiểm soát được dòng điện qua cuộn dây stator Do đó, cần tính toán điện áp một chiều và thời gian thực hiện các sector một cách hợp lý để tránh hiện tượng phát nóng trên cuộn stator.

Phương pháp đưa rotor về vị trí đỉnh cực bằng bộ điều khiển dòng có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng kiểm soát dòng điện qua cuộn dây stator mà không cần xác định góc offset Phương pháp này có thể hoạt động hiệu quả trong cả chế độ không tải và có tải Trong đồ án này, tôi sẽ áp dụng phương pháp điều khiển dòng điện để đưa rotor về vị trí đỉnh cực.

Đo dòng điện stator

Kỹ thuật đo dòng stator đóng vai trò quan trọng trong thiết kế BĐK, ảnh hưởng đến đặc tính động học của vòng ĐK dòng và chất lượng BĐK tốc độ quay cũng như vị trí Do đó, kỹ thuật đo cần được xem xét từ giai đoạn thiết kế hệ truyền động điện Với tính đơn giản trong thực hiện và khả năng đạt độ phân giải cao, kỹ thuật này là một phương pháp hiệu quả.

Chương 3 Xây dựng mô hình thực nghiệm và kết quả chạy thực nghiệm áp gây nên.Thông thường, ta có thể giải quyết bằng cách thêm các khâu lọc số nhưng việc này dẫn đến trể ảnh hưởng đến động học BĐK u,i t

TP+TT T 0,7 TP+TT T 0,7 TP+TT T 0,7

Sóng cơ bản của dòng stator Dòng thực Điện áp

Để đo chính xác hài cơ bản và loại trừ hài bậc cao do băm xung áp, việc xác định thời điểm trích mẫu là rất quan trọng Theo hình 3.29, thời điểm trích mẫu nên diễn ra ở giữa khoảng thời gian T0 hoặc T7, giúp loại bỏ khâu lọc số và giảm thiểu quán tính phụ Tuy nhiên, nhược điểm là T0 và T7 thay đổi theo chế độ vận hành, làm cho thời điểm trích mẫu không cố định và khó thực hiện, như minh họa trong hình 3.30 Để khắc phục vấn đề này, có thể sử dụng khung thời gian như trong hình 3.31 và trích mẫu ở giữa khoảng thời gian T7.

Hình 3.30 Trình tự điều chế theo lý thuyết

Hình 3.31 Trình tự điều chế sau khi sửa

Trong hình 3.31, tần số trích mẫu và tần số băm xung được thể hiện là bằng nhau Tuy nhiên, thực tế cho thấy xu hướng tăng tần số băm xung nhằm giảm sóng hài bậc cao trong dòng đã dẫn đến việc chọn tần số băm xung là bội số nguyên của tần số trích mẫu Việc trích mẫu đo diễn ra ở giữa khoảng thời gian T7 cuối cùng của chu kỳ băm xung hoặc tại thời điểm giữa hai chu kỳ điều khiển.

Trong đồ án này, em đặt tần số phát xung bằng hai lần tần số trích mẫu:

Xây dựng chương trình trên vi điều khiển

Chương trình trên vi điều khiển xử lý trên 2 khối xử lý song song để tăng tốc độ tính toán và sử lý cho bài toán:

 CPU: Cấu hình các module, lưu các biến, truyền thông

 CLA: Tính toán các thuật toán cho hệ thống

Khối ADC sẽ thực hiện việc đọc các tín hiệu điện áp DC và dòng điện pha Quá trình kích hoạt ADC bắt đầu chuyển đổi tín hiệu SOCx từ Module PWM1 với chu kỳ lấy mẫu tương ứng tần số phát xung 10kHz.

Khối PWM được cài đặt với tần số phát xung 10kHz (đếm lên và đếm xuống)

Hệ số điều chế từng kênh PWM sẽ được cập nhật sau mỗi chu kỳ khi CLA thực hiện thuật toán và cấu trúc điều khiển xong

Khối CLA thực hiện thuật toán, cấu trúc điều khiển sau khi ADC xử lý thức xong và tính toán hệ số điều chế

Trong đồ án này, tần số phát xung được sử dụng là 10kHz, trong khi tần số trích mẫu tương ứng với vòng điều khiển dòng điện là 5kHz Đồng thời, tần số cho vòng điều khiển tốc độ và vòng điều khiển vị trí được thiết lập ở mức 1kHz.

Trip zone PWM 11 ePWM9A ePWM9B ePWM11B ePWM8A ePWM8B ePWM9A ePWM9B ePWM11B ePWM8SOCA

TZ2 ePWM8.CMPA ePWM9.CMPA ePWM11.CMPA

Hình 3.32 Sơ đồ tổ chức chương trình trên DSP

Các modul PWM được cấp xung đồng bộ đếm và khi bộ đếm đạt giá trị tối đa, ADC nhận tín hiệu SOCx từ PWM để bắt đầu đọc các giá trị dòng điện và điện áp một chiều Sau khi hoàn tất việc đọc, ADC phát tín hiệu EOC để thông báo kết thúc quá trình, gây ra ngắt cho CLA Trong chương trình ngắt của CLA, các kết quả đo dòng được đọc, dữ liệu được chuẩn hóa, và các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ, vị trí được thực hiện, cùng với việc tính toán hệ số điều chế và phát xung điều khiển van IGBT Phía CPU sẽ thực hiện các nhiệm vụ như truyền thông và kiểm tra tín hiệu báo lỗi từ van, nếu phát hiện lỗi như quá dòng, quá nhiệt hay ngắn mạch, sẽ ngay lập tức dừng phát xung và đưa tín hiệu xung phát vào IGBT về mức thấp.

Vị trí đỉnh cực Reset counter

- Tính góc điện và góc cơ

Hình 3.34 Lưu đồ thuật toán đọc encoder

Hàm main, được thực hiện bên CPU, có nhiệm vụ khai báo các tham số điều khiển, khởi tạo và cài đặt các module hệ thống Nó cũng đảm bảo phát hiện lỗi trên van để dừng hệ thống kịp thời.

Hình 3.34, QEP là 1 module ngoại vi chuyên sử dụng để đọc tín hiệu do increment encoder phản hồi và trả về các thông tin: hướng, vị trí

Khi roto chưa ở vị trí đỉnh cực, thanh ghi đếm xung encoder được giữ ở giá trị 0 Sau quá trình khởi động, việc đếm xung bắt đầu Trong chế độ bình thường, encoder có một xung Z để reset xung đếm về 0 sau mỗi vòng quay, khiến QEP chỉ đọc trong khoảng 0-1, gây khó khăn trong việc điều khiển vị trí nhiều vòng quay Để khắc phục vấn đề này, module QEP cho phép hoạt động ở chế độ tràn thanh ghi đếm xung mà không cần sử dụng xung Z.

Khai báo biến và các module tính toán

Khởi tạo cấu hình các mudule

Hình 3.33 Lưu đồ thuật toán hàm main

- Khai báo tham số BĐK

- Khai báo giá trị đặt

Vị trí đỉnh cực Đưa roto về vị trí đỉnh cực

- Đọc phản hồi dòng, tốc độ, vị trí

- Tính toán hệ số điều chế và phát xung

Hình 3.35 Lưu đồ thuật toán CLA

Khi nhận tín hiệu khởi động, rotor sẽ được đưa về vị trí ban đầu thông qua bộ điều khiển dòng điện Tiếp theo, động cơ sẽ được khởi động với các chế độ điều khiển khác nhau như moment, tốc độ và vị trí Quá trình này được thực hiện với tốc độ vòng dòng gấp 5 lần so với tốc độ và vị trí yêu cầu.

Kết quả chạy thực nghiệm

Sau khi hoàn tất các bước chuẩn bị, bao gồm việc thiết lập mạch phần cứng như mạch điều khiển, mạch đo, mạch lực và mạch nguồn, cũng như chuẩn hóa dữ liệu cho các bộ điều chỉnh và thuật toán tính tốc độ, tôi đã tiến hành lập trình phần mềm trên CCS để thực hiện các thuật toán đo lường, điều khiển, phát xung và bảo vệ Kết quả thực nghiệm với hai động cơ đã được tiến hành và sẽ được trình bày dưới đây.

3.6.1 Chế độ điều khiển tốc độ Để kiểm chứng khả năng thay đổi vận tốc nhanh, trơn, mịn, em lần lượt cho thay đổi lượng đặt tốc độ với kịch bản như sau: 350 v/p -> 1450v/p -> 1000v/p

Hình 3.36 Hệ số điều chế

Hình 3.38 Đáp ứng tốc độ phóng to quá độ

3.6.2 Chế độ điều khiển vị trí

Kịch bản thử nghiệm: đặt lượng đặt vị trí tương ứng với 80.1 vòng quay, sau đó quan sát đáp ứng tốc độ, vị trí và dòng điện

Hình 3.39 Đáp ứng dòng điện i sd

Hình 3.40 Đáp ứng dòng điện i sq

Hình 3.41 Đáp ứng vị trí và tốc độ

Hình 3.43 Góc điện đã chuẩn hóa

Sau khi mô phỏng cấu trúc điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC trên Matlab/Simulink, em đã chạy thực nghiệm trên 2 động cơ 0.4kW và 2.1kW

Kết quả thu được trên cả 2 động cơ:

Vòng điều khiển tốc độ cho thấy hệ số điều chế và đáp ứng tốc độ tương đồng với kết quả mô phỏng, đạt được tốc độ bám lượng đặt nhanh, với độ quá điều chỉnh nhỏ và sai lệch tĩnh dưới 1%.

Với vòng điều khiển vị trí, do hoạt động không tải, các thành phần dòng i sd và i sq gần như không có Đáp ứng về tốc độ và vị trí tương tự như kết quả mô phỏng, cho thấy vị trí bám sát lượng đặt với độ quá điều chỉnh nhỏ và sai lệch tĩnh chỉ đạt 0.01 vòng (dưới 1% khi lượng đặt lớn hơn 1 vòng) Lượng đặt có thể điều chỉnh từ 0.1 vòng đến 100 vòng.

Mô hình thực nghiệm có thể hoạt động với các động cơ trong dải công suất dưới 5kW

Tiêu đề	Thiết Kế Cấu Trúc Điều Khiển FOC Cho Động Cơ Đồng Bộ Kích Thích Vĩnh Cửu Sử Dụng Increment Encoder
Tác giả	Nguyễn Như Hiển
Người hướng dẫn	TS. Vũ Hoàng Phương
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Tự Động Hóa
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	4,63 MB