Nghiên cứu phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện

Sự phát triển của xã hội luôn đi đôi với việc nhu cầu về hàng hóa sản phẩm ngày càng cao.

Trang 1

Website: http://wWebsite: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel (:

0918.775.368

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của xã hội luôn đi đôi với việc nhu cầu về hàng hóa sản phẩmngày càng cao Để có thể đáp ứng được những đòi hỏi của thị trường thì công nghệ sản

xuất luôn luôn phải cải tiến, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm Những bước tiến

của nền khoa học kỹ thuật trong những thập kỷ gần đây dẫn đến những thay đổi sâu sắc

cả về mặt lý thuyết lẫn thực tế trong lĩnh vực tự động hóa xí nghiệp công nghiệp

Một mảng quan trọng trong tự động hóa là sử dụng điện áp cao để điều khiển thiết

bị Có nhiều cách để tạo ra điện áp cao từ những nguồn điện thông thường Một trong

những cách đó là sử dụng máy biến áp áp điện Với ưu điểm gọn, nhẹ lại tạo được điện

áp cao biến áp áp điện đã xuất hiện trong nhiều ứng dụng mặc dù mới được nghiên cứu

phát triển

Từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu phát triển bộ

PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện” mà em được giao đã giúp ích cho

em rất nhiều trong việc tổng hợp các kiến thức lý thuyết chuyên ngành tự động hóa đã

được học trên lớp và những kinh nghiệm làm việc thực tế trong quá trình thiết kế - chế

tạo sản phẩm, đồng thời tạo điều kiện cho em tìm hiểu kỹ hơn về kiến thức điện tử công

suất, vi xử lý, mô hình hóa và mô phỏng Nội dung đồ án gồm các phần cơ bản sau :

- Tổng quan về biến áp áp điện.

- Mô phỏng đặc tính của máy biến áp áp điện.

- Giới thiệu một số mô hình điều khiển của máy biến áp áp điện.

- Thiết kế mạch ứng dụng biến áp áp điện sử dụng thuật toán PLL số.

Sau một thời gian nghiên cứu và thiết kế hệ thống, em chân thành cảm ơn đến thầy

giáo TS Đỗ Mạnh Cường đã trực tiếp hướng dẫn, cũng như thường xuyên khuyến

khích và tạo điều kiện cho chúng em làm thí nghiệm để hoàn thành đồ án này Do kiến

thức và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án này không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót Em rất

mong nhận được sự hướng dẫn và góp ý của các thầy cô giáo để đồ án của em được hoàn

Trang 2

 Hiệu ứng áp điện thuận: khi tác động một lực cơ học lên một số loại vậtliệu tinh thể thì các loại vật liệu này trở nên phân cực về điện Mức độ phân cực tỷ lệ vớilực tác động lên nó tuy nhiên không vượt quá một giới hạn nhất định

 Hiệu ứng áp điện nghịch: khi đặt những loại vật liệu trên trong một điệntrường thì chúng bị biến dạng như thể bị tác động bởi một lực cơ học

Mặc dù được phát hiện sớm như vậy nhưng chỉ có rất ít các ứng dụng dựa trênhiệu ứng thuận hay nghịch được phát triển Những ứng dụng hiếm hoi xuất hiện chủ yếutrong các phòng thí nghiệm để đo áp suất hoặc sạc điện

Năm 1956, một loại biến áp dựa trên hiệu ứng áp điện được giới thiệu lần đầu tiênbởi C.A Rosen Biến áp này được gọi là biến áp áp điện (Piezoelectric Transformer -PT) Biến áp áp điện được chế tạo dựa trên cả hiệu ứng áp điện nghịch (phía sơ cấp) vàhiệu ứng áp điện thuận (phía thứ cấp) Tuy vậy, biến áp áp điện không được quan tâmnghiên cứu nhiều bởi những hạn chế về công nghệ vật liệu, khả năng điều khiển cũng nhưphạm vi ứng dụng lúc bấy giờ

Trong những năm 70, biến áp áp điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụngthương mại, thay cho biến áp điện từ truyền thống Các công ty Mỹ và Nhật Bản nhưRCA, Motorola, Denki Onkyo Limited và Matsushita sử dụng biến áp áp điện để tạo rađiện áp cao cho ống tia cathode của tivi đen trắng Một số công ty khác sử dụng biến áp

áp điện làm mồi cho các lò nướng đốt ga Những năm 80, Siemens, General Electric dùngbiến áp áp điện để điều khiển đóng mở các van công suất như thyristor, mosfet [4]

Thập kỷ 90, kỹ thuật điện tử, điện tử công suất đã có sự phát triển bùng nổ đồngthời nhu cầu giảm kích thước, khối lượng và giá thành các bộ biến đổi điện được đặt ra.Trong bối cảnh đó, biến áp áp điện với các ưu điểm nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao đã thu hútđược sự chú ý của nhiều công ty công nghệ và các nhà nghiên cứu Các công ty Nhật Bảnnhư NEC, Tokin, Matsushita dẫn đầu xu thế này Mục tiêu của họ là sử dụng biến áp ápđiện thay thế các biến áp điện từ trong các ứng dụng đòi hỏi điện áp cao và công suất vừa

Trang 3

 Hiệu suất cao

 Không có tổn hao điện từ

 Kích thước, khối lượng nhỏ

 Độ cách ly điện áp cao

Tuy vậy, biến áp áp điện cũng có những nhược điểm:

 Có tính cộng hưởng: biến áp áp điện thường chỉ hoạt động hiệu quả ở mộthay một vài dải tần số cộng hưởng nhất định

 Dải công suất thấp

 Giá thành cao

 Điều khiển khó khăn

1.2 Cơ sở vật lý của biến áp áp điện

1.2.1 Tính phân cực của vật liệu áp điện

Cả 2 phía sơ cấp và thứ cấp trong biến áp áp điện đều được chế tạo từ vật liệu áp

điện như Bari titannat (BaTiO3) hay Chì zirconat titanat (PZT) vì hiệu ứng áp điện

trên những vật liệu này thể hiện mạnh nhất Công thức hóa học chung của các vật liệu ápđiện loại này là 2 4 2

3

A B  O 

  với A là nguyên tố kim loại hóa trị 2 như Bari hay Chì, B

là nguyên tố kim loại hóa trị 4 như Titan hay Zirco Cấu trúc tinh thể và theo đó đặc tínhcủa các vật liệu áp điện thay đổi khi nhiệt độ của chúng cao hơn hay thấp hơn một nhiệt

độ nhất định gọi là nhiệt độ Curie Sự thay đổi của dạng tinh thể theo nhiệt độ này được

minh họa như hình 1-1:

Trang 4

0918.775.368

Hình 1-1 Cấu trúc phân tử của vật liệu áp điện

Ta thấy rõ cấu trúc phân tử của vật liệu áp điện phụ thuộc vào nhiệt độ, cụ thể nhưsau:

 Trên nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở trên nhiệt độ Curie, cấu trúcphân tử của vật liệu có dạng đối xứng hình học với các ion âm và ion dương ở các vị tríđối xứng trong không gian Do đó tinh thể áp điện không có sự phân cực về điện, nóicách khác là trung hòa về điện

 Dưới nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở dưới ngưỡng nhiệt độ Curie thìcấu trúc tinh thể không còn tính đối xứng, các ion âm và ion dương của phân tử phân bốkhông đều dẫn tới sự phân cực về điện trong phân tử Mỗi phân tử trở thành một lưỡngcực điện Các lưỡng cực này sắp xếp theo nhiều hướng khác nhau trong không gian

Các ứng dụng của vật liệu áp điện nói chung và biếp áp áp điện nói riêng đều chỉ

có thể hoạt động khi khối vật liệu áp điện đã bị phân cực vì chỉ khi đó, hiệu ứng áp điệnmới xảy ra Quá trình phân cực hóa vật liệu áp điện được thể hiện như hình 1-2 Theo đó,

ở dưới nhiệt độ Curie, vật liệu áp điện có các lưỡng cực điện được sắp xếp tự do 2a) Ta có thể định hướng cho các lưỡng cực điện này nhờ đặt vật liệu áp điện vào mộtđiện trường (hình 1-2b) Với một điện trường đủ mạnh và sau một thời gian nhất định thìkhối vật liệu áp điện sẽ duy trì tính chất phân cực kể cả sau khi ngắt điện trường đặt lên

(hình1-nó (hình 1-2c)

Trang 5

0918.775.368

Hình 1-2 Quá trình phân cực biến áp áp điện

1.2.2 Sự mất tính phân cực của vật liệu áp điện

Sau khi vật liệu áp điện được phân cực hóa thì tính phân cực của nó vẫn được duytrì kể cả sau khi đã bỏ điện trường đi và chỉ sau khi được phân cực hóa thì các vật liệu ápđiện mới được đưa vào ứng dụng Tuy nhiên có một số nguyên nhân có thể dẫn tới mấtmột phần hoặc hoàn toàn tính phân cực ở vật liệu áp điện và do đó các thiết bị áp điện sẽ

 Nguyên nhân về nhiệt: khi khối vật liệu áp điện đã được phân cực hóa được

Trang 6

0918.775.368

cực điện trong khối vật liệu trở nên bị xáo trộn do các phân tử hoạt động mạnh Do vậy

để tính phân cực của khối vật liệu được đảm bảo lâu bền và các ứng dụng vật liệu áp điệnkhông bị hỏng thì cần bảo đảm nhiệt độ dưới nhiệt độ Curie Mức nhiệt độ hoạt động lýtưởng của vật liệu áp điện vào khoảng giữa 0oC và ngưỡng nhiệt độ Curie của vật liệu

1.2.3 Các hằng số áp điện

Vật liệu áp điện có tính chất dị hướng nên các đại lượng vật lý đặc trưng như tínhđàn hồi, hằng số điện môi phụ thuộc vào cả hướng của lực tác dụng và hướng của điệntrường Các đại lượng vật lý này trong mối quan hệ với lực và điện trường được chỉ rõ ởphương trình (1.1) và (1.2) sau đây:

Tương tự như vậy ở phương trình (1-2), D là véctơ mật độ điện tích thể hiện sựphân cực của vật liệu áp điện khi có tác dụng của lực căng và điện trường với cường độ lên vật liệu Khi không có điện trường ngoài đặt lên vật liệu thì D chỉ phụ thuộc vàolực tác dụng T Lúc này, phương trình đặc trưng cho hiệu ứng áp điện thuận

Các đại lượng khác trong phương trình bao gồm ma trận hằng số đàn hồi E s , ma

trận hằng số điện môi T

 và ma trận hằng số áp điện d Ma trận hằng số đàn hồi đặc trưng

cho sự phụ thuộc của độ biến dạng của vật liệu khi có tác động của lực đặt lên nó, matrận hằng số điện môi đặc trưng cho sự thay đổi mật độ điện tích khi có điện trường ngoàiđặt lên nó Ở đây ma trận hằng số áp điện là khái niệm mới đặc trưng cho sự phân cựccủa vật liệu áp điện khi có lực đặt lên và ngược lại, đặc trưng cho sự biến dạng của vậtliệu áp điện khi có điện trường ngoài đặt lên vật liệu

Trang 7

0918.775.368

1.3 Cấu trúc và phân loại máy biến áp áp điện

Biến áp áp điện có cấu trúc gồm các phần tử “chấp hành áp điện” hoạt động theohiệu ứng nghịch ở phía sơ cấp và các phần tử “chuyển đổi áp điện” hoạt động theo hiệuứng thuận ở phía thứ cấp Các phần tử này được cấu thành từ các phần tử áp điện Mỗiphần tử áp điện này có cấu trúc gồm hai điện cực và một lớp vật liệu áp điện ở giữa nhưhình 1-3

Hình 1-3 Phần tử áp điện

Các phần tử áp điện hoạt động trong máy biến áp áp điện theo một tần số cộnghưởng nhất định (vấn đề về tần số cộng hưởng sẽ được xem xét kĩ hơn ở chương sau)theo hai kiểu cơ bản là:

 Kiểu dao động dọc: Phần tử áp điện hoạt động với véctơ lực căng T songsong với hướng phân cực điện P như hình 1-4:

Hình 1-4 Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc

 Kiểu dao động ngang: phần tử áp điện hoạt động với véc tơ lực căng T

vuông góc với hướng của phân cực điện P như hình 1-5:

Trang 8

0918.775.368

Hình 1-5 Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang

Ứng dụng hai kiểu dao động trên của phần tử áp điện, người ta chế tạo được 3 loạibiến áp thông dụng:

 Biến áp áp điện kiểu Rosen

 Biến áp áp điện kiểu rung bề dày

 Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính

1.3.1 Máy biến áp áp điện kiểu Rosen

Máy biến áp áp điện loại này có phía sơ cấp là một phần tử áp điện hoạt động theokiểu dao động ngang và phía thứ cấp là một phần tử áp điện hoạt động theo kiểu daođộng dọc Khi đặt vào hai đầu điện cực của phần sơ cấp một điện áp Vin thì phần sơ cấp

sẽ bị phân cực theo hướng song song với bề dày của phần tử áp điện sơ cấp Những biếndạng cơ học theo hướng vuông góc với hướng phân cực của phần sơ cấp sẽ tạo nênnhững dao động lực tác động lên phần tử áp điện thứ cấp Do những lực tác động này màphía thứ cấp của máy biến áp vốn là phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc sẽ

có một mật độ điện tích nhất định xuất hiện trên 2 điện cực Mật độ điện tích này sẽ tạo ramột điện áp Vout ở đầu ra Biến áp áp điện loại này cho ra tỷ lệ tăng áp lớn nhất

Hình 1-6 Máy biến áp áp điện kiểu Rosen

1.3.2 Máy biến áp áp điện kiểu rung theo chiều dày

Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày được Nhật chế tạo từ những năm 1990.Loại máy biến áp áp điện này được cấu tạo từ các phần tử áp điện kiểu dao động dọc ở cả

Trang 9

Hình 1-7 Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày

1.3.3 Biến áp áp điện kiểu rung theo hướng kính

Biến áp áp điện kiểu rung theo hướng kính được chế tạo từ hai phần tử áp điệnhoạt động theo kiểu dao động ngang Loại biến áp này được công ty FACE Electronicscủa Mỹ chế tạo từ năm 1998 Khi đặt vào hai điện cực của phía sơ cấp một điện áp Vin,phần tử áp điện sơ cấp sẽ được phân cực

và phương của phân cực này dọc theo bề

dày của khối vật liệu áp điện Do hoạt

động theo kiểu ngang nên phân cực điện

tạo ra biến dạng cơ học theo hướng

vuông góc với điện trường Nếu điện áp

đặt vào dao động (dao động điện) thì

biến dạng cơ học cũng tạo nên các dao

động cơ Các dao động cơ phía sơ cấp truyền sang phía thứ cấp Dao động cơ phía thứcấp tạo ra điện áp Vout trên hai điện cực của phía thứ cấp

Khi mới được chế tạo thì biến áp loại này có dạng hình chữ nhật nhưng vì nếu thếthì các dao động cơ giữa các điểm không đều do khoảng cách tới tâm không bằng nhaudẫn đến những sóng bậc cao nhiều hơn cho điện áp ra Biến áp áp điện với dạng tròn(hình 1-8) được chế tạo nhằm khắc phục nhược điểm này Ngày nay ứng dụng chủ yếu

Trang 10

Trang 11

0918.775.368

Trang 12

Chương 2 Đặc tính của biến áp áp điện

Chương 2

ĐẶC TÍNH CỦA BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN

2.1 Sơ đồ tương đương của biến áp áp điện

Biến áp áp điện trên thực tế có thể hoạt động ở 3 tần số cộng hưởng (theo [1])

Hình 2-1 là sơ đồ thay thế tương đương ứng với 3 tần số cộng hưởng này Tuy vậy, để

đơn giản hóa và giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, đồ án này sẽ xem xét sơ đồ tươngđương của biến áp áp điện tại một trong những tần số cộng hưởng của nó mà vẫn đảmbảo được những đặc tính hoạt động chung của biến áp Theo [2], sơ đồ tương đương củabiến áp áp điện tại một tần số cộng hưởng được trình bày ở hình 2-2 Theo đó, đầu ra củabiến áp áp điện được tách thành hai nguồn phụ thuộc: nguồn áp V Co /n và nguồn dòng

/

Lr

I n, V invà V outlà điện áp vào và điện áp ra, C invà C outlà điện dung của tụ điện đầu vào

và đầu ra, L rvà C rlà điện cảm và điện dung tương đương, R m là điện trở đặc trưng cho

tổn hao cơ và n là tỷ số truyền cơ

Mối liên hệ giữa các đại lượng cơ học, vật lý và điện học được trình bày ở bảngsau:

Bảng 2–1 Liên hệ các đại lượng cơ - vật lý với điện học

Trang 13

Hình 2-9 Sơ đồ thay thế của biến áp áp điện với 3 tần số cộng hưởng

Hình 2-10 Sơ đồ thay thế biến áp áp điện tại 1 tần số cộng hưởng

2.2 Phân tích hoạt động của biến áp áp điện

2.2.1 Hệ số biến áp

Một trong những thông số quan trọng của biến áp nói chung và biến áp áp điện nóiriêng là hệ số biến áp Với biến áp điện từ truyền thống, tỷ số này quyết định bởi tỷ sốgiữa số vòng dây quấn phía thứ cấp và số vòng dây quấn phía sơ cấp Tỷ số biến áp củabiến áp áp điện không được tính một cách rõ ràng như vậy được Là một thiết bị mangtính chất cộng hưởng, biến áp áp điện có hệ số biến áp phụ thuộc vào tần số làm việc vàtải của nó

Trang 14

Để xác định hệ số biến áp của biến áp áp điện và để đơn giản hơn trong việc tínhtoán, mô phỏng, nghiên cứu đặc điểm làm việc, ta giả thiết nối một tải thuần trở Ro vàophía thứ cấp của biến áp (hình 2-3)

Hình 2-11 Sơ đồ thay thế máy biến áp áp điện với tải thuần trở

Dựa vào nguyên tắc cân bằng năng lượng giữa hai phía sơ cấp và thứ cấp, ta có thểqui đổi phía thứ cấp về phía sơ cấp và bỏ qua điện dung đầu vào Cin Sơ đồ mạch nhưhình 2-4

Hình 2-12 Sơ đồ qui đổi biến áp áp điện tải thuần trở về phía sơ cấpCác thông số được tính qui đổi như sau:

' 2

o o

RRn

VV

n

Đơn giản hóa mạch bằng việc thay thế tương đương mạch bằng mạch , ta được sơ đồ:

Trang 15

Hình 2-13 Sơ đồ thay thế tương đương biến áp áp điệnTrong đó:

" '

2 ' '

Trang 16

1ro

r o r

r o

C CL

1

 out 

in

V n

Trang 17

 Hệ số biến áp của biến áp áp điện phụ thuộc vào tần số làm việc và giá trị

tải Với mỗi giá trị tải nhất định thì hệ số này đạt giá trị lớn nhất ở tần số cộng hưởng

được tính theo (2-6) và được giới hạn trong dải nhất định (2-7) Trong thực tế, tần sốnày có thể đạt tới 50 với biến áp áp điện một lớp và tới 1000 với biến áp nhiều lớp [1]

 Với một điện trở tải xác định thì có thể điều chỉnh điện áp trên tải bằngcách thay đổi tần số hoạt động của biến áp

 Q và Qm tỷ lệ thuận với hệ số biến áp n21 Khi các hệ số này càng lớn thìđiện áp phía thứ cấp của biến áp càng lớn Do vậy các hệ số Q và Qm được gọi là hệ sốchất lượng điện và hệ số chất lượng cơ tương ứng

2.2.2 Công suất đầu ra

Từ hình 2-3 và hình 2-4 và phương trình (2-5) công suất đầu ra của biến áp áp

điện được tính từ công thức:

Trang 18

làm việc ở tần số cộng hưởng, từ hình 2-5, công suất đầu ra hay công suất trên tải R0''

được tính như sau:

m m

Dấu “=” xảy ra khi: R0'' Rm (Bất đẳng thức Cauchy)

Từ phương trình (2-4), đồ thị của R0'' theo R’ có dạng lồi như hình 2-7 Do vậy,

ứng với mỗi giá trị R0'' sẽ có 2 giá trị '

2.2.3 Hiệu suất biến áp

Theo tài liệu [2], hiệu suất của biến áp áp điện tính được từ công thức:

Trang 19

 Nếu "



R R thì hiệu suất của biến áp càng lớn Do R m là hằng số phụ

thuộc biến áp nên hiệu suất đạt được cực đại khi "

Trang 20

Các thông số biến áp được lấy từ [1] dùng cho mô phỏng và được chỉ ra trong bảng sau:

Bảng 2–2 Thông số biến áp áp điện

Trang 21

Hình 2-17 Công suất đầu ra

Hình 2-18 Hiệu suất biến áp

Trang 22

Hệ số biến áp, công suất đầu ra và hiệu suất biến áp phụ thuộc vào điện trở tải nhưhình 2-11:

Hình 2-19 Đặc tính hoạt động của PT

Trang 23

Chương 3 Nguyên lí điều khiển biến áp áp điện

Chương 3

NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN

3.1 Các mô hình bộ biến đổi công suất điều khiển biến áp áp điện

3.1.1 Giới thiệu chung

Bộ biến đổi công suất là 1 phần của hệ thống điện tử công suất nhằm biến đổi tínhiệu đầu vào nó thành tín hiệu có công suất lớn hơn Trong các ứng dụng thực tế của máybiến áp áp điện thì đa phần mục đích sử dụng của máy biến áp áp điện trong đó là tạo racác mạch biến đổi điện áp DC/AC với đầu ra có điện áp cao hay các mạch biến đổiDC/DC (thực chất là sự kết hợp giữa mạch DC/AC với chỉnh lưu đầu ra ) Có nhiều môhình điều khiển thiết kế khác nhau để tạo ra các mạch biến đổi điện áp trên Vì máy biến

áp áp điện nói chung được sử dụng nhằm tạo ra các thiết bị ở dải công suất thấp, giáthành rẻ, hiệu suất cao nên các mạch biến đổi phải có cấu trúc đơn giản, sử dụng tối thiểucác phần tử thụ động và van chuyển mạch Thực tế có 2 mô hình thỏa mãn các yêu cầutrên được dùng rộng rãi cho biến áp áp điện

 Bộ biến đổi lớp D

 Bộ biến đổi lớp E

Các đặc điểm cụ thể của hai mô hình điều khiển này sẽ được trình bày chi tiết dướiđây

3.1.2 Sơ đồ điều khiển lớp D

Sơ đồ điều khiển lớp D sử dụng hai van công suất S1, S2 (thường sử dụngMOSFET) với đầu vào là nguồn điện áp một chiều Hai van này thay phiên nhau đóng

mở, khi van này mở thì van kia đóng và ngược lại Kết quả là điện áp đầu ra có dạngxung vuông với tần số là tần số đóng mở van và độ rộng xung phụ thuộc vào tỷ lệ ton/toff.Hình 3-1 là sơ đồ mạch (đã gồm biến áp áp điện)

Trang 24

Hình 3-20 Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp DQuy đổi phía thứ cấp của biến áp sang phía sơ cấp (tương tự chương 2), ta được sơ

đồ tương đương như hình 3-2

Hình 3-21 Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D quy đổi về sơ cấpNguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D được thể hiện qua hình 3-3:

Hình 3-22 Giản đồ thể hiện nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D

Trang 25

Ở hình vẽ trên thì VGS1 và VGS2 là hiệu điện thế giữa cực G và cực S của hai khóa

S1, S2 Vin , iin là điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào, i(t) là dòng điện cộng hưởng(dòng iLr trên hình 3-1) chạy trong biến áp Chu kỳ hoạt động của mạch gồm các giaiđoạn:

 Từ t0 đến t1: giai đoạn nạp của tụ Cin

 Từ t0 đến t2: thời gian chết (hai khóa S1 và S2 đều không có xung áp vàocực G)

 Từ t2 đến t3: thời gian ON của khóa S1

 Từ t3 đến t4: thời gian phóng của tụ Cin

về chiều khác nhau nên dòng nạp cho tụ Cin trong thời điểm này là:

ON sau đó tại t3 thì chuyển về trạng thái OFF Trong khoảng thời gian t3 đến t4 thì haikhóa S1 và S2 đều ở trạng thái OFF vì thế cho nên tụ Cin phóng điện và dòng phóng lúcnày cũng chính là dòng cộng hưởng i(t) Do vậy nên điện áp đầu vào Vin hay cũng chính

là điện áp trên khóa S2 giảm và do đó điện áp trên khóa S1 tăng Khi điện áp đầu vào Vin

về 0 tại t4 thì diode song song ngược của S2 (không thể hiện trên hình vẽ) dẫn dòng Quátrình phóng/nạp của tụ Cin cứ lặp đi lặp lại nhằm đảm bảo điều kiện đóng cắt ZVS (ZeroVoltage Switching) Đây là một điều kiện quan trọng để nâng cao hiệu suất của bộ biếnđổi[5]

Để đảm bảo mạch hoạt động theo điều kiện đóng cắt ZVS thì hai điều kiện sau đâyphải thỏa mãn:

Trang 26

Hình 3-23 Quan hệ pha giữa dòng điện cộng hưởng irL và điện áp tụ đầu vào Vin

 Điều kiện về điện áp ngưỡng của tụ đầu vào Cin: Khi mà điện cảm Lr nạp tụ

Cin như ở hình 3-4 thì điện tích của tụ đầu vào Cin được phóng nạp bởi dòng điện cộnghưởng irL được tính là: dQ C dV in i dt rL với dV là biến thiên điện áp trên tụ Cin và dt

là thời gian phóng nạp của tụ Để hoạt động ở chế độ ZVS thì giá trị lớn nhất của điện áp

tụ Cin phải thỏa mãn: Vin peak,  VDCvà trong mỗi chu kì hoạt động thì tụ Cin phải đượcphóng nạp hoàn toàn

 Điều kiện về thời gian chết giữa S1 và S2: để có đủ thời gian cho cuộn cảm

Lr nạp điện hay tụ Cin phóng điện thì thời gian trễ td phải lớn hơn hay bằng thời gianphóng hay nạp Theo [5] thì thời gian td được chọn theo điều kiện: 1

Bảng 3–3 Thông số biến áp áp điện

Trang 27

'

70000

6.114107

o o

R R n

2 0,41.102

6,7.10 228,98.10

ro

r o r

C CL

( 3-0)

Tiến hành mô phỏng trên Matlab/Simulink ứng với hai trường hợp của tần số:

 Ngoài dải tần số cộng hưởng

 Trong dải tần cộng hưởng

Sơ đồ mô phỏng:

Trang 28

Hình 3-25 Tần số 95kHz (ngoài dải cộng hưởng)

Hình 3-26 Tần số 97kHz (trong dải cộng hưởng)

Trang 29

Trong đó: Vgs1, Vgs2 lần lượt là xung phát vào cực G của hai van S1, S2 Vin là điện áp vàobiến áp áp điện hay là điện áp trên tụ Cin I(t) là dòng chạy vào biến áp (dòng cộnghưởng)

Nhận xét:

 Khi hoạt động ở ngoài dải tần cộng hưởng, các van S1, S2 được mở khi điện

áp trên van chưa về 0 (không đảm bảo đóng cắt van theo ZVS) Theo [3], hệ quả này dẫnđến tổn hao trên van và tổn hao trên biến áp áp điện lớn, nhiệt độ biến áp tăng lên khiếnhiệu suất biến áp giảm

 Khi hoạt động ở trong dải tần cộng hưởng, các van S1, S2 được mở khi điện

áp trên van đã về 0 hoặc nhỏ (đảm bảo đóng cắt van theo ZVS) Nhờ vậy, tổn hao trênvan và tổn hao trên biến áp áp điện nhỏ, hiệu suất biến áp tăng lên

 Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp nguồn đầu vào(hình 3-8)

Hình 3-27 Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động

3.1.3 Sơ đồ điều khiển lớp E

Mạch nguyên lý của sơ đồ điều khiển lớp E được cho như hình 3-9 Mạch chỉ gồmmột van công suất S (Mosfet) với một diode mắc song song ngược Van S phối hợp với

Trang 30

mạch tương đương của biến áp áp điện tạo thành bộ biến đổi lớp E Nhờ vậy, điện áp đầu

ra của bộ biến đổi có dạng hình sin đồng thời tạo điều kiện ZVS cho van S

Hình 3-28 Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp E

Trong mạch nguyên lý trên, điện cảm đầu vào Lf có giá trị lớn để hạn chế dòngđỉnh đầu vào và đảm bảo dòng cộng hưởng chạy qua mạch cộng hưởng (hay biến áp ápđiện) là hình sin

Khi khóa S chuyển sang trạng thái OFF, điện áp trên Cin phóng qua mạch RLCcủa biến áp Sau khi xả hết, điện áp trên tụ điện Cin trở về 0, cũng là điện áp trên van S.Lúc này, diode song song với van bắt đầu dẫn dòng điện chạy qua Nếu van S được mởvào giai đoạn này thì tổn hao trên van sẽ không đáng kể (điều kiện ZVS) Quá trình được

mô tả trên hình 3-10

Hình 3-29 Mô tả hoạt động bộ biến đổi lớp E

Trang 31

Hoạt động của bộ biến đổi lớp E được mô phỏng bằng sơ đồ hình 3-11 Độ rộngxung vào cực G của van S là 50% Điện áp vào cấp VDC=5V Tần số: 97kHz

Các thông số biến áp đã cho trong bảng 3-1

Điện cảm và giá trị tải:

Hình 3-30 Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp E

Trong đó, Vout là điện áp đầu ra (điện áp trên tải), Vgs là xung phát vào cực G củavan S, Vin và Iin lần lượt là điện áp và dòng điện đầu vào của biến áp áp điện

Theo hình 3-12, hiệu suất lớn nhất của biến áp áp điện đạt được khi độ lệch phagiữa điện áp đầu vào Uin và dòng chạy qua nhánh RLC bằng 0 Nói cách khác, điểm hoạtđộng cộng hưởng hoạt động của bộ biến đổi lớp E này phụ thuộc vào sự thay đổi của tải

Trang 32

Hình 3-31 Kết quả mô phỏng

Nhận xét:

 Van và đầu vào sơ cấp biến áp phải chịu điện áp cao hơn nhiều so với sơ đồ

bộ biến đổi lớp D Điều này dẫn đến tổn hao trên van lớn, giảm hiệu suất thậm chí có thểgây hỏng biến áp Thêm nữa, theo [7], điều kiện mở van ZVS cũng bị thu hẹp lại

 Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp nguồn đầu vào bộbiến đổi lớp E (hình 3-13)

Hình 3-32 Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động [1]

Trang 33

3.2 Thuật toán điều khiển bám tần số cộng hưởng

Về nguyên lí, biến áp áp điện được sử dụng với mục đích biến đổi điện áp Nhưvậy việc điều khiển biến áp áp điện cần đáp ứng được hai yêu cầu chính sau:

 Đảm bảo hiệu suất biến đổi

 Đảm bảo chất lượng đầu ra

Theo kết quả phân tích ở chương 2, để đảm bảo yêu cầu thứ nhất thì biến áp ápđiện cần được hoạt động tại một trong số những tần số cộng hưởng của nó Tuy nhiên tần

số cộng hưởng của biến áp áp điện lại phụ thuộc nhiều yếu tố:

 Sự thay đổi giá trị tải

 Sự thay đổi của điều kiện làm việc: nhiệt độ, thời gian hoạt động…

Với yêu cầu thứ hai, thì tùy vào ứng dụng mà biến áp áp điện được sử dụng thì sẽ cónhững yêu cầu khác nhau Nhưng nói chung, trong các ứng dụng làm nguồn công suất, yêu cầuđiều khiển được độ lớn điện áp ra là quan trọng nhất

Tuy nhiên, trong phạm vi nội dung đồ án này, ta chỉ xem xét tới vấn đề đảm bảo đượcyêu cầu điều khiển biến áp áp làm việc ở tần số cộng hưởng

Với các đối tượng cộng hưởng nói chung, đều yêu cầu làm việc tại điểm cộnghưởng hoặc ở lân cần điểm cộng hưởng Riêng với biến áp áp điện, việc làm việc cộnghưởng đem lại nhiều ưu điểm:

 Hiệu suất làm việc của biến áp áp điện là cao nhất

Có nhiều phương pháp điều khiển bám tần số cộng hưởng cho biến áp áp điện, tuynhiên, có hai phương pháp hay được sử dụng hơn cả:

 Phương pháp tự dao động

 Phương pháp sử dụng PLL ( Phase Locked Loop)

Trang 34

Với phương pháp tự dao động, hệ thống cộng hưởng sẽ tự hoạt động mà khôngcần tác động điều khiển từ bên ngoài

Thật vậy, ta hay xét 1 hệ thống gồm biến áp áp điện, bộ biến đổi và tải và nguồncấp khi ta đưa 1 xung kích thích với 1 tần số bất kì trong 1 thời gian ngắn vào để hệ thốnghoạt động thì sau khi ngừng kích thích biến áp áp điện sẽ tiếp tục dao động và cho ra điện

áp với tần số tại tần số dao động riêng của nó (chính là tần số cộng hưởng) Ta chỉ việclấy tín hiệu từ dòng đầu ra đưa về điều khiển bộ biến đổi thì hệ thống sẽ làm việc tại tần

số cộng hưởng đó

Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện trong những ứng dụng đơngiản của biến áp áp điện

Tuy nhiên, nó có nhiều nhược điểm như:

 Điểm làm việc dễ bị nhiễu làm cho tần số hoạt động bị thay đổi

 Chỉ đảm bảo được việc bám tần số cộng hưởng

 Hệ tự dao động là hệ kín, khó can thiệp để đảm bảo những yêu cầu chấtlượng khác

Trong các ứng dụng thực tế của biến áp áp điện thì phương pháp sử dụng PLLđược ưa chuộng hơn do những ưu điểm của thuật toán PLL:

 Hoạt động ổn định, tin cậy

xử lí, lí thuyết điều khiển thì việc sử dụng 1 chíp duy nhất để điều khiển biến áp áp điện

và tạo khả năng tích hợp cao cho ứng dụng của biến áp áp điện là hoàn toàn khả thi

Trong phạm vi nội dung của đồ án, ta sẽ thực hiện thuật toán PLL điều khiển biến

áp áp điện sử dụng chip DSP TMS320F2812 Và phần này sẽ trình bày về cơ sở lí thuyết

để thiết kế 1 bộ Software like Digital Phase Locked Loop (SDPLL)

Toàn bộ phần lí thuyết và thiết kế PLL tham khảo tài liệu [11]

Trang 35

Hình 3-33 Sơ đồ cấu trúc điều khiển biến áp áp điện bằng PLL

Thực chất thuật toán phần mềm SDPLL chính là mô tả lại bằng phần mềm chứcnăng tính toán của các khổi trong bộ DPLL Vì vậy, trước khi đi đến thực hiện thuật toán

ta hãy tìm hiều về các khối chức năng trong bộ DPLL

3.2.1 Cấu trúc của DPLL

Hình 3-34 Cấu trúc tổng quát của DPLL

Đây là sơ đồ cấu trúc của 1 bộ DPLL, gồm 3 phần chính:

 Bộ phát hiện sai lệch pha DIGITAL PD (digital phase detector)

 Bộ lọc thông thấp ANALOG LF (analog lowpass filter)

 Bộ dao dộng điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage controlled oscillator )

PT

DIGITAL PD

DCO

N COUNTERU1, W1

U2, W2

Trang 36

Ngoài ra, còn có 2 bộ COUNTER để tùy chọn tỉ số biến đổi tần số Trong ứngdụng cụ thể của ta thì hai bộ COUNTER có thể bỏ qua

a Khối Phase Detector

Để thực hiện chức năng của bộ Digital PD, người ta thường sử dụng 1 trong cácloại sau:

 EXOR phase detector

Hình 3-35 Sơ đồ nguyên lí của EXOR Phase Detector

 Tín hiệu vào phải là tín hiệu xung vuông đối xứng

 Làm việc với tín hiệu mức U1 và U2’

 Chỉ có thể thực hiện đồng bộ pha cho U1 và U2’

 Đòi hỏi bộ lọc cần xử lí tín hiệu đầu vào khá phức tạp

 Dải “tracking” của bộ DPLL loại này là khi sai lệch pha nằm trong khoảng

 JK- flipflop phase detector

Hình 3-36 Sơ đồ nguyên lí của JK-FlipFlop Phase Detector

 Không yêu cầu về tính đối xứng của tín hiệu vào

 Làm việc với sườn của các tín hiệu vào

 Chỉ có thể thực hiện đồng bộ pha cho U1 và U2’

Trang 37

 Đòi hỏi bộ lọc cần xử lí tín hiệu đầu vào khá phức tạp

 Dải “tracking” của bộ DPLL loại này là khi sai lệch pha nằm trong khoảng

e

   

 Phase frequency detector

Trong phạm vi đồ án, sẽ sử dụng loại PD này nên ta sẽ trình bày chi tiết đặc điểm của nó

Trang 38

Tại các sườn dương của tín hiệu vào, trạng thái ra của PFD sẽ thay đổi

Sườn dương của U1 sẽ làm đầu ra của PFD chuyển lên trạng thái cao hơn hoặckhông thay đổi trạng thái nếu nó đang ở trạng thái +1

Sườn dương của U2 sẽ làm đầu ra của PFD chuyển xuống trạng thái thấp hơn hoặckhông thay đổi trạng thái nếu nó đang ở trạng thái -1

 Khi 12

Dưới đây là minh họa cho 3 trường hợp hoạt động điển hình của PFD:

Tín hiệu ra của PFD là Ud , giá trị trung bình của nó là Ud

 Trường hợp 1: Khi hai tín hiệu cùng pha ( e 0):

Khi hai tín hiệu giống hệt về pha, tại cùng 1 thời điểm cả hai đầu vào sẽ có sườndương, tín hiệu ra của PFD sẽ giữ nguyên mãi mãi (giả sử rằng ban đầu, đầu ra của PFD

là 0) nên Ud=0

Hình 3-39 Đầu ra của PFD khi 12 và  e 0

 Trường hợp 2: Khi U 1 sớm pha hơn U 2 ( e 0):

Trường hợp này U1 sẽ có sườn lên trước U2, như vậy đầu ra sẽ chuyển giữa 2 trạngthái 0 và +1 nên Ud 0

Trang 39

Hình 3-40 Đầu ra của PFD khi 12 và e0

 Trường hợp 3: Khi U 1 trễ pha hơn U 2 (e  0):

Trường hợp này U1 sẽ có sườn lên sau U2, như vậy đầu ra sẽ chuyển giữa 2 trạngthái 0 và -1 nên Ud 0

Hình 3-41 Đầu ra của PFD khi 1 2 và  e 0

 Khi 12 thì U1 sẽ tạo nhiều sườn lên hơn Theo sơ đồ chuyển trạng thái của PFD ta

sẽ thấy Ud chỉ chuyển trạng thái giữa 0 và +1 nên Ud 0

 Tương tự khi12 thì U1 sẽ tạo ít sườn lên hơn Theo sơ đồ chuyển trạng thái của PFD ta sẽ thấy Ud chỉ chuyển trạng thái giữa 0 và -1 nên Ud 0

Như vậy, trạng thái của đầu ra PFD phụ thuộc không chỉ vào sai lệch pha khi đồng

bộ tần số mà còn phụ thuộc vào sai lệch tần số Chính khả năng phát hiện sai lệch cả pha

và tần số của hai tín hiệu nên nó mới có tên là PFD

Trang 40

Tiêu đề	Nghiên cứu phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện
Tác giả	Nguyễn Văn Huynh
Người hướng dẫn	TS. Đỗ Mạnh Cường
Trường học	Học viện Kỹ thuật Quân sự
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	81
Dung lượng	4,04 MB