Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha 1 mã lực sử dụng công nghệ chế tạo chíp chuyên dụng PSoC

điều khiển một yêu cầu cần đáp ứng trong thời gian ngắn thì mômen động cơ sẽ được duy trì ở giá trị cao nhất và hệ thống tải của động cơ sẽ được thiết kế với quán tính chậm nhất có thể..

§¹i häc quèc gia Hµ néi

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 5

KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 5

1.1 Mở đầu 5

1.2 Cấu trúc cơ sở và nguyên lý hoạt động 5

1.2.1 Stator 5

1.2.2 Rotor 5

1.2.3 Tốc độ của động cơ xoay chiều 6

1.3 Các loại động cơ cảm ứng 7

1.3.1 Động cơ xoay chiều 1 pha 7

1.3.2 Động cơ xoay chiều 3 pha 8

1.3.2.1 Động cơ lồng sóc 8

1.3.2.2 Động cơ Rotor dây cuộn 8

1.3.2.3 Phương trình cơ bản về mômen của động cơ 9

1.3.2.4 Các đặc tính của động cơ 10

1.4 Điều khiển động cơ 14

1.4.1 Sự cần thiết phải điều khiển tốc độ 14

1.4.2 Điều khiển tốc độ bằng thay đổi tần số (Variable Frequency Driver) 14

1.4.3 Các phương pháp điều khiển động cơ cảm ứng 17

1.4.3.1 Điều khiển vô hướng 18

1.4.3.2 Điều khiển vectơ 18

1.4.3.3 Điều khiển trực tiếp mômen DTC 19

CHƯƠNG 2 21

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHÍP CHUYÊN DỤNG PSoC 21

2.1 Giới thiệu 21

2.2 Các yêu cầu cần thiết để thiết kế chip chuyên dụng PSoC 21

2.3 Chíp PSoC CY8C29x66 22

2.3.1 Chức năng 22

2.3.2 Sơ lược chức năng của PSoC 24

2.4 Ngôn ngữ lập trình cho PSoC 29

CHƯƠNG 3 31

PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3 PHA 31

3.1 Yêu cầu bài toán và phương pháp chọn lựa 31

3.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống của bộ điều khiển động cơ 3 pha 35

3.3 Chức năng hoạt động của các thành phần 37

3.3.1 Bộ tạo nguồn ổn định PFC và nguồn cách ly 37

3.3.2 Bộ điều khiển giao diện 39

3.3.3 Bộ điều khiển trung tâm 41

3.3.4 Khối công suất 42

CHƯƠNG 4 47

THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3 PHA 1 MÃ LỰC 47

4.1 Xây dựng phần cứng cho hệ thống 47

4.1.1 Phần điều khiển giao diện 47

4.1.2 Phần điều khiển trung tâm 54

4.1.3 Phần phối hợp với môđun công suất 58

4.1.4 Phần nguồn của hệ thống 63

4.2 Thiết kế phần mềm 73

4.2.1 Thuật toán điều khiển chính 73

4.2.2 Thuật toán chương trình con 74

4.2.3 Thuật toán chương trình con xử lý ngắt 77

4.3 Chế tạo thử nghiệm các môđun 81

4.3.1 Môđun nguồn 81

4.3.2 Môđun điều khiển 85

4.3.3 Kết quả thử nghiệm 87

KẾT LUẬN 89

CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

1 AC Điện áp xoay chiều

2 ADC Bộ chuyển đổi từ tương tư sang số

3 DC Điện áp một chiều

4 DAC Bộ chuyển đổi số sang tương tự

5 RPM Số vòng quay trên phút

6 KE Năng lượng động lực học

7 LRT Mô men khoá Rotor

8 LRC Dòng điện khoá Rotor

9 IC Chíp tích hợp

10 VFD Bộ điều khiển thay đổi tần số

11 DTC Điều khiển mômen trực tiếp

12 PWM Bộ điều xung

13 UART Khối truyền tin nối tiếp không đồng bộ

14 IDE Phần mềm phát triển cho PSoC

15 ICE In Circuit Emulator PSoC

16 PSoC Chíp có khả năng lập trình hệ thống

17 M8C Lõi vi điều khiển 8 bit M8C

18 CRC Bộ kiểm tra lỗi

19 SPI Truyền thông nối tiếp chuẩn SPI

20 GPIO Các chân vào ra

21 MCU Vi điều khiển

22 CPU Vi xử lý

23 WDT Bộ định thời Watchdog

24 IMO Bộ dao động tốc độ cao được tích hợp bên trong chíp

25 ILO Bộ dao động tốc độ thấp được tích hợp bên trong chíp

32 POR Khởi động lại nguồn nuôi

33 QEI Mã hoá đĩa quang

MỞ ĐẦU

Trong vòng 2 thập kỷ qua, điều khiển động cơ xoay chiều (AC Motor) đã đạt được những tiến bộ vượt bậc nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển

Các máy điện 3 pha đang được ứng dụng hầu hết trong các nhà máy, xí nghiệp cũng như trong cuộc sống hàng ngày Vấn đề đặt ra là làm sao ta có thể điều khiển tốc

độ của động cơ dễ dàng theo yêu cầu của người sử dụng Công nghệ chế tạo chip PSoC (Programmable System on Chip) cho phép ta phát triển các chíp vi điều khiển chuyên dụng cho các thiết bị đo và điều khiển Do vậy thiết bị có tính cạnh tranh và bảo mật cao Mục đích của đề tài là phát triển một chíp chuyên dụng cho điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha Trên cơ sở chíp này, đề tài thử nghiệm xây dựng một

bộ điều khiển tốc độ của động cơ không đồng bộ 3 pha 1 mã lực với thuật điều khiển

tỷ lệ V/f

Đề tài sẽ giải quyết một số vấn đề sau:

 Tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha, bộ biến tần điều khiển động cơ xoay chiều và công nghệ tạo chíp PSoC

 Thiết kế tạo chíp chuyên dụng cho điều khiển động cơ AC 3 pha trên cơ sở công nghệ PSoC

 Thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển cho động cơ không đồng bộ 3 pha 1 mã lực sử dụng chíp chuyên dụng điều khiển động cơ

Đề tài gồm 4 chương, trong đó:

Chương 1: Khái quát về động cơ không đồng bộ Chương này mô tả một cách khái quát nhất về các động cơ xoay chiều 1 pha và 3 pha và những được tính cơ bản của nó

Chương 2: Công nghệ chế tạo chíp chuyên dung PsoC Trong chương này, người đọc có thể hình dung một cách khái quát nhất về cách tạo ra các chip chuyên dụng, các tài liệu cũng như các bước tiến hành thực hiện tạo ra chip chuyên dụng

Chương 3: Phân tích và thiết kế hệ thống biên tần điều khiển động cơ Chương này nêu ra yêu cầu của bài toán và phương án thiết kế hệ thống

Chương 4: Thiết kế chi tiết và chế tạo thử nghiệm biến tần điều khiển động cơ 3 pha 1 mã lực

Do điều kiện thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế, đề tài còn rất nhiều thiếu sót Tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cám ơn!

Học viên

Lê Hùng Linh

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Động cơ điện cảm ứng xoay chiều là loại động cơ được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp và trong các máy gia dụng Thiết kế đơn giản, có sẵn trên thị trường, giá thành thấp, ít cần bảo dưỡng và có thể kết nối thẳng tới nguồn xoay chiều

AC là các ưu điểm của động cơ 3 pha Tuy nhiên muốn điều khiển tốc độ cũng như mômen quay của loại động cơ xoay chiều phải hiểu rõ về cấu trúc và các đặc tính của loại động cơ này

1.2 Cấu trúc cơ sở và nguyên lý hoạt động

Các động cơ AC đều gồm 2 phần: Stator là phần cố định ở phía ngoài Rotor là phần quay tròn nằm phía trong Giữa hai phần này có khe cách Tất cả các động cơ xoay chiều 3 pha sử dụng từ trường quay để quay Rotor của chúng Từ trường quay này được tạo ra do dòng điện xoay chiều chạy trong các cuộn dây của Stator

1.2.1 Stator

Stator được làm từ một số khung nhôm hoặc sắt mỏng Chúng được ép chặt lại với nhau để tạo thành một hình trụ rỗng (lõi của Stator) như ở hình 1.1 Các cuộn dây được cách ly với nhau và được lồng vào các khe đó Mỗi một nhóm các cuộn sẽ bao quanh một lõi, tạo thành một nam châm điện khi được cung cấp nguồn điện AC Số cực của động cơ phụ thuộc vào cách thức cuộn của Stator Các cuộn Stator được kết nối tới nguồn điện Bên trong Stator được nối như hình 1.1, khi cung cấp nguồn thì sẽ tạo ra từ trường xoay

1.2.2 Rotor

Rotor có cấu tạo đơn giản và khoẻ Rotor bao gồm một lõi hình trụ với các khe song song để dẫn điện Mỗi khe có một thanh đồng, nhôm hoặc hợp kim Các thanh

Hình 1.1: Một loại Stator

Rotor được cố định đoản mạch ở 2 đầu, được mô tả ở hình 1.2 Các khe của Rotor không nhất thiết phải song song với trục

Để cho động cơ chạy ổn định trong từ trường xoay, Rotor được gắn lên một trục Giữa phần Stator và Rotor được cách ly bằng khe hở không khí để truyền dẫn đường cảm ứng làm cho năng lượng được truyền từ Stator đến Rotor Chính điều đó đã tạo ra lực xoắn cho Rotor, làm cho Rotor quay

1.2.3 Tốc độ của động cơ xoay chiều

Từ trường tạo ra trong Stator là từ trường xoáy ở một tốc độ không đổi (N S)

Từ trường được tạo ra trong Rotor do dòng điện cảm ứng Để cân bằng với từ trường quay, Rotor bắt đầu chạy theo sự thay đổi liên tục của từ trường quay Stator và

sẽ dần bắt kịp tới tốc độ thay đổi đó Tuy nhiên, trong thực tiễn, Rotor không bao giờ bắt kịp được từ trường của Stator Rotor chạy chậm hơn tốc độ thay đổi của từ trường trong Stator Tốc độ này gọi là tốc độ cơ sở (Nb )

Sự khác nhau giữa NS và Nb gọi là hệ số trượt Hệ số trượt sẽ thay đổi theo tải của nó Nếu tải được tăng lên thì Rotor sẽ quay chậm hơn hay nói cách khác là hệ số trượt tăng lên và ngược lại Hệ số trượt được tính theo tỉ lệ phần trăm và có thể tính theo công thức sau:

Hình 1.2: Rotor lồng sóc

N N slip 

o Động cơ xoay chiều 1 pha

o Động cơ xoay chiều 3 pha

1.3.1 Động cơ xoay chiều 1 pha

Hiện nay, động cơ xoay chiều 1 pha được sử dụng nhiều nhất vì giá thành của

nó không đắt và ít phải bảo dưỡng Loại động cơ này chỉ có một cuộn dây và hoạt động với nguồn điện 1 pha Động cơ xoay chiều 1 pha không tự nó khởi động được Khi động cơ được nối với nguồn điện 1 pha, cuộn dây chính sẽ mang một dòng điện xoay chiều Dòng điện này sẽ làm cho từ trường thay đổi Nhờ sự cảm ứng, Rotor được tác động mạnh Tuy từ trường được thay đổi, nhưng mômen rất cần thiết cho sự quay của động cơ thì lại không được tạo ra Vì vậy, động cơ xoay chiều 1 pha phải có khối khởi động để kích hoạt cho động cơ quay

Phần khởi động của động cơ xoay chiều 1 pha được lắp thêm một cuộn dây trên Stator (cuộn dây khởi động hay cuộn dây hỗ trợ) được trình bày trên hình 1.3 Cuộn dây khởi động có thể có một dãy các tụ và/hoặc một công tắc li tâm Khi cung cấp nguồn, dòng điện trong cuộn dây chính chậm pha hơn nguồn cung cấp do trở kháng của cuộn dây chính Cùng thời điểm đó, dòng điện trong cuộn dây khởi động được cấp nguồn phụ thuộc vào trở kháng phần khởi động Sự tương tác giữa hai từ trường (từ trường của cuộn dây chính và từ trường của phần khởi động) sẽ tạo ra từ trường tổng hợp quay theo một hướng Động cơ bắt đầu quay theo hướng của từ trường tổng hợp

Hình 1.3 Động cơ 1 pha có và không có phần khởi động

Khi động cơ đạt được 75% tốc độ của nó, công tắc trung tâm sẽ không kết nối với cuộn khởi động Lúc này, động cơ xoay chiều một pha có thể duy trì mômen để cho nó tự hoạt động

Các động cơ xoay chiều một pha chỉ được sử dụng với công suất đến khoảng 3/4 ma lực (hp) trừ một số trường hợp đặc biệt

Động cơ xoay chiều một pha được phân loại như sau:

o Động cơ xoay chiều pha phụ

o Động cơ xoay chiều khởi động bằng tụ

o Động cơ xoay chiều tụ điện phụ cố định

o Động cơ xoay chiều khởi động bằng tụ và có tụ hoạt động

o Động cơ xoay chiều cực ẩn (pole-shaded)

1.3.2 Động cơ xoay chiều 3 pha

Động cơ xoay chiều 3 pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và các ứng dụng trong thương mại Các động cơ này có thể khởi động được mà không cần sử dụng tụ, cuộn khởi động, công tắc trung tâm hoặc một thiết bị khởi động khác

Công suất và hiệu quả các động cơ này trong dải từ trung bình đến cao so với các động cơ 1 pha cùng loại Ứng dụng phổ biến của chúng là cho máy sát, máy nghiền, máy khoan, máy bơm, máy nén, băng tải, thiết bị in ấn, thiết bị cho nông nghiệp, điện lạnh và một số ứng dụng máy công suất khác

Động cơ xoay chiều 3 pha gồm 2 loại: Động cơ lồng sóc và động cơ Rotor dây cuộn

1.3.2.1 Động cơ lồng sóc

Có khoảng 90% động cơ 3 pha thuộc loại động cơ lồng sóc Công suất của nó

từ 1 đến vài trăm mã lực cho động cơ 3 pha Động cơ lồng sóc loại 1 mã lực hoặc lớn hơn, giá thành thấp và có thể bắt đầu làm việc với tải lớn hơn động cơ 1 pha tương tự

1.3.2.2 Động cơ Rotor dây cuộn

Động cơ vòng trượt hoặc động cơ dây cuốn là một biến thể của động cơ lồng sóc Trong đó, Stator giống với động cơ lồng sóc; các cuộn dây đặt trên Rotor và không ngắn mạch, nhưng phần cuối của nó được nối tới một vòng trượt (xem hình 1.4)

Vòng trượt sẽ tạo ra mômen tỉ lệ với trở kháng của Rotor Trở kháng Rotor được tăng thêm bằng cách cho thêm trở kháng bên ngoài thông qua vòng trượt Động

tốc độ cơ sở thì điện trở bên ngoài được tách khỏi Rotor Tại thời điểm đó, động cơ làm việc như là một động cơ cảm ứng chuẩn

1.3.2.3 Phương trình cơ bản về mômen của động cơ [12]

Mômen của động cơ có thể được mô tả bằng phương trình

Phương trình 3

dt

dJ dt

d J T

l   



T: là giá trị tức thời của mômen động cơ (N-m)

Tl: là giá trị tức thời của mômen tải

m: vận tốc góc tức thời của trục động cơ (rad/sec) J: mômen quán tính của hệ thống tải động cơ (kg-m2

Phương trình này mô tả quan hệ giữa mômen của động cơ với mômen tải T l và

mômen động lực học J(dm /dt) Thành phần mômen J(dm /dt), được gọi là mômen

động lực học bởi vì nó tồn tại trong thời gian tăng tốc hoặc giảm tốc của động cơ Việc điều khiển tăng tốc hay giảm tốc phụ thuộc vào giá trị của T so với Tl Khi tăng tốc,

động cơ sẽ cung cấp không chỉ cho mômen tải, mà thêm thành phần mômen J(dm /dt),

nhằm khắc phục sức ì của mômen quán tính Khi mômen quán tính lớn (như tầu điện), mômen động cơ phải vượt quá mômen tải để có thể duy trì được chuyển động Nếu ta

Hình 1.4 Động cơ Rotor cuộn dây

điều khiển một yêu cầu cần đáp ứng trong thời gian ngắn thì mômen động cơ sẽ được duy trì ở giá trị cao nhất và hệ thống tải của động cơ sẽ được thiết kế với quán tính

chậm nhất có thể Năng lượng kết hợp với mômen động lực học J(dm /dt) được tích

trữ trong dạng năng lượng động lực học KE là J(dm

2

/2) Khi giảm tốc độ, mômen

động lực học mang dấu âm Vì vậy, nó giúp cho động cơ đảm bảo mômen T và duy trì bằng năng lượng được tích từ năng lượng động lực học

Tóm lại, để động cơ hoạt động ổn định, thì mômen tạo ra từ động cơ T sẽ luôn bằng mômen đòi hỏi của tải Tl

1.3.2.4 Các đặc tính của động cơ [12]

Đặc tính khởi động

Nếu đấu các động cơ cảm ứng với nguồn điện thì sẽ sinh ra một dòng điện rất lớn có thể hiểu như “dòng điện khoá Rotor” Chúng sẽ tạo ra mômen có thể hiểu như “ mômen khoá Rotor” Mômen khoá Rotor (LRT) và dòng điện khoá Rotor (LRC) là một hàm của điện áp của động cơ và cấu trúc động cơ

Với một điện áp không đổi, dòng điện khởi động của động cơ sẽ giảm rất chậm khi động cơ tăng tốc và sẽ bắt đầu giảm xuống đáng kể khi động cơ đạt đến dưới 80% tốc độ Dòng khởi động LRC của động cơ có thể có giá trị từ 500% đến 1400% (so với dòng tải FLC) Với các động cơ tốt, dải dòng điện giảm xuống từ 550% đến 750% (so với FLC)

Hình 1.5 Đường biểu diễn mômen-tốc độ của động cơ 3 pha

Với điện áp không đổi, mômen khởi động của động cơ cảm ứng sẽ giảm một lượng nhỏ (so với mômen nhỏ nhất của nó) dẫn đến động cơ chạy nhanh hơn Tại gần tốc độ đầy đủ, mômen sẽ tăng lên đến giá trị lớn nhất Sau đó mômen giảm xuống 0 tại tốc độ đồng bộ

Tại thời điểm khởi động, hệ số cosφ (PF) của động cơ khoảng 0.1- 0.25 Khi động cơ tăng nhanh dần, PF tăng đến giá trị cực đại Khi tốc độ động cơ đạt đến giá trị đầy đủ, PF sẽ giảm xuống lần nữa

Đặc tính khi hoạt động

Một động cơ hoạt động ở tốc độ cao nhất sẽ có hệ số trượt nhỏ nhất Tốc độ đó được xác định bằng số cực của Stator Khi chạy với tải đầy đủ, hệ số trượt của động cơ lồng sóc sẽ nhỏ hơn 5% Trên thực tế, hệ số trượt đối với mỗi một động cơ phụ thuộc vào việc thiết kế động cơ Ví dụ: Do thiết kế khác nhau nên tốc độ của các động cơ 4 cực trong khoảng 1420 và 1480 RPM tại tần số 50 Hz, trong khi tốc độ đồng bộ (tính toán theo lý thuyết) là 1500 RPM tại tần số 50 Hz

Dòng điện trong động cơ giảm là do hai thành phần: thành phần phản ứng lại (dòng điện từ hoá) và thành phần hoạt động (dòng điện hoạt động) Dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào tải nhưng phụ thuộc vào việc thiết kế của Stator và điện áp trên Stator So với dòng tải FLC, dòng điện từ hoá thực tế của động cơ có thể thay đổi từ 20% (với động cơ lớn hơn 2 cực) đến 60% (với động cơ ít hơn 8 cực) Dòng điện hoạt động của động cơ tỉ lệ với tải

Khuynh hướng của các máy lớn và các máy tốc độ cao là có một dòng điện từ hoá thấp Ngược lại, xu hướng của các máy nhỏ và tốc độ thấp là có dòng điện từ hoá cao Một loại máy trung bình cỡ 4 cực có dòng điện từ hoá khoảng 33% của FLC

Một dòng điện từ hoá thấp cho biết sắt từ có sự mất mát thấp Ngược lại dòng điện từ hoá cao cho biết sự mất mát trong sắt từ cao và kết quả là giảm hiệu xuất làm việc

Hiệu suất làm việc của động cơ cao nhất ở 3/4 tải Ngoài khoảng đó, hiệu suất giảm xuống còn khoảng nhỏ hơn 60% (đối với động cơ nhỏ và tốc độ thấp) và lớn hơn 92% (đối với động cơ lớn và tốc độ cao) Công suất và hiệu suất được trình bày trong phần mô tả chi tiết của động cơ

Đặc tính tải

Trong ứng dụng thực tế, các loại biến đổi của tải tồn tại với các đường biểu diễn tốc độ quay khác nhau Ví dụ, mômen không thay theo đổi, tải thay đổi tốc độ (ở máy nén khí, băng tải); mômen thay đổi, tải thay đổi theo tốc độ (ở quạt, máy bơm); công

suất tải không đổi (ở điều khiển lực kéo); công suất không đổi, mômen cho tải không đổi

Khi mômen của động cơ cân bằng với mômen mà tải yêu cầu, động cơ sẽ hoạt động trong trạng thái ổn định tại một tốc độ không đổi Căn cứ vào sự đáp ứng của động cơ, chúng ta sẽ đánh giá sự lựa chọn động cơ đối với việc điều khiển một tải cụ thể

Đặc tính mômen không đổi, tốc độ tải có thể thay đổi

Lúc này mômen đòi hỏi loại tải là hằng số không phụ thuộc vào tốc độ Công suất là tỷ lệ tuyến tính với tốc độ Đặc tính của loại này được thể hiện như sau:

Đặc tính tải này thường thấy ở các máy nén khí, băng tải

Đặc tính mômen thay đổi, tốc độ thay đổi

Mômen tỷ lệ với bình phương của tốc độ, trong khi công suất tỷ lệ với bậc 3 của tốc độ Đặc tính này thường thấy ở quạt hoặc máy bơm nước được biểu diễn như hình 1.7

Công suất tải không đổi

Trường hợp này rất ít thấy trong công nghiệp Công suất là không đổi trong khi

Hình 1.6 Mômen không đổi, tốc độ tải thay đổi

Hình 1.7 Mômen thay đổi, tốc độ thay đổi

tại tốc độ bằng 0 và ngược lại Trong thực tế, các thông số này luôn là một giá trị hữu hạn Loại tải này có đặc tính cho việc điều khiển lực kéo, yêu cầu mômen cao tại tốc

độ thấp và mômen giảm nhanh khi ở tốc độ tăng lên

Công suất và mômen tải không đổi

Trường hợp này rất thông dụng trong công nghiệp giấy Trong loại tải này, khi mômen không đổi, công suất tăng tuyến tính Khi mômen bắt đầu giảm, công suất

không đổi

Đặc tính mômen khởi động cao

Đây là loại tải có đặc tính có mômem rất cao tại tần số tương đối thấy Thường thấy ở máy đúc ép và máy bơm chân vịt

Hình 1.8 Công suất tải không đổi

Hình 1.9 Công suất không đổi, mômen tải không đổi

Hình 1.10 Mômen khởi động cao

1.4 Điều khiển động cơ

1.4.1 Sự cần thiết phải điều khiển tốc độ

Vì động cơ không đồng bộ 3 pha có đặc tính phi tuyến nên có nhiều cách điều khiển khác nhau

Trước kia các động cơ được thiết kế để điều khiển cho một tải cụ thể có hiệu suất không cao vì một phần đáng kể công suất lối vào làm việc vô ích Phần lớn thời gian mômen của động cơ tạo ra là nhiều hơn khoảng thời gian mômen tải yêu cầu

Đối với động cơ cảm ứng, miền trạng thái ổn định được giới hạn từ 80% của vận tốc đến 100% tại tần số nguồn không đổi và số cực không đổi

Khi một động cơ cảm ứng khởi động, nó tiêu thụ dòng điện rất lớn dẫn đến sụt giảm điện áp trên đường dây và tổn hao nhiệt trong Rotor Điện áp sụt trên đường dây nguồn còn có thể ảnh hưởng đến một số thiết bị khác nối với nguồn này

Khi động cơ hoạt động với tải nhỏ nhất, dòng kéo của động cơ là dòng từ hoá

và hoàn toàn chỉ là cảm ứng Kết quả, PF là rất thấp, khoảng 0,1 Khi tải tăng lên, dòng điện cung cấp cho động cơ cũng tăng lên Dòng từ hoá hầu như không đổi trong toàn bộ dải hoạt động, từ không có tải đến có tải đầy đủ Tuy nhiên, với việc tăng tải,

PF sẽ ổn định

Khi động cơ hoạt động với một PF thấp, dòng động cơ không là hình sin làm suy hao chất lượng công suất của đường dây nguồn nuôi và có thể ảnh hưởng đến sự vận hành của các thiết bị khác nối với nguồn này

Khi nguồn cung cấp có hệ số PF nhỏ, dòng kéo của động cơ lớn, sự mất mát trong Rotor sẽ cao làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của động cơ Với vận tốc cao, tần số mômen dao động lớn có thể được lọc bởi trở kháng của động cơ Nhưng với vận tốc chậm, mômen dao động dẫn đến sự dao động vận tốc của động cơ Kết quả là sự chuyển động bị trục trặc và ảnh hưởng tuổi thọ của động cơ

Do vậy, ta cần có bộ điều khiển thông minh cho động cơ để hạn chế được các nhược điểm nêu trên

1.4.2 Điều khiển tốc độ bằng thay đổi tần số (Variable Frequency Driver)

VFD là một hệ thống gồm các thiết bị điện tử công suất (IGBT, MOSFET,…), khối xử lý điều khiển tốc độ (như PIC18, PSoC…) và một số cảm biến

Một VFD thông minh cho động cơ 3 pha được trình bày ở hình 1.11

Chức năng cơ bản của VFD là một bộ biến tần để điều khiển tốc độ của động

cơ Bộ chỉnh lưu và bộ lọc để chuyển đổi điện áp xoay chiều sang một chiều Bộ nghịch lưu với sự điều khiển của PSoC sẽ cung cấp dòng xoay chiều vào động cơ 3 pha, với tần số AC có thể thay đổi Bộ điều khiển còn có thể thêm một số chức năng khác như đo điện áp nguồn nuôi 1 chiều, bảo vệ dòng điện quá tải, điều khiển chính xác tốc độ, điều khiển nhiệt độ, dễ dàng cài đặt, hiển thị, ghép nối với máy tính cho việc kiểm tra thời gian thực, hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) Một bộ vi điều khiển

có nhiều chức năng có thể tích hợp tất cả các chức năng cần thiết vào một chíp làm cho nó có lợi thế như là: độ tin cậy, điều khiển chính xác, tiết kiệm không gian, tiết kiệm tiền và một số lợi thế khác

Tốc độ cơ sở của động cơ tỷ lệ với tần số của nguồn cung cấp và nghịch đảo với

số cực trên Stator Vì vậy, khi thay đổi tần số của nguồn nuôi thì tốc độ của động cơ cũng bị thay đổi Nhưng khi tần số của nguồn nuôi bị giảm xuống, tương đương với trở kháng của mạch điện bị giảm Kết quả là dòng điện kéo cao hơn Nếu điện áp nguồn nuôi không đổi thì từ trường có thể đạt một mức bão hoà Do vậy để giữ sự thay đổi của từ trường trong phạm vi dải làm việc thì cả nguồn nuôi và tần số được thay đổi theo một tỷ lệ không đổi Do mômen cung cấp bởi động cơ tỷ lệ với từ thông trong khe khí hở, mômen sẽ không đổi trong suốt dải hoạt động

Trong hình 1.12, điện áp và tần số được thay đổi theo một tỷ lệ không đổi với tốc độ Từ thông và mômen hầu như không thay đổi từ tốc độ thấp nhất đến tốc độ cơ

sở Đạt đến tốc độ cơ sở, điện áp cung cấp không thể tăng Nếu tăng tần số ở ngoài tốc

độ cơ sở thì từ thông bị suy yếu và mômen giảm

Hình 1.11 Một VFD điển hình

Bằng việc chọn lựa tỉ số V/f phù hợp cho mỗi động cơ, dòng điện khởi động có thể giữ ổn định Điều này tránh một số sự sụt giảm trong nguồn nuôi, cũng như sự nóng lên của động cơ VFD cung cấp mạch bảo vệ quá dòng Đây là chức năng rất có ích trong việc điều khiển động cơ với quán tính cao

Mạch bù cosφ PFC cho một điện áp lối vào của VFD giúp để duy trì hệ số PF cao Do sự kết hợp chặt chẽ bộ lọc nên nhiễu dòng từ VFD tới đường dây có thể được triệt tiêu Mặt khác VFD nằm giữa nguồn cung cấp và động cơ, một số nhiễu (giảm hoặc tăng) trên nguồn cung cấp không ảnh hưởng tới động cơ

Với sự sử dụng các loại cảm biến khác nhau, VFD trở nên hoạt động thông minh hơn Với thông tin phản hồi, VFD sẽ dịch đường mômen - tốc độ của động cơ phù hợp với tải và trạng thái lối vào làm tăng hiệu quả làm việc

Với VFD, động cơ có thể dễ dàng đảo chiều (tiến thẳng và phanh, đảo chiều và phanh) Do đó, ta có thể loại bỏ phanh cơ khí và tăng hiệu quả của năng lượng động lực (KE) của động cơ Tuy nhiên, trong một số ứng dụng như máy tời và máy nâng, phanh cơ khí vẫn được giữ để dự phòng trong trường hợp phanh điện hỏng

Bộ lọc DC liên kết với tụ phải đủ lớn, vì khi phanh điện áp DC được nâng lên Điều này có thể dẫn đến tụ điện bị đánh hỏng

Một VFD đơn giản có khả năng điều khiển nhiều loại động cơ khác nhau Với một công suất xác định, việc điều khiển được cung cấp bởi VFD phụ thuộc vào thuật toán bên trong nó Trong điều kiện công nghệ luôn luôn phát triển, giá thành của linh kiện bán dẫn luôn có khuynh hướng giảm xuống, người sử dụng có thể có một VFD thông minh với giá không đắt dẫn đến vốn đầu tư có thể thu hồi trong 1 đến 2 năm

Hình 1.12 Đường biểu diễn điện áp/ tần số V/f

Khả năng tiết kiệm năng lượng của VFD

Máy bơm ly tâm là trường hợp kinh điển về việc sử dụng VFD có hiệu quả năng lượng và giá thành thấp Máy bơm ly tâm cho phép các luật quan hệ, mô tả như hình 1.13

Trong trường hợp đơn giản, lưu lượng nước, áp suất và công suất tỷ lệ với tốc

độ, bình phương tốc độ và luỹ thừa 3 của tốc độ Trong điều kiện cân bằng toán học, chúng ta có thể hình dung như sau:

Phương trình 5:

3

1 2 1

2 2

1 2 1

2 1

2 1

2

_

_

;_

_

;_

do Toc suat

Cong

suat Cong do

Toc

do Toc suat

Ap

suat Ap do Toc

do Toc luong

Luu

luong Luu

Chú ý: Ký hiệu (1) và (2) biểu diễn 2 điểm làm việc khác nhau

VFD có thể điều khiển tốc độ của máy bơm để đạt được lưu lượng yêu cầu Xử

lý ở đây giống như thay thế máy bơm hiện tại với một máy bơm mới có các đặc tính thay đổi Giảm tốc độ đồng nghĩa với giảm áp suất đỉnh và giảm công suất tiêu thụ

1.4.3 Các phương pháp điều khiển động cơ cảm ứng

Có 3 loại điều khiển tốc độ động cơ được thực hiện bởi VFD

 Điều khiển vô hướng (điều khiển V/f)

 Điều khiển vectơ (điều khiển mômen gián tiếp)

 Điều khiển mômen trực tiếp (DTC)

Hình 1.13 Đặc tính của máy bơm ly tâm

1.4.3.1 Điều khiển vô hướng

Với loại điều khiển này, động cơ được nuôi với một tần số tín hiệu có thể thay đổi tạo ra bằng bộ điều khiển PWM của vi điều khiển Tại đây, tỷ số V/f là không đổi

để tạo ra một mômen không đổi trong dải hoạt động Độ lớn của việc thay đổi tần số

và điện áp được điều khiển có tỷ lệ không đổi gọi là bộ điều khiển vô hướng Thông thường, bộ điều khiển này không có thiết bị phản hồi (điều khiển mạch hở) nên giá thành thấp và dễ dàng thực hiện Trong bộ điều khiển V/f, rất ít thông số của động cơ cần cho thuật điều khiển Vì vậy, cách điều khiển này được sử dụng rộng rãi

Nhược điểm của phương pháp V/f là: Khi mômen phụ thuộc vào tải nó không kiểm soát được Trong trường hợp động cơ kẹt mà vẫn tiếp tục điều khiển để Rotor quay thì sẽ làm cho dây dẫn nóng lên trong động cơ Những nhược điểm này có thể được khắc phục nếu có thêm cảm biến tốc độ Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng giá thành, kích thước và độ phức tạp của hệ thống

Trong điều khiển vô hướng, có một số cách tạo tín hiệu điều khiển là:

Điều khiển độ rộng xung PWM hình sin

Trong một số giải pháp, trị số trọng hình sin được đặt trong bảng hình sin Số lượng phần tử trong bảng hình sin chính là số mẫu của một chu kỳ sin Ưu điểm của kỹ thuật này là việc tính toán nhanh Chỉ cần một bảng tìm kiếm giá trị của hình sin, ta có thể có tất cả các pha của động cơ là trễ nhau 120o

PWM sáu bước

Bộ chuyển đổi điện của VFD có 6 công tắc trạng thái riêng biệt Khi nó được đóng/ngắt theo một chế độ phù hợp, động cơ 3 pha AC có thể quay Ưu điểm của phương pháp này là không yêu cầu tính toán trung gian, nên dễ dàng sử dụng Nhược điểm là hài bậc thấp nhiều hơn và không thể lọc được bằng cuộn cảm động cơ Điều này có nghĩa là sự mất mát trong động cơ cao, sự gợn mômen cao và động cơ sẽ bị giật nếu hoạt động với tốc độ thấp

1.4.3.2 Điều khiển vectơ

Phương pháp điều khiển này được gọi là “điều khiển hướng từ thông”, “điều khiển hướng luồng” hoặc “điều khiển mômen gián tiếp” Sử dụng biến đổi Clarke – Park, các vectơ 3 pha được biến đổi sang toạ độ tham chiếu 2 hướng quay (d-q) từ toạ

độ 3 chiều tĩnh Thành phần d đại diện cho thành phần tạo từ thông của Stator và thành phần q đại diện cho thành phần tạo mômen Các thành phần tách riêng này có thể được điều khiển một cách độc lập bằng việc đưa qua các bộ điều khiển PI Đầu ra của bộ điều khiển PI được biến đổi trở lại toạ độ tham chiếu tĩnh 3 chiều sử dụng biến đổi đảo

khiển này mô phỏng một mô hình động cơ DC lối ra tách biệt nhau, cung cấp cho ta một đường cong biểu diễn tốc độ mômen chất lượng cao

Điều khiển vectơ được chia làm hai kiểu: Điều khiển vectơ trực tiếp và điều khiển vectơ gián tiếp

Điều khiển vectơ trực tiếp: Trong phương pháp này, từ thông được đo trực tiếp bằng cảm biến từ thông hoặc cảm biến Hall Do phải thêm phần cứng và một số thành phần khác, dẫn đến giá thành cao

Một phương pháp thông dụng hơn là điều khiển vectơ gián tiếp Trong phương pháp này, từ thông không được đo trực tiếp, nhưng được ước lượng từ mạch tương đương từ phép đo tốc độ quay của Rotor, dòng Stator và điện áp

Một kỹ thuật thông dụng để ước lượng từ thông Rotor là sử dụng trong mối quan hệ với hệ số trượt Nó đòi hỏi phép đo vị trí của Rotor và dòng Stator Với dòng

và vị trí của các cảm biến, phương pháp này thực hiện hợp lý hơn trên dải tốc độ Muốn xác định vị trí của Rotor, chúng ta phải lắp đặt hệ thống dây và các phành phần khác, do đó làm tăng kích thước của động cơ Khi phần điều khiển và động cơ ở xa nhau, phải lắp đặt thêm dây dẫn

Để khắc phục vấn đề bộ cảm biến/giải mã, chúng ta cần nghiên cứu việc giảm các cảm biến Ưu điểm của điều khiển vectơ là đáp ứng mômen tốt hơn so với điều khiển vô hướng Ngược lại nó yêu cầu thuật toán phức tạp cho việc tính toán tốc độ trong thời gian thực Do có thiết bị phản hồi, phần điều khiển này trở nên tốn kém hơn

so với điều khiển vô hướng

1.4.3.3 Điều khiển trực tiếp mômen DTC

Ưu điểm nổi bật của công nghệ này là có mô hình động cơ tự thích nghi Mô hình này dựa trên biểu thức toán học nguyên lý hoạt động của động cơ và yêu cầu biết các thông số của động cơ (như trở kháng Stator, hỗ cảm, hiệu suất bão hoà…) Khi động cơ không quay, thuật toán lấy tất cả các thông số chi tiết Khi động cơ quay trong một vài giây thì thuật toán sẽ điều chỉnh mô hình động cơ Nhờ đó, tốc độ và mômen của động cơ sẽ chính xác hơn Điện áp DC, các dòng điện, vị trí khoá chuyển đổi là các đầu vào của mô hình tính toán từ thông và mômen của động cơ Các giá trị trên được đưa đến 2 bộ so sánh của mômen và từ thông, theo thứ tự định sẵn Lối ra của các bộ so sánh sẽ được cung cấp cho bảng chuyển mạch tối ưu Trong DTC, mômen

và từ thông động cơ có thể điều khiển trực tiếp

Sơ đồ khối của DTC được trình bày hình 1.14

Để điều chỉnh tốt hơn mô hình và giảm sự phụ thuộc vào các thông số của động cơ, DTC có thể sử dụng mô hình trí tuệ nhân tạo thay thế mô hình dựa trên các phương trình toán

Hình 1.14 Sơ đồ khối DTC

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHÍP CHUYÊN DỤNG PSoC

2.1 Giới thiệu

Trong việc thiết kế các hệ thống tự động, có rất nhiều IC có thể làm bộ xử lý để điều khiển hệ thống như: 8051, AVR, PIC, PLC, FPGA, ASIC, PSoC Mỗi một loại chíp trên đều có những ưu, nhược điểm riệng Ví dụ: 8051 có ưu điểm là việc thiết kế đơn giản, giá thành thấp Nhưng 8051 không thể đáp ứng được khi cần thiết kế một hệ thống hoạt động phức tạp hơn Do đó ta phải chọn MCU để thiết kế được các hệ thống

có tính năng tốt, hiệu quả cao, giá thành hợp lý

Trong đề tài này, tôi tiến hành xây dựng một hệ thống biến tần điều khiển động

cơ 3 pha không đồng bộ Hệ thống này có những yêu cầu đặc biệt: phải có các bộ PWM với thời gian trễ để điều khiển 6 đường công suất, có các bộ chuyển đổi ADC tốc độ cao, các bộ đếm, định thời, bộ giao tiếp UART, các tín hiệu điều khiển bộ phận hiển thị, bộ lấy dữ liệu điều khiển… Căn cứ vào các yêu cầu này, ta tiến hành chọn một chip điều khiển phù hợp nhất để điều khiển hệ thống Trong các vi điều khiển trên

có một số loại có thể đáp ứng yêu cầu này Tôi đã chọn PSoC làm bộ điều khiển trung tâm vì đây là công nghệ mới của hãng Cypress cho phép ta tự tạo nên chíp vi điều khiển chuyên dụng của riêng mình

Để thiết kế được chip chuyên dụng PSoC thì việc đầu tiên ta phải tiến hành một

số nghiên cứu sau:

+ Tìm hiểu phần hướng dẫn lập trình thiết kế PSoC “PSoC Designer PSoC Programmer User Guide”

+ Tìm hiểu phần ngôn ngữ lập trình C “PSoC Designer C Language Compiler User Guide”

+ Tìm hiểu phần ngôn ngữ lập trình ASM cho PSoC “PSoC Designer Assembly Language User Guide”

+ Tìm hiểu về bộ nạp và gỡ rối “PSoC Designer ICE User Guide”

2.2 Các yêu cầu cần thiết để thiết kế chip chuyên dụng PSoC

Để thực hiện việc hiểu được cách tạo ra chíp chuyên dụng PSoC, chúng ta phải tiến hành xây dựng phần cứng bên trong của chíp cần thiết lập Để có thể thiết kế được

chúng ta phải tìm hiểu kỹ phần PSoC Designer PSoC Programmer User Guide

Các bước thực hiên:

+ Cài đặt chương trình “PSoC Designer”

+ Tìm hiểu cách sử dụng IDE

+ Cách tạo ra một project

+ Tìm hiểu công cụ soạn thảo

+ Chức năng về thay đổi cấu hình

+ Trình soạn thảo ứng dụng Application Editor

+ Chương trình dịch hợp ngữ

+ Trình tạo Builder

+ Trình gỡ rối Debugger

+ Bảo vệ Flash

Hãng Cypress cung cấp sự trợ giúp miễn phí cho trình soạn thảo PSoC trên

trang web Ngoài ra còn có các file trình chiếu Forum thảo luận, các ứng dụng, tư vấn PSoC, các hỗ trợ về công nghệ thông qua email và các ứng dụng thiết kế mẫu

 Hai bộ nhân 8x8, bộ tích luỹ 32 bit

 Công suất tiêu thụ thấp với tốc độ cao

 Dải điện áp hoạt động 4,75 - 5,25 V

 Dải nhiệt làm việc độ từ -40 đến +120 0

C

Nguyên lý hoạt động (các khối trong PSoC)

12 khối tương tự PSoC Rail to Rail cung cấp

 Các bộ ADC 14 bit

 Các bộ ADC 9 bit

 Các bộ khuếch đại có thể lập trình được

 Các bộ so sánh và lọc lập trình được

16 khối số PSoC cung cấp

 Các bộ định thời, đếm 8 - 32 bit, bộ tạo độ rộng xung PWM

 Bộ dao động thạch anh bên trong 24 M sai số 4%

 Thạch anh 24 M với tuỳ chọn 32,768 kHz

 Tuỳ chọn bộ dao động ngoài cao nhất 24 MHz

 Dao động trong cho chế độ Watchdog và Sleep

Bộ nhớ bên trong mềm dẻo

 Bộ nhớ chương trình 32K byte với khả năng xoá/ghi 100 lần

 2 KByte lưu dữ liệu SRAM

 Hệ thộng lập trình nối tiếp ISSP

 Cập nhật Flash cục bộ

 Chế độ bảo vệ mềm dẻo

Lập trình cấu hình các chân

 Dòng thấp 25 mA trên tất cả các chân GPIO

 Kéo lên, kéo xuống, trở kháng cao, dòng cao, hoặc chế độ điều khiển cực máng mở trên tất cả các chân GPIO

 12 lối vào tương tự trên các chân GPIO

 4 chân ra 30 mA trên GPIO

 Cấu hình ngắt trên tất cả các chân GPIO

 Phần mềm phát triển miễn phí (bộ thiết kế PSoC)

 Đầy đủ chức năng, bộ nạp ICE và lập trình

 Cấu trúc điểm ngắt phức hợp

 Bộ nhớ Trace 128 Kbyte

 Phức hợp sự kiện

 Các bộ soạn thảo C, ASM, liên kết

2.3.2 Sơ lược chức năng của PSoC

Họ PSoC bao gồm một số dãy tín hiệu pha trộn với vi điều khiển tích hợp trên chíp Một số thiết bị được thiết kế để thay thế nhiều thành phần truyền thống trên hệ thống cơ sở MCU với một thiết bị đơn chip có thể lập trình được Thiết bị PSoC bao gồm các khối logic tương tự và số và có thể lập trình kết nối được Cấu trúc này cho phép người sử dụng tạo ra cấu hình nguyên lý theo ý của khách hàng, điều này đáp ứng yêu cầu của từng ứng dụng riêng lẻ Ngoài ra, một CPU tốc độ nhanh, bộ nhớ lập trình Flash, bộ nhớ dữ liệu SRAM, và cấu hình lại cổng vào/ra bao gồm các chân ra tiện lợi và các khối

Kiến trúc PSoC được minh hoạ trên hình 2.1 gồm có 4 vùng chính: lõi PSoC,

hệ thống số, hệ thống tương tự, tài nguyên hệ thống Có thể cấu hình Bus toàn cục cho phép tất cả các tài nguyên thiết bị phối hợp trong một hệ thống hoàn thiện PSoC CY8C29x66 có thể có 6 cổng IO để kết nối tới hệ thống số và tương tự, cung cấp truy cập 16 khối số và 12 khối tương tự

Hình 2.1 Sơ đồ khối của PSoC

Bộ nhớ bao gồm 32 KB bộ nhớ chương trình và 2 KB bộ nhớ SRAM Bộ nhớ chương trình Flash tận dụng 4 mức bảo vệ trên các khối 64 byte, cho phép chế độ bảo

vệ phần mềm theo ý khách hàng

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của khối số

Thiết bị PSoC hợp nhất bên trong một cách mềm dẻo tạo ra xung nhịp, bao gồm

24 MHz IMO (bộ dao động chính bên trong) chính xác đến 4 % trong dải nhiệt độ và điện áp Một bộ dao động công suất thấp 32 kHz ILO (bộ dao động bên trong với tốc

độ thấp) được sử dụng cho bộ định thời Sleep và WDT ECO (bộ dao động thạch anh bên ngoài 32,768 KHz) được sử dụng cho đồng hồ thời gian thực RTC và có thể chọn một bộ phát tuỳ chọn hệ thống xung nhịp thạch anh chính xác 24 MHz sử dụng một PLL (vòng bám pha) Xung nhịp, cộng với bộ chia tần (như một tài nguyên hệ thống), cung cấp một cách mềm dẻo những yêu cầu về thời gian trong chíp PSoC

Các chân đa năng GPIO của PSoC cung cấp việc kết nối tới CPU, tài nguyên số

và tương tự của thiết bị Chế độ hoạt động từng chân của phần cứng có thể chọn từ 8 tuỳ chọn, cho phép sự mềm dẻo hơn trong giao diện bên ngoài Mỗi chân có khả năng tạo ra một ngắt hệ thống ở mức cao, mức thấp, và thay đổi từ lần đọc cuối nhất

Hệ thống số

Hệ thống số bao gồm 16 khối số PSoC Mỗi một khối bao gồm 8 bit, chúng có thể được sử dụng đơn hoặc kết hợp với các khối khác để tạo thành 8, 16, 24, và 32 bit, đây gọi là sử dụng các mô đun tham chiếu Cấu hình các ngoại vi số bao gồm:

o Các PWM (8 đến 32 bit)

o Các PWM với thời gian trễ (8 đến 32 bit)

o Bộ đếm (8 đến 32 bit)

o Bộ định thời (8 đến 32 bit)

o UART 8 bit với chọn lựa chẵn lẻ (đến 4 bộ)

o SPI chủ và tớ (đến 4 cho mỗi bộ)

o I2C tớ và đa chủ (1 có sẵn như một nguồn tài nguyên hệ thống)

o Bộ kiểm tra lỗi CRC/ bộ tạo ra dữ liệu dư thừa để kiểm tra lỗi CRG (8 đến 32 bit)

o Bộ tạo quá trình giả ngẫu nhiên (8 đến 32 bit)

Các khối số có thể kết nối tới bất kỳ chân GPIO thông qua một dãy của Bus toàn cục để có thể hướng bất kỳ một tín hiệu tới một chân bất kỳ nào Các Bus cho phép hợp kênh tín hiệu và biểu diễn dưới sự hoạt động logic Cấu hình này là do người thiết kế từ rằng buộc của nguyên lý điều khiển cố định

Các khối số được cung cấp trong 4 hàng Số của các khối thay đổi bởi họ thiết

bị PSoC Điều này cho phép người sử dụng chọn lựa một cách thuận lợi nhất tài nguyên hệ thống cho từng ứng dụng

Hệ thống tương tự

Hệ thống tương tự bao gồm 12 khối cấu hình, mỗi một khối bao gồm một mạch thuật toán cho phép tạo ra sự phối hợp tín hiệu tương tự Nguyên lý tương tự rất mềm dẻo và có thể phù hợp với từng ứng dụng cụ thể theo yêu cầu của khách hàng Một số ngoại vi tương tự PSoC có thể được cấu thành như sau:

o Các bộ chuyển đổi tương tự sang số (lớn nhất là 4, với 6 đến 14 bit, có thể chọ lựa phương pháp tăng ích, Delta Sigma, và SAR)

o Các bộ lọc (2, 4, 6, hoặc 8 cực thông dải, thông thấp, thông hẹp)

o Các bộ khuếch đại (lớn nhất là 4, với sự chọn hệ số khuếch đại 48x)

o Các bộ khuếch đại phối âm (lớn nhất 2, với sự chọn lựa hệ số khuếch đại 93x)

o Các bộ so sánh (lớn nhất là 4, với 16 sự lựa chọn ngưỡng)

o Các bộ chuyển đổi số sang tương tự DAC (lớn nhất là 4, với 6 đến 9 bit)

o Các bộ biến đổi ADC

o Dòng điều khiển lối ra cao (4 với 40 mA như một tài nguyên lõi PSoC)

o Tham chiếu 1.3V (như một tài nguyên hệ thống )

Hình 2.3 Sơ đồ khối tương tự

o Hai bộ nhân cứng (MAC) cung cấp bộ nhân nhanh 8 bit với tích luỹ 32 bit để giúp cho cả hai bộ tính toán thông thường và bộ lọc số

o Bộ đo cung cấp một phần cứng bộ lọc tuỳ thích cho tín hiệu số, các ứng dụng xử lý bao gồm việc tạo ra bộ chuyển đổi tương tự số Delta Sigma ADC

o Mô đun I2C cung cấp truyền thông 100 và 400 kHz thông qua 2 đường dây Tơ, chủ, và chế độ đa chủ được hỗ trợ tất cả

Ngắt bộ dò điện áp thấp (LVD) có thể báo hiệu cho ứng dụng mức sụt điện áp,

trong mạch POR (Power On Reset) tiên tiến loại trừ cần thiết cho hệ thống giám sát

Một điện áp tham chiếu bên trong cung cấp một tham chiếu tuyệt đối cho hệ thống tương tự, bao gồm các bộ ADC, DAC

Các đặc tính của thiết bị PSoC

Phụ thuộc vào đặc tính thiết bị PSoC của người sử dụng, hệ thống số và tương

tự có thể có 16, 8 hoặc 4 khối số và 12, 6 hoặc 3 khối tương tự Bảng ở dưới cho biết tài nguyên của từng nhóm thiết bị PSoC

Nhóm thiết bị

PSoC

Chân vào/ra

số (lớn nhất)

Các dòng khối số

Khối

số

Lối vào tương

tự

Lối ra tương

tự

Cột khối tương

tự

Khối tương

tự

RAM trong

Bộ nhớ Flash bên trong

2.4 Ngôn ngữ lập trình cho PSoC

Sau khi thiết kế phần cứng của hệ thống sau bằng chương trình PSoC Designer,

chúng ta bắt đầu tiến hành lập trình cho hệ thống Để lập trình cho chip PSoC, chúng

ta có thể sử dụng 1 trong 2 ngôn ngữ là C và Assembly Nhưng trên thực tế để làm cho

hệ thống linh hoạt và dễ kiểm soát hơn, người ta thường kết hợp cả hai ngôn ngữ này

Ngôn ngữ C cho PSoC cũng gần giống với ngôn ngữ C bình thường, nhưng nó phải hỗ trợ lập trình cấu trúc cho PSoC Vì vậy để viết được tốt ngôn ngữ này chúng ta

phải tìm hiểu kỹ phần: PSoC Designer C Language Compiler User Guide

Còn Assembly giúp chúng ta viết chương trình đáp ứng các điều khiển thời gian thực và điều khiển các ngắt Để lập trình được ngôn ngữ này, chúng ta phải am hiểu sâu về phần cứng của PSoC Chúng ta có thể đọc phần hướng dẫn sử dụng của nhà sản

xuất để có thể hiểu và lập trình được: PSoC Designer Assembly Language User Guide

Trong đề tài này tôi không đi sâu vào miêu tả chi tiết từng loại ngôn ngữ lập trình Chúng ta có thể xem và được hỗ trợ trực tuyến trên trang Web của nhà sản xuất:

http://www.cypress.com

Như vậy để thiết kế được một chíp chuyên dụng PSoC, chúng ta phải tiến hành một số bước sau:

 Thiết kế phần cứng cho hệ thống bằng PSoC Designer IDE

 Viết chương trình điều khiển hệ thống băng Assembly hay C

 Nạp chương trình điều khiển vào chip chuyên dụng PSoC ICE

 Chạy thử và dò lỗi chương trình bằng chức năng Debug của PSoC Designer

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3 PHA

3.1 Yêu cầu bài toán và phương pháp chọn lựa

Yêu cầu bài toán cần giải quyết

Để có thể điều khiển được động cơ xoay chiều 3 pha ta cần điểu khiển được độ rộng xung của 6 chuyển mạch cầu biến đổi điện 3 pha Các chuyển mạch cầu này tạo

ra thế hiệu xoay chiều 3 pha cho các cuộn Stator của động cơ (Hình 3.1) Sáu chuyển

mạch này tạo ra 3 cặp “nửa cầu”, dùng để kết nối đầu cuộn Stator với Bus điện áp cao

DC

Hai chuyển mạch trên cùng “nửa cầu” không bao giờ được mở đồng thời vì sẽ gây ra đoản mạch Nếu một chuyển mạch ở trạng thái mở, thì chuyển mạch kia phải ở trạng thái cấm Các chuyển mạch hoạt động như một cặp bù Các thiết bị chuyển mạch dùng trong nửa cầu (trong trường hợp này là các IGBT) thường ở trạng thái cấm nhiều hơn trạng thái mở Hơn thế nữa khi chuyển trạng thái thì cần một khoảng thời gian trễ

để tránh đoản mạch của mỗi nửa cầu

Động cơ cảm ứng AC được điều khiển bằng cách thay đổi các chu trình làm việc của PWM một cách hợp lý Các lối ra của PWM được điều chế để tổng hợp các

dạng sóng hình sin đi qua 3 cuộn động cơ (Hình 3.2)

Dòng điện xoay chiều (AC) chạy qua 3 cuộn Stator là các dòng điện hình sin,

có cùng biên độ và tần số, nhưng mỗi dòng lệch nhau 120 độ Kết quả là, dòng điện trong các cuộn Stator tạo ra một trường từ xoay Trường xoay này gây ra lực điện động trong Rotor, rồi lần lượt sinh ra một từ trường trong Rotor Từ trường trong Rotor kết hợp với trường từ xoay trong Stator, làm cho Rotor quay

Hình 3.1 Bộ chuyển đổi cầu 3 pha với 6 lối ra PWM

Lựa chọn phương pháp điều khiển

Điều khiển V/f mạch hở

Các động cơ cảm ứng AC thường được điều khiển theo phương pháp V/f mạch

hở không có phản hồi vận tốc hoặc vị trí Khi tỷ số V/f được giữ là hằng số thì giá trị moment (cực đại) không đổi trong cả dải hoạt động của động cơ Ưu điểm của phương pháp điều khiển này là mạch đơn giản và dễ thực hiện

Hoạt động của động cơ cảm ứng dựa trên 2 nguyên lý:

1 Tốc độ ban đầu tỷ lệ trực tiếp với tần số của dòng điện xoay chiều trong Stator

và số cực của mô tơ

2 Moment xoay tỷ lệ trực tiếp với tỷ số giữa điện áp cung cấp và tần số của dòng điện AC

Do vậy, ta có thể điều khiển tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số lối vào của dòng điện xoay chiều và duy trì moment xoay bằng cách thay đổi biên độ theo hướng tỷ lệ với tần số

Hinh 3.2 Tín hiệu 3 pha hình sin

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển vòng hở V/f

Một nhược điểm trong việc điều khiển V/f mạch hở là nếu tốc độ khởi tạo quá nhanh hoặc tải thay đổi nhanh thì động cơ có thể không quay Nếu không có phản hồi thì không thể phát hiện được động cơ đang ở trạng thái quay hay không quay Khi động cơ không quay sẽ gây ra dòng điện cao trong động cơ Bằng cách kiểm tra dòng,

có thể phát hiện lỗi này và hiệu chỉnh giảm tần số động cơ phù hợp Nếu dòng vẫn cao (có thể do sự cố trong cầu biến đổi điện) thì nên ngừng điều khiển để động cơ không quá nóng và không bị phá huỷ

Điều khiển V/f với hồi tiếp dòng bảo vệ

Sơ đồ mạch điều khiển V/f với hồi tiếp dòng bảo vệ được minh họa trên hình

3.4 Trong trường hợp này, tốc độ tham chiếu được tạo ra thông qua một bộ đo điện

thế nối với kênh ADC Hàm V/f trong chương trình sẽ tính chu kỳ làm việc cực đại của PWM dựa trên tốc độ tham chiếu Dòng Bus DC đo được bằng cách sử dụng một điện trở sơn, tạo ra một điện áp tỷ lệ với dòng qua điện trở đó Điện áp này được khuếch đại và một bộ so sánh bên ngoài sẽ so sánh điện áp này với một mức tham chiếu, tương ứng với dòng Bus tối đa cho phép Lối ra của bộ so sánh điều khiển lối vào Fault A của bộ điều khiển Nếu tín hiệu lỗi được xác nhận, lối ra của PWM sẽ bị chặn trong chu kỳ PWM sau

Để phát hiện trường hợp dòng quá tải liên tục, phải kiểm tra số lần tín hiệu lỗi được xác nhận trong phần mềm Ví dụ: Nếu lỗi xảy ra trên 20 lần trong 256 chu kỳ PWM cuối cùng, động cơ ngừng quay và sẽ thông báo hiện tượng dòng quá tải (Số ngưỡng sự kiện gây ra lỗi dòng quá tải có thể thay đổi được trong phần mềm)

Điện áp có thể được kiểm tra qua một kênh ADC để phát hiện dòng điện đang tăng lên Do vậy việc hiệu chỉnh được thực hiện bằng cách giảm tần số điều khiển trước khi xảy ra lỗi phần cứng

Hình 3.4 Sơ đồ điều khiển V/f vòng đóng với hồi tiếp dòng

Điều khiển V/f với hồi tiếp vận tốc

Trong điều khiển V/f mạch hở, tốc độ của Rotor phụ thuộc vào tải Trong nhiều ứng dụng, tải có thể thay đổi nhiều và dẫn đến tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo Để cải thiện việc điều khiển tốc độ, ta có thể dùng mạch hồi tiếp vận tốc

Hình 3.5 minh họa sơ đồ điều khiển tốc độ mạch kín đơn giản Tốc độ tham chiếu vẫn được thiết lập bằng bộ đo điện thế như trên Tuy nhiên, thay vì sử dụng trực tiếp tốc độ tham chiếu để xác định tần số điều khiển, ta so sánh tốc độ này với tốc độ thực tế của động cơ để tìm ra tín hiệu sai lệch tốc độ Tốc độ thực tế của động cơ được thiết lập bằng phép đo tốc độ sử dụng đĩa quang (QEI) trong chế độ vận tốc, hoặc lấy lối vào của tín hiệu máy đo tốc độ góc Trong ứng dụng cụ thể này, đĩa quang QEI được sử dụng Sau đó, tín hiệu sai lệch tốc độ được đưa vào bộ điều khiển tích phân tỷ

lệ (PI) Bộ điều khiển này xác định tần số điều khiển mong muốn cho các cuộn dây của mô tơ Tỷ số V/f chuẩn xác định biên độ của dạng sóng điều khiển, sau đó tần số

và biên độ điều khiển được dùng để cập nhật chu kỳ tín hiệu PWM của 6 kênh Các kênh PWM này điều khiển cầu công xuất 3 pha Hồi tiếp dòng cũng có thể được sử dụng đồng thời với hồi tiếp vận tốc

Trên đây là 3 phương pháp điều khiển V/f Mỗi phương pháp đều có ưu điểm

và hạn chế nhất định:

 Phương pháp điều khiển V/f mạch hở là đơn giản nhất nhưng ta không biết được trạng thái hoạt động của động cơ tại thời điểm đang điều khiển Điều này làm cho khả năng giám sát của bộ biến tần không cao

 Phương pháp điều khiển V/f với mạch hồi tiếp vận tốc có nhiều ưu điểm nhưng lại khó trong việc thiết kế

 Phương pháp điều khiển V/f với hồi tiếp dòng bảo vệ không khó khăn lắm trong việc thiết kế mà ta lại biết được trang thái hoạt động của động cơ Vì vậy, trong đề tài này tôi chọn phương pháp điều khiển V/f với hồi tiếp dòng bảo vệ

Hình 3.5 Sơ đồ khối điều khiển V/f với hồi tiếp vận tốc

3.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống của bộ điều khiển động cơ 3 pha

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ 3 pha đƣợc lựa chọn nhƣ hình 3.6

Bộ điều khiển giao diện

Bộ điều khiển trung tâm

Hiển thị trên LCD

Cách quang

Môđun công suất IRAMS

Cách quang

Giám sát nhiệt độ

Giám sát điện áp Giám sát dòngđiện Điều khiển tốc độ

+15VA +5VA GNDA +5VD GNDD

Nguồn PFC

Nguồn tạo các mức điện áp tách biệt

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống của bộ điều khiển động cơ 3 pha

Sơ đồ trên cho ta nhìn một cách tổng quan về hệ thống điều khiển động cơ 3 pha Hệ thống gồm 4 phần chính là:

+ Bộ tạo nguồn ổn định bù cosφ PFC và nguồn cách ly

+ Bộ điều khiển giao diện

+ Bộ điều khiển trung tâm

+ Bộ phối hợp với môđun công suất

Bộ tạo nguồn được tách làm 2 thành phần: Một phần hoạt động dựa trên bộ điều khiển One Cycle Control để tạo ra một điện áp ổn định 400V cung cấp cho động cơ và công suất của nguồn này cho phép là 750W Phần còn lại sẽ tạo ra 2 nguồn điện cách ly: Nguồn thứ nhất là +15VA, +5VA, GNDA để cung cấp cho các linh kiện bên khối công suất; nguồn thứ hai là điện áp +5VD, GNDD để cung cấp cho các linh kiện sử dụng bên phần điều khiển Việc tách nguồn này nhằm mục đích tạo ra sự an toàn về điện cũng như chống nhiễu giữa phần điều khiển và phần công suất

Bộ phận điều khiển giao diện được nối với bàn phím để nhận các thông tin từ người sử dụng như: Cho hệ thống hoạt động hay dừng hệ thống lại, điều khiển tốc độ hoạt động của động cơ Bộ điều khiển giao diện giao tiếp với máy tính để truyền hay nhận các thông tin với máy tính Nó cũng đưa các thông tin về trạng thái hoạt động của

hệ thống và chế độ hoạt động thông qua khối hiển thị LCD Ngoài ra, bộ điều khiển giao diện còn giao tiếp với bộ phận trung tâm để trao đổi thông tin từ người sử dụng vào bên trong hệ thống cũng như thông báo cho người sử dụng biết trạng thái hoạt động của hệ thống Bộ phận này nhận tín hiệu về tốc độ của hệ thống thông qua nút điều khiển tốc độ từ người sử dụng Sau đó nó tính toán tốc độ và gửi tới cho bộ điều khiển trung tâm

Bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển động cơ 3 pha không đồng bộ bằng các tín hiệu PWM Nó cũng nhận các thông tin về hệ thống như dòng điện trên động cơ hay nhiệt độ của môđun công suất và điện áp lối vào cung cấp cho động cơ

Bộ điều khiên trung tâm sẽ truyền các thông tin về hệ thống cho bộ giao diện để hiển thị cho người sử dụng biết Đồng thời nếu hệ thống vượt quá điều kiện cho phép thì nó

sẽ dừng hệ thống lại không cho phép hoạt động Các tín hiệu điều khiển từ bộ phận trung tâm đến bộ công suất hoặc ngược lại đều thông qua bộ tách quang Bộ tách quang có nhiệm vụ tách phần công suất với phần điều khiển nhằm mục đích bảo vệ hệ thống Đồng thời khối trung tâm cũng báo cho khối giao diện biết tình trạng hoạt động của hệ thống để khối này thông báo cho người sử dụng

Bộ phối hợp với môđun công suất có nhiệm vụ chuyển các tín hiệu điều khiển (từ bộ điều khiển trung tâm) có mức điện áp thấp thành các tín hiệu công suất điều khiển động cơ Đồng thời khối này cũng cung cấp cho bộ điều khiển trung tâm biết trạng thái hoạt động của nó để bộ trung tâm xử lý

3.3 Chức năng hoạt động của các thành phần

Dựa trên sơ đồ khối của hệ thống, chúng ta tiến hành phân tích các thành phần của hệ thống để thiết kế hệ thống

3.3.1 Bộ tạo nguồn ổn định PFC và nguồn cách ly

Khối nguồn của hệ thống bao gồm 2 thành phần tách biệt: Nguồn PFC cung cấp cho khối công suất và nguồn nuôi tạo ra các điện áp thấp cung cấp cho các IC

Phần nguồn PFC: Nguồn PFC tạo ra thế hiệu 400V DC ổn định cung cấp cho

khối công suất Trong thực tế có nhiều cách thiết kế ra nguồn DC cung cấp cho khối công suất như:

+ Một bộ nguồn đơn giản: Là bộ nguồn mà ta chỉ cần biến đổi nguồn xoay chiều 220 V thành điện áp một chiều 300V thông qua mạch cầu và một số linh kiện khác để lọc nguồn Phương pháp này đơn giản nhưng có một nhược điểm rất lớn là điện áp nguồn nuôi thay đổi thì điện áp lối ra của nguồn cung cấp cho động cơ cũng thay đổi Điều này dẫn đến động cơ chạy không ổn định và hệ số cosφ thấp

+ Một bộ nguồn phức tạp hơn: Là bộ nguồn PFC Bộ nguồn này hoạt động dựa trên chíp điều khiển IR1150 Nó cho phép cung cấp một điện áp ổn định 400 V ngay

cả khi điện áp nguồn nuôi thay đổi từ 85 – 265 V và đảm bảo hệ số cosφ luôn cao gần bằng 1

Trong đề tài này, tôi sử dụng nguồn PFC để cung cấp một điện áp cho khối công suất điều khiển động cơ Dưới đây là những điểm khái quát nhất để tạo ra được nguồn PFC sử dụng vi mạch IR1150 của hãng International Rectifier

Giới thiệu vi mạch IR1150 [8]

Chức năng:

 Bù cos phi PFC với thuật “One Cycle Control”

 Không yêu cầu sử dụng cảm biến điện áp

 Người sử dụng có thể lập trình với một tần số hoạt động cố định

 Thời gian ngắt thấp nhất là 150-350ns trong dải tần số

 Điện áp khoá lối ra dưới mức VCC

 Dòng điều khiển cho bán dẫn công suất 1,5A

μPFC IR1150 là một bộ hiệu chỉnh hệ số cosφ PFC với điện áp lối vào thay đổi trong dải lớn IR1150 là giải pháp riêng của hãng IR sử dụng công nghệ OCC (One Cycle Control) mang lại giải pháp hiệu quả cho PFC

Phương pháp này cho phép giảm bớt các linh kiện mạch đếm, mạch in và thời gian thiết kế trong khi hệ thống có hiệu suất cao hơn giải pháp truyền thống

IC được bảo vệ và khử các nhiễu nhỏ trên đường dây điện áp

IR1150 bao gồm các chức năng: có thể đặt được tần số đóng ngắt, đặt được điện áp bảo vệ chuyên dụng, khởi động mềm, dòng giới hạn đỉnh trong từng chu kỳ, bảo vệ sụt áp

Sơ đồ chân được mô tả trong hình 3.7 Sơ đồ mạch được mô tả trong hình 3.8

Bảng 3.1 Mô tả các chân của IR1150

6 VFB Điện áp cảm biến lối ra

7 VCC Nguồn nuôi cung cấp cho IC

8 GATE Cổng điều khiển lối ra

Hình 3.7 Sơ đồ chân của IR1150

Nguồn cách ly: Phần nguồn cung cấp các điện áp +15VA, +5VA, GNDA và

+5VD, GNDD giống như các nguồn điện bình thường Điều đặc biệt trong các nguồn này là chúng tách biệt nhau, việc này nhằm mục đích tách nguồn nuôi cho hệ thống điều khiển và hệ thống công suất

3.3.2 Bộ điều khiển giao diện

Bộ điều khiển giao diện sẽ giao tiếp với nguời sử dụng nhằm mục đích cung cấp các thông tin hoạt động của hệ thống Bộ điều khiển giao diện gồm có các khối như hình 3.9 :

Hình 3.8 Sơ đồ khối IR1150

Các phím nhấn

Trao đổi với PC

Chíp PSoC điều khiển giao diện

Chíp PSoC điều khiển trung tâm

Hình 3.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển giao diện