Mạch dao động thạch anh: Thạch anh tần số 20MHz cung cấp xung dao động cho vi điều khiển.. Mạch phân áp: là đầu vào cho bộ chuyển đổi tương tự số ADC, qua đó có thể điều chỉnh dải
Trang 1CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
4.1 Phần cứng
.
.
M a c h r e s e t
2 0 M H z
1 K
2 K + 5 V D
.
.
3 3 p
M a c h d a o d o n g
+ 5 V D
d s P i c 3 0 F 2 0 1 0
2 4 5 6 8 9
1 0
1 1
1 2
1 3
2 8
2 7
2 5
2 4
2 3
2 1
2 0
1 8
1 7
1 6
1
A N 0 / R B O
A N 1 / R B 1
A N 2 / R B 2
A N 3 / R B 3
A N 5 / R B 5
V S S
O S C 1 / C L K I
O S C 2 / C L K O / R C 1 5
R C 1 3
R C 1 4
V D D
A V D D
A V S S
P W M 1 L / R E 0
P W M 1 H / R E 1
P W M 2 L / R E 2
P W M 2 H / R E 3
P W M 3 L / R E 4
P W M 3 H / R E 5
V D D
V S S
R F 2
R F 3
F L T A / R E 8
R D 0
M L C R
3 3 p
P W M 2
P W M 3
.
M a c h p h a n a p
P W M 5
+ 5 V D
P W M 4
+ 5 V D
0 1 u F
P W M 6
P W M 1
S W 1
1 0 K
Hình 4.1: Mạch dsPIC30F2010
4.1.1 Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F2010
DSPIC30F2010 là bộ điều khiển số 16 bit của hãng Microchip có các tính năng như:
4.1.2 Các Module được sử dụng
Module ADC
Module TIMER
Module PWM
Bộ nhớ chương trình/bộ nhớ lệnh: 12K/4K
Dung lượng SRAM: 512 Bytes
Dung lượng EEPROM: 1024 Bytes
Ba bộ timer 16-bit
Bốn bộ Input Capture
Hai bộ Output Compare/Standard PWM
Sáu kênh chuyên dụng điều khiển motor PWM
Sáu kênh chuyển đổi A/D 10bit
Hỗ trợ Quandrature Encoder Interface
Một giao tiếp UART
Một giao tiếp SPI
Một giao tiếp I2C
Trang 24.1.3 Mạch ngoại vi
Mạch reset: có tác dụng khởi động lại vi điều khiển
Mạch dao động thạch anh:
Thạch anh tần số 20MHz cung cấp xung dao động cho vi điều khiển
Tụ lọc C1=C2=33pf giúp ổn định xung dao động do thạch anh tạo ra
Mạch phân áp: là đầu vào cho bộ chuyển đổi tương tự số ADC, qua đó có thể điều chỉnh dải tần làm việc cho nguồn 3 pha
IGBT driver HCPL-316J: tiếp nhận xung từ PWM, xử lí và phát vào mạch lực
4.2 Phần lập trình điều khiển phát xung
Hình4.2: Sơ đồ điều khiển
Trang 34.2.1 Điều chỉnh tần số dựa vào mạch phân áp bên
ngoài
Sử dụng Module ADC, độ phân giải 10 bit, ngõ vào
AN0
Với giải điều chỉnh tần số 40→400(Hz), chọn các điện
áp:
0V ứng với 40Hz
Hình 3.6: Bộ phân áp
5V ứng với 400Hz
Tần số f =40 72+ ×V Hz( )
Trong đó V là điện áp ở ngõ vào ADC
4.2.2 Khai báo các hằng số, thiết lập Module PWM
a, Khai báo các biến
Khai báo các biến nguyên sử dụng trong chương trình
Góc θ định vị vectơ u trong không gian.
Thời gian phát xung: ti, t1, t2, tpwm
Theo đó tpwm =ti +t1 + t2= 2.ts=2.( to + tt +tp)
Khai báo tần số số thực thi lệnh và tần số PWM
FCY= 5000000;
FPWM= 10000;
b, Thiết lập Module PWM
Thiết lập Module PWM làm việc ở chế độ bù tức là các cặp chân ra PWM1L&PWM1H, PWM2L&PWM2H, PWM3L&PWM3H phát xung ngược nhau
Thiết lập Module PWM hỗ trợ ngõ ra gióng hàng theo điểm giữa Khi sử dụng Module PWM theo cách này thì Tpwm=2×Ts.
Thiết lập tần số fpwm bằng cách gán giá trị cho thanh ghi PTPER.Chọn hệ số PTMR Prescaler bằng một
PTPER = (FCY/FPWM - 1) /2
Chu kì xung bằng 2 lần chu kì chu kì nhiệm vụ nên để tránh phiền hà cho tính toán sau này ta gán tpwm=2×PTPER.
Trang 44.2.3 Cập nhập góc θ và lập bảng giá trị “sinetable[ ]”
a, Cập nhập góc θ
Khởi tạo góc θ=0
Góc θ được cập nhập sau mỗi chu kì Tpwm, gọi m là số lần cập nhật trong một chu kỳ điện: m t t f pwm f
pwm
=
Tính toán bước nhảy Δθ sau mỗi chu kì Tpwm
f
f m
pwm
π
π
∆
b, Lập bảng sintable
Bảng này ghi lại các giá trị: sinθ = sin(0+ i.Δθ) vào mảng sintable[] với
6
0 m
i= ÷ ; trong đó
6
m
là số lần cập nhật trong mỗi sector.
4.2.4.Lập trình phát xung
Thực hiện vòng lặp sau mỗi chu kỳ tpwm:
Bắt đầu góc θ được update θ=θ+Δθ
Sau đó dựa vào góc θ để xác định vị trí của vector u trong không gian.
Cụ thể: nếu
3 3
) 1 (n− π ≤θ <nπ
thì u sẽ nằm trong sector n và qua đó xác
định được vevtor biên chuẩn trái Un+1, phải Un và vector không Uo,U7
Tính toán thời gian phát xung ti = 2to, t1 = 2tp, t2 = 2tt
Kết hợp với các vector biên chuẩn đã xác định thực hiện phát xung qua các chân PWM bằng cách đặt các thời gian tương ứng lên các thanh ghi PDCX
Trang 5Hình 4.3 Sơ đồ xung phát vào các van ở sector 1
+ Sector 1
PDC1 = 2tp + 2tt + to
PDC2 = 2tt + to
PDC3 = to
+ Sector 2
PDC1 = 2tp + to
PDC2 = 2tp + 2tt + to
PDC3 = to
+ Sector 3
PDC1= to
PDC2 = 2tp + 2tt + to
PDC3 = 2tt + to
+ Sector 4
PDC1 = to
PDC2 = 2tp + to
PDC3 = 2tp + 2tt + to
+ Sector 5
PDC1 = 2tt + to
PDC2 = to
+ Sector 6
Trang 6Nhận xét
Trong một chu kì Ts van chuyển mạch một lần, trong khi đó
Fs=2*FPWM=20000Hz.Vậy tần số chuyển mạch của van là 20000Hz
Xung phát ra từ Module PWM được đưa vào IGBT driver
4.2.5 IGBT driver HCPL-316J
Hình 4.4: HCPL-316J
Nguồn:V CC1= +5 ; V V EE = −5 ; V V CC2 = +18 ;V lấy từ mạch nguồn ở phần III (hình 21)
dưới đây
Tín hiệu vào: xung PWM từ chân vi điều khiển vào chân Vin+, chân Vin- được nối đất
Tín hiệu ra: chân Vout cấp tín hiệu điều khiển vào cực G của IGBT qua điện trở
RG
Tín hiệu DESAT: được lấy từ Collector qua điot DDESAT qua một mạch lọc tần
số thấp bằng điện trở 100Ω và tụ 100pF, đưa vào chân 14 của IC Mức điện áp ở chân 14 được theo dõi để phát hiện mức bão hòa của IBGT Nếu điện áp này lớn hơn 7V sau khi có tín hiệu điều khiển mở IGBT chứng tỏ có quá dòng điện,mạch
xử lí logic khóa mềm sẽ phát tín hiệu khóa và tự động tăng điện trở đưa đến cực đến cỡ 500Ω, lớn hơn 10 lần so với khi khóa mở thông thường
4.2.6 Lập trình phát xung vào IGBT của mạch DC-DC
Thuật toán:
Bước 1.Thiết lập chân RD0 của dsPic30F2010 (hình 16) là chân output.
Trang 7 Bước 2 Xuất chân RD0 ở mức cao.
Bước 3.Thực hiện trễ trong thời gian T×δ (ms)
Bước 4.Xuất chân RD0 ở mức thấp
Bước 5.Thực hiện trễ trong thời gian T× −(1 δ)(ms)
Bước 6.Quay lại bước 2
Ghi chú: T là chu kì của xung phát vào IGBT của mạch DC-DC
δ là tham số điều chỉnh
4.3 Mạch nguồn cung cấp cho vi điều khiển và IGBT Driver
Hình 4.5: Mạch nguồn
Trang 8Vi điều khiển sử dụng 3 nguồn điện áp 1 chiều +5V còn 7 IGBT driver sử dụng 7 nguồn điện áp 1 chiều +18V và -5V vì vậy ta phải thiết kế mạch nguồn 1 chiều để cung cấp cho các chi tiết này
Hình 4.6: Nguồn cho dsPic
4.3.1 Thiết kế nguồn DC +5V cho vi điều khiển
+ Nguồn 1 chiều E (U vào) ban đầu được cung cấp cho bộ nghịch lưu áp 1 pha, tần số đóng cắt của van IGBT là f =20kHz Coi nguồn E đầu vào là lý tưởng thì
điện áp đầu ra u1(t)sẽ có dạng xung vuông
+ Điện áp u1(t)này được đưa vào cuộn sơ cấp của máy biến áp xung để thay đổi biên độ của xung theo yêu cầu tạo thành điện áp u2(t)
+ Điện áp u2(t) được đưa vào bộ chỉnh lưu cầu 1 pha Đầu ra của bộ chỉnh lưu được nối với các tụ lọc và vi mạch ổn áp 7805 để tạo ra điện áp DC +5V có độ ổn định cao cung cấp cho vi điều khiển
4.3.2 Thiết kế nguồn DC +18V và
-5V cho IGBT driver
Trang 9+ Điện áp u1( t ) được đưa vào cuộn sơ cấp của máy biến áp xung Cuộn thứ cấp của biến áp xung này có điểm giữa nối đất tạo thành 2 điện áp u3( t ) và u4( t )
ngược pha nhau
Hình4.7: Nguồn cho IGBT driver
+ Điện áp u3( t ) được đưa qua bộ chỉnh lưu cầu 1 pha, qua bộ lọc RC tạo thành điện áp 1 chiều Đồng thời dưới tác dụng ổn áp của Diode Zener DZ18, điện áp 1 chiều này sẽ ổn định ở giá trị 18V
+ Tương tự điện áp u4( t ) cũng được đưa qua bộ chinh lưu cầu 1 pha Dưới tác dụng của bộ lọc RC và Diode DZ5, điện áp 1 chiều đầu ra sẽ ổn định ở giá trị -5V