Đại học quốc gia Hà nội Tr-ờng đại học công nghệ Lê Hùng Linh Nghiên cứu thiết kế điều khiển động không đồng pha mà lực sử dụng công nghệ chế tạo chíp chuyên dụng psoc Ngành : Công nghệ điện tử - viễn thông Chuyên nghành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử thông tin liên lạc Mà số:2.07.00 Luận văn thạc sĩ Ng-ời h-ớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Phạm th-ợng cát Hà Nội - 2007 MỤC LỤC MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƢƠNG KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Mở đầu 1.2 Cấu trúc sở nguyên lý hoạt động 1.2.1 Stator 1.2.2 Rotor 1.2.3 Tốc độ động xoay chiều 1.3 Các loại động cảm ứng 1.3.1 Động xoay chiều pha 1.3.2 Động xoay chiều pha 1.3.2.1 Động lồng sóc 1.3.2.2 Động Rotor dây cuộn 1.3.2.3 Phƣơng trình mômen động 1.3.2.4 Các đặc tính động 10 1.4 Điều khiển động 14 1.4.1 Sự cần thiết phải điều khiển tốc độ 14 1.4.2 Điều khiển tốc độ thay đổi tần số (Variable Frequency Driver) 14 1.4.3 Các phƣơng pháp điều khiển động cảm ứng 17 1.4.3.1 Điều khiển vô hƣớng 18 1.4.3.2 Điều khiển vectơ 18 1.4.3.3 Điều khiển trực tiếp mômen DTC 19 CHƢƠNG 21 CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO CHÍP CHUN 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 22 2.3.2 Sơ lƣợc chức PSoC 24 2.4 Ngơn ngữ lập trình cho PSoC 29 CHƢƠNG 31 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PHA 31 3.1 Yêu cầu toán phƣơng pháp chọn lựa 31 3.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống điều khiển động pha 35 3.3 Chức hoạt động thành phần 37 3.3.1 Bộ tạo nguồn ổn định PFC 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 CHƢƠNG 47 THIẾT KẾ CHI TIẾT VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PHA Mà 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 hệ thống 63 4.2 Thiết kế phần mềm 73 4.2.1 Thuật tốn điều khiển 73 4.2.2 Thuật tốn chƣơng trình 74 4.2.3 Thuật toán chƣơng trình xử lý ngắt 77 4.3 Chế tạo thử nghiệm môđun 81 4.3.1 Môđun nguồn 81 4.3.2 Môđun điều khiển 85 4.3.3 Kết thử nghiệm 87 KẾT LUẬN 89 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Ký hiệu AC ADC DC DAC RPM KE LRT LRC IC VFD DTC PWM UART IDE ICE PSoC M8C CRC SPI GPIO MCU CPU WDT IMO ILO RTC PLL I2C DTMF MAC LVD POR QEI PFC PI LCD OCC Giải thích Điện áp xoay chiều Bộ chuyển đổi từ tƣơng tƣ sang số Điện áp chiều Bộ chuyển đổi số sang tƣơng tự Số vòng quay phút Năng lƣợng động lực học Mơ men khố Rotor Dịng điện khố Rotor Chíp tích hợp Bộ điều khiển thay đổi tần số Điều khiển mômen trực tiếp Bộ điều xung Khối truyền tin nối tiếp không đồng Phần mềm phát triển cho PSoC In Circuit Emulator PSoC Chíp có khả lập trình hệ thống Lõi vi điều khiển bit M8C Bộ kiểm tra lỗi Truyền thông nối tiếp chuẩn SPI Các chân vào Vi điều khiển Vi xử lý Bộ định thời Watchdog Bộ dao động tốc độ cao đƣợc tích hợp bên chíp Bộ dao động tốc độ thấp đƣợc tích hợp bên chíp Đồng hồ thời gian thực Vịng bám pha Truyền thơng nối tiếp chuẩn I2C Bộ điều chế đa tần Bộ nhân cứng Bộ dị điện áp thấp Khởi động lại nguồn ni Mã hoá đĩa quang Bộ hiệu chỉnh cosφ Bộ điều khiển tích phân Màn hình hiển thị tinh thể lỏng Thuật điều khiển chu kỳ (One Cycle Control) MỞ ĐẦU Trong vòng thập kỷ qua, điều khiển động xoay chiều (AC Motor) đạt đƣợc tiến vƣợt bậc nhờ phát triển nhanh chóng cơng nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn công suất kỹ thuật điều khiển Các máy điện pha đƣợc ứng dụng hầu hết nhà máy, xí nghiệp nhƣ sống hàng ngày Vấn đề đặt ta điều khiển tốc độ động dễ dàng theo yêu cầu ngƣời sử dụng Công nghệ chế tạo chip PSoC (Programmable System on Chip) cho phép ta phát triển chíp vi điều khiển chuyên dụng cho thiết bị đo điều khiển Do thiết bị có tính cạnh tranh bảo mật cao Mục đích đề tài phát triển chíp chuyên dụng cho điều khiển động khơng đồng pha Trên sở chíp này, đề tài thử nghiệm xây dựng điều khiển tốc độ động không đồng pha mã lực với thuật điều khiển tỷ lệ V/f Đề tài giải số vấn đề sau:  Tổng quan động không đồng pha, biến tần điều khiển động xoay chiều cơng nghệ tạo chíp PSoC  Thiết kế tạo chíp chuyên dụng cho điều khiển động AC pha sở công nghệ PSoC  Thiết kế chế tạo thử nghiệm điều khiển cho động không đồng pha mã lực sử dụng chíp chuyên dụng điều khiển động Đề tài gồm chƣơng, đó: Chƣơng 1: Khái quát động không đồng Chƣơng mô tả cách khái quát động xoay chiều pha pha đƣợc tính Chƣơng 2: Cơng nghệ chế tạo chíp chuyên dung PsoC Trong chƣơng này, ngƣời đọc hình dung cách khái quát cách tạo chip chuyên dụng, tài liệu nhƣ bƣớc tiến hành thực tạo chip chuyên dụng Chƣơng 3: Phân tích thiết kế hệ thống biên tần điều khiển động Chƣơng nêu yêu cầu toán phƣơng án thiết kế hệ thống Chƣơng 4: Thiết kế chi tiết chế tạo thử nghiệm biến tần điều khiển động pha mã lực Do điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế, đề tài nhiều thiếu sót Tơi mong đƣợc đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để đề tài đƣợc hồn thiện Tơi xin chân thành cám ơn! Học viên Lê Hùng Linh CHƢƠNG KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Mở đầu Động điện cảm ứng xoay chiều loại động đƣợc sử dụng phổ biến công nghiệp máy gia dụng Thiết kế đơn giản, có sẵn thị 1.1 trƣờng, giá thành thấp, cần bảo dƣỡng kết nối thẳng tới nguồn xoay chiều AC ƣu điểm động pha Tuy nhiên muốn điều khiển tốc độ nhƣ mômen quay loại động xoay chiều phải hiểu rõ cấu trúc đặc tính loại động 1.2 Cấu trúc sở nguyên lý hoạt động Các động AC gồm phần: Stator phần cố định phía ngồi Rotor phần quay trịn nằm phía Giữa hai phần có khe cách Tất động xoay chiều pha sử dụng từ trƣờng quay để quay Rotor chúng Từ trƣờng quay đƣợc tạo dòng điện xoay chiều chạy cuộn dây Stator 1.2.1 Stator Stator đƣợc làm từ số khung nhôm sắt mỏng Chúng đƣợc ép chặt lại với để tạo thành hình trụ rỗng (lõi Stator) nhƣ hình 1.1 Các cuộn dây đƣợc cách ly với đƣợc lồng vào khe Mỗi nhóm cuộn bao quanh lõi, tạo thành nam châm điện đƣợc cung cấp nguồn điện AC Số cực động phụ thuộc vào cách thức cuộn Stator Các cuộn Stator đƣợc kết nối tới nguồn điện Bên Stator đƣợc nối nhƣ hình 1.1, cung cấp nguồn tạo từ trƣờng xoay Hình 1.1: Một loại Stator 1.2.2 Rotor Rotor có cấu tạo đơn giản khoẻ Rotor bao gồm lõi hình trụ với khe song song để dẫn điện Mỗi khe có đồng, nhơm hợp kim Các Rotor đƣợc cố định đoản mạch đầu, đƣợc mơ tả hình 1.2 Các khe Rotor không thiết phải song song với trục Hình 1.2: Rotor lồng sóc Để cho động chạy ổn định từ trƣờng xoay, Rotor đƣợc gắn lên trục Giữa phần Stator Rotor đƣợc cách ly khe hở khơng khí để truyền dẫn đƣờng cảm ứng làm cho lƣợng đƣợc truyền từ Stator đến Rotor Chính điều tạo lực xoắn cho Rotor, làm cho Rotor quay 1.2.3 Tốc độ động xoay chiều Từ trƣờng tạo Stator từ trƣờng xốy tốc độ khơng đổi ( N S ) Phƣơng trình 1: N s  120 Trong đó: f P N S : Tốc độ đồng từ trƣờng Stator tính theo vịng phút P: Số cực Stator f: Tần số nguồn nuôi Từ trƣờng đƣợc tạo Rotor dòng điện cảm ứng Để cân với từ trƣờng quay, Rotor bắt đầu chạy theo thay đổi liên tục từ trƣờng quay Stator dần bắt kịp tới tốc độ thay đổi Tuy nhiên, thực tiễn, Rotor không bắt kịp đƣợc từ trƣờng Stator Rotor chạy chậm tốc độ thay đổi từ trƣờng Stator Tốc độ gọi tốc độ sở (Nb ) Sự khác N S Nb gọi hệ số trƣợt Hệ số trƣợt thay đổi theo tải Nếu tải đƣợc tăng lên Rotor quay chậm hay nói cách khác hệ số trƣợt tăng lên ngƣợc lại Hệ số trƣợt đƣợc tính theo tỉ lệ phần trăm tính theo cơng thức sau: Phƣơng trình 2: %slip  N s  Nb *100 Ns NS: Tốc độ đồng RPM (lý thuyết) Nb: Tốc độ sở RPM (thực tế) 1.3 Các loại động cảm ứng Thông thƣờng, động cảm ứng đƣợc phân loại sở số pha Stator, bao gồm: o Động xoay chiều pha o Động xoay chiều pha 1.3.1 Động xoay chiều pha Hiện nay, động xoay chiều pha đƣợc sử dụng nhiều giá thành khơng đắt phải bảo dƣỡng Loại động có cuộn dây hoạt động với nguồn điện pha Động xoay chiều pha khơng tự khởi động đƣợc Khi động đƣợc nối với nguồn điện pha, cuộn dây mang dịng điện xoay chiều Dịng điện làm cho từ trƣờng thay đổi Nhờ cảm ứng, Rotor đƣợc tác động mạnh Tuy từ trƣờng đƣợc thay đổi, nhƣng mômen cần thiết cho quay động lại khơng đƣợc tạo Vì vậy, động xoay chiều pha phải có khối khởi động để kích hoạt cho động quay Phần khởi động động xoay chiều pha đƣợc lắp thêm cuộn dây Stator (cuộn dây khởi động hay cuộn dây hỗ trợ) đƣợc trình bày hình 1.3 Cuộn dây khởi động có dãy tụ và/hoặc công tắc li tâm Khi cung cấp nguồn, dịng điện cuộn dây chậm pha nguồn cung cấp trở kháng cuộn dây Cùng thời điểm đó, dịng điện cuộn dây khởi động đƣợc cấp nguồn phụ thuộc vào trở kháng phần khởi động Sự tƣơng tác hai từ trƣờng (từ trƣờng cuộn dây từ trƣờng phần khởi động) tạo từ trƣờng tổng hợp quay theo hƣớng Động bắt đầu quay theo hƣớng từ trƣờng tổng hợp Hình 1.3 Động pha có khơng có phần khởi động Khi động đạt đƣợc 75% tốc độ nó, cơng tắc trung tâm khơng kết nối với cuộn khởi động Lúc này, động xoay chiều pha trì mơmen tự hoạt động Các động xoay chiều pha đƣợc sử dụng với công suất đến khoảng 3/4 ma lực (hp) trừ số trƣờng hợp đặc biệt Động xoay chiều pha đƣợc phân loại nhƣ sau: o Động xoay chiều pha phụ o Động xoay chiều khởi động tụ o Động xoay chiều tụ điện phụ cố định o Động xoay chiều khởi động tụ có tụ hoạt động o Động xoay chiều cực ẩn (pole-shaded) 1.3.2 Động xoay chiều pha Động xoay chiều pha đƣợc sử dụng rộng rãi công nghiệp ứng dụng thƣơng mại Các động khởi động đƣợc mà khơng cần sử dụng tụ, cuộn khởi động, công tắc trung tâm thiết bị khởi động khác Công suất hiệu động dải từ trung bình đến cao so với động pha loại Ứng dụng phổ biến chúng cho máy sát, máy nghiền, máy khoan, máy bơm, máy nén, băng tải, thiết bị in ấn, thiết bị cho nông nghiệp, điện lạnh số ứng dụng máy công suất khác Động xoay chiều pha gồm loại: Động lồng sóc động Rotor dây cuộn 1.3.2.1 Động lồng sóc Có khoảng 90% động pha thuộc loại động lồng sóc Cơng suất từ đến vài trăm mã lực cho động pha Động lồng sóc loại mã lực lớn hơn, giá thành thấp bắt đầu làm việc với tải lớn động pha tƣơng tự 1.3.2.2 Động Rotor dây cuộn Động vòng trƣợt động dây biến thể động lồng sóc Trong đó, Stator giống với động lồng sóc; cuộn dây đặt Rotor không ngắn mạch, nhƣng phần cuối đƣợc nối tới vịng trƣợt (xem hình 1.4) Vịng trƣợt tạo mơmen tỉ lệ với trở kháng Rotor Trở kháng Rotor đƣợc tăng thêm cách cho thêm trở kháng bên ngồi thơng qua vịng trƣợt Động chạy nhanh giá trị trở kháng bị giảm xuống Một động đạt đến tốc độ sở điện trở bên đƣợc tách khỏi Rotor Tại thời điểm đó, động làm việc nhƣ động cảm ứng chuẩn Hình 1.4 Động Rotor cuộn dây 1.3.2.3 Phƣơng trình mơmen động [12] Mơmen động đƣợc mơ tả phƣơng trình Phƣơng trình T  Tl  J dm dJ  m dt dt T: giá trị tức thời mômen động (N-m) Tl: giá trị tức thời mômen tải  m: vận tốc góc tức thời trục động (rad/sec) J: mơmen qn tính hệ thống tải động (kg-m2) Khi mơmen qn tính (dJ/dt)=0, phƣơng trình (3) là: Phƣơng trình T  Tl  J d m dt Phƣơng trình mơ tả quan hệ mômen động với mômen tải Tl mômen động lực học J(d m/dt) Thành phần mômen J(d m/dt), đƣợc gọi mơmen động lực học tồn thời gian tăng tốc giảm tốc động Việc điều khiển tăng tốc hay giảm tốc phụ thuộc vào giá trị T so với T l Khi tăng tốc, động cung cấp không cho mômen tải, mà thêm thành phần mơmen J(d m/dt), nhằm khắc phục sức ì mơmen qn tính Khi mơmen qn tính lớn (nhƣ tầu điện), mơmen động phải vƣợt q mơmen tải để trì đƣợc chuyển động Nếu ta Start Chuyển đổi xong Sai Đúng Đọc liệu Xử lý liệu Có thay đổi ? Sai Đúng Cập nhật liệu Truyền liệu End Thuật toán xử lý phím Trong thuật tốn xử lý phím, việc chƣơng trình kiểm tra xem có tín hiệu nhận đƣợc từ bàn phím hay khơng (thơng qua cờ báo có phím đƣợc nhấn) Nếu có, hệ thống xố bỏ cờ tiếp tục xử lý xem phím đƣợc nhấn (thơng qua mã mà tín hiệu ngắt bàn phím trả về) Trong việc điều khiển này, ngƣời sử dụng điều khiển thơng qua phím Phím Start, Stop điều khiển động quay dừng lại Phím tăng giảm để điều khiển lên xuông nhƣ thay đổi chế độ hệ thống Nếu ngƣời sử dụng chấp nhận thiết lập nhấn phím Enter để cập nhật liệu vào hệ thống; không muốn thay đổi dƣ liệu nhấn phím Esc để khỏi chƣơng trình 76 Start Có phím nhấn Sai Đúng Xố cờ báo phím nhấn Phím Start Đúng Xử lý phím Stop Sai Phím Stop Đúng Xử lý phím Stop Sai Phím Inc Đúng Xử lý phím Inc Sai Phím Dec Đúng Xử lý phím Dec Sai Phím Enter Đúng Xử lý phím Enter Sai Phím Esc Đúng Xử lý phím Esc Sai End 4.2.3 Thuật tốn chƣơng trình xử lý ngắt Thuật tốn ngắt bàn phím Các phím điều khiển đƣợc cập nhật vào hệ thống thơng qua ngắt Mỗi phím đƣợc nhấn tạo ngắt đến điều khiển giao diện Bằng việc đọc cổng bàn phím ta biết đƣợc phím đƣợc nhấn Mỗi phím đƣợc mã hố ký tự mà thơng qua ký tự chƣơng trình xử lý phím biết đƣợc phím đƣợc nhấn Khi có phím đƣợc nhấn, chƣơng trình ngắt thơng báo cho chƣơng trình xử lý biết thông qua cờ báo 77 Start Đọc cổng bàn phím Báo cờ phím đƣợc nhấn Phím Start Đúng Nhập mã phím Start Sai Phím Stop Đúng Nhập mã phím Stop Sai Phím Inc Đúng Nhập mã phím Inc Sai Phím Dec Đúng Nhập mã phím Dec Sai Phím Enter Đúng Nhập mã phím Enter Sai Phím Esc Đúng Nhập mã phím Esc Sai End Thuật tốn ngắt nhiệt áp Hệ thống hoạt động khơng có dịng điện qua cuộn dây động đƣợc phản hồi hệ thống mà thông tin nhiệt độ điện áp khối công suất đƣợc phản hồi lại Nếu hai trƣờng hợp vƣợt gây ảnh hƣởng không tốt cho hệ thống động Vì vậy, hệ thống kiểm tra xem có xảy tƣợng hay không thông qua lối vào ngắt Nếu có, hệ thống ngắt tín hiệu điều khiển động 78 Start Quá nhiệt ? Đúng Cấm hoạt động Sai Quá áp ? Đúng Cấm hoạt động Sai Bình thƣờng? Đúng Cho phép hoạt động Sai End Thuật toán ngắt nhận liệu Start Bảo vệ ghi Có liệu ? Sai Đúng Có nhận tiếp ? Sai Đúng Đƣa liệu vào đệm Đủ liệu ? Đúng Bảo vệ ghi Sai End Nhƣ phân tích việc trao đổi thông tin giao tiếp điều khiển thông qua truyền tin nối tiếp Việc trao đổi hai theo khung liệu nhƣ sau: 79 Khung Mã lệnh Mã lệnh Nhiệt độ Điện áp Dòng điện Khung Mã lệnh Mã lệnh Chế độ Tốc độ Hƣớng quay Khung Mã lệnh Mã lệnh Việc truyền tin điều khiển phải thông qua khuôn mẫu nhƣ Dữ liệu truyền tin từ điều khiển đến giao diện thông qua khung gồm: Nhiệt độ, điện áp, dòng điện khối công suất Khi truyền từ giao diện đến điều khiển theo khung 2, thông tin tốc độ, chế độ hoạt động nhƣ hƣớng quay (đƣợc điều khiển từ ngƣời sử dụng) đƣợc xử lý truyền đến điều khiển Khung thứ thông báo kết nhận liệu bên nhận Nhƣ ta thấy khung truyền gồm byte byte mã lệnh Thuật tốn tạo tín hiệu PWM Để tạo tín hiệu PWM với thời gian trễ, ta phải sử dụng PWMDB lập trình đƣợc độ rộng xung thời gian trễ Để tín hiệu đƣợc đƣa vào động tạo tín hiệu hình sin, ta phải tính toán đƣợc độ rộng xung cho chu kỳ PWM để đầu PWMDB tạo xung có độ rộng khác theo quy luật Việc cập nhật thông tin cho PWMDB thông qua lần ngắt: Lần thứ cập nhật độ rộng xung PWM; lần thứ cập nhật chu kỳ nó; lần thứ đặt lại đếm Nếu ta cập nhật thơng tin lúc thời gian thực ngắt lớn, dẫn đến thực ngắt lại sinh ngắt khác làm cho hệ thống bị loạn Việc tính tốn chu kỳ cập nhật cho PWMDB đƣợc tính theo cơng thức: P_PWM(new)= P_PWM – (PWM(n-1) – PWM(n))/2 Trong PWM(n) giá trị độ rộng xung vừa tính đƣợc theo bảng hình sin, PWN(n-1) giá trị độ rộng xung trƣớc P_PWM(new) chu kỳ tín hiệu cập nhật cho PWMDB P_PWM chu kỳ mặc định [11] 80 Start Ngắt lần ? Đúng Cập nhật độ rộng xung PWM Sai Ngắt lần ? Sai Ngắt lần ? Đúng Dữ liệu ? Sai Đúng Đếm ngắt = Đúng Cập nhật chu kỳ PWM Sai Nạp chu kỳ PWM mặc định End 4.3 Chế tạo thử nghiệm môđun 4.3.1 Môđun nguồn Mạch nguồn cách ly Mạch nguồn hệ thống bao gồm nguồn điện cung cấp cho linh kiện điện tử mạch điều khiển nguồn điện cung cấp cho động thông qua khối cơng suất Hình 4.22 Hình ảnh mạch biến đổi AC => DC Mạch điện hình vẽ chuyển đổi điện áp từ 220V AC sang 300V DC để cung cấp cho tạo điện áp +15V, +5V, GNDA +5V, GNDD Mạch điện hình 4.22 4.23 đƣợc đặt hàng từ Tp Hồ Chí Minh 81 Hình 4.23 Hình ảnh tạo điện áp cung cấp cho mạch Mạch điện làm nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 300V DC sang điện áp nhỏ cung cấp cho mạch điều khiển Điện áp đầu gồm nguồn tách biệt: Một nguồn +5V, GNDD cung cấp cho mạch điều khiển bên vi mạch điều khiển; nguồn +15V, +5V, GNDA cung cấp cho mạch điều khiển bên phần công suất Nhƣ ta thấy mạch điều khiển đƣợc cung cấp nguồn tách biệt phần điều khiển phần cơng suất nhằm mục đích tránh dịng phản hồi từ khối cơng suất điều khiển Mạch nguồn PFC Hình 4.24 Hình ảnh nguồn PFC 82 Bật nguồn AC UVLO VCC0,7V VCC < VCCUVLO STAND_BY VFB