Điều khiển tốc độ và vị trí động cơ không đồng bộ ba pha dùng FPGA
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘ BA PHA DÙNG FPGA
KS. Nguyễn Hoàng Viên
Trường Đại học SPKT TP Hồ Chí Minh
Tóm tắt: Trong bài báo này, tập trung phân tích phương pháp điều khiển tốc độ, vị
trí động cơ không đồng bộ ba pha và thiết kế một mạch sử dụng FPGA điều chế độ rộng
xung (PWM) để điều khiển tốc độ, vị trí động cơ không đồng bộ ba pha. Mạch điều khiển
điều chế độ rộng xung PWM được hiện thực hóa chỉ với một con chip FPGA (Filed
Programmable Gate Array) duy nhất là SPARTAN 3E của XILLINX được lập trình bằng
LabView trực quan. Chip FPGA nhận các thông số biên độ, tần số, pha chính, độ rộng
xung từ LabView và tiến hành đóng cắt các khóa IGBT. Mạch này có thể cung cấp một
giải pháp hiệu quả, linh hoạt và an toàn cho các bộ biến tần công suất cao. Các tín hiệu
đầu ra của mạch được sử dụng để điều khiển bộ biến tần của hệ thống truyền động của
động cơ 380V/750W. Các kết quả mô phỏng và thử nghiệm được đưa ra để kiểm chứng
hệ thống được đề xuất.
Abstract:
Từ khóa: Biến tần ba pha, FPGA, LabView, SPWM, PWM, SPARTAN 3E,
XILLINX, Điều khiển vị trí, Điều khiển tốc độ.
I.
GIỚI THIỆU
Ngày nay, công nghệ điện tử công suất
đang đóng một vai trò ngày càng quan trọng
tần thường được sử dụng như một thiết bị
quan trọng để chuyển đổi nguồn điện từ DC
sang AC, theo một yêu cầu nhất định về cả
biên độ và tần số [1] - [4]. Luận văn này
hướng đến việc thực hiện một mô hình phần
cứng của biến tần nguồn điện áp ba pha cho hệ
trong tất cả các lĩnh vực năng lượng điện như
phát điện, truyền tải và phân phối đặc biệt là
hệ thống truyền động động cơ AC. Có rất
nhiều nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển và
thiết kế mạch. Trong các hệ thống này, biến
thống điều khiển động cơ AC. Cụ thể, phương
pháp nổi tiếng là điều chế độ rộng xung không
gian (SVPWM), được áp dụng để thiết
kế biến tần ba pha được sử dụng rộng rãi [1] -
[3], [5], [6]. Thuật toán SVPWM không chỉ có
thể điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp
đầu ra mà còn giảm sóng hài, có ảnh hưởng
trực tiếp đến chất lượng của hệ thống điều
khiển động cơ AC [1], [3], [4].
Hình 2.1. Biến tần ba pha điều chế PWM
Đối với nghịch lưu áp ba pha, luật điều chế sẽ
như sau:
- Pha A: (t1a t2a ) /Ts sint
Công nghệ FPGA xuất hiện đã tạo nên
một “làn gió mới” trở thành một giải pháp
hiệu quả trong ứng dụng truyền động điện
hiện đại với những đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật
cao hơn, độ chính xác cao và thời gian. FPGA
có nhiều ưu điểm vượt trội so với các công
nghệ khác và kể cả chi phí, có lợi thế trong
việc canh tranh với thị trường. FPGA là viết
tắt của cụm từ tiếng anh Field -Programmable
Gate Array (mảng cổng lập trình được dạng
trường) là một loại vi mạch tích hợp dùng cấu
trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể
lập trình được.
- Pha B: (t1b t2b ) /Ts sin(t 2 / 3)
- Pha C: (t1c t2c ) /Ts sin(t 2 / 3)
t1 tương ứng với thời gian dẫn điện của
nhóm van anốt chung (T1, T3, T5).
t2 là thời gian dẫn điện của nhóm van
catốt chung (T2,T4, T6).
Đối với PWM, luật điều khiển tối ưu
được thực hiện như sau: Các van trong cùng
một nhóm sẽ được mở cùng một lúc ở thời điển
ban đầu của chu kỳ Ts. Nhưng các van sẽ cùng
được đóng lại ở những thời điểm khác nhau
tương ứng bới luật điều biến (tương ứng với độ
rộng t1 và t2 ). Ngoài ra chu kỳ của tần số
II. BIẾN TẦN BA PHA PWM VÀ
SVPWM
chuyển mạch là như nhau đối với tất cả các
pha. Điều này đảm bảo trong mỗi chu kỳ tần số
chuyển mạch luôn có những đoạn mà điện áp
ra bằng không. Do đó dạng điện áp ra sẽ không
phụ thuộc vào đặc tính của tải và các sóng điều
hòa bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch
sẽ không tồn tại trong điện áp ra của nghịch
lưu.
Trong phần này giới thiệu cơ sở lý
thuyết, trình bày hai phương pháp điều chế độ
rộng xung PWM và phương pháp SVPWM.
Hai phương pháp trên được mô phỏng trên
Matlab – Simulink.
2.1. Biến tần ba pha điều chế PWM
Để xác định khoảng cách chùm xung
điều khiển các van, ta tạo ra một tín hiệu sin
chuẩn U có tấn số bằng tần số mong muốn và
biên độ tỉ lệ với biên độ ra nghịch lưu gọi là
sóng điều biên. Tín hiều này so sánh với tín
hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều so
với tần số sin chuẩn. Giao điểm của hai tín
hiệu này sẽ xác định thời điểm đóng mở van
công suất. Điện áp ra có dạng xung với độ
rộng thay đổi theo từng chu kỳ.
Hình 2.4. Dòng điện Stator khi khởi động
động cơ và khi ổn định động cơ
Hình 2.5. Tốc độ động cơ
Hình 2.2. Điều chế độ rộng sung
Hình 2.6. Momen của động cơ
Hình 2.3. Mô hình PWM trên Matlab –
Với phương pháp điều chế độ rộng xung như
trên, ta có thể điều tốc độ động cơ dễ dàng
bằng cách điều chỉnh tần số sóng Sin, đáp ứng
được yêu cầu điều khiển tốc độ. Tuy nhiên
nhiễu sóng hài bậc cao từ phương pháp này là
khá lớn, ta có thể hạn chế bằng cách lọc nhiễu
Simulink
Vector Vector
Pha điện áp
và tăng tần số xung răng cưa. Ngoài ra hiệu
suất của phương pháp này chưa cao.
điện
điều
khiển
[a b c]
VAN
VBN
VCN
áp
2.2. Biến tần ba pha điều chế SVPWM
Sơ đồ mạch của mô hình được xem xét
của biến tần ba pha SVPWM được thể hiện
trong Hình 2.7. Tầng công suất bao gồm sáu
chuyển mạch (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) và tải
ba pha Za, Zb, Zc) tương ứng với điện áp ba
pha (VAN, VBN, VCN). Vα và Vβ, được sử
dụng để kiểm soát điện áp ba pha của biến tần
[1], [5], Trong mô hình này, nếu giữ điện áp
ba pha lý tưởng, chúng ta có:
V0
V1
[0 0 0]
[1 0 0]
0
0
0
2Vdc/3
−Vdc/ −Vdc/
3
3
Vdc/3
Vdc/3 −2Vd
V2
V3
[1 1 0]
[0 1 0]
c/3
−Vdc/3 2Vdc/3 −Vdc/
3
−2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3
V4
V5
[0 1 1]
[0 0 1]
−Vdc/3
Vdc/3
0
−Vdc/ 2Vdc/
3
3
−2Vdc Vdc/3
V6
V7
[1 0 1]
[1 1 1]
/3
0
0
Bảng 2.1. Vector điều khiển và pha điện áp
Thay vì điều chỉnh vectơ Vs trong cung thứ k,
k = 1, 2 ,. . . , 6, trong khoảng thời gian T,
chúng ta có thể điều chỉnh hai vectơ liên quan
Vk và Vk + 1 trong hai khoảng thời gian tương
ứng Tk và Tk + 1 sao cho Tk + Tk + 1 ≤ T [1] - [3],
[5] - [7], như trong Hình 2.9
Hình 2.7. Sơ đồ biến tần SVPWM ba pha
ꢀ
ꢁꢂ
= ꢀ sin(2ꢄꢅꢃꢆ)
ꢃ
2ꢄ
3
ꢀꢇꢂ = ꢀ sin(2ꢄꢅꢃꢆ −
)
)
ꢃ
4ꢄ
3
ꢀꢈꢂ = ꢀ sin(2ꢄꢅꢃꢆ −
ꢃ
Hình 2.9. Điều chỉnh Vs trong cung thứ k
Trong thực tế, sóng mang được tạo bởi
mô hình PWM (ví dụ: FPGA SPARTAN –
Hình 2.8. Vetor không gian cơ bản và trạng
thái chuyển mạch
3E) là đối xứng. Một ví dụ cho sóng mang này
với tần số fc = 1/T được minh họa trong hình
2.10.
nguồn (Q1, Q2, .., Q6) được mô tả trong Bảng
2.2 [1], [2] , [6]. Chúng tôi kết luận thuật toán
được sử dụng cho biến tần SVPWM như dưới
đây:
- Bước 1: Tính Vs và ∅ dựa trên yêu cầu
của Vα và Vβ.
- Bước 2: Cho một khoảng thời gian T
của sóng mang, tính Tk, Tk + 1 và T0.
- Bước 3: Chỉ định thời gian bật/tắt của
sáu chuyển mạch nguồn như trong Bảng 2.1.
Hình 2.10. Sóng PWM trong cung I
Để có được Vs, chúng ta cần tìm ra các
giá trị của Tk và Tk + 1. Từ hình 2.9, chúng ta
có thể suy ra ba phương trình sau:
Thời gian hoạt
động của Q1, Q3 và động của Q2, Q4
Thời gian hoạt
Cung
Q5
và Q6
TQ2 = T0/2
TQ4 = T1 + T0/2
TQ6 = T1 + T2 +
T0/2
TQ2 = T3 + T0/2
TQ4 = T0/2
TQ6 = T2 + T3 +
T0/2
TQ2 = T3 + T4 +
T0/2
TQ4 = T0/2
TQ6 = T3 + T0/2
TQ2 = T4 + T5 +
T0/2
TQ4 = T5 + T0/2
TQ6 = T0/2
TQ2 = T5 + T0/2
TQ4 = T5 + T6 +
T0/2
TQ6 = T0/2
TQ2 = T0/2
TQ4 = T6 + T7 +
T0/2
I
TQ1 = T1 + T2 +
T0/2
k = 1
TQ3 = T2 + T0/2
TQ5 = T0/2
TQ1 = T2 + T0/2
TQ3 = T2 + T3 +
T0/2
TQ5 = T0/2
TQ1 = T0/2
TQ3 = T3 + T4 +
T0/2
TQ5 = T4 + T0/2
TQ1 = T0/2
TQ3 = T4 + T0/2
TQ5 = T4 + T5 +
T0/2
TQ1 = T6 + T0/2
TQ3 = T0/2
TQ5 = T5 + T6 +
T0/2
ꢉ = ∅ − ꢊꢋꢌ ꢄ
(2.1)
(2.2)
(2.3)
ꢍ
II
k = 2
ꢀ sin ꢏꢐꢍ − ꢉꢑ = ꢓ ꢀꢊ sin ꢏꢐꢍꢑ
ꢒ
ꢎ
ꢒ
ꢒ
ꢀ sin ꢏꢐꢍꢑ = ꢓ ꢔ ꢕ ꢀꢊꢖꢌ sin ꢏꢐꢍꢑ
ꢎ
ꢒ
II
k = 3
Bằng cách thay thế Vk, Vk + 1 bằng 2VDC
/
3, (2.1), (2.2) và (2.3) được viết lại:
ꢍꢒꢘ
ꢗꢊ = √ ꢙ sin ꢏ− ∅ + ꢊꢐꢑ
(2.4)
(2.5)
IV
k = 4
ꢘ
ꢚꢛ
ꢍ
ꢍꢒꢘ
ꢙ sin ꢏ∅ − (ꢊꢋꢌ)ꢐꢑ
√
ꢗꢊꢖꢌ
=
ꢘ
ꢚꢛ
ꢍ
V
k = 5
Cần lưu ý rằng phương pháp trên có thể
tạo ra sóng hình sin với các sóng hài nhỏ khi
Vs ≤ 0,5VDC [2] - [4]. Tuy nhiên, nếu Vs quá
nhỏ, Tk và Tk + 1 rất ngắn, dẫn đến thực tế là T0
trở nên quá dài, và do đó chất lượng của sóng
hình sin không tốt.
VI
k = 6
TQ1 = T6 + T7 +
T0/2
TQ3 = T0/2
TQ5 = T6 + T0/2
TQ6 = T7 + T0/2
Bảng 2.2. Phụ lục chuyển mạch nguồn
Dựa trên các kết quả trong (2.4) và
(2.36), lịch trình điều khiển sáu công tắc
hai 2 phương pháp điều chế độ rộng xung
PWM và điều khiển vector
Trong hệ truyền động điều khiển vị trí
chuyển dịch trong các chỉ tiêu chất lượng
chung người ta quan tâm nhiều đến độ tác
động nhanh của hệ. Điều này có liên quan tới
giản đồ tối ưu về tốc độ ω(t), gia tốc ε(t) và vị
trí φ(t). Để xây dựng hệ điều khiển người ta
dựa trên quy luật tối ưu các tác động nhanh
truyền động điện bằng việc nghiên cứu quỹ
đạo pha chuyển động.
Hình 2.11. Mô hình SVPWM trên MATLAB
Hình 2.12. Dạng sóng dòng điện tần số 50Hz
Hình 2.13. Dạng sóng dòng điện tần số 50Hz
Phương pháp điều chế vector không gian
về cơ bản là phương thức thay thế vector điện
áp ba pha đối xứng thành một vector quay
trong không gian. Như vậy thay vì phải tính
toán trên ba pha ta chỉ cần tính toán trên hệ
trục hai pha theo độ lớn và góc pha của đại
lượng vector quay. Hay nói cách khác, thời
gian đóng mở các van được tính toán hợp lý.
Đây là một phương pháp có tính hiện đại,
phương pháp này có giá trị điện áp tốt và dạng
sóng dòng điện tải gần Sin nhất trong các
phương pháp. Chất lượng điều khiển tốt hơn
so với phương pháp PWM.
Hình 3.1. Lượng điều khiển φw(t).
a.Hàm nhảy cấp; b.Hàm tuyến tính; c.Hàm
parabol
Hệ điều chỉnh vị trí có 2 vòng điều
khiển, vòng điều khiển tốc độ và một điều
khiển vị trí. Vòng điều khiển tốc độ nằm ở
trong. Tín hiệu đặt cho bộ điều khiển vị trí
bao gồm vị trí và chiều. Tín hiệu điều khiển vị
trí sẽ là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển tốc độ.
Hai tín hiệu vị trí và tốc độ đặt sẽ được so
sánh với tín hiệu tốc độ và vị trí thực nhận từ
cảm biến Encoder.
III. PID VỊ TRÍ VÀ TỐC ĐỘ
Phần này trình bày một số vấn đề về hệ
điều chỉnh vị trí động cơ xoay chiều ba pha;
điều chỉnh tốc độ, vị trí động cơ ba pha theo
Hình 3.5. Vòng điều khiển tốc độ.
Hình 3.2. Hệ thống truyền động điều chỉnh
vị trí
Bộ điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn tối
ưu đối xứng:
Đối với bộ điều khiển PID, ta sử dụng
phương pháp Ziegler-Nichols 1 và 2 [11] để
tìm thông số tối ưu Kp, Ki, Kd cho bộ điều
khiển PID tốc độ và PID vị trí.
1 8Ti p
(3.1)
R
pc
32K1K2
Ti 2 p
J
Vòng điều khiển vị trí
Hình 3.6. Vòng điều khiển vị trí.
Tổng hợp hai vòng điều khiển ta được như
sau:
Hình 3.3. Mô hình điều khiển vị trí.
Hình 3.7. Tổng hợp hai mạch vòng
Ta sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols
để tìm thông số tối ưu Kp, Kp cho bộ điều
khiển PID tốc độ và PID vị trí.
Hình 3.4. Vị trí đặt rotor là 50 rad.
Kết quả trên đồ thị ta thấy vị trí của động
cơ được đáp ứng đúng với giá trị đặt. Sau thời
gian khoảng 2 giây vị trí được xác lập. Thử
nghiệm khi có tải tác động đến vị trí, ở khoảng
thời gian 3 giây, tải tác động vào động cơ, vị
trí bị thay đổi nhưng sau 0.5 giây vị trị được
điều chỉnh lại vị trí ban đầu.
Vòng điều khiển tốc độ
Hình 3.8. Mô hình điều khiển tốc độ và vị trí
Hình 4. 2. Sóng sin ngõ ra và xung tam giác
để lấy mẫu.
Hình 3.9. Vị trí đặt là 30 rad
Vị trí của rotor đáp ứng tốt với vị trí đặt
là rad và 30 rad. Trong mô phỏng, sau 3 giây
tiến hành đóng tải để làm sai lệch vị trí. Sau
khoảng thời gian 1 giây vị trí rotor được điều
chỉnh trở lại vị trí đặt ban đầu nhanh và chính
xác.
Hình 4.3. Xung vuông ngõ ra chân FPGA
Ban đầu lúc khởi động phần mềm sẽ
tăng tần số từ 0 lên 100Hz để động cơ đạt
tốc độ tối đa 1500 vòng/phút. Khi về gần vị
trí đặt phần mềm sẽ giảm dần tần số từ
100Hz về 0Hz để động cơ dừng hẳn. Do sai
số từ các hệ số của bộ PID nên động cơ có
dao động quanh vị trí cân bằng một thời
gian. Từ lúc khởi động đến lúc đạt vị trí đặt
là 2.5 giây.
IV. KẾT QUẢ
Thực nghiệm ở góc đặt là 3600 độ
(tương ứng với 10 vòng quay). Phần mềm
tính toán ra số xung cần đạt được là 1600
(với encoder được chọn 160 xung), tần số
đặt là 100Hz. Tốc độ tối đa là 1500
vòng/phút (25 vòng/giây).
V. KẾT LUẬN
Bài báo đã đưa ra cơ sở lý thuyết và mô
hình hóa mô phỏng trên Matlab các phương
pháp điều chế PWM và SVPWM. Kết quả mô
phỏng phù hợp với thực tế.
Bên cạnh đó bài báo đã phân tích bộ PID
điều khiển tốc độ, vị trí và mô phỏng trên
Matlab từ đó kết hợp với việc điều chế PWM
để xây dựng mô hình hoàn chỉnh điều khiển
tốc độ vị trí dùng FPGA.
Hình 4.1. Thông số ban đầu
Từ đó xây dựng mô hình thực nghiệm
cho ra kết quả thực tế và so sánh với mô hình
mô phỏng lý thuyết. Kết quả thực tế còn sai
lệch so với mô phỏng do chất lượng linh kiện,
các hệ số của bộ PID số chưa được chính xác.
PWM Algorithm,” International Journal of
Engineering and Technology Vol.1, No.3,
pp.208-212, August 2009.
[6]
J. Y.Ying, M. L. Liang, W. X. Dong,
Y. S. Cai and Z. H. Xing, ”Application and
Simulation of SPWM three phase inverter,”
The 16th, International Forum on Strategic
Technology, pp.541-544, 2011.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
K. V. Kumar, P. A. Michael, J. P.John
[7]
Z. Li, L. Hefei, ”Modeling and
and S.S. Kumar, ”Simulation and Comparision
of SPWM and SVPWM Control for Three
phase Inverter,” ARPN Journal of Engineering
and Applied Sciences, Vol.5, no.7, pp.61- 74,
July 2010.
Simulating of SPWM control system
Induction Motor in Electric Vehicle,”
Proceeding of the IEEE International
Conference on Automation and Logistics,
Qingdao China, pp.2026-2030, September
2008.
[2]
K. L. Zhou and D. W. Wang,
vector
”Relationship between space
–
[8]
on SVPWM with Inverter Deadtime of
Permanent Synchronuos Motor Drive
System,”ICICTA, pp.711- 714, 2011.
[9] D. O. Neacsu, ”Space Vector
W. Bao-jun, W. Jia-jun, ”Researches
modulation and three - phase carrier - based
PWM a comprehensive analysis,” IEEE
Transactions on Industrial Electronics,
Vol.49, No.1, pp.186-196, February 2002.
[3]
Zh. Yu, A. Mohammed and I. Panahi,
Modulation - An Introducton,” The 27th
Annual Conference of the IEEE Industrial
Electronics Society, pp.1583- 1592, 2001.
”A Review of Three SVPWM Techniques,”
Proceedings of the American Control
Conference Albuquerque, New Mexico,
pp.257-261, June 1997.
[10]
Microchip
Technology
Inc,
”dsPIC30F4011/4012 Data sheet, High
Performance Digital Signal Cotroller,” pp.1-
232, 2007 1186
[4]
T. Huang, Zh.D. Yin, R.Zh. Shan ”A
New Dynamic Voltage-Var Compensator
Based on SVPWM,” International Conference
on Energy and Environment Technology,
pp.15-18, 2009.
[11] A. Begum, G. Marutheswar and K.
Swamy. "Tuning of PID controller for
Superheated Steam Temperature System using
Modified Zeigler-Nichols Tuning Algorithm."
[5]
P. A. Michael, N. Devarajan, ”FPGA
Implementation of Multilevel Space Vector
International Journal of Engineering and
Advanced Technology, vol. 2, 2013.
[12] Xilinx (2006), Spartan-3E Starter Kit
Board User Guide.
FPGA Module and the Spartan-3E Starter
Board.
[13] National
Instruments
Corporation
(2007), Getting Started with the LabVIEW
Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách
nhiệm bài viết):
XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ
HƯỚNG DẪN
Họ tên: Nguyễn Hoàng Viên
Đơn vị: Trường Cao Đẳng Công Thương Miền
Trung
Điện thoại: 0964977367
10 trang
09/01/2024
25242
Free
Bạn đang xem tài liệu "Điều khiển tốc độ và vị trí động cơ không đồng bộ ba pha dùng FPGA", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- dieu_khien_toc_do_va_vi_tri_dong_co_khong_dong_bo_ba_pha_dun.pdf
