Nghiên cứu và ứng dụng fpga trong điều khiển tốc độ động cơ 3 pha không đồng bộ sử dụng phương pháp sin pwm

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 82 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG FPGA TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 3 PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP SIN PWM RESEARCH ON FPGA AND FPGA BASED ON SPEED CONTROL OF 3 PHASE AC INDUCTION BY USING SINUSOIDAL PWM SVTH: Lê Ngọc Việt Linh, Hồ Trọng Nghĩa, Lê Văn Long Lớp 05D3A, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa GVHD: ThS. Nguyễn Văn Tấn Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Mảng cổng khả trình dạng trường (FPGA) của Xilinx vào điều khiển tốc độ động cơ 3 pha bằng phương pháp Sin PWM. Xilinx FPGA là một thiết bị logic khả trình được phát triển bởi Xilinx, được xem là thiết bị phần cứng hiệu quá trong lĩnh vực thiết kế tạo mẫu. Đề tài sử dụng Xilinx FPGA SPARTAN XC3S100E để tạo tín hiệu Sin PWM dùng trong lĩnh vực điều khiển tốc độ động cơ. ABSTRACT This project presents a Xilinx Field Programmable Gate Array (FPGA) based speed control of AC Induction using sinusoidal PWM technique. Xilinx FPGA is a programmable logic device developed by Xilinx which is considered as an efficient hardware for the rapid prototyping. This project used Xilinx FPGA SPARTAN XC3S100E to generate Sinusoidal PWM signals to control the AC Induction Motor. 1. Lời mở đầu Phương pháp điều biến độ rộng xung Sin (Sinusoidal Pulse Width Modulation - SinPWM) và Điều biên độ rộng xung Vectơ không gian là những phương pháp phổ biến nhất trong lĩnh vực điều khiển động cơ xoay chiều. Cùng với sự thành công trong việc tăng cường độ tin cậy và khả năng hoạt động, công nghệ điều khiển số đã vượt qua điều khiển tương tự. Những ưu thế của điều khiển số đó là: 1 Khả năng tái cấu hình 2 Khả năng tùy chỉnh chế độ năng lượng 3 Ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài 4 Ít nhạy cảm hơn với sự thay đổi nhiệt độ Thực tế thì vi xử lý đã được ứng dụng để tạo ra bộ PWM gần như đạt đến mức qui chuẩn. Lĩnh vực điều khiển số sử dụng vi xử lý [1] có những ưu thế về tính linh hoạt, độ tin cậy cao và giá thành rẻ. Nhưng đối với những yêu cầu điều khiển khắt khe của những hệ thống hiện đại thì phần lớn những vi xử lý đều không đáp ứng nổi về tốc độ tính toán. Các bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signals Processors) và vi điều khiển cũng được dùng trong những ứng dụng điều khiển số. Thế nhưng các bộ xử lý tín hiệu số và vi điều Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 83 khiển đã không còn theo kịp với những ứng dụng mới đòi hỏi hiệu suất cao hơn và linh hoạt hơn mà không tăng chi phí và tài nguyên. Xa hơn nữa vi xử lý, vi điều khiển và các bộ xử lý tín hiệu số là những “cỗ máy” tuần tự, thực thi nhiệm vụ một cách tuần tự thế nên cần đến thời gian lâu hơn để hoàn thành những nhiệm vụ. Công nghệ ASIC cung cấp một giải pháp về tốc độ và giá thành hạ cho những ứng dụng riêng có thị trường rộng lớn. Sự tiến bộ của công nghệ làm cho vòng đời của phần lớn các sản phẩm điện tử hiện đại ngắn lại so với chu kì thiết kế. Sự phát triển của FPGA đã mở ra một hướng mới vừa có thể rút ngắn chu kì thiết kế và giảm thiểu chi phí. Sự đơn giản và khả năng lập trình được của FPGA đã làm cho công nghệ này trả thành lựa chọn ưu thích khi thiết kế tạo mẫu cho hệ thống số. Khi so sánh về tính năng điều khiển và hoạt động thì bộ điều khiển PWM dùng công nghệ FPGA tốt hơn so với DSPs [2]. 2. Phƣơng pháp điều biến độ rộng xung Sin (Sin PWM) Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp điều biến độ rộng xung Sin (SPWM), ta sử dụng một tín hiệu tín hiệu sin chuẩn Vref gọi (sóng mẫu) như ở hình 1. Sóng tam giác tần số cao (Vc) như hình 2 gọi là sóng mang. Sóng mang tần số cao được đem so sánh với tín hiệu sóng sin mẫu, giao điểm chính là thời điểm chuyển trạng thái. Nếu biên độ Vref lớn hơn Vc thì tín hiệu ra ở mức cao, ngược lại thì tín hiệu ra là mức thấp. Tín hiệu ra của xung điều khiển SPWM được thấy như ở Hình 3. 3. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống Sơ đồ khối tổng quát bao bao gồm bộ điều khiển FPGA để tạo nên tín hiệu SPWM, mạch cách ly để bảo vệ cho bộ Kit, mạch nghịch lưu chuyển đổi điện áp từ DC sang AC, Encoder hồi tiếp tốc độ và động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ. Sơ đồ khối được mô tả như hình 4. Mạch cách ly sử dụng để cách ly giữa bộ điều khiển FPGA và bộ nghịch lưu PWM. Ngõ ra của FPGA điện áp được tạo ra là 3,3V, vì thế cần phải cách ly với những mạch sử dụng điện áp cao hơn. Hình 1. Sóng Sin lây mẫu Hình 2. Sóng mang có tần số cao Hình 3. Tín hiệu SPWM Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 84 Hình 4. Sơ đồ mô tả hệ thống 4. FPGA controller Bộ điều khiển FPGA tạo ra sóng Sin mẫu và sóng mang có tấn số cao. Sóng mang được đem so sánh với sóng Sin mẫu để tạo ra tín hiệu SPWM. Hệ thống bao gồm: khối Sine Wave Generator tạo sóng sine, khối PWM Unit tạo xung điều khiển, khối Debounce chống nảy khi ấn nút điều khiển, khối Speed motor hiển thị tốc độ động cơ trên 4 led 7 đoạn (Hình 5). Hình 5: Các khối logic trong điều khiển động cơ 3 pha không đồng bộ 4.1. Pulse Width Modulators Unit (PWM) Khối PWM bao gồm khối Clock Divider, khối Counter và 3 khối Compare dùng để tạo ra xung điều khiển cung cấp cho mạch nghịch lưu (Hình 6). Hình 6: Các khối logic trong PWM Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 85 Tần số PWM 4881,8125 hz. Một khối Compare dùng cho một pha sẽ so sánh giá trị khối Counter với giá trị từ Sine Wave Generator. Để chắc rằng xung điều khiển Top và Bottom của cùng 1 pha không được set lên đồng thời, ta thêm vào 1 khoảng thời gian trễ deadband giữa Top và Bottom. Xung điều khiển Top sẽ được set lên mức 1 khi giá trị đếm ≥ giá trị so sánh + (Deadband/2) và Bottom sẽ được set lên mức 1 khi giá trị đếm < giá trị so sánh - (Deadband/2) (Hình 7). Hình 7: PWM khi được thêm Deadband 4.2. Sine Wave Generator Khối Sine Wave Generator đọc lần lượt giá trị từ bảng Sine Lookup Tables và nạp vào bộ PWM. Bảng Sine Lookup Tables gồm 256 giá trị, mỗi giá trị có độ rộng 16 bits. Tuy nhiên, tần số sóng Sine phụ thuộc vào giá trị trong bộ Sine Table. Để khắc phục hạn chế này ta sử dụng phương pháp nội suy tuyến tính, 16 bits được dùng để ghi giá trị của bảng, 8 bits cao được dùng để lưu giá trị hiện thời và 8 bits thấp dùng để nội suy 256 giá trị giữa giá trị hiện thời và giá trị kế tiếp. 4.3. Speed Motor Khối Speed Motor đếm số xung từ Encoder trong 0,25 (s), sau đó thực hiện chuyển từ số nhị phân sang số thập phân, qua bộ dồn kênh hiển thị tốc độ động cơ (vòng/ phút) ra 4 Led 7 đoạn. 4.4. Mô phỏng bằng Model Sim Hình 8: Chương trình mô phỏng bằng Model Sim Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 86 5. Kết luận Đề tài nghiên cứu về một công nghệ mới, một lĩnh vực mới đối với nhóm tác giả nói riêng và các bạn sinh viên nói chung. Qua quá trình nghiên cứu nhóm tác giả thấy đề tài mở ra nhiều hướng phát triển như: Xây dựng mạch động lực điều khiển động cơ 3 pha không đồng bộ theo phương pháp điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín, đồng thời tiến đến việc giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như chuột, bàn phím, màn hình. Trong các hệ truyền động phức tạp (ứng dụng các thuật toán nâng cao) ta có thể mô phỏng hệ thống bằng thư viện Xilinx System Generator nhúng trong Simulink của Matlab, sau đó tạo ra file nguồn để cấu hình cho FPGA. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B. N. Mwinyiwiwa, Z.Wolanski, and B. T. Ooi (1997) “ Mirco processor implemented SPWM for multiconverters with phase – shifted triangle carriers” IEEE – IAS Annu. Meeting (11 - 1997), NewOrlean, tr. 1542 – 1549 [2] A. Fratta, G.Griffero and S. Nieddu, “Comparative Analysis among DSP and FPGA - based Control Capabilities in PWM Power Converters” (2004), the 30th Annual Cofenrence of the IEEE Industrial, Electronics Society (11-2004).