Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu phát triển chip cho hệ điều khiển tựa từ thông rotor động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu phát triển chip cho hệ điều khiển tựa từ thông rotor động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA" nhằm thiết kế chip điều khiển mạch vòng dòng điện cho động cơ xoay chiều ba pha; phát triển thiết kế phần cứng/ phần mềm của thuật toán điều khiển dựa trên nền tảng FPGA; thiết kế cấu trúc điều khiển bền vững cho động cơ xoay chiều ba pha sử dụng thuật toán kháng nhiễu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu phát triển chip cho hệ điều khiển tựa từ thông rotor động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ NAM DƯƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CHIP CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Vũ Hoàng Phương 2. PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Phản biện 2: PGS.TS Trần Xuân Minh Phản biện 3: PGS.TS Phạm Tâm Thành Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 8h30 giờ, ngày 28 tháng 12 năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Lê Nam Dương, Nguyễn Văn Liễn (2017) “Giải pháp chip chuyên dụng điều khiển dòng stator cho động cơ xoay chiều ba pha kiểu nguyên lý tựa theo từ thông rotor”, Hội nghị triển lãm quốc tế lần thứ 4 về Điều khiển và Tự động hóa (VCCA – 2017), Tp. Hồ Chí Minh 12 -2017 [2] Trần Văn Phương, Bùi Đăng Quang, Lê Nam Dương, Nguyễn Quang Địch (2019) “Xây dựng hệ thống thử nghiệm cho hệ truyền động nam châm vĩnh cửu”, Hội nghị triển lãm quốc tế lần thứ 5 về Điều khiển và Tự động hóa (VCCA – 2019), Hà Nội, 11-2019. [3] Le Nam Duong, Vu Hoang Phuong, Nguyen Văn Lien, Tran Trong Minh, (2021) “ A Modified Deadbeat Current Controller for Field Oriented Induction Motor Drivers”, The 2021 International Conference on System Science and Engineering (ICSSE), Ho Chi Minh, Viet Nam, pp 241- 2458 August 2021 [4] Tung Duong Do, Nam Duong Le, Vu Hoang Phuong, Nguyen Tung Lam (2022)“Implementation of FOC Algorithm Using FPGA for GaN-based Three Phase Induction Motor Drive”, Bulletin of Electrical Engineering and Informatics Vol. 11, No. 2, April 2022, pp. 636~645. [5] Nam Duong Le, Le Quang Linh, Nguyen Tien Huy Cong, Phuong Vu, Tung Lam Nguyen, (2023) “Field- programmable gate array based Field Oriented Control for PMSM Drive”, TELKOMNIKA Telecommunication Computing Electronics and Control, Vol. 21, No. 2, April 2023, pp. 448~458.
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong suốt 20 năm qua, việc điều khiển các hệ thống điện công nghiệp đặc biệt là các động cơ xoay chiều ba pha đã được tập trung vào các nghiên cứu quan trọng và đã đạt được nhiều cải tiến đáng kể. Sự phát triển này chủ yếu xuất phát từ cuộc cách mạng công nghệ dẫn đến sự xuất hiện của các thành phần mạnh mẽ cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển ngày càng phức tạp hơn. Với việc cải thiện độ tin cậy và hiệu suất của công nghệ số, điều khiển số đã chiếm ưu thế hơn điều khiển tương tự. Thật vậy, so với điều khiển tương tự truyền thống, điều khiển số mang lại nhiều lợi ích như tính mềm dẻo trong việc chỉnh sửa các chương trình điều khiển, thích ứng với các hệ thống và các điều kiện vận hành khác nhau, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu, và không nhạy với sự thay đổi của các tham số thành phần. Ngày nay, điều khiển số chủ yếu được thực hiện với vi điều khiển (µP) hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP) do tính mềm dẻo của phần mềm và chi phí thấp. Do đó các bộ điều khiển DSP được nhiều kỹ sư coi là một giải pháp thích hợp các thành phần này có một đơn vị logic toán học đặc biệt dành riêng cho tính toán theo thời gian thực. Chúng cũng tích hợp các thiết bị ngoại vi như bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số (ADCs) và các timer, phù hợp với yêu cầu điều khiển của các động cơ điện. Tuy nhiên, một số ưu điểm của điều khiển tương tự vẫn còn rất khó khăn để thay thế, chẳng hạn như tính chính xác, và nhất là sự chậm trễ vòng lặp phản hồi. Trên thực tế, mặc dù các chương trình đa xử lý hoặc các bộ xử lý DSP hiệu suất cao có thể giải quyết vấn đề này nhưng chúng vẫn còn giới hạn đối với các cấu trúc thuật toán phức tạp và chi phí của chúng có thể vượt quá lợi ích mà chúng mang lại. Mảng cổng lập trình (FPGA) cũng có thể được xem như là một giải pháp thích hợp để tăng hiệu suất của các bộ điều khiển và giảm khoảng cách giữa điều khiển tương tự và điều khiển số. Khi kết hợp với ADC nhanh, khả năng tính toán nhanh của FPGA cho phép tính toán thời gian thực vài micro giây của các thuật toán điều khiển bất 1
kể sự phức tạp của chúng. Mặt khác, FPGA cho phép phát triển kiến trúc điều khiển thích nghi tốt với các tần số lấy mẫu khác nhau. Đồng thời chúng cho phép thực hiện các chức năng điều khiển khác nhau được tích hợp toàn bộ hệ thống trên chip (SoC). Kết quả là, FPGA phát triển cho các ứng dụng động cơ điện và đã được ứng dụng thành công trong việc điều khiển bộ biến đổi độ rộng xung (PWM), các động cơ điện và thậm chí với hệ thống điều khiển đa thiết bị. Hơn nữa, giống như DSP, FPGA có thành phần chi phí rất thấp. Ngày nay, việc thu nhỏ, giảm khối lượng và điện khí hóa các động cơ hiện có dẫn đến việc sử dụng các động cơ quay rất nhanh 10- 100.000 vòng/phút. Các ứng dụng bao gồm xe điện, e-turbo, UAV, dụng cụ phẫu thuật và máy bơm tốc độ cao. Để có độ phân giải và điều khiển đầy đủ các dòng điện được áp dụng cho động cơ ở các tốc độ này, tần số của PWM và cập nhật điều khiển cần phải tăng từ khoảng 10kHz đến khoảng 200kHz. Các van bán dẫn IGBT được sử dụng trong bộ biến tần công suất cỡ trung bình không chuyển đổi đủ nhanh hoặc đủ hiệu quả để hỗ trợ PWM 100kHz. Bán dẫn chuyển mạch MOSFET đã có khả năng chuyển đổi ở các tần số này và được sử dụng trong các bộ chuyển đổi công suất nhỏ như bộ chuyển đổi DC-DC và bộ truyền động động cơ nhỏ, nhưng chúng không thích hợp cho các ứng dụng công suất cao. Các thiết bị bán dẫn băng thông rộng dựa trên SiC và GaN đang được phát triển nhanh chóng và đạt được tổn thất khi chuyển mạch và điện trở rất thấp cũng như khả năng công suất cao hơn. Các thiết bị này sẽ cho phéo chuyển mạch ở tần số cao, để chế tạo các bộ điều khiển tần số cao cần thiết cho truyền động tốc độ. Với những phân tích trên, để giải quyết các vấn đề phát sinh từ cách tiếp cận DSP và vi điều khiển truyền thống, một phương pháp điều khiển phần cứng mới được phát triển là rất cần thiết cho các ứng dụng truyền động điện mật độ công suất cao. Trong luận án này, tác giả tập trung vào nghiên cứu, thiết kế Chip điều khiển tựa theo từ thông rotor cho động cơ xoay chiều ba pha dựa trên FPGA ứng dụng cho động cơ có mật độ công suất cao. 2
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, động cơ có mật độ công suất cao Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu, thiết kế Chip điều khiển cho động cơ xoay chiều ba pha. - Thiết kế các thuật toán điều khiển dựa trên FPGA - Xây dựng cấu trúc điều khiển bên vững cho động cơ xoay chiều ba pha sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu. 3. Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế chip điều khiển mạch vòng dòng điện cho động cơ xoay chiều ba pha. - Phát triển thiết kế phần cứng / phần mềm của thuật toán điều khiển dựa trên nền tảng FPGA - Thiết kế cấu trúc điều khiển bền vững cho động cơ xoay chiều ba pha sử dụng thuật toán kháng nhiễu 4. Phương pháp nghiên cứu + Tổng hợp phương pháp thiết kế điều khiển dòng điện tựa theo từ thông rotor cho động cơ xoay chiều ba pha dựa trên nền tảng FPGA. + Thiết kế bộ điều khiển kháng nhiễu cho truyền động động cơ xoay chiều ba pha + Mô phỏng off-line Matlab/Simulink, mô phỏng thời gian thực HIL. 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án có những đóng góp mới như sau: - Nghiên cứu, thiết kế thành công Chip điều khiển dòng điện tựa từ thông rotor động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA đáp ứng được các yêu cầu đề ra. - Phát triển một quy trình thiết kế chip hiệu quả để điều khiển dựa trên FPGA cho động cơ xoay chiều ba pha với việc giảm 3
đáng kể sử dụng tài nguyên, thời gian thực thi và nâng cao hiệu suất điều khiển. - Đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững cho động cơ xoay chiều ba pha sử dụng bộ điều khiển kháng nhiễu. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a, Ý nghĩa khoa học: Đề tài tổng hợp, đánh giá phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển hệ truyền động FOC có khả năng ứng dụng thực tiễn. Bên cạnh đó đưa ra giải pháp và đánh giá cấu trúc điều khiển FOC cho động cơ xoay chiều ba pha trên nền tảng FPGA. Tính đúng đắn của lý thuyết được minh chứng bằng mô phỏng off-line, mô phỏng thời gian thực HIL. b, Ý nghĩa thực tiễn: Với kết quả nghiên cứu của đề tài có thể góp phần hoàn thiện một giải pháp điều khiển mới cho đồng cơ xoay chiều ba pha bằng chip chuyên dụng, khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp điều khiển kinh điển, từ đó mở ra một tiềm năng áp dụng cài đặt thuật toán điều khiển vào các thiết bị thương mại, nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động điện xoay chiều ba pha. 7. Bố cục và nội dung của luận án Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau: Chương 1: trình bày tổng quan về phương pháp điều khiển phương pháp điều khiển FOC có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong nghiệp. Sau đó đã đưa ra phân tích phương pháp điều khiển cho các mạch vòng điều chỉnh (dòng stator, từ thông và tốc độ) trên nền tảng DSP và FPGA. Dựa trên đặc điểm về đối tượng, tìm hiểu và đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan đến DSP và FPGA, với các ưu nhược điểm và các kết quả, qua đó lựa chọn nền tảng công nghệ thiết kế phương pháp điều khiển phù hợp cho đối tượng luận án. 4
Chương 2: trình bày về cấu trúc chung của một FPGA trong đó các phần tử FPGA quan trọng và phù hợp nhất được trình bày, sự đóng góp và ứng dụng của FPGA trong lĩnh vực điện tử công suất và các ứng dụng điều khiển, đặc biệt trong trường hợp các thuật toán điều khiển phức tạp. Ưu điểm của việc sử dụng FPGA trong lĩnh vực này cũng như các ràng buộc triển khai để quản lý đều được tập trung vào. Cuối cùng, một phương pháp thiết kế FPGA dành riêng cho các ứng dụng truyền động và điện tử công suất sẽ được thảo luận. Chương 3: trình bày phương pháp thiết kế và triển khai bộ điều khiển mạch vòng dòng điện trên FPGA có thể lập trình được. Trước hết, một phương pháp máy trạng thái hữu hạn tuần tự (FSM) được đề xuất và chỉ ra cách thực hiện các phép toán và tính toán hàm trên FPGA. Phương pháp này sẽ được áp dụng cho thiết kế VHDL (ngôn ngữ mô tả phần cứng-mạch tích hợp tốc độ rất cao) cho các thuật toán điều khiển trong luận án này. Chương 4: phân tích các ưu nhược điểm của bộ điều khiển PI khi có nhiễu tác động, vào hệ điều khiển động cơ xoay chiều ba pha theo cấu trúc FOC. Từ đó đưa ra đề xuất các phương pháp điều khiển nâng cao có khả năng loại bỏ các nhiễu này. Bộ kháng nhiễu là một trong những phương pháp điều khiển nâng cao hiệu quả mà chương này sẽ đi vào thiết kế bộ kháng nhiễu hỗ trợ điều khiển PI. Các kết quả mô phỏng sẽ được trình bày và so sánh với cấu trúc điều khiển PI để thấy rõ hiệu quả của việc sử dụng bộ kháng nhiễu này. Thông số động cơ xoay chiều ba pha, Thông số mô phỏng thời gian thực HIL, các thiết kế bộ điều khiển dòng stator, tốc độ được trích dẫn trong phụ lục. Phần cuối là kết luận và kiến nghị của luận án. 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ THỰC THI CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 1.1 Đặt vấn đề Lĩnh vực điều khiển truyền động điện đã được mở rộng nhanh chóng trong những năm gần đây, chủ yếu nhờ những thành tựu về công nghệ chất bán dẫn cho cả điện tử công suất và tín hiệu. Những cải tiến về công nghệ đã mở đường cho những thiết kế truyền động thực sự hiệu quả. Các thuật toán điều khiển truyền động trở nên chính xác và mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Các động cơ AC được điều khiển bằng vector đã chiếm được một phần nào từ những thành tựu này [12]. Như đã biết, động cơ xoay chiều điều khiển vectơ có được hầu hết mọi ưu điểm của động cơ một chiều điều khiển bằng bộ biến đổi mà lại loại bỏ được chuyển mạch cơ khí. Mặt khác, cấu trúc điều khiển này mang lại hiệu suất động cao bằng cách đạt được trạng thái ổn định tốt hơn [1,6]. Điều khiển động cơ thông thường sử dụng vi điều khiển hoặc chip xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) để thực hiện tất cả các thuật toán [3,69,72]. Chúng có một số ưu điểm, chẳng hạn như dễ lập trình và khả năng cung cấp bộ tạo điều chế độ rộng xung (PWM). Tuy nhiên, chúng phải thực hiện tất cả các thuật toán theo trình tự tuần tự, do đó giới hạn tốc độ tính toán của thuật toán. Để giải quyết vấn đề này, hiện nay, cách tiếp cận đa CPU được sử dụng trong một số ứng dụng []. Điều này tất yếu dẫn đến việc kiểm soát phức tạp và tăng chi phí. Ngày nay, Mảng cổng lập trình hiện trường (FPGA) đã được sử dụng rộng rãi như một thành phần quan trọng trong việc triển khai các bộ xử lý hiệu suất cao. Tốc độ, kích thước, số lượng đầu vào và đầu ra của FPGA hiện vượt xa tốc độ của bộ vi xử lý hoặc bộ xử lý DSP. FPGA là lựa chọn lý tưởng để tạo ra các bộ xử lý hiệu suất cao với khả năng triển khai các kiến trúc số học song song cao [34]. Mặc dù công nghệ của bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) có sẵn cho các ứng dụng điều khiển động cơ xoay chiều kỹ thuật số [8], nhưng việc sử dụng ASIC và FPGA trong điều khiển động cơ và các ứng dụng 6
khác trở nên phổ biến nhờ các thành tựu trong mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC) và mảng cổng lập trình trường (FPGA) [9]. Ban đầu, FPGA được giới thiệu vào năm 1984 chỉ cung cấp giao diện ngoại vi cho các bộ xử lý chính. Nhưng hiện nay chúng bắt đầu được sử dụng trong các nhiệm vụ khác nhau, từ bộ điều khiển chính trong các ứng dụng điều khiển động cơ, đến điều khiển toàn bộ hệ thống [45,56 ]. Trong lĩnh vực điều khiển hiệu suất cao, việc sử dụng công nghệ thực thi phần cứng dựa trên FPGA đã trở thành một phương pháp thiết kế mới được ưa chuộng. So với việc sử dụng công nghệ DSP, phương pháp này cung cấp khả năng linh hoạt và hiệu suất cao hơn và không làm cạn kiệt tài nguyên của CPU. FPGA chỉ là một tập hợ hợp các ô tiêu chuẩn không có chức năng cụ thể nào, nhưng do có thể lập trình trường và tái sử dụng các lõi IP, người dùng có thể thiết kế ASIC của riêng mình theo sơ đồ của họ với các công cụ định tuyến và định vị chuyên nghiệp trong thười gian ngắn nhất. Việc sử dụng FPGA cho phép hệ thống đạt được mức tốc độ và độ chính xác cao hơn bằng cách thực hiện xử lý song song bằng chế độ phần cứng mà không chiếm dụng nhiều bộ nhớ CPU. Trong [33], bộ điều khiển dòng điện kỹ thuật số được thiết kế tích hợp cả bộ điều chế Δ phi tuyến và bộ điều chỉnh PI tuyến tính và có thể thu được băng thông rất cao (điều này này chính là yêu cầu của mạch vòng dòng điện vì nó yêu cầu tính động học cao để đảm bảo tính chính xác trong điều khiển dòng điện trong hệ thống FOC). Để giải quyết những vấn đề trên Nếu FPGA có CPU tích hợp, tất cả các bộ điều khiển này có thể thực hiện chỉ với một chip duy nhất, dẫn đến một hệ thống trên chip (SoC) thực, đây là xu hướng quan trọng của thiết kế tích hợp điều khiển chuyển động hiệu suất cao. Điều này giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí cho hệ thống điều khiển chuyển động, đồng thời tăng tính linh hoạt trong thiết kế và phát triển sản phẩm. Để đạt được mục đích nghiên cứu, đầu tiên tác giả tổng quát các phương pháp, cấu trúc điều khiển và đánh giá những vấn đề còn tồn tại, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế chế tạo CHIP cho mạch vòng 7
dòng stator, tốc độ và đề xuất giải pháp thiết kế chip điều khiển phù hợp cho hệ truyền động động cơ xoay chiều ba pha dựa trên FPGA. Tính đúng đắn của kết quả nghiên cứu lý thuyết được minh chứng qua mô phỏng offline và thời gian thực HIL. 1.2 Giải pháp thiết kế các bộ điều khiển Động cơ xoay chiều ba pha có cấu trúc phức tạp và đã gây khó khăn đáng kể cho việc mô tả toán học đặc điểm cách ly để có thể điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng điện mạch kích từ) và dòng tạo moment quay (dòng mạch điện phần ứng). Phương pháp tựa theo từ thông rotor tạo ra một công cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo moment quay từ dòng điện xoay chiều 3 pha chảy trong cuộn dây stator của động cơ. Hệ truyền động điều khiển theo phương pháp tựa từ thông rotor chính là hệ hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển cách ly các thành phần dòng kể trên nhờ mạch vòng điều chỉnh dòng stator. Phương thức điều khiển tựa từ thông rotor thuộc lớp các phương pháp điều khiển vector đối với máy điện [11]. Với hệ truyền động điều khiển vector làm việc theo nguyên lý tựa từ thông rotor (FOC), là nguyên lý điều khiển vật lý được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống truyền động XC3P hiện đại. Đến nay, truyền động XC3P với nguyên lý nền tảng là FOC đã đạt đến mức độ gần như hoàn thiện. Về mặt nghiên cứu lý thuyết, nguyên lý này tạo ra một công cụ cho phép nhìn nhận các động cơ XC3P có cùng bản chất vật lí (tạo từ thông và mô-men quay) với động cơ MCKTĐL, nhờ vậy kế thừa được các thành tựu của truyền động điện một chiều. Có thể nói FOC vẽ ra một bức tranh tổng quan về mặt cấu trúc phân tầng điều khiển khi tiếp cận với một hệ truyền động, chuyển động sử dụng máy điện xoay chiều ba pha. Trên cơ sở đó, người thiết kế tương đối thoải mái trong việc lựa chọn một luật điều khiển chi tiết để giải quyết bài toán bám cho từng mạch vòng. Cấu trúc FOC phù hợp với bản chất vật lý của máy điện, trong khi các phương pháp điều khiển đảm bảo sự ổn định cho hệ thống về mặt toán học. Sự kết hợp đó giúp cho FOC sở hữu ưu thế vượt trội so với 8
các phương pháp khác về chất lượng điều khiển, rõ nét nhất là chỉ tiêu sóng hài trong mô-men quay. Trên thực tế phương pháp điều khiển FOC là đạt được tỷ trọng đáng kể trong các sản phẩm thương mại, đặc biệt là trong truyền động điện servo. Với tính hiệu quả và linh hoạt như vậy, FOC dành được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu lý thuyết cũng như người làm ứng dụng. 1.3 Công nghệ DSP trong điều khiển động cơ xoay chiều ba pha 1.4 Công nghệ FPGA trong điều khiển động cơ xoay chiều ba pha 1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án Qua tổng kết các công trình nghiên cứu cấu trúc điều khiển FOC cho hệ truyền động động cơ xoay chiều ba pha dựa trên công nghệ DSP và FPGA, tác giả xác định các nhiệm vụ để đạt được mục tiêu đó là: - Thiết kế chip điều khiển vector dựa trên FPGA cho các động cơ xoay chiều ba pha. - Xây dựng mô phỏng Matlab/Simulink, hệ thống thực nghiệm, kiểm chứng tính đúng đắn của các cấu trúc điều khiển truyền động động cơ dựa trên FPGA. Kiểm chứng một phần thông qua hệ thống mô phỏng thời gian thực (HIL) cho các thuật toán điều khiển truyền động động cơ. 1.6 Kết luận chương 1 Nội dung chương một đã thực hiện: - Trình bày khái quát về mô hình toán học và nguyên lý điều khiển vector cho động cơ xoay chiều ba pha. - Phân tích công nghệ DSP trong điều khiển vector cho động cơ xoay chiều ba pha, qua đó đánh giá ưu nhước điểm của DSP trong các ứng dụng cụ thể. - Phân tích công nghệ FPGA trong điều khiển vector cho động cơ xoay chiều ba pha, và xác định hướng nghiên cứu thiết kế chip điều khiển tựa theo từ thông rotor trong hệ truyền động điện xoay chiều ba pha. 9
CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA TRÊN NỀN TẢNG FPGA 2.1 Tổng quan về FPGA 2.1.1 Cấu trúc chung của FPGA Hình 2.1 Cấu trúc chung của FPGA 2.2 Thực hiện chuẩn hóa dữ liệu trên FPGA Hinh 2.6 Sơ đồ khối của XADC. 10
id, idref, iq, iqref là đầu vào và định nghĩa các giá trị Kp, Ki, umax, umin ud / uq  umax uoutd / uoutq  umax Đếm thời gian lấy mẫu t với một bộ đếm ud / uq  umin uoutd / uoutq  umin Tạo sai số tín hiệu ed ,q  idref / qref  id / q ạo tổng sai số tín hiệu uoutd / uoutq  ud / uq Se   ed ,q * dt n tìn hiệu ed/q và Sed uoutd / uoutq nh dạng điểm cố đị End ud / uq  ( K p * edf / qf )  ( K i * Se df / qf ) Hình 2.12 Quy trình xử lý tổng thể của bộ điều khiển dòng PI 2.3 Phương pháp thiết kế dựa trên FPGA Hình 2.13 Phương pháp thiết kế FPGA được đề xuất 2.4 Tổng kết chương 2 Chương này đã trình bày tổng quan về công nghệ FPGA cụ thể về 11
các thành phần liên quan của chúng. Sau đó, một phân tích đã được thực hiện để nêu rõ các giải pháp dựa trên FPGA hữu ích như thế nào trong lĩnh vực điện tử công suất và các ứng dụng truyền động. Vấn đề về các ràng buộc và chuẩn hóa khi triển khai FPGA đã được thực hiện. Cuối cùng, một phương pháp thiết kế được cung cấp, đồng thời bao gồm một tập hợp các bước và hướng dẫn giúp nhà thiết kế phát triển ứng dụng dự kiến bắt đầu từ đặc tả hệ thống sơ bộ đến thử nghiệm cuối cùng. Sau phần trình bày này, tiếp theo là cách xây dựng và phát triển bộ điều khiển dòng điện dựa trên FPGA cho động cơ xoay chiều ba pha. CHƯƠNG 3. THỰC HIỆN, TRIỂN KHAI BỘ ĐIỀU KHIỂN MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN TRÊN NỀN TẢNG FPGA 3.1 Đặt vấn đề UDC INV C1 ψ rd* Rψ isd* 3RI usd iPark SVM tu usα * - αβ tv PW i sq dq u sβ tw M ψ rd' ω* - - usq ω Rω ϑs isd isα iu αβ abc iv isq dq isβ iw αβ ωs ϑs Park Clarke ψ rd' Flux Model ω IM Hình 3.1 Sơ đồ khối của vòng dòng điện 12
3.2 Triển khai mạch vòng dòng điện dựa trên FPGA Hình 3.3 Kiến trúc phần cứng bộ điều khiển dòng điện Hình 3.4 Thiết kế mạch vòng dòng điện sử dụng phương pháp xử lý song song 13
3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện PI Start N Rising Edge CLK? Y Get data SP Get data FB e_k ← SP-FB I_k ← Ki*e_k Up_k ← Kp*e_k Y N Saturation = ‘1’ ? I_k←0 Ui_k ← Ui_k_1 + I_k U_k ← Up_k +Ui_k Y N U_k > Upper_Limit ? U_k ← Upper_Limit Y N U_k < Lower_Limit ? Saturation ←‘1’ U_k ← Lower_Limit Saturation ←‘0’ Saturation ←‘1’ Ui_k_1 ← Ui_k N Output data U_k Y End Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển PI trên nền tảng FPGA 3.2.2 Thiết kế khâu đo dòng điện Hình 3.10 Các khối thực hiện đo dòng stator trên FPGA 3.2.3 Thiết kế khâu đo tốc độ 14
Start Counter ← 0 N Rising Edge CLK? Y Get data channel a Get data channel a EncoderVal
Start N Rising Edge CLK? Y Get data Usd Get data Usq Get data Sin_theta Get data Cos_theta Usα ← Usd*Cos_theta – Usq*Sin_theta Usβ ← Usd*Sin_theta + Usq*Cos_theta N Output data Isd, Isq Y End Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán khối chuyển tọa độ dq sang αβ 3.2.5 Thiết kế khâu phát xung SVM Start N Rising Edge CLK? Get data Ua Get data Ub Ub* = Ub /sqrt(3) N Y Ub* ≥ 0 ? N * Y Y N Ub ≥ Ua ? Ub* ≤ Ua ? N Y Sector ← 4 Sector ← 1 N Y Ub* ≤ -Ua ? Ub* ≤ -Ua ? Sector ← 6 Sector ← 5 Sector ← 2 Sector ← 3 Output data Sector Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán khối chọn sector. 16
Hinh 3.22 Dạng sóng của các khâu thiết kế điều khiển dòng điện 3.3 Kết quả mô phỏng thời gian thực UDC C1 PWM A _top JC1P DI1 Usd JC3P PWM A _bot DI4 FOC (Flux Model, JC1N PWM B_top DI3 INV PI controller, SVPWM PWM B_bot Invert Clark JC3N DI6 Usq PWM C_top transform, ... ) JC2P DI5 PWM C_bot JC4P DI2 Isa CH1_a JA4P AO1 Isa Isb Convert JA4N XADC Isb Isc data CH2_b JA3P AO2 JA3N Channel a ωe Read JC2N DO32 Encoder JC4N DO31 Channel b IM GND GND Hình 3.27 Sơ đồ nối dây giữa FPGA và Typhoon HIL 402. TH1: Khi động cơ chạy không tải 10 Isa Isb Isc 5 Stator Current (A) 0 -5 -10 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 time (s) Hinh 3.31 Dòng điện stator khi ωsp = 150( rad / s ) . 17