CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG DSP

Chuyên đề điều khiển động cơ dùng DSP TMS320LF2407A
ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG DSP
Đề tài:
KS. Trần Công Binh
ĐHBK TpHCM, tháng 10/ 2004
Đề tài NCKH
eBook for You
Giới thiệu về điều khiển tốc độ động cơ KĐB
stator
Cuộn
dây pha
A
i
sa

u
sa

i
ra

i
sc

u
sc

i
sb

u
sb

Cuộn
dây pha
C
Cuộn
dây pha
B
rotor
i
rc

i
rb

stator


Trục
chuẩn
stator
Cuộn
dây pha
A
i
sa

u
sa

i
ra

i
sc

u
sc

i
sb

u
sb

Cuộn
dây pha
C
Cuộn
dây pha
B
rotor
i
rc

i
rb

stator



Trục
chuẩn
eBook for You























s
s

'
r
'
r
r
s
rs
s
u
L
11
T
1
i
T
1
T
1
dt
di

s
s
'
r
'
r
r
s
rs
s
u
L
11
T
1
i
T

1
T
1
dt
di
'
r
'
r
r
s
r
'
r
T
1
i
T
1
dt
d




'
r
'
r
r

s
r
m
'
r
T
1
i
T
L
dt
d







s
'
rs
'
r
r
2
m
e
ii
L

L
p
2
3
M

Te
MM
J
p
dt
d


Phửụng trỡnh cuỷa ủoọng cụ KẹB trong heọ toùa ủoọ
stator
vụựi:
s
s
s
R
L
T
r
r
r
R
L
T
rs

2
m
LL
L
1
eBook for You
Chuyển sang hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ
dq) Điều khiển động cơ 3 pha
j
i
s

Cuộn dây
pha A
Cuộn dây
pha B
Cuộn
dây pha C
0

i
s

d
jq
i
sd

i
sq



s



s

Trục từ
thông rotor
Trục rotor
j
i
s

0

i
s

d
jq
i
sd

i
sq



s

DC
==
3~
AC

Vdc

M
3~
a b c


Biến tần

Đcơ KĐB

2=
3
i
sa

i
sb

i
s

i

s

i
sd

i
sq

góc

s
s
j
e

Hệ tọa độ  Hệ tọa độ dq
Nguồn DC
Nguồn AC 3
pha
Điều khiển
eBook for You
Hồi tiếp điều chỉnh

Bộ điều khiển IMC
M
t


–

F

Mô hình

Mô hình ngược

Bộ Lọc IMC

+

–
+

BBĐ

Bộ ước
lượng
từ thông 

–
+

Động cơ











r
r
1
P
ˆ

P
ˆ










r












s
sq
sd
u
u










c
b
a
u
u
u

s












s
s
u
u








b
a
i
i











e
e
r
ˆ












s
sq
sd
u
u
r


ˆ

Điều khiển động cơ KĐB dùng mô hình nội (IMC)
Thuật toán điều khiển:
Thầy
Trònh Hoàng Hơn đã
mô phỏng trên Matlab (LVCH)
Thầy
Dương Hoài Nghóa hướng
dẫn
Mô hình ngược
Động
cơ
Mô hình thuận
Đá
pứn
g
Đặt
eBook for You
Thuật toán điều khiển động cơ KĐB dùng mô hình nội
IMC
Mô phỏng trên Malab:
Khối lượng xử lý của thuật toán điều khiển giảm đi
đáng kể
Chất lượng đáp ứng danh đònh của hệ thống rất tốt
Thuật toán không phụ thuộc nhiều vào thông số của
động cơ
Xử lý trong
hệ tọa độ dq
eBook for You
Khối lượng xử lý của thuật toán điều khiển giảm đi đáng kể
Chất lượng đáp ứng danh đònh của hệ thống rất tốt

Thuật toán không phụ thuộc nhiều vào thông số của động cơ
 Phương pháp xử lý trong hệ tọa hệ độ từ thông rotor
 Thay đổi thời gian đáp ứng qua thông số của bộ lọc IMC
 Không phụ thuộc nhiều vào Momen tải
ƯU ĐIỂM CỦA THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN IMC:
 Hệ thống bền vững với sai số của thông số mô hình
 Không ảnh hưởng do thay đổi trạng thái làm việc
 Không cần nhận dạng thông số mô hình trực tuyến
 Đáp ứng ổn đònh và bền vững với sai lệch của mô hình
 Thời gian đáp ứng của các đại lượng điều khiển nhanh
 Triệt nhiễu hồi tiếp nhờ bộ lọc IMC – lọc thông thấp
eBook for You
Mô phỏng gián đoạn hệ thống điều khiển trên Malab:
 Nhưng cần phải mô phỏng mô hình gián đoạn - tín hiệu số -
DSP
Bộ lọc IMC
eBook for You
Kết quả mô phỏng mô hình gián đoạn trên Malab:
Thuật toán điều khiển động cơ KĐB dùng mô hình nội IMC
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
2
4
M
T
M
e
(Nm)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0

0.5
1
Fi
r
(Wb)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
50
100
time (s)
W (rad/s)
toc do dat
toc do dap ung
tu thong dat
tu thong dap ung
momen tai
momen dien
Tần
số
lấy
mẫu
5Khz
eBook for You
Kết quả mô phỏng mô hình gián đoạn trên Malab:
Đáp ứng tốc độ động cơ với thuật toán điều khiển IMC
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
20
40
60

80
100
120
time (s)
W (rad/s)
toc do dat
toc do dap ung
3T
Hệ thống ổn đònh nội khi chu kỳ lấy mẫu nhỏ hơn
1ms, vậy cần dùng bộ điều khiển có tốc độ xử lý
nhanh (>1Khz)
Thời gian khởi động
eBook for You
Kết quả mô phỏng mô hình gián đoạn trên Malab:
Thuật toán điều khiển động cơ KĐB dùng mô hình nội IMC
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-200
0
200
time (s)
U
A
U
B
(Volt)
dien ap pha A
dien ap pha B
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-10
-5

0
5
10
I
A
I
B
(Ampere)
dong dien pha A
dong dien pha B
5A-peak
220V-peak
eBook for You
 DSP TMS320LF2407A được thiết kế chuyên dụng cho điều
khiển động cơ KĐB 3 pha (tốc độ xử lý 40MIPS – single cycle)
Phương pháp điều rộng xung nguồn áp cho biến tần
Tần số điện áp là 50Hz, vì vậy tần số điều rộng xung phải đủ lớn
(>2Khz)
Tần số điện áp là 50Hz
eBook for You
Hệ điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha dùng DSP

DSP TMS320LF2407A
Digital Signal Processor

Inverter
Bridge
Rectifier
Power
Factor

Correction

AC Input
Motor
&Load

Optical
Encoder
Halleffect
Sensor
SCI
Transceive
r
Input
Control
Nguồn AC
Nghòch lưu 3 pha
Hồi tiếp tốc độ
Hồi tiếp dòng điện
Bộ điều khiển
DSP
Điều khiển từ I/O
Điều khiển từ PC
Chỉnh lưu
eBook for You
DSP Motor Controller
ADC Modul PWM Genrator
Capture/ QEP
PDPINT
SCI/ SPI Digital IO

Speed
Sensor
Driver
Circuits
Current
Sensors
Comm
Serial
Other
Logic
Control
Logic
Fault
Protection
Motor

Three phase
Inverter
Power Stage
DSP TMS320LF2407A hỗ trợ điều khiển động cơ KĐB
 Tốc độ xử lý 40 MIPS
 Pipeline 4-level-deep
 Bus dữ liệu 16 bit (fix-
point)
 Bộ nhân 16 x 16 bit
 ALU 32 bit (cộng - dòch)
 16 timer 16 bit
 16 kênh PWM
 2 bộ QEP (Quadrature Encoder
Pulse)

 2 bộ Capture
 16 kênh ADC 10 bit
 Cổng giao tiếp SCI, SPI
 I/O giao tiếp ngoại vi
Đặc điểm DSP
TMS320LF2407A
DSP Motor Controller
ADC Modul PWM Genrator
Capture/ QEP
PDPINT
SCI/ SPI Digital IO
Speed
Sensor
Driver
Circuits
Current
Sensors
Comm
Serial
Other
Logic
Control
Logic
Fault
Protection
Motor

Three phase
Inverter
Power Stage

eBook for You
KIT eZdsp TMS320LF2407
3.3V
eBook for You
DSP TMS320LF2407A hoó trụù ủieu khieồn ủoọng cụ KẹB
DSP Motor Controller
ADC Modul PWM Genrator
Capture/ QEP
PDPINT
SCI/ SPI Digital IO
Speed
Sensor
Driver
Circuits
Current
Sensors
Comm
Serial
Other
Logic
Control
Logic
Fault
Protection
Motor
Three phase
Inverter
Power Stage
Boọ VSI
eBook for You

Boọ bieỏn ủoồi ủieọn aựp VSI Voltage Source Inverter
Chổnh lửu Nghũch lửu
eBook for You
Bộ nghòch lưu điện áp - Cầu MosFET

Udc

S4

S3

S6

S5

S2

S1

Moto
r

S7

R
Mạch
snubber
Điện trở hãm MosFET
eBook for You
Lập trình DSP điều khiển và truyền thông

Lập trình DSP tính toán thuật toán điều khiển
 PWM tần số 5Khz
 ADC 10 bit cho hai dòng điện Ia và Ib, VR chỉnh tốc độ
 QEP đọc tốc độ động cơ từ Encoder
 SCI giao tiếp máy tính (điều khiển và thu thập dữ liệu)
 I/O giao tiếp ngoại vi
 Timer và INT hỗ trợ
 Chu kỳ lấy mẫu tính toán: 200us (5Khz)
 Lập trình bằng C hay Assembly trên Code Composer
LẬP TRÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN DÙNG DSP
 Chuẩn hóa các biến và phương trình cho DSP fix-point
 Lập trình DSP tính toán
     
max
'
rd
sampm2
max
sq
max
s
s
max
ssamp
max
sd
sampm1
max
sd
I

)k(
Ta
I
)k(i
)k(
T
I
)k(i
Ta1
I
)1k(i 





     
)k(Ta)k(i)k(T)k(iTa1)1k(i
'
rdsampm2sqs
max
ssampsdsampm1sd

eBook for You
Giao dieän laäp trình baèng Code Composer Studio
eBook for You
Lập trình bằng Visual Basic 6.0
Điều khiển thay đổi tốc độ động cơ từ máy tính
LẬP TRÌNH THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ PC
Thu thập dữ liệu (tốc độ, từ thông, …) lưu thành file Excel .xls

Vẽ đồ thò đáp ứng để khảo sát
Cài đặt thông số điều khiển và thông số mô hình từ máy tính
Giao diện thu thập dữ liệu và điều khiển viết bằng VB6
eBook for You
Đáp ứng của hệ thống điều khiển:
Đáp ứng từ thông rotor của động cơ
0
1
2
3
4
5
0 0.5 1 1.5 2
Đặt
Đáp ứng
Thời gian đáp
ứng nhanh
eBook for You
Đáp ứng của hệ thống điều khiển:
Đáp ứng tốc độ động cơ
-100
400
900
1400
1900
4 5 6 7 8 9 10 11 12
Đặt
Đáp ứng
Thời gian khởi
động nhanh

Sai xác lập số
nhỏ
Đáp ứng ổn
đònh
eBook for You
Đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống
Đáp ứng của hệ thống: sai số tốc độ 1%
Tính bền vững của hệ thống: ít ảnh hưởng do thông số động
cơ thay đổi & do nhiễu tác động
Thời gian đáp ứng: nhanh (< 1s)
Độ ổn đònh của hệ thống: không thay đổi nhiều khi tải thay đổi
ƯU ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG
Điều khiển thay đổi tốc độ động cơ dễ dàng
Điều khiển ổn đònh tốc độ – nâng cao chất lượng sản phẩm
Tiết kiệm năng lượng điện
Giảm cơ cấu cơ khí - giảm tiếng ồn
eBook for You
Hướng phát triển và ứng dụng
Hệ thống là một phương tiện nghiên cứu và thử nghiệm các
thuật toán về điều khiển động cơ
Thông qua mô hình này phát triển các phương pháp khác về
điều khiển động cơ
Mô hình thí nghiệm trong lónh vực điều khiển chất lượng cao
Ứng dụng trong việc thiết kế và chế tạo bộ biến tần công nghiệp
Mô hình thí nghiệm sử dụng DSP TMS320LF2407A
eBook for You