Luận văn Thiết kế và lắp ráp hệ điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng FPGA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐOÀN PHƢỚC TRIỀU THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA DÙNG FPGA Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Công trình đƣợc hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH Phản biện 1: TS. LÊ TIẾN DŨNG Phản biện 2: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI Luận văn đƣợc bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 13 tháng 12 năm 2015. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sự bùng nổ của tiến bộ khoa học trong lĩnh vực điện - điện tử - tin học hiện nay đã có những thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyết lẫn thực tế lĩnh vực truyền động điện tự động. Trƣớc hết phải kể đến sự ra đời và ngày càng hoàn thiện các bộ biến đổi điện tử công suất, với kích thƣớc gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng mach vi điện tử, vi xử lýCác hệ truyền động điện tự động ngày nay thƣờng sử dụng nguyên tắc điều khiển vector cho các động cơ xoay chiều. Phần lớn các mạch điều khiển này dùng kỹ thuật số với chƣơng trình phần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi các cấu trúc tham số hoặc các luật điều khiển, vì vậy làm tăng độ chính xác và hiệu suất cho các hệ truyền động. FPGA có nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với các công nghệ khác và kể cả chi phí, có lợi thế trong việc canh tranh với thị trƣờng. FPGA là viết tắt của cụm từ tiếng anh Field -Programmable Gate Array (mảng cổng lập trình đƣợc dạng trƣờng) là một loại vi mạch tích hợp dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà ngƣời dùng có thể lập trình đƣợc. Xuất phát từ những vấn đề thực tế đã nêu trên, tôi đã chọn đề tài luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “Thiết kế và lắp ráp hệ điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng FPGA” 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a. Ý nghĩa khoa học Đề tài xây dựng hệ thống điều khiển kín, phản hồi tốc độ, sử dụng bộ điều khiển PID số để điều khiển ổn định vị trí động cơ không 2 đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc theo phƣơng pháp vector không gian sử dụng FPGA. b. Ý nghĩa thực tiễn Hệ thống này cho phép sử dụng có hiệu quả, nâng cao chất lƣợng động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện các nhà máy công nghiệp. 3. Mục tiêu đề tài Trong thực tế, tốc độ động cơ bị ảnh hƣởng bởi các yếu tố bên ngoài, thƣờng là do tải, vì vậy tốc độ của động cơ thƣờng không đạt tốc độ nhƣ mong muốn của ngƣời điều khiển. Từ thực tế đó, đề tài nhằm mục tiêu xây dựng hệ thống biến tần điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha với vị trí động cơ đƣợc điều khiển bám theo tín hiệu đặt mong muốn trong trƣờng hợp không có tải và có tải. 4. Nội dung của đề tài - Tìm hiểu động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc. - Xây dựng mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc. - Tìm hiểu phƣơng pháp điểu khiển vector, điều khiển động cơ dựa trên cơ sở điều chế vector không gian. - Xây dựng cấu trúc hệ truyền động điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. - Tổng hợp toàn bộ hệ thống. - Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink và thiết kế phần cứng, lập trình cho hệ thống. 5. Bố cục đề tài Dự kiến bố cục luận văn có 4 chƣơng: 3 LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1. Tổng quan động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc. CHƢƠNG 2. Biến tần và hệ thống biến tần - động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha lồng sóc. CHƢƠNG 3. Điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc. CHƢƠNG 4. Sử dụng FPGA thiết kế bộ điểu khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha. 6. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu - Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc (IM). - Hệ thống biến tần. - Phƣơng pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor. - FPGA, lập trình bộ điều khiển PID số. - Matlab Simulink. b. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đề tài, xây dựng đƣợc nội dung cần trình bày trong luận văn. - Tính toán dựa trên lý thuyết đƣa ra các hệ thống điều khiển. - Mô phỏng các kết quả đạt đƣợc trên Matlab Simulink. - Thiết kế phần cứng dựa trên mô hình đã tính toán đƣợc. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG 1.2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA 1.2.1. Vector không gian và hệ tọa độ từ thông 1.2.2. Mô hình toán học của động cơ 1.2.3. Mô hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ  1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 sa sa r r s s r s sb s r r s s r r s r s r r r r r s r r r r di i u dt T T T L di i u dt T T T T L d i dt T T d i dt T T                                                                                               (1.19) 1.2.4. Mô hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq) d 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ( ) 1 1 ( ) sd sd s sq rd rq sd s r s sq s s sq rd rq sq s r r s rd sd rd s rq r r rd sq s rd rq r r di i i u dt T T T L di i i u dt T T T T L d i dt T T d i dt T T                                                                                          (1.23) 1.3. MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TRÊN MÔ HÌNH MATLAB - SIMULINK 1.3.1. Mô hình mô phỏng trên hệ tọa độ  5 Hình 1.3. Mô hình mô phỏng ĐCKĐB trên hệ  Kết quả mô phỏng 1.3.2. Mô hình mô phỏng trên hệ tọa độ dq 6 Hình 1.12. Mô hình mô phỏng ĐCKĐB trên hệ dq Kết luận: Với phần cơ sở lý thuyết trình bày ở mục 1.1 và 1.2, khi tiến hành mô phỏng trên Matlab - Simulink, ta thấy các thống số đầu ra của hai mô hình trên hai tọa độ  và dq là nhƣ nhau. Quá trình khởi động ban đầu không tải sau hơn 1 giây thì tốc độ động cơ đƣợc xác lập. Sau khoảng thời gian 1,5 giây ta đóng tải thì tốc độ và từ thông của động cơ giảm, momen và dòng điện tăng lên 1 giá trị nhất định. Các đƣờng đặc tính có kết quả khá chính xác và phù hợp với thực tế. 7 CHƢƠNG 2 HỆ THỐNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 2.1. HỆ THỐNG BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 2.1.1. Hệ thống biến tần nguồn áp - động cơ ba pha rotor lồng sóc 2.1.2. Hệ thống biến tần nguồn dòng - động cơ ba pha rotor lồng sóc 2.2. BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RỘNG XUNG (PWM) Hình 2.14. Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung Mô hình hệ thống biến tần - động cơ xoay chiều 3 pha theo phƣơng pháp PWM xây dựng trên Matlab - Simulink Hình 2.16. Mô hình PWM trên Matlab - Simulink 8 Kết quả mô phỏng Hình 2.13. Dòng điện Stator khi khởi động động cơ và khi ổn định động cơ Hình 2.14. Đặc tính tốc độ và momen động cơ Nhận xét Với phƣơng pháp điều chế độ rộng xung nhƣ trên, ta có thể điều tốc độ động cơ dễ dàng bằng cách điều chỉnh tần số sóng Sin, đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển tốc độ. Tuy nhiên nhiễu sóng hài bậc cao từ phƣơng pháp này là khá lớn, ta có thể hạn chế bằng cách lọc nhiễu và tăng tần số xung răng cƣa. Ngoài ra hiệu suất của phƣơng pháp này chƣa cao. 2.3. BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ THEO PHƢƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN 2.3.1. Nguyên lý hoạt động 2.3.2. Khái niệm vector không gian và phép chuyển vector không gian 2.3.3. Điều chế vector không gian 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Time A m pe 9 Mô phỏng trên mô hình matlab - simulink Hình 2.26. Mô hình simulink Kết quả mô phỏng Hình 2.27. Dòng điện ba gia ứng với N=48, f=50 Hz Hình 2.28. Đặc tính tốc độ và momen của động cơ 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -600 -400 -200 0 200 400 600 Time Ia b c ( A ) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 500 1000 1500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -500 0 500 1000 1500 Dac tinh toc do Dac tinh tu thong 10 Nhận xét: Phƣơng pháp điều chế vector không gian về cơ bản là phƣơng thức thay thế vector điện áp ba pha đối xứng thành một vector quay trong không gian. Nhƣ 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 lƣợng vector quay. Hay nói cách khác, thời gian đóng mở các van đƣợc tính toán hợp lý. Đây là một phƣơng pháp có tính hiện đại, phƣơng pháp này có giá trị điện áp tốt và dạng sóng dòng điện tải gần Sin nhất trong các phƣơng pháp. Chất lƣợng điều khiển tốt hơn so với phƣơng pháp PWM. 2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG Chƣơng 2 đã giới thiệu tổng quan về biến tần và hệ thống biến tần - động cơ, bên cạnh đó chƣơng đã trình bày hai phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PWM và phƣơng pháp điều chế vector. Hai phƣơng pháp trên đƣợc mô phỏng trên Matlab - Simulink. Mỗi phƣơng pháp điều có những ƣu nhƣợc điểm khác nhau. Trong hai phƣơng pháp, phƣơng pháp điều biến độ rộng xung dễ điều khiển, không cần phải tính toán phức tạp. Tuy nhiên chất lƣợng điều khiển không cao, hiệu suất không bằng phƣơng pháp điều chế vector không gian. CHƢƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU CHỈNH VỊ TRÍ 3.1.1. Hệ điều chỉnh vị trí là tuyến tính 3.1.2. Điều chỉnh vị trí tối ƣu theo thời gian 3.1.3. Hệ truyền động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám 11 3.2. HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA THEO PHƢƠNG PHÁP PWM 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 đƣợc so sánh với tín hiệu tốc độ và vị trí thực nhận từ cảm biến Encoder. Hình 3.12 Hệ thống truyền động điều chỉnh vị trí 3.2.1. Điều khiển điện áp - tần số không đổi 3.2.2. Xây dựng hệ điều khiển vị trí trên Matlab - Simulink a. Điều khiển tốc độ b. Điều khiển vị trí Hình 3.18. Mô hình điều khiển vị trí 12 Kết quả mô phỏng Hình 3.19. Vị trí đặt rotor là 50 rad. Hình 3.20. Vị trí đặt rotor là 30 rad. Nhận xét: Kết quả trên đồ thị ta thấy vị trí của động cơ đƣợc đáp ứng đúng với giá trị đặt. Sau thời gian khoảng 2 giây vị trí đƣợc 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 nhƣng sau 0.5 giây vị trị đƣợc điều chỉnh lại vị trí ban đầu. 3.3. HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR 3.3.1. Tuyến tính hóa mô hình ĐCKĐB 3.3.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -200 0 200 Time ra d /s Toc do 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -200 0 200 Time N *m Momen 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -100 0 100 Time ra d Vi trí 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -200 0 200 Time ra d /s Toc do 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -200 0 200 N *m Momen 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -40 -20 0 20 40 Time ra d Vi tri 13 3.3.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí 3.3.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc theo phƣơng pháp điều khiển vector xây dựng trên Matlab - Simulink a. Điều khiển tốc độ b. Điều khiển vị trí Hình 3.30. Mô hình điều khiển vị trí Kết quả mô phỏng Hình 3.31. Vị trí đặt rotor là  rad 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -500 0 500 N *m Momen 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -200 0 200 v o n g /p h u t 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 2 4 Time R a d Vi tri 14 Hình 3.32. Vị trí đặt là 30 rad Nhận xét: 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 đƣợc điều chỉnh trở lại vị trí đặt ban đầu nhanh và chính xác. Với hai phƣơng pháp điều khiển tốc độ và vị trí theo phƣơng pháp PWM và điều khiển Vector thì kết quả đều đáp ứng chính xác với giá trị đặt ban đầu. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của phƣơng pháp PWM là gây ra nhiễu, sóng hài bậc cao nhiều. Cụ thể, khi phân tích phổ sóng hai ta thấy rõ ở hai biểu đồ sau: Hình 3.33. Phân tích sóng hài ở phương pháp PWM 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -500 0 500 N *m Momen 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -1000 0 1000 V o n g /p h u t Toc do 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 20 40 Time R a d Vi tri 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 -50 0 50 Iabc signal: 150 cycles. FFT window (in red): 1 cycles Time (s) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 5 10 15 20 Frequency (Hz) Fundamental (50Hz) = 72.76 , THD= 24.83% M a g ( % o f F u n d a m e n ta l) 15 Hình 3.34. Phân tích sóng hài ở phương pháp điều khiển Vector 3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG Chƣơng 3 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 hai 2 phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PWM và điều khiển vector. Qua quá trình khảo sát hai phƣơng pháp trên thì phƣơng pháp điều khiển vector tỏ ra có ƣu điểm. Quan sát trên đồ thị, ta thấy vị trí, momen và tốc độ áp đặt nhanh, chính xác. Khả năng chịu tải tốt. CHƢƠNG 4 SỬ DỤNG FPGA VÀ LABVIEW THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA 4.1. TỔNG QUAN VỀ FPGA 4.1.1. FPGA là gì? 4.1.2. Ứng dụng của FPGA 4.1.3. Quy trình thiết kế FPGA 4.1.4. Giới thiệu các khối chức năng chính của Kit FPGA SPARTAN 3E 4.2. TỔNG QUAN VỀ LABVIEW 4.2.1. LabVIEW là gì? 4.2.2. Các tính năng chính của LabVIEW 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 -400 -200 0 200 400 Iabc signal: 250 cycles. FFT window (in red): 1 cycles Time (s) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 20 40 60 80 Frequency (Hz) Fundamental (50Hz) = 279.2 , THD= 87.24% M a g ( % o f F u n d a m e n ta l) 16 4.2.3. Các bƣớc tạo project trong labview cho FPGA SPARTAN 3E 4.2.4. Các khối cơ bản trong LabVIEW 4.3. MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA SỬ DỤNG FPGA Hình 4.27. Mô hình điều khiển tốc độ và vị trí động cơ 3 pha Tín hiệu điều khiển sẽ đƣợc đặt ở bảng điều khiển LabVIEW từ máy tính và đƣợc gửi đến FPGA, FPGA sẽ xử lý tín liệu và phát xung kích thông qua mạch cách lý để đến bộ nghịch lƣu (chùm xung kích đƣợc điều chế theo phƣơng pháp PWM). Tín hiệu tốc độ và vị trí từ Encoder đƣợc gửi đến FPGA thông qua mạch đọc Encoder và FPGA so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế để điểu khiển chùm xung kích chính xác, đáp ứng yêu cầu đề ra của ngƣời điều khiển. 4.3.1. Thiết kế phần cứng a. Bộ chỉnh lưu Với chỉnh lƣu cầu 4 Diode thì hệ số nhấp nhô là 0,79. Theo kinh nghiệm thì ta chọn tụ lọc có dung kháng 470 , điện áp 400V. 17 Hình 4.28. Mạch chỉnh lưu b. Bộ nghịch lưu Khối nghịch lƣu dùng để biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều 3 pha có thể điều chỉnh tần số cung cấp cho động cơ. Hình 4.30. Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu Hình 4.31. Mạch nghịch lưu dùng IGBT 18 c. Mạch cách ly (mạch driver) Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly kit FPGA và mạch nghịch lƣu. Nhằm tránh trƣờng hợp FPGA bị ảnh hƣởng do mạch nghịch lƣu bị sự cố cháy nổ. Bên cạnh đó, FPGA phát ra 3 tín hiệu PWM đƣa vào mạch cách ly, ngoài nhiệm vụ bảo vệ, mạch cách ly làm nhiệm vụ chia 3 xung đó thành 3 cặp xung có cùng tần số nhƣng ngƣợc pha nhau để đƣa và 6 van IGBT. Hình 4.32. Nguyên lý mạch driver Mạch cách ly sử dụng OPTO 817C để cách lý, sử dụng IC Driver IR2184 để chia tín hiệu PWM thành 2 tín hiệu PWM cùng tần số, ngƣợc pha nhau. Hình 4.33. Mạch driver 19 d. Mạch đọc Encoder Tín hiệu từ Encoder đƣa về Kit FPGA thông qua mạch đọc. Mục đích sử dụng mạch này vì, kit FPGA đọc tín hiệu ở mức 3,3V, trong khi đó, tín hiểu xung từ Encoder là 5V. Để đơn giản trong trong việc đọc tín hiệu, tác giả sử dụng OPTO 6N137. Loại OPTO này có tần số hoạt động cao, 1Mhz và hoạt động ổn định. Hình 4.37. Mạch đọc Encoder 4.3.2. Chƣơng trình điêu khiển động cơ Khối nhận data sẽ nhận giá trị đặt và giá trí phản hồi vị trí từ Encoder để so sánh, sai số vị trí sẽ là giá trị đặt cho bộ điều khiển PID vị trí. Đầu ra của PID vị trí là giá trị đặt cho PID tốc độ. Tín hiệu điều khiển của PID tốc đó là tín hiệu điều khiển tần số và điền áp 3 sóng Sin để tạo ra 3 tín hiệu PWM cung cấp cho các van IGBT. Hình 4.38. Cấu trúc điều khiển vị trí động cơ 3 pha 20 a. Điều chế PWM trên FPGA sử dụng LabVIEW Phƣơng pháp điều chế PWM đã đƣợc trình bày rõ trong chƣơng 3. Về nguyên lý, PWM đƣợc điều chế từ 3 sóng Sin đặt lệch nhau 1200, 3 sóng Sin này đƣợc so sánh với 1 xung răng cƣa có tần số 2Khz. Muốn điều chỉnh tốc độ của động cơ ta chỉ cần điều chỉnh tần số sóng Sin. Vấn đề thay đổi tấn số của điện áp stator Khi thay đổi tần số f để điều chỉnh tốc độ thì ngƣời ta phải kết hợp thay đổi điện áp trên Stator sao cho đảm bảo đƣợc tỉ lệ U/f = const. Với phƣơng pháp PWM, để điều chỉnh đƣợc U/f = const ta tiến hành điểu chỉnh biên độ và tần số sóng Sin. Trong lập trình điều chế PWM điều khiển động cơ xoay chiều ba pha theo phƣơng pháp U/f = const, tác giả tạo sóng Sin có biên độ A= 512 và tần số tối đa là f = 50Hz. Điều chỉnh tần số là điều chỉnh tốc độ. Ở đây ta tạo giá trị đặt điều khiển là tốc độ và quy đổi ra tần số để điều khiển sóng Sin. - Để điều chỉnh tần số từ tốc độ. Ta lập phƣơng trình: y1 = ax1 Với: y1 là tần số điều khiển mong muốn. x1 là tốc độ đặt. a là hệ số, a = 0,35 - Để điều chỉnh biên độ sóng Sin, ta lấy biên độ A = 512 nhân với biến y2  20 1y  thì biên độ A tƣơng ứng với 0 512A  . Khi đó ta lập đƣợc biểu thức: A. y2 = b.x1 Với: x1 là tốc độ đặt. y2 là biến phụ thuộc vào tốc độ. A là biên độ sóng Sin. b là hệ số, b = 6,7.10-4 21 Từ đó, ta lập trình trong LabVIEW nhƣ sau: Hình 4.40. Lập trình điều khiển U/f = const Điều chế PWM 3 pha: Hình 4.41. Lập trình điều chế PWM 3 pha b. Điều khiển tốc độ và vị trí sử dụng PID trên FPGA Theo mô yêu cầu điều khiển thì hệ thống có 2 vòng điều khiển, một vòng điều khiển tốc độ và một vòng điều khiển vị trí. Đầu ra từ tín hiệu PID điều khiển vị trí sẽ là đầu vào của PID điều khiển tốc độ, đầu ra của PID điều khiển tốc độ sẽ là một tín hiệu hiệu điều khiển tần số và biên độ sóng Sin theo theo phƣơng pháp U/f = const nhƣ đã trình bày ở phần trên. Trong LabVIEW đã có hỗ trợ bộ điều khiển PID. Ta chỉ cần đƣa giá trị đặt và tín hiệu phản hồi từ cảm biến về để điều khiển. 22 Hình 3.42. Lập trình điều khiển tốc độ và vị trí động cơ 3 pha sử dụng PID Hình 4.43. Giao diện bảng điều khiển Hình 4.44.Mô hình phần cứng Nhận xét: Mô hình trên thực tế đã hoạt động và đáp ứng đƣợc mục đích điều khiển. Tuy nhiên, khi so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng trên phần mềm thì vẫn còn sai số. Cụ thể, khi giá trị 23 góc đặt lớn thì sai số sẽ đƣợc cộng dồn. Vì vậy, khi điều khiển quay về vị trí ban đầu vị trí sẽ không quay về chính xác, vẫn có một sai số nhỏ. 4.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG Chƣơng 4 trình bày các nội dung FPGA và LabView và ứng dụng của nó để thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ, vị trí động cơ xoay chiều ba pha. Và đề tài cũng đã xây dựng thành công thiết kế phần cứng. Mô hình phần cứng hoạt động khá ổn định, đáp ứng đƣợc mục tiêu đặt ra. Tuy nhiên việc hiệu chỉnh thông số PID chƣa đƣợc tối ƣu nên vẫn còn sai số nhỏ khi hệ thống hoạt động. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, khẩn trƣơng và đƣợc sự giúp đỡ của PGS.TS Đoàn Quang Vinh, tác giả đã hoàn thành đúng nội dung luận văn đã đăng ký. Luận văn đã giải quyết đƣợc các nội dung theo yêu cầu với nội dung: Chƣơng 1: Tổng quan động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc. Chƣơng này đã khát quá về động cơ không đồng bộ, xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ  và sử dụng Matlab-Similink để mô phỏng. Kết quả khá chính xác và phù hợp với thực tế. Chƣơng 2: Biến tần và hệ thống biến tần - động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha lồng sóc. Tìm hiểu các loại biến tần: Biến tần trực tiếp, biến tần gián tiếp. Mô phỏng thành công hệ thống biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha trên Matlab - Similink. Kết quả phù hợp với lý thuyết. 24 Chƣơng 3: Điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc. Trình bày một số lý thuyết về điều khiển vị trí; xây dựng đƣợc mô hình điều khiển tốc độ và vị trí động cơ xoay chiều ba pha theo hai phƣơng pháp PWM và phƣơng pháp điều khiển vector sử dụng bộ điều khiển PID. Chƣơng 4: Sử dụng FPGA thiết kế bộ điểu khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha. Chƣờng 4 trình bày quá trình thiết kế phần cứng và phần mềm sử dụng FPGA Spartan 3E và LabVIEW 2012 để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ xoay chiều ba pha theo phƣơng pháp PWM. Đề tài đã hoàn thành và đáp ứng đủ nội dung, tuy nhiên trong thực tế thì mô hình thực tế còn một số vấn đề, việc điều khiển tốc độ và vị trí chƣa đáp ứng chính xác hoàn toàn, vẫn còn sai số do việc hiệu chỉnh thông số PID chƣa tối ƣu, thời gian có hạn nên phần mềm vẫn chƣa hoàn thiện. Bên cạnh đó phƣơng pháp PWM vẫn còn một số nhƣợc điểm. Hƣớng phát triển của đề tài là sẽ xây dựng hệ thống điều khiển vị trí theo phƣơng pháp điều khiển vector và sử dụng các bộ điều khiển PID lai để có kết quả tốt hơn.