بخشی از مقاله
طراحي و ساخت اينورتر سه فاز به روش SVM با استفاده از ميکروکنترلر AVR
چکيده
با طراحي و ساخت اينورتر مذکور ، از آن مي توان براي راه اندازي انواع موتور هاي AC سه فاز سود جست .
همچنين اين اينورتر به گونه اي طراحي شده است که با تغيير انديس مدولاسيون آن مي توان دامنه ي ولتاژ خروجي را تغيير داد . از نتايج به دست آمده از اين تحقيق مي توان به عنوان منبعي مناسب براي طراحي و ساخت انواع اينورتر سه فاز استفاده کرد .
مقدمه [۱] , [۵]
يکي از روشهاي کنترل فرکانس و مقدار مؤثر ولتاژ اعمال شده به موتور القايي ، استفاده از اينورتر منبع ولتاژ با استفاده از مدولاسيون پهناي پالس مي باشد. استفاده از اين تکنيک علاوه بر سادگي کنترل فرکانس و دامنه ولتاژ خروجي ، باعث کاهش هزينه هاي مدار قدرت ،کاهش ابعاد و هزينه فيلتر خروجي اينورتر نيز مي گردد.
تا کنون روشهاي متعددي براي مدولاسيون پهناي پالس ارائه شده است . نوع مدولاسيون تأثير زيادي بر عملکرد اينورتر ،ميزان تلفات ودامنه هارمونيک هاي ولتاژ خروجي ، دارد. انتخاب نوع مدولاسيون پهناي پالس بايد در راستاي کاهش اعوجاج هارمونيکي ، افزايش دامنه هارمونيک اصلي ولتاژ خروجي ،کاهش فرکانس کليد زني ، سادگي پياده سازي با سيستمهاي ديجيتالي و ميکروپروسسوري ، قابليت پياده سازي به صورت زمان حقيقي و افزايش دقت در کنترل ولتاژ خروجي باشد. دراين ميان روشهاي متعددي نظير PWM سينوسي ، PWM سينوسي با افزودن برخي از هارمونيک هاي فرد، PWM بر اساس مدولاسيون بردار فضايي ارائه شده اند. در اين ميان با پيشرفت سريع پردازشگرهاي ديجيتالي DSP و مدارات VLSI نظير CPLD و FPGA ،روش PWM با مدولاسيون بردار فضايي که به اختصار SVM ناميده ميشود کاربرد چشمگيري يافته است و با کاهش ۳۳ در صدي فرکانس کليد زني و افزايش ۱۷ در صدي دامنه هارمونيک اصلي ولتاژ خروجي و قابليت پياده سازي ديجيتالي ساده تر نسبت به روش PWM سينوسي جايگاه خاصي پيدا کرده است .
اصولاً استفاده از سيستمهاي درايو در موتورها به منظور کنترل پارامترهاي خروجي نظير دور و گشتاور مي باشد که صرفه اقتصادي ، کمتر بودن توان تلفاتي و سادگي پياده سازي از مهمترين عوامل انتخاب مدار فرمان مي باشد.
يکي از بهترين روشهاي کنترل دور موتور AC روش گشتاور ثابت مي باشد. اين روش در اغلب مصارف صنعتي که يک موتور را به حرکت در مي آورد کاربرد دارد.
در اين روش فرکانس موتور طوري تغيير مي کند تا رابطه برقرار باشد که در شافت موتور يک نيروي رانش ثابت را در فرکانسهاي مختلف حاصل مي نمايد. به عبارتي ديگر موتور مي تواند در دورهاي کمتر از دور نامي (تا حد توقف ) همان باري را به حرکت در آورد که در دور نامي به حرکت در مي آورد.
مدولاسيون بردار فضايي [۵]
(SPACE VECTOR PULSE
WIDTH MODULATION)
SVM نسبت به PWM الگوريتم پيچيده تري است که روي هم رفته ۱۵ در صد ولتاژ خروجي بيشتري توليد مي کند و بدين وسيله Vdc افزايش مي يابد. همچنين اين الگوريتم THD را به خاطر کليدزني کمتر کاهش مي دهد.
همانند PWM سينوسي متغير هاي کنترل شده ولتاژ موتور و فرکانس آن مي باشد. امواج سينوسي سه فاز مورد نياز جهت راه اندازي موتور سه فاز با سه بردار (VBN,VRN,VYN) در فضا نمايش داده مي شود. اين بردارها که نماينده ولتاژ خط به زمين سه فاز مي باشند، با هم اختلاف فاز ۱۲۰ درجه دارند.
براي يک سيستم سه فاز متعادل ، مجموع اين بردارها صفر مي شود ، بنابراين اين بردارها را مي توان با يک بردار مرجع
Vs بيان نمود. بوسيله کنترل دامنه و فرکانس Vs ، ولتاژ موتور و فرکانس آن را مي توان کنترل نمود. از اين رو اين الگوريتم را مدولاسيون بردار فضايي مي خوانند.
به منظور جلوگيري از خطر اتصال کوتاه و جرقه زني ، هرگاه يک سوئيچ از يک ساق اينورتر روشن باشد، بايد سوئيچ ديگر در همان ساق خاموش باشد و برعکس . بخاطر حساسيت موضوع معمولاً کنترلرها فقط پالسهاي ساق هاي بالايي را مي سازند و پالسهاي ساق هاي پاييني بصورت سخت افزاري و NOT کردن پالسهاي ساق هاي بالا توليد ميگردد و به همين دليل ما هم در اين پروژه فقط پالسهاي ساق هاي بالا را توليد مي کنيم .
جدول زير کليه حالت هاي کليدزني مجاز (VSI) و ولتاژ خط به زمين متناظر آن را نمايش مي دهد. با توجه جدول حالت هاي اول و آخر حالت هاي غير فعال خوانده مي شوند زيرا هيچ انرژي از منبع به موتور منتقل نمي شود و بقيه حالت ها، حالت هاي فعال هستند چون در اين حالت ها انرژي از منبع به موتور منتقل مي شود.
همانطور که مشاهده مي شود کل فضا به شش قسمت مساوي با زاويه ۶۰ درجه تقسيم شده است . هر يک از اين قسمت ها يک سکتور (Sector) مي ناميم که از شماره ۱ تا ۶ شماره گذاري شده اند. هر سکتور در ميان دو بردار
Active احاطه شده است . V0 و V7 بردارهايي هستند که اندازه شان صفر است و در مرکز شش ضلعي قرار دارند .
بردارهاي حاصل از حالتهاي مجاز کليدزني در جدول زير آورده شده است . همانطور که مشاهده مي کنيد فقط سوئيچ هاي مربوط به ساق هاي بالا آورده شده است .
سطر اول نشان دهنده زمان بندي مربوط به بردار متناظر در سطر دوم مي باشد.يعني در ابتدا بردار V0 روي خروجي قرار مي گيرد و پس از زمان T0.4 بردار V1 در خروجي قرار مي گيرد و به همين ترتيب اين روند تا انتها ادامه مي يابد. براي بقيه نمونه ها همين روند تکرار مي گردد.
با توجه به الگوي زمان بندي ارائه شده در بالا، سه پالس توسط ميکرو توليد مي شود که توسط مدار تأخير به ۶ پالس تبديل مي گردند و به واسطه مدار ايزولاتور به مدار قدرت متصل مي شوند .
معماري سخت افزاري AVR [۲] , [۳] , [۴]
هسته اصلي AVR از يک مجموعه دستورالعمل هاي قوي با ۳۲ ثبات همه منظوره تشکيل شده است .(اين بر خلاف پردازنده هاي مشابه Cisc است که معمولاً داراي يک ثبات آکومولاتور بوده و تمام دستورات منطقي روي آن عمل مي کند.) اين ۳۲ ثبات بطور مستقيم به واحد محاسبه ومنطق (ALU) متصل بوده و ALU ميتواند در هر لحظه بطور همزمان به ۲ ثبات از اين ۳۲ ثبات دسترسي داشته باشد.
در نتيجه بسياري از دستورالعمل هاي AVR در يک پالس ساعت اجرا مي شوند و اين امر باعث مي شود که سرعت پردازش AVR به بيش از ۱۰ برابر سرعت پردازشگرهاي Cisc همتاي خود برسد و پهناي باندي برابر 1MIPS (يک ميليون دستورالعمل در هر ثانيه ) براي هر MHz ١ پالس ساعت فراهم آيد.
ميکرو کنترلر مورد استفاده در اين پروژه ١٦ Atmega PDIP بوده است که امکانات آن بطور خلاصه شامل موارد
زير است :
۱- انواع حافظه داخلي
حافظه برنامه يا flash به اندازه 16KB
حافظه داده يا RAM به اندازه 1KB
حافظه ماندگار يا EEPROM
به اندازه byte ٥١٢
۳۲ ثبات همه منظوره
۲- انواع درگاه سريال
USART : درگاه سريال سنکرون و آسنکرون همه منظوره استاندارد
TWI و يا I2C : درگاه سريال دو سيمه سنکرون
SPI :درگاه سريال سنکرون با سرعت بالا براي ارتباطات دو يا چند
پروسسوري
۳- درگاه JTAG براي تست ميکروکنترلر و اشکال زدايي از نرم افزارهاي نوشته شده در سيستم واقعي و همچنين برنامه ريزي حافظه هاي flash وeeprom
۴- يک مبدل آنالوگ به ديجيتال ۱۰ بيتي با ۸ کانال ورودي
۵- دو تايمر ۸ بيتي و يک تايمر ۱۶ بيتي با امکاناتي چون پيش تقسيم کننده ، ورودي شکار و خروجي هاي PWM
۶- يک مقايسه گر آنالوگ
۷- شش حالت خواب
۸- امکان پيکربندي ميکروکنترلر با فيوزهاي
اختصاصي براي استفاده از اسيلاتورداخلي يا کريستال خارجي و يا شبکه RC براي توليد پالس ساعت براي ميکرو .
الگوريتم برنامه و زمان بندي ميکروکنترلر
۱- در ابتداي برنامه بايستي پيکربندي پورتها، تايمر و LCD انجام گيرد.
در اين برنامه پورتهاي A و B ،خروجي و پورتهاي C و D به عنوان ورودي تعريف شده اند.
تايمر ۲ در مد مقايسه تعريف شده است ، مد مقايسه به کاربر اين امکان را مي دهد که زمان مورد نظر را در ثبات مقايسه خروجي (OCR)، بار کند و تايمر در هر شمارشي که انجام مي دهد، مقدار خود را با ثبات مقايسه خروجي ، مقايسه کرده و در صورت برابري اين دو مقدار پرچم مقايسه high مي شود و تايمر به مقدار صفر ريست مي شود. از پيکربندي وقفه مقايسه مي توان به منظور خواندن مقادير جديد زمان ها و پالس ها و بار کردن آنها در تايمر و پورت خروجي بهره برد.
پورت B نيز به منظور اتصال LCD پيکربندي شده است .
۲- در اين مرحله ميکروکنترلر منتظر انتخاب انديس مدولاسيون از جانب کاربر مي باشد.
کاربر مي تواند بوسيله کليد باينري تعبيه شده در مدار فرمان ، انديس مدولاسيون مورد نظر را انتخاب کند. توجه داشته ب شيد که عددي ما بين ۱ تا ۹ قابل قبول است و متناسب با آن انديسي بين ۰.۱ تا ۰.۹ انتخاب مي گردد.
۳- پس از انتخاب انديس مدولاسيون مورد نظر، با فشردن شاسي select ميکروکنترلر وارد يک حلقه بي نهايت شده و اطلاعات مربوط به زمان ها را از جدول look up مربوطه خوانده و در تايمر بار مي کند ونيز اطلاعات مربوط به پالس هاي خروجي را نيز خوانده و به پورت A مي فرستد .
در صورت نياز براي تغيير انديس مدولاسيون مي توان از شاسي change استفاده نمود. در صورت فشردن اين شاسي توسط کاربر، ميکروکنترلر منتظر دريافت انديس جديد از سوي کاربر مي شود.
۴- در انتهاي برنامه نيز جدول هاي look up و زير برنامه هاي مربوطه قرار گرفته اند.
با انتخاب فرکانس کليدزني (fS) برابر KHZ ١ و فرض فرکانس خروجي HZ ٥٠ خواهيم داشت :
در جدول زير نمونه هاي مربوط به هر سکتور مشخص شده است .
