Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng bộ chopper cho động cơ một chiều hoạt động (m0 hoặc m0,ɷ0 hoặc ɷ0) 1

Điều khiển động cơ DC sử dụng bộ ChopperĐặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn... Điều khiển động cơ DC sử d

Trang 1

BÁO BÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

GVHD: TS Vũ Hoàng Phương

Nhóm 07:

-Nông Thế Anh 20173625 -Đào Quang Trường 20170150

Bài 7: (*)Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng bộ chopper

cho động cơ một chiều hoạt động (M>0 hoặc M<0,ɷ>0 hoặc ɷ<0)

Nội dung thiết kế:

Mô hình hóa, Cấu trúc điều khiển và cách thức

tính toán bộ điều chỉnh.

Mô phỏng cấu trúc điều khiển.

Trang 2

Điều khiển động cơ DC sử dụng bộ Chopper

Nội dung báo cáo

1 Giới thiệu chung

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Khái niệm về Chopper

2.2 Nguyên lý hoạt động của Chopper

2.3 Four-Quadrant Chopper

2.4 Nguyên lý xung PWM

3 Cấu trúc hệ thống điều khiển

4 Động cơ DC

5 Thiết kế hệ thống điều khiển

5.1 Bộ điều khiển dòng điện

5.2 Bộ điều khiển tốc độ

6 Mô phỏng kiểm chứng

7 Tổng kết

Trang 3

1 Giới thiệu chung

Động cơ một chiều có ứng dụng rất đa dạng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như:

Trong TV, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, sạc điện thoại, ắc quy….

Trang 4

Đặc biệt trong công nghiệp giao thông vận tải, và các thiết bị cần điều

khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn

Trang 5

- IGBTđược dùng làm van đóng cắt

- Mỗi van bán dẫn có Diode tự do chạy trên nó giúp hạn chế điện áp ngược qua van,bảo vệ van khi dòng quá độ lớn

- Tải là động cơ một chiều bao gồm một điện trở thuần, một cuộn cảm và một suấtđiện động

- Nguồn cung cấp là nguồn DC và tụ điện được kết nối qua nó để duy trì điện áp khôngđổi

Four–quadrant chopper

Trang 6

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Khái niệm và phân loại Chopper

Chopper là một thiết bị chuyển đổi đầu vào DC cố định thành điện áp đầu ra DC thay đổi trực tiếp thông qua việc đóng mở các thiết bị bán dẫn Mạch Chopper còn được gọi là mạch băm xung

- AC link Chopper

+ Chuyển đổi từ DC qua AC

+ Dùng biến áp để nâng điện áp Sau đó chuyển đổi về DC

Cồng kềnh phức tạp vì phải thực hiện qua 2 giai đoạn

Phân loại:

AC link Chopper

Trang 7

- DC Chopper

Chuyển đổi DC – DC “trực tiếp” sử dụng các mạch đơn giản

Có hiệu suất cao, phản ứng nhanh, hoạt động trơn tru

Được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị

DC Chopper

Trang 8

2.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ Chopper

Đây là thiết bị đóng cắt tần số cao

Kết nối và ngắt kết nối tải khỏi nguồn với tốc độ cao

Bằng cách này điện áp 1 chiều được cắt nhỏ và ta có thể thay đổi được 𝑈𝐷𝐶

𝑉𝑆: Điện áp nguồn

𝑉0: Điện áp đầu ra trung bình

D: Hệ số điều chế(0<D<1)

DC Chopper

- Trong khoảng 𝑇𝑜𝑛: 𝑉𝑜= 𝑉𝑆

Trong khoảng 𝑇𝑜𝑓𝑓: 𝑉0= 0

- 𝑇𝑠 = 𝑇𝑜𝑛+ 𝑇𝑜𝑓𝑓Khi đó điện áp trung bình đầu ra:

𝑉0 = 𝑇𝑜𝑛

𝑇𝑜𝑛 + 𝑇𝑜𝑓𝑓 × 𝑉𝑠 = 𝐷 × 𝑉𝑠

Đồ thị điện áp và dòng điện

Trang 9

Chiến lược điều khiển :

+ Time ratio control( điều khiển hệ số điều chế)

+ Current limit control(điều khiển dòng điện)

2.3 Four-Quadrant Chopper

Quadrant 1:

S1,S4 ở trạng thái dẫn, dòng điện đi từ S1

qua 𝐿𝑎, 𝑅𝑎, rồi qua động cơ Cuối cùng qua

S4 về cực âm của nguồn Động cơ quay

thuận, mạch làm việc ở chế độ động cơ

Khi đó: 𝑉𝑎= 𝑉𝑠

Quadrant 2:

+ Khi S1 không dẫn, S4 dẫn ,năng lượng trêncuộn cảm tác động khiến dòng điện sẽ đi từđộng cơ, qua 𝐿𝑎, 𝑅𝑎 rồi qua D2 về cực âmcủa nguồn

Khi đó: 𝑉𝑎= 0

Trang 10

Quadrant 3:

S2,S3 ở trạng thái dẫn, dòng điện đi từ

S3 qua 𝐿𝑎, 𝑅𝑎, rồi qua động cơ Cuối cùng

qua S2 về cực âm của nguồn Động cơ

quay ngược, mạch làm việc ở chế độ

sẽ đi từ động cơ, qua 𝐿𝑎, 𝑅𝑎 rồi qua D4

về cực âm của nguồn Mạch làm việc ở chế độ hãm

Khi đó: 𝑉𝑎= 0

Trang 11

2.3 Phương pháp điều chế

độ rộng xung(PWM)

• Nội dung phương pháp:

Nguyên lý: Tạo xung tam giác , sau

đó so sánh điện áp răng cưa (Urc) với

điện áp điều khiển (Uđk) được điều chế

thông qua bộ PI, kết hợp phản hồi tốc

độ động cơ (w ph ) và tốc độ đặt (w dat ).

Tín hiệu điều khiển các van

Trang 12

Hệ thống điều khiển

PWM generator

Bộ điều khiển tốc độ

Bộ điều khiển dòng điện

Nguồn cấp

Four-Quadrant Chopper

Yêu cầu thiết kế:

+ Mô hình hóa, Cấu trúc điều khiển và

cách thức tính toán bộ điều chỉnh

+ Mô phỏng cấu trúc điều khiển

Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ chopper cho động cơ một

chiều với hai vòng điều khiển (bỏ qua khâu trễ do PWM) :

mạch vòng dòng điện (vòng trong) và mạch vòng tốc độ

(vòng ngoài)

Trang 13

3 Cấu trúc hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển

PWM generator

+

Bộ điều khiển tốc độ

Bộ điều khiển dòng điện

Nguồn cấp

Four-Quadrant Chopper

Trang 14

TỐC ĐỘ:

+ Bộ đo phản hồi và tính toán sự sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ thực tế

+ Dựa vào sai lệch tốc độ, Bộ điều khiển tốc độ PI sẽ tính toán ra giá trị

𝐼𝑟𝑒𝑓 cần thiết

DÒNG ĐIỆN:

+ Bộ đo tính toán sự sai lệch giữa dòng điện đặt và dòng điện thực tế

+ Dựa vào sai lệch, Bộ điều khiển dòng điện PI sẽ tính toán ra giá trị điện

áp điều khiển (trong giới hạn của bộ điều chỉnh PI hiện tại)

+ Điện áp đó được tính toán để quy về hệ số điều chế, rồi so sánh với xungrăng cưa để phát tín hiệu điều khiển 2 cặp van

Trang 15

4.3 Động cơ trong Matlab Simulink

Trang 16

5.1 Bộ điều khiển dòng điện

Hàm truyền của bộ điều khiển có dạng:

𝐺𝑝𝑖 𝑠 = 𝐾𝑝𝑐 + 𝐾𝑖𝑐

(𝑠 + 𝑇 1

𝑝𝑖) 𝑠

Ta có mối quan hệ hàm truyền đạt:

𝐿𝑎𝑠2 + 𝑅𝑎 + 𝐾𝑝𝑐 𝑠 + 𝐾𝑖𝑐 𝐼

𝐿𝑎𝑠2 + 𝑅𝑎 + 𝐾𝑝𝑐 𝑠 + 𝐾𝑖𝑐E s

Với 𝐾 ,𝐾 là các thông số của bộ điều khiển đòng điện PI

5 Thiết kế hệ thống điều khiển

Trang 17

Trang 18

Trang 19

5.2 Chọn các thông số của bộ điều khiển dòng điện PI

Bước 1: Tìm tần số đóng cắt của hệ thống 𝑓𝑠𝑤

Bước 2: Chọn tần số cắt 𝜔𝑐𝑐 của bộ điều khiển

dòng điện trong khoảng 1/10 đến 1/20 tần số đóng

cắt của van.

Bước 3: Tính toán các thông số của bộ điều khiển

dòng điện theo các công thức:

𝐾𝑝𝑐 = 𝜔𝑐𝑐 𝐿𝑎

𝐾𝑖𝑐 = 𝑅𝑎 𝜔𝑐𝑐

Trang 20

Trang 21

Trang 22

5.3 Chọn các thông số của bộ điều khiển tốc độ PI

Bước 1: Xác định thông số 𝜔𝑐𝑐 từ bộ điều khiển

dòng điện

Bước 2: Chọn thông số 𝜔𝑐𝑠của bộ điều khiển tốc

độ lớn hơn khoảng 1/5 𝜔𝑐𝑐 và nhỏ hơn 1/10 tần số

+ Do 𝜔𝑐𝑐 = 1

20𝑓𝑠𝑤 = 250 (từ PI current control)

𝑅𝑎 = 2.581 Ω

𝐿𝑎 = 0.028 𝐻+ Chọn 𝜔𝑐𝑠 = 1

6𝜔𝑐𝑐 = 42

Suy ra: 𝐾𝑝𝑠 = 𝐽.𝜔𝑐𝑠

𝐾𝑇 = 0.8

𝐾 = 𝐽.𝜔𝑐𝑠2 = 57

Trang 23

6 Mô phỏng kiểm chứng

6.1 Sơ đồ mô phỏng

Hình 6.1.1: Cấu trúc hệ thống và Mô phỏng

Tính toán D và phát xung điều khiển van, với 𝑽 𝒂 = 𝑫 ×

Chuyển đổi rad/s sang rpm

Tốc độ

đặt

Trang 24

Hình 6.1.2: Chi tiết khối PI speed controller

Trang 25

Hình 6.1.2: Chi tiết khối PI current controller

Trang 26

Hình 6.1.2: Chi tiết khối PWM

Sóng mang biên độ từ -1 đến 1

Chia để ra được song mang từ 0 đến 1

Tín hiệu điều khiển van

Trang 27

• 6.2 Kết quả mô phỏng

Trang 28

Trang 29

DÒNG ĐIỆN PHẦN ỨNG

+ Độ đập mạch dòng điện 4.3%

+ Imax =11.1 (A) , Imin = 10.1 (A)

Trang 30

Trang 31

Đồ thị xung răng cưa và Duty Cycle.

Nhận xét: Với tốc độ đặt 𝜔𝑟𝑒𝑓 = 500𝑟𝑝𝑚,

𝐃𝟏~ 𝟎, 𝟔 𝒗à 𝑫𝟐~ 𝟎, 𝟑𝟖

Trang 32

Trang 33

7 Tổng kết

Hiểu được ứng dụng của đề tài trong cuộc sống Như ứng

dụng trong TV, máy cống nghiệp, sạc điện thoại,….

Hiểu được nguyên lý hoạt động của Chopper, phân loại

cũng như nguyên lý chi tiết của Four-quadrant Chopper

Xây dựng được cấu trúc bộ điều khiển

Mô hình hóa động cơ DC

Tính toán các thông số bộ điều khiển dòng điện, tốc độ

Áp dụng mô phỏng bằng Matlab Simulink

Trang 34

CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN

ĐÃ LẮNG NGHE

Tiêu đề	Thiết Kế Cấu Trúc Điều Khiển Sử Dụng Bộ Chopper Cho Động Cơ Một Chiều Hoạt Động (M>0 Hoặc M<0,ɷ>0 Hoặc ɷ<0)
Tác giả	Nông Thế Anh, Đào Quang Trường
Người hướng dẫn	TS. Vũ Hoàng Phương
Trường học	Trường Đại Học
Chuyên ngành	Điều Khiển Động Cơ
Thể loại	Bài Tập Lớn
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	34
Dung lượng	2,09 MB