Đồ án truyền động điện đề tài thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ

Tải của hệ thống truyền động điện Bài toán đặt ra: Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ để kéo tải băng chuyền như hình vẽ, với cá

Trang 2

MỤC LỤC 2

DANH SÁCH HÌNH ẢNH 4

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 5

1.1 Gi ới thiệu, mô tả bài toán 5

1.2 Sơ đồ tổng thể của hệ thống truyền động điện 7

1.3 Ph ân tích yêu cầu tốc độ động cơ 7

1.4 Ch ọn phương án truyền động 8

1.5 Tín h chọn công suất động cơ 8

1.6 Tính chọn các thành phần của hệ điều khiển truyền động điện 11

1.6.1 Chọn động cơ 11

1.6.2 Chọn cảm biến tốc độ 13

1.6.3 Chọn IGBT cho mạch nghịch lưu 13

1.6.4 Chọn bộ lọc một chiều 14

1.6.5 Chọn diode cho mạch chỉnh lưu 14

1.7 Xác định các tham số của hệ thống 15

1.7.1 Tham số của động cơ 15

1.7.2 Tham số của hộp số 15

1.7.3 Tham số của encoder 15

1.7.4 Tham số của diode mạch chỉnh lưu 15

Trang 3

1.8 Sơ

đồ mạch phần cứng 16

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 18

2.1 Mô hình toán học của động cơ 19

2.2 X ây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống 22

2.2.1 Mô hình toán học của các cảm biến 22

2.2.2 Mô hình toán học của bộ điều khiển 23

2.2.3 Mô hình toán học của bộ biến đổi uvw/αβ 23

2.2.4 Mô hình toán học của bộ biến đổi dq/αβ 23

2.2.5 Mô hình toán học của mô hình từ thông 23

2.3 X ây dựng mô hình toán học của cả hệ thống 24

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 25

3.1 S ơ đồ cấu trúc của phần điều khiển 25

3.2 X ác định luật điều khiển 26

3.3 P hân tích các mạch vòng điều khiển 27

3.3.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện isd 27

3.3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện isq 28

3.3.3 Mạch vòng điều khiển từ thông phird 30

3.3.4 Mạch vòng điều khiển tốc độ w 31

3.4 C ác tham số của thuật toán điều khiển 33

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 34

Trang 4

4.2 P

hân tích các kết quả mô phỏng 35

4.2.1 Đồ thị tốc độ và momen điện từ 35

4.2.2 Đồ thị momen điện từ và dòng isq 36

4.2.3 Đồ thị từ thông phird và dòng isd 37

4.3 Đ ánh giá chất lượng hệ truyền động 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

Trang 5

Hình 1 Tải của hệ thống truyền động điện 5

Hình 2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải 5

Hình 3 Sơ đồ tổng thể của hệ thống 6

Hình 4 Sơ đồ tổng thể của hệ thống truyền động điện 7

Hình 5 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ 7

Hình 6 Đồ thị momen mong muốn của động cơ 9

Hình 7 Đồ thị công suất mong muốn của động cơ 10

Hình 8 Đồ thị momen mong muốn và khả năng đáp ứng của động cơ 13

Hình 9 Sơ đồ chi tiết mạch động lực 16

Hình 10 Sơ đồ chi tiết mạch động lực 18

Hình 11 Mô tả toán học của động cơ 22

Hình 12 Mô hình toán học của hệ thống 24

Hình 13 Sơ đồ cấu trúc phần điều khiển 25

Hình 14 Mạch vòng điều khiển dòng điện isd 27

Hình 15 Đồ thị đáp ứng dòng isd và isd_ref 28

Hình 16 Mạch vòng điều khiển dòng điện isq 28

Hình 17 Đồ thị đáp ứng dòng isq và isq_ref 29

Hình 18 Mạch vòng điều khiển từ thông phird 30

Hình 19 Đồ thị đáp ứng từ thông phird và phird_ref 31

Hình 20 Mạch vòng điều khiển tốc độ w 31

Hình 21 Đồ thị đáp ứng tốc độ w và w_ref 32

Hình 22 Sơ đồ mạch động lực 34

Hình 23 Sơ đồ mạch điều khiển 34

Hình 24 Đồ thị tốc độ và momen điện từ 35

Hình 25 Đồ thị momen điện từ và dòng isq 36

Hình 26 Đồ thị từ thông phird và dòng isd 37

Trang 5

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN

TRUYỀN ĐỘNG 1.1 Giới thiệu, mô tả bài toán

Đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ xoay

chiều 3 pha không đồng bộ (IM)”

Hình 1 Tải của hệ thống truyền động điện

Bài toán đặt ra: Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ để kéo tải băng chuyền như hình vẽ, với các số liệu ban đầu như sau:

 Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220/380 V

Trang 6

Từ các phân tích yêu cầu bài toán như trên, ta tiến hành xây dựng sơ đồ tổng thể của hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ như sau:

Hình 3 Sơ đồ tổng thể của hệ thống

Trung tâm của hệ thống truyền động điện là động cơ xoay chiều 3 pha không đồng

bộ Để cấp nguồn cho động cơ, ta cần sử dụng một nguồn điện xoay chiều 3 pha Vì động

cơ cần kéo tải sao cho tốc độ bám theo tốc độ tải mong muốn nên cần sử dụng bộ biến tần Bộ biến tần có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha không đổi thành nguồn điện xoay chiều 3 pha biến đổi được (biên độ, tần số, góc pha) để đặt lên cực của động cơ mà bộ điều khiển yêu cầu

Các thông số khi động cơ hoạt động như dòng điện 3 pha trên stator, tốc độ quay trên trục rotor được đo bởi các cảm biến và phản hồi về bộ điều khiển Dựa trên các giá trị thực đầu vào này và tốc độ đặt của động cơ, bộ điều khiển có nhiệm vụ tính toán đưa ra các tín hiệu để phát xung điều khiển đóng/mở các van bán dẫn công suất của mạch nghịch lưu trong bộ biến tần để điều khiển điện áp cấp cho động cơ

Nhiệm vụ của đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện:

 Thực hiện tính chọn động cơ, cảm biến và các thành phần khác có sử dụng trong

hệ thống

 Mô hình hóa và tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện được sử dụng

 Điều khiển tốc độ động cơ sao cho tốc độ tải bám theo đúng tốc độ mong muốn đặt ra

 Kiểm nghiệm các thông số khác (như momen điện từ, dòng điện 3 pha,…) khi

hệ hống hoạt động

Trang 7

1.2 Sơ đồ tổng thể của hệ thống truyền động điện

Hình 4 Sơ đồ tổng thể của hệ thống truyền động điện

Về tổng thể, hệ thống được cấu tạo bởi 2 thành phần:

 Phần cứng: gồm một bộ biến tần có chức năng biến đổi nguồn điện không đổi thành nguồn điện biến đổi được (về tần số) để điều khiển động cơ hoạt động đảm bảo yêu cầu của tải Ngoài ra, còn có một cảm biến tốc độ encoder để phản hồi tốc độ thực của động cơ về chương trình điều khiển

 Phần mềm: sử dụng bộ Controller điều khiển việc đóng mở các van bán dẫn công suất để biến đổi nguồn điện cấp cho động cơ

1.3 Phân tích yêu cầu tốc độ động cơ

Vì động cơ chuyển động quay, tải chuyển động thẳng nên:

Ta có đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ:

Hình 5 Đồ thị tốc độ mong muốn của động cơ

Vậy quá trình truyền động có thể biểu diễn thành 6 giai đoạn:

 Giai đoạn 1: động cơ tăng tốc từ 𝑚 = 0 → 25 (rad/s) trong vòng 1s

 Giai đoạn 2: động cơ giữ nguyên tốc độ trong vòng 2s

 Giai đoạn 3: động cơ giảm tốc dần về 𝑚 = 0 (rad/s) trong vòng 0.5s

 Giai đoạn 4: động cơ đảo chiều 𝑚 = 0 → −25 (rad/s) trong vòng 0.5s

 Giai đoạn 5: động cơ giữ nguyên tốc độ trong vòng 2s

 Giai đoạn 6: động cơ giảm tốc dần về 𝑚 = 0 (rad/s) trong vòng 1s

1.4 Chọn phương án truyền động

Ở đây, ta chọn phương án truyền động điều khiển cho động cơ 3 pha không đồng

bộ, có đảo chiều bằng phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, trong đó:

 Bộ biến đổi biến tần: biến đổi từ nguồn xoay chiều không đổi thành nguồn xoay chiều có tần số thay đổi được, đồng thời để đảo chiều động cơ

 Bộ Controller: so sánh giá trị đặt và giá trị cảm biến đo được, thông qua các hàm tính toán các giá trị để điều khiển

 Động cơ: biến đổi điện năng thành cơ năng để quay tải theo yêu cầu

 Encoder: đo tốc độ quay của động cơ để phản hồi về bộ controller

 Nguồn điện xoay chiều 3 pha: nguồn cấp cho hệ thống hoạt động

1.5 Tính chọn công suất động cơ

Trang 9

Vì chưa chọn động cơ nên bỏ qua giá trị 𝐽𝑚, sau khi chọn được động cơ ta sẽ kiểmnghiệm lại sau

Trang 10

Hình 6 Đồ thị momen mong muốn của động cơ

Công suất của động cơ:

Trang 11

Hình 7 Đồ thị công suất mong muốn của động cơ

1.6 Tính chọn các thành phần của hệ điều khiển truyền động điện

Trang 12

Dựa vào 𝑚 và 𝑚 vừa tính được ở trên, chọn động cơ 1AV1062B có các

thông số như sau:

Kiểm nghiệm lại động cơ:

Tốc độ quay cực đại mong muốn của động cơ:

→ Cần sử dụng thêm hộp số

Trang 13

Hình 8 Đồ thị momen mong muốn và khả năng đáp ứng của động cơ

1.6.2 Chọn cảm biến tốc độ

Encoder AB 400 Xung 5-24V NPN Trục 6MM GTA3806-400 với các thông số kỹ

thuật như sau:

10.2 4

10.2 4

10.2 4

10.2 4 6.

5

4.007 5

4.007 5

4.007 5

8.015

8.015

Trang 15

1.6.5 Chọn diode cho mạch chỉnh lưu

Trang 16

1.7 Xác định các tham số của hệ thống

1.7.1 Tham số của động cơ

Động cơ 1AV1062B có các tham số như sau:

 Momen tối đa: 22 Nm

1.7.3 Tham số của encoder

Encoder GTA3806-400 có các tham số như sau:

 Hiệu suất: 400 xung/vòng

 Điện áp làm viêc: 5-24 VDC

 Tốc độ tối đa: 5000 vòng/phút

 Đường kính trục: 6 mm

1.7.4 Tham số của diode mạch chỉnh lưu

Diode VS-16F80 có các tham số như sau:

 Điện áp ngược cực đại: 800 V

 Dòng điện cực đại: 16 A

 Đỉnh xung dòng điện: 25 A

Trang 17

1.7.5 Tham số của IGBT mạch nghịch lưu

IGBT FS10R12YT3 có các tham số như sau:

 Điện áp ngược cực đại: 1200 V

Trang 18

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Việc mô hình hóa hệ thống truyền động điện nhằm mục đích biến đổi các tính chất vật lí của đối tượng về dưới dạng các hàm mô tả toán học Mô tả toán học của từng đối tượng cần có sự thống nhất với nhau, phục vụ cho quá trình tổng hợp toàn bộ hệ thống truyền động điện sau này Dựa trên mô hình toán học của hệ thống, ta thiết kế bộ điều khiển Controller để sao cho với các tác động nhiễu bên ngoài, hệ thống vẫn hoạt động bám theo đúng yêu cầu đặt ra

Hình 10 Sơ đồ chi tiết mạch động lực

Với sơ đồ phần cứng của hệ thống đã được thiết kế ở chương 1, việc mô hình hóa

hệ thống truyền động điện cần thực hiện:

 Mô hình hóa động cơ

 Mô hình hóa cảm biến: encoder và cảm biến dòng

 Mô hình hóa bộ biến đổi

→ Khi có được các mô tả toán học của từng đối tượng riêng lẻ, ta tiến mô tả toán học của toàn bộ hệ thống

2.1 Mô hình toán học của động cơ

Dựa theo phương án truyền động đã lựa chọn ở chương 1 sử dụng phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor T4R, việc điều khiển động cơ dựa trên hệ tọa độ 𝑑𝑞 nhằm mục đích tạo ra một công cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo ra từ thông và dòng đặt trong từ trường từ dòng điện xoay chiều 3 pha chảy trong cuộn dây stator của động cơ để áp dụng cấu trúc điều khiển như của động cơ một chiều Vì vậy, mô tả toán

Trang 19

học của động cơ IM cần dựa trên hệ tọa độ 𝑑𝑞

Mô hình toán học của động cơ IM trên hệ tọa độ 𝑑𝑞 đã được xây dựng tại lớp Trong đồ án này, ta không tiến hành xây dựng lại mô hình này mà chỉ sử dụng kết quả để phục vụ cho việc mô tả toán học của hệ thống

Quy ước:

 Chỉ số viết bên phải, trên cao:

f đại lượng mô tả trên hệ tọa độ tựa theo từ thông (hệ tọa độ dq) s đại lượng mô

tả trên hệ tọa độ cố định với stator (hệ tọa độ ) r đại lượng mô tả trên hệ tọa độ cố định với rotor

 Chỉ số viết bên phải, phía dưới:

 Chữ cái thứ nhất:

s đại lượng mạch stator

r đại lượng mạch rotor

Trang 20

Với các thông số của động cơ được sử dụng, ta có:

Trang 22

Hình 11 Mô tả toán học của động cơ

2.2 Xây dựng mô hình toán học của các khâu trong hệ thống

2.2.1 Mô hình toán học của các cảm biến

Trang 23

2.2.2 Mô hình toán học của bộ điều khiển

2.2.3 Mô hình toán học của bộ biến đổi uvw/αβ

2.2.4 Mô hình toán học của bộ biến đổi dq/αβ

2.2.5 Mô hình toán học của mô hình từ thông

2.3 Xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống

Trang 24

�

Hình 12 Mô hình toán học của hệ thống

Mô hình toán học của động cơ được biểu diễn trong miền không gian trạng thái với các ma trận A, B, N như trên Vì đầu vào của động cơ là điện áp 𝒖𝒇𝑻 nên cần chuyển hệ tọa độ điện áp trên ba cuộn dây thành điện áp biểu diễn trên hệ tọa độ 𝑑𝑞, sử dụng

khâu chuyển tọa độ abc/dq Đầu ra của mô hình không gian trạng thái của động

cơ là được tính toán để tính ra momen điện từ của động cơ Từ sai

lệch giữa giá trị momen tải mL và giá trị momen điện từ mM để tính ra giá trị thực của tốc độ quay trên trục động cơ 𝑟

Tốc độ quay trên trục động cơ và dòng điện trên 3 pha của động cơ được đo và phản hồi về bộ điều khiển Bộ điều khiển sử dụng chương trình đã được nạp sẵn để tính toán đưa ra các xung để đóng mở các van bán dẫn mạch nghịch lưu của bộ biến tần

để điều khiển động cơ

Trang 25

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

3.1 Sơ đồ cấu trúc của phần điều khiển

Hình 13 Sơ đồ cấu trúc phần điều khiển

Phân tích nguyên lý hoạt động của phần điều khiển:

Tốc độ quay của trục động cơ được đo và phản hồi về bộ điều khiển Vì ∗ ~ ∗𝑠𝑞 nên để điều khiển tốc độ bám theo tốc độ đặt, bộ điều khiển tốc độ sẽ dựa vào sai lệch giữa ∗ và để tính ra dòng điện đặt ∗𝑠𝑞

Dòng điện trên 3 pha của động cơ được đo và phản hồi về bộ điều khiển Để thực hiện cấu trúc điều khiển như cấu trúc điều khiển của động cơ một chiều, ta cần tạo ra hai thành phần: một thành phần dòng tạo ra từ thông và một thành phần là dòng điện đặt trong từ trường Vì vậy, cần chuyển dòng điện trên hệ tọa độ 3 cuộn dây 𝑢𝑣𝑤 sang hệ tọa

độ Tuy nhiên, hệ tọa độ chỉ đáp ứng được một yêu cầu là biểu diễn dòng điện trên

hệ tọa độ 2 trục mà chưa chỉ rõ thành phần nào tạo ra từ thông và thành phần không tạo

ra từ thông Vì vậy, chuyển đổi Park sẽ chuyển dòng điện trên hệ tọa độ sang hệ tọa

độ 𝑑𝑞, có sử dụng góc pha 𝜗𝑠 Khi đó, 𝑠𝑑 có tác dụng tương đương với dòng kích từ động cơ một chiều và 𝑠𝑞 có tác dụng tương đương với dòng phần ứng động cơ một

Trang 26

chiều Mô hình từ thông sẽ tính toán giá trị thực của từ thông rotor Ѱ𝑟𝑑 từ dòng điện stator 𝑠𝑑 , 𝑠𝑞 và tốc độ quay Vì Ѱ∗𝑟𝑑 ~ ∗𝑠𝑑 nên để điều khiển từ thông bám theo từ thông đặt, bộ điều khiển từ thông sẽ dựa vào sai lệch giữa Ѱ∗𝑟𝑑 và Ѱ𝑟𝑑 để tính ra dòng điện đặt ∗𝑠𝑑 Bộ điều khiển dòng điện sử dụng sai lệch giữa ∗𝑠𝑑 và 𝑠𝑑 ,

∗𝑠𝑞 và 𝑠𝑞 để tính ra các điện áp 𝑢𝑠𝑑 , 𝑢𝑠𝑞 Từ đây, ta cần chuyển ngược lại hệ tọa

độ

𝑑𝑞 về Điện áp tính toán của bộ điều khiển 𝑢𝑠 , 𝑢𝑠 được sử dụng cho đầu vào của khâu điều chế vector SVPWM để tính toán thời gian đóng ngắt các van bán dẫn của nghịch lưu, cho phép tạo ra điện áp đặt lên cực của động cơ với biên độ, góc pha và tần số

mà bộ điều khiển dòng đòi hỏi

3.2 Xác định luật điều khiển

Trong đồ án này, ta sử dụng bộ điều khiển PI Bộ điều khiển PI gồm hai thông số

là hệ số tỉ lệ và hệ số tích phân

Đặc điểm:

 Làm triệt tiêu sai lệch tĩnh và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu

 Do tích hợp thành phần tích phân nên làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ thống cũng như làm suy giảm tính ổn định của hệ

 Có thể gây ra quá điều chỉnh cho hệ thống Hằng số tích phân Ti càng nhỏ, độ quá điều chỉnh càng lớn

Ta cần xác định các thông số của 4 bộ điều khiển PI của 4 mạch vòng điều khiển:

Trang 27

 Tăng 𝐾𝑝 để giảm thời gian tăng

 Sử dụng 𝐾𝐼 để triệt tiêu sai lệch tĩnh

Khi thành phần phản hồi bám sát theo thành phần mong muốn thì thuật toán điều khiển điều khiển tốt

3.3 Phân tích các mạch vòng điều khiển

3.3.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện isd

Hình 14 Mạch vòng điều khiển dòng điện isd

Trong quá trình thực hiện chỉnh định các bộ số PI để bộ điều khiển cho đáp ứng tốt, ta cần thực hiện chỉnh định bộ số PI của các mạch vòng điều khiển từ trong ra ngoài

Vì vậy, mạch vòng điều khiển dòng điện là mạch vòng điều khiển cần được chỉnh định đầu tiên

Vì ∗𝑠𝑑 ~ 𝑢∗𝑠𝑑 nên để điều khiển dòng điện thực bám theo dòng điện đặt mong muốn, bộ điều khiển dòng điện sẽ sử dụng sai lệch giữa ∗𝑠𝑑 và 𝑠𝑑 , thông qua chương trình đã được lập trình sẵn để tính ra giá trị điện áp 𝑢∗𝑠𝑑

Xác định hệ số PI theo phương pháp thử sai:

 Tăng dần 𝐾𝑝 đến khi nào giá trị thực bám theo giá trị đặt mong muốn → độ quá điều chỉnh của đáp ứng lớn → thử sai hệ số 𝐾𝐼

 Tăng dần 𝐾𝐼 để giảm độ quá điều chỉnh Khi độ quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép thì bộ điều khiển thực hiện tốt