xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ dị bộ xoay chiều ba pha

Một hệ điều chỉnh tự động truyền động điện gồm có những thành phần chính là: bộ điều khiển, bộ biến đổi, các thiết bị đo lường, cơ cấu chấp hành, đối tượng cầnđiều khiển.. Động cơ điện k

Lời mở đầu

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và khoa học kỹ thuật đã

góp phần không nhỏ vào công nghiệp hóa hiện đại hóa và đã đi sâu vào tất cả cáclĩnh vực của đời sồng và xã hội, ở những đâu cần đòi hỏi tự động hóa, giảm thiểu

sự có mặt không cần thiết của con người cũng như những nơi con người không thể

có mặt ở đó thường xuyên để điều khiển do môi trường, do những hoàn cảnh không

có lợi tác động hay cúng chính do thời gian, sức khỏe không cho phép

Một trong những khía cạnh của trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống đặt

ra là cần điều khiển tự động vị trí của xe là một yêu rất quan trọng, nó không nhữnggiảm sự có mặt không cần thiết của con người mà còn khắc phục nhừng ngoại cảnhtác động nên vị trí của xe khi không có mặt của người điều khiển

Với yêu cầu đặt ra là xây dựng bộ điều khiển vị trí của xe sử dụng động cơ dị bộxoay chiều ba pha là một trong những bộ phần quan trọng nhất của toàn hệ thống.Đây cũng chính là nhiệm vụ của của em trong lần nhận đồ án lần này

Vì trình độ và thời gian có hạn, chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót Rất mong

sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Nhân đây em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong bộ môn Điện Tự ĐộngCông Nghiệp, đặc biệt là thầy TRẦN TIẾN LƯƠNG đã giúp em hoàn thành đề tàinày đúng thời gian quy định

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CƠ – XE

1.1 Giới thiệu về hệ truyền động điện

Hệ điện cơ là các hệ thống dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng và khốngchế tự động cơ năng đó Phần cơ bản của hệ điện cơ là hệ thống điều chỉnh tự độngtruyền động điện

Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền đông điện là phải đảm bảo giátrị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc động của các đạilượng nhiễu lên hệ điều chỉnh

Một hệ điều chỉnh tự động truyền động điện gồm có những thành phần chính là:

bộ điều khiển, bộ biến đổi, các thiết bị đo lường, cơ cấu chấp hành, đối tượng cầnđiều khiển

Cấu trúc chung của một hệ điều chỉnh tự động truyền động điện như sau:

- MSX: Máy sản suất hay gọi là đối tượng cần điều khiển.

- ĐL: Thiết bị đo lường

- NL: Tín hiệu nhiễu loạn tác động lên hệ thống

1.2 Đặc điểm của hệ thống

1.2.1 Bộ điều khiển

Bộ điều khiển R nhận tín hiệu thông báo các sai lệch về trạng thái làm việc của

hệ thống tự động thông qua việc so sánh giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đo lường cácđại lượng đầu ra của hệ thống Tín hiệu sai lệch này khi qua bộ điều chỉnh R sẽđược khuếch đại và tạo hàm chức năng điều khiển (tích phân, vi phân) sao cho đảmbảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống tự động Tín hiệu đầu ra của bộ điềuchỉnh được dùng để điểu khiển bộ biến đổi BĐ

1.2.2 Bộ biến đổi

Bộ biến đổi BĐ trong hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện có hai chứcnăng: Chức năng thứ nhất là biến đổi năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác,thích ứng với động cơ truyền động Chức năng thứ hai là mang thông tin điều khiển

để điều khiển các tham số đầu ra của bộ biến đổi (như công suất P, điện áp U, dòngđiện I, tần số f, )

1.2.3 Động cơ thực hiện truyền động

Động cơ thực hiện truyền động ĐC là khâu làm nhiệm vụ biến đổi điện năngthành cơ năng để cung cấp cho đối tượng cần điều khiển ở đây là xe điện Động cơđiện có thể là động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều dị bộ hay đồng bộ,các lại động cơ bước,…Ở đồ án này dùng động cơ di bộ xoay chiều 3 pha làm động

cơ thực hiện truyền động

1.2.4 Thiết bị đo lường

Các khâu đo lường ĐL có nhiệm vụ biến đỏi dạng tín hiệu đầu ra về dạng tínhiệu điện áp hoặc dòng điện phù hợp với tín hiệu đặt và có giá trị tỷ lệ với đạilượng điều chỉnh đầu ra.

1.2.5 Đối tượng cần điều khiển

Đối tượng cần điều khiển có thể là máy sản xuất, tải thế năng, xe điện,…Ở đồ

án này là xe điện tải trọng Như hình vẽ:

1.3 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

Động cơ điện không đồng bộ hiện nay được sử dụng rất phổ biến, nhưng với các

hệ truyền động điều khiển tốc độ thì ít được sử dụng so với các hệ trền động mộtchiều vì có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ khó khăn hơn Tuy nhiên, với sự pháttriển cua công nghệ bán dẫn và điện tử tin học thì việc điều khiển tốc độ của độg cơkhông đồng bộ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều và đồng thời hệ truyền động điềukhiển tốc độ động cơ không đồng bộ trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quảvới hệ truyền động động cơ một chiều Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng

bộ, ta có thể tác động vào mạch roto hoặc mạch stator của động cơ Trong thực tế,với các hệ truyền động người ta hay dùng các phương pháp điều khiển tốc độ động

cơ không đồng bộ như sau:

- Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện áp sơ cấp vào stator của động cơ

- Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện trở mạch rotor

- Điều khiển bằng phương pháp điều chỉnh công suất trượt

- Điều khiển bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp vào stator động cơ Tùy vào từng trường hợp cụ thể mà người ta có thể sử dụng từng phương phápcho thích hợp Sau đây là phần trình bày cơ bản của các phương pháp đã nêu

1.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển điện áp stator

Do mômen động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp stator, do đó

có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách điềuchỉnh điện áp stator trng khi giữ nguyên tần số đây là phương pháp đơn giản nhất,chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộnstator Phương pháp này kinh tế nhương họ đặc tính thu được không được tốt Khimômen sẽ tăng hay giảm so với momen đang làm việc tốc dộ không đổi thì nó sẽlàm việc ổn định tại điểm xác lập mới

Ta có: M= w0*s*((R31*U R12^'2/*s)^R22' Xnm^2)





mômen tới hạn tỷ lệ với bình phương điện áp lưới:

U

* 0

* 2

2

^ 1

* 3

= var

Để thay đổi điện áp cấp vào stator của động cơ, ta có thể sử dụng máy biến áp

Tiristor Đối với các hệ truyền động động cơ rotor lồng sóc, người ta thường sửdụng các bộ điều áp để thay đổi cả dòng điện và điện áp mà không làm thay đổi tần

số để điều chỉnh tốc độ và hạn chế dòng mở máy bằng phương pháp giảm điện ápkhi khởi động

Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp:

Hình 1.1: Sơ đồ đơn giản của phương pháp thay đổi điện áp stator

Khi giảm điện áp vào stator của động cơ, ta được các đặc tính như sau:

Hình 1.2: Đặc tính cơ khi thay đổi điện áp vào stator Dựa vào đặc tính cơ ta có thể nhận thấy khi giảm điện áp thì mômen giảm rấtnhiều Do đó, phương pháp này chỉ thích hợp với tải có momen tỷ lệ với tốc độ,không thích hợp với tải có momen không đổi.

1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển điện trở rotor

Để điều chỉnh tốc độ, ngoài việc tác động vào stator, người ta còn có thể tácđộng vào mạch rotor để thay đổi dòng điện rotor dẫn đến làm thay đổi momen củađộng cơ Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rotor là phương pháp chỉ áp dụngcho động cơ không đồng bộ rotor dây quấn nhờ nối tiếp cuộn dây rotor với bộ biếnđổi điện trở mạch ngoài Do độ trượt tới hạn tỷ lệ với giá trị điện trở rotor nên khiđiện trở rotor thay đôi thì độ trượt tới hạn sẽ thay đổi theo trong khi momen tới hạnkhông thay đổi do tần số, điện áp giữ nguyên

Ta có sơ đồ đơn giản của phương pháp này:

Hình 1.3: Sơ đồ đơn giản của phương pháp điều chỉnh

điện trở phụ mạch rotor

thay đổi, còn mômen tới hạn của động cơ không thay đổi

U

* 0

* 2

2

^ 1

* 3

= const

Họ đường đặc tính thu được khi thay đổi như sau:

Hình 1.4: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở rotor.

Khi thay đổi giá trị điện trở rotor nhưng momen tơi hạn không thay đổi nên cóthể thay đổi tốc độ của động cơ cho tải là không đổi Phương pháp này chỉ chophép thay đổi tốc độ về phía giảm tốc độ và sự ổn định về tốc độ cũng kém hơn dođặc tính dốc hơn Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm lớn là có thể điều chỉnh

như là dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện mở máy

1.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển công suất trượt

sẽ bị tiêu tán trên điện trở của rotor Với các máy có công suất lớn thì tổn hao côngsuất này là đáng kể đặc biệt là khi điều chỉnh ở tốc độ thấp (s lớn) Do đó, từ việctiết kiệm điện năng mới nảy sinh yêu cầu tận dụng công suất này Để tận dụng côngsuất tổn hao này, người ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, năng lượngtiêu hao trên điện trở phụ được chỉnh lưu thành năng lượng điện một chiều sau đóqua bộ nghịch lưu được biến thành năng luwjng điện xoay chiều để đưa trả ngược

về lưới Trong điều kiện nguồn cấp không đổi Pđt= const thay đổi công suất trượt

Ta có sơ đồ như sau:

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh công suất trượt

P1 = P2 + Ps

được thực hiện bằng cách thay đổi góc mở Tiristor của bộ nghịch lưu Quan hệ của

1,35*s*kĐ*U = - 1,35*kB*U*cos

hay là : s=  kD kB *cos

Trong đó: U: Điện áp dây của nguồn

Pđt= Pcơ + Ps = Pđt*(1-s) + s*Pđt= const

ngược với điều trên

cơ

gần bằng công suất chính (xoay chiều), nếu không thì không nên điều chỉnh sâu wxuống Trong thực tế rất ít khi sử dụng phương pháp này

1.3.4 Điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển tần số nguồn cấp stator

Để thay đổi tốc độ động cơ ngoài các cách đã nêu trên ta có thể ta có thể tácđộng vào tần số nguồn cấp cho stator của động cơ Khi điều chỉnh tần số động cơkhông đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp, dòng điện hoặc từ thông trongmạch stator do trở kháng, từ thông, dòng điện,… của động cơ bị thay đổi

Ta có sơ đồ như sau:

Hình 1.6: Sơ đồ phương pháp thay đổi tần số.

M M'dm' = Mdm M hay M ' Mdm dm = M ' M = ((U U1'1)^)^22**((f f'11)^)^22

=> U U1'1 = f f1'1*

M

M ' (1)

nếu giữ cho momen không đổi thì khi thay đổi tần số lên a lần thì đồng thời phảithay đổi điện áp lên a lần Đặc tính cơ như hình 1.7.a

a M = const b Pc = constHình 1.7: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn.

Kết luận:

Trong hệ thống truyền động thay đổi tốc độ, thì phương pháp thay đổi tần sốnguồn vào stato có thể thay đổi được nhiều cấp tốc độ khác nhau, sao cho phù hợpvới hoàn cảnh đặt ra Với công nghệ bán dẫn phát triển, thì việc thay đổi tần sốnguồn không còn là khó khăn và phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi ởnhiều nơi khi muốn thay đổi tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

2.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển

Trong đó:

φ : Là vị trí đặt mong muốn

Rφ: Là bộ điều khiển vị trí

Rω: Là bộ điều khiển tốc độ

RI : Là bộ điều khiển dòng điện

BBD : Là bộ biến đổi công suất

M : Là động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

Đo : Là thiết bị đo các đại lượng cần phản hồi

2.2 Giới thiệu các thành phần

2.2.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ 3 pha

Đối với các hệ truyền động điện đã được số hóa hoàn toàn, để điều khiển biếntần người ta sử dụng phương pháp điều chế vecto không gian Khâu điều khiển biến

tần là khâu ghép nối quan trọng giữa thiết bị điều khiển và điều chỉnh bằng số vớikhâu chấp hành Như vậy cần mô tả động cơ thành các phương trình toàn học Quy ước: A, B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây roto và a, b, c chỉ thứ tự pha cáccuộn dây stator.

Giả thiết:

- Cuộn dây stato, roto đối xứng 3 pha, roto vượt góc θ

- Tham số được coi là không đổi (các giá trị điện trở, điện cảm)

- Mạch từ chưa bão hòa hay các tổn hao sắt từ và sự bão hào từ ó thể bỏ qua

- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe khí

- Khe hở không khí δ đồng đều

- Nguồn 3 pha cấp hình sin và đối xứng (lệch nhau góc 2π/3)

Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuộn dây k như sau:

Uk = Ik*Rk + d(dtk)Trong đó:

- k: là thư tự cuộn dây A, B, C roto và a, b, c stato

Lab = Lba = Lbc = … = -Ms , LAC = LBC = LAB = … = -Mr

Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biếnthiên theo thời gian vì góc quay  phụ thuộc vào thời gian:

Hệ phương trình cơ bản của động cơ xoay chiều 3 pha được mô tả như sau:

- Phương trình điện áp stator:

usu(t) = Rs*isu + ddt su(t)

usv(t) = Rs*isv + ddt sv(t) (2.1)

usw(t) = Rs*isw + ddt sw(t)

Trong đó:

Rs: Điện trở cuộn dây stator.

Khi đó điện áp stator được biểu diễn dưới dạng sau:

Do các cuộn dây rotor và stator có cấu tạo đối xứng nên tất cả các giá trị điện cảm

là như nhau trên mọi hệ tọa độ quan sát Để hoàn thiện hệ thống phương trình mô tảđộng cơ xoay chiều 3 pha ta bổ xung thêm 2 phương trình sau:

Lσss: Điện cảm tiêu tán trên cuộn dây stator.

Các hệ tọa độ quan sát động cơ:

Việc quan sát mô hình toán của động cơ dị bộ xoay chiefu 3 pha được thực hiện trên các hệ tọa độ khác nhau bao gồm: hệ toajddooj stator (hệ tọa độ αβ), hệ tọa độ ), hệ tọa độ

từ thông rotor (hệ tọa độ dq) Như đã biết việc mô tả toán học của động cơ

trên hệ tọa độ dq là hết sức quan trọng đối với việc tổng hợp bộ điều khiển cho động cơ dị bộ điều khiển bởi biến tần

Ta quy ước một số ký hiệu như sau:

f : Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ dq)

s : Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ stator (hệ αβ), hệ tọa độ )

r : Đại lượng quan sát trên hệ tọa độ rotor

Hình 2.1: Biểu diễn vecto không gian trên hệ tọa độ αβ), hệ tọa độ , hệ tọa độ dq

Mô hình toán động cơ xoay chiều 3 pha trên hệ stator (hệ αβ), hệ tọa độ )

Hệ tọa độ này có tên là hệ (αβ), hệ tọa độ ) được gắn với stator trong đó trục α chọn trùngvới trục dây quấn pha u của stator Từ các phương trình cơ vecto của động cơ dị bộ,chiếu lên hệ tọa độ αβ), hệ tọa độ và từ các phương trình và hệ phương trình (2.2), (2.3), (2.4)

ta được hệ phương trình như sau:

Ngoài hệ phương trình (2.7) đã mô tả phần hệ thống điện của động cơ xoay chiều.

Ta có phương trình momen sau khi biến đổi lại:

Mô hình toán động cơ xoay chiều 3 pha trên hệ dq

Trên hình (2.1) biểu diễn một hệ trực tọa độ có trục thực trùng với trục của từ

này có gốc trùng với gốc của hệ αβ), hệ tọa độ nhưng nó quay nhanh hơn hệ αβ), hệ tọa độ với tốc độ w =

2.2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển vecto động cơ không đồng bộ.

Hệ truyền động sử dụng động cơ lồng sóc đạng ngày càng chiếm ưu thế trên thịtrường vì lý do chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ Mặt khác do sự pháttriển mạnh mẽ của vi xử lý và các van công suất đã cho phép điều khiển cả tốc độ

và momen của động cơ lồng sóc nên việc ứng dụng nó ngày càng được đa dạngtrong các hệ truyền động

Sau khi đã xây dựng vecto không gian và quan sát trên tọa độ từ thông rotor (hệdq) ta thu được hê đơn giản sau đây giữa momen quay, từ thông và các thành phầncủa vecto dòng stator

ψrd = 1Lm Tr*s *isd

Me = 23 *Lm Lr *pc* ψrd*isq (2.13)

momen động cơ thì ta hoàn toàn khống chế được tốc độ và momen của động cơ dị

bộ rotor lồng sóc Với ý tưởng này, động cơ dị bộ rotor lồng sóc vó thể điều khiểntương tự như động cơ một chiều

Ta có mô hình điều khiển như động cơ một chiều như sau:

Hình 2.2: Mô hình điều khiển động cơ một chiều.

Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tương tự cho động cơ không đồng bộ như trên

hình sau:

Hình 2.3: Tư tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ

Nhưng trong hệ thống thực, nguồn cấp cho động cơ là 3 pha abc (hay là uvw),

và các đại lượng dòng phản hồi đo về được cũng trên tọa uvw, vậy giữa hai hệ tọa

độ đó phải có các hệ chuyển đổi tọa độ, cụ thể là từ bộ điều chỉnh lượng đặt đểthành tín hiệu đưa vào biến tần nuôi động cơ phải có một bộ chuyển đổi dq/uvw từcác đại lượng dòng đo được đem phản hồi có một bộ chuyển đổi ngược từ uvw/dq

Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai tọa độ cần phải có góc lệch giữa

góc của ψr trên hệ tọa độ αβ), hệ tọa độ

Từ phân tích trên ta có hệ thống như hình vẽ:

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ

của động cơ trên dq

Góc θs dùng để chuyển tọa độ từ tĩnh sang quay theo chiều thuận hoặc ngược(αβ), hệ tọa độ –> dq hoặc dq –> αβ), hệ tọa độ ) θs cóthể được tính trực tiếp θs = arctg(ψr) hoặc gán tiếp:

θs = ωs*t + α0

khiển vecto:

- Phương pháp điều khiển trực tiếp

- Phương pháp điều khiển gián tiếp

Như đã phân tích ở trên, để thực hiện phương pháp điều khiển vecto, mô hìnhđộng cơ không đồng bộ phải được miêu tả ở hệ tọa độ từ thông rotor dq để có đượcđặc tính giống động cơ 1 chiều Tuy nhiên trong hệ thống thực, nguồn điện cấp chođộng cơ là nguồn hình sin 3 pha Do đó phải thực hiện phép chuyển đổi giữa các hệtọa độ

- Chuyển đổi giữa hệ tọa độ u, v, w và hệ tọa độ αβ), hệ tọa độ :

- Chuyển đổi giữa hệ tọa độ dq và hệ tọa độ αβ), hệ tọa độ :

isd = isα*cos θs - isβ), hệ tọa độ *sin θs

isq = - isα*cos θs + isβ), hệ tọa độ *sin θs (2.16)

và