Tóm tắt luận văn hệ truyền động sử dụng động cơ MCKCT với bộ điều khiển được thực hiện trên môi trường matlab simulink

Những động cơ này được biết đến như là động cơ một chiều không chổithan Brushless DC Motor.. Chính vì lý do trên mà việc nghiên cứu, điều khiển hệ truyềnđộng điện dùn

Trang 1

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tínhcủa chúng thích hợp với các truyền động servo Tuy nhiên, điểm hạn chế trongcấu tạo và trong quá trình làm việc của chúng là:

- Cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêu cầu bảo trì,bảo dưỡng thường xuyên;

- Sinh ra tia lửa điện trong quá trình làm việc

Để khắc phục các nhược điểm trên người ta chế tạo loại động cơ thay thếchức năng của cổ góp và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bándẫn (Ví dụ như biến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trírôto) Những động cơ này được biết đến như là động cơ một chiều không chổithan (Brushless DC Motor) Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ nàykhắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành gópthông thường Chính vì lý do trên mà việc nghiên cứu, điều khiển hệ truyềnđộng điện dùng động cơ một chiều không chổi than đã và đang được nghiên cứuvà ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng

Một điều quan trọng trong hệ truyền động động cơ một chiều không chổithan là việc cấp dòng điện vào cuộn dây Stato phải theo vị trí của từ trường roto.Như vậy khi đã xác được vị trí roto việc xây dựng thuật toán điều khiển dòngcấp cho cuộn dây Stato và nghiên cứu ứng dụng máy tính với phần mềm Matlab

- Simulink để thực hiện thuật toán điều khiển này là cần thiết và cũng là hướngnghiên chính của bản luận án

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng thuật toán điều khiển điều khiển hệ truyền động điện dùng động

cơ một chiều không chổi than

- Thực hiện thuật toán điều khiển bằng máy tính thông qua phần mềmMatlab - Simulink

3 Kết quả dự kiến:

- Xây dựng mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than

- Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển động cơ một chiều không chổithan

- Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ truyền động điện dùng động cơ mộtchiều không chổi than

4 Phương pháp và phương pháp luận:

- Phương pháp luận:

Trang 2

+ Nghiên cứu lý thuyết về động cơ một chiều không chổi than, phân tíchlựa chọn, xây dựng cấu trúc và thuật toán luật điều khiển.

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Phân tích và tổng hợp hệ bằng mô hình toán, mô phỏng, kiểm chứng.+ Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quảnghiên cứu lý thuyết

5 Cấu trúc của luận văn

Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than

Chương 2: Thiết kế hệ truyền động động cơ một chiều không chổi thanChương 3: Thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

1.1 Tổng quan về động cơ điện MCKCT

1.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ điện MCKCT

Động cơ một chiều (ĐCMC) thông thường có hiệu suất cao và các đặc tính củachúng thích hợp với các truyền động servo Tuy nhiên, hạn chế duy nhất là trong cấu tạo của chúng cần có cổ góp và chổi than, những thứ dễ bị mòn và yêucầu bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên Để khắc phục nhược điểm này người tachế tạo loại động cơ không cần bảo dưỡng bằng cách thay thế chức năng của cổgóp và chổi than bởi các chuyển mạch sử dụng thiết bị bán dẫn (chẳng hạn nhưbiến tần sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí rotor) Những động

cơ này được biết đến như là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnhcửu hay còn gọi là động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless DCMotor) Do không có cổ góp và chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu

hết các nhược điểm của động cơ một chiều có vành góp thông thường 1.1.1.1 Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than

Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than rất giống một loại động cơxoay chiều đó là động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnhcửu Hình 1.1 minh hoạ cấu tạo của một động cơ một chiều không chổi than bapha điển hình:

Trang 3

mạch theo vị trí rotor

Việc xác định vị trí rotor được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, hầuhết các

ĐC đồng bộ kích thích vĩnh cửu Cảm biến vị trí

Chuyển mạch điện tử

Trang 4

cảm biến vị trí rotor (cực từ) là phần tử Hall, tuy nhiên cũng có một sốđộng cơ sử

dụng cảm biến quang học Mặc dù hầu hết các động cơ chính thống và cónăng suất

cao đều là động cơ ba pha, động cơ một chiều không chổi than hai phacũng được sử dụng khá phổ biến vì cấu tạo và mạch truyền động đơn giản

Như vậy, về mặt cấu tạo động cơ một chiều không chổi than gồm có 3phần chính đó là: stator, rotor và bộ phận đổi chiều, ngoài ra còn có cảm biến vịtrí để xác định vị trí rotor, bộ mã hoá so lệch (encoder) để đo tốc độ rotor củađộng cơ

Sự khác nhau trong cách nối liền các bối dây trong cuộn dây stator tạonên sự khác nhau của hình dáng sức phản điện động ĐCMCKCT có 2 dạng sứcphản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang Cũng chính vì sự khác nhaunày mà tên gọi của động cơ cũng khác nhau, đó là ĐCMCKCT hình sin vàĐCMCKCT hình thang Dòng điện pha của động cơ tương ứng cũng có dạnghình sin và hình thang

Điều này làm cho momen của động cơ hình sin phẳng hơn nhưng đắt hơn

vì phải có thêm các bối dây mắc liên tục Còn động cơ hình thang thì rẻ hơnnhưng đặc tính momen lại nhấp nhô do sự thay đổi điện áp của sức phản điệnđộng là lớn hơn

Rotor:

Được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh namchâm vĩnh cửu Ở các động cơ yêu cầu quán tính của rotor nhỏ, người ta thườngchế tạo trục của động cơ có dạng hình trụ rỗng

Rotor được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu Số lượng đôi cực dao động

từ 2 đến 8 với các cực Nam (S) và Bắc (N) xếp xen kẽ nhau

Không giống như động cơ một chiều dùng chổi than, chuyển mạch củađộng cơ một chiều không chổi than được điều khiển bằng điện tử Tức là các

Trang 5

cuộn dây của stator sẽ được cấp điện nhờ sự chuyển mạch của các van bán dẫncông suất Để động cơ làm việc, cuộn dây của stator được cấp điện theo thứ tự.Tức là tại một thời điểm thì không ngẫu nhiên cấp điện cho cuộn dây nào cả màphụ thuộc vào vị trí của rotor động cơ ở đâu để cấp điện cho đúng Vì vậy điềuquan trọng là cần phải biết vị trí của rotor để tiến tới biết được cuộn dây statortiếp theo nào sẽ được cấp điện theo thứ tự cấp điện Vị trí của rotor được xácđịnh bằng nhiều cách khác nhau như phương pháp điện từ; phương pháp quangđiện và phương pháp sử dụng cảm biến Hall.

1.1.2 Mô hình toán học và phương trình đặc tính cơ của ĐCMCKCT1.1.2.1 Mô hình toán học của ĐCMCKCT

Mô hình toán học của đối tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mụcđích mô tả lại đối tượng thực tế đó nhưng dưới dạng các biểu thức toán học đểthuận lợi cho quá trình phân tích, khảo sát thiết kế Đối với động cơ, mô tả toánhọc đóng vai trò quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán bằng lý thuyết đều dựatrên mô hình toán học Vì vậy mô hình toán học là chìa khoá để mở ra mọi vấnđề trong quá trình tính toán thiết kế cho động cơ

Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT

ia, ib, ic : Dòng điện các pha

Ls = L-M : Điện cảm tương đương của mỗi phaRa= Rb= Rc = R : Điện trở cuộn dây stator

La = Lb = Lc = L : Điện cảm của các cuộn dâyLab= Lbc= Lca = M : Hỗ cảm giữa các cuộn dây

Va, Vb, Vc : Điện áp pha

Trang 6

Momen điện từ

Momen điện từ của ĐCMCKCT được tính thông qua các công suất cơ vàcông suất điện Do trong ĐCMCKCT ma sát sinh ra chủ yếu giữa trục động cơvà ổ đỡ nên lực ma sát này nhỏ Thêm vào đó vật liệu chế tạo động cơ cũng làloại có điện trở suất cao nên có thể giả thiết bỏ qua các tổn hao sắt, tổn haođồng… Vì vậy, công suất điện cấp cho động cơ cũng chính bằng công suất cơtrên đầu trục

Momen điện từ của ĐCMCKCT được tính theo công thức sau:

Jm : Momen quán tính Jc : Momen quán tính của tải

Mc : Momen tải của ĐC Mf : Momen ma sát

D : Hệ số nhớt giữa ma sát và tốc độ ω : Tốc độ quay của động cơ

1.2 Hệ truyền động động cơ điện một chiều không chổi than

1.2.1 Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính)

Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một cực

Trang 7

Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator

Hình trên minh hoạ một ĐCMCKCT ba pha đơn giản, động cơ này sử dụngcảm biến quang học làm bộ phận xác định vị trí rotor Như biểu diễn trên hình1.13, cực Bắc của rotor đang ở vị trí đối diện với cực lồi P2 của stator,phototransistor PT1 được chiếu sáng, do đó có tín hiệu đưa đến cực gốc (Base)của transistor Tr1 làm cho Tr1 mở Ở trạng thái này, cực Nam được tạo thành ởcực lồi P1 bởi dòng điện I1 chảy qua cuộn dây W1 đã hút cực Bắc của rotor làmcho rotor chuyển động theo hướng mũi tên

Khi cực Bắc của rotor di chuyển đến vị trí đối diện với cực lồi P1 củastator, lúc này màn chắn gắn trên trục động cơ sẽ che PT1 và PT2 được chiếusáng, Tr2 mở, dòng I2 chảy qua Tr2 Khi dòng điện này chảy qua dây quấn W2và tạo ra cực Nam trên cực lồi P2 thì cực Bắc của rotor sẽ quay theo chiều mũitên đến vị trí đối diện với cực lồi P2 Ở thời điểm này, màn chắn sẽ che PT2 vàphototransistor PT3 được chiếu sáng Lúc này chiều củadòng điện có chiều từW2 sang W3 Vì vậy, cực lồi P2 bị khử kích thích trong khi đó cực lồi P3 lạiđược kích hoạt và tạo thành cực lồi Do đó, cực Bắc của rotor di chuyển từ P2sang P3 mà không dừng lại Bằng cách lặp lại các chuyển mạch như vậy, rotornam châm vĩnh cửu của động cơ sẽ quay theo chiều xác định một cách liên tục

Trang 8

1.2.2 Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính)

Ở động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng được quấn trênstator là phần đứng yên nên có thể dễ dàng thay thế bộ chuyển mạch cơ khí(trong động cơ điện một chiều thông thường dùng chổi than) bằng bộ chuyểnmạch điện tử dùng các bóng transistor công suất được điều khiển theo vị trítương ứng của rotor

Chuyển mạch hai cực tính của ĐCMCKCT

Về bản chất, chuyển mạch hai cực tính là bộ nghịch lưu độc lập với 6 vanchuyển mạch được bố trí trên hình Trong đó 6 chuyển mạch là các van côngsuất, đối với các loại động cơ công suất bé thì các van chuyển mạch có thể dùngvan MOSFET còn các loại động cơ công suất lớn thì van chuyển mạch thườngdùng van IGBT Để thực hiện dẫn dòng trong những khoảng mà van không dẫnthì các diode được mắc song song với các van Để điều khiển các van bán dẫncủa chuyển mạch điện tử, bộ điều khiển cần nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí rotor

để đảm bảo sự thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quaygiống như vành góp chổi than của động cơ một chiều thông thường

Trang 9

1.3 Kết luận

Chương 1 trình bày tổng quan về động cơ một chiều không chổi than gồm cấu trúc, một số khái niệm về các thông số điện của động cơ, các yêu cầu cầnthiết khi lựa chọn động cơ và ưu nhược điểm của ĐCMCKCT so với một số loạiđộng cơ khác Có thể thấy, ngoại trừ các nhược điểm về giá cả và độ phức tạp trongđiều khiển, ĐCMCKCT là một loại động cơ phù hợp với rất nhiều yêu cầu đòi hỏiđộ chính xác và yêu cầu momen cao Nó có thể thỏa mãn các ứng dụng từ dải côngsuất thấp cỡ vài W đến công suất lớn cỡ hàng trăm KW Vì vậy ĐCMCKCT đangtrở nên ngày càng phổ biến trong cả dân dụng và công nghiệp.Động cơ một chiềuthông thường có rất nhiều ưu thế về điều chỉnh tốc độ, tuy nhiên nhược điểm lớnnhất của nó là trong cấu tạo cần có bộ chuyển mạch dòng điện cơ khí đó là cổ góp vàchổi than Do vậy đã hạn chế phạm vi ứng dụng của nó đặc biệt là trong các truyềnđộng yêu cầu tốc độ rất lớn, khi đó bộ chuyển mạch cơ khí không thể đáp ứng được.ĐCMCKCT đã khắc phục được nhược điểm này, do đó đã mở ra nhiều hướng ứngdụng mới cho loại động cơ này

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 2.1 Cấu trúc hệ truyền động động cơ MCKCT

Một cách tổng quát sơ đồ khối hệ truyền động động cơ MCKCT với 2mạch vòng phản hồi dòng điện và tốc độ sử dụng máy tính với phần mềmMatlab-Simulink để điều khiển như hình sau:

Sơ đồ hệ truyền động động cơ MCKCTsử dụng SIMULINK

BỘ ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG

CƠ MCKCT

CARD

GHÉP NỐI

LƯỢNG Điện áp 3 pha

U a , U b , U c

Máy tính

Trang 10

Trong đó:

- Bộ điều khiển: thực hiện tạo tín hiệu điều khiển theo quy luật yêu cầu

- Card ghép nối: thực hiện chức năng trao đổi thông tin qua lại giữa bộđiều khiển; bộ biến đổi năng lượng và đối tượng điều khiển

- Bộ biến đổi năng lượng: Cung cấp năng lượng cho động cơ truyền động.Việc điều khiển dòng năng lượng bằng các chuyển mạch điện tử trên cơ sở tínhiệu điều khiển từ bộ điều khiển và tín hiệu phản hồi vị trí rô to động cơMCKCT

- Động cơ MCKCT: Đối tượng điều khiển trong hệ truyền động Cáctrạng thái tốc độ, dòng điện và vị trí rô to được xác định từ các cảm biến và cáctín hiệu này sẽ tham ra vào quá trình điều khiển hệ thống

2.2 Xác định bộ điều khiển: Ở đây ta phải thực hiện hai bài toán:

2.2.1 Bài toán 1 (Xác định luật điều khiển): được thực hiện dựa trên việc tổng

hợp hệ thống truyền động

Sơ đồ hệ thống điều khiển một pha của ĐCMCKCT được trình bày trong hình 2.2

Sơ đồ cấu trúc một pha ĐCMCKCT

Trong đó:

- Ucđ : Tín hiệu đặt

- Rw,Ri: Bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện

- Kb, b: Hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của bộ biến đổi

- Rd: Tổng trở bao gồm điện trở của bộ biến đổi và cuộn dây phần ứngđộng cơ

e C

s T

Trang 11

- Te, Tm: Hằng số thời gian điện từ mạch điện rotor và hằng số thời gianđiện cơ hệ thống truyền động điện

- Ce: Hệ số sức điện động của động cơ

- Eb, EĐ: Sức điện động của bộ biến đổi và của động cơ

-  , : Hệ số phản hồi dòng điện và tốc độ

Ở đây ta phải xác định quy luật điều khiển của bộ điều khiển tốc độ Rw vàbộ điều khiển dòng điện Ri sao cho trong quá trình làm việc tốc độ thực củađộng cơ luôn bám theo một lượng đặt cho trước Hai bộ điều khiển Rw và Ri

được tổng hợp theo cấu trúc nối cấp, tín hiệu ra của bộ điều khiển tốc độ là là tínhiệu đầu vào của bộ điều khiển dòng điện Hai bộ điều khiển này quyết định đếnchất lượng động và tĩnh của hệ truyền động điện Qui luật điều khiển của Rw và

Ri được thực hiện theo phương pháp modul tối ưu

Các tham số của động cơ một chiều không chổi than:

Điện trở một pha: Rư = 0.445 (Ω))

Điện cảm một pha: Lư = 0.00585 (H)

Tốc độ định mức: nđm = 2800 (v/ph)

Dòng định mức: Iđm = 11.8 (A)

Momen định mức: Tđm = 249.11 (N.m)

Momen quán tính: Jm = 0.117 (kg.m2)

Hệ số momen: Ct = 2.94 (N.m/A)

Hệ số sức điện động: Ce = 2.38 (V/rad/s)

Điện áp định mức:Vđm = 48 (V)

Công suất định mức: P = 500 (W)

Hằng số thời gian điện từ:

Te = Lư / Tư = 0.00585/0.445 = 0.0131 (s) Hằng số thời gian điện cơ:

Tm = 02.117.94**20..38445

e t

u m

C C

R J

Tdk: Hằng số thời gian mạch điều khiển

Tν0: Hằng số thời gian chuyển mạch nghịch lưu của van bán dẫn Sau khi thay các thông số và biến đổi lược bỏ các thành phần vi phân bậccao ta được:

Trang 12

Wbbd = 9.6

1 1 0.0008

b b

Cấu trúc mạch vòng dòng điện:

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

Từ sơ đồ mạch vòng dòng điện, sau khi biến đổi, tổng hợp và thay cácthông số động cơ ta được:

2.2.1.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ

Sau khi tổng hợp xong mạch vòng dòng điện, sơ đồ cấu trúc của hệ códạng như sau:

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ

Từ sơ đồ mạch vòng tốc độ, sau khi biến đổi, tổng hợp và thay các thông

số động cơ ta được:

s T

2

1

2 2

Định dạng
Số trang	25
Dung lượng	3,47 MB