Cải thiện chất lượng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp điều khiển giả vector

Chương 2:Mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than theo phương pháp điều khiển truyền thống Chương 3: Điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều không chổ

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TẠ CAO MINH

Hà Nội – Năm 2010

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN !

Em xin cam đoan bản luận văn cao học có đề tài: “Cải thiện chất

lượng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp giả vector ” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS.Tạ Cao Minh Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực

Ngoài các tài liệu thiết kế đã dẫn ra ở cuối sách em đảm bảo rằng không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người khác Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Sinh viên

Nguyễn Tiến Thành

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ! 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC KÝ HIỆU 6

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 7

1.1.Giới thiệu chung 7

1.2.Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than (Động cơ BLDC) 8

1.2.1 Stator của động cơ BLDC 8

1.2.2.Rotor của động cơ BLDC 9

1.2.3 Cảm biến vị trí trong động cơ BLDC 10

1.2.4 Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC 13

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC 14

1.3.1 Nguyên lý hoạt động 14

1.3.2 Thứ tự chuyển mạch trong động cơ BLDC 15

1.4.Đặc tính cơ của động cơ BLDC 18

1.5 So sánh động cơ BLDC với một số động cơ khác 19

CHƯƠNG 2:MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THỐNG 22

2.1.Mô tả toán học động cơ BLDC 22

2.1.1 Mô hình toán học của động cơ 22

2.1.2 Momen điện từ của động cơ BLDC 23

2.1.3 Phương trình động học của động cơ BLDC 24

2.1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC 24

2.2 Thành lập sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC 25

2.3.Cấu hình điều khiển tổng quát cua động cơ BLDC 26

2.4.Tổng hợp các bộ điều khiển 27

2.4.1.Xây dựng mô hình điều khiển một pha động cơ 27

2.4.2 Xây dựng các khối chức năng và tổng hợp bộ điều khiển một pha cho động cơ BLDC 28

a Mô hình bộ biến đổi 29

b Khâu phản hồi dòng điện 30

Trang 4

c Khâu phản hồi tốc độ 31

d Tổng hợp mạch vòng dòng điện 31

e Tổng hợp mạch vòng tốc độ 34

2.4.3.Kết quả mô phỏng một pha động cơ BLDC 36

2.5.Xây dựng cấu hình điều khiển ba pha động cơ BLDC theo phương pháp điều khiển truyền thống 38

2.5.1.Xây dựng mô hình 38

a Mô hình động cơ BLDC 39

b Mô hình bộ biến đổi 44

c Mô hình bộ điều khiển 45

d Một số các khâu khác 48

2.5.2 Kết quả mô phỏng 49

CHƯƠNG 3 : ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIẢ VECTOR 52

3.1.Đặt vấn đề 52

3.2.Phương pháp điều khiển giả vector PVC 52

3.2.1.Hiện tượng nhấp nhô mômen 52

3.2.2.Phương pháp điều khiển giả vector 55

CHƯƠNG 4 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIẢ VECTOR 61

4.1.Xây dựng các khâu để thực hiện bộ điều khiển giả vector PVC 62

4.1.1.Bảng tra sức điện động 62

4.1.2.Mô hình khâu chuyển hệ tọa độ 3phase/2phase 62

4.1.3.Khâu tính toán giá trị dòng điện đặt i d * 63

4.1.4.Khâu tính toán giá trị dòng điện đặt i q * 64

4.1.5.Khâu chuyển đổi 2phase/3phase 64

4.2.Kết quả mô phỏng mô hình điều khiển động cơ theo phương pháp PVC 66

KẾT LUẬN 77

1.Đánh giá kết quả 77

2.Hướng phát triển tiếp theo của đề tài 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

Trang 5

LỜI NÓI ĐẦU

Trong vài chục năm trở lại đây, nối tiếp các thành tựu trên nhiều lĩnh vực khoa học cơ bản trước đó, nhân loại đã có những bước tiến dài trong hàng loạt các lĩnh vực như: điện tử công suất, lý thuyết điều khiển, kĩ thuật

đo lường và tin học công nghiệp… Đặc biệt trong đó phải kể tới sự phát triển vượt bâc trong lĩnh vực điều chỉnh tự động truyền động điện nói chung

và điều chỉnh tự động động cơ điện nói riêng Sự phát triển đó đem lại sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thế giới, mang lại nhiều lợi ích cho con người

Tuy nhiên, sự phát triển cũng kéo theo các yêu cầu mới, ngày càng khắt khe hơn, và một trong số đó có thể kể tới là vấn đề ổn định tốc độ trong dải tốc độ cao; vấn đề về vận hành trong các môi trường khắc nghiệt hay yêu cầu nghiêm ngặt về chế độ vận hành… Điều đó đặt ra ra yêu cầu phải chế tạo ra một loại động cơ mới để có thể thỏa mãn được các đòi hỏi khắt khe

đó Và động cơ một chiều không chổi than ra đời nhằm mục đích đó Với các tính năng vượt trội như: hiệu suất cao, ít gây ồn, hoạt động tin cậy trong dải tốc độ cao, ít phải tiến hành bảo dưỡng, làm việc được trong các môi trường dễ cháy nổ, loại động cơ này đang dần trở nên không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực trong công nghiệp Đặc biệt, cùng với sự phát triển không ngừng của kĩ thuật vi xử lý, công nghệ bán dẫn… thì động cơ một chiều không chổi than đang trở thành một xu hướng phát triển cho tương lai

chế như momen bị nhấp nhô, vấn đề về dải tốc độ của động cơ Do đó, em

được giao nhiệm vụ thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Cải thiện chất

lượng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp điều khiển giả vector”

Bản đồ án của em bao gồm 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than

Trang 6

Chương 2:Mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động động cơ một

chiều không chổi than theo phương pháp điều khiển truyền thống

Chương 3: Điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều không chổi

than bằng phương pháp giả vector

Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động động cơ một

chiều không chổi than theo phương pháo điều khiển giả vector

Do hạn chế về thời gian cũng như về kinh nghiệm thực tế bản thân nên đồ án còn nhiều chỗ thiếu sót, kính mong các thầy cô chỉ bảo để bản đồ

án được hoàn thiện hơn Em xin cám ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện nhiệt tình của các anh trên phòng thí nghiệm tự động hóa, các thầy cô giáo trong

bộ môn và đặc biệt là sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn

là PGS.TS Tạ Cao Minh

Hà Nội ngày tháng 10 năm 2010 Học viên thực hiện

Nguyễn Tiến Thành

Trang 7

DANH MỤC KÝ HIỆU

Động cơ BLDC: động cơ một chiều không chổi than

PVC : Pseudo Vector Control-phương pháp điều khiển giả vector PWM: Pulse-Width Modulation -điều chế độ rộng xung

Trang 8

Chương 1: Giới thiệu chung về động cơ một chiều không chổi than

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ MỘT

CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

1.1.Giới thiệu chung

Động cơ một chiều có rất nhiều ưu điểm như:có thể điều khiển tốc độ một cách dễ dàng, đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng… Tuy nhiên, nó cũng tồn tại một số hạn chế, trong đó có việc hạn chế

do sự chuyển mạch bằng cơ cấu chổi than-vành góp khiến phát sinh ra tiếng

ồn và tia lửa điện nên hạn chế làm việc trong các môi trường làm việc đặc biệt và hoạt động ở tốc độ cao

Do đó, để có thể sử dụng được các ưu điểm mà động cơ một chiều đem lại cũng như hạn chế một số các nhược điểm về chuyển mạch của nó, người ta đã chế tạo ra động cơ một chiều không chổi than (tiếng anh gọi là: Brushless DC motor, hay từ nay xin gọi là động cơ BLDC) Do việc không dùng chổi than nên động cơ BLDC không bị giới hạn bởi sự chuyển mạch như ở động cơ một chiều Động cơ này có nhiều ưu điểm hơn động cơ một chiều, trong đó có thể kể tới là:

-Thời gian hoạt động dài, bền: do không phải dùng chổi than nên động

cơ BLDC không phải thường xuyên bảo dưỡng như động cơ một chiều, do

đó sẽ tiết kiệm được thời gian dừng máy để thay thế chổi than

-Trong quá trình hoạt động của mình, động cơ BLDC không gây ra nhiễu trong quá trình chuyển mạch như động cơ một chiều, do đó nó có thể được đặt trong môi trường dễ cháy nổ Đồng thời, việc không cần chuyển mạch bằng chổi than-vành góp nên sẽ giúp giảm thiểu được rất nhiều tiếng

ồn khi vận hành, giúp cải thiện môi trường làm việc

Tuy vậy, động cơ BLDC vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như việc

mô men bị nhấp nhô do sự chuyển mạch giữa các van và hoạt động trong vùng tốc độ trên định mức

Trang 9

1.2.Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than (Động cơ BLDC)

Động cơ một chiều không chổi than (từ nay xin gọi là động cơ BLDC)

có cấu tạo khác với động cơ một chiều thông thường: thay vì dùng bộ chuyển mạch cơ khí bằng chổi than-vành góp thì động cơ BLDC dùng bộ chuyển mạch điện tử Về cấu trúc, động cơ BLDC bao gồm các bộ phận: Stator, Rotor, cảm biến vị trí và bộ chuyển mạch điện tử Trong đó, Stator và Rotor nằm trong động cơ, bộ cảm biến vị trí thường được gắn đồng trục bên trong vỏ động cơ còn bộ chuyển mạch điện tử có thể được đặt bên ngoài nhưng vì hoạt động của động cơ BLDC gắn liền với bộ này nên ta có thể coi

nó như một phần của động cơ

1.2.1 Stator của động cơ BLDC

với nhau, quanh chu vi phía trong có sẻ rãnh để đặt dây dẫn

trong các rãnh đặt dây dẫn của Stator Sự bố trí khác nhau của các bối dây trong các pha sẽ tạo nên sự khác nhau về hình dáng của sức phản điện động trong Stator của động cơ

Thông thường thì với động cơ không chổi than có hai dạng hình dáng của sức phản điện động là dạng hình sin và dạng hình thang Và động cơ có sức phản điện động hình thang chính là động cơ một chiều không chổi than

do đặc tính cơ của nó có dạng giống mới đặc tính cơ của động cơ một chiều

Hình 1.1 Sức phản điện động hình thang(BLDC)

Trang 10

Các cuộn dây có thể được nối với nhau theo cách đấu sao hoặc đấu tam giác Các cuộn dây của động cơ BLDC có thể là hai, ba hoặc nhiều pha nhưng thông dụng nhất là loại ba pha Phụ thuộc vào công suất động cơ, người ta có thể chọn động cơ dùng theo tỉ lệ điện áp tương ứng Các động cơ công suất nhỏ thường dùng nguồn nhỏ hơn hoặc bằng 48 V, được dùng trong các chuyển động nhỏ, robot… Còn các động cơ có nguồn trên 100V thường là loại có công suất trung bình và lớn, thường được dùng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa…

1.2.2.Rotor của động cơ BLDC

Rotor của động cơ BLDC được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu với số lượng đôi cực dao động là từ hai đến tám Ở vùng tốc độ rất cao thì động cơ với số đôi cực là hai hoặc bốn thường được lựa chọn Các cực Nam, cực Bắc được xếp xen kẽ, luân phiên nhau trên Rotor của động cơ

Rotor lõi tròn với nam

châm đặt trên bề mặt Rotor lõi tròn với nam châm được đặt trong rotor

Hình 1.2 Một số dạng rotor của động cơ BLDC

Vật liệu làm nam châm Rotor thông thường có hai loại: Ferrit và hợp kim Mỗi loại đều có ưu nhược điểm khác nhau:nam châm làm từ Ferrit có giá thành rẻ nhưng mật độ thông lượng từ trên một đơn vị thể tích của nam châm Ferrit lại thấp; nam châm làm từ hợp kim có giá thành cao cũng như công nghệ chế tạo phức tạp hơn, nhưng bù lại mật độ thông lượng từ trên một đơn vị thể tích của nam châm hợp kim lại cao hơn Vì vậy mà với cùng một thể tích thì momen sinh bởi nam châm hợp kim luôn lớn hơn momen sinh bởi nam châm Ferrit Do vậy mà với nam châm hợp kim, có thể giảm

Trang 11

được thể tích của rotor, từ đó giảm được kích thước của động cơ, nên có thể được ứng dụng trong một số trường hợp đòi hỏi cao về kích không gian đặt động cơ

1.2.3 Cảm biến vị trí trong động cơ BLDC

Nhiệm vụ của bộ cảm biến vị trí Rotor nói chung là tạo ra tín hiệu đồng bộ sức điện động động cơ phục vụ cho việc đóng cắt các van bán dẫn ở

bộ chuyển mạch điện tử

Cảm biến vị trí trong động cơ có thể sử dụng một số loại: Resolver, encoder quang, cảm biến Hall… Trong nội dung đồ án này, tác giả xin trình bày về nguyên lý của hai bộ cảm biến vị trí thông dụng nhất là Encoder quang và cảm biến Hall

1.Cảm biến vị trí sử dụng Encoder

Hình (1.3) mô tả cấu tạo cơ bản của một bộ cảm biến vị trí sử dụng Encoder quang điện, bao gồm bốn sensor quang S1, S2, S3, S4 và các khe sáng là hai khe vòng cung đối xứng nhau và có độ dài một phần tư vòng tròn Các Sensor quang thực chất được cấu tạo bởi một bộ phát ánh sáng (LED phát), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộ thu thường là photodiode hoặc phototransistor)

Nguyên lý hoạt động: Các bộ phát và bộ thu được gắn cố định, còn màn chắn sáng được gắn trên đĩa quang được gắn đồng trục với Rotor động

cơ Khi không có khe sáng thì ánh sáng giữa bộ phát và bộ thu không chiếu thẳng sang nhau được nên không có tín hiệu (coi như mức 0); còn khi giữa

bộ phát và bộ thu là khe hở thì bộ phát sẽ nhận được tín hiệu từ bộ thu(coi như mức 1)

Như vậy từ việc đếm số xung của Sensor S4 trên một đơn vị thời gian,

ta sẽ đo được tốc độ động cơ Đồng thời các xung của Sensor S4 cũng được

sử dụng để làm xung đồng bộ cho bộ đếm để xác định góc hoặc vị trí của Rotor

Trang 12

thời điểm chỉ có hai Sensor được chiếu sáng Khi đĩa quay sẽ tạo ra ba xung

châm Rotor, ta sẽ thu được ba xung đồng bộ với sức điện động cảm ứng ở Stator

Hình 1.3 Nguyên lý bộ cảm biến vị trí Rotor sử dụng encoder quang

2.Cảm biến vị trí sử dụng cảm biến Hall

Năm 1879, Edwin Herbert Hall sau những thí nghiệm kiểm chứng nhận xét của Maxell rằng lực điện từ của từ trường đặt lên dây dẫn không tác động trực tiếp lên dòng điện mà tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện đó, đã phát hiện ra rằng từ trường từ trường có thể làm thay đổi sự phân bố của dòng điện trong hầu hết các dây dẫn Hiệu ứng này có thể được lý giải như sau: Dòng điện chạy trong dây dẫn chính là sự chuyển động của các hạt mang điện tích, khi chạy qua từ trường, các điện tích này chịu sự tác dụng của lực Lorentz nên sẽ bị đẩy về một trong hai phía của thanh dẫn Sự tập

Trang 13

trung các điện tích trái dấu ở hai phía của thanh dẫn gây ra hiệu điện thế Hall

Hỡnh 1.4 Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh kim loại

Người ta dựa vào hiệu ứng này để chế tạo các cảm biến Hall trong động cơ BLDC như sau: người ta cung cấp dòng điện chạy liên tục qua các cảm biến Hall, các cảm biến này được gắn cố định so với Rotor của động cơ BLDC Khi Rotor của động cơ BLDC quay, các nam châm được gắn trên đó quay theo, mỗi khi các cực của nam châm Rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall, mật độ điện tích trong các thanh dẫn trong cảm biến Hall sẽ bị lệch theo một hướng, tùy theo đó là cực Bắc hay cực Nam (thực chất là tùy theo chiều của từ trường quét qua thanh dẫn) Việc đo hiệu điện thế giữa hai phía của thanh dẫn sẽ giúp ta biết được cực nào đang quét qua cảm biến, do

đó có thể xác định được vị trí của Rotor Tổ hợp các tín hiệu nhận được từ cảm biến Hall đưa về, ta sẽ tạo ra được các luật chuyển mạch cho động cơ

Trang 14

Hình 1.5 Cấu trúc nằm ngang của động cơ BLDC

Hình (1.5) biểu diễn mặt cắt ngang của một động cơ BLDC với roto

có gắn các nam châm vĩnh cửu Các cảm biến Hall được gắn vào phần không chuyển động của động cơ Do quá trình gắn các cảm biến Hall rất là phức tạp, nên trong một số động cơ, người ta có thể gắn các nam châm phụ phục vụ cho riêng cảm biến Hall: chúng là các phiên bản thu nhỏ của các nam châm gắn trên Rotor, nên khi trục Rotor quay, chúng cũng đem lại tín hiệu như tín hiệu của các nam châm gắn trên Rotor

Việc gắn các cảm biến Hall cũng tương tự như việc đặt các cảm biến

S3 của Encoder

Cảm biến Hall yêu cầu phải có nguồn cấp với dải điện áp từ 4 đến 24V và dòng từ 5 đến 15mA Đầu ra của cảm biến Hall thường là kiểu collector hở nên cần phải treo trở vào khi sử dụng

1.2.4 Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC

Bộ chuyển mạch về bản chất là bộ nghịch lưu bị động theo sức điện động của Stator

Trang 15

Hình 1.6 Bộ chuyển mạch của động cơ BLDC

van tương ứng Hình (1.6) trên mô tả bộ chuyển mạch của động cơ BLDC ba pha, sử dụng sáu van công suất IGBT từ T1 đến T6 và các diode D1 đến D6 nhằm bảo vệ van chống điện áp ngược xuất hiện khi chuyển mạch, trao đổi công suất giữa nguồn và động cơ, tham gia vào quá trình chuyển mạch Bộ điều khiển nhận biết tín hiệu từ cảm biến Hall đồng bộ với suất phản điện động của động cơ sẽ phát ra tín hiệu điều khiển các van công suất dẫn theo các luật đã được xác định trước

1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC

1.3.1 Nguyên lý hoạt động

Việc chuyển mạch tuần tự của các van công suất dựa theo tín hiệu đồng bộ thu về từ bộ cảm biến vị trí sẽ cấp điện lần lượt cho các cuộn dây theo các chiều xác đinh trước, tạo ra một từ trường quay, tạm gọi là từ trường quay của Stator Từ trường quay của Stator quét qua từ trường của nam châm vĩnh cửu gắn trên Rotor sinh ra momen, kéo Rotor quay Như vậy, chính sự tương tác giữa từ trường quay của Stator với từ trường của các nam châm trên Rotor là nguyên nhân sinh ra momen quay của động cơ

Trang 16

1.3.2 Thứ tự chuyển mạch trong động cơ BLDC

Mỗi một chu kì cơ có thể bao gồm một số chu kì điện, tùy thuộc vào

số lượng cặp cực tương ứng được gắn trên Rotor động cơ Do vậy, để tiện cho việc thuyết minh, ta sẽ sử dụng độ điện trong các thuyết minh dưới đây

Hình 1.7 Sơ đồ mô tả thứ tự cấp điện cho các pha của động cơ BLDC trong

trường hợp động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ

Hình (1.7) mô tả thứ tự cấp điện cho các cuộn dây trong động cơ BLDC đấu sao [TL-8] Trong một chu kì điện, các van được luân phiên nhau dẫn tạo ra sáu trạng thái dẫn dòng cho động cơ Để có được như vậy, người

ta phải dựa vào tín hiệu của các cảm biến để đưa ra tín hiệu phát xung mở cho các van thích hợp Quan hệ giữa các tín hiệu thu về từ cảm biến thông dụng nhất là cảm biến Hall và sức phản điện động, dòng điện pha được mô

tả trong hình (1.8)

Trang 17

IC

IA EC EB

EA HALL3 HALL2 HALL1

Hình 1.8 Tín hiệu từ cảm biến Hall, sức phản điện động và dòng điện

pha

lần, như vậy trong một chu kì điện, các cảm biến Hall sẽ thay đổi trạng thái tổng cộng là sáu lần tương ứng với sáu lần chuyển mạch của các van công suất

Trang 18

Động cơ có thể quay thuận, quay ngược và ứng với các trường hợp đó

ta sẽ phải cấp xung mở theo thứ tự khác nhau trong một chu kì điện cho các van công suất

Bảng 1.1 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ

Đầu vào các cảm biến

Bảng 1.2 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ

Đầu vào các cảm biến

Trang 19

5 1 0 0 T3 T4 DC- DC+ -

6 1 0 1 T3 T2 - DC+ DC- Các van sẽ được cấp xung mở theo thứ tự như trên và động cơ sẽ chạy

ở tốc độ định mức với giả thiết là điện áp cấp cho động cơ là điện áp định mức, không kể tổn thất điện áp rơi trên các van và dây dẫn Để điều khiển động cơ quay theo tốc độ mong muốn, người ta có thể làm hai cách: cách thứ nhất sử dụng một van công suất để điều khiển dòng điện một chiều chảy vào bộ nghịch lưu,cách thứ hai là sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung

1.4.Đặc tính cơ của động cơ BLDC

Hình 1.9.Đặc tính cơ của động cơ BLDC

Đặc tính cơ của động cơ BLDC có dạng như trên hình(1.9) Động cơ BLDC làm việc trong 2 vùng momen: vùng momen gián đoạn và vùng

momen liên tục

Động cơ BLDC có thể giữ momen ở định mức khi tốc độ động cơ dưới tốc

Trang 20

độ định mức Do giới hạn về công suất động cơ nên khi tốc độ động cơ tăng trên tốc độ định mức, momen bắt đầu giảm để đảm bảo công suất động cơ không đổi Tốc độ động cơ lớn nhất có thể bằng 150% tốc độ định mức.Vùng momen không liên tục là vùng momen trên định mức Trong thực

tế, có nhiều ứng dụng đòi hỏi động cơ phải thường xuyên khởi động, dừng hay đảo chiều quay của động cơ khi có tải Khi đó đòi hỏi động cơ phải sinh

ra momen lớn hơn momen định mức Đặc biệt trong các ứng dụng có chế độ làm việc ngắn hạn, động cơ phải thực hiện khởi động từ trạng thái đứng yên

và diễn ra trong suốt quá trình gia tốc của động cơ

1.5 So sánh động cơ BLDC với một số động cơ khác

Bảng 1.3 So sánh giữa động cơ BLDC với động cơ DC chổi than

Chuyển

mạch

chuyển mạch điện tử trên cơ

sở các cảm biến vị trí

chuyển mạch chổi than

chổi than

Yêu cầu bảo dưỡng định kì

Thời gian

làm việc

Dài hơn Ngắn hơn

Đặc tính cơ Êm-cho phép hoạt động ở tất

cả các tốc độ với tải xác định

Êm trung bình-ở tốc độ cao hơn, ma sát chổi tăng, do đó giảm mô men hữu ích

qua chổi than

Trung bình/thấp-nhiệt được tạo

ra bởi phần ứng được tiêu tán trong khe hở không khí, do đó làm tăng nhiệt trong khe không khí và sự giới hạn an toàn công suất ra/kích thước cơ cấu

Trang 21

Điều này làm tăng sự linh hoạt trong điều khiển động

cơ

các cuộn dây đặt trong phần

ứng động cơ

chế bởi sự chuyển mạch cơ khí như động cơ một chiều

thông thường

Thấp hơn-do hạn chế về chuyển mạch bằng cơ cấu chuyển mạch chổi than-vành

góp

Sự phát

sinh nhiễu

Thấp Hồ quang ở chổi than khi

chuyển mạch sinh ra nhiễu điện ảnh hưởng tới các thiết bị xung

quay được

Chỉ cần tới bộ điều khiển khi cần thay đổi tốc độ động cơ trong quá trình làm việc

Bảng 1.4 So sánh động cơ BLDC với không đồng bộ rotor dây quấn

Công suất

ra/kích

thước cơ

cấu

Cao-vì nó có nam châm vĩnh

cửu trên roto

Vừa phải-vì cả stator và roto có các cuộn dây, công suất ra thấp hơn BLDC với động cơ cùng

kích thước Dòng khởi

Trang 22

chế dòng khởi động Bình thường có thể dùng mạch khởi động đổi nối sao-tam giác Các yêu

cầu điều

khiển

Luôn phải duy trì hoạt động của bộ điều khiển vì nếu thiếu thì động cơ không thể

quay được

Chỉ cần tới bộ điều khiển khi cần thay đổi tốc độ động cơ trong quá trình làm việc

số Rotor và Stator

Roto chạy ở tần số thấp hơn

stator

Trang 23

Chương 2: Mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than theo phương pháp truyền thống

CHƯƠNG 2:MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THỐNG

2.1.Mô tả toán học động cơ BLDC

2.1.1 Mô hình toán học của động cơ

Stator động cơ có ba cuộn dây được cấp nguồn bởi điện áp ba pha có

độ lớn lần lượt là Ua, Ub, Uc.Khi được cấp nguồn, các cuộn dây Stator sinh

ra dòng điện, dòng điện này sinh ra từ trường quay quét qua từ trường của nam châm Rotor Sự tương tác giữa hai từ trường của Stator và Rotor của động cơ sẽ làm cho Rotor động cơ quay Do từ trường Rotor quay nên sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây Stator các sức phản điện động tương ứng là

Ea, Eb, Ec Giả sử điện trở và điện cảm tương ứng của các pha là Ra, Rb, Rc

và La, Lb, Lc Như vậy ta sẽ có sơ đồ thay thế như trên hình (2.1)

Hình 2.1 Mô hình toán học động cơ BLDC

Trang 24

Phương trình tổng quát được trình bày theo công thức (2-1)

dt dib

dt dia Lc Lcb Lca

Lcb Lb Lba

Lca Lba La ic ib ia Rc Rb Ra Uc

Ub

Ua

/ /

/

0 0

(2-1)

Trong đó: Lba, Lca, Lcb là hỗ cảm giữa các cuộn dây của các pha.Giả thiết các pha hoàn toàn đối xứng ta sẽ thu được Ra=Rb=Rc=R;La=Lb=Lc=L;Lba=Lca=Lcb=M

Sau khi Laplace hóa phương trình (2-1) và giả thiết các pha hoàn toàn đối xứng ta sẽ thu được phương trình mới như công thức (2-2)

ib ia L M M

M L M

M M L s ic ib ia R R R Uc

Ub

Ua

.

0 0

ib ia M L

M L

M L s ic ib ia R R R Uc

Ub

Ua

0

0 0

Đặt Ls=L-M và sau khi biến đổi ta sẽ được:

ib

ia

s

0 0

/ 1 0 0

0 / 1 0

0 0 / 1

Công thức (2-3) chính là công thức mô tả mô hình động cơ dưới dạng toán học

2.1.2 Momen điện từ của động cơ BLDC

Trang 25

Do đó momen điện từ của động cơ là:

i E i E i E

2.1.3 Phương trình động học của động cơ BLDC

Phương trình động học tổng quát của động cơ có dạng:

dt

d Jc

).

Trong đó: +M: momen điện từ của động cơ

+Jm: momen quán tính của động cơ +Jc:momen quán tính của tải

Đặt J=Jm+Jc và Laplace hóa phương trình (2-5) thì thu được:

s J

M D

2.1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ BLDC

Hình 2.2 Sơ đồ thay thế một pha động cơ BLDC

Do đặc điểm động cơ BLDC với các cuộn dây Stator mắc hình sao là tại một thời điểm luôn có hai pha dẫn,nên công suất điện của động cơ là:

Trang 26

M=

ω

I E.

.

M

I E.

R K

U

t t

Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ

2.2 Thành lập sơ đồ cấu trúc của động cơ BLDC

Từ phương trình (2-3) xét cho pha a:

) (

1

)

( ) (

1

s s

a a a a a a s a

a a s

T s

R R

L s

E U i E U i R L s i

R E U

Tương tự cho các pha còn lại:

1

b b s

T s

1

c c s

T s

Trang 27

Chương 2: Mô hình hóa và mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều

không chổi than theo phương pháp truyền thống

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ BLDC

2.3.Cấu hình điều khiển tổng quát cua động cơ BLDC

Hình 2.4 Sơ đồ khối tổng quát mô phỏng động cơ BLDC

Cấu hình tổng quát của hệ truyền động động cơ một chiều không chổi

than được mô tả trên hình (2.4) Tín hiệu phản hồi vị trí (thường sử dụng

Trang 28

Khối “tạo dòng điện đặt có chức năng nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều

Ri

Bộ phát xung PWM nhận tín hiệu từ bộ điều khiển dòng điện thực hiện việc đưa ra 6 xung điều khiển để điều khiển đóng mở van công suất trong bộ chuyển mạch, thực hiện cấp năng lượng cho động cơ một chiều không chổi than

2.4.Tổng hợp các bộ điều khiển

2.4.1.Xây dựng mô hình điều khiển một pha động cơ

Để làm cơ sở thực hiện bộ điều khiển cho 3 pha động cơ, cần thực hiện bộ điều khiển một pha động cơ, từ đó lấy các thông số bộ điều khiển để chỉnh định cho mô hình ba pha

Động cơ BLDC có Rotor làm bằng nam châm vĩnh cửu nên để điều khiển động cơ này, người ta phải điều khiển phần nguồn cấp vào Stator của động cơ Do Stator động cơ có ba cuộn dây nên để đơn giản hóa trong việc điều khiển động cơ BLDC, người ta thường tách từng cuộn dây ra để phân tích, xây dựng mô hình điều khiển cho từng pha rồi sau đó ghép vào và tìm cách chỉnh định

Hình (2.2) mô tả mạch điện tương đương một pha động cơ BLDC Ta

có phương trình cân bằng điện áp :

ω

.

dt

di L i R E dt

di L i R

Laplace hóa phương trình trên thu được phương trình (2-11):

) (

1

.

R s

L R

K U I K

I s L R

+

= +

−

=

⇒ +

+

Trang 29

Do động cơ sử dụng nam châm vĩnh cửu nên momen điện từ sinh ra

và dòng điện có quan hệ theo biểu thức (2-12)

).

(

J=Jm+Jc.Chuyển sang miền ảnh Laplace thì thu được phương trình (2-13)

s J M M s

J M

.

1 ).

(

Hình 2.5 Mô hình tương đương một pha của đông cơ BLDC

2.4.2 Xây dựng các khối chức năng và tổng hợp bộ điều khiển một pha cho động cơ BLDC

Từ mô hình một pha của động cơ BLDC, cấu hình điều khiển một pha động cơ với hai mạch vòng dòng điện và tốc độ được xây dựng như hình (2.5)

Trang 30

Hình 2.6 Cấu hình điều khiển một pha động cơ với hai mạch vòng điều

chỉnh

a Mô hình bộ biến đổi

Bộ biến đổi có hàm truyền dạng:

) 1 ).(

1

bd

T s T

s

K

+ +

gian chuyển mạch của các van bán dẫn trong mạch nghịch lưu

vào phần ứng động cơ.Do động cơ đấu sao nên điện áp rơi trên một pha

thức :

10 2 12

max max = =

=

dk

dc bd

U

cũng phải nhỏ hơn 10 lần chu kì điện nhỏ nhất cấp cho ba pha Điều đó xảy

cực nên một chu kỳ cơ tương đương với 2 chu kỳ điện Do đó

Trang 31

Do đó:

π π

ω

2 9 295 3 10 2

1 2

3 10 2

Hàm truyền của bộ biến đổi là:

1 ) (

) 1 ).(

1

dk

bd

T T s T T s

K T

s T

s K

Bỏ qua thành phần bậc hai với hệ số rất nhỏ so với các hệ số của các

1 0002 , 0

6 , 0 1

b Khâu phản hồi dòng điện

Khâu đo dòng điện có thể xấp xỉ về một khâu quán tính bậc nhất như sau:

i

T s

K

.

1 +

5 1 95

Vậy hàm truyền của khâu đo dòng là:

10 1

0702 , 0

K

i

Trang 32

.

1 +

=

9 , 295

* 5 1

10

max max =

Vậy hàm truyền của khâu đo tốc độ là:

4

10 1

0225 , 0

=

s T

s

K W

Trang 33

Hình 2.7 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện

Hằng số cơ của động cơ là:

0405 , 0 0394 , 0

10 14 10 15 , 1

=

e t

u

K K

R J

Hằng số điện từ của động cơ là:

10 14

10 3 , 5

+E:suất điện động sinh ra trên một pha

u

u s L R

E U i

+

−

=

Trang 34

s J

K K K s J K

.

1

Thay (2) vào (1) ta được:

L s R s J

K K L

s R

U L

s R

i s J

K K U

u u

e t u

u u

u

e t

) (

.

+

− +

= +

−

u u u

u

e t

L s R

U L

s R s J

K K i

)

(

1

u

e t c e t

u

R J

K K T K K

R J

.

1

u u

c

u

L s R

U L

s R s T

R i

.)

.(

→

s T T s

R s T

R L s R L

s R s T

R L

s R U

i

c u u

c

u u u u

u c

u u

1 ) 1 (

1

) (

1

) ( 1 ).

(

1

+ +

= + +

+

=

→

1

.

+ +

=

s T s T T

s R

T

c u

c u c

U

i =

1

++

=

s T s T T

s R

T

c u

c u c

Và nếu coi cả bộ biến đổi và khâu đo dòng cũng nằm trong đối tượng điều khiển thì hàm truyền hở mạch của đối tượng là:

1

) 1 )(

s R

T T s T

s

K K

c u

c i bd

Trang 35

Thay (6) vào (5) thu được:

1

)

T T

s

K

c u

c s

→ +

=

1

0 0

i k

i i i

i i

i

R F

S R S

R S R

S R S

)

s T s T T

s R

T T

s

K

c u

c s

=

s s

T s T T

s R

T T

s

K

c u

c s

i

1

)

+

2 2

2

1

.

1

.

2

.

1

s T R

T K K

s T s T T

s T s

T

s T s R

c u

c

c u

c

s u

c i

bd

+ +

=

+ +

(2-17)

e Tổng hợp mạch vòng tốc độ

Để tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta dùng chuẩn tối ưu đối xứng Ta có: khi đã dùng tiêu chuẩn tối ưu mô đun để tông hợp mạch vòng dòng điện và

Trang 36

bỏ qua suất điện động của động cơ thì mạch toàn bộ phần mạch vòng dòng điện có thể coi xấp xỉ bằng một hàm truyền:

2 2 1

1

s T s T K

U

i

s s

U

i

s i

id 1 2

1

1 +

K s T s T

1 2 2 1

1

2 2

1

s T s

T s

J K

K K

s i

t

ω

++

) '.

2 1 (

1

.

s T s

J K

K K

s i

4 1

s T s T s T

s T

x x

x

+ +

+

[TL2]Mặt khác:

→ +

=

1

0 0

ω ω

ω ω ω

ω ω

ω

k

F S

R F

S R S

R S

R

S R S

R

s T

s T s

T s T s

s i

t

4 1

) 1 (

8 ) '.

2 1 (

1

.

1

2 2

+

+ +

=

→

ω ω

Trang 37

=

) 1 ( 8

) '.

2 1 ).(

4 1 (

.

2

s T s T

s T s

T K

K

J K

x x

s x

t

i

+

+ +

K K

J K s

T

s T T

K K

J K s T

s T K

t

i s

s s

t

i s

s t

i

'.

8

1 1 ' 4

1

'.

8

'.

8 1 ' 4

1

.

' 32

'.

8 1

ω

Hình 2.8 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ

2.4.3.Kết quả mô phỏng một pha động cơ BLDC

Tiến hành mô phỏng mô hình một pha động cơ BLDC theo sơ đồ hình (2.9) với các tham số mô phỏng được đưa vào file “thongso01.m” Tốc độ đặt định mức được đưa vào sau 0,5 giây và được đưa qua một khâu Ramp để làm mềm đặc tính của khâu step Tải định mức được đưa vào sau 2 giây Kết quả tốc đáp ứng tốc độ động cơ được trình bày trên hình (2.10) và đáp ứng dòng điện động cơ được trình bày trên hình (2.11)

Trang 38

Hình 2.9.Sơ đồ mô phỏng một pha của động cơ BLDC

Trang 39

2.5.Xây dựng cấu hình điều khiển ba pha động cơ BLDC theo phương pháp điều khiển truyền thống

2.5.1.Xây dựng mô hình

trên Simulink trên cơ sở kết hợp các khối hàm truyền và các phần tử trong

Định dạng
Số trang	79
Dung lượng	1,45 MB