Thiết kế và lắp ráp hệ điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng FPGA (tt)

Xuất phát từ những vấn đề thực tế đã nêu trên, tôi đã chọn đề tài luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “Thiết kế và lắp ráp hệ điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng FPGA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐOÀN PHƯỚC TRIỀU

THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP HỆ ĐIỀU KHIỂN

VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA DÙNG FPGA

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2015

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH

Phản biện 1: TS LÊ TIẾN DŨNG

Phản biện 2: TS NGUYỄN HOÀNG MAI

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ

kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 13 tháng 12 năm 2015

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Sự bùng nổ của tiến bộ khoa học trong lĩnh vực điện - điện tử - tin học hiện nay đã có những thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyết lẫn thực tế lĩnh vực truyền động điện tự động Trước hết phải kể đến sự ra đời và ngày càng hoàn thiện các bộ biến đổi điện tử công suất, với kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh cao, dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng mach vi điện tử, vi xử lý…Các hệ truyền động điện tự động ngày nay thường sử dụng nguyên tắc điều khiển vector cho các động cơ xoay chiều Phần lớn các mạch điều khiển này dùng kỹ thuật

số với chương trình phần mềm linh hoạt, dễ dàng thay đổi các cấu trúc tham

số hoặc các luật điều khiển, vì vậy làm tăng độ chính xác và hiệu suất cho các hệ truyền động

FPGA có nhiều ưu điểm vượt trội so với các công nghệ khác và

kể cả chi phí, có lợi thế trong việc canh tranh với thị trường FPGA là viết tắt của cụm từ tiếng anh Field -Programmable Gate Array (mảng cổng lập trình được dạng trường) là một loại vi mạch tích hợp dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng có thể lập trình được

Xuất phát từ những vấn đề thực tế đã nêu trên, tôi đã chọn đề

tài luận văn tốt nghiệp thạc sĩ: “Thiết kế và lắp ráp hệ điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng FPGA ”

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học

Đề tài xây dựng hệ thống điều khiển kín, phản hồi tốc độ, sử dụng bộ điều khiển PID số để điều khiển ổn định vị trí động cơ không

đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc theo phương pháp vector không gian sử dụng FPGA

b Ý nghĩa thực tiễn

Hệ thống này cho phép sử dụng có hiệu quả, nâng cao chất lượng động cơ không đồng bộ trong các hệ thống truyền động điện các nhà máy công nghiệp

4 Nội dung của đề tài

- Tìm hiểu động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc

- Xây dựng mô hình toán học động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc

- Tìm hiểu phương pháp điểu khiển vector, điều khiển động cơ dựa trên cơ sở điều chế vector không gian

- Xây dựng cấu trúc hệ truyền động điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

CHƯƠNG 4 Sử dụng FPGA thiết kế bộ điểu khiển vị trí động

cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

6 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

- Động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rotor lồng sóc (IM)

- Hệ thống biến tần

- Phương pháp điều khiển vector tựa theo từ thông rotor

- FPGA, lập trình bộ điều khiển PID số

- Matlab Simulink

b Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đề tài, xây dựng được nội dung cần trình bày trong luận văn

- Tính toán dựa trên lý thuyết đưa ra các hệ thống điều khiển

- Mô phỏng các kết quả đạt được trên Matlab Simulink

- Thiết kế phần cứng dựa trên mô hình đã tính toán được

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3

PHA ROTOR LỒNG SÓC

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG

1.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA

1.2.1 Vector không gian và hệ tọa độ từ thông

1.2.2 Mô hình toán học của động cơ

1.2.3 Mô hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ 

1.2.4 Mô hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB rotor lồng

sóc trên hệ tọa độ từ thông rotor (tọa độ dq)

1.3 MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TRÊN

MÔ HÌNH MATLAB - SIMULINK

1.3.1 Mô hình mô phỏng trên hệ tọa độ 

Hình 1.3 Mô hình mô phỏng ĐCKĐB trên hệ 

Kết quả mô phỏng

1.3.2 Mô hình mô phỏng trên hệ tọa độ dq

Hình 1.12 Mô hình mô phỏng ĐCKĐB trên hệ dq

Kết luận: Với phần cơ sở lý thuyết trình bày ở mục 1.1 và 1.2, khi

tiến hành mô phỏng trên Matlab - Simulink, ta thấy các thống số đầu ra của hai mô hình trên hai tọa độ  và dq là như nhau Quá trình khởi

động ban đầu không tải sau hơn 1 giây thì tốc độ động cơ được xác lập Sau khoảng thời gian 1,5 giây ta đóng tải thì tốc độ và từ thông của động cơ giảm, momen và dòng điện tăng lên 1 giá trị nhất định Các đường đặc tính có kết quả khá chính xác và phù hợp với thực tế

Hình 2.14 Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung

Mô hình hệ thống biến tần - động cơ xoay chiều 3 pha theo phương pháp PWM xây dựng trên Matlab - Simulink

Hình 2.16 Mô hình PWM trên Matlab - Simulink

từ phương pháp này là khá lớn, ta có thể hạn chế bằng cách lọc nhiễu

và tăng tần số xung răng cưa Ngoài ra hiệu suất của phương pháp này chưa cao

2.3 BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ THEO PHƯƠNG PHÁP VECTOR KHÔNG GIAN

-60 -40 -20 0 20 40 60 80

Time

Mô phỏng trên mô hình matlab - simulink

Hình 2.26 Mô hình simulink

Kết quả mô phỏng

Hình 2.27 Dòng điện ba gia ứng với N=48, f=50 Hz

Hình 2.28 Đặc tính tốc độ và momen của động cơ

-600 -400 -200 0 200 400 600

1500

-500

0 500 1000

1500

Dac tinh toc do

Dac tinh tu thong

Nhận xét: Phương pháp điều chế vector không gian về cơ bản

là phương thức thay thế vector điện áp ba pha đối xứng thành một vector quay trong không gian Như vậy thay vì phải tính toán trên ba pha ta chỉ cần tính toán trên hệ trục hai pha theo độ lớn và góc pha của đại lượng vector quay Hay nói cách khác, thời gian đóng mở các van được tính toán hợp lý Đây là một phương pháp có tính hiện đại, phương pháp này có giá trị điện áp tốt và dạng sóng dòng điện tải gần Sin nhất trong các phương pháp Chất lượng điều khiển tốt hơn so với phương pháp PWM

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương 2 đã giới thiệu tổng quan về biến tần và hệ thống biến tần - động cơ, bên cạnh đó chương đã trình bày hai phương pháp điều chế độ rộng xung PWM và phương pháp điều chế vector Hai phương pháp trên được mô phỏng trên Matlab - Simulink Mỗi phương pháp điều có những ưu nhược điểm khác nhau Trong hai phương pháp, phương pháp điều biến độ rộng xung dễ điều khiển, không cần phải tính toán phức tạp Tuy nhiên chất lượng điều khiển không cao, hiệu suất không bằng phương pháp điều chế vector không gian

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

3.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU CHỈNH VỊ TRÍ

3.1.1 Hệ điều chỉnh vị trí là tuyến tính

3.1.2 Điều chỉnh vị trí tối ưu theo thời gian

3.1.3 Hệ truyền động điều khiển vị trí làm việc trong chế độ bám

3.2 HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

BA PHA THEO PHƯƠNG PHÁP PWM

Hệ điều chỉnh vị trí có 2 vòng điều khiển, vòng điều khiển tốc

độ và một điều khiển vị trí Vòng điều khiển tốc độ nằm ở trong Tín hiệu đặt cho bộ điều khiển vị trí  bao gồm vị trí và chiều Tín hiệu điều khiển vị trí sẽ là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển tốc độ Hai tín hiệu

vị trí và tốc độ đặt sẽ được so sánh với tín hiệu tốc độ và vị trí thực nhận từ cảm biến Encoder

Hình 3.12 Hệ thống truyền động điều chỉnh vị trí

3.2.1 Điều khiển điện áp - tần số không đổi

3.2.2 Xây dựng hệ điều khiển vị trí trên Matlab - Simulink

a Điều khiển tốc độ

b Điều khiển vị trí

Hình 3.18 Mô hình điều khiển vị trí

Kết quả mô phỏng

Hình 3.19 Vị trí đặt rotor là 50 rad

Hình 3.20 Vị trí đặt rotor là 30 rad

Nhận xét: Kết quả trên đồ thị ta thấy vị trí của động cơ được

đáp ứng đúng với giá trị đặt Sau thời gian khoảng 2 giây vị trí được xác lập Thử nghiệm khi có tải tác động đến vị trí, ở khoảng thời gian 3 giây, tải tác động vào động cơ, vị trí bị thay đổi nhưng sau 0.5 giây vị

trị được điều chỉnh lại vị trí ban đầu

3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

BA PHA THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR

3.3.1 Tuyến tính hóa mô hình ĐCKĐB

3.3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ

-200

0 200

Time

Vi tri

3.3.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí

3.3.4 Mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc theo phương pháp điều khiển vector xây dựng trên Matlab - Simulink

Momen

-200 0 200

Time

Vi tri

Hình 3.32 Vị trí đặt là 30 rad

Nhận xét: Vị trí của rotor đáp ứng tốt với vị trí đặt là  rad và 30 rad Trong mô phỏng, sau 3 giây tiến hành đóng tải để làm sai lệch vị trí Sau khoảng thời gian 1 giây vị trí rotor được điều chỉnh trở lại vị trí đặt ban đầu nhanh và chính xác

Với hai phương pháp điều khiển tốc độ và vị trí theo phương pháp PWM và điều khiển Vector thì kết quả đều đáp ứng chính xác với giá trị đặt ban đầu Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp PWM là gây ra nhiễu, sóng hài bậc cao nhiều Cụ thể, khi phân tích phổ sóng hai ta thấy rõ ở hai biểu đồ sau:

Hình 3.33 Phân tích sóng hài ở phương pháp PWM

-500 0 500

Momen

-1000 0 1000

Iabc signal: 150 cycles FFT window (in red): 1 cycles

Time (s)

0 5 10 15 20

Hình 3.34 Phân tích sóng hài ở phương pháp điều khiển Vector

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương 3 trình bày một số vấn đề về hệ điều chỉnh vị trí động

cơ xoay chiều ba pha; điều chỉnh tốc độ, vị trí động cơ ba pha theo hai

2 phương pháp điều chế độ rộng xung PWM và điều khiển vector Qua quá trình khảo sát hai phương pháp trên thì phương pháp điều khiển vector tỏ ra có ưu điểm Quan sát trên đồ thị, ta thấy vị trí, momen và tốc độ áp đặt nhanh, chính xác Khả năng chịu tải tốt

CHƯƠNG 4

SỬ DỤNG FPGA VÀ LABVIEW THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN

VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA 4.1 TỔNG QUAN VỀ FPGA

4.1.1 FPGA là gì?

4.1.2 Ứng dụng của FPGA

4.1.3 Quy trình thiết kế FPGA

4.1.4 Giới thiệu các khối chức năng chính của Kit FPGA SPARTAN 3E

Iabc signal: 250 cycles FFT window (in red): 1 cycles

Time (s)

0 20 40 60 80

4.2.3 Các bước tạo project trong labview cho FPGA SPARTAN 3E

4.2.4 Các khối cơ bản trong LabVIEW

4.3 MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA SỬ DỤNG FPGA

Hình 4.27 Mô hình điều khiển tốc độ và vị trí động cơ 3 pha

Tín hiệu điều khiển sẽ được đặt ở bảng điều khiển LabVIEW từ máy tính và được gửi đến FPGA, FPGA sẽ xử lý tín liệu và phát xung kích thông qua mạch cách lý để đến bộ nghịch lưu (chùm xung kích được điều chế theo phương pháp PWM) Tín hiệu tốc độ và vị trí từ Encoder được gửi đến FPGA thông qua mạch đọc Encoder và FPGA so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế để điểu khiển chùm xung kích chính xác, đáp ứng yêu cầu đề ra của người điều khiển

4.3.1 Thiết kế phần cứng

a Bộ chỉnh lưu

Với chỉnh lưu cầu 4 Diode thì hệ số nhấp nhô là 0,79 Theo kinh nghiệm thì ta chọn tụ lọc có dung kháng 470 , điện áp 400V

và 6 van IGBT

Hình 4.32 Nguyên lý mạch driver

Mạch cách ly sử dụng OPTO 817C để cách lý, sử dụng IC Driver IR2184 để chia tín hiệu PWM thành 2 tín hiệu PWM cùng tần

số, ngƣợc pha nhau

Hình 4.33 Mạch driver

d Mạch đọc Encoder

Tín hiệu từ Encoder đưa về Kit FPGA thông qua mạch đọc Mục đích sử dụng mạch này vì, kit FPGA đọc tín hiệu ở mức 3,3V, trong khi đó, tín hiểu xung từ Encoder là 5V Để đơn giản trong trong việc đọc tín hiệu, tác giả sử dụng OPTO 6N137 Loại OPTO này có tần

số hoạt động cao, 1Mhz và hoạt động ổn định

Hình 4.37 Mạch đọc Encoder

4.3.2 Chương trình điêu khiển động cơ

Khối nhận data sẽ nhận giá trị đặt và

giá trí phản hồi vị trí từ Encoder để so sánh,

sai số vị trí sẽ là giá trị đặt cho bộ điều khiển

PID vị trí Đầu ra của PID vị trí là giá trị đặt

cho PID tốc độ Tín hiệu điều khiển của PID

tốc đó là tín hiệu điều khiển tần số và điền áp

3 sóng Sin để tạo ra 3 tín hiệu PWM cung

cấp cho các van IGBT

Hình 4.38 Cấu trúc điều khiển vị trí động cơ 3 pha

a Điều chế PWM trên FPGA sử dụng LabVIEW

Phương pháp điều chế PWM đã được trình bày rõ trong chương

3 Về nguyên lý, PWM được điều chế từ 3 sóng Sin đặt lệch nhau 1200,

3 sóng Sin này được so sánh với 1 xung răng cưa có tần số 2Khz Muốn điều chỉnh tốc độ của động cơ ta chỉ cần điều chỉnh tần số sóng Sin

Vấn đề thay đổi tấn số của điện áp stator

Khi thay đổi tần số f để điều chỉnh tốc độ thì người ta phải kết hợp thay đổi điện áp trên Stator sao cho đảm bảo được tỉ lệ U/f = const Với phương pháp PWM, để điều chỉnh được U/f = const ta tiến hành điểu

chỉnh biên độ và tần số sóng Sin

Trong lập trình điều chế PWM điều khiển động cơ xoay chiều

ba pha theo phương pháp U/f = const, tác giả tạo sóng Sin có biên độ A= 512 và tần số tối đa là f = 50Hz Điều chỉnh tần số là điều chỉnh tốc

độ Ở đây ta tạo giá trị đặt điều khiển là tốc độ và quy đổi ra tần số để điều khiển sóng Sin

- Để điều chỉnh biên độ sóng Sin, ta lấy biên độ A = 512 nhân

với biến y 2 0   y2 1thì biên độ A tương ứng với 0   A 512 Khi

Từ đó, ta lập trình trong LabVIEW như sau:

Hình 4.40 Lập trình điều khiển U/f = const

Điều chế PWM 3 pha:

Hình 4.41 Lập trình điều chế PWM 3 pha

b Điều khiển tốc độ và vị trí sử dụng PID trên FPGA

Theo mô yêu cầu điều khiển thì hệ thống có 2 vòng điều khiển, một vòng điều khiển tốc độ và một vòng điều khiển vị trí Đầu ra từ tín hiệu PID điều khiển vị trí sẽ là đầu vào của PID điều khiển tốc độ, đầu

ra của PID điều khiển tốc độ sẽ là một tín hiệu hiệu điều khiển tần số và

biên độ sóng Sin theo theo phương pháp U/f = const như đã trình bày ở

phần trên

Trong LabVIEW đã có hỗ trợ bộ điều khiển PID Ta chỉ cần đưa giá trị đặt và tín hiệu phản hồi từ cảm biến về để điều khiển

Hình 3.42 Lập trình điều khiển tốc độ và vị trí động cơ 3 pha sử dụng

PID

Hình 4.43 Giao diện bảng điều khiển

Hình 4.44.Mô hình phần cứng

Nhận xét: Mô hình trên thực tế đã hoạt động và đáp ứng đƣợc

mục đích điều khiển Tuy nhiên, khi so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng trên phần mềm thì vẫn còn sai số Cụ thể, khi giá trị

góc đặt lớn thì sai số sẽ được cộng dồn Vì vậy, khi điều khiển quay về vị

trí ban đầu vị trí sẽ không quay về chính xác, vẫn có một sai số nhỏ 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương 4 trình bày các nội dung FPGA và LabView và ứng dụng của nó để thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ, vị trí động cơ xoay chiều ba pha Và đề tài cũng đã xây dựng thành công thiết kế phần cứng Mô hình phần cứng hoạt động khá ổn định, đáp ứng được mục tiêu đặt ra Tuy nhiên việc hiệu chỉnh thông số PID chưa được tối ưu nên vẫn còn sai số nhỏ khi hệ thống hoạt động

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, khẩn trương và được sự giúp đỡ của PGS.TS Đoàn Quang Vinh, tác giả đã hoàn thành đúng nội dung luận văn đã đăng ký Luận văn đã giải quyết được các nội dung

theo yêu cầu với nội dung:

Chương 1: Tổng quan động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc

Chương này đã khát quá về động cơ không đồng bộ, xây dựng

mô hình toán học của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ  và sử dụng Matlab-Similink để mô phỏng Kết quả khá chính xác và phù hợp

với thực tế

Chương 2: Biến tần và hệ thống biến tần - động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha lồng sóc

Tìm hiểu các loại biến tần: Biến tần trực tiếp, biến tần gián tiếp

Mô phỏng thành công hệ thống biến tần - động cơ không đồng bộ ba

pha trên Matlab - Similink Kết quả phù hợp với lý thuyết