Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu (PMSM)

Hệ thống yêu cầu cần có: Nguồn, bộ biến đổi công suất, motor, cảm biến, encoder, bộ điều khiển.. 2: Đồ thị tốc độ mong muốn của tải - Bộ điều khiển nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 4

1.1 Trình bày giới thiệu, mô tả về bài toán của đề tài 4

1.1.1 Nhiệm vụ đồ án 4

1.1.2 Mô tả về bài toán 4

1.2 Tính chọn công suất động cơ 7

1.2.1 Tính toán tốc độ mong muốn của động cơ 7

1.2.2 Tính toán momen 8

1.2.3 Tính toán công suất 9

1.2.4 Tổng hợp đặc tính 10

1.3 Lựa chọn phương án truyền động 12

1.4 Sơ đồ chi tiết mạch động lực 12

1.5 Tính chọn động cơ và các thành phần khác của hệ thống 13

1.5.1 Tinh chọn động cơ 13

1.5.2 Chọn hộp số 15

1.5.3 Chọn cảm biến dòng 20

1.5.4 Chọn Encoder 20

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG 21

2.1 Mô hình toán học bộ biến đổi công suất 21

2.2 Mô hình toán học động cơ 21

2.2.1 Mô hình trạng thái liên tục của động cơ PMSM trên hệ tọa độ dq 21

2.2.2 Mô hình không gian trạng thái trên hệ tọa độ từ thông dq: 22

2.2.3 Quy đổi từ uwv sang dq 23

2.2.4 Mô hình tính momen động cơ 23

2.2.5 Mô hình thuật toán của động cơ: 24

2.2.6 Tính toán giá trị cụ thể 24

2.3 Mô hình toán học cảm biến dòng 25

2.4 Mô hình toán học encoder 25

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 26

3.1 Bộ điều khiển PI 26

3.2.1 Khâu tỉ lệ P 26

3.2.2 Khâu tích phân I 26

3.2.3 Xác định các thông số PI trong mạch 27

3.3 Xác định các khâu trong bộ điều khiển 28

3.3.1 Khâu điều khiển tốc độ 28

3.3.2 Khâu điều khiển dòng 29

3.3.3 Các khâu chuyển đổi tọa độ 29

3.3.4 Khâu phát xung SVPWM 30

3.4 Sơ đồ chi tiết bộ điều khiển 33

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 34

4.1 Mô hình cả hệ thống trên phần mêm Matlab-Simulink 34

4.1.1 Mạch động lực 34

4.1.2 Bộ chuyện đổi Clarke 35

4.1.3 Bộ chuyển đổi Park 35

4.1.4 Bộ chuyển đổi Inv.Park 35

4.1.5 Bộ phát xung SVPWM 36

4.2 Đồ thị các thông số và đánh giá kết quả 37

4.3 Đánh giá kết quả 39

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Chương

Hình 1 1: Tải của hệ thống truyền động điện 4

Hình 1 2: Đồ thị tốc độ mong muốn của tải 5

Hình 1 3: Sơ đồ tổng quan hệ thống truyền động điện 6

Hình 1 4: Các đồ thị đặc tính tốc độ, moment, công suất theo thời gian 10

Hình 1 5: Đồ thị đặc tính cơ 11

Hình 1 6: Bộ biến tần 12

Hình 1 7: Sơ đồ chi tiết mạch động lực 13

Hình 1 8: Động cơ 80ST-M01330 14

Hình 1 9: Hộp số Gearbox Nema 34 16

Hình 1 10: Đồ thị tốc độ, momen, công suất sau khi tính toán và chọn động cơ 17

Hình 1 11: IGBT 1200V 19

Hình 1 12: Encoder XCC3912PS84SGN 20

Chương 2 Hình 2 1: Mô hình toán học của động cơ 24

Chương 3 Hình 3 2: Bộ điều khiển PI 26

Hình 3 3: Khâu tỉ lệ P 26

Hình 3 4: Khâu tích phân I 27

Hình 3 6: Mạch vòng điều khiển tốc độ 28

Hình 3 7: Mạch vòng điều khiển dòng điện 29

Hình 3 8: 6 sector trên mặt phẳng Hình 3 9: us thuộc sector 1 30

Hình 3 10: Giản đồ xung trạng thái đóng/mở của sector S 1 31

Hình 3 11: Vector điện áp và giản đồ xung điều khiển các van của S2-S6 32

Hình 3 12: Mô hình chi tiết bộ điều khiển 33

Chương 4 Hình 4 1: Mô hình mô phỏng hệ thổng 34

Hình 4 2: Mô phỏng mạch động lực 34

Hình 4 3: Bộ chuyển đổi Park 35

Hình 4 4: Bộ chuyển đổi Inv.Park 35

Hình 4 5: Bộ chuyển đổi dq =>uwv 36

Hình 4 6: Bộ phát xung SVPWM 36

Hình 4 9: Đồ thị tốc độ mong muốn và tốc độ động cơ 37

Hình 4 10: Đồ thị moment đặt và moment thực 37

Hình 4 11: Đồ thị dòng điện stator 38

Hình 4 12: Dòng điện isqvà isd 39

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC

1.1 Trình bày giới thiệu, mô tả về bài toán của đề tài.

1.1.1 Nhiệm vụ đồ án

Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu (PMSM) Hệ thống yêu cầu cần có: Nguồn, bộ biến đổi công suất, motor, cảm biến, encoder, bộ điều khiển

1.1.2 Mô tả về bài toán

Tổng quan

- Thiết kế hệ điều khiển chứa các thuật toán để điều khiển hệ như sau:

Hình 1 1: Tải của hệ thống truyền động điện Trong đó: J M Mô men quán tính động cơ

băng tải, lực bên ngoài f e khiến nó di chuyển với tốc độ u =dx dt , lực cản f L

- Từ công thức trên, ta sẽ đi xây dựng một bộ điều khiển tốc độ thông qua moment điện từ Yêu cầu động cơ phải kéo tải hoạt động với tốc độ mong muốn Trong quá trình di chuyển, động cơ cần phải tăng giảm tốc độ, có lúc phải đảo chiều quay để tốc độ của tải bám sát với đồ thị được mô phỏng trong hình 2:

Hình 1 2: Đồ thị tốc độ mong muốn của tải

- Bộ điều khiển nhận tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi từ bộ cảm biến và encoder, từ các thuật toán đã xây dựng để tính ra tín hiệu điện áp gửu về bộ phát xung Bộ phát xung chuyển các tín hiệu điện áp sang thời gian đóng cắtcác van trong bộ biến đổi công suất, từ đó điều chỉnh điện áp cấp cho động

cơ Để điều khiển động cơ hoạt động chính xác, đáp ứng nhanh ta cần thiết

kế bộ điều khiển đồng thời 3 yếu tố: Thiết kế cấu trúc điều khiển, xây dựng thuật toán và xác định các tham số Yêu cầu hệ thống phải hoạt động tự động

- Phần động lực gồm nguồn, bộ biến đổi công suất, động cơ, cảm biến và encoder Để bộ xây dựng bộ điều khiển hoạt động theo đúng yêu cầu, trước tiên chúng ta cần xây dựng mạch động lực: Ở chương 1 ta sẽ chọn phương

án điều khiển, lựa chọn và tính toán các khâu trong mạch động lực Tiếp đến đi xây dựng mô hình thuật toán từng khâu đó ở chương 2

- Chi tiết hệ thống yêu cầu gồm các phần:

5VDC cấp cho bộ điều khiển và các cảm biến

châm vĩnh cửu(PMSM)

cơ

với tín hiệu đặt để tính toán ra giá trị mong muốn gửu về bộ phát xung

trên bộ biến đổi để thay đổi tín hiệu u(t) cấp cho động cơ

cho động cơ

Sơ đồ tổng quan hệ thống

- Ta có sơ đồ tổng quát của hệ truyền động như sau như sau:

Hình 1 3: Sơ đồ tổng quan hệ thống truyền động điện

1.2 Tính chọn công suất động cơ

 Động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu PMSM

luôn luôn không đổi khi tải thay đổi, tùy thuộc vào tần số của nguồn và số cặp cực từ

Tốc độ quay của động cơ:

ω s = 2 πff p f: tần số của dòng điện xoay chiều vào(Hz)

p: số cặp cực từ

Từ công thức trên ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh tốc độ động cơ Do vậy cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số

1.2.1 Tính toán tốc độ mong muốn của động cơ

Để phân tích yêu cầu của bài toán ta phải tính toán đặc tính yêu cầu của tải:

Từ đó tính toán ra tốc độ động cơ trong từng giai đoạn

ω m = u r

- Tính tốc độ động cơ tại từng thời điểm

 Thời điểm t = 0s: ω m = 0,150 = 0 (rad/s)

 Thời điểm t = 3,5s: ω m = 0,150 = 0 (rad/s)

 Thời điểm t = 4s :ω m= 0,15−5 = -33,3 (rad/s)

 Thời điểm t = 6s :ω m = 0,15−5 = -33,3 (rad/s)

 Thời điểm t = 7s :ω m = 0,150 = 0 (rad/s)

Chọn hệ số dữ trữ K dt = 1,4

- Công suất của động cơ

P tính = P đt K dt = 138,73.1,4 = 194,22 (W)

- P đỉnh = 299,7

1.2.4 Tổng hợp đặc tính

Hình 1 4: Các đồ thị đặc tính tốc độ, moment, công suất theo thời gian

Hình 1 5: Đồ thị đặc tính cơ

- Từ hình ta rút ra nhận xét sau:

0s-1s, 3s-4s, 6s-7s Như vậy động cơ cần yêu cầu tăng tốc độ nhanh, cụ

hoặc giảm về 0 Như vậy động cơ yêu cầu phải thay đổi moment rất nhanh để có thể đáp bám sát đặc tính moment

7s, và thay đổi lập tức tại các thời điểm, có giá trị âm tại 3s-3,5s, 7s Như vậy động cơ yêu cầu thay đổi công suất nhanh và chính xác cao đồng thời có thể trả ngược công suất âm từ động cơ về nguồn

6s Ở đồ thị hình yêu cầu động cơ hoạt động ở 4 góc phần tư

- Từ đó ta rút ra yêu cầu:

đáp ứng nhanh, thời gian thực trong khả năng điều khiển tốc độ nên cần thiết phải sử dụng động cơ sevor để đáp ứng được chất lương cao

phương án truyền động phù hợp để đáp ứng yêu cầu điều khiển chính xác

và đáp ứng nhanh

1.3 Lựa chọn phương án truyền động

Công thức moment điện từ: T em = T L + j du dt

Như vậy để thây đổi tốc độ ta cần thay đổi moment điện từ Mặt khác

moment điện từ lại tỉ lệ với từ thông rotor và dòng điện stator Như vậy ta cần một phương án truyền động có thể điều khiển tách riêng biệt từ thông rotor và dòng điện stator để đơn giản việc điều khiển

Kết hợp với yêu cầu ở mục 1.2.4 ta chọn phương án truyền động là điều khiển tựa theo từ thông rotor FOC nhờ các tính năng và ưu điểm của nó:

i sd ,trục của từ thông rotor trùng với trục d vì vậy thay đổi i sd sẽ thay

stator và từ thông rotor

xác cao, thời gian đáp ứng ngắn

điều khiển được các động cơ chất lượng cao

1.4 Sơ đồ chi tiết mạch động lực

Ta sử dụng bộ biến tần gồm chỉnh lưu để biến dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều mắc nối tiếp với bộ ngịch lưu có điều khiển Bộ nghịch lưu này tiếp nhận tín hiệu phát xung SVPWM để đóng mở các van IGBT tạo điện áp 3 pha cấp cho động cơ Bộ lọc DC giúp lọc phẳng dòng điện

Hình 1 6: Bộ biến tần

 Ta có sơ đồ chi tiết mạch động lực từ:

Hình 1 7: Sơ đồ chi tiết mạch động lực

 Kích từ: nam châm vĩnh cửu

 Số cặp cực từ:4

Hình 1 8: Động cơ 80ST-M01330

Từ J m = 1,32.10−4 kiểm nghiệm lại công suất động cơ:

- Momen của động cơ:

- P đỉnh = 300

1.5.2 Chọn hộp số

ω đc = 2 πf n đc

60 = 2 πf 300060 = 314,16 (rad/s)

có tốc độ động cơ định mức lớn hơn nhiều là 314,16 rad/s nhưng cómoment nhỏ hơn moment tính toán nên ta cần sử dụng hộp số giảm tốc đểgiảm tốc độ và tăng momen

Tỉ số giảm tốc = 314,16/33,3 = 9,43

momen như mong muốn

Hình 1 9: Hộp số Gearbox Nema 34

Với các tham số kỹ thuật như sau:

- Tỉ số truyền Ratio: 9:1

 Tốc độ định mức: 3000 vòng/phút

 Hiệu suất: 97%

 Momen xoắn định mức :29,2 N.m

 Momen xoắn tối đa : 40 N.m

 Dòng điện trên 1 pha: 4A

 Sau khi chọn hộp số ta tính toán lại từ các tham số đã chọn:

 Tốc độ định mức:

 Đáp ứng yêu cầu về động cơ

T chọn = 1,27.9.0,97 = 11,087 (Nm) > T tính= ¿ 5,84 (Nm)

T chọn= 400 (W) > P tính= 194,46 (W)

toán lại như sau:

Hình 1 10: Đồ thị tốc độ, momen, công suất sau khi tính toán và chọn động cơ

Điện áp định mức của động cơ U đm= 220V

Điện áp ngược cực đại đặt lên van:

U nmax = √3.U m= √3 √2 U đm=√3 √2 220 =539 (V)

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

U d =K u.U đm.cosα Trong đó: K u = 3√6

trung bình đi qua các van là:

Từ hai thông số U nv = 754,6 V và I đmv = 6,188 A; ta chọn Diode P1000M có các

Vì IGBT mắc trực tiếp với động cơ nên:

- Dòng điện chạy qua van: I V = P đm

Điện áp cần cấp cho khâu nghịch lưu là: U d = 2√2

√3 U =2√2

(V)

- Chọn hệ số an toàn về áp cho van là 3 Do vậy ta cần điện áp chiụ

FGL40N120AN với các thông số:

 Dòng điện cực đại: 40A

 Điện áp cực đại: 1200V

 Công suất cực đại: 500W

1.5.3 Chọn cảm biến dòng

Chọn cảm biến dòng điện có mã sản phẩm T201DCH100 của hãng

SENECA với các thông số:

 Điện áp cung cấp: 5V

 Dãy tuyến tính: ± 100A

 Dòng tiêu thụ: 5mA

 Tín hiệu đầu ra: 0-28mA

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HỆ THỐNG

Để thiết kế phần điều khiển cho hệ thống, ta cần mô hình hóa các thành phần trong hệ thống, biến đổi những tính chất vật lý thành toán học, xây dựng mô hình toán học hoàn chỉnh Từ đó ta hiểu được mối quan hệ vào/ra của các thành phần trong hệ thống và có thể thiết kế thuật toán điều khiển để hệ thống hoạt động như mong muốn Chương 2 sẽ tiến hành mô hình hóa các thành phần đã thiết kế ở chương 1

2.1Mô hình toán học bộ biến đổi công suất

Vì bộ chỉnh lưu có đầu ra là điện áp cố định, nên ta không mô hình hóa bộ chỉnh lưu, ta chỉ cần mô hình hóa bộ nghịch lưu Bộ ngịch lưu được xem làmột khâu tỉ lệ

Xác định vào/ ra bộ nghịch lưu:

- Vào: điện áp mong muốn u¿

- Ra: điện áp cấp cho động cơ u uvw s

Hệ số khâu tỉ lệ: k inv = u s uvw

u¿

=u uvw s , vậy k inv=1

2.2Mô hình toán học động cơ

2.2.1 Mô hình trạng thái liên tục của động cơ PMSM trên hệ tọa độ dq

- Phương trình điện áp stator trên hệ tọa độ dq:

u s f=R s i s f+d Ψ s f

dt +j ω s Ψ s f

Vì trục d của hệ tọa độ trùng với trục của từ thông rotor => Thành phần từ

 Ψ p f= ¿Ψ pd = Ψ p

Do đó từ thông stator:

2.2.2 Mô hình không gian trạng thái trên hệ tọa độ từ thông dq:

- Ta biến đổi lại phương trình trên như sau:

2.2.3 Quy đổi từ uwv sang dq

u uvw s ¿ >u s sbằng công thức chuyển đổi Clarke:

u s q=−u s α sin θ+u s β cosθ

2.2.4 Mô hình tính momen động cơ

Phương trình moment quay:

T em= 3

2Z p¿ i sq−Ψ sq i sq¿ = 3

2Z p¿ ¿ + ( L sd - L sq¿i sq i sd ) Phương trình chuyển động:

2.2.5 Mô hình thuật toán của động cơ:

Từ phương trình toán học ở trên ta có mô hình trạng thái động cơ đồng bộ 3 pha

trên hệ tọa độ dq:

Hình 2 1: Mô hình toán học của động cơ

Mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu PMSM có đầu vào là điện

- Tính các tham số trong mô nình không gian trạng thái:

2.3 Mô hình toán học cảm biến dòng

Mô hình toán học của phản hồi dòng điện có thể biểu diễn bằng một hệ số

khếch đại của cảm biến:

H c = i r

i v = 0,028200 = 1,4.10−4

2.4 Mô hình toán học encoder

Trong các hệ thống trước đây thường dùng máy phát tốc để đo tốc độ Một

bộ lọc thông thấp có hằng số thời gian dưới 10ms thường được sử dụng

Mô hình hàm truyền đạt của encoder:

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

=> Hệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao

càng cao.

3.2.3 Xác định các thông số PI trong mạch

- Do trong đồ án này ta không xác định được mô hình cho hệ thống nên ta tiến hành xác định các thông số PI bằng tay (thực nghiệm)

- Sủ dụng phương pháp điều chỉnh thủ công:

đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó K p có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được đáp ứng

"1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau đó tăng K Iđến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý Tuy nhiên,K I quá lớn sẽ gây mất ổn định

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI cho 2 khâu là khâu điều khiển tốc

độ và khâu điều khiển dòng điện

3.3 Xác định các khâu trong bộ điều khiển

3.3.1 Khâu điều khiển tốc độ

Từ khâu điều khiển tốc độ ta sẽ tính ra các giá trị dòng điện đặt để đem sosánh với dòng điện thực

trị đặt i sq¿

Trường hợp thông thường không cần điều khiển từ thông thì trong thuật toán điều khiển chỉ cần điều khiển i sq¿

. Vậy i sd¿

= 0 để đạt được tỉ lệ moment/dòng điện là tối đa

Khâu điều chỉnh tốc độ dùng thuật toán điều khiển PI

Hình 3 4: Mạch vòng điều khiển tốc độ

Với xác định được bằng phương pháp thực nghiệm:

K p = 30

K I = 12

3.3.2 Khâu điều khiển dòng

Từ sai số của dòng điện đặt (i sq¿

,i sd¿

) và dòng điện thực(i sq ,i sd ) để tính ra giá trị điện áp mong muốn u¿sq , u sd¿

Khâu điều khiển dòng dùng thuật toán điều khiển PI

Hình 3 5: Mạch vòng điều khiển dòng điện

Với Với xác định được bằng phương pháp thực nghiệm:

K p = 6

K I = 1,5

3.3.3 Các khâu chuyển đổi tọa độ

Dòng điện phản hồi uvw từ động cơ sẽ được chuyển đổi sang hệ tọa độ

dq để đưa so sánh với dòng điện đặt

Chuyển từ tọa độ uwv sang αβ(dòng điện i s uvw => i s s) bằng công thức Clarke:

i s d=i s α cosθ+i s β sinθ

i s q=−i s α sin θ+i s β cos θ

- Chuyển từ dq => uvw(điện áp u s f => u uvw s ):

 Các bước tạo chùm xum kích thích để đóng các van IGBT được thực hiện như sau:

u s => {u r

u l Chọn giá trị T¿p

=> {T r

T l

Thời gian còn lại T¿p

bằng không là u0hoặc u7

u s = u r + u l + u0(hoặc u7) = T r

Hình 3 8: Giản đồ xung trạng thái đóng/mở của sector S1

Tương tự thiết kế với 5 sector còn lại từ S2−S6:

Hình 3 9: Vector điện áp và giản đồ xung điều khiển các van của S2-S6

nào) và thời gian đóng/mở được tính toán Từ những thiết kế đi xây dựng bộ SVPWM trong matlab-simulink