Đang tải... (xem toàn văn)
Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ một chiều không chổi than BLDC theo phương pháp tối ưu module và tối ưu đối xứng. Mô phỏng sử dụng Matlab simulink, lấy đặc tính tốc độ, dòng điện, mômen
BÁO CÁO ĐỒ ÁN II Đề tài: Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển hai mạch vòng cho động cơ một chiều không chổi than Cao Ngọc Thắng ĐK-TĐH-1 K56 Ngày 12 tháng 1 năm 2015 Lời mở đầu Thiết kế hệ thống điều khiển cho động cơ là vấn đề trọng tâm của ngành tự động hóa. Mỗi loại động cơ, tùy mục đích sử dụng lại có những phương pháp điều khiển khác nhau yêu cầu người kỹ sư phải có thiết kế linh hoạt. Để có được bộ điều khiển chính xác người kỹ sư cần hiểu rõ bản chất của động cơ cũng như phương pháp điều khiển động cơ. Đề tài này trình bày vấn đề: "Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển hai mạch vòng cho động cơ một chiều không chổi than BLDC". Động cơ BLDC là động cơ có rất nhiều ưu điểm và được đưa vào sử dụng rộng rãi trong thực tế như: xe đạp điện, ô tô điện, xe lăn Động cơ BLDC với kết cấu đặc biệt của nó - rotor là nam châm vĩnh cửu đặc biệt là không cần hệ thống vành góp, chổi than đòi hỏi phương pháp điều khiển kết hợp sử dụng cảm biến vị trí - cảm biến Hall gắn trên stator của động cơ. Bài báo cáo sẽ trình bày thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ dựa trên phương pháp tối ưu module và tối ưu đối xứng sau đó kết hợp với bộ giải mã cảm biến Hall để điều khiển động cơ. Nội dung bài báo cáo gồm bốn phần: Chương 1: Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than BLDC. Chương 2: Mô hình hóa động cơ BLDC theo phương pháp hàm truyền. Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển hai mạch vòng cho động cơ BLDC. Chương 4: Mô phỏng sử dụng Matlab Simulink. Sau thời gian học tập và tìm hiểu, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Tạ Cao Minh, em đã hoàn thành đề tài của mình. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy, người đã luôn nhiệt tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình học tập và làm bài. Tuy nhiên, trong quá trình làm bài khó có thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận được sự đánh giá, nhận xét từ thầy giáo và các bạn để em có thể hoàn thiện bài làm của mình hơn nữa. Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, Tháng 12, 2014 1 Đề bài Cho động cơ một chiều không chổi than có các tham số sau: • Điện trở một pha: R a = 0.38205Ω • Điện cảm một pha: L a = 11.475mH • Tốc độ không tải: n 0 = 2069rpm • Tốc độ định mức: n dm = 1150rpm • Dòng điện định mức: I dm = 72A • Momen định mức: M dm = 249.11N.m • Momen quán tính: J = 0.185kg.m 2 • Hệ số Momen: K t = 2.54N.m/A • Hệ số sức điện động: K e = 2.35V/rad/s • Số đôi cực: p = 4 • Điện áp định mức: V dm = 640V Yêu cầu: 1. Mô hình hóa động cơ bằng phương pháp hàm truyền. 2. Xây dựng cấu hình hệ điều khiển với hai mạch vòng (dòng điện, tốc độ). 3. Mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink. Lấy các đặc tính điều khiển (tốc độ, dòng điện) vùng dưới tốc độ cơ bản. 2 Mục lục 1 Giới thiệu về động cơmột chiều không chổi than 5 1.1 Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Cấu tạo động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3 Nguyên lí điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ một chiều không chổi than . . . . . . . . 6 2 Mô hình hóa động cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp hàm truyền 8 2.1 Sơ đồ nguyên lí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Phương trình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Mô hình động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Thiết kế hệ điều khiển hai mạch vòng cho động cơ một chiều không chổi than 14 3.1 Thiết kế bộ điều khiển cho một pha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.1 Vòng điều khiển dòng điện phần ứng . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.2 Vòng điều khiển tốc độ quay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2 Tổng hợp bộ điều khiển ba pha động cơ một chiều không chổi than . . 18 4 Mô phỏng sử dụng Matlab Simulink 21 4.1 Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho một pha động cơ BLDC 21 4.2 Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho ba pha động cơ BLDC 22 3 Danh sách hình vẽ 1.1 Cấu tạo động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 Cấu trúc động cơ một chiều không chổi than. . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Đồ thị sức điện động và dòng điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Mô hình động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 Tín hiệu Hall và sức điện động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.5 Khối tạo sức điện động và tín hiệu Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.6 Khối giải mã tín hiệu Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.1 Mô hình một pha động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.3 Cấu trúc đơn giản mạch vòng dòng điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.4 Cấu trúc đơn giản mạch vòng điều khiển tốc độ . . . . . . . . . . . . . . 17 3.5 Mô hình điều khiển ba pha động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.6 Khối đo lường và bộ điều khiển dòng điện, tốc độ 3 pha động cơ BLDC 19 3.7 Mô hình bộ biến đổi cấp nguồn cho động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . 19 3.8 Mô hình động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1 Đặc tính dòng điện và tốc độ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.2 Đáp ứng dòng điện và tốc độ sau khi hiệu chỉnh bộ điều khiển tốc độ . 22 4.3 Đáp ứng Momen, dòng điện và tốc độ động cơ BLDC . . . . . . . . . . . 23 4.4 Dòng điện động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.5 Momen động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.6 Đáp ứng tốc độ động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4 Chương 1 Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than 1.1 Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than Động cơ một chiểu không chổi than BLDC (Brushless DC Motor) là một dạng động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor và dùng dòng điện một chiều ba pha cho dây quấn stator. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ có phần cảm là nam châm vĩnh cửu. Dựa vào dạng sóng sức điện động stator của động cơ mà ta chia thành 2 loại: - Động cơ sóng hình sin - Động cơ sóng hình thang Động cơ BLDC thuộc loại sóng hình thang, những động cơ còn lại là động cơ sóng hình sin (ta gọi chung với tên là PM – Permanent magnet Motor). 1.2 Cấu tạo động cơ BLDC Hình 1.1: Cấu tạo động cơ BLDC - Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dây quấn. Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều 3 pha 5 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang mà ta thấy. - Rotor: Về cơ bản là không có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác. - Cảm biến Hall: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta dùng cảm biến hiệu ứng Hall. 1.3 Nguyênlí điều khiển Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay. Động cơ BLDC được điều khiển bằng một bộ điều khiển tương ứng. Bộ điều khiển này có cấu tạo giống như một bộ nghịch lưu ba pha thông thường tuy nhiên dòng điện ra là dòng điện không đổi DC. Tại một thời điểm hoạt động của bộ điều khiển chỉ cho dòng điện DC chạy qua hai cuộn dây của hai pha tương ứng với vị trí rotor lúc đó. 1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ một chiều không chổi than - Ưu điểm Động cơ BLDC có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỉ lệ công suất trên khối lượng cao. Do được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor, vì vậy hiệu suất động cơ được nâng cao. Động cơ BLDC không cần chổi than và vành trượt nên giảm ma sát trên trục động cơ và không phải tốn chi phí bảo trì chổi than. Ta cũng có thể thay đổi đặc tính cơ bằng cách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor. Một số đặc tính nổi bật của động cơ khi hoạt động: • Mật độ từ thông khe hở không khí lớn. • Tỉ lệ công suất / khối lượng cao. • Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác). • Momen điều khiển được ở vị trí bằng không. • Vận hành tốc độ cao. • Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn. • Hiệu suất cao. • Kết cấu gọn. Cao Ngọc Thắng 6 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 - Nhược điểm Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện áp ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong để xác định vị trí rotor. Điều này làm tăng giá thành sản xuất động cơ. Nếu dùng các loại nam châm sắt từ chúng dễ từ hóa nhưng khả năng tích từ không cao dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ. Cao Ngọc Thắng 7 Chương 2 Mô hình hóa động cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp hàm truyền 2.1 Sơđồ nguyên lí Sơ đồ tương đương và đồ thị dạng sóng suất điện động và dòng điện của động cơ BLDC được thể hiện ở hình vẽ. Mô hình toán học của động cơ BLDC có thể được xây dựng như cách làm với động cơ đồng bộ ba pha. Tuy nhiên sẽ có điểm khác biệt về đặc tính động học do rotor của động cơ BLDC là nam châm vĩnh cửu. Hình 2.1: Cấu trúc động cơ một chiều không chổi than. 8 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Hình 2.2: Đồ thị sức điện động và dòng điện 2.2 Phương trình Quan hệ giữa điện áp và dòng điện các pha động cơ điện mô tả như sau: u an = Ri a + L di a dt + e a (2.1) u bn = Ri b + L di b dt + e b (2.2) u cn = Ri c + L di c dt + e c (2.3) Trong đó: L,R - cảm kháng, điện trở của mỗi pha động cơ. u an , u bn , u cn - điện áp pha a, pha b, pha c. i a , i b , i c - dòng điện chạy qua mỗi pha a,b,c. e a , e b , e c - sức điện động sinh ra tại mỗi pha a,b,c. Khi S1, S2 dẫn → pha a, pha c dẫn: Ung = 2Ri a + 2L di a dt + 2e a (2.4) U ng 2 = Ri a + L di a dt + e a (2.5) Sử dụng phép biến đổi Laplace: U ng 2 − Ea = I a (R + sL) (2.6) Cao Ngọc Thắng 9 [...]... khiển dòng điện và tốc độ 3.1 Thiết kế bộ điều khiển cho một pha Khi điều khiển động cơ, tham số cần quan tâm đầu tiên là dòng điện và tốc độ Điều khiển tốc độ để đảm bảo tốc độ động cơ luôn bám theo giá trị đặt mong muốn Điều khiển dòng điện của động cơ cũng chính là điều khiển mô men, đảm bảo động cơ luôn cấp một lượng mô men ứng với yêu cầu của tải Tuy nhiên, sự phù hợp giữa mô men và tốc độ phải tuân... và tốc độ cho cả ba pha động cơ thông qua các phương trình điện, cơ đã có 1 Mô hình điều khiển động cơ BLDC Hình 3.5: Mô hình điều khiển ba pha động cơ BLDC Mô hình điều khiển động cơ BLDC gồm 3 khối: Khối đo và điều khiển, khối bộ biến đổi, khối động cơ BLDC Giá trị đặt tốc độ và momen sử dụng khâu tạo đáp ứng bước nhảy Step Cao Ngọc Thắng 18 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 2 Khối đo lường và điều khiển Bộ điều khiển. .. được: Bộ điều khiển tốc độ là bộ PI: Rω (s) = Kp (1 + 1 1 ) = Kp + KI sTI s (3.22) Tham số của bộ điều khiển: TI = a(Tbdi + Tω ) Kp = (3.23) 1 √ k(Tbdi + Tω ) a (3.24) Kp TI (3.25) KI = Với a > 1 chọn a = 4 3.2 Tổng hợp bộ điều khiển ba pha động cơ một chiều không chổi than Sau khi thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho mô hình một pha của động cơ BLDC ta thực hiện thiết kế bộ điều khiển dòng điện. .. pha động cơ BLDC với bộ điều khiển đã được hiệu chỉnh như sau: - Bộ điều khiển dòng: Kp1 = TI Ta = = 19.861 2kTbdi 2kTbdi (4.5) Kp = 661.240 TI (4.6) KI1 = Cao Ngọc Thắng 22 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 - Bộ điều khiển tốc độ: Kp2 = 3 (4.7) nKI2 = 100 (4.8) • Kết quả mô phỏng: – Đáp ứng Momen, dòng điện và tốc độ Hình 4.3: Đáp ứng Momen, dòng điện và tốc độ động cơ BLDC – Đáp ứng dòng điện Hình 4.4: Dòng điện động. .. dẫn Bộ biến đổi được điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung Pwm Hình 3.7: Mô hình bộ biến đổi cấp nguồn cho động cơ BLDC 4 Khối động cơ BLDC Khối động cơ là mô hình động cơ BLDC được thiết kế, mô hình hóa ở chương 1 Cao Ngọc Thắng 19 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Hình 3.8: Mô hình động cơ BLDC Cao Ngọc Thắng 20 Chương 4 Mô phỏng sử dụng Matlab Simulink 4.1 Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho một. .. 16 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 3.1.2 Vòng điều khiển tốc độ quay 1 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ Hình 3.4: Cấu trúc đơn giản mạch vòng điều khiển tốc độ Đối với vòng điều khiển tốc độ quay, vòng điều chỉnh dòng điện trên là vòng điều khiển vòng trong có thể gom lại thành một phần của đối tượng điều khiển cho vòng điều khiển tốc độ vòng ngoài Hàm truyền đạt của vòng điều khiển dòng điện: Gik (s) = 1 1 ia (s) = ≈... điện động cơ BLDC – Đáp ứng Momen – Đáp ứng tốc độ Cao Ngọc Thắng 23 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Hình 4.5: Momen động cơ BLDC Hình 4.6: Đáp ứng tốc độ động cơ BLDC • Nhận xét kết quả mô phỏng - Tốc độ động cơ bám theo giá trị đặt tốc độ ở cả chế độ không tải và tải định mức Giá trị dòng điện, momen phù hợp với đặc tính của động cơ - Các chỉ tiêu chất lượng như độ quá điều chinh đạt 14%, thời gian quá độ ngắn (khoảng... tăng vọt Vì vậy ta sẽ giảm giá trị Kp, Ki của bộ điều khiển tốc độ Sau nhiều lần thử nghiệm ta chọn: Kp2 = 3; Ki2 = 100 - Kết quả mô phỏng sau khi hiệu chỉnh: 21 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Hình 4.1: Đặc tính dòng điện và tốc độ Hình 4.2: Đáp ứng dòng điện và tốc độ sau khi hiệu chỉnh bộ điều khiển tốc độ 4.2 Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho ba pha động cơ BLDC • Sơ đồ mô phỏng như "hình 3.5" Sau khi... ÁN 2 2 Khối đo lường và điều khiển Bộ điều khiển gồm bộ điều khiển dòng điện, tốc độ được tổng hợp ở trên kết hợp với bộ giải mã tín hiệu Hall để xác định pha dẫn Khâu đo dòng điện và tốc độ là 2 khâu tỉ lệ quán tính có hệ số đã được xác định ở trên Hình 3.6: Khối đo lường và bộ điều khiển dòng điện, tốc độ 3 pha động cơ BLDC 3 Khối bộ biến đổi Khối bộ biến đổi gồm 6 van Mosfet/IGBT được mắc theo kiểu... bộ điều khiển dòng điện và tốc độ - Mô phỏng mô hình và bộ điều khiển trên Simulink và đáp ứng được yêu cầu điều khiển Tuy nhiên, do đặc điểm của động cơ BLDC có sự chuyển mạch giữa các van gây nên hiện tượng nhấp nhô Momen mà bộ điều khiển hai mạch vòng không thể tác động được Đề xuất phương án sử dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như: Điều khiển trực tiếp momen, điều khiển giả vecto và thuật . chiều không chổi than BLDC& quot;. Động cơ BLDC là động cơ có rất nhiều ưu điểm và được đưa vào sử dụng rộng rãi trong thực tế như: xe đạp điện, ô tô điện, xe lăn Động cơ BLDC với kết cấu đặc biệt của. động cơ một chiều không chổi than BLDC. Chương 2: Mô hình hóa động cơ BLDC theo phương pháp hàm truyền. Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển hai mạch vòng cho động cơ BLDC. Chương 4: Mô phỏng sử dụng. điện và tốc độ cho một pha động cơ BLDC 21 4.2 Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho ba pha động cơ BLDC 22 3 Danh sách hình vẽ 1.1 Cấu tạo động cơ BLDC . . . . . . . . . . . . . . .