Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4q
- 81 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái
cho hệ truyền động động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
TRẦN VĂN PHƯƠNG
Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
Viện: Điện
HÀ NỘI, 2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái
cho hệ truyền động động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
TRẦN VĂN PHƯƠNG
Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
Hà Nội, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Trần Văn Phương
Đề tài luận văn: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền
động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CB180129
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 26/06/2020
với các nội dung sau:
- Đã chỉnh sửa lỗi soạn thảo, cú pháp câu trong luận văn.
Ngày tháng 07 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
- Họ và tên người hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
- Cơ quan: Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động Hóa - Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội
- Tên đề tài: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền động
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
- Đề tài chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Hà Nội, ngày 03 tháng 04 năm 2020
Giảng viên hướng dẫn
PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Quang Địch. Thầy là
người hướng dẫn tôi hoàn thành chương trình thạc sĩ tại trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội.
Luận văn được thực hiện như một phần công việc trong Đề tài khoa học cấp
nhà nước “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ truyền động servo xoay chiều ba pha”,
mã số ĐTĐLCN.44/16, thực hiện tại Viện Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa
(ICEA), Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin cảm ơn Đề tài và Viện ICEA.
Tôi xin cảm ơn tới các thầy cô và anh chị làm việc tại Viện Kỹ thuật Điều
khiển và Tự Động Hóa. Xin cảm ơn tới thầy Vũ Hoàng Phương anh Nguyễn Đình
Ngọc, anh Hoàng Thành Nam và toàn thể các bạn sinh viên nhóm PE-LAB.
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền động động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q.
a) Nội dung luận văn giải quyết các vấn đề sau:
Đưa ra lý do chọn đề tài. Đánh giá bộ điều khiển PI. Xây dựng mô hình mô
phỏng và thử nghiệm. Đánh giá bộ điều khiển phản hồi trạng thái.
b) Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng
Phương pháp nghiên cứu: khảo sát, phân tích, thiết kế mạch, lý thuyết điều
khiển, mô phỏng và lập trình. Công cụ sử dụng phần mềm mô phỏng
Matlab\Simulink, các mảng mạch điều khiển đã thiết kế, phần mềm lập trình CCS.
c) Kết quả
Luận văn phù hợp với yêu cầu đặt ra và có tính khoa học thực tiễn đối với
nghiên cứu khoa học trong nước. Hướng phát triển mở rộng của luận văn là nâng
cao chất lượng hệ truyền động và đưa được bộ điều khiển phản hồi lên hệ thống
thực tế.
Học viên
Trần Văn Phương
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Trần Văn Phương
Đề tài luận văn: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền
động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CB180129
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 26/06/2020 với các nội dung sau:
Đã chỉnh sửa lỗi soạn thảo, cú pháp câu trong luận văn.
Ngày tháng 07 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
SĐH.QT9.BM11 Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ............ 3
1.1 Các thành tựu về nghiên cứu về hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu .................................................................................................................. 3
1.2 Cấu trúc và yêu cầu kĩ thuật của hệ truyền động điện ..................................... 4
1.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng cho hệ truyền động điện ..... 4
1.2.1 Thiết bị biến đổi công suất sử dụng biến tần 4Q .......................................... 7
1.3 Định hướng nghiên cứu của luận văn .............................................................. 8
Chương 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 4Q CHO
ĐỘNG CƠ PMSM................................................................................................ 9
2.1 Cấu trúc mạch lực của hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử
dụng biến tần 4Q. ................................................................................................... 9
2.1.1 Bộ biến đổi phía lưới ..................................................................................... 9
2.1.2 Bộ biến đổi phía động cơ nghịch lưu .......................................................... 10
2.2 Tính toán mạch lực cho hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
sử dụng biến tần 4Q ............................................................................................. 11
2.2.1 Tính chọn van bán dẫn ................................................................................ 11
2.2.2 Tính chọn tụ DC-link .................................................................................. 12
2.2.3 Tính chọn bộ lọc phía lưới .......................................................................... 13
2.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho hệ truyền động ........................................... 14
2.3.1 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ chỉnh lưu tích cực .............................. 14
2.3.2 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ nghịch lưu phía động cơ .................... 21
2.4 Mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến
tần 4Q. .................................................................................................................. 30
2.4.1 Kịch bản mô phỏng ..................................................................................... 30
2.4.2 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 33
2.4.3 Đánh giá kết quả mô phỏng ........................................................................ 39
2.5 Thử nghiệm hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến
tần 4Q ................................................................................................................... 40
i
2.5.1 Mô hình thử nghiệm.................................................................................... 40
2.5.2 Kết quả thử nghiệm ..................................................................................... 45
2.6 Kết luận .......................................................................................................... 53
Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI CHO
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU SỬ
DỤNG BIẾN TẦN 4Q ........................................................................................ 54
3.1 Hệ điều khiển phản hồi trạng thái. ................................................................. 54
3.2 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền động động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q. ........................................................... 55
3.3 Mô phỏng đánh giá bộ điều khiển phản hồi trạng thái so với bộ điều khiển PI
.............................................................................................................................. 58
3.3.1 Kịch bản mô phỏng ..................................................................................... 58
3.2.2 Kết quả mô phỏng mô phỏng ...................................................................... 58
3.3 Nhận xét và kết luận ...................................................................................... 63
KẾT LUẬN ..........................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................65
CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ..................................................67
ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Ghi chú tiếng Anh Ý nghĩa
4Q Four Quadrant Bốn góc phần tư
BBĐ Bộ biến đổi điện tử công suất
CAN Controller Area Network Truyền thông CAN
DC Direct Current Dòng điện một chiều
DSP Digital Signal Processing Hệ xử lý tín hiệu số
FOC Field Orientation Control Điều khiển tựa từ thông Rotor
GLCD Graphic Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển
cách ly
IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ
LQR Linear Quadratic Regulator Điều khiển tối ưu tuyến tính
bậc hai
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
PI Proportional–Integral Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân
PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha
PM Phase Margin Độ dự trữ pha
PMSM Permanent Magnet Synchronous Động cơ đồng bộ nam châm
Motor vĩnh cửu
PR Proportional Resonant Bộ điều khiển cộng hưởng
PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung
QEP Quadrature Encoder Pulse Bộ mã hóa xung tốc độ quay
RPM Revolutions Per Minute Tốc độ vòng/phút
SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian
THD Total harmonic distortion Hệ số tổng độ méo sóng hài
VOC Voltage Oriented Control Điều khiển tựa theo điện áp
lưới
iii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc hệ truyền động servo ................................................................ 4
Hình 1.2 Cấu trúc các bộ biến đổi năng lương cho hệ truyền động servo ............. 8
Hình 2.1 Cấu trúc bộ chỉnh lưu tích cực ................................................................ 9
Hình 2.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu phía động cơ .................................................... 11
Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển bộ chỉnh lưu tích cực theo phương pháp VOC..... 14
Hình 2.4 Cấu trúc vòng khóa pha cơ bản............................................................. 15
Hình 2.5 Cấu trúc bộ điều khiển dòng đan kênh ................................................. 17
Hình 2.6 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện .......................................................... 18
Hình 2.7 Mô hình điều khiển điện áp một chiều ................................................. 20
Hình 2.8 Biễu diễn các vector điện áp ................................................................. 21
Hình 2.9 Cấu trúc điều khiển FOC ...................................................................... 23
Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển đan kênh của bộ điều khiển dòng điện ............... 26
Hình 2.11 Cấu trúc bộ điều khiển dòng stator isd ................................................ 26
Hình 2.12 Cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ quay .............................................. 28
Hình 2.13 Mạch vòng tốc độ xét tới ảnh hưởng của moment tải ........................ 29
Hình 2.14 Cấu trúc bộ điều khiển vị trí ............................................................... 30
Hình 2.15 Kết quả mô phỏng chỉnh lưu tích cực ................................................. 33
Hình 2.16 Đáp ứng tốc độ tại tốc độ 0 rpm ......................................................... 34
Hình 2.17 Mô men động cơ phát ra tại tốc độ 0 rpm ........................................... 34
Hình 2.18 Dòng điện isd và isq ở tốc độ 0 rpm ................................................... 34
Hình 2.19 Dòng stator của động cơ tại tốc độ 0 rpm ........................................... 35
Hình 2.20 Đáp ứng tốc độ tại tốc độ 1500 rpm ................................................... 35
Hình 2.21 Mô men động cơ phát ra tại tốc độ 1500 rpm ..................................... 36
Hình 2.22 Dòng điện isd và isq ở tốc độ 1500 rpm ............................................. 36
Hình 2.23 Dòng stator của động cơ tại tốc độ 1500 rpm ..................................... 36
Hình 2.24 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 rpm ............... 37
Hình 2.25 Mô men động cơ phát ra khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 rpm 37
Hình 2.26 Dòng điện isd và isq khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 rpm....... 38
Hình 2.27 Dòng stator của động cơ khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 rpm 38
Hình 2.28 Đáp ứng vị trí và tốc độ động cơ khi điều khiển vị trí ........................ 39
iv
Hình 2.29 Momen của động cơ khi điều khiển theo vị trí ................................... 39
Hình 2.30 Cấu trúc hệ thống thử nghiệm của hệ truyền động ............................. 40
Hình 2.31 Hệ thống thử nghiệm thực của hệ truyền động ................................... 41
Hình 2.32 Sơ đồ cấu trúc đấu dây cho bộ Mentor II với DC motor .................... 44
Hình 2.33 Quá trình khởi động chỉnh lưu tích cực lên 600V .............................. 46
Hình 2.34 Đáp ứng tốc độ và momen động cơ tại 0 rpm khi có tác động momen tải
.............................................................................................................................. 46
Hình 2.35 Đáp dòng isq khi có tác động của momen tải ở tốc độ 0 vòng/phút ... 47
Hình 2.36 Dòng điện stator của động cơ khi tác động momen tải ở tốc độ 0
vòng/phút .............................................................................................................. 47
Hình 2.37 Đáp ứng tốc độ và momen động cơ tại 1500 rpm khi có tác động momen
tải .......................................................................................................................... 48
Hình 2.38 Đáp dòng isq khi có tác động của momen tải ở tốc độ 1500 rpm....... 49
Hình 2.39 Dòng điện stator của động cơ khi tác động momen tải ở tốc độ 1500 rpm
.............................................................................................................................. 49
Hình 2.40 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều và momen động cơ phát ra ở tốc độ 1500
vòng/phút .............................................................................................................. 50
Hình 2.41 Dòng điện stator của động cơ khi đảo chiều tại 1500 rpm với momen tải
bằng định mức ...................................................................................................... 51
Hình 2.42 Đáp ứng tốc độ và momen động cơ khi điều khiển ở chế độn vị trí với
momen tải bằng định mức .................................................................................... 52
Hình 2.43 Mối quan hệ giữa tốc độ và vị trí của động cơ khi điều khiển ở chế độ
vị trí ...................................................................................................................... 52
Hình 3.1 Mô hình hệ thống .................................................................................. 54
Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực.......................... 55
Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu ...................................... 55
Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái ................................................ 57
Hình 3.5 Đáp ứng tốc độ tại tốc độ 0 vòng/phút với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái ........................................................................................................................ 58
Hình 3.6 Mô men động cơ phát ra tại tốc độ 0 rpm với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái ........................................................................................................................ 59
v
Hình 3.7 Dòng điện isd và isq ở tốc độ 0 rpm với bộ điều khiển phản hồi trạng thái
.............................................................................................................................. 59
Hình 3.8 Dòng stator của động cơ tại tốc độ 0 rpm với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái........................................................................................................................ 59
Hình 3.9 Đáp ứng tốc độ tại tốc độ 1500 rpm của bộ điều khiển phản hồi trạng thái
.............................................................................................................................. 60
Hình 3.10 Mô men động cơ phát ra tại tốc độ 1500 rpm với bộ điều khiển phản hồi
trạng thái .............................................................................................................. 60
Hình 3.11 Dòng điện isd và isq ở tốc độ 1500 rpm với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái........................................................................................................................ 61
Hình 3.12 Dòng stator của động cơ tại tốc độ 1500 rpm với bộ điều khiển phản hồi
trạng thái .............................................................................................................. 61
Hình 3.13 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 vòng/phút của bộ
điều khiển phản hồi trạng thái.............................................................................. 62
Hình 3.14 Mô men động cơ phát ra khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 vòng/phút
của bộ điều khiển phản hồi trạng thái .................................................................. 62
Hình 3.15 Dòng điện isd và isq khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 vòng/phút
của bộ điều khiển phản hồi trạng thái .................................................................. 62
Hình 3.16 Dòng stator của động cơ khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 vòng/phút
của bộ điều khiển phản hồi trạng thái .................................................................. 63
vi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Bảng so sánh động cơ PMSM và IM ...................................................... 6
Bảng 2.1 Thông số van IPM 6MBP25RA120 ..................................................... 12
Bảng 2.2 Thông số mô phỏng bộ biến đổi phía lưới ............................................ 31
Bảng 2.3 Thông số động cơ mô phỏng ................................................................ 31
Bảng 2.4 Thông số động cơ mô phỏng ................................................................ 32
Bảng 2.5 Thông số mạch lực hệ thống thực nghiệm............................................ 41
Bảng 2.6 Thông số động cơ PMSM ..................................................................... 42
Bảng 2.7 Thông số động cơ DC ........................................................................... 44
Bảng 2.8 Thông số Oscilloscope .......................................................................... 45
Bảng 2.9 Thông số của MX440B và cảm biến T40B .......................................... 45
Bảng 3.1 Bảng so sánh chất lượng hai bộ điều khiển .......................................... 63
vii
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q là
một hệ truyền động servo cho phép biến đổi điện năng thành cơ năng để tạo chuyển
động quay hoặc tịnh tiến với khả năng điều chỉnh chính xác tốc độ, vị trí và mô
men. Hệ truyền động gồm một động cơ có đặc tính động học tốt và được gắn đầu
cảm biến vị trí ở một phía đầu trục và một bộ biến đổi điện tử công suất chất lượng
cao được thiết kế chuyên biệt cho động cơ này và thiết bị điều khiển với các thuật
toán đảm bảo điều khiển chính xác các tham số yêu cầu.
Hiện tại ở nước ngoài, trước hết tại các nước phát triển, trình độ phát triển
của kỹ thuật của các hệ truyền động điện đã đạt được những bước tiến rất xa. Các
hệ thống hiện đại được cài đặt những cấu trúc điều khiển đảm bảo chất lượng cho
những yêu cầu rất cao về độ chính xác. Tuy nhiên trong nước việc nghiên cứu chỉ
dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết vì vậy dựa trên việc kết hợp với đề tài khoa
học cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ truyền động servo xoay chiều
ba pha”, mã số ĐTĐLCN.44/16, thực hiện tại Viện Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động
Hóa (ICEA), luân văn này tập chung nghiên cứu tạo ra một hệ truyền động hoàn
chỉnh kết hợp với các lý thuyết được nghiên cứu nhằm tạo ra một sản phẩm hoàn
chỉnh.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ thực hiện trong luận văn:
Tìm hiểu các thành tựu nghiên cứu và giải pháp cho hệ truyền động và lí
do chọn hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến
tần 4Q.
Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạch lực cho hệ truyền động.
Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc điều khiển cho hệ truyền động.
Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng thuật toán
điều khiển.
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu, nội dung cần nghiên cứu của đề tài là:
Cấu trúc hệ truyền động điện.
Xây dựng cấu trúc phù hợp với hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu.
1
Thiết kế thuật toán điều khiển các bộ biến đổi bán dẫn cho hệ truyền động.
Mô hình mô phỏng của hệ truyền động trên Matlab/Simulink.
Mô hình thực nghiệm hệ truyền động trong phòng thí nghiệm.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu về các hệ truyền động điện trong
công nghiệp. Tính toán, thiết kế mạch lực, thiết kế cấu trúc điều khiển. Đánh giá
thiết kết quả mô phỏng trên Matlab và thực nghiệm.
3. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu trong đề tài:
Thu thập, khảo sát và thống kế dữ liệu.
Phân tích, thiết kế mạch.
Lý thuyết điều khiển.
Mô phỏng và lập trình.
4. Nội dung luận văn
Quyển luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Mở đầu: Nêu mục tiêu cũng như nội dung nghiên cứu cần phải đạt được.
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu đối với hệ truyền động động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Nội dung trong chương sẽ đi giới thiệu về tình hình nghiên cứu về hệ truyền
động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và hệ biến tần 4Q. Đồng thời, nêu ra lý
do lựa chọn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q.
Chương 2: Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q.
Nêu ra cấu trúc, thành phần và tính toán lựa chọn các thành phần của hệ
truyền động, từ đó đưa ra các cấu trúc điều khiển cho hệ truyền động với bộ điều
khiển PI. Sau đó tiến hành mô phỏng và thực nghiệm trên hệ thống thử nghiệm hệ
truyền động đã xây dựng.
Chương 3: Thiết kế hệ bộ khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền động đông
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q.
Tìm hiểu về hệ điều khiển phản hồi trạng thái. Đưa ra cấu trúc điều khiển
phản hồi trạng thái cho hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, mô
phỏng trên Matlab/Simulink và đánh giá kết quả so với bộ điều khiển PI.
Kết luận: Đánh giá kết quả đã đạt được, những vấn đề còn tồn tại và hướng
phát triển.
2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Trong chương 1 sẽ trình bày tình hình nghiên cứu của hệ truyền động động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, các cấu trúc và yêu cầu kĩ thuật của hệ truyền
động. Từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu của luận văn.
1.1 Các thành tựu về nghiên cứu về hệ truyền động động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu
Cơ cấu truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một trong những
cấu trúc của một hệ truyền động servo phục vụ cho việc tự động hóa các máy móc
trong công nghiệp và dân dụng. Sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi của
các hệ thống tự động hóa làm cho nhu cầu đối với hệ truyền động servo không
ngừng tăng lên.
Hiện tại ở nước ngoài, trước hết tại các nước phát triển, trình độ phát triển
của kỹ thuật của các hệ truyền động điện đã đạt được những bước tiến rất xa. Các
hệ thống hiện đại được cài đặt những cấu trúc điều khiển đảm bảo chất lượng cho
những yêu cầu rất cao về độ chính xác, những thuật toán có cội nguồn bắt đầu từ
những ý tưởng đầu tiên, giới thiệu trong luận án Tiến sĩ của Hasse năm 1969.
Nguyên lý “định hướng trường, hay tựa theo từ thông rotor” (Field Orientation
Control: FOC, hay Rotor-Flux Orientation: RFO), là phương pháp vật lý then chốt
của các hệ “truyền động servo” dùng động cơ xoay chiều ba pha, chính thức được
Blaschke giới thiệu trong các thông báo khoa học của Tập đoàn Siemens năm 1971
và 1972. Sau hơn 40 năm phát triển và khẳng định, với các kết quả nghiên cứu
được công bố trên hàng triệu tài liệu các loại (sách, bài báo, báo cáo hội nghị, luận
án, luận văn hay đồ án tốt nghiệp các bậc) (ví dụ: các tác giả W. Leonhard, hay
N.P. Quang)[1] là những minh chứng thuyết phục nhất cho sự thành công của hệ
truyền động điện mà trong đó không thể thiếu hệ truyền động động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu. Cùng với việc cải thiện chất lượng hệ truyền động thì việc
nâng cao hiệu suất và giảm ảnh hưởng đến điện áp nguồn cũng được nghiên cứu
và đưa và sử dụng điển hình là các hệ truyền động 4Q. Trong nước, các nghiên
cứu chỉ dừng lại ở lý thuyết mà chưa có xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh hệ
truyền động hoàn chỉnh và các nghiên cứu lý thuyết được ứng dụng trên các nền
tảng phần cứng được xây dựng sẵn. Vì vậy, đặt ra vấn đề nghiên cứu xây dựng một
3
hệ thống truyền động hòa chỉnh, mà cấu trúc được chọn là hệ truyền động động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q với những ưu điểm được trình
bày ở phần 1.2.
1.2 Cấu trúc và yêu cầu kĩ thuật của hệ truyền động điện
Một hệ thống “truyền động servo” có thể được mô tả chi tiết như hình 1.1 với
các thành phần sau:
1.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng cho hệ truyền động
điện
Động cơ servo là động cơ có đặc tính động học tốt thể hiện qua các tiêu chuẩn
sau:
Khả năng quá tải lớn.
Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh cũng như lặp lại liên tục.
Mật độ công suất lớn.
Phạm vi hoạt động rộng .
Khả năng phát huy mô men ở dải tốc độ thấp kể cả đứng im.
Hình 1.1 Cấu trúc hệ truyền động servo
Trong giai đoạn phát triển ban đầu thì hệ truyền động servo sử dụng động cơ
một chiều vì động cơ một chiều đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về động học của truyền
động servo và điều khiển độc lập được phần cảm và phần ứng nên chất lượng điều
khiển tốt và thuật toán đơn giản tin cậy. Tuy nhiên, sự tồn tại của chổi than dẫn
đến động cơ có độ tin cậy thấp, chi phí vận hành và bảo trì cao, không thể hoạt
động trong các môi trường khắc nghiệt như môi trường dễ cháy nổ hay môi trường
nóng ẩm. Hơn nữa, tiến bộ của công nghệ chế tạo động cơ và vi điều khiển trong
những năm đầu của thế kỷ 21 dẫn đến các hệ truyền động servo một chiều không
4
thể cạnh tranh được với các hệ truyền động servo xoay chiều vì những lý do cụ thể
như sau:
Các công nghệ vật liệu và chế tạo giúp hiệu suất của động cơ xoay chiều
cao hơn động cơ một chiều (97% so với 92%).
Các thuật toán vertor không gian giúp việc tách kênh hiệu quả nên việc
điều khiển động cơ một chiều và xoay chiều không có sự khác biệt về chất lượng
điều khiển.
Các động cơ xoay chiều có thể đóng kín nên khả năng hoạt động trong các
môi trường khắc nghiệt như nóng, ẩm (ví dụ như trong ô tô điện) hay các môi
trường đặc biệt dễ cháy nổ (ví dụ trong khai khoáng và xăng dầu) hơn hẳn so với
động cơ một chiều.
Độ tin cậy trong vận hành của động cơ xoay chiều cũng cao hơn động cơ
một chiều do cấu trúc động cơ ít phần tử hơn và đặc biệt là không có phần tử mài
mòn thường xuyên là chổi than.
Ngoài ra, giá thành động cơ xoay chiều cũng rẻ hơn động cơ một chiều,
chi phí vận hành và bảo trì cũng thấp hơn.
Từ những lý do trên có thể khẳng định, các hệ thống truyền động servo hiện
nay và tương lại chỉ sử dụng động cơ xoay chiều. Động cơ xoay chiều được chia
làm hai loại là động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ.
Trường hợp động cơ không đồng bộ (IM): Động cơ cần có các yêu cầu
thêm như sau để đảm bảo chức năng động cơ servo.
+ Động cơ được tích hợp sẵn cảm biến đo tốc độ quay kiểu máy khắc vạch
xung quang học (Incremental Encoder, IE) với tối thiểu 2000 xung/vòng.
+ Đối với các hệ đòi hỏi chuyển động đều ở tốc độ cực thấp <1 vòng/phút,
IE phải là loại có 2 kênh tín hiệu ra dạng sin lệch pha 90o (không phải xung vuông).
+ Tần số công tác fs: 0 - 100Hz.
Trường hợp đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM): Động cơ cần có các
yêu cầu thêm như sau để đảm bảo chức năng động cơ servo
+ Động cơ được tích hợp sẵn cảm biến đo (Resolver) với 2 kênh tín hiệu ra
sin và cos, cho phép tính góc tuyệt đối.
+ Tần số công tác fs: 0 - 100Hz. Trong một số trường hợp đặc biệt có thể đạt
tới 200Hz.
5
+ Có tích hợp phanh cơ khí.
Bảng 1.1 dưới đây cho một cách nhìn mang tính so sánh giữa 2 loại động cơ
servo không đồng bộ và động cơ servo đồng bộ.
Bảng 1.1 Bảng so sánh động cơ PMSM và IM
Đặc điểm Servo PMSM Servo IM
Động học Lớn Vừa phải – lớn
Chất lượng điều Tốt vừa phải khi khối lượng Tốt khi khối lượng tải
khiển tải lớn lớn
Khả năng quá tải Lớn, có thể tới 6 lần định Lớn, tới 3 lần định mức
mức
Khả năng chịu nhiệt Lớn trong toàn bộ dải tốc độ Lớn, phụ thuộc tốc độ
dài hạn quay quay
Phương thức làm Đối lưu (convection), dẫn Quạt mát
mát nhiệt, bức xạ
Chất lượng chuyển Cao Cao
động quay
Khả năng cấp Có thể cấp ở chế độ dài hạn Vì lý do thiếu quạt mát
mômen khi đứng im dẫn đến quá nhiệt, ở dải
tốc độ thấp không thể
cấp ở chế độ dài hạn
Dải tốc độ Lớn, 1:5000 Lớn, 1:5000
Hài bậc Tốc độ Có sóng hài Cogging Không có sóng hài
cao quay thấp Cogging
trong Toàn dải Rất nhỏ 0,4% Nhỏ 1,3%
mômen
Đối chiếu theo yêu cầu của động cơ servo có thể thấy:
Ở đặc điểm động học, khả năng quá tải, khả năng chịu nhiệt dài hạn, khả
năng cấp mô men và sóng hải bậc cao trong mô men động cơ đồng bộ hoàn toàn
vượt trội so với động cơ không đồng bộ.
Trong phương thức làm mát thì động cơ đồng bộ tự làm mát do không có
tổn hao đồng phía rotor, còn động cơ không đồng bộ do tổn hao đồng phía rotor
6
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái
cho hệ truyền động động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
TRẦN VĂN PHƯƠNG
Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
Viện: Điện
HÀ NỘI, 2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái
cho hệ truyền động động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
TRẦN VĂN PHƯƠNG
Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
Hà Nội, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Trần Văn Phương
Đề tài luận văn: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền
động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CB180129
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 26/06/2020
với các nội dung sau:
- Đã chỉnh sửa lỗi soạn thảo, cú pháp câu trong luận văn.
Ngày tháng 07 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
- Họ và tên người hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
- Cơ quan: Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động Hóa - Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội
- Tên đề tài: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền động
động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
- Đề tài chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Hà Nội, ngày 03 tháng 04 năm 2020
Giảng viên hướng dẫn
PGS.TS. Nguyễn Quang Địch
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Quang Địch. Thầy là
người hướng dẫn tôi hoàn thành chương trình thạc sĩ tại trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội.
Luận văn được thực hiện như một phần công việc trong Đề tài khoa học cấp
nhà nước “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ truyền động servo xoay chiều ba pha”,
mã số ĐTĐLCN.44/16, thực hiện tại Viện Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa
(ICEA), Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin cảm ơn Đề tài và Viện ICEA.
Tôi xin cảm ơn tới các thầy cô và anh chị làm việc tại Viện Kỹ thuật Điều
khiển và Tự Động Hóa. Xin cảm ơn tới thầy Vũ Hoàng Phương anh Nguyễn Đình
Ngọc, anh Hoàng Thành Nam và toàn thể các bạn sinh viên nhóm PE-LAB.
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền động động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q.
a) Nội dung luận văn giải quyết các vấn đề sau:
Đưa ra lý do chọn đề tài. Đánh giá bộ điều khiển PI. Xây dựng mô hình mô
phỏng và thử nghiệm. Đánh giá bộ điều khiển phản hồi trạng thái.
b) Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng
Phương pháp nghiên cứu: khảo sát, phân tích, thiết kế mạch, lý thuyết điều
khiển, mô phỏng và lập trình. Công cụ sử dụng phần mềm mô phỏng
Matlab\Simulink, các mảng mạch điều khiển đã thiết kế, phần mềm lập trình CCS.
c) Kết quả
Luận văn phù hợp với yêu cầu đặt ra và có tính khoa học thực tiễn đối với
nghiên cứu khoa học trong nước. Hướng phát triển mở rộng của luận văn là nâng
cao chất lượng hệ truyền động và đưa được bộ điều khiển phản hồi lên hệ thống
thực tế.
Học viên
Trần Văn Phương
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Trần Văn Phương
Đề tài luận văn: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền
động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CB180129
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 26/06/2020 với các nội dung sau:
Đã chỉnh sửa lỗi soạn thảo, cú pháp câu trong luận văn.
Ngày tháng 07 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
SĐH.QT9.BM11 Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU ............ 3
1.1 Các thành tựu về nghiên cứu về hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu .................................................................................................................. 3
1.2 Cấu trúc và yêu cầu kĩ thuật của hệ truyền động điện ..................................... 4
1.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng cho hệ truyền động điện ..... 4
1.2.1 Thiết bị biến đổi công suất sử dụng biến tần 4Q .......................................... 7
1.3 Định hướng nghiên cứu của luận văn .............................................................. 8
Chương 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 4Q CHO
ĐỘNG CƠ PMSM................................................................................................ 9
2.1 Cấu trúc mạch lực của hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử
dụng biến tần 4Q. ................................................................................................... 9
2.1.1 Bộ biến đổi phía lưới ..................................................................................... 9
2.1.2 Bộ biến đổi phía động cơ nghịch lưu .......................................................... 10
2.2 Tính toán mạch lực cho hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
sử dụng biến tần 4Q ............................................................................................. 11
2.2.1 Tính chọn van bán dẫn ................................................................................ 11
2.2.2 Tính chọn tụ DC-link .................................................................................. 12
2.2.3 Tính chọn bộ lọc phía lưới .......................................................................... 13
2.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho hệ truyền động ........................................... 14
2.3.1 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ chỉnh lưu tích cực .............................. 14
2.3.2 Thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ nghịch lưu phía động cơ .................... 21
2.4 Mô phỏng hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến
tần 4Q. .................................................................................................................. 30
2.4.1 Kịch bản mô phỏng ..................................................................................... 30
2.4.2 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 33
2.4.3 Đánh giá kết quả mô phỏng ........................................................................ 39
2.5 Thử nghiệm hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến
tần 4Q ................................................................................................................... 40
i
2.5.1 Mô hình thử nghiệm.................................................................................... 40
2.5.2 Kết quả thử nghiệm ..................................................................................... 45
2.6 Kết luận .......................................................................................................... 53
Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI CHO
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU SỬ
DỤNG BIẾN TẦN 4Q ........................................................................................ 54
3.1 Hệ điều khiển phản hồi trạng thái. ................................................................. 54
3.2 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền động động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q. ........................................................... 55
3.3 Mô phỏng đánh giá bộ điều khiển phản hồi trạng thái so với bộ điều khiển PI
.............................................................................................................................. 58
3.3.1 Kịch bản mô phỏng ..................................................................................... 58
3.2.2 Kết quả mô phỏng mô phỏng ...................................................................... 58
3.3 Nhận xét và kết luận ...................................................................................... 63
KẾT LUẬN ..........................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................65
CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ..................................................67
ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Ghi chú tiếng Anh Ý nghĩa
4Q Four Quadrant Bốn góc phần tư
BBĐ Bộ biến đổi điện tử công suất
CAN Controller Area Network Truyền thông CAN
DC Direct Current Dòng điện một chiều
DSP Digital Signal Processing Hệ xử lý tín hiệu số
FOC Field Orientation Control Điều khiển tựa từ thông Rotor
GLCD Graphic Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển
cách ly
IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ
LQR Linear Quadratic Regulator Điều khiển tối ưu tuyến tính
bậc hai
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
PI Proportional–Integral Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân
PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha
PM Phase Margin Độ dự trữ pha
PMSM Permanent Magnet Synchronous Động cơ đồng bộ nam châm
Motor vĩnh cửu
PR Proportional Resonant Bộ điều khiển cộng hưởng
PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung
QEP Quadrature Encoder Pulse Bộ mã hóa xung tốc độ quay
RPM Revolutions Per Minute Tốc độ vòng/phút
SVM Space Vector Modulation Điều chế vector không gian
THD Total harmonic distortion Hệ số tổng độ méo sóng hài
VOC Voltage Oriented Control Điều khiển tựa theo điện áp
lưới
iii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc hệ truyền động servo ................................................................ 4
Hình 1.2 Cấu trúc các bộ biến đổi năng lương cho hệ truyền động servo ............. 8
Hình 2.1 Cấu trúc bộ chỉnh lưu tích cực ................................................................ 9
Hình 2.2 Cấu trúc bộ nghịch lưu phía động cơ .................................................... 11
Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển bộ chỉnh lưu tích cực theo phương pháp VOC..... 14
Hình 2.4 Cấu trúc vòng khóa pha cơ bản............................................................. 15
Hình 2.5 Cấu trúc bộ điều khiển dòng đan kênh ................................................. 17
Hình 2.6 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện .......................................................... 18
Hình 2.7 Mô hình điều khiển điện áp một chiều ................................................. 20
Hình 2.8 Biễu diễn các vector điện áp ................................................................. 21
Hình 2.9 Cấu trúc điều khiển FOC ...................................................................... 23
Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển đan kênh của bộ điều khiển dòng điện ............... 26
Hình 2.11 Cấu trúc bộ điều khiển dòng stator isd ................................................ 26
Hình 2.12 Cấu trúc của bộ điều khiển tốc độ quay .............................................. 28
Hình 2.13 Mạch vòng tốc độ xét tới ảnh hưởng của moment tải ........................ 29
Hình 2.14 Cấu trúc bộ điều khiển vị trí ............................................................... 30
Hình 2.15 Kết quả mô phỏng chỉnh lưu tích cực ................................................. 33
Hình 2.16 Đáp ứng tốc độ tại tốc độ 0 rpm ......................................................... 34
Hình 2.17 Mô men động cơ phát ra tại tốc độ 0 rpm ........................................... 34
Hình 2.18 Dòng điện isd và isq ở tốc độ 0 rpm ................................................... 34
Hình 2.19 Dòng stator của động cơ tại tốc độ 0 rpm ........................................... 35
Hình 2.20 Đáp ứng tốc độ tại tốc độ 1500 rpm ................................................... 35
Hình 2.21 Mô men động cơ phát ra tại tốc độ 1500 rpm ..................................... 36
Hình 2.22 Dòng điện isd và isq ở tốc độ 1500 rpm ............................................. 36
Hình 2.23 Dòng stator của động cơ tại tốc độ 1500 rpm ..................................... 36
Hình 2.24 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 rpm ............... 37
Hình 2.25 Mô men động cơ phát ra khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 rpm 37
Hình 2.26 Dòng điện isd và isq khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 rpm....... 38
Hình 2.27 Dòng stator của động cơ khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 rpm 38
Hình 2.28 Đáp ứng vị trí và tốc độ động cơ khi điều khiển vị trí ........................ 39
iv
Hình 2.29 Momen của động cơ khi điều khiển theo vị trí ................................... 39
Hình 2.30 Cấu trúc hệ thống thử nghiệm của hệ truyền động ............................. 40
Hình 2.31 Hệ thống thử nghiệm thực của hệ truyền động ................................... 41
Hình 2.32 Sơ đồ cấu trúc đấu dây cho bộ Mentor II với DC motor .................... 44
Hình 2.33 Quá trình khởi động chỉnh lưu tích cực lên 600V .............................. 46
Hình 2.34 Đáp ứng tốc độ và momen động cơ tại 0 rpm khi có tác động momen tải
.............................................................................................................................. 46
Hình 2.35 Đáp dòng isq khi có tác động của momen tải ở tốc độ 0 vòng/phút ... 47
Hình 2.36 Dòng điện stator của động cơ khi tác động momen tải ở tốc độ 0
vòng/phút .............................................................................................................. 47
Hình 2.37 Đáp ứng tốc độ và momen động cơ tại 1500 rpm khi có tác động momen
tải .......................................................................................................................... 48
Hình 2.38 Đáp dòng isq khi có tác động của momen tải ở tốc độ 1500 rpm....... 49
Hình 2.39 Dòng điện stator của động cơ khi tác động momen tải ở tốc độ 1500 rpm
.............................................................................................................................. 49
Hình 2.40 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều và momen động cơ phát ra ở tốc độ 1500
vòng/phút .............................................................................................................. 50
Hình 2.41 Dòng điện stator của động cơ khi đảo chiều tại 1500 rpm với momen tải
bằng định mức ...................................................................................................... 51
Hình 2.42 Đáp ứng tốc độ và momen động cơ khi điều khiển ở chế độn vị trí với
momen tải bằng định mức .................................................................................... 52
Hình 2.43 Mối quan hệ giữa tốc độ và vị trí của động cơ khi điều khiển ở chế độ
vị trí ...................................................................................................................... 52
Hình 3.1 Mô hình hệ thống .................................................................................. 54
Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực.......................... 55
Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu ...................................... 55
Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái ................................................ 57
Hình 3.5 Đáp ứng tốc độ tại tốc độ 0 vòng/phút với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái ........................................................................................................................ 58
Hình 3.6 Mô men động cơ phát ra tại tốc độ 0 rpm với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái ........................................................................................................................ 59
v
Hình 3.7 Dòng điện isd và isq ở tốc độ 0 rpm với bộ điều khiển phản hồi trạng thái
.............................................................................................................................. 59
Hình 3.8 Dòng stator của động cơ tại tốc độ 0 rpm với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái........................................................................................................................ 59
Hình 3.9 Đáp ứng tốc độ tại tốc độ 1500 rpm của bộ điều khiển phản hồi trạng thái
.............................................................................................................................. 60
Hình 3.10 Mô men động cơ phát ra tại tốc độ 1500 rpm với bộ điều khiển phản hồi
trạng thái .............................................................................................................. 60
Hình 3.11 Dòng điện isd và isq ở tốc độ 1500 rpm với bộ điều khiển phản hồi trạng
thái........................................................................................................................ 61
Hình 3.12 Dòng stator của động cơ tại tốc độ 1500 rpm với bộ điều khiển phản hồi
trạng thái .............................................................................................................. 61
Hình 3.13 Đáp ứng tốc độ khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 vòng/phút của bộ
điều khiển phản hồi trạng thái.............................................................................. 62
Hình 3.14 Mô men động cơ phát ra khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 vòng/phút
của bộ điều khiển phản hồi trạng thái .................................................................. 62
Hình 3.15 Dòng điện isd và isq khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 vòng/phút
của bộ điều khiển phản hồi trạng thái .................................................................. 62
Hình 3.16 Dòng stator của động cơ khi đảo chiều động cơ tại tốc độ 1500 vòng/phút
của bộ điều khiển phản hồi trạng thái .................................................................. 63
vi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Bảng so sánh động cơ PMSM và IM ...................................................... 6
Bảng 2.1 Thông số van IPM 6MBP25RA120 ..................................................... 12
Bảng 2.2 Thông số mô phỏng bộ biến đổi phía lưới ............................................ 31
Bảng 2.3 Thông số động cơ mô phỏng ................................................................ 31
Bảng 2.4 Thông số động cơ mô phỏng ................................................................ 32
Bảng 2.5 Thông số mạch lực hệ thống thực nghiệm............................................ 41
Bảng 2.6 Thông số động cơ PMSM ..................................................................... 42
Bảng 2.7 Thông số động cơ DC ........................................................................... 44
Bảng 2.8 Thông số Oscilloscope .......................................................................... 45
Bảng 2.9 Thông số của MX440B và cảm biến T40B .......................................... 45
Bảng 3.1 Bảng so sánh chất lượng hai bộ điều khiển .......................................... 63
vii
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q là
một hệ truyền động servo cho phép biến đổi điện năng thành cơ năng để tạo chuyển
động quay hoặc tịnh tiến với khả năng điều chỉnh chính xác tốc độ, vị trí và mô
men. Hệ truyền động gồm một động cơ có đặc tính động học tốt và được gắn đầu
cảm biến vị trí ở một phía đầu trục và một bộ biến đổi điện tử công suất chất lượng
cao được thiết kế chuyên biệt cho động cơ này và thiết bị điều khiển với các thuật
toán đảm bảo điều khiển chính xác các tham số yêu cầu.
Hiện tại ở nước ngoài, trước hết tại các nước phát triển, trình độ phát triển
của kỹ thuật của các hệ truyền động điện đã đạt được những bước tiến rất xa. Các
hệ thống hiện đại được cài đặt những cấu trúc điều khiển đảm bảo chất lượng cho
những yêu cầu rất cao về độ chính xác. Tuy nhiên trong nước việc nghiên cứu chỉ
dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết vì vậy dựa trên việc kết hợp với đề tài khoa
học cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ truyền động servo xoay chiều
ba pha”, mã số ĐTĐLCN.44/16, thực hiện tại Viện Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động
Hóa (ICEA), luân văn này tập chung nghiên cứu tạo ra một hệ truyền động hoàn
chỉnh kết hợp với các lý thuyết được nghiên cứu nhằm tạo ra một sản phẩm hoàn
chỉnh.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ thực hiện trong luận văn:
Tìm hiểu các thành tựu nghiên cứu và giải pháp cho hệ truyền động và lí
do chọn hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến
tần 4Q.
Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc mạch lực cho hệ truyền động.
Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc điều khiển cho hệ truyền động.
Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng thuật toán
điều khiển.
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu, nội dung cần nghiên cứu của đề tài là:
Cấu trúc hệ truyền động điện.
Xây dựng cấu trúc phù hợp với hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu.
1
Thiết kế thuật toán điều khiển các bộ biến đổi bán dẫn cho hệ truyền động.
Mô hình mô phỏng của hệ truyền động trên Matlab/Simulink.
Mô hình thực nghiệm hệ truyền động trong phòng thí nghiệm.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu về các hệ truyền động điện trong
công nghiệp. Tính toán, thiết kế mạch lực, thiết kế cấu trúc điều khiển. Đánh giá
thiết kết quả mô phỏng trên Matlab và thực nghiệm.
3. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu trong đề tài:
Thu thập, khảo sát và thống kế dữ liệu.
Phân tích, thiết kế mạch.
Lý thuyết điều khiển.
Mô phỏng và lập trình.
4. Nội dung luận văn
Quyển luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Mở đầu: Nêu mục tiêu cũng như nội dung nghiên cứu cần phải đạt được.
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu đối với hệ truyền động động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Nội dung trong chương sẽ đi giới thiệu về tình hình nghiên cứu về hệ truyền
động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và hệ biến tần 4Q. Đồng thời, nêu ra lý
do lựa chọn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q.
Chương 2: Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q.
Nêu ra cấu trúc, thành phần và tính toán lựa chọn các thành phần của hệ
truyền động, từ đó đưa ra các cấu trúc điều khiển cho hệ truyền động với bộ điều
khiển PI. Sau đó tiến hành mô phỏng và thực nghiệm trên hệ thống thử nghiệm hệ
truyền động đã xây dựng.
Chương 3: Thiết kế hệ bộ khiển phản hồi trạng thái cho hệ truyền động đông
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q.
Tìm hiểu về hệ điều khiển phản hồi trạng thái. Đưa ra cấu trúc điều khiển
phản hồi trạng thái cho hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, mô
phỏng trên Matlab/Simulink và đánh giá kết quả so với bộ điều khiển PI.
Kết luận: Đánh giá kết quả đã đạt được, những vấn đề còn tồn tại và hướng
phát triển.
2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI
HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Trong chương 1 sẽ trình bày tình hình nghiên cứu của hệ truyền động động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, các cấu trúc và yêu cầu kĩ thuật của hệ truyền
động. Từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu của luận văn.
1.1 Các thành tựu về nghiên cứu về hệ truyền động động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu
Cơ cấu truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là một trong những
cấu trúc của một hệ truyền động servo phục vụ cho việc tự động hóa các máy móc
trong công nghiệp và dân dụng. Sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi của
các hệ thống tự động hóa làm cho nhu cầu đối với hệ truyền động servo không
ngừng tăng lên.
Hiện tại ở nước ngoài, trước hết tại các nước phát triển, trình độ phát triển
của kỹ thuật của các hệ truyền động điện đã đạt được những bước tiến rất xa. Các
hệ thống hiện đại được cài đặt những cấu trúc điều khiển đảm bảo chất lượng cho
những yêu cầu rất cao về độ chính xác, những thuật toán có cội nguồn bắt đầu từ
những ý tưởng đầu tiên, giới thiệu trong luận án Tiến sĩ của Hasse năm 1969.
Nguyên lý “định hướng trường, hay tựa theo từ thông rotor” (Field Orientation
Control: FOC, hay Rotor-Flux Orientation: RFO), là phương pháp vật lý then chốt
của các hệ “truyền động servo” dùng động cơ xoay chiều ba pha, chính thức được
Blaschke giới thiệu trong các thông báo khoa học của Tập đoàn Siemens năm 1971
và 1972. Sau hơn 40 năm phát triển và khẳng định, với các kết quả nghiên cứu
được công bố trên hàng triệu tài liệu các loại (sách, bài báo, báo cáo hội nghị, luận
án, luận văn hay đồ án tốt nghiệp các bậc) (ví dụ: các tác giả W. Leonhard, hay
N.P. Quang)[1] là những minh chứng thuyết phục nhất cho sự thành công của hệ
truyền động điện mà trong đó không thể thiếu hệ truyền động động cơ đồng bộ
nam châm vĩnh cửu. Cùng với việc cải thiện chất lượng hệ truyền động thì việc
nâng cao hiệu suất và giảm ảnh hưởng đến điện áp nguồn cũng được nghiên cứu
và đưa và sử dụng điển hình là các hệ truyền động 4Q. Trong nước, các nghiên
cứu chỉ dừng lại ở lý thuyết mà chưa có xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh hệ
truyền động hoàn chỉnh và các nghiên cứu lý thuyết được ứng dụng trên các nền
tảng phần cứng được xây dựng sẵn. Vì vậy, đặt ra vấn đề nghiên cứu xây dựng một
3
hệ thống truyền động hòa chỉnh, mà cấu trúc được chọn là hệ truyền động động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng biến tần 4Q với những ưu điểm được trình
bày ở phần 1.2.
1.2 Cấu trúc và yêu cầu kĩ thuật của hệ truyền động điện
Một hệ thống “truyền động servo” có thể được mô tả chi tiết như hình 1.1 với
các thành phần sau:
1.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng cho hệ truyền động
điện
Động cơ servo là động cơ có đặc tính động học tốt thể hiện qua các tiêu chuẩn
sau:
Khả năng quá tải lớn.
Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh cũng như lặp lại liên tục.
Mật độ công suất lớn.
Phạm vi hoạt động rộng .
Khả năng phát huy mô men ở dải tốc độ thấp kể cả đứng im.
Hình 1.1 Cấu trúc hệ truyền động servo
Trong giai đoạn phát triển ban đầu thì hệ truyền động servo sử dụng động cơ
một chiều vì động cơ một chiều đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về động học của truyền
động servo và điều khiển độc lập được phần cảm và phần ứng nên chất lượng điều
khiển tốt và thuật toán đơn giản tin cậy. Tuy nhiên, sự tồn tại của chổi than dẫn
đến động cơ có độ tin cậy thấp, chi phí vận hành và bảo trì cao, không thể hoạt
động trong các môi trường khắc nghiệt như môi trường dễ cháy nổ hay môi trường
nóng ẩm. Hơn nữa, tiến bộ của công nghệ chế tạo động cơ và vi điều khiển trong
những năm đầu của thế kỷ 21 dẫn đến các hệ truyền động servo một chiều không
4
thể cạnh tranh được với các hệ truyền động servo xoay chiều vì những lý do cụ thể
như sau:
Các công nghệ vật liệu và chế tạo giúp hiệu suất của động cơ xoay chiều
cao hơn động cơ một chiều (97% so với 92%).
Các thuật toán vertor không gian giúp việc tách kênh hiệu quả nên việc
điều khiển động cơ một chiều và xoay chiều không có sự khác biệt về chất lượng
điều khiển.
Các động cơ xoay chiều có thể đóng kín nên khả năng hoạt động trong các
môi trường khắc nghiệt như nóng, ẩm (ví dụ như trong ô tô điện) hay các môi
trường đặc biệt dễ cháy nổ (ví dụ trong khai khoáng và xăng dầu) hơn hẳn so với
động cơ một chiều.
Độ tin cậy trong vận hành của động cơ xoay chiều cũng cao hơn động cơ
một chiều do cấu trúc động cơ ít phần tử hơn và đặc biệt là không có phần tử mài
mòn thường xuyên là chổi than.
Ngoài ra, giá thành động cơ xoay chiều cũng rẻ hơn động cơ một chiều,
chi phí vận hành và bảo trì cũng thấp hơn.
Từ những lý do trên có thể khẳng định, các hệ thống truyền động servo hiện
nay và tương lại chỉ sử dụng động cơ xoay chiều. Động cơ xoay chiều được chia
làm hai loại là động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ.
Trường hợp động cơ không đồng bộ (IM): Động cơ cần có các yêu cầu
thêm như sau để đảm bảo chức năng động cơ servo.
+ Động cơ được tích hợp sẵn cảm biến đo tốc độ quay kiểu máy khắc vạch
xung quang học (Incremental Encoder, IE) với tối thiểu 2000 xung/vòng.
+ Đối với các hệ đòi hỏi chuyển động đều ở tốc độ cực thấp <1 vòng/phút,
IE phải là loại có 2 kênh tín hiệu ra dạng sin lệch pha 90o (không phải xung vuông).
+ Tần số công tác fs: 0 - 100Hz.
Trường hợp đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM): Động cơ cần có các
yêu cầu thêm như sau để đảm bảo chức năng động cơ servo
+ Động cơ được tích hợp sẵn cảm biến đo (Resolver) với 2 kênh tín hiệu ra
sin và cos, cho phép tính góc tuyệt đối.
+ Tần số công tác fs: 0 - 100Hz. Trong một số trường hợp đặc biệt có thể đạt
tới 200Hz.
5
+ Có tích hợp phanh cơ khí.
Bảng 1.1 dưới đây cho một cách nhìn mang tính so sánh giữa 2 loại động cơ
servo không đồng bộ và động cơ servo đồng bộ.
Bảng 1.1 Bảng so sánh động cơ PMSM và IM
Đặc điểm Servo PMSM Servo IM
Động học Lớn Vừa phải – lớn
Chất lượng điều Tốt vừa phải khi khối lượng Tốt khi khối lượng tải
khiển tải lớn lớn
Khả năng quá tải Lớn, có thể tới 6 lần định Lớn, tới 3 lần định mức
mức
Khả năng chịu nhiệt Lớn trong toàn bộ dải tốc độ Lớn, phụ thuộc tốc độ
dài hạn quay quay
Phương thức làm Đối lưu (convection), dẫn Quạt mát
mát nhiệt, bức xạ
Chất lượng chuyển Cao Cao
động quay
Khả năng cấp Có thể cấp ở chế độ dài hạn Vì lý do thiếu quạt mát
mômen khi đứng im dẫn đến quá nhiệt, ở dải
tốc độ thấp không thể
cấp ở chế độ dài hạn
Dải tốc độ Lớn, 1:5000 Lớn, 1:5000
Hài bậc Tốc độ Có sóng hài Cogging Không có sóng hài
cao quay thấp Cogging
trong Toàn dải Rất nhỏ 0,4% Nhỏ 1,3%
mômen
Đối chiếu theo yêu cầu của động cơ servo có thể thấy:
Ở đặc điểm động học, khả năng quá tải, khả năng chịu nhiệt dài hạn, khả
năng cấp mô men và sóng hải bậc cao trong mô men động cơ đồng bộ hoàn toàn
vượt trội so với động cơ không đồng bộ.
Trong phương thức làm mát thì động cơ đồng bộ tự làm mát do không có
tổn hao đồng phía rotor, còn động cơ không đồng bộ do tổn hao đồng phía rotor
6