Mô hình điều khiển động cơ một chiều không chổi than sử dụng phần mềm mô phỏng matlab simulink

KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QUI SỐ 55/2021 MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MATLAB SIMULINK MODELING CONTROL OF BRUSHLESS DC MOTOR DRIVER BY USING MATLAB SIMULINK Ngô Văn Hà1,* Khoa Điện, trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh * Email: ngovanha72@gmail.com Mobile: 0383674899 Tóm tắt Từ khóa: Động chiều không chổi than; động chiều; điều khiển PI; hệ truyền động không chổi than Động điện chiều không chổi than (BLDC) loại động họ động nam châm vĩnh cửu (PM) Với đặc tính đặc biệt, tuyến tính động điện chiều nguyên lý hoạt động không khác động điện xoay chiều đồng Với hệ truyền động không chổi than, động BLDC đáng tin cậy so với động điện chiều có hiệu suất cao động cảm ứng (IM) khía cạnh vận hành, sản xuất bảo trì Bài báo mơ tả mơ hình mơ điều khiển truyền động hệ động BLDC với trợ giúp phần mềm mơ MATLAB - SIMULINK Mơ hình mơ xây dựng bao gồm khối động lực động BLDC, khối tạo tín hiệu cảm biến Hall, khối biến đổi nghịch lưu điều khiển PI Abstract Keywords: Brushless DC motor; BLDC; Six-step inverter; PI speed regulator Brushless dc motor (BLDC) is a type of motor in a family of permanent magnet (PM) motors With very special mechanical properties, linear like DC motors, but the principle of operation is not different from synchronous AC motors With non-contact switches, BLDC motors are more reliable than DC motors and have higher efficiency than induction motors (IM) on the operation, production, and maintenance aspects The paper describe a control simulation modelling of Brushless DC motor drive with the help of MATLAB & SIMULINK environment The constructed model consists of a BLDC motor dynamics block, a Hall-sensor signals generation block, six – step inverter block, and a PI speed block GIỚI THIỆU Trong khu cơng nghiệp, nhà máy xí nghiệp áp dụng dây chuyền cơng nghệ tự động hóa, động BLDC sử dụng đáng kể động BLDC có cấu tạo đơn giản giá thành thấp loại xoay chiều AC [1,2] Các động chất lượng điều khiển tốt nhiều so với động chiều có chổi than thông thường điều khiển sử dụng thiết bị điện tử công suất công nghệ bán dẫn cơng suất có độ tin cậy cao, giá thành rẻ [3] Động BLDC thường định nghĩa máy điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) có lực phản điện động (EMF) hình thang tập trung cuộn dây stato Có hai loại động BLDC: Động BLDC có cảm biến động BLDC không cảm biến Động đồng nam châm vĩnh cửu phân loại thành động loại hình thang động loại hình sin dựa dạng sóng đầu lực phản điện động EMF KH&CN QUI chúng (động sóng EMF hình thang động loại sóng EMF hình sin chúng tương ứng hình thang hình sin) [4] Bài báo dựa mơ hình mơ mơ [15] đưa để mô hệ thống điều khiển động BLDC có sóng EMF hình thang có cảm biến hình Hình Mơ hình điều khiển động chiều khơng chổi than BLDC MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC Các tín hiệu logic phản hồi tạo thông qua cảm biến Hall vịng phản hồi với vị trí rơto kết nối với tín hiệu điều khiển mạch nghịch lưu thơng q trình điều khiển động SỐ 55/2021 điều khiển hướng dòng điện cấp cho cuộn dây stato (hình 1) Mơ Mơ hình mơ chia thành ba phần: phần khối nghịch lưu, khối điều khiển PI với nguồn DC phần cịn lại động BLDC Mơ hình phần mô tả sau: 2.1 Động BLDC 2.1.1 Stato Stato động BLDC có cấu tạo tương tự động xoay chiều (không đồng bộ) động điện chiều thông thường với nguyên lý làm việc tương ứng Stato động BLDC bao gồm thép xếp chồng lên (Hình 2) Các cuộn dây stator kết nối theo hai cách: đấu hình đấu hình tam giác Đối với cuộn dây stato nối hình sao, động có mơmen xoắn cao tốc độ thấp, cuộn dây cấu tạo gồm nhiều cuộn dây nối với nhau, nhiều cuộn dây đặt khe stato Đối với cuộn dây đấu nối theo sơ đồ tam giác, mô-men xoắn thấp tốc độ thấp nửa điện áp đầu vào cấp cho hai đầu cuộn dây Hình Cấu tạo động BLDC [6] 2.1.2 Roto Hình Sóng hình thang lực phản điện động EMF sóng hình chữ nhật cảm biến Hall Rơto động BLDC cấu tạo tương tự động nam châm vĩnh cửu khác làm thép nam châm vĩnh cửu (hình 2) Tùy thuộc vào ứng dụng yêu cầu, số lượng cực thay đổi, dựa mật độ từ trường mà chọn vật liệu từ phù hợp cho rôto Trước đây, nam châm Ferrite sử 10 KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI dụng để chế tạo rôto BLDC, loại nam châm rẻ chúng có mật độ từ thơng thấp Ngày nay, công nghệ ngày phát triển, nam châm Ferrite thay hợp kim đất Neodymium, Samarian coban, Neodymium ferrite Boron Các hợp kim có ưu điểm lực kháng từ cường độ từ cao Các động có hai loại lực phản điện động EMF tương ứng hình thang hình sin Trong báo mơ động cơ, chúng tơi sử dụng động BLDC có sức phản điện động hình thang (hình 3) 2.1.3 Cảm biến Hall Động BLDC sử dụng cấu đổi chiều điện tử, khác với cấu cổ góp truyền thống Cảm biến Hall (Ha, Hb, Hc) động BLDC dịch chuyển theo góc lệch pha 120° (hình 3) Các cuộn dây stato động BLDC cấp nguồn cấu cấp điện điên tử cực tạo stato rôto nam châm vĩnh cửu quay theo trình tự lặp lại Cảm biến Hall sử dụng để cảm nhận vị trí rơto so với vị trí stato gửi tín hiệu số cao thấp để phát vị trí rơto 2.2 Bộ nghịch lƣu kiểu bƣớc Bộ nghịch lưu kiểu bước thường dùng mạch cầu Mosfet Mạch điều khiển BLDC bao gồm mạch cầu Mosfet cung cấp dòng điện tạo trường điện từ xung quanh cuộn dây stato, cuộn dây quay xung quanh rôto tạo thành từ nam châm vĩnh cửu Việc xác định vị trí stato để tạo trường lượng xác cuộn dây Trong BLDC dựa cảm biến, từ trường phát hiện, phiên khơng có cảm biến, mạch điều khiển đo lại lực phản điện động EMF để xác định vị trí stato 2.3 Bộ điều khiển tốc độ PI Mục tiêu điều khiển giảm thiểu sai số đầu thực tế cần kiểm soát đầu mong muốn, gọi điểm đặt Trong trường hợp điều khiển tốc độ, mục tiêu biểu thị phương trình sau: e  t   rs  t   as  t  (1) Trong e (t) hàm sai số thời gian, ωrs(t) tốc độ tham chiếu tốc độ thiết lập theo thời gian ωas(t) tốc độ thực tế động dạng hàm theo thời gian Thuật ngữ PID viết tắt Proportional Integral Derivative, điều khiển PID bao gồm thông số riêng biệt, đơi cịn gọi điều khiển ba khâu: giá trị tỉ lệ, tích phân đạo hàm, viết tắt P, I, D Giá trị tỉ lệ xác định tác động sai KH&CN QUI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI SỐ 55/2021 số tại, giá trị tích phân xác định tác động tổng sai số khứ, giá trị vi phân xác định tác động tốc độ biến đổi sai số Phương trình điều khiển PI [7] biểu diễn sau: u (t )  KPe(t )  KI  e  t  dt (2) Trong u (t) đầu PI, KP hệ số tỷ lệ, KI hệ số tích phân, KD hệ số vi phân e (t) hàm sai số phương trình (1) Khối chức sau, hình 4, giải thích hoạt động điều khiển PI (đối với điều khiển PI, KD = 0) Set point Speed PI output Error Σ PI Controler Process Actual Speed Hình Sơ đồ khối điều khiển hệ kín có PI 2.4 Mơ hình mơ động BLDC Trong sơ đồ hình cho thấy sơ đồ khối điều khiển vịng kín động chiều khơng chổi than (BLDC), có hai vòng điều khiển phản hồi [5]: Ia Reference Σ speed + Error PI output DC power PI Controller source Vdc Ib Six-step Inverter BLDC motor Decoder - Gain Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Hall sensors Speed control loop Hình Sơ đồ khối điều khiển hệ kín có PI Như đề cập phần giới thiệu hình 3, tương tác từ trường nam châm vĩnh cửu rôto cuộn dây stato tạo từ trường hình thang dẫn đến tạo từ trường hình thang sức phản điện động pha động BLDC Như Bảng 1, lực phản điện động có dạng sóng phụ thuộc vào vị trí rơto Bảng Các giá trị tương ứng lực phản điện động pha A, B, C với giá trị cảm biến Hall Hb Hc Emf_a Emf_b Emf_c Phase A Phase B Phase C 0 0 0 off off off 0 -1 +1 off - + -1 +1 - + off 1 -1 +1 - off + 0 +1 -1 + off - 1 +1 -1 + - off 1 0 +1 -1 off + - 1 0 off off off Tác giả sử dụng hệ phương trình tính tốn lực phản điện động theo tài liệu [8], ta có phương trình sau: KH&CN QUI  1           e   f B  e          e  10     1             e   f C  e    1   6    e         e   5  e  6 5 7  e  6 7 11  e  6 11   e  2 (3)   e   5  e  5 9  e  6 9 11  e  6 11   e  2   e    e    7  e  7 9  e  6 9   e  2  fA(θe), fB(θe), fC(θe) lực phản điện động tương ứng với pha A, B, C θe góc lệch roto Trong ta có tốc độ chuyển động roto động BLDC [8] xác định sau: Speed Regulator Ic Ha  6     e         f A  e       e      1         e  12   2B (6) )dr J P Trong ωr = dθr/dt TE mô men điện từ động (Nm), TL mô men tải động (Nm) J mơ men qn tính roto (Kgm2), B hệ số ma sát(Nms/rad) θr góc điện roto m   (TE  TL  KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Mơ hình mơ điều khiển vịng kín động BLDC thể hình thơng số kỹ thuật động BLDC đề cập bảng Bảng Các thông số động BLDC Thông số Giá trị Đơn vị Điện trở stato 2.875 Ω Điện cảm stato 8.5e-3 H Số đôi cực Giá trị lực phản điện động 1.4 V/rad/sec Mô men xoắn 1.4 Nm Mơ men qn tính roto (J) 0.0027 Kgm2 Hệ số ma sát 0.00049 Nms 11 SỐ 55/2021 Hình Mơ hình vịng kín điều khiển động BLDC có sử dụng điều khiển PI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI Hình 10 Kết mơ tốc độ roto động Hình Khối mơ cảm biến Hall Hình 11 Kết mơ mơ men điện từ động Hình Khối mơ hình nghịch lưu Mơ hình xây dựng dựa khối hình phần mềm Matlab Simulink Các thơng số động dùng mơ hình mô tả bảng Kết mô tốc độ động cơ, dịng Stator mơ men điện từ thể hình 9, 10 11 Hình Kết mơ dịng điện pha A, B, C động 12 Kết mơ dịng điện hình cho thấy dịng điện pha A, B, C có dạng hình sin, đầu dạng sóng hình sin nhọn đảm bảo tổn hao dòng điện nhỏ Hình 10 11 cho thấy đặc tính đầu tốc độ rơto mơ men điện từ Biên độ dao động tốc độ lớn từ khoảng 66vịng/phút đến 78vịng/phút mơ men điện từ cực từ khoảng từ 2,6Nm đến 3,4Nm Hiện tượng trình cấp sung hở mosfet pha để cấp điện cho stato động Kết mô cho thấy tốc độ lực từ dạng sóng chế độ ổn định Điều cho thấy cần phải nghiên cứu thêm để đưa kết tốt KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả sử dụng sở lý thuyết phần mềm Matlab simulink để đưa mơ hình điều khiển động BLDC có điều khiển tốc độ PI Hệ thống điều khiển tổng thể điều khiển cách giao diện GUI Kết sở để giúp nghiên cứu sâu điều khiển động BLDC KH&CN QUI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUI [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] TÀI LIỆU THAM KHẢO R.Krishnan (2010), “Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives”, Taylor and Francis Group, LLC Dr.Duane Hanselman, (2005), “Brushless Permanent Magnet Motor Design”, Magna Physics Publishing A.Georgiev, T.Papanchev, N.Nikolov, (2016), “Reliability Assessment of Power Semiconductor Devices”, 19th International Symposium on Electrical Apparatus and Technologies (SIELA), IEEE 2016 A.A Krishnan's, P R Ajith, K Ashwin, S Deepak (2017), “Sensorless operation of brushless DC motor drive designed for air conditioners”, 2017 International Conference on Innovations in Electrical, Electronics, Instrumentation and Media Technology (ICEEIMT) Ridwan, Mohamad, Yuniarto, Muhammad Nur, Soedibyo (2016), “Electrical equivalent circuit based modeling and analysis of brushless direct current (BLDC) motor”, IEEE 2016 International Seminar on Intelligent Technology and Its Applications (ISITIA)Lombok, Indonesia, DOI:10.1109/ISITIA.2016.7828706 Padmaraja Yedamale (2003), “Brushless DC (BLDC) motor Fundamentals”, Microchip Technology Inc Ahmed M.Ahmed (2015), “Brushless DC Motor Speed Control using both PI Controller and Fuzzy PI Controller”, International Journal of Computer Applications 109(10):2935 M.Poovizhi, M.S Kumaran, P.Ragul (2017), “Investigation of mathematical modelling of brushless dc motor(BLDC) drives by using matlab-simulink”, 2017 International Conference on Power and Embedded Drive Control (ICPEDC), DOI: 10.1109/ICPEDC.2017.8081083 Kumpanya, Danupon, Thaiparnat, Sattarpoom, Puangdownreong, Deacha (2015), “Parameter Identification of BLDC Motor Model Via Metaheuristic Optimization Techniques”, Procedia Manufacturing, 2015 Vol KH&CN QUI SỐ 55/2021 [10] Michael, Prawin Angel, Suji Vinayak A.,, Jero Faustin A, Viswa Hariharan A.,, Sharon G (2017), “Modelling, simulation & comparison of BLDC motor and induction motor based condenser in a chiller cooler system using CFD”, IEEE 2017 11th International Conference on Intelligent Systems and Control (ISCO) - Coimbatore, India [11] Yamashita, Rodrigo Y., Silva, Fabrício L., Santiciolli, Fabio M., Eckert, Jony J., Dedini, Franco G., Silva, Ludmila C A (2018), “Comparison between two models of BLDC motor, simulation and data acquisition”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2018/2 Vol 40; Iss [12] Ebadpour, Mohsen, Sharifian, Mohammad Bagher Bannae, Babaei, Ebrahim (2017), “Modeling and control of dual parallel BLDC motor drive system with single inverter”, IEEE IECON 2017 - 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society - Beijing, China IECON [13] Jayetileke H.R, de Mel W.R, (2017), “Modelling and simulation analysis of the genetic-fuzzy controller for speed regulation of a sensored BLDC motor using MATLAB/SIMULINK”, IEEE 2017 IEEE International Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS) - Peradeniya, Sri Lanka [14] Bartsch, Arthur G., Teixeira, Jardel R., de Oliveira, José, Cavalca, Mariana S M (2019), “Procedures to Design Multi-Model-Based Predictive Controller Applied to BLDC Drive”, Journal of Control, Automation and Electrical Systems, DOI:10.1007/s40313-01900521-7 [15].Https://ch.mathworks.com/help/physmod/sps/u g/brushless-dc-motor-fed-by-six-stepinverter.html 13 ... Các động có hai loại lực phản điện động EMF tương ứng hình thang hình sin Trong báo mơ động cơ, chúng tơi sử dụng động BLDC có sức phản điện động hình thang (hình 3) 2.1.3 Cảm biến Hall Động. .. độ roto động Hình Khối mơ cảm biến Hall Hình 11 Kết mơ mơ men điện từ động Hình Khối mơ hình nghịch lưu Mơ hình xây dựng dựa khối hình phần mềm Matlab Simulink Các thông số động dùng mô hình mơ... Matlab simulink để đưa mơ hình điều khiển động BLDC có điều khiển tốc độ PI Hệ thống điều khiển tổng thể điều khiển cách giao diện GUI Kết sở để giúp nghiên cứu sâu điều khiển động BLDC KH&CN QUI KHOA