(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét

(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển động cơ không chổi quét

Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang LỜI CAM ĐOAN Với mục tiêu nghiên cứu lĩnh hội kiến thức Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2015 Phạm Công Trang Trang iii Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa, người tận tình hướng dẫn, cung cấp kiến thức giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Xin cảm ơn thầy TS Võ Viết Cường TS Lê Chí Kiên đưa góp ý phản biện quý lời khuyên chân thành cho việc hoàn thành luận văn Xin cám ơn Thầy Cô khoa Điện - Điện Tử cho em tảng tri thức quan trọng cho hành trang nghiên cứu thân tác giả Cuối xin chân thành cảm ơn bố mẹ, người bên động viên nhiều để hoàn thành tốt đẹp khóa học Trang iv Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Cơng Trang TĨM TẮT Trong động DC không chổi quét (BLDC), dạng mô men động khơng gợn sóng tạo cách tạo dạng sóng kích từ dịng điện với giúp đỡ thành phần giao tiếp điều khiển điện tử Dạng mơ men khơng gợn sóng tối thiểu hóa tổn hao đồng Trong luận văn này, việc điều khiển từ thông gián tiếp mô men trực tiếp mà không sử dụng cảm biến vị trí cho động khơng chổi qt với lực điện động ngược (Back EMF) không sin đưa cách bao quát Có nhiều phương pháp kiến nghị cho việc điều khiển BLDC để đạt dòng tối ưu để đạt dòng tối ưu xung điều khiển mô men điều khiển BLDC Hầu hết phương pháp phức tạp không xem xét đến việc điều khiển liên kết từ thơng stator, đó, khả vận hành tốc độ cao thực Trong nghiên cứu này, phương pháp đơn giản để điều khiển trực tiếp mô men không gợn sóng tần số thấp đạt hiệu suất cao trình bày Phương pháp khơng u cầu điều chế độ rộng xung cần hiệu chỉnh Tỷ lệ – Tích phân (PI) với kỹ thuật điều khiển dòng trễ tương ứng cho phép điều chỉnh tín hiệu khác Mơ hình ứng dụng điều khiển động BLDC ba pha không cảm biến xác thực thông qua kết mô sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Trang v Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang ABSTRACT In Brushless DC (BLDC) motor ripple-free torque can be produced by preshaping the excitation currents with the help of electronically controlled commutators This ripple-free torque minimizes copperlosses In this thesis, the position sensorless direct torque and indirect flux control of brushless dc (BLDC) motor with non sinusoidal back electromotive force (EMF) has been extensively proposed In the literature, several methods have been proposed for BLDC motor drives to obtain optimum current and to obtain optimum current and torque control pulsations in BLDC motor drives Most methods are complicated and not consider the stator flux linkage control, therefore, possible high-speed operations are not feasible In this study, a novel and simple approach to achieve a low frequency torque ripple-free direct control with maximum efficiency is presented This method does not require pulse width modulation and needs proportional plus integral regulator with respective hysteresis current controlling technique and also permits the regulation of varying signals The validity and practical applications of the proposed sensorless three-phase BLDC motor drive scheme are verified through simulation results using Matlab/Simulink Platform Trang vi Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang MỤC LỤC Trang tựa Trang LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii MỤC LỤC CÁC HÌNH x MỤC LỤC CÁC BẢNG xii DANH MỤC KÍ HIỆU xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Nhiệm vụ đề tài 1.5 Giới hạn đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Hướng nghiên cứu Trang vii Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang 1.8 Nội dung luận văn CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ BLDC 2.1 Động BLDC 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Cấu trúc điển hình động BLDC 2.1.3 Sức điện động cảm ứng .9 2.1.4 Nguyên lý hoạt động động BLDC .12 2.2 Phương trình động hệ quy chiếu 18 2.2.1 Phương trình động hệ quy chiếu phase cố định .18 2.2.2 Vector không gian 20 2.2.3 Phương trình động hệ quy chiếu quay d-q 23 2.2.4 Mối quan hệ hệ trục tọa độ tĩnh hệ trục tọa độ quay .25 2.2.5 Mối quan hệ hệ trục tọa độ quay abc d-q 26 2.2.6 Phương trình sử dụng việc điều khiển 27 2.3 Giảm dao động mô men 28 CHƯƠNG 3: Mơ hình hóa phương pháp điều khiển 30 3.1 Điều khiển PID 30 3.2 Bộ chỉnh lưu ba pha: 31 3.2 Bộ nghịch lưu 32 3.2.1 Điều chế độ rộng xung 33 Trang viii Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang 3.2.2 Điều khiển trễ .34 3.3 Phương pháp điều khiển đề xuất .36 CHƯƠNG 4: kết Mô 39 4.1 Các trường hợp mô 39 4.1.1 Trường hợp 40 4.1.2 Trường hợp 41 4.1.3 Trường hợp .42 4.1.4 Trường hợp .43 4.1.5 Các kết mô 44 4.2 Nhận xét đánh giá 53 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 56 5.1 Các vấn đề thực luận văn: 56 5.2 Đề nghị hướng phát triển luận văn 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 59 Các thông số 59 Trang ix Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Phân loại máy điện quay Hình 2.1: a) Động DC cực thông thường b) cấu trúc chổi than Hình 2.2: Cấu tạo động BLDC a) Cấu trúc chung b) Mặt cắt ngang Hình 2.3 Kết cấu thực động BLDC Hình 2.4: Kết cấu BLDC thứ tự cấp điện pha Hình 2.5 Tín hiệu Hall, Sức điện động cảm ứng, dòng điện pha lý tưởng cuộn dây pha Hình 2.6: Sơ đồ tương đương động BLDC Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động BLDC với cuộn dây Stator Hình 2.12 Sự trùng pha sức điện động cảm ứng dịng điện Hình 2.13 Phần tử cảm biến Hall U¬r = (K¬hIB)/d nguyên lý hoạt động Hình 2.14 Trình tự thời điểm chuyển mạch dịng điện Hình 2.15 Vector khơng gian dịng stator Hình 2.16: Vector khơng gian dịng stator thành phần hệ quy chiếu tĩnh Hình 2.17: Vector khơng gian dòng stator thành phần hệ quy chiếu quay d-q Hình 2.18: Biến đổi từ miền phase sang hệ quy chiếu quay Hình 2.19: Mối quan hệ hệ quy chiếu αβ dq Trang x Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang Hình 3.1: Sơ đồ khối điều khiển PID Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển PID số Hình 3.3: Chỉnh lưu cầu ba pha: a) mạch cầu chỉnh lưu b) dạng sóng vận hành Hình 3.4: Tín hiệu so sánh PWM điện áp ngõ Hình 3.5: Tín hiệu so sánh điều khiển dịng trễ Hình 3.6: Dạng sóng ngõ với băng thơng thay đổi Hình 3.8: Hệ thống điều khiển vịng đơn cho động BLDC Hình 3.9: Hệ thống điều khiển vịng đơi cho động BLDC Hình 4.1: Mơ hình sử dụng trường hợp Hình 4.2: Mơ hình sử dụng trường hợp Hình 4.3: Đáp ứng tốc độ vịng điều khiển đơn Hình 4.4: Mơ hình sử dụng trường hợp Hình 4.5: Mơ hình sử dụng trường hợp Hình 4.6: Đáp ứng tốc độ vịng điều khiển đơi Hình 4.7: Đáp ứng tốc độ vịng điều khiển đơi đão chiều Hình 4.8: Điện áp ngõ vào điện áp dây ngõ (trường hợp 2) Hình 4.9: Dịng điện pha suất điện động EMF ngược pha a Hình 4.10: Tốc độ Mơ men BLDC Hình 4.11: Mơ men tải dịng điện Stator phóng lớn bốn trường hợp Trang xi Phương pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang MỤC LỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 So sánh loại động sử dụng xe chạy điện [6] Bảng 2.2: Thứ tự chuyển mạch khóa Bảng 3.8: So sánh hai phương pháp điều khiển Bảng 4.1: Các kết tính tốn dao động mơ men tải Bảng A.1: Các thơng số mơ Trang xii a) Khơng có Hysterisis, tốc độ khơng đổi, mơ men thay đổi b) Có Hysterisis, tốc độ khơng đổi, mơ men thay đổi Trang 46 c) Khơng có Hysterisis, tốc độ thay đổi d) Có Hysterisis, tốc độ thay đổi Hình 4.9: Dịng điện pha (hình trên) suất điện động EMF ngược (hình dưới) pha a Có thể thấy dạng sóng dịng điện suất điện động EMF có dạng hình thang theo tín hiệu điều khiển Các giá trị dao động theo thay đổi tốc độ tham chiếu Do có tải thời điểm t = 0.2s, giá trị dòng điện tăng vọt lên từ 5-10 lần giá trị Trang 47 ổn định mau chóng lại giá trịn ổn định Riêng trường hợp thứ 4, điện áp thay đổi chậm giới hạn tốc độ thay đổi dòng điện điều khiển Trường hợp ta khão sát tiếp tốc độ mô men động với yêu cầu là, giá trị mô men động phải lớn giá trị mô men tải động đạt tốc độ ổn định, tốc độ động phải đạt tốc độ đặt sai số cho phép (thông thường sai số mô men tổn hao không tải) a) Không có Hysterisis, tốc độ khơng đổi, mơ men thay đổi b) Có Hysterisis, tốc độ khơng đổi, mơ men thay đổi Trang 48 c) Khơng có Hysterisis, tốc độ thay đổi d) Có Hysterisis, tốc độ thay đổi Hình 4.10: Tốc độ (hình trên) Mơ men (hình dưới) BLDC Với vòng điều khiển đơn tốc độ, hệ thống nhạy cảm với thay đổi tốc độ tham chiếu tải ngõ vào động (tăng từ đến N.m2 thời điểm 0.2 s), việc quan sát dạng sóng mơ men động từ mơ phỏng, ta thấy gai nhọn tốc độ thay đổi (hình a, c), biên độ gai nhọn gần gấp lần biên độ đỉnh mô men trạng thái ổn định, gây hư ổ trục động Trang 49 thực tế tải ngõ vào tốc độ động thay đổi liên tục Trong đó, mơ men động trường hợp áp dụng điều khiển dòng trễ cho mang lại ổn định hệ thống điều khiển với thay đổi mô men tải tốc độ tham chiếu (hình b, d) Sau có kết mô trên, ta chọn lọc hai giá trị cần so sánh bốn trường hợp mơ mên tải dịng điện pha Phóng lớn kết mô theo biên độ (trục y) để khão sát phân tích dao động mơ men (torque ripple) dao động dòng diện pha (current ripple) quanh giá trị trung bình a) Khơng có Hysterisis, tốc độ khơng đổi, mơ men thay đổi Trang 50 b) Có Hysterisis, tốc độ khơng đổi, mơ men thay đổi c) Khơng có Hysterisis, tốc độ thay đổi Trang 51 Có Hysterisis, tốc độ thay đổi d) Hình 4.11: Mơ men tải (hình trên) dịng điện Stator (hình dưới) phóng lớn bốn trường hợp Qua kết mơ quan sát hình trên, thơng qua điều khiển dòng trễ hiệu thêm vào vòng điều khiển, gợn sóng mơ men động giảm đáng kể, mang lại chất lượng điều khiển tốt hơn, kết giảm gợn mơ men động dịng điện pha a stator tính tốn thể bảng sau đây: Bảng 4.1: Các kết tính tốn dao động mơ men tải Giá trị gợn sóng mơ men tải Khơng có điều khiển dịng trễ Dịng pha stator (Isa) Mơ men (Te) 12.64 % 65.11 % Trang 52 Có điều khiển dịng trễ 6.36 % 11.32 % Ta tiếp tục so sánh sóng hài dịng điện hai trường hợp có khơng có điều khiển dịng trễ, với tốc độ khơng đổi Lưu ý rằng, theo phương pháp điều khiển động BLDC với biên dạng từ trường hình thang, dòng điện stator mang biên dạng từ trường với cưa nhiều (sóng hài bậc cao việc đóng cắt IGBT ghây nên) Trong thực tế, để dịng điện ngõ khơng ghây ảnh hưởng đến chất lượng điện nguồn điện cung cấp cho nó, người ta thường sử dụng lọc sóng hài cho động BLDC loại Hình 4.12: Tổng méo dạng sóng hài THD dịng điện stator trường hợp khơng có điều khiển dịng trễ Trang 53 Hình 4.13: Tổng méo dạng sóng hài THD dịng điện stator trường hợp có điều khiển dịng trễ Qua kết THD so với sóng hài 50 Hz trên, ta dễ dàng nhận xét chưa qua lọc sóng hài để loại nhiễu hài dịng điện Phương pháp có sử dụng điều khiển dòng trễ cho chất lượng dòng điện stator tốt hơn, tạo hài dịng điện bậc cao khơng ghây áp lực lên lọc sóng hài cần thiết cho động Qua trì chất lượng điện tốt cho hệ thống 4.2 Nhận xét đánh giá - Hệ thống điều khiển BLDC với chi phí thấp đơn giản cho thực nghiệm với thêm vào cảm biến dòng kết hợp điều khiển dòng trễ điều khiển PI so sánh với điều khiển thông thường tối thiểu độ dao động mô men tải BLDC - Dịng điện pha xem biến ngõ vào giả sử dịng điện điều khiển tức xác (khơng tổn hao trễ cảm biến dịng) Trang 54 - Các kết mơ bắt nguồn từ đặc tính động BLDC chứng minh hiệu điều khiển Khi đó, dạng sóng dịng pha mơ tơ mơ men, …đều biên dạng (pre-shaped) thích hợp, mô men tạo với mô men yêu cầu Trang 55 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 5.1 Các vấn đề thực luận văn: - Mô điều khiển động BLDC với chi phi thấp mà thêm vào cảm biến dòng điều khiển PI so với hệ thống điều khiển BLDC thông thường - Nghiên cứu phương pháp điều khiển dòng trễ dành cho việc điều khiển động BLDC - Thực mô so sánh hai điều khiển xét đến thay đổi tải, đão chiều động thay đổi tốc độ để làm rõ hiệu điều khiển vịng đơi đề xuất - Với loại bỏ gợn sóng cấp tốc độ, mơ hình điều khiển đề xuất dễ dàng ứng dụng vào hệ thống servo mô tơ điều khiển tốc độ, bánh đà hay tàu vũ trụ… 5.2 Đề nghị hướng phát triển luận văn - Tích hợp điều khiển antiwindup vào điều khiển PID để chống tượng windup (hiện tượng vọt lố tốc độ phần điều khiển I điều khiển PI gây nên) - Ứng dụng phương pháp việc điều chỉnh tối ưu thông số điều khiển PID - Thực hệ thống hệ thực, dựa vào kết thực nghiệm để chứng minh cho kết mô Trang 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] José Carlos Gamazo - Real, Ernesto Vázquez -Sánchez and Jaime Gómez, Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends,– Gil In July-19-2010 [2] Padmaraja Yedamale - Brushless DC Motor Control Using PIC18FXX31 MCUs, Microchip Technology Inc In Jan -8 -2004 [3] Padmaraja Yedamale - Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc In Jul-28-2003 [4] Ward Brown - Brushless DC Motor Control Made Easy, Microchip Technology Inc 2002 [5] J E Muralidhar - Torque Ripple Minimization & Closed Loop Speed Control of BLDC Motor with Hysteresis Current Controller, International Conference on Devices, Circuits and Systems (ICDCS) [6] R Krishnan - Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives, CRC Press, 2010 [7] Chang-liang Xia- Permanent Magnet Brushless DC Motor Drives And Controls, John Wiley & Sons Singapore Pte Ltd., 2012 [8] Nguyễn Văn Nhờ, “ Điện tử công suất 1”, Nhà xuất đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2005 [9] Nguyễn Tấn Đức - Điều khiển vận tốc động DC không chổi quét (BLDC), luận văn thạc sỹ [10] Huỳnh Thanh Tuấn, Mô hệ thống điều khiển động BLDC, luận văn thạc sỹ [11] Liu, J H Sliding variable structure control for PM brushless DC motor Tianjin: Tianjin University Master Thesis, 2005 (in Chinese) Trang 57 [12] Sharkawi, M A., Samahy, A A., Sayed, M L (1994) High performance drive of DC brushless motors using neural network IEEE Transactions on Energy Conversion, 9(2), 317–322 [13] Lee, C K., Kwok, N M (1995) A variable structure controller with adaptive switching surfaces brushless DC motor Proceedings of the American Control Conference, USA, 1, 1033–1034 [14] Lu, N Sensorless control for BLDCM using an adaptive sliding mode observer Tianjin: Tianjin University Master Thesis, 2008 (in Chinese) [15] Tomita, M., Senjyu, T., Doki, S., et al (1998) New sensorless control for brushless DC motors using disturbance observers and adaptive velocity estimations IEEE Transactions on Industrial Electronics, 45(2), 274–282 Trang 58 PHỤ LỤC A Các thông số Bảng A.1: Các thơng số mơ Thơng số Tốc độ tham chiếu Dữ liệu (đơn vị) 1500 (rpm) Mô men đầy tải Thời gian mô Thời gian lấy mẫu (N.m) 0.3 (giây) (tốc độ không đổi) (giây) (tốc độ thay đổi) 5e-07 (giây) Kp * 0.002 Ki * 10 Thông số động cơ** Dữ liệu (đơn vị) Qn tính J 0.8e-03 (kg.m2) Dạng sóng Back-EMF Hình thang Số pha Điện trở cuộn stator 0.7 (Ω) Điện kháng stator 2.72e-3 (H) Từ thông cuộn dây 0.066 (Wb) Góc dẫn điện EMF 120 (o) Số cặp cực Hệ số ma sát nhớt 0.8e10-3 (N.m.s) Điện áp định mức Ud = 380 (V) * Các thông số PI dò theo phương pháp trial and error ** Các trạng thái ban đầu động (Wm, theta, ia, ib…) coi không Trang 59 S K L 0 ... pháp điều khiển động BLDC Phạm Công Trang khiển thích nghi phương pháp điều khiển nâng cao khác thực thi để điều khiển động BLDC [11-13] Mô hệ thống điều khiển động BLDC, luận văn thạc sỹ tác... thuyết điều khiển đại mang lại hiệu suất ổn định đặc tính động tốt sử dụng rộng rãi động BLDC Điều khiển Fuzzy, mạng Nơ ron, điều khiển cấu trúc biến, điều khiển bền vững, điều Trang Phương pháp điều. .. Phương pháp điều khiển đề xuất Trong nhiều ứng dụng điều khiển tự động nhà máy, điều khiển rơ bốt u cầu điều khiển xác tốc độ vị trí, hệ thống điều khiển tốc độ cho phép dễ dàng thiết lập điều chỉnh