Nghiên ứu thiết kế hệ thống truyền động servo dùng động ơ không đồng bộ

Đề tài cũng tập trung vào việc xây dựng các bộ điều khiển servo cho hệ truyền độngđiều khiển vị trí, xây dựng hệ truyền động vị trí cho động cơ không đồng bộ ứng dụng phơng pháp điều kh

Vò V¡N TRäNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Văn Trọng N GÀNH ĐIỆN NGHI£N CøU THIÕT KÕ HƯ THèNG TRUN §éng servo dùng động không đồng KHóa: 2002-2004 LUN VĂN THẠ C SĨ NGÀNH Đ IỆN Hà Nội -2004 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131411691000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Văn Trọng NGHIÊN CứU THIếT Kế Hệ THốNG TRUYềN Động servo dùng động không đồng Chuyên ngnh: Tự động hoá LUN VN TH C SĨ NGÀNH ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NguyÔn văn Liễn H Ni, 2004 LI CM N hon thành Luận văn này, ngoµi nỗ lực bn thân, nhn c s giúp rt qúy b áu c a thy cô giáo B môn Tự động hóa XNCN - Trng HBK H Ni Tôi xin châ n thnh cm n s hng dn nhit tình ca thy giáo hng dn khoa hc: TS Nguyễn Văn Liễn - B môn Tự động hóa XNCN Xin ch©n thành cảm ơn Trung t©m Đào tạo & Bồi dưỡng sau Đại học - Trường ĐHBK Hà Ni, ban lÃnh đạo Công ty cán phòng Dự án - Công ty Kỹ thuật điện Vạn Việt đà tạo điều kiện cho hoàn thành luận văn Tác gi Lu n Vũ văn träng Mơc lơc Trang Trang phơ b×a Mơc lơc Danh mục ký hiệu chữ viết tắt T 12 T 12 Lời mở đầu T 12 T 12 Ch¬ng 1: tỉng quan vỊ đckđb không gian véc tơ T 12 T 12 1.1 Mô tả động không đồng T 12 T 12 1.1.1 Lịch sử đời động không đồng T 12 T 12 1.1.2 Nguyên lý hoạt động §CK§B xoay chiÒu ba pha T 12 T 12 1.1.3 ứng dụng, u điểm nhợc ®iĨm cđa §CK§B xoay chiỊu ba pha T 12 T 12 1.2 Mô hình toán học động không đồng xoay chiều ba pha 10 T 12 T 12 1.2.1 Các biểu thức điện áp 10 T 12 T 12 1.2.2 PhÐp chun ®ỉi tun tÝnh Park 11 T 12 T 12 1.2.3 Các phơng trình ma trận điện ¸p 12 T 12 T 12 1.3 Không gian véc tơ mô hình toán học ĐCKĐB không gian T 12 véc t¬ 13 T 12 1.3.1 VÐc t¬ không gian dòng điện 14 T 12 T 12 1.3.2 VÐc t¬ không gian từ thông móc vòng 16 T 12 T 12 1.3.3 VÐc t¬ không gian điện áp stator rotor 18 T 12 T 12 1.3.4 D¹ng véc tơ không gian biểu thức toán học mô tả động 19 T 12 T 12 1.4 Các biểu thức tính mô men điện từ 22 T 12 T 12 1.4.1 Biểu thức tính mô điện từ dựa sở cân lợng 23 T 12 T 12 1.4.2 H»ng sè m« men 23 T 12 T 12 Chơng : điều khiển tần số điều khiển véc tơ không T 12 gian động không ®ång bé 24 T 12 2.1 Các hệ truyền động biến tần bán dẫn động không đồng 24 T 12 Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 Nội T 12 Đại học Bách khoa Hà 2.1.1 HƯ trun ®éng ®iƯn tèc ®é thay ®ỉi 24 T 12 T 12 2.1.2 Hệ truyền động - động không đồng xoay chiÒu ba pha 26 T 12 T 12 2.1.3 Cuộc cách mạng hệ truyền động chất lỵng cao 26 T 12 T 12 2.2 Biến tần bán dẫn 28 T 12 T 12 2.2.1 Cấu trúc biến tần bán dẫn 28 T 12 T 12 2.2.2 Phơng pháp PWM thông thờng 30 T 12 T 12 2.2.3 Phơng pháp PWM điều chế véc tơ không gian 32 T 12 T 12 2.2.4 So s¸nh hai phơng pháp điều chế 35 T 12 T 12 2.3 Chiến lợc điều khiển động không đồng 35 T 12 T 12 2.3.1 §iỊu khiĨn theo luật điện áp/tần số (U/f) 35 T 12 T 12 2.3.2 §iỊu khiĨn tùa theo tõ trêng 38 T 12 T 12 2.3.3 NhËn xÐt chung 42 T 12 T 12 Chơng : phơng pháp điều khiển trùc tiÕp m« men 45 T 12 T 12 3.1 Điều khiển khiển trực tiếp mô men 45 T 12 T 12 3.1.1 Khái niệm điều khiển trực tiếp mô men 45 T 12 T 12 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp mô men 45 T 12 T 12 3.2.Điều khiển trực tiếp mô men theo bảng chọn 48 T 12 T 12 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý 48 T 12 T 12 3.2.2 Ước lợng từ thông stator mô men 49 T 12 T 12 3.2.3 Phơng pháp DTC sở (Classical DTC c_DTC) 52 T 12 T 12 3.2.4 Phơng pháp DTC cải tiến (modified DTC m_DTC) 54 T 12 T 12 3.2.4 Phơng pháp DTC víi b¶ng chän 12 sector (12_DTC) 55 T 12 T 12 3.2.5 Phơng pháp DTC với bảng chọn theo điểm làm việc 57 T 12 T 12 3.2.6 Phơng pháp DTC cải tiến sè (m2_DTC) 58 T 12 T 12 3.3 Nâng cao chất lợng điều khiển trùc tiÕp m« men 59 T 12 T 12 3.3.1 Phơng pháp dự báo 59 T 12 T 12 3.3.2 Phơng pháp áp dụng logic mờ 60 T 12 T 12 3.3.3 Điều chỉnh từ thông tối u 62 T 12 Cao häc Tù ®éng hãa – Khãa 2002 Néi T 12 Đại học Bách khoa Hà 3.4 Mô hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men 64 T 12 T 12 3.4.1 ChuÈn bị mô 64 T 12 T 12 3.4.2 Ước lợng từ thông mô men 65 T 12 T 12 3.4.3 §iỊu khiĨn trực tiếp mô men dùng cảm biến tốc độ 68 T 12 T 12 3.4.4 Đánh giá chung hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men 74 T 12 T 12 Ch¬ng : hƯ truyền động vị trí đckđb 76 T 12 T 12 4.1 Bé ®iỊu khiĨn chun ®éng - HƯ trun ®éng servo 76 T 12 T 12 4.1.1 Giíi thiƯu vỊ bé ®iỊu khiĨn servo 76 T 12 T 12 4.1.2 Ramp vÞ trÝ 77 T 12 T 12 4.1.3 Bé ®iỊu chØnh PID 79 T 12 T 12 4.1.4 Bé ®iỊu khiĨn servo 81 T 12 T 12 4.2 Hệ truyền động vị trí ứng dụng ®iỊu khiĨn trùc tiÕp m« men 83 T 12 T 12 4.2.1 Hệ truyền động vị trí động không đồng 83 T 12 T 12 4.2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động vị trí điều khiển trực tiếp mô men T 12 dùng động không đồng 84 T 12 4.3 øng dơng bé ®iỊu khiĨn vi xư lý tÝn hiệu số TMS230F240 điều khiển T 12 động xoay chiÒu ba pha 85 T 12 4.3.1 Giải pháp dùng điều khiển DSP điều khiển động 85 T 12 T 12 4.3.2 Bé ®iỊu khiĨn DSP - TMS320F240 86 T 12 T 12 4.3.3 KiÕn tróc cđa bé ®iỊu khiĨn DSP - TMS320F240 87 T 12 T 12 4.3.4 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động vị trí điều khiển mô men trực tiếp T 12 dùng DSP 89 T 12 4.4 M« pháng hệ thống truyền động vị trí 91 T 12 T 12 4.4.1 ChuÈn bị mô 91 T 12 T 12 4.4.2 KÕt qña ®iỊu khiĨn vÞ trÝ sư dơng ramp tun tÝnh 93 T 12 T 12 4.4.3 NhËn xÐt 97 T 12 T 12 KÕt luËn 98 T 12 T 12 Tµi liƯu tham kh¶o 99 T 12 T 12 Cao häc Tự động hóa Khóa 2002 Nội Đại học Bách khoa Hà Danh mục ký hiệu chữ viết tắt a : iri (t) : : ir Toán tử 1200 Dòng điện pha rotor Véc tơ dòng ®iƯn rotor biĨu diƠn hƯ täa ®é rotor i 'r : isi (t) : : is Véc tơ dòng ®iƯn rotor biĨu diƠn hƯ täa ®é stator Dßng điện pha stator Véc tơ dòng điện stator biểu diễn hệ tọa độ stator i 's Véc tơ dòng ®iƯn stator biĨu diƠn hƯ täa ®é rotor §iƯn cảm từ hóa ba pha Điện cảm ba pha rotor tổng Điện cảm tự cảm rotor Điện cảm móc vòng rotor Điện cảm tự cảm stator Điện cảm từ hóa rotor Điện cảm ba pha stator tổng Điện cảm tự cảm stator Điện cảm từ hóa stator Điện cảm móc vòng stator Điện cảm hỗ cảm dây quấn rotor Điện cảm hỗ cảm giữa dây quấn stator Giá trị điện cảm hỗ cảm cực đại stator rotor Toán tử vi phân Số đôi cực Điện trở rotor Điện trở stator Độ trợt Toán tử tích phân Mô men điện từ tức thời Phần trăm cđa m« men tøc thêi so víi m« men danh định : Thời gian lấy mẫu Điện áp pha rotor Véc tơ không gian điện áp rotor biểu diễn hƯ täa ®é rotor R R R R Lm Lr R R : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : R R Lr Lr1 R R Ls Lrm Ls R R R R Ls Lsm Ls1 R R R R Mr Ms M sr p P Rr Rs s 1/s te tpc Ts = T z uri (t) : : ur R R R R R R R R R R R R R R u 'r P P : usi(t) : : us VÐc t¬ không gian điện áp rotor biểu diễn hệ tọa độ stator Điện áp pha stator Véc tơ không gian điện áp stator biểu diễn hệ tọa độ stator u 's Véc tơ không gian điện áp stator biểu diễn hệ tọa độ rotor R R : Cao học Tự động hóa Khóa 2002 Nội Đại học Bách khoa Hà m : Tốc độ góc rotor Phần trăm tốc độ tức thời so với tốc độ danh định pc : r : Tần số góc điện rotor : Tần số góc điện stator s : Góc pha véc tơ không gian từ thông móc vòng rotor so víi trơc ρr thùc (n»m ngang) cđa hƯ tọa độ gắn với stator : Góc pha véc tơ không gian từ thông móc vòng stator so với trục s thực (nằm ngang) hệ tọa độ gắn víi stator : Gãc gi÷a rotor so víi stator θm θr : Gãc ®iƯn rotor : Gãc ®iƯn stator θs ri (t) : Từ thông móc vòng dây quấn rotor : Véc tơ không gian từ thông móc vòng rotor biểu diễn hệ tọa độ r rotor 'r : Véc tơ không gian móc vòng từ thông rotor biểu diễn hệ tọa độ stator Từ thông móc vòng dây quấn stator si (t) : : Véc tơ không gian từ thông móc vòng stator biểu diễn hệ tọa s độ stator : Véc tơ không gian móc vòng từ thông stator biểu diễn hệ tọa 's độ rotor / : Các trục tọa ®é cđa hƯ täa ®é g¾n víi rotor D/Q : Các trục tọa độ hệ tọa độ gắn với stator g : Hệ tọa độ tổng quát x/y : Các trục tọa độ hệ tọa độ tổng quát m : Tõ hãa r : Rotor s : Stator ra, rb, rc : C¸c pha rotor sA, sB, sC : Các pha stator ĐCKĐB : Động không đồng bé xoay chiÒu ba pha R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R Cao häc Tù động hóa Khóa 2002 Nội Đại học Bách khoa Hà Lời mở đầu Do u điểm hệ truyền động servo nh khả gia tốc tăng tốc, giảm tốc nhanh, tốc độ lớn, điều khiển xác vị trí Các hệ truyền động servo đà đợc sư dơng rÊt nhiỊu thùc tÕ nh ngµnh sản xuất thiết bị điện tử; dây chuyền lắp ráp, sản xuất sản phẩm cần tối u thời gian chuyển động xác vị trí; robot, tay máy công nghiệp; thiết bị điện tử dân dụng, v.v Các động điện đợc sử dụng hệ truyền động thờng động servo công suất nhỏ, bao gồm loại động servo chiều loại động servo xoay chiều Trong loại động servo chiều đợc sử dụng nhiều ngành công nghiệp u điểm công suất khả điều khiển Còn động servo xoay chiều đợc sử dụng nhiều thiết bị điện tử dân dụng u điểm kích thớc, không gây nhiễu điện tử khả tốc độ cao Tuy nhiên yêu cầu sản xuất công nghiệp đời sống mà hệ truyền động servo tiếp tục đợc nghiên cứu để nâng cao chất lợng, khả ứng dụng với động servo có công suất lớn hệ truyền động đơn giản Các hệ truyền động xoay chiều đà hoàn thiện, với trợ giúp phát triển thiết bị điện tử, vi xử lý mạnh u điểm động xoay chiều Nên hớng nghiên cứu xây dựng hệ truyền động servo cho động xoay chiều động servo truyền thống đợc quan tâm nhằm thỏa mÃn yêu cầu trên, có động không đồng xoay chiều ba pha Chính lý mà luận văn tốt nghiệp đà chọn đề tài có tên Nghiên cứu, thiết kế hệ truyền động servo dùng động không đồng để nghiên cứu Nội dung luận văn nhằm đạt đợc vấn đề hệ thống lại so sánh hệ truyền động điều khiển tần số véc tơ động không đồng nh hệ thống truyền động điều khiển theo luật điện áp/tần số, điều khiển tựa theo từ thông rotor điều khiển trực tiếp mô men Đề tài tập trung vào hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men cho chất lợng servo; xây dựng, mô phỏng, so sánh Cao học Tự động hóa Khóa 2002 Nội Đại học Bách khoa Hà đánh giá số phơng pháp điều khiển trực tiếp mô men với với hệ truyền động tiên tiến khác Đề tài tập trung vào việc xây dựng điều khiển servo cho hệ truyền động điều khiển vị trí, xây dựng hệ truyền động vị trí cho động không đồng ứng dụng phơng pháp điều khiển trực tiếp mô men giải pháp ứng dụng điều khiển xử lý tín hiệu số Do lực ngời làm đề tài thời gian có hạn nên mong muốn đề tài kết qủa nghiên cứu lý thuyết Các kết qủa đó, với đầu t thời gian, phơng tiện kỹ thuật hỗ trợ khác sở để phát triển tiếp đề tài; đa đề tài vào thử nghiệm ứng dụng thực tế sau Tác giả luận văn Vũ Văn Trọng Cao học Tự động hóa Khóa 2002 Nội Đại học Bách khoa Hà