Báo cáo khoa học: "Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ servo không đồng bộ ba pha" ppt

Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ servo không đồng bộ ba pha ths.. vũ xuân hùng Bộ môn Trang bị điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận

Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển hệ điều khiển

vị trí sử dụng động cơ servo không đồng bộ ba pha

ths vũ xuân hùng

Bộ môn Trang bị điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bμi báo nμy trình bμy kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá hệ điều khiển vị trí

servo - động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, vμ kết quả xây dựng giao diện giám sát

vμ điều khiển vị trí sử dụng Chip công nghệ PSoC vμ Visual Basic Giao diện nμy giúp cho việc vận hμnh đơn giản, thuận tiện, có thể sử dụng trong công nghiệp hoặc lμm mô hình thí nghiệm phục vụ cho công tác nghiên cứu vμ giảng dạy.

Summary: This paper presents the result of researches, analyses of the position control

system using servo three phases induction motor and building interface to supervise and control position using chip PSoC technology and Visual Basic The interface helps to operate the position system more easily and effectively It can be used on industry or as an experiment model for studying and training in the school

I Giới thiệu chung

Hiện nay hệ truyền động điện điều khiển vị trí được sử dụng nhiều trong công nghiệp và giao thông vận tải, các ứng dụng điển hình có thể kể ra như: truyền động tay máy, người máy; cơ cấu ăn dao và cắt gọt kim loại; quay chảo ăngten, kính viễn vọng; bộ điều chỉnh điện áp (OLTC) của máy biến áp phân phối; Cơ cấu dải dây trong máy CNC quấn dây; hệ thống điều chỉnh phun nhiên liệu trên ôtô, tầu hỏa v.v

CT 2

Các hệ điều truyền động điện điều khiển vị trí có thể lựa chọn phương án dùng động cơ bước, động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ ba pha v.v Tùy theo tải mà công suất

động cơ từ vài watt cho đến hàng trăm kW Việc lựa chọn phương án nào còn tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

Đối với hệ điều khiển vị trí dùng động cơ bước có giá thành rẻ, phần điều khiển đơn giản,

có thể không cần phản hồi, nhưng tốc độ chậm, sai số vị trị lớn và phụ thuộc vào cấu tạo động cơ bước

Với hệ servo sử dụng động cơ một chiều có độ chính xác cao nhưng có một nhược điểm lớn

đó là sinh ra tia lửa điện do tiếp xúc giữa chổi than và vành góp, gây nhiễu điện từ và làm giảm tuổi thọ, độ tin cậy của hệ truyền động điện Ngoài ra còn có hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor) tuy nhiên giá thành cao, chủ yếu dùng cho vùng công suất bé và trung bình

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của vi điều khiển, vi xử lý tín hiệu cho phép điều khiển

động cơ không đồng bộ với chất lượng điều khiển tốt, độ chính xác cao, dải điều chỉnh rộng, công suất lớn v.v Dẫn tới xu thế hiện nay là dần thay hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ một chiều bằng hệ sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc (ĐC KĐB) Hệ điều khiển

vị trí servo - ĐC KĐB ba pha thực chất là hệ biến tần - ĐC KĐB có thêm bộ điều chỉnh vị trí và

một cơ cấu khóa trục động cơ khi đứng yên, đảm bảo trục động cơ không bị trượt Thuật toán

điều khiển của hệ này phức tạp, đòi hỏi vi điều khiển phải tính toán nhanh, chính xác nên giá

thành cao Bù lại, ĐC KĐB làm việc tin cậy, chắc chắn ít phải bảo dưỡng và không có tia lửa

điện (so với hệ sử dụng động cơ một chiều)

Trong bài báo này chúng tôi sẽ giới thiệu, phân tích nguyên lý hệ điều khiển vị trí servo -

động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc; và kết quả xây dựng giao diện giám sát và điều

khiển vị trí sử dụng Chip công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) và Visual Basic

Giao diện này giúp cho việc vận hành đơn giản, thuận tiện, và có thể sử dụng trong công nghiệp

hoặc làm mô hình thí nghiệm phục vụ cho công tác nghiên cứu và giảng dạy

CT 2

II Các bộ phận cơ bản của

hệ Servo - ĐC KĐB

Hệ Servo - ĐC KĐB gồm có

hai phần chính: Động cơ chấp

hành Servo và phần điều khiển

Động cơ chấp hành Servo

gồm có: Động cơ không đồng bộ

ba pha rôto lồng sóc, phanh hãm

điện từ, và máy đo tốc độ

Encoder Động cơ servo là ĐC

KĐB rôto lồng sóc đầu trục có gắn

một bộ đo tốc độ Encoder Ngoài

bộ điều khiển, thì số xung phát ra

của Encoder trong một vòng ne

(xung/vòng) quay quyết định độ

chính xác của hệ điều khiển vị trí

Để đảm bảo trục động cơ và cơ cấu truyền động không được tự quay người ta gắn thêm một cơ

cấu vào trục để khóa trục động cơ khi không có tín hiệu điều khiển

Hình 1 Minh họa một hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ servo

Bộ điều khiển công suất (Power Amplifier, Servo Driver) gồm có các khối chức năng chính

sau: Bộ tạo nguồn một chiều, bộ nghịch lưu, bộ điều chế xung điều khiển nghịch lưu (theo

nguyên tắc điều chế độ rộng xung PWM hoặc điều chế vectơ không gian SVM), bộ tạo luật điều

khiển cho hệ biến tần - ĐC KĐB, và các khối chức năng hiển thị, truyền thông và bảo vệ

III Bộ điều khiển của động cơ Servo không đồng bộ ba pha

Thực chất đây là một hệ biến tần - ĐC KĐB có thêm bộ điều chỉnh vị trí, bộ điều khiển vị trí

có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu đặt cho bộ điều chỉnh tốc độ để đảm bảo vị trí thực sẽ bám theo vị trí

đặt (có thể là một giá trị cố định, hoặc theo một chương trình, hoặc vị trí ngẫu nhiên)

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý mạch vòng kín hệ điều khiển vị trí

Trong hệ biến tần, nghịch lưu sử dụng van có tần số đóng cắt lớn IGBT hoặc MOSFET, thường là IGBT; được điều khiển theo nguyên tắc điều chế độ rộng xung PWM hoặc điều chế vec tơ không gian SVM Hệ biến tần thường là hệ điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto, hệ này cho phép điều khiển nhanh, chính xác mô men quay của động cơ với dải điều chỉnh rộng

CT 2

Sơ đồ khối của hệ biến tần - ĐC KĐB:

Hình 4 Sơ đồ khối của hệ Biến tần - ĐC KĐB hiện đại Hình 3 Đặc tính tốc độ, mômen của động cơ servo [1]

1 Điều khiển nghịch lưu

CT 2

Để điều khiển nghịch lưu thường có hai nguyên lý sau [6, 7, 8, 9]:

a Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)

Hình 5 Nguyên lý tạo xung điều khiển PWM

nếu ta gọi Sk là biến trạng thái của khóa Tk thì khi Sk = 1 khóa đóng, Sk = 0 khóa mở Tại mỗi thời

điểm không kể khi chuyển mạch sẽ có 3 van ở ba pha mở như vậy sẽ có 23 = 8 vectơ điện áp

chuẩn Uk (k = 0,1, 7), trong đó hai vectơ U0 (0,0,0) và U7 (1,1,1) có môđun bằng 0; 6 vec tơ điện

áp còn lại sẽ chia không gian vectơ làm 6 vùng - gọi là 6 sector, hình 6a

2 Điều khiển vectơ cho hệ biến tần - Động cơ Servo

Để điều khiển hệ biến tần - động cơ không đồng bộ thường tuân theo luật U/fx, hoặc điều

khiển vectơ tựa theo từ thông rôto FOC, hoặc điều khiển trực tiếp mômen DTC [5] Trong đó hệ

điều khiển vectơ FOC có chất lượng điều khiển cao, dải điều chỉnh rộng, hệ thống làm việc tốt

ngay cả ở vùng tốc độ thấp nên được sử dụng trong hệ servo - động cơ không đồng bộ [1, 4, 9]

nh phần, hình 7: Thành phần thứ nhất là i có chiều trùng với vectơ từ thông rôto, thành phần này tỷ lệ với từ

thông rôto (ψr~ isd), nhờ có bộ sd được giữ không đổi

isd = cons

từ) Thành phần thứ hai là isq có ng rôto Do mômen quay tỷ lệ

với tích của từ thông và thành phần dòng isq ( M ~ ψr.isq ), mặt khác từ thông được giữ không đổi

Hình 6 Nguyên lý SVM a) Sáu vectơ điện áp chuẩn, b) Cách tạo một vectơ điện áp

có modul bất kỳ từ các vectơ chuẩn

b Nguyên lý điều chế vectơ không gian SVM (Space Vector Modulation)

g sơ đồ nghịch lưu IGBT, hình 4, mỗi khóa Tk (k = 1, 2, 6) có hai trạng thái 1

Véc tơ dòng điện stato trong hệ tọa độ từ thông rôto được tách ra làm hai thà

sd

điều chỉnh dòng điện mà thành phần i

t do đó từ thông rôto được giữ không đổi, isd được gọi là dòng tạo từ thông (dòng kích

chiều vuông góc với vectơ từ thô

α

U1

U2

U3

U4

U5 S5 U6

S6

S1

S2

β

β

S3

S4

Q2 Q1

Q4

Q3

a)

Ut

U2

U

U1

Up

S

α b)

CT 2

nên t

điều

cho động cơ không đồng bộ sẽ tương tự như điều khiển

động

cấu t

khiể

ộ quay 3.000 vòng/phút, tốc độ quay lớn lớn nhất 7.1 Nm

ch chuyển nhỏ nhất Δα = 0.0360 Có nút quay

xung, một xung vuông cấp cho đầu vào

chuẩn đoán sự cố

g trong hệ điều khiển

vị trí sử dụng động cơ servo không đồng bộ ba pha

hành phần dòng isq tỷ lệ với mômen, bằng cách chỉnh dòng isq ta sẽ điều chỉnh được mômen quay, dòng isq được gọi là dòng tạo mômen quay Như vậy

nếu thành công trong việc giữ isd = const và áp đặt

nhanh dòng isq để điều khiển mômen thì thuật toán điều

khiển vectơ (điều khiển định hướng từ trường rôto FOC)

cơ một chiều kích từ độc lập [4] Hình 8 là sơ đồ rúc hệ điều khiển vị trí với chiến lược điều khiển

vectơ tựa theo từ thông rôto

IV Xây dựng giao diện giám sát vμ điều

n cho hệ điều khiển vị trí Servo - ĐC KĐB, sử dụng vi điều khiển công nghệ PSoC

1 Giới thiệu bộ điều khiển vị trí servo - ĐC KĐB của h∙ng Omron

- Ký hiệu: SmartStep A - Series R7D-AP08H

- Động cơ servo ĐC KĐB công suất 750 W; Tốc đ nhất 4.500 vòng/phút; Mômen đầu ra 2.39 Nm, mômen

- Nguồn cấp: Điện áp xoay chiều một pha hoặc ba

- Encoder 10.000 xung/ vòng, độ phân dải góc dị

điều chỉnh ứng với 500; 1000; 5000; 10.000 xung/ vòng

- Bộ điều khiển Servo Driver được điều khiển theo

bộ điều khiển servo thì động cơ sẽ quay một góc Δα

- Truyền thông với bộ lập trình cầm tay theo chuẩn RS 422

- Chức năng bảo vệ quá áp, quá dòng, có khả năng

pha

Hình 7 Vectơ dòng điện, điện áp

trong hệ tọa độ từ thông rôto

Hình 8 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vectơ FOC dùn

Hình 9 Bộ điều khiển vị trí của hãng Omron [1]

2 Giao diện giám sát và điều khiển

CT 2

Sơ đồ khối:

PC

Đặt góc quay, chiều quay, đo góc thực

Hình 11 Mạch phần cứng của Card giám sát vμ

điều khiển vị trí sử dụng PSoC CY8C29466

Hình 10 Sơ đồ khối của hệ thống giám sát

vμ điều khiển vị trí

Sai

Đ

PSoC

Nhận góc đặt, chiều quay từ PC

Ra lênh:

Cho phép chạy, mở phanh, chọn chiều quay

Ra lênh:

Cấp xung điều khiển

Truyền góc lên máy tính để hiển thị

Góc thực < Góc

đặt

Đo góc thực trên trục

động cơ từ Encoder

Hình 12 Sơ đồ thuật toán

CT 2

quay, đặt góc quay, đo g

êm, không gi

Tài liệu tham khảo

[1] Tài liệu kỹ thuật về Smart Step A - Series R7D-AP08H và biến tần 3G3MV của hãng Omron

[2] Tài liệu kỹ thuật về PSoC của hãng CyPress

[3] Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh Giải pháp nâng cao hiệu quả và hiệu suất sử dụng hệ biến tần động cơ không đồng bộ Tạp chí Khoa học GTVT, 12/2006

[4] Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh Phương pháp tổng hợp và mô phỏng hệ Biến tần điều khiển vectơ - Nhận dạng hằng số thời gian rôto; Tạp chí Khoa học GTVT, 3/2005

[5] Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh, Hồ Mạnh Tiến Điều khiển trực tiếp từ thông stato và mô men của

động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng kỹ thuật điều chế vec tơ không gian; Tạp chí Khoa học GTVT, 11/2005

[6] Vũ Xuân Hùng Tính toán tổn thất năng lượng trong quá trình động của động cơ không đồng bộ khi

được cấp điện từ biến tần PWM, Tạp chí Khoa học GTVT, 11/2003

[7] Richard Valentine Motor Control Electronics Handbook, McGraw-Hill, 1998

[8] J Vithayathil Power Electronics - Principles & Applications, McGraw - Hill, 1996

[9] Ng Ph Quang, A Dittrich Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản KHKT, 2002♦

n máy tính có các chức năng: Đặt tốc độ và số bít truyền th

óc quay thực của trục Servo qua Encoder, hình 14

PSoC bằng phần mềm PSoC Designer, gồm hai bước: Lập trìn

ần cứng cho chip, hình 15 và lập trình phần mềm: trên cơ

ương trình tính toán, xử lý, vào ra dữ liệu, truyền và nhận thôn

ệ thống vận hành tốt, truyền dữ liệu và đo lường chính xác, độ

ật, mômen h∙m trục lớn

Hình 13.

PSoC vμ Servo Driver

Sơ đồ nối dây giữa Card Hình 14 G

điề iao diện giám sát vμ

u khiển vị trí