Đồ án chuyên ngành: Tìm hiểu động cơ IPM

 Xây dựng cấu hình hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện, tốc độ  Mô phỏng hệ điều khiển trong SIMULINK... Trong những hệ thống điều khiển TĐĐ cần sự chính xác về vị trí cũngnhư tốc

ĐỀ BÀI ĐỒ ÁN

1 Tìm hiểu hệ truyền động servo

2 Cho thông số động cơ:

ψpm = 0.108 Wb

Yêu cầu :

 Mô hình hóa động cơ bằng phương pháp hàm truyền

 Xây dựng cấu hình hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện, tốc độ

 Mô phỏng hệ điều khiển trong SIMULINK

Mục lục

ĐỀ BÀI ĐỒ ÁN 1

Mục lục 2

Lời nói đầu 4

Chương 1: Tìm hiểu hệ truyền động servo 5

1.1.Giới thiệu động cơ Servo 5

1.2 Đặc điểm hệ truyền động servo 5

1.3 Sự khác biệt với động cơ thường 5

1.3.1 Tăng tốc độ đáp ứng 6

1.3.2 Tăng khả năng đáp ứng 6

1.3.3 Mở rộng vùng điều khiển 6

1.3.4 Khả năng ổn định tốc độ 6

1.3.5 Tăng khả năng chịu đựng của động cơ 7

1.4 Yêu cầu, đòi hỏi với hệ TĐ servo 7

1.5 Phân loại 7

1.6 Tìm hiểu về cấu tạo, đặc điểm AC servo 9

Chương 2: Mô hình hóa động cơ IPM 11

2.1 Cấu tạo và hoạt động của động cơ servo IPM 11

2.1.1.Cấu tạo 11

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của ĐBNCVC 12

2.2 Mô hình hóa động cơ IPM 12

2.2.1.Hệ phương trình cơ bản của động cơ 12

2.2.2 Nhận xét 13

Chương 3: Thiết kế mạch vòng điều khiển động cơ IPM 14

3.1 Cấu trúc hệ TĐ 14

3.2.Các mạch vòng điều khiển 14

3.2.1.Mạch vòng điều khiển dòng điện 14

3.2.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ 17

Chương 4: Kết quả mô phỏng 19

4.1 Mô phỏng mạch vòng điều khiển động cơ ĐB xoay chiều kích thích

NCVC dùng phần mềm Matlab-Symulink 19

4.1.1 Mạch điều khiển dòng điện 19

4.1.2 Mạch vòng điều khiển tốc độ 20

4.2.Mạch hoàn chỉnh 22

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

Lời nói đầu

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học côngnghệ, vi xử lý, công nghệ bán dẫn và kĩ thuật điều khiển đã tạo sự chuyểnbiến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hóa công nghiệp Nhiềuphương pháp điều khiển hiện đại được đề xuất cho việc điều khiển các hệtruyền động

Trong những hệ thống điều khiển TĐĐ cần sự chính xác về vị trí cũngnhư tốc độ ví dụ như điều khiển robot, cơ cấu nâng hạ, dây chuyền sản xuất,

… thì việc sử dụng hệ truyền động servo là phù hợp những yêu cầu này

Với những ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác cùng với việc sửdụng cấu trúc điều khiển hiện đại thì động cơ đồng bộ kích thích nam châmvĩnh cửu được sử dụng nhiều trong các hệ truyền động servo yêu cầu chínhxác về vị trí và tốc độ

Để đưa lý thuyết vào thực tế hiệu quả, nhằm giảm được giá thành cũngnhư nâng cao chất lượng điều khiển , chúng ta sử dụng công cụ mô phỏngMatlab Simulink Qua việc mô phỏng chúng ta thấy rõ được các vấn đề củathuật toán mà lý thuyết đề ra , thấy được bản chất vật lý các quá trình điện từxảy ra trong các kênh năng lượng và kênh điều khiển truyền động điện

Nội dung gồm các chương :

 Chương 1 : Tìm hiểu hệ truyền động servo

 Chương 2 : Mô hình hóa động cơ IPM

 Chương 3 : Thiết kế mạch vòng điểu khiển động cơ IPM

 Chương 4 : Kết quả mô phỏng

Trong quá trình làm đồ án, được sự giúp đỡ tận tình của thầy TS Nguyễn

Quang Địch đến nay em đã hoàn thành được môn đồ án chuyên ngành với

đầy đủ nội dung yêu cầu Tuy nhiên do khả năng kiến thức bản thân còn hạnchế, thời gian có hạn nên đồ án còn nhiều thiếu sót Rất mong sự giúp đỡ, chỉbảo tận tình của thầy giáo và các anh nhiều hơn để đồ án được hoàn thiệnhơn

Em xin chân thành cảm ơn !

SV: Nguyễn Văn Trực

Chương 1: Tìm hiểu hệ truyền động servo 1.1.Giới thiệu động cơ Servo.

Động cơ servo là những hệ hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơđược nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí đượchồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất cứ lí do nào ngăn cản chuyểnđộng của động cơ , cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận được tín hiệu ra chưa đạt được vịtrí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt đượcđiểm chính xác

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước , được sử dụng trongnhiều máy khác nhau , từ máy tiện điều khiển bằng tay cho tới các mô hìnhmáy bay và xe hơi Ứng dụng mới nhất của động cơ là trong các Robot

1.2 Đặc điểm hệ truyền động servo

 Dải công suất có giới hạn trên khoảng 30 kW Vì hệ TĐ không cầnđược thiết kế cho chế độ dài hạn

 Hệ có phạm vi điều chỉnh tốc độ tuyến tính rất rộng từ 1 đến 10000

 Khả năng quá tải momen quay cao (Mmax/Mb=4…10)

 Khả năng gia tốc lớn (d /dt|max=Mmax/Jges), vốn được coi là đặc điểmquan trọng của kết cấu trục chuyển động, dẫn đến đòi hỏi động cơ vàcác kết cấu đi kèm(hộp số, côn nối) cần phải có quán tính nhỏ

 Công suất động cơ tối đa lớn

 Hệ có độ bền dẻo nhất định có thể truyền lực và tạo mêmn do đó có tần

số cộng hưởng riêng lớn nên cần phải ngăn ngừa các momen xoắn

 Hệ có sự đồng đều của chuyển động

 Tích hợp động cơ điều khiển trực tiếp vào đối tượng truyền động

 Tích hợp khâu đo tốc độ quay và vị trí vào động cơ điều khiển (tiếtkiệm không gian và hạ giá thành)

1.3 Sự khác biệt với động cơ thường

Về kết cấu và hoạt động của động cơ servo về cơ bản là giống động cơthường Nhưng nó được thiết kế để đáp ứng độ chính xác cao ,tốc độ cao, tần

số cao kiểm soát tốc độ và vị trí của các phương tiện cơ khí

Không phải bất kì động cơ nào cũng có thể làm động cơ servo Động cơservo là động cơ hoạt động theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ Chính vìthế nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng phù hợp với nhu cầu điềukhiển Về cơ bản thì một servo motor và động cơ thường giống nhau về mặtnguyên lý và cấu tạo Tuy nhiên tùy theo nhu cầu điều khiển mà nó có một

điểm cải tiến riêng (dành cho một số mục đích đặc biệt) so với động cơthường Sau đây là một vài đặc trưng của động cơ servo.

là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính Để làm được điều

đó thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năngchống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu.các động cơservo thuộc loại này được thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và cókhả năng thu hẹp các vòng từ khe hở không khí

1.3.3 Mở rộng vùng điều khiển

Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độlớn hơn định mức rất nhiều Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặtlên nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quálớn so với điện áp định mức

Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặc biệt nhằm gia tăng điện ápchịu đựng hoặc khả năng bão hòa mạch từ trong động cơ Như vậy động cơservo thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrithoặc nam châm đất hiếm (care earth)

1.3.4 Khả năng ổn định tốc độ

Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho vận tốc quay nó rất

ổn định Thực tế cho thấy không có một mạch điện hoàn hảo, không có từtrường hoàn hảo nên với một động cơ quay 1500 rpm thì không phải lúc nào

nó cũng quay với tốc độ này mà nó chỉ dao động quanh tốc độ này Động cơservo khác với động cơ thường là ở chỗ ổn định tốc độ cao Các động cơ loạinày thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác(robot) Nó được thiết kế sao cho có thể gia tăng được dòng từ trong mạch từlên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ Các rãnh rotor được thiết kế vớihính dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố trí khá đặc biệt để có

1.3.5 Tăng khả năng chịu đựng của động cơ

Một số động cơ servo được thiết kế sao cho có thể chịu đựng được các tínhiệu điều khiển ở tần số rất cao và có khả năng chịu được những yêu cầu tăngtốc bất ngờ từ bộ điều khiển Những động cơ như thế này thường được cảitiến về mặt phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại được sư hao mòn

do ma sát trên ổ bi bạc đạn cung như trên chổi than( với DC motor)

1.4 Yêu cầu, đòi hỏi với hệ TĐ servo

Dải công suất có giới hạn trên khoảng 30kW Vì hệ TĐ không cần thiết kếcho chế độ dài hạn, mà thường chỉ vận hành ở chế độ ngắn hạn lặp lại với chu

kì đóng tương đối nhỏ (ED, tr), số liệu về công suất không còn ý nghĩa ưu tiênnữa

Quan trọng hơn là giá trị momen danh định mà hệ TĐ có thể tạo nên vàkhả năng quá tải momen ngắn hạn (Mmax/Mb), gắn liền với tốc độ quay Nmax

cũng như phạn vi ĐK tốc độ quay , bao gồm cả 2 chiều và tốc độ quay bằngkhông Đối với ĐK đặt vị trí hay đặt góc còn cần thêm cả số liệu về độ phân

giải của vị trí Hiện tại các thông số danh định sau có giá trị định hướng cho

hệ TĐ servo:

 Mômen quay danh định Mb tới 200Nm (có thể lên tới 500Nm)

 Quá tải momen quay Mmax/Mb: 3…10

 Giới hạn trên của tốc độ quay Nmax: 20.000 min-1

 Độ phân giải đo vị trí trục động cơ tối đa 4.600.000 bước ứng với0.00010

 Giới hạn dưới của tốc độ quay vẫn đảm bảo quay tròn đều 0.01 min-1

 Khả năng lặp lại của chuyển động thẳng phía sau hộp số 0.1 m

Xu hướng hiện tại là các hệ TĐ không cổ góp ít dùng bảo dưỡng, dử dụng

ĐC kích thích vĩnh cửu(PMSM) dưới dạng BL-DC( Brushless DC-motor)hoặc động cơ XC3P-ĐB kích thích ngoài Loại động cơ MC kích thích vĩnhcửu chỉ còn ưu thế về giá trong các hệ TĐ với momen quay nhỏ( <1 Nm)

1.5 Phân loại

Động cơ servo được phân lại thành các ĐC DC, AC và động cơ bước

 DC servo motor

 Động cơ servo DC có chổi than

 Động cơ servo DC không chổi than

 AC servo motor

 Động cơ servo đồng bộ

 Động cơ servo cảm ứng

 Stepping motor

Nét đặc trưng của mỗi động cơ servo:

Động cơbước Động cơ servoDC Servo ACđồng bộ Servo AC cảmứngCông

Không cầnbảo trì

Tốc độ cao

và momenlớn

Không cần bảo trìTốc độ cao vàmomen lớn

BềnNhược

điểm Tốc độ độngcơ thấp Khó sửa chửaSự tin cậy thấp

Đòi hỏi sự bảotrì

Giá thànhcao Hoạt động hiệuquả với mô hình

công suất trungbình

Mạch điều khiểnphức tạp

Giá thành caoHình sau so sánh các giá trị đặc trưng về mômen quán tính và khối lượng củamột số động cơ (theo [7]):

Hình 1 1 Đặc điểm của động cơ điều khiển phụ thuộc momen danh định

1.6 Tìm hiểu về cấu tạo, đặc điểm AC servo

Hình 1 2 Cấu tạo AC servo

Điểm nối bật trong cấu tạo của động cơ servo là tích hợp sẵn cơ cấufeedback bên trong động cơ Động cơ servo được điều khiển bằng chu trìnhvòng kín Từ tín hiều hồi tiếp vị trí/tốc độ bộ điều khiển tác động để điềukhiển tốt động cơ Vì vậy các sensor đo vị trí/ tốc độ được tích hợp trongđộng cơ

Hình 1 3 Stator của AC servo

Hình 1 4 Roto của AC servo

Hình 1 5 Encoder trong AC servo

Encoder thường có 3 kênh A,B,Z Trong hình trên ta có một cặp thu- phát pha

Z, mỗi khi động cơ quay được một vòng thì lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí cặp thuphát, hồng ngoại từ nguồn xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệuxuất hiện trên cảm biến Kênh A và B hoạt động như kênh Z nhưng trong mộtvòng quay của rotor có N ( độ phân giải) xung xuất hiện trên kênh A (B).Tùytheo chế độ điều khiển và độ chính xác cần điều khiển động cơ ta chọn động

cơ có độ phân giải N phù hợp Bằng việc phối hợp 2 kênh A,B ta cũng xácđịnh được chiều quay của động cơ

Chương 2: Mô hình hóa động cơ IPM

2.1 Cấu tạo và hoạt động của động cơ servo IPM

2.1.1.Cấu tạo

Động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ĐB NCVC) có roto làNCVC và dây quấn 3 pha ở stator Trong động cơ đồng bộ NCVC thườngkèm theo các cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ được sử dụng cho hệ truyềnđộng servo ĐBNCVC thường được cấp hoặc điều khiển từ một bộ biến tầnnguồn áp hoặc nguồn dòng với điều khiển tần số và điện áp theo quy luật yêucầu

Hình 2 1 Cấu tạo của động cơ đồng bộ NCVC cực từ bố trí mặt ngoài và cưc

chìm bên trong( SPM và IPM)

Động cơ IPM ( Interior Permanent Magnet), còn gọi là động cơ đồng bộnam châm vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động cơ đồng bộ ba pha kích từ namchâm vĩnh cửu Trong đó phần cảm được kích thích bằng những phiến namchâm bố trí dưới bề mặt rotor Các thanh nam châm thường được làm bằngđất hiếm, là các nam châm có suất năng lượng cao và giảm tối đa hiệu ứngkhử từ Rotor của động cơ IPM thường làm bằng thép hợp kim chất lượngcao, được rèn thành khối trụ sau đó gia cong phay rãnh để đặt các thanh namchâm Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơhọc bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc.Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạnghình trống với tỉ số “chiều dài/đường kính” lớn

Đối với cấu trúc nam châm vĩnh cửu chìm, máy không thể được coi làkhe hở không khí đều như động cơ nam châm cực lồi Trong trường hợp nàycác thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor về mặt vật lý coi làkhông có sự thay đổi nào của bề mặt hình học các nam châm Mỗi nam châmđược bọc bởi một mảng cực thép nên nó làm mạch từ của máy thay đổi khámạnh, vì do các mảng cực thép này tạo ra các đường dẫn sao cho từ thông cắtngang các cực này và cả trong không gian vuông góc với từ thông nam châm.

Do đó hiệu ứng cực lồi là rõ ràng và nó làm thay đổi cơ chế sản sinh momencủa máy điện

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của ĐBNCVC

ĐBNCVC làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộnstator và từ trường của NCVC đặt trên roto tạo nên Khi số đôi cực của từtrường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau, thìxuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực từ của stator và rotor và hình thànhmomen điện từ ĐC khởi động dưới tác dụng của momen không đồng bộ hìnhthành do sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator.Khi đạt tới tốc độ gần đồng bộ ,nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từNCVC, rotor được kéo vào đồng bộ

2.2 Mô hình hóa động cơ IPM

2.2.1.Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Theo [5] do luôn tồn tại hướng xác định của từ thông rotor ( từ thông cực)nên đối với ĐCĐB ta chỉ sử dụng phương thức mô tả toán học thu được trên

cơ sở các quan sát từ hệ tọa độ dq Với ĐC ĐB thì ωs cũng chính là ω Ta có

Laplace hệ phương trình (2) ta được:

Trong đó: Tsd=Lsd/Rs :hằng số thời gian trục d của mạch stator

Tsq=Lsq/Rs : hằng số thời gian trục q của mạch stator

Ta có phương trình momen:

Phương trình chuyển động:

Ta nhận thấy rằng momen quay của động cơ ĐB bao gồm 2 thành phần: thànhphần chính với tích và thành phần phản kháng do sự chênh lệch điệncảm stator (Lsd-Lsq) gây ra Từ đây ta có mô hình động cơ đồng bộ 3 pha kíchthích vĩnh cửu

Hình 2 2 Mô hình động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha nam châm vĩnh cửu 2.2.2 Nhận xét

 Mô hình phi tuyến do ω thay đổi trong quá trình làm việc

 Có sự xen kênh giữa 2 thành phần isd và isq

Chúng ta cần xây dựng bộ điều khiển để tách kênh khử sự tương tác giữa 2dòng điện trên

-Chương 3: Thiết kế mạch vòng điều khiển động cơ IPM

3.1 Cấu trúc hệ TĐ

Hình 3 1 Cấu trúc của hệ TĐĐXCBP điều khiển T 4 R trên hệ tọa độ dq

Nguyên lý điều khiển: khi điều khiển động cơ vùng dưới tốc độ cơ bản ta duy trì dòng Isd=0 vì có nam châm vĩnh cửu tạo từ thông Việc điều khiển dòng Isq cũng chính là điều khiển momen quay của động cơ

Tính toán bộ cảm biến dòng điện và tốc độ:

Isđm=8,66 A, chon dải đo bộ điều khiển là ±10V ta có:

3.2.Các mạch vòng điều khiển

3.2.1.Mạch vòng điều khiển dòng điện

Ta sử dụng mô hình động cơ đã xây dựng ở trên và bỏ qua thành phầnω.ψp( coi như là nhiễu) Ta có đối tượng mạch vòng điều khiển dòng điện nhưsau:

Hình 3.2 Đối tượng mạch vòng dòng điện động cơ ĐBNCVC

Với 2 đầu vào là udkd và udkq cùng hai đầu ra là Uisd, Uisq ta có ma trậnhàm truyền đối tượng điều khiển dòng là:

Sử dụng phương pháp tối ưu module, ta đặt ma trận hàm chuẩn là:

Trong đó I là ma trận đơn vị 2×2

Theo [3] bộ điều khiển được tính bằng công thức:

Từ đây ta có cấu trúc chi tiết mạch vòng điều chỉnh dòng:

Hình 3 3 Mạch vòng điều khiển dòng điện động cơ ĐBNCVC

Với thành phần bộ điều khiển như sau: