Đồ án chuyên ngành: Tìm hiểu động cơ IPM

Đồ Án Chuyên Ngành ĐH Bách Khoa HN ĐỀ BÀI ĐỒ ÁN 1. Tìm hiểu hệ truyền động servo 2. Cho thông số động cơ: U đm =50V I dm =8.66A n=1200 rpm Rs=0.57 Ω L sd =8.7 mH L sq =22.8 mH J=0.0004 kg.m 2 ψ pm = 0.108 Wb SV: Nguyễn Văn Trực_20102412 1 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 Lời nói đầu Những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, vi xử lý, công nghệ bán dẫn và kĩ thuật điều khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hóa công nghiệp. Nhiều phương pháp điều khiển hiện đại được đề xuất cho việc điều khiển các hệ truyền động. Trong những hệ thống điều khiển TĐĐ cần sự chính xác về vị trí cũng như 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 sử dụng cấu trúc điều khiển hiện đại thì động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được sử dụng nhiều trong các hệ truyền động servo yêu cầu chính xác về vị trí và tốc độ. Để đưa lý thuyết vào thực tế hiệu quả, nhằm giảm được giá thành cũng như nâng cao chất lượng điều khiển , chúng ta sử dụng công cụ mô phỏng Matlab Simulink. Qua việc mô phỏng chúng ta thấy rõ được các vấn đề của thuật toán mà lý thuyết đề ra , thấy được bản chất vật lý các quá trình điện từ xảy 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 hạn chế, thời gian có hạn nên đồ án còn nhiều thiếu sót. Rất mong sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáo và các anh nhiều hơn để đồ án được hoàn thiện hơn. 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 cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất cứ lí do nào ngăn cản chuyển động của động cơ , cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận được tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước , được sử dụng trong nhiều máy khác nhau , từ máy tiện điều khiển bằng tay cho tới các mô hình máy 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 cần được 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 (M max /M b =4…10) • Khả năng gia tốc lớn (d ω /dt| max =M max /J ges ), vốn được coi là đặc điểm quan trọng của kết cấu trục chuyển động, dẫn đến đòi hỏi động cơ và các 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 (tiết kiệm 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 cơ thường. 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 cơ servo là động cơ hoạt động theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ. Chính vì thế nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng phù hợp với nhu cầu điều khiển. Về cơ bản thì một servo motor và động cơ thường giống nhau về mặt nguyên 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 cơ thường. Sau đây là một vài đặc trưng của động cơ servo. 1.3.1. Tăng tốc độ đáp ứng Các động cơ thường muốn chuyển từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần một khoảng thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều khiển , đòi hỏi động cơ phải tăng /giảm tốc nhanh chóng để đạt được một số mong muốn trong thời gian ngắn nhất , hoặc đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất. 1.3.2. Tăng khả năng đáp ứng. Đáp ứng ở đây được hiểu là sự tăng giảm tốc cần phải “mềm” nghĩa là gia tốc là hằng số hoặc gần như là hằng số. Một số động cơ như thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức 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 năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu.các động cơ servo thuộc loại này được thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong mạch và có khả 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 độ lớn hơn định mức rất nhiều. Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so với điện áp định mức. Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặc biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc khả năng bão hòa mạch từ trong động cơ. Như vậy động cơ servo thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit hoặc 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 từ trường 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 cơ servo khác với động cơ thường là ở chỗ ổn định tốc độ cao. Các động cơ loại này 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 từ lên khá cao và gia tăng từ tính của cực từ. Các rãnh rotor được thiết kế với hính dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố trí khá đặc biệt để có thể đáp ứng yêu cầu này. 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 tín hiệu điều khiển ở tần số rất cao và có khả năng chịu được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộ điều khiển. Những động cơ như thế này thường được cải tiến 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 kế cho chế độ dài hạn, mà thường chỉ vận hành ở chế độ ngắn hạn lặp lại với chu kì đóng tương đối nhỏ (ED, t r ), số liệu về công suất không còn ý nghĩa ưu tiên nữa. Quan trọng hơn là giá trị momen danh định mà hệ TĐ có thể tạo nên và khả năng quá tải momen ngắn hạn (M max /M b ), gắn liền với tốc độ quay N max cũng như phạn vi ĐK tốc độ quay , bao gồm cả 2 chiều và tốc độ quay bằng không. 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 M b tới 200Nm (có thể lên tới 500Nm) • Quá tải momen quay M max /M b : 3…10 • Giới hạn trên của tốc độ quay N max : 20.000 min -1 • Độ phân giải đo vị trí trục động cơ tối đa 4.600.000 bước ứng với 0.0001 0 • 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 µ 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 vĩnh cửu 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 cơ bước Động cơ servo DC Servo AC đồng bộ Servo AC cảm ứng Công suất (W) < 100W <500 W 100W÷2 kW ≥2kW Ưu điểm Nhỏ gọn Giá rẻ Kích thước nhỏ Momen lớn Dễ điều khiển Giá rẻ Không cần bảo trì. Tốc độ cao và momen lớn Không cần bảo trì Tốc độ cao và momen lớn Bền Nhược điểm Tốc độ động cơ thấp Khó sửa chửa Sự tin cậy thấp Đòi hỏi sự bảo trì Giá thành cao Hoạt động hiệu quả với mô hình công suất trung bình Mạch điều khiển phức tạp Giá thành cao Hình sau so sánh các giá trị đặc trưng về mômen quán tính và khối lượng của một 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 cấu feedback bên trong động cơ. Động cơ servo được điều khiển bằng chu trình vòng kín. Từ tín hiều hồi tiếp vị trí/tốc độ bộ điều khiển tác động để điều khiển tốt động cơ. Vì vậy các sensor đo vị trí/ tốc độ được tích hợp trong động 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 thu phát, hồng ngoại từ nguồn xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Kênh A và B hoạt động như kênh Z nhưng trong một vòng quay của rotor có N ( độ phân giải) xung xuất hiện trên kênh A (B).Tùy theo 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 xác định được chiều quay của động cơ. [...]... Sau một thời gian nghiên cứu , tìm hiểu, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy TS Nguyễn Quang Địch em đã hoàn thành xong ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH với đề tài “ Hệ truyền động servo dùng động cơ đồng bộ IPM ’’ với các yêu cầu đặt ra của đề tài:      Tìm hiểu sơ bộ hệ truyền động servo Tìm hiểu về động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha kích thích nam chân vĩnh cửu Mô hình hóa động cơ IPM bằng phương pháp hàm truyền...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 là NCVC và dây quấn 3 pha ở stator Trong động cơ đồng bộ NCVC thường kèm theo các cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ được sử dụng cho hệ truyền động servo ĐBNCVC thường được cấp hoặc điều khiển từ một bộ biến... tần nguồn áp hoặc nguồn dòng với điều khiển tần số và điện áp theo quy luật yêu cầu 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 bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu Trong đó phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố... isd isq ( Lsd − Lsq ) 2 2 mM − mC = J dω pc dt Phương trình chuyển động: Ta nhận thấy rằng momen quay của động cơ ĐB bao gồm 2 thành phần: thành ψ p isq phần chính với tích và thành phần phản kháng do sự chênh lệch điện cảm stator (Lsd-Lsq) gây ra Từ đây ta có mô hình động cơ đồng bộ 3 pha kích thích 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... không đồng bộ hình thành 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 từ NCVC, 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... xét: mới đầu khi khởi động cơ, tốc độ động cơ tăng lên, lúc này dòng điện Isq tăng lên với giá trị vượt qua giá trị danh định rất nhiều lần, để đảm bảo động cơ vận hành an toàn, ta giới hạn dòng cho phép động cơ là 1,3 I đm Sau đó tốc độ bám sát theo giá trị đặt tốc độ còn dòng điện khi chưa có tải thì dòng Isq về 0 Tại thời điểm 4s đóng tải với M c=Mđm=1,4 Nm ta thấy dòng Isq dao động và về bằng giá... 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 T4R 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,... SIMULINK với 2 bộ điều khiển dòng và tốc độ tìm được Sau khi hoàn thành xong em thấy đây là một đề tài hay, có ứng dụng rộng trong thực tế Đồ án giúp em nắm vững kiến thức về lĩnh vực điện tử công suất truyền động điện cũng như lý thuyết điều khiển tự động và có thêm nhiều hiểu biết trong thực tế công việc sau này Tuy nhiên , với kiến thức còn hạn chế nên đồ án còn nhiều thiếu sót Với điều kiện cho phép... học kĩ thuật 2005 [2] Bùi Quốc Khánh & Nguyễn Văn Liễn , Cơ sở Truyền động điện ,NXB khoa học và kỹ thuật 1994 [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải & Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện , NXB khoa học kỹ thuật 2008 [4] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính,NXB khoa học kỹ thuật [5] Nguyễn Phùng Quang, Điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB... toán cụ thể hơn, xây dựng lại mô hình điều khiển khi có ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống Điểu khiển động cơ ở vùng trên tốc độ cơ bản Áp dụng một phương pháp tiên tiến (advanced method) để cải thiện chất lượng hệ thống khi có tải Mô phỏng và đánh giá kết quả (so sánh với phương pháp điều khiển truyền thống) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động, . 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. 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 cơ servo là động cơ hoạt động theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ Đồ Án Chuyên Ngành ĐH Bách Khoa HN ĐỀ BÀI ĐỒ ÁN 1. Tìm hiểu hệ truyền động servo 2. Cho thông số động cơ: U đm =50V I dm =8.66A n=1200 rpm Rs=0.57