Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ một chiều không chổi than BLDC

Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ một chiều không chổi than BLDC theo phương pháp tối ưu module và tối ưu đối xứng. Mô phỏng sử dụng Matlab simulink, lấy đặc tính tốc độ, dòng điện, mômen

BÁO CÁO ĐỒ ÁN II

Đề tài: Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển hai mạch vòng cho

động cơ một chiều không chổi than

Cao Ngọc Thắng ĐK-TĐH-1 K56

Ngày 12 tháng 1 năm 2015

Lời mở đầu

Thiết kế hệ thống điều khiển cho động cơ là vấn đề trọng tâm của ngành tự động hóa.Mỗi loại động cơ, tùy mục đích sử dụng lại có những phương pháp điều khiển khácnhau yêu cầu người kỹ sư phải có thiết kế linh hoạt Để có được bộ điều khiển chínhxác người kỹ sư cần hiểu rõ bản chất của động cơ cũng như phương pháp điều khiểnđộng cơ Đề tài này trình bày vấn đề: "Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển hai mạchvòng cho động cơ một chiều không chổi than BLDC"

Động cơ BLDC là động cơ có rất nhiều ưu điểm và được đưa vào sử dụng rộng rãitrong thực tế như: xe đạp điện, ô tô điện, xe lăn Động cơ BLDC với kết cấu đặc biệtcủa nó - rotor là nam châm vĩnh cửu đặc biệt là không cần hệ thống vành góp, chổithan đòi hỏi phương pháp điều khiển kết hợp sử dụng cảm biến vị trí - cảm biến Hallgắn trên stator của động cơ Bài báo cáo sẽ trình bày thiết kế bộ điều khiển dòng điện

và tốc độ dựa trên phương pháp tối ưu module và tối ưu đối xứng sau đó kết hợp với

bộ giải mã cảm biến Hall để điều khiển động cơ

Nội dung bài báo cáo gồm bốn phần:

Chương 1: Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than BLDC

Chương 2: Mô hình hóa động cơ BLDC theo phương pháp hàm truyền

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển hai mạch vòng cho động cơ BLDC

Chương 4: Mô phỏng sử dụng Matlab Simulink

Sau thời gian học tập và tìm hiểu, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Tạ CaoMinh, em đã hoàn thành đề tài của mình Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đếnthầy, người đã luôn nhiệt tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình học tập vàlàm bài

Tuy nhiên, trong quá trình làm bài khó có thể tránh khỏi sai sót, em mong nhậnđược sự đánh giá, nhận xét từ thầy giáo và các bạn để em có thể hoàn thiện bài làmcủa mình hơn nữa

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, Tháng 12, 2014

1

1 Mô hình hóa động cơ bằng phương pháp hàm truyền.

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

3 Mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink Lấy các đặc tính điều khiển (tốc

độ, dòng điện) vùng dưới tốc độ cơ bản

2

Mục lục

1 Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than 5

1.1 Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than 5

1.2 Cấu tạo động cơ BLDC 5

1.3 Nguyên lí điều khiển 6

1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ một chiều không chổi than 6

2 Mô hình hóa động cơ một chiều không chổi than bằng phương pháp hàm truyền 8 2.1 Sơ đồ nguyên lí 8

2.2 Phương trình 9

2.3 Mô hình động cơ BLDC 10

3 Thiết kế hệ điều khiển hai mạch vòng cho động cơ một chiều không chổi than 14 3.1 Thiết kế bộ điều khiển cho một pha 14

3.1.1 Vòng điều khiển dòng điện phần ứng 14

3.1.2 Vòng điều khiển tốc độ quay 17

3.2 Tổng hợp bộ điều khiển ba pha động cơ một chiều không chổi than 18

4.1 Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho một pha động cơ BLDC 21 4.2 Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho ba pha động cơ BLDC 22

3

Danh sách hình vẽ

1.1 Cấu tạo động cơ BLDC 5

2.1 Cấu trúc động cơ một chiều không chổi than 8

2.2 Đồ thị sức điện động và dòng điện 9

2.3 Mô hình động cơ BLDC 11

2.4 Tín hiệu Hall và sức điện động 12

2.5 Khối tạo sức điện động và tín hiệu Hall 12

2.6 Khối giải mã tín hiệu Hall 13

3.1 Mô hình một pha động cơ BLDC 15

3.2 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện 15

3.3 Cấu trúc đơn giản mạch vòng dòng điện 16

3.4 Cấu trúc đơn giản mạch vòng điều khiển tốc độ 17

3.5 Mô hình điều khiển ba pha động cơ BLDC 18

3.6 Khối đo lường và bộ điều khiển dòng điện, tốc độ 3 pha động cơ BLDC 19 3.7 Mô hình bộ biến đổi cấp nguồn cho động cơ BLDC 19

3.8 Mô hình động cơ BLDC 20

4.1 Đặc tính dòng điện và tốc độ 22

4.2 Đáp ứng dòng điện và tốc độ sau khi hiệu chỉnh bộ điều khiển tốc độ 22 4.3 Đáp ứng Momen, dòng điện và tốc độ động cơ BLDC 23

4.4 Dòng điện động cơ BLDC 23

4.5 Momen động cơ BLDC 24

4.6 Đáp ứng tốc độ động cơ BLDC 24

4

Chương 1

Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than

1.1 Tổng quan về động cơ một chiều không chổi than

Động cơ một chiểu không chổi than BLDC (Brushless DC Motor) là một dạng động

cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng nam châm vĩnh cửu gắn trên rotor

và dùng dòng điện một chiều ba pha cho dây quấn stator

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ có phầncảm là nam châm vĩnh cửu Dựa vào dạng sóng sức điện động stator của động cơ mà

1.2 Cấu tạo động cơ BLDC

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ BLDC

- Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kĩ thuật điện ghép cách điện với nhau) và dâyquấn Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây động cơ xoay chiều 3 pha

5

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

thông thường, sự khác biệt này tạo nên sức phản điện động dạng hình thang mà tathấy

- Rotor: Về cơ bản là không có gì khác so với các động cơ nam châm vĩnh cửu khác

- Cảm biến Hall: do đặc thù sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu hìnhđiều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí của từ trườngrotor so với các pha của cuộn dây stator Để làm được điều đó người ta dùng cảmbiến hiệu ứng Hall

1.3 Nguyên lí điều khiển

Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòngđiện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động haythay đổi chiều quay Động cơ BLDC được điều khiển bằng một bộ điều khiển tươngứng Bộ điều khiển này có cấu tạo giống như một bộ nghịch lưu ba pha thông thườngtuy nhiên dòng điện ra là dòng điện không đổi DC Tại một thời điểm hoạt động của

bộ điều khiển chỉ cho dòng điện DC chạy qua hai cuộn dây của hai pha tương ứngvới vị trí rotor lúc đó

1.4 Ưu, nhược điểm của động cơ một chiều không chổi

than

- Ưu điểm

Động cơ BLDC có các ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ

lệ momen/quán tính lớn, tỉ lệ công suất trên khối lượng cao Do được kích từ bằngnam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rotor, vì vậy hiệu suất động cơđược nâng cao

Động cơ BLDC không cần chổi than và vành trượt nên giảm ma sát trên trục động cơ

và không phải tốn chi phí bảo trì chổi than Ta cũng có thể thay đổi đặc tính cơ bằngcách thay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor.Một số đặc tính nổi bật của động cơ khi hoạt động:

• Mật độ từ thông khe hở không khí lớn

• Tỉ lệ công suất / khối lượng cao

• Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp (để đạtđược điều khiển vị trí một cách chính xác)

• Momen điều khiển được ở vị trí bằng không

• Vận hành tốc độ cao

• Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn

• Hiệu suất cao

• Kết cấu gọn

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

- Nhược điểm

Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được điều khiển bằng một bộđiều khiển với điện áp ngõ ra dạng xung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong

để xác định vị trí rotor Điều này làm tăng giá thành sản xuất động cơ

Nếu dùng các loại nam châm sắt từ chúng dễ từ hóa nhưng khả năng tích từ khôngcao dễ bị khử từ và đặc tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ

Hình 2.1: Cấu trúc động cơ một chiều không chổi than.

8

L,R - cảm kháng, điện trở của mỗi pha động cơ.

uan, ubn, ucn- điện áp pha a, pha b, pha c

ia, ib, ic- dòng điện chạy qua mỗi pha a,b,c

ea, eb, ec- sức điện động sinh ra tại mỗi pha a,b,c

Khi S1, S2 dẫn → pha a, pha c dẫn:

Với J - Momen quán tính của rotor; Kf - hằng số ma sát, Kf = 0

Sử dụng biến đổi Laplace:

Giá trị của cảm biến Hall được xác định qua [Bảng2.1]

Dựa vào "bảng 2.1" và "hình 2.4" ta xây dựng khối tạo tín hiệu Hall theo khối

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

Hình 2.4: Tín hiệu Hall và sức điện động

Hình 2.5: Khối tạo sức điện động và tín hiệu Hall

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

Hình 2.6: Khối giải mã tín hiệu Hall

Hiện nay để tổng hợp bộ điều khiển các phương pháp tính toán gần đúng được thựchiện nhiều Bài tập này sẽ sử dụng hai tiêu chuẩn tối ưu phổ biến đó là tiêu chuẩn tối

ưu module và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng cho việc thiết kế bộ điều khiển dòng điện vàtốc độ

3.1 Thiết kế bộ điều khiển cho một pha

Khi điều khiển động cơ, tham số cần quan tâm đầu tiên là dòng điện và tốc độ Điềukhiển tốc độ để đảm bảo tốc độ động cơ luôn bám theo giá trị đặt mong muốn Điềukhiển dòng điện của động cơ cũng chính là điều khiển mô men, đảm bảo động cơluôn cấp một lượng mô men ứng với yêu cầu của tải Tuy nhiên, sự phù hợp giữa mômen và tốc độ phải tuân theo đường đặc tính cơ của động cơ

3.1.1 Vòng điều khiển dòng điện phần ứng

1 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện

Mô hình một pha và cấu trúc bộ điều khiển dòng điện cho một pha động cơBLDC:

2 Mô hình hóa khối bộ biến đổi

Bộ biến đổi ở đây là bộ chuyển mạch dùng 6 van MOSFET mắc theo kiểu nghịchlưu nguồn áp, khâu phát xung là khâu PWM với tần số phát xung 10 kHz

Hàm truyền của khối bộ biến đổi có dạng:

Gbd = Kbd

14

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

Hình 3.1: Mô hình một pha động cơ BLDC

Hình 3.2: Cấu trúc bộ điều khiển dòng điệnTrong đó Kbd, Tbdđược xác định theo tài liệu [4] như sau:

Với fc- tần số chuyển mạch của bộ biến đổi

3 Khâu đo dòng điện - phản hồi dòng

Khâu đo dòng điện có thể chọn là khâu trễ với dạng hàm truyền như sau:

Gi = Ki

Với hệ sô khuếch đại:

Ki = Ucm3Idm

(3.5)

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

Hình 3.3: Cấu trúc đơn giản mạch vòng dòng điện

4 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện

Bỏ qua sự tác động của sức điện động trong thời gian ngắn Ta có thể đơn giảnmạch vòng điều khiển dòng điện:

Ta có hàm truyền đạt đối tượng:

Gik(s) = ia(s)

id(s) =

12Tbdis(Tbdis + 1) + 1 ≈ 1

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

3.1.2 Vòng điều khiển tốc độ quay

1 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ

Hình 3.4: Cấu trúc đơn giản mạch vòng điều khiển tốc độ

Đối với vòng điều khiển tốc độ quay, vòng điều chỉnh dòng điện trên là vòngđiều khiển vòng trong có thể gom lại thành một phần của đối tượng điều khiểncho vòng điều khiển tốc độ vòng ngoài

Hàm truyền đạt của vòng điều khiển dòng điện:

Gik(s) = ia(s)

id(s) =

12Tbdis(Tbdis + 1) + 1 ≈ 1

3.2 Tổng hợp bộ điều khiển ba pha động cơ một chiều

không chổi than

Sau khi thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho mô hình một pha của động cơBLDC ta thực hiện thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho cả ba pha động cơthông qua các phương trình điện, cơ đã có

1 Mô hình điều khiển động cơ BLDC

Hình 3.5: Mô hình điều khiển ba pha động cơ BLDC

Mô hình điều khiển động cơ BLDC gồm 3 khối: Khối đo và điều khiển, khối bộbiến đổi, khối động cơ BLDC Giá trị đặt tốc độ và momen sử dụng khâu tạo đápứng bước nhảy Step

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

2 Khối đo lường và điều khiển

Bộ điều khiển gồm bộ điều khiển dòng điện, tốc độ được tổng hợp ở trên kếthợp với bộ giải mã tín hiệu Hall để xác định pha dẫn Khâu đo dòng điện và tốc

độ là 2 khâu tỉ lệ quán tính có hệ số đã được xác định ở trên

Hình 3.6: Khối đo lường và bộ điều khiển dòng điện, tốc độ 3 pha động cơ BLDC

3 Khối bộ biến đổi

Khối bộ biến đổi gồm 6 van Mosfet/IGBT được mắc theo kiểu nghịch lưu nguồn

áp 3 pha, mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn Bộ biến đổi được điều khiển theophương pháp điều chế độ rộng xung Pwm

Hình 3.7: Mô hình bộ biến đổi cấp nguồn cho động cơ BLDC

4 Khối động cơ BLDC

Khối động cơ là mô hình động cơ BLDC được thiết kế, mô hình hóa ở chương 1

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

Hình 3.8: Mô hình động cơ BLDC

Chương 4

Mô phỏng sử dụng Matlab Simulink

4.1 Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho một

sử dụng bộ hạn chế dòng

• Hiệu chỉnh

Việc giá trị dòng khởi động vượt quá mức là do thông số Kp2, Ki2 của bộ điềukhiển tốc độ quá lớn khiến cho đáp ứng nhanh và lớn làm cho dòng điện tăngvọt Vì vậy ta sẽ giảm giá trị Kp, Ki của bộ điều khiển tốc độ

Sau nhiều lần thử nghiệm ta chọn: Kp2 = 3; Ki2= 100

- Kết quả mô phỏng sau khi hiệu chỉnh:

21

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

Hình 4.1: Đặc tính dòng điện và tốc độ

Hình 4.2: Đáp ứng dòng điện và tốc độ sau khi hiệu chỉnh bộ điều khiển tốc độ

4.2 Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện và tốc độ cho ba

pha động cơ BLDC

• Sơ đồ mô phỏng như "hình 3.5" Sau khi tiến hành mô phỏng với 1 pha, ta tiếnhành mô phỏng với 3 pha động cơ BLDC với bộ điều khiển đã được hiệu chỉnhnhư sau:

Kết luận

Sau quá trình nghiên cứu và học tập được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Ts

Tạ Cao Minh Em đã hoàn thành đề tài "Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển haimạch vòng cho động cơ một chiều không chổi than BLDC" và có được một số kếtquả như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về động cơ BLDC

- Đưa ra mô hình động cơ theo phương pháp hàm truyền

- Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện và tốc độ

- Mô phỏng mô hình và bộ điều khiển trên Simulink và đáp ứng được yêu cầu điềukhiển

Tuy nhiên, do đặc điểm của động cơ BLDC có sự chuyển mạch giữa các van gâynên hiện tượng nhấp nhô Momen mà bộ điều khiển hai mạch vòng không thể tácđộng được Đề xuất phương án sử dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như:Điều khiển trực tiếp momen, điều khiển giả vecto và thuật toán điều khiển: điềukhiển mờ, điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi nhằm khử nhấp nhô momen vànâng cao chất lượng của bộ điều khiển

25

Tài liệu tham khảo

1 Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi (1999), Điều chỉnh tự độngtruyền động điện, nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

2 Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động,nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

3 Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bảnKhoa học và Kỹ thuật

4 R Krishnan (2001), Electric Motor Drives - Modeling, Analysis, and Control

5 MATLAB A Fundamental Tool for Scientific Computing and Engineering tions - Volume - 14

Applica-26