Nghiên cứu phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUỐC CHIẾN NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIẾU KHÔNG CHỔI THAN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN VĂN CHÍ THÁI NGUYÊN, 2015 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Quốc Chiến Sinh ngày 12 tháng 03 năm 1974 Học viên lớp cao học khoá 15 CH.TĐH 02 - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng cao đẳng nghề Công nghệ và Nông lâm Phú Thọ Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than” do thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10 năm 2014 Học viên Nguyễn Quốc Chiến ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “ Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than ” đã đƣợc hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hƣớng dẫn TS Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 10.năm 2014 Tác giả Nguyễn Quốc Chiến iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v LỜI NÓI ĐẦU 1 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1.1 Tổng quan về động cơ BLDC 5 1.2 Cấu trúc của động cơ BLDC 6 1.2.1 Cấu tạo stato của động cơ BLDC 6 1.2.2 Cấu tạo của Rotor của động cơ BLDC 7 1.2.3 Cảm biến xác định vị trí rôto 8 1.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC 8 1.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm của động cơ BLDC 10 1.3.1 Ƣu điểm 10 1.3.2 Nhƣợc điểm 10 1.4 Một số phƣơng pháp điều khiển động cơ BLDC 11 1.4.1 Phƣơng pháp điều khiển sử dụng cảm biến 11 1.4.2 Điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ BLDC không sử dụng cảm biến . 16 Chƣơng 2 MÔ HÌNH CỦA BLDC VÀ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP 2.1 Mô hình động cơ BLDC 24 2.2 Mô hình của bộ biến đổi điện áp cấp cho BLDC 29 2.3 Kết luận chƣơng 2 31 Chƣơng 3 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO BLDC KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN 3.1 Cấu trúc điều khiển BLDC không dùng cảm biến 32 3.2 Khối ƣớc lƣợng vị trí rotor và tính toán tốc độ quay 34 3.2.1 Ƣớc lƣợng back - EMF dây sử dụng bộ quan sát 34 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.2.2 Xác định hàm chuyển mạch 37 3.2.3 Ƣớc lƣợng tốc độ và vị trí của rotor 38 3.3 Bộ điều khiển dòng điện PWM 41 3.4 Bộ điều khiển tốc độ dùng PI 43 3.5 Kết quả mô phỏng 43 3.6 Kết luận chƣơng 3 48 Chƣơng 4 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CHO BLDC 4.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm BLDC 49 4.2 Cấu trúc của mô hình 52 4.3 Các thông số của mô hình thực nghiệm 53 4.4 Kết quả thực nghiệm 53 4.5 Kết luận chƣơng 4 55 Kết luận chung của luận văn 56 Tài liệu tham khảo 62 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BLDC Brushless DC Motor Động cơ một chiều không chổi than Back EMF Back Electromotive Force Sức phản điện động phần ứng PID Proportional- Intergral- Derivative – - PI Proportional Integral Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung DSP Digital signal processing Xử lý tín hiệu số ZCP Zero Crossing Point Các điểm chuyển tiếp qua giá trị 0 CP Commutation point Điểm chuyển mạch LPFs Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning Hệ thống gia nhiệt, thông gió và điều hòa không khí IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly MOSFEET Metal-Oxide Semiconductor Field- Effect Transistor Transistor hiệu ứng trƣờng Oxit Kim loại - Bán dẫn 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Động cơ một chiều không chổi than (The Brushless DC motor -BLDC) nhanh chóng phổ biến với sự áp dụng trong nhiều ngành khác nhau nhƣ tự động hóa các trang thiết bị điện trong công nghiệp, trong hàng không, trong y học, trong dân dụng, trong các phƣơng tiện vận tải v.v. Động cơ không chổi than dần dần sẽ thay thế động cơ một chiều sử dụng chổi than vì các ƣu điểm sau [10][11][12]: - Đặc tính tốc độ và mô men tốt hơn - Đáp ứng động học nhanh do quán tính nhỏ - Hiệu suất sử dụng cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu nên không có tổn hao đồng trên rôto - Tuổi thọ động cơ cao do không có chuyển mạch cơ khí - Động cơ chạy êm, tiếng ồn nhỏ - Không gây nhiễu khi hoạt động - Có thể điều chỉnh dải tốc độ rộng Để điều khiển động cơ BLDC có hai phƣơng pháp chính: phƣơng pháp dùng cảm biến vị trí và phƣơng pháp điều khiển không sử dụng cảm biến (sensorless control). a. Phƣơng pháp sử dụng cảm biến Cảm biến dùng để xác định vị trí của rotor để làm tín hiệu đóng ngắt dòng điện vào các cuộn dây tƣơng ứng. Cảm biến xác định vị trí có thể sử dụng là cảm biến Hall, cảm biến tốc độ từ trở biến thiên, gia tốc kế. Tín hiệu điều khiển đƣa tới các cuộn dây để điều khiển động cơ BLDC điện áp bằng cách [11] : + Điều chỉnh điện áp cấp cho các cuộn dây stator. + Điều khiển bằng phƣơng pháp PWM. + Kỹ thuật điện áp hình thang. b. Phƣơng pháp không sử dụng cảm biến Đây là phƣơng pháp sử dụng các ƣớc lƣợng từ thông rotor để điều khiển các khóa đóng cắt thay cho cảm biến Hall truyền thống. Do đó phƣơng pháp này đƣợc 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ gọi là phƣơng pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control). Cơ sở chính của điều khiển không cảm biến đối với động cơ BLDC là dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động cảm ứng trên các pha của động cơ. Tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ áp dụng đƣợc phƣơng pháp điện áp hình thang. Về cơ bản có hai kỹ thuật điều khiển không cảm biến: Một là xác định vị trí rotor dựa vào sức điện động của động cơ, phƣơng pháp này đơn giản, dễ dàng thực hiện và giá thành rẻ. Hai là ƣớc lƣợng vị trí dùng các thông số của động cơ, các giá trị điện áp và dòng điện trên động cơ. Phƣơng pháp này đòi hỏi phải tính toán phức tạp để tính toán các thông số. Phƣơng pháp này tính toán phức tạp, khó điều khiển, giá thành cao. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng vị trí rotor dựa vào thời điểm qua zero của sức điện động đòi hỏi chúng ta phải tạo ra một điểm trung tính để có thể đo và bắt điểm qua zero của sức điện động. Điểm trung tính có thể là trung tính hoặc trung tính ảo. Điểm trung tính ảo trên lý thuyết có cùng điện thế với trung tính thật của các cuộn dây đấu hình Y. Tuy nhiên điểm trung tính không phải là điểm cố định. Điện áp của điểm trung tính có thể thay đổi từ 0 đến gần điện áp DC của nguồn. Đặc biệt là lúc động cơ khởi động tín hiệu nhận đƣợc rất nhỏ dẫn đến điều khiển không chính xác. Do vậy phƣơng pháp này chỉ áp dụng trong phạm vi tốc độ hạn chế và có đặc tính khởi động nhỏ. Trƣớc đây đã có một số nghiên cứu công bố một số mô phỏng cho sự phân tích hoạt động của các động cơ BLDC không sử dụng bộ điều khiển, những đặc tính của chúng đƣợc so sánh với tín hiệu mẫu bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân [9]. Trong các sức điện động phản hồi có hình dạng là các chuỗi xung hình thang EMF là một hàm của vị trí rô to và hàm chuyển đổi đƣợc thông qua tín hiệu điện áp ra của bộ nghịch lƣu. Kết quả thu đƣợc là các thông số về điện áp và dòng điện của bộ nghịch lƣu. Vì vậy, nếu ta sử dụng bộ xử lý tín hiệu số sẽ rút ngắn thời gian tính toán và có thể trở thành một công cụ thiết kế hữu ích đối với sự phát triển của động cơ một chiều không chổi than BLDC. Các kết quả nghiên cứu trong nƣớc thể hiện ở trong các tài liệu [10],[11] mới chỉ dừng lại ở việc thiết kế bộ điều khiển PID, PI với 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ phƣơng pháp có sử dụng cảm biến. Các phƣơng pháp này mang lại chất lƣợng tốt trong dải tốc độ lớn cỡ 500 vòng/phút trở lên, tuy nhiên trong dải tốc độ chậm và rất chậm những phƣơng pháp này không mang lại chất lƣợng tốt. Với việc ứng dụng vi xử lý trong điều khiển BLDC cho phép chúng ta thực hiện giải pháp không dùng cảm biến nhằm giảm giá thành sản phẩm và khắc phục những khó khăn khi gắn cảm biến, đặc biệt là những động cơ BLDC nhỏ. Chính vì vậy việc nghiên cứu và thực hiện giải pháp điều khiển BLDC không sử dụng cảm biến mang tính cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung Luận văn này tập trung vào mục tiêu chính là thiết kế và thực thi bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than sử dụng phƣơng pháp không dùng cảm biến. Phƣơng pháp này sử dụng bộ quan sát để ƣớc lƣợng tốc độ quay và vị trí của rotor nhằm cung cấp cho các bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ, các bộ điều khiển này sử dụng vi xử lý (hoặc DSP- bộ xử lý tín hiệu số). Phƣơng pháp cần phải khắc phục hiện tƣợng xác định điểm qua không ở dải tốc độ thấp nhằm ƣớc lƣợng đƣợc vị trí của rotor một cách chính xác hơn, kết hợp thuật toán điều khiển tốc độ sử dụng luật điều khiển PI để điều chỉnh tốc độ với độ chính xác hơn trong cả dải tốc độ thấp và tốc độ cao. - Mục tiêu cụ thể Nghiên cứu mô hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp Thiết kế bộ quan sát để ƣớc lƣợng tốc độ và vị trí của rotor Thiết kế bộ điều khiển dòng PWM Thiết kế bộ điều khiển tốc độ Mô phỏng bằng Matlab/Simulink Xây dựng thực nghiệm 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Các kết quả đạt đƣợc trong luận văn: + Xây dựng đƣợc mô hình toán học của động cơ không chổi than. + Thiết kế đƣợc bộ quan sát để ƣớc lƣợng vị trí và tốc độ của động cơ thay cho cảm biến Hall, giải pháp ƣớc lƣợng vị trí và tốc độ quay chính xác ở tốc độ thấp. + Thiết kế đƣợc bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ quay dùng luật điều khiển PI + Xây dựng đƣợc mô hình thực nghiệm gồm động cơ một chiều không chổi than 2.5KW + Chạy thực nghiệm 3. Nội dung của luận văn Luận văn thực hiện các nội dung sau: a. Tìm hiểu về BLDC, nguyên lý làm việc và các phƣơng pháp điều khiển tốc độ cho BLDC, phân tích các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp b. Xây dựng mô hình toán của BLDC c. Thiết kế bộ quan sát để ƣớc lƣợng vị trí và tốc độ của động cơ d. Thiết kế đƣợc bộ điều khiển dòng PWM và bộ điều khiển tốc độ quay dùng luật điều khiển PI e. Xây dựng đƣợc mô hình thực nghiệm gồm động cơ một chiều không chổi than 2.5KW Từ nội dung luận văn nêu trên, luận văn gồm 04 chƣơng với bố cục nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về động cơ BLDC Chƣơng 2: Mô hình của BLDC và bộ biến đổi điện áp Chƣơng 3: Điều khiển tốc độ cho BLDC không dùng cảm biến Chƣơng 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển BLDC Phần cuối là kết luận chung của đề tài. [...]... ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Equation Chapter (Next) Section 1 1.1 Tổng quan về động cơ BLDC Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC Motor) là một dạng động cơ đồng bộ có kết cấu giống nhƣ động cơ một chiều, tuy nhiên động cơ BLDC kích từ bằng nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dây quấn phần ứng stator Điểm khác biệt về hoạt động của động cơ BLDC so với các động. .. việc điều khiển động cơ BLDC khó khăn hơn động cơ một chiều chổi than Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 11 1.4 Một số phƣơng pháp điều khiển động cơ BLDC Để điều khiển động cơ BLDC có hai phƣơng pháp chính: phƣơng pháp dùng cảm biến vị trí Hall (hoặc Encoder) và phƣơng pháp điều khiển không cảm biến (sensorless control) Trong đó ta có hai phƣơng pháp điều chế điện áp ra từ bộ điều. .. biến Hall để điều khiển động cơ Nam châm Rô to Cuộn dây Stato Các cảm biến Hall Hình 1-1 Một động cơ một chiều không chổi than có cảm biến Hall đặt bên trong động cơ Động cơ BLDC là một trong những loại động cơ đã đƣợc phổ biến nhanh chóng hơn động cơ một chiều chổi than, chủ yếu là do đặc điểm và hiệu suất của nó và ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, trong hàng không vũ trụ,... các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác là động cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến xác định vị trí rotor Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tƣơng ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor nhƣ vậy nên động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên... mong muốn Một động cơ BLDC hoạt động với một biến tần sáu bƣớc và cảm biến vị trí Hall thể hiện trong hình 1.7 Hình 1-7 Tín hiệu từ cảm biến Hall, Tín hiệu phản hồi EMF, Mô men quay đầu ra và các thời điểm tương ứng Một truyền động nhƣ vậy thƣờng có một vòng lặp dòng điện để điều chỉnh dòng điện stator và một vòng lặp tốc độ bên ngoài để điều khiển tốc độ Tốc độ của động cơ có thể đƣợc điều khiển nếu điện... mức độ độ an toàn của nó Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 1.2 Cấu trúc của động cơ BLDC Khác với động cơ một chiều truyền thống, động cơ BLDC sử dụng chuyển mạch điện tử thay cho kết cấu chổi than và cổ góp để chuyển mạch dòng điện cấp cho các cuộn dây phần ứng Có thể gọi đó là cơ cấu chuyển mạch tĩnh, nhƣ vậy về mặt kết cấu có thể thấy rằng động cơ BLDC và động cơ một chiều. .. của động cơ BLDC 1.3.1 Ƣu điểm Động cơ DC không chổi than BLDC có các ƣu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhƣ: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suất trên khối lƣợng cao Do máy đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắt trên rô to nên hiệu suất động cơ cao hơn Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trƣợt nên không tốn chi phí bảo trì chổi than, ... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 16 1.4.2 Điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ BLDC không sử dụng cảm biến Động cơ BLDC cung cấp một tín hiệu từ trƣờng cho điều khiển không cảm biến bởi vì bản chất kích từ của nó lấy thông tin vị trí rô to từ điện áp đầu cuối động cơ Trong kích từ của một động cơ BLDC ba pha, ngoại trừ giai đoạn chuyển mạch pha, chỉ có hai trong ba cuộn dây pha dẫn điện tại một thời điểm và pha không dẫn thì... động Có rất nhiều phƣơng pháp điều khiển không cảm biến Tuy nhiên, loại phổ biến nhất đƣợc dựa trên sức điện động hoặc các sức phản điện động Cảm biến sức phản điện động không phải của pha là phƣơng pháp có hiệu quả nhất nhận đƣợc từ trình tự chuyển mạch trong các động cơ dây quấn nối hình sao Khi sức phản điện động bằng không tại điểm dừng và tỷ lệ thuận với tốc độ, điện áp đo lƣờng tại đầu cuối động. .. Mômen điều khiển đƣợc ở vị trí bằng không + Vận hành ở tốc độ cao + Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn + Hiệu suất cao + Kết cấu gọn 1.3.2 Nhƣợc điểm Do động cơ đƣợc kích từ bằng nam châm vĩnh cửu với điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện áp đầu ra dạng xung vuông và cảm biến Hall đƣợc đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rô to nên tăng giá thành đầu tƣ khi sử dụng động cơ BLDC . để điều khiển động cơ. Hình 1-1 Một động cơ một chiều không chổi than có cảm biến Hall đặt bên trong động cơ Động cơ BLDC là một trong những loại động cơ đã đƣợc phổ biến nhanh chóng hơn động. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN Equation Chapter (Next) Section 1 1.1 Tổng quan về động cơ BLDC Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC Motor) là một dạng động cơ đồng bộ. QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN 1.1 Tổng quan về động cơ BLDC 5 1.2 Cấu trúc của động cơ BLDC 6 1.2.1 Cấu tạo stato của động cơ BLDC 6 1.2.2 Cấu tạo của Rotor của động cơ BLDC