NGHIÊN cứu PHÁT TRIỂN hệ THỐNG điều KHIỂN tốc độ ĐỘNG cơ XOAY CHIỀU BA PHA sử DỤNG GIẢI PHÁP INSTASPIN

TRẦN THỊ NINHNGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA SỬ DỤNG GIẢI PHÁP INSTASPIN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM T

TRẦN THỊ NINH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA SỬ DỤNG GIẢI PHÁP INSTASPIN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Mai Hương

Phản biện 1: TS Đỗ Trung Hải

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào hồi 07h00 ngày 14 tháng 9 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ mộtchiều: hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành chế tạo và chiphí vận hành thấp Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến với đa thông sốnên điều khiển động cơ không đồng bộ là rất khó khăn.

Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹthuật bán dẫn công suất lớn, nhiều phương pháp điều khiển hiệu quả

đã được đề xuất cho điều khiển động cơ không đồng bộ Vì lý donày, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong hệ thốngđiều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần cho động cơmột chiều

Gói giải pháp InstaSpin là các thuật toán và phần mềm sửdụng cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều (biếntần) trên nền tảng các vi điều khiển sản xuất gần đây Các phần mềmnói trên được tích hợp ngay bên trong của vi điều khiển nên sẽ rất dễdàng trong việc phát triển ứng dụng

Bộ DRV8312-69M là một thiết bị dựa trên công nghệ củahãng InstaSpin để điều khiển đánh giá động cơ Bằng cách sử dụngcông nghệ mới InstaSpin, DRV8312-69M cho phép nhận dạng nhanhchóng, tự động điều chỉnh và điều khiển động cơ theo yêu cầu côngnghệ Cùng với công nghệ InstaSpin, DRV8312-69M cung cấp một

hệ thống làm việc với hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng Ngoài ra,khi sử dụng thiết bị này trong sơ đồ mạch, động cơ được nối trực tiếpvới DRV8312-69M mà không cần phải qua các thiết bị hỗ trợ khác

Vì vậy với yêu cầu cấp thiết trên, tôi xây dựng đề tài nghiêncứu khoa học:

“Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin.”

Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu chính là thiết kế được bộ điều khiển tốc độ động cơxoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin Qua đó nghiên cứu

về các bộ điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều, ưu nhược điểm củatừng bộ điều khiển Mục tiêu cụ thể như sau:

- Phân tích các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều

- Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

sử dụng giải pháp InstaSpin

- Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lượng thực của

hệ thống nhằm tiếp tục phát triển, hoàn thiện và hiện thực hóa

đề tài

Nội dung luận văn:

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương1: Tổng quan về các bộ điều chỉnh tốc độ động cơ xoaychiều ba pha

Chương 2: Mô hình hóa động cơ xoay chiều ba pha

Chương 3: Nghiên cứu giải pháp InstaSpin

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều

ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin

Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

XOAY CHIỀU BA PHA 1.1 Tổng quan về động cơ xoay chiều ba pha

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

1.2.1 Điều chỉnh điện áp Stato

1.2.2 Điều chỉnh điện trở Rotor

1.2.3 Điều chỉnh công suất trượt

1.2.4 Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp Stato

1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Tổng quan được những nét cơ bản nhất về động cơ xoaychiều ba pha

- Lựa chọn được động cơ để nghiên cứu là động cơ khôngđồng bộ

- Giới thiệu được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơxoay chiều ba pha

Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về động cơ xoay chiều ba pha,trong chương 2 sẽ đi nghiên cứu mô hình hóa động cơ xoay chiều bapha

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 2.1 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc

2.2.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

2.2.1.1 Phương trình điện áp Stato

Phương trình tổng quát điện áp Stato:

u k s =R s i k

s+dψ k s

dt + j ω k ψ s k(2.10)

* Hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ)

Trường hợp này xảy ra khi ω k=0 Phương trình điện áp stator giữnguyên dạng ban đầu của nó

* Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq)

Trường hợp này xảy ra khi ω k = ω s Thay vào (2.10) ta có phương

trình điện áp stator trên hệ tọa độ dq:

u s f =R s i f s+dψ s

f

dt + j ω s ψ s f(2.11)

2.1.1.2 Phương trình điện áp rotor

Phương trình tổng quát cho điện áp rotor:

2.1.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator

Hệ phương trình mô tả đầy đủ phần hệ thống điện của động cơ khôngđồng bộ như sau:

Phương trình (2.24) là phương trình trạng thái của ĐCKĐB, với:

u s slà vector đại lượng đầu vào với các phần tử là số thực

x s là vector trạng thái với các phần tử là số thực

A s là ma trận hệ thống và Bs là ma trận đầu vào

Mô hình trạng thái (2.24) được minh họa như sau:

Phần phi tuyến

Hình 2.2: Mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái

2.1.3 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor

Mô hình trạng thái phi tuyến của động cơ không đòng bộ trongtrường hợp động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp như sau:

x f là vector trạng thái với các phần tử là số thực

A f là ma trận hệ thống, B f là ma trận đầu vào, N là ma trận ghép phituyến

ω s =2 π f s là đại lượng đầu vào thứ ba

Ta có mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng thái

trên cơ sở hệ tọa độ dq

Nửa mô hình trên

Nửa mô hình dưới

Hình 2.4: Mô hình tổng quan của ĐCKĐB trong không gian trạng

thái trên cơ sở hệ tọa độ dq

2.2 Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB

2.2.1 Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ tọa độ stator

{i s s(k+1)=Φ11s i s s(k)+Φ12s ψ r ' s(k)+H1s u s s(k)(2.40 a)

ψ r ' s(k+1)=Φ21s i s s(k)+Φ22s ψ r 's(k)(2.40 b)

Từ hệ phương trình (2.40a, b) ta có mô hình gián đoạn của ĐCKĐB

trên hệ tọa độ αβ như sau:

Hình 2.5: Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ

Nửa mô hình trên

Nửa mô hìnhdưới

MHTT ω

ω

ĐCTĐQ ω

CĐTi

32

Máy đo tốc độ quay ĐCKĐB M 3~

u v w

3~

ĐCTT

2.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ truyền động dùng động cơ

không đồng bộ điều khiển tựa theo từ thông rotor

Hình 2.8: Cấu trúc hiên đại của một hệ truyền động dùng động cơ không

đồng bộ nuôi bởi biến tần nguồn áp và điều chỉnh tựa theo từ thông rotor.

2.4 Kết luận chương 2

Chương 2 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Xây dựng được mô hình liên tục của động cơkhông đồng bộ ba pha

rotor lồng sóc trên hệ tọa độ stator và hệ tọa độ từ thông rotor

- Xây dựng mô hình gián đoạn của động cơ không đồng bộ ba pha

rotor lồng sóc trên hệ tọa độ stator và hệ tọa độ từ thông rotor

- Xây dựng cấu trúc cơ bản của một hệ truyền động dùng động cơ

không đồng bộ ba pha điều khiển tựa theo từ thông rotor

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP INSTASPIN 3.1 Giới thiệu gói giải pháp InstaSpin

Gói giải pháp này cho phép điều khiển nhanh chóng và dễdàng với tất cả động cơ ba pha mà không yêu cầu thông số kỹ thuậtcủa động cơ [5] Ngoài ra, công nghệ này không sử dụng cảm biếnnên giá thành tiết kiệm hơn so với những công nghệ khác

Giải pháp InstaSpin bao gồm nhiều giải pháp, trong phạm viluận văn này, tác giả chỉ nghiên cứu giải pháp InstaSpin- FOC (Fieldoriented control- điều khiển tựa theo từ thông)

Giải pháp này giúp tự động nhận dạng và điều chỉnh ở tất cảcác tốc độ và các loại tải của động cơ [4] Công nghệ InstaSpinTM-FOC cho phép người thiết kế- ngay cả những người ít kinh nghiệm

về điều chỉnh động cơ có thể xác định, điều chỉnh và điều khiển hoàntoàn bất kỳ loại động cơ ba pha nào, thay đổi tốc độ, không cảmbiến, điều khiển động cơ đồng bộ hay không đồng bộ chỉ trong vàiphút Công nghệ mới này không cần đến bộ cảm biến cơ làm giảmchi phí cho hệ thống và cải thiện hoạt động sử dụng phần mềm mãhóa mới (khâu quan sát không cảm biến), FASTTM (từ thông, góc, tốc

độ và momen) được gắn trong bộ nhớ ROM của thiết bị Piccolo Đây

là giải pháp cao cấp để cải thiện hiệu suất động cơ và độ tin cậy ở tất

cả cấp tốc độ và với mọi loại tải

3.2 Các bộ điều chỉnh

3.2.1 Giới thiệu các bộ điều khiển PI

3.2.2 Thiết kế PI cho các bộ điều khiển dòng điện

3.2.3 Thiết kế PI cho các bộ điều khiển tốc độ

3.2.4 Tính toán các hệ số PI dựa vào độ ổn định và dải

3.2.5 Tính toán các hệ số PI dòng điện và tốc độ dựa trên hệ số suy giảm

3.2.6 Xem xét khi đưa thêm các cực vào vòng lặp tốc độ

3.2.7 Xem xét bộ điều khiển PI tốc độ: Các giới hạn dòng điện, giữ và quán tính

3.2.8 Xem xét khi thiết các bộ điều khiển PI cho các hệ thống FOC

3.2.8.1 Sự khác FOC giữa các động cơ

3.2.8.2 Xen kênh giữa trục q và trục d

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA SỬ DỤNG GIẢI PHÁP INSTASPIN 4.1 Nhận dạng tham số động cơ sử dụng giải pháp InstaSpin

Khối nhận dạng tham số động cơ của InstaSpin được chỉ ra trên hình 4.1

Hình 4.1: Khối nhận dạng tham số động cơ

Nhận dạng tham số động cơ là một đặc trưng được đưa vàoInstaSpin-FOC cho phép nhận dạng các tham số cần thiết để sử dụngtrong các mạch vòng điều khiển kín không dùng cảm biến Đặc tínhnhận dạng động cơ của giải pháp InstaSpin cho phép người sử dụng

có thể truyền động động cơ với chất lượng cao nhất ngay cả khikhông biết trước các tham số của động cơ

Nhận dạng tham số động cơ có thể được thực hiện theophương pháp nhận dạng đầy đủ và nhận dạng tối thiểu Khi nhậndạng tối thiểu người sử dụng phải đưa thêm khối điều khiển tựa theo

từ thông vào thư viện nguồn trong InstaSpin

Hình 4.2: Nhận dạng tham số đầy đủ của InstaSpin-FOC

Hình 4.3: Nhận dạng tối thiểu của InstaSpin-FOC

4.2 Quá trình nhận dạng tham số động cơ

4.2.1 Trạng thái bộ điều khiển

Hình 4.4: Sơ đồ trạng thái bộ điều khiển

Hình 4.5: Lưu đồ ước lượng trạng thái

4.3 Thực nghiệm

4.3.1 Cài đặt DRV8312-69M

Hình 4.6: Card điều khiển

4.3.2 Cài đặt Card điều khiển và lập trình 4.3.3 Sơ đồ thực nghiệm

Hình 4.11: Sơ đồ thực nghiệm

4.3.4.1 Nhận dạng tham số động cơ và tự chỉnh bộ điều khiển dòng

Hình 4.15: Kết quả nhận dạng tham số động cơ và tự chỉnh

bộ điều khiển dòng hoàn thành 100%

4.3.4.2 Điều chỉnh tốc độ và mô men Khởi tạo giá trị đầu và chỉnh định InstaSPIN

Các thông số của các bộ điều khiển thu được khi quá trình nhận dạng

Hình 4.16: Phần điều chỉnh tốc độ và mô men

Hình 4.21: Đáp ứng của hệ thống ở tốc độ đặt 2000 vòng/phút

4.4 Kết luận chương 4

Trong chương 4 đã giải quyết được một số vấn đề sau:

- Nhận dạng được tham số của động cơ

- Cài đặt được kit DRV8312-69M, card điều khiển và lập trình cho

bộ điều khiển

- Đưa ra được sơ đồ thực nghiệm của hệ thống

- Đã thực nghiệm thành công phần nhận dạng các tham số của động

cơ và điều chỉnh tốc độ động cơ từ tốc độ đặt 200 vòng/ phút lên đếntốc độ 1000 vòng/ phút, 2000 vòng/ phút

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

Đề tài nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộrotor lồng sóc là một đề tài rất phong phú và có nhiều vấn đề phứctạp Trong phạm vi luận văn này, tác giả đã trình bày được một sốvấn đề như sau:

- Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộrotor lồng sóc ở hai chế độ liên tục và gián đoạn

- Thiết kế được bộ điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều bapha sử dụng giải pháp InstaSpin

Tuy nhiên các kết quả nhận được dựa trên các giả thiết:+ Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặtkhông gian

+ Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua

+ Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bềmặt khe từ

+ Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổiNội dung đề tài còn nhiều khía cạnh chưa được xét đến Dovậy đề tài này còn nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện trong tương lai

2 Kiến nghị

Đề tài này có thể phát triển theo hướng xét ảnh hưởng của các yếu tố

mà ta đã đơn giản hóa hoặc nghiên cứu theo các giải pháp khác củagói giải pháp InstaSpin