Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha bằng phương pháp FOC trên cơ sở DSP TMS320F2812

LVTN Tóm tắt. GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang iv HVTH: Trương Minh Triệu TÓM TẮT Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị chủ lực trong truyền động điện xoay chiêu vì có nhiêu ưu đi ểm. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn, phức tạp với tính chất phi tuyến của nó. Có 1 ý tưởng đưa ra là làm sao để điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha giống như việc điều khiển của động cơ một chiều. Đó là phương pha  p điêu khiê ̉ n đi ̣ nh hươ  ng trươ  ng (Field Oriented Control - FOC), Phương pha  p này co  kha ̉ năng điêu khiê ̉ n đô ̣ c lâ ̣ p tư  thông va  moment. Để thực hiện được phương pháp này thì góc từ thông rotor r  phải được biết. Góc r  được tìm bằng 2 cách, trực tiếp (gọi là điều khiển trường trực tiếp - DFOC) và gián tiếp (gọi là điều khiển trường gián tiếp - IFOC). Trong phương pháp trực tiếp thì góc r  có thể tìm thông qua dòng điện và điện áp trên stator hay khe hở không khí. Với phương pháp gián tiếp thì góc r  được tính bởi góc trượt và góc của rotor. Trong luận văn này học viên đã sử dụng phương pháp gián tiếp. LVTN Abstract. GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang v HVTH: Trương Minh Triệu ABSTRACT Three-phase asynchronous motors are main equipment in AC Drives because it have many advantages. However, it is difficult to control them because of their nonlinear characterisics. An idea have been given how to control three-phase asynchronous motors like direct current motors control. This is Field Oriented Control (FOC) method, this method can decoupled control of torque and flux. To accomplish this, the flux rotor angle r  must be known precisely. There are two ways to calculate angle r  by direct (call Direct Field Oriented Control - DFOC) and by indirect (call Indirect Field Oriented Control - IFOC). In direct, it can be found based on the stator or air-gap. In indirect, it can be calculated by the slip angle and the rotor angle. In this dissertatio, I used indirect method. LVTN Mục lục. VHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang vi HVTH: Trương Minh Triệu MC LC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt x Danh sách các hình vii Danh sách các bảng viii Chương 1. Tng quan 01 1.1. Đặt vấn đề 01 1.2. Định hướng của đề tài 03 1.3. Nhiệm vụ của luận văn 03 1.4. Kết quả mong muốn đạt được 03 Chương 2: C s lý thuyt 04 Chương 3: Động cơ không đng bộ 3 pha và các phương pháp điều khiển 05 3.1. Tổng quan về động cơ KĐB 3 pha 05 3.1.1. Cấu tạo 05 3.1.1.1. Stator 05 3.1.1.2. Rotor 06 3.1.1.3. Khe hở không khí 08 3.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ KĐB 3 pha 08 3.1.3. ng dụng của động cơ KĐB và khả năng thay thế động cơ DC 10 3.2. Vector không gian của các đại lượng 3 pha 12 3.2.1. Hệ trục tọa độ tĩnh  13 3.2.1.1. Đổi tọa độ từ , , wuv   13 3.2.1.2. Đổi tọa độ từ , , wuv   14 LVTN Mục lục. VHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang vii HVTH: Trương Minh Triệu 3.2.2. Hệ tọa độ quay dq 14 3.2.2.1. Đổi tọa độ từ dq   15 3.2.2.2. Đởi tọa độ từ dq   15 3.3. Mô hình của động cơ KĐB 3 pha 15 3.3.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ 16 3.3.2. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator (hệ  ) 18 3.3.3. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ dq) 19 3.3.4. u điểm của việc mô tả động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ từ thông rotor 21 3.4. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB 21 3.4.1. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực 22 3.4.2. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator 22 3.4.3. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp 24 3.4.3.1. Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi 24 3.4.3.2. Trường hợp tốc độ động cơ thấp 26 3.4.3.3. Trường hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức 26 3.4.3.4. Đặc tính cơ 26 3.4.4. Điều khiển vector 27 3.4.4.1. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment – DTC 27 3.4.4.2. Phương pháp điều khiển định hướng tựa trường – FOC 28 3.5. Bộ nghịch lưu 3 pha và vector không gian 32 3.5.1. Bộ nghịch lưu 3 pha 32 3.5.2. Vector không gian 33 3.5.3. Cách điều chế vector không gian 34 3.5.4. Giản đồ đóng ngắt các khóa 36 Chương 4: Tng quan về Digital Signal Processing 38 4.1. Giới thiệu DSP TMS320F2812 38 4.2. Các đặc tính kỹ thuật 38 4.3. Chức năng của các khối 39 4.3.1. Chức năng xuất nhập 41 4.3.1.1. Thanh ghi GPxMUX 42 4.3.1.2. Thanh ghi GPxDIR 42 LVTN Mục lục. VHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang viii HVTH: Trương Minh Triệu 4.3.1.3. Thanh ghi GPxDAT 42 4.3.2. Bộ quản lý sự kiện 42 4.3.2.1. Bộ định thời chung General Purpose Timer – GP Timer 44 4.3.2.2. Điều rộng xung TxPWM 44 4.3.2.3. Điều rộng xung PWM 47 4.3.2.4. Bộ đếm xung encoder – QEP 49 4.3.2.5. Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số - ADC 50 4.3.3. Bộ ngắt ngoại vi mở rộng – PIE 54 4.4. Chức năng các chân của chip F2812 56 4.5. KIT eZdsp TM F2812 67 4.5.1. Đặt tính kỹ thuật 68 4.5.2. Các Port trên Kit 69 4.5.3. Vị trí và chức năng các chân trên từng Port 70 4.5.3.1. Port 1 70 4.5.3.2. Port 2 70 4.5.3.3. Port 4/7/8 71 4.5.3.4. Port 5/9 73 4.5.4. Vị trí và chức năng của các Jumper 74 4.5.5. Led hiển thị 75 4.6. Các chân được dùng trong luận văn 75 Chương 5: Gii thuật lập trình 76 5.1. Sơ đồ khối phần cứng 76 5.2. Lưu đồ giải thuật cho chương trình chính 76 5.2.1. Giải thuật đọc ADC 78 5.2.2. Giải thuật đọc Encoder 78 5.2.3. Giải thuật cho khối PI 79 5.2.4. Giải thuật tính góc từ thông rotor r  79 5.2.5. Giải thuật cho khối tính Sine r  , Cos r  80 5.2.6. Giải thuật cho chuyển trục 80 5.2.6.1. Chuyển trục từ abc   80 5.2.6.2. Chuyển trục từ dq   81 LVTN Mục lục. VHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang ix HVTH: Trương Minh Triệu 5.2.6.3. Chuyển trục từ dq   81 5.2.7. Giải thuật của khối Space vector 82 Chương 6: Thit k phần cứng và mô hình 86 6.1. Thiết kế phần cứng 86 6.1.1. Thông số động cơ 86 6.1.2. Sơ đồ kết nối mạch phần cứng 87 6.2. Mạch thiết kế thực tế 87 6.2.1. Mạch công suất 87 6.2.1.1. Mạch nghịch lưu 3 pha 87 6.2.1.2. Sơ đồ nguyên lý 89 6.2.1.3. Mạch thi công 89 6.2.2. Mạch nguồn DC 89 6.2.2.1. Nguyên lý hoạt động 89 6.2.2.2. Sơ đồ nguyên lý 90 6.2.2.3. Mạch thi công 90 6.2.3. Mạch lái + Deadtime 91 6.2.3.1. IC HCPL 3120 91 6.2.3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch dead time 91 6.2.3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch lái 92 6.2.3.4. Mạch thi công 92 6.2.4. Mạch cảm biến dòng 93 6.2.4.1. Cảm biến dòng LA 25-NP 93 6.2.4.2. Sơ đồ nguyên lý 93 6.2.3.5. Mạch thi công 93 6.2.5. Mạch xử lý tín hiệu cảm biến biến dòng 93 6.2.5.1. Sơ đồ nguyên lý 94 6.2.5.2. Mạch thi công 94 6.2.6. Mạch xử lý tín hiệu encoder 94 6.2.6.1. Sơ đồ nguyên lý 95 6.2.6.2. Mạch thi công 95 6.2.7. Mạch nguồn 95 LVTN Mục lục. VHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang x HVTH: Trương Minh Triệu 6.2.7.1. Sơ đồ nguyên lý 95 6.2.7.2. Mạch thi công 96 6.2.8. Mạch hiển thị Led 7 thanh 96 6.2.8.1. Sơ đồ nguyên lý 96 6.2.8.2. Mạch thi công 97 6.3. Mô hình 97 Chương 7: Kt qu thc nghim 98 7.1. Kết quả 98 7.1.1. Vận tốc đặt 1000 rpm 98 7.1.1.1. Điện áp pha VAC 98 7.1.1.2. Điện áp dây VAC 99 7.1.1.3. Dòng điện mA 99 7.1.2. Vận tốc đặt 1500 rpm 99 7.1.2.1. Điện áp pha VAC 99 7.1.2.2. Điện áp dây VAC 100 7.1.2.3. Dòng điện mA 100 7.1.3. Vận tốc đặt 2000 rpm 100 7.1.3.1. Điện áp pha VAC 100 7.1.3.2. Điện áp dây VAC 101 7.1.3.3. Dòng điện mA 101 7.1.4. Vận tốc đặt 2500 rpm 101 7.1.4.1. Điện áp pha VAC 101 7.1.4.2. Điện áp dây VAC 102 7.1.4.3. Dòng điện mA 102 7.2. Nhận xét 102 Chương 8: Kt luận 103 8.1. Kết luận 103 8.2. Các vấn đề đã thực hiện 103 8.3. Các vấn đề còn tồn tại 103 8.4. Hướng phát triển 103 TÀI LIU THAM KHO 104 PH LC 105 LVTN Danh sách các chữ viết tắt. GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang xi HVTH: Trương Minh Triệu DANH SÁCH CÁC CH̃ VIT T́T DC: một chiều. KĐB: không đông bô ̣ . FOC - Field Oriented Control: điêu khiê ̉ n tư ̣ a trươ  ng. RFOC – Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto. DRFOC – Direct Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto kiểu trực tiếp. IRFOC – Indirect Roto Field Oriented Control: điều khiển tựa từ thông roto kiểu gián tiếp. DTC - Direct Torque Control: điêu khiê ̉ n trư ̣ c tiêp moment. m L : hỗ cảm giữa rotor và stator (H). s L  : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator(H). r L  : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor đã quy đổi về stator (H). s m s L L L   : điện cảm stator. r m r L L L   : điện cảm rotor. s R : điện trở stator (  ). r R : điện trở rotor (  ). s s s L T R  : hằng số thời gian stator. r r r L T R  : hằng số thời gian rotor. 2 1 m sr L LL   : hệ số tiêu tán tổng. P - Power: công suât của động cơ (W). p - Pole couple: sô đôi cư ̣ c của động cơ. J : momen quán tính(Kg/m 2 ). L T - Torque Load: moment ta ̉ i (Nm). LVTN Danh sách các chữ viết tắt. GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang xii HVTH: Trương Minh Triệu ,  : tư  thông (Wb).  : tôc đô ̣ góc của rotor so với stator (rad/s). a  : tôc đô ̣ góc của 1 hệ bất kỳ (rad/s). s  : tôc đô ̣ góc của từ thông stator so với stator () s sl     (rad/s). r  : tôc đô ̣ góc của từ thông rotor so với stator () rs   (rad/s). sl  : tôc đô ̣ góc của từ thông rotor so với rotor (tốt độ trượt) (rad/s).  : góc của trục rotor (cuộn dây pha A) trong hệ tọa độ  (rad). s  : góc của trục d (hệ tọa độ quay bất kỳ) trong hệ tọa độ  (rad). r  : góc của trục d (hệ tọa độ quay bất kỳ) so với trục rotor (rad). s  : góc của từ thông stator trong hệ tọa độ  (rad). r  : góc của từ thông rotor trong hệ tọa độ  (rad).  : góc pha giữa điện áp so với dòng điện (rad). e T - Torque electromagnetic: moment điê ̣ n tư  .  , dq : hệ tọa độ đứng yên, hệ tọa độ quay. ,,I V f : dòng điện (A), điện áp (V), tần số (Hz). , I  : dòng điện trên hệ tọa độ  . ,dq I : dòng điện trên hệ tọa độ dq . s s I : dòng điện của stator được quan sát trên hệ tọa độ  (hệ stator). r s I : dòng điện của stator được quan sát trên hệ tọa độ dq (hệ từ thông rotor). _,r I  : dòng điện rotor trên hệ tọa độ  . _,s d q I : dòng điện stator trên hệ tọa độ dq . _,r d q I : dòng điện rotor trên hệ tọa độ dq . , V  : điện áp trên hệ tọa độ  . ,dq V : điện áp trên hệ tọa độ dq . I   : ký hiệu là 1 vector. , , wuv : các pha của nguồn điện 3 pha. LVTN Danh sách các bảng. GVHD: PGS. TS. Lê Minh Phương Trang xiii HVTH: Trương Minh Triệu DANH SÁCH CÁC BNG Trang Bảng 3.1: Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 6 khóa 33 Bảng 3.2. Thời gian đóng ngắt của các khóa 35 Bảng 4.1: Các chức năng của bộ quản lý sự kiện 43 Bảng 4.2: Các ngắt trong bộ PIE 55 Bảng 4.3: Chức năng các chân của chip DSP F2812 67 Bảng 4.4: Chức năng các chân trên Port 2 71 Bảng 4.5: Chức năng các chân trên Port 4/7/8 73 Bảng 4.6: Chức năng các chân trên Port 5/9 74 Bảng 4.7: Chức năng các Jumper 7/8/11/12 75 [...]... truyền động động cơ KĐB 3 pha Xây dựng giải thuật lập trình và lập trình điều khiển động cơ trên DSP TMS320F2812 theo phương pháp FOC GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 3 HVTH: Trương Minh Triệu Chương 2: Cơ sở lý thuyết LVTN Chương 2 C S Lụ THUY T Mục đích của luận văn là thiết kế bộ biến tần 3 pha để điều khiển động cơ KĐB 3 pha bằng phương pháp FOC, phương pháp này cho phép điều khiển tách rời việc điều. .. bằng phương pháp FOC trên cơ sở DSP TMS320F2812 1 .3 Nhi m v luận văn Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha Tìm hiểu các trúc phần cứng và tập lệnh của DSP TMS320F2812 Lập trình điều khiển hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha trên cơ sở DSP TMS320F2812 theo phương pháp tựa từ thơng FOC (Field Orientated Control.) Thiết kế phần cứng hệ truyền động động cơ KĐB 3 pha 1.4 K t qu mong muốn đ t... khiển động cơ - Lý thuyết về truyền động điện, bộ biến tần GVHD: PGS TS Lê Minh Phương Trang 4 HVTH: Trương Minh Triệu Chương 3: Động cơ KĐB và các PP điều khiển LVTN Chương 3 Đ NG C KHƠNG Đ NG B CÁC PH 3 PHA VÀ NG PHÁP ĐI U KHI N 3. 1 T ng quan về động cơ KĐB 3 pha 3. 1.1 Cấu t o Động cơ KĐB 3 pha có cấu tạo cơ bản gồm 3 phần: stator, rotor và khe hở khơng khí 3. 1.1.1 Stator Stator của động cơ gồm 3. .. cơng suất và khâu lập trình điều khiển theo giải thuật u cầu 1.2 Định hướng của đề tài Với một số các ưu điểm kể trên của DSP trong điều khiển động cơ KĐB 3 pha, cộng thêm mong muốn được tìm hiểu và áp dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại động cơ KĐB 3 pha cho các hệ truyền động Do đó học viên thực hiện luận văn quyết định thực hiện đề tài: Điều khiển động cơ KĐB 3 pha bằng phương pháp FOC trên cơ. .. thuật tốn điều khiển đã được định trước Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq thì  rq  0 nên  rr   rd 3. 4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB Trên thực tế, có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB, có thể phân thành 2 loại: điều khiển vơ hướng và điều khiển có hướng sơ đồ như hình 3. 15 Điều khiển vơ hướng gồm các phương pháp: điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi số cặp cực, điều khiển hệ... Hình 3. 10 Ngun lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha 10 Hình 3. 11 Sơ đồ cuộn dây stator của động cơ KĐB 3 pha 12 Hình 3. 12 Vector dòng stator is và hình chiếu của nó 13 Hình 3. 13 Biểu diễn vectơ is trong cả hai hệ trục tọa độ  và dq 14 Hình 3. 14 Mơ hình của động cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc 15 Hình 3. 15 Sơ đồ các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha 22 Hình 3. 16: Đặc tính động. .. hơn các bộ điều khiển động cơ DC Do đó, động cơ KĐB có thể thay thế được động cơ DC trong rất nhiều ứng dụng Dự kiến trong tương lai gần, động cơ KĐB sẽ được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các bộ truyền động điều khiển tốc độ 3. 2 Vector khơng gian của các đ i lư ng 3 pha Hình 3. 11 Sơ đồ cuộn dây stator của động cơ KĐB 3 pha Trong hình trên, ta khơng quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác 3 dòng... cơ KĐB khi điều chỉnh điện áp stator 23 Hình 3. 17: Mạch điều khiển điện áp pha 23 Hình 3. 18: Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số 26 Hình 3. 19 Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng hở 27 Hình 3. 20: Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng kín 27 Hình 3. 21: Sơ đồ hệ thống điều khiển trực tiếp moment DTC 28 Hình 3. 22: Sơ đồ khối cơ bản của phương pháp FOC 29 Hình 3. 23: Sơ đồ điều. .. đổi cơng suất: Inverter, Multilevel Inverter - Thiết kế bộ biến tần Inverter, Sofstarter trên cơ sở vi sử lý PIC18F, DSP TMS320LF2407A, Atmel 8 535 - Hệ truyền động động cơ KĐB theo phương pháp điều khiển V/f, DTC, FOC - Cơng nghệ VHDL –FPGA trong điều khiển các bộ biến đổi cơng suất Trong số các hướng nghiên cứu trên, có một số bài báo, cơng trình nghiên cứu do các giảng viên thực hiện đã được cơng... điều khiển từ thơng và moment, đưa việc điều khiển động cơ KĐB giống như việc điều động cơ DC với sự hổ trợ của vi xử lý DSP TMS320F2812 Vì thế luận văn cần có các lý thuyết sau: - Lý thuyết về động cơ KĐB 3 pha bao gồm: cấu tạo, ngun lý hoạt động, các phương pháp điều khiển từ cổ điển đến hiện đại - Lý thuyết về vi xử lý DSP bao gồm: cấu trúc, ngơn ngữ lập trình và các chức năng hổ trợ cho cơng việc điều . thực hiện đề tài: Điều khiển động cơ KĐB 3 pha bằng phương pháp FOC trên cơ sở DSP TMS320F2812 . 1 .3. Nhim v luận văn. Tìm hiểu các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha. Tìm hiểu các. 3. 4.4.2. Phương pháp điều khiển định hướng tựa trường – FOC 28 3. 5. Bộ nghịch lưu 3 pha và vector không gian 32 3. 5.1. Bộ nghịch lưu 3 pha 32 3. 5.2. Vector không gian 33 3. 5 .3. Cách điều chế. 3 pha để điều khiển động cơ KĐB 3 pha bằng phương pháp FOC, phương pháp này cho phép điều khiển tách rời việc điều khiển từ thông và moment, đưa việc điều khiển động cơ KĐB giống như việc điều