Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động cơ tự nâng sử dụng rô to lồng sóc

Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động cơ tự nâng sử dụng rô to lồng sóc Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động cơ tự nâng sử dụng rô to lồng sóc Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động cơ tự nâng sử dụng rô to lồng sóc luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN PHÚ CƯỜNG THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ CHO ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG SỬ DỤNG RƠ TO LỒNG SĨC CHUN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN QUANG ĐỊCH Hà Nội - 2012 Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “ Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rô to lồng sóc ” tơi tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Quang Địch Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hồn thành đồ án tơi sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Phú Cường Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ QUY ƯỚC iii LỜI NÓI ĐẦU Chương TÌM HIỂU VỀ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG 1.1 Giới thiệu chung ổ đỡ từ động 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Nguyên lý làm việc 1.1.3 Phân loại ổ đỡ từ 10 1.2 Lịch sử hướng nghiên cứu động sử dụng ổ đỡ từ 11 1.2.1 Lịch sử hướng nghiên cứu 11 1.2.2 Ứng dụng thực tiễn động sử dụng ổ đỡ từ 16 1.3 Động tự nâng 20 1.3.1 Cấu trúc loại động sử dụng ổ đỡ từ 20 1.3.2 Khái niệm “động tự nâng” 22 1.4 Phạm vi nghiên cứu luận văn 22 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CHO ĐỘNG CƠ TỰ NÂNG RƠ TO LỒNG SĨC 23 2.1 Cấu trúc chi tiết động 23 2.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho động 25 Chương THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TỰA THEO TỪ THÔNG RÔ TO 34 3.1 Phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to 34 3.1.1 Luật điều khiển 34 3.1.2 Cấu trúc điều khiển 35 3.2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển 37 3.2.1 Mạch vòng điều khiển dòng điện 37 3.2.2 Mạch vòng điều khiển từ thông 40 3.2.3 Mạch vòng điều khiển tốc độ 40 3.2.4 Mạch vịng điều khiển vị trí dọc trục 43 Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK 46 Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc 4.1 Tham số động 46 4.2 Kết mô hệ thống 46 4.2.1 Trường hợp không tải 46 4.2.2 Trường hợp có tải 48 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ổ đỡ kiểu ổ lăn Hình 1.2 Ổ đỡ kiểu ổ trượt Hình 1.3 Ổ đỡ từ Hình 1.4 Cách xác định đường sức từ nam châm dùng mạt sắt Hình 1.5 Đường cong từ trễ Hình 1.6 Cấu tạo mạch từ Hình 1.7 Hệ mạch từ trục Hình 1.8 Sự hình thành lực hướng tâm 12 Hình 1.9 Động kết hợp ổ đỡ từ 14 Hình 1.10 Truyền động ổ đỡ không tiếp xúc 16 Hình 1.11 Bơm máu tim nhân tạo 17 Hình 1.12 Bơm tua-bin 17 Hình 1.13 Máy nén dạng ống 18 Hình 1.14 Máy phát tua-bin khí dùng ổ đỡ từ 18 Hình 1.15 Bơm làm mát khí hóa lỏng 18 Hình 1.16 Tủ điện UPS mặt cắt máy phát điện sử dụng ổ đỡ từ 19 Hình 1.17 Cấu trúc chung động dùng ổ đỡ từ 20 Hình 1.18 Cấu trúc hệ tích hợp ổ đỡ từ ngang trục - động 21 Hình 1.19 Cấu trúc hệ tích hợp ổ đỡ từ dọc trục - động 22 Hình 2.1 Cấu trúc chi tiết động tự nâng rô to lồng sóc 23 Hình 2.2 Hình ảnh rơ to lồng sóc động tự nâng thực tế 24 Hình 2.3 Cách bố trí cuộn dây stator 25 Hình 2.4 Biểu diễn đại lượng véc tơ hệ tọa độ d,q 25 i Danh mục hình vẽ Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động AGBM rơ to lồng sóc 36 Hình 3.2 Cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện tách biệt 38 Hình 3.3 Cấu trúc mạch vịng điều khiển từ thơng 40 Hình 3.4 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ 41 Hình 3.5 Mạch vịng điều khiển vị trí dọc trục 43 Hình 4.1 Đáp ứng độ dịch chuyển tốc độ 46 Hình 4.2 Đáp ứng tốc độ độ dịch chuyển z = 47 Hình 4.3 Ảnh hưởng thay đổi tốc độ lên đáp ứng z 47 Hình 4.4 Ảnh hưởng thay đổi tốc độ lên đáp ứng z 48 Hình 4.5 Đáp ứng tốc độ vị trí dọc trục đóng tải 0.5s 49 Hình 4.6 Đặc tính mơ-men lực hút dọc trục đóng tải 0.5s 50 ii Danh mục từ viết tắt quy ước DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ QUY ƯỚC AGBM Axial Gap Self-Bearing Motor A/D Analog to Digital CD Compact Disk D/A Digital to Analog DSP Digital Signal Processor DVD Digital Video Disk FOC Field Oriented Control IM Induction Machine MIMO Multi Input – Multi Output PMSM Permanent Magnet Excited Synchronous Machine PWM Pulse Width Modulation SISO Single Input – Single Output UPS Uninterruptible Power Supply µC, µP Microcontroller, Microprocessor α,β Hệ trục tọa độ gắn với stator d,q Hệ trục tọa độ gắn với rô to us , ur Véc tơ điện áp stator, rô to is , ir Véc tơ dịng điện stator, rơ to λs Véc tơ từ thơng móc vịng dây quấn stator λr Véc tơ từ thông rô to usd , usq , urd , urq Các thành phần điện áp stator, rô to hệ tọa độ d,q isd , isq , ird , irq Các thành phần dòng điện stator, rô to hệ tọa độ d,q Lsd , Lsq Các thành phần độ tự cảm stator, rô to hệ tọa độ d,q usα , usβ Các thành phần điện áp stator, rô to hệ tọa độ α,β iii Danh mục từ viết tắt quy ước isα , isβ Các thành phần dịng điện stator, rơ to hệ tọa độ α,β isu , isv , isw Các thành phần dòng điện pha stator động u,v,w λsu , λsv , λsw Từ thơng móc vịng pha stator động u,v,w Lm Hỗ cảm stator rô to Rs , Rr Điện trở stator, rô to Ls , Lr Độ tự cảm stator, rô to L’s0 Điện cảm từ trường stator nhân với độ dài khe hở khơng khí Lsl Điện cảm rị L2m σ =1− L s Lr Hệ số từ tản toàn phần P Số đôi cực động Ts , Tr Hằng số thời gian stator, rô to Tsd , Trd Hằng số thời gian stator, rô to hệ tọa độ d,q iv Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, với xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật nói chung ngành Điều khiển - Tự động hóa nói riêng, việc nghiên cứu, chế tạo hệ thống, thiết bị đại có ứng dụng vào thực tiễn yêu cầu cấp thiết quan trọng Hệ truyền động động sử dụng ổ đỡ từ hệ thống vậy, chúng đời từ nhu cầu cấp thiết nảy sinh vấn đề mà ổ bi truyền thống gây ra, việc phải thường xuyên bôi trơn dầu mỡ, ma sát tiếp xúc khí khiến ổ bi có hạn chế lớn ứng dụng yêu cầu môi trường vô trùng, chân không môi trường có nhiệt độ thấp cao hay ứng dụng yêu cầu tốc độ cao động Trong năm gần đây, việc nghiên cứu cải tiến hệ thống điều khiển cho ổ đỡ từ động tích hợp ổ đỡ từ đem lại kết khả quan, nhân tố giúp cho ổ đỡ từ ngày sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng khác Tuy nhiên, giá thành độ phức tạp cấu trúc phương pháp điều khiển loại ổ đỡ từ tốn hóc búa làm cản trở việc ứng dụng phát triển cơng nghiệp Xuất phát từ thực tiễn đó, với hướng dẫn định hướng thầy giáo TS Nguyễn Quang Địch, đề tài “Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc” tơi lựa chọn làm hướng nghiên cứu trình học tập làm việc trường Đại học Bách khoa Hà Nội Mục đích luận văn nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển véc tơ (theo phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thơng rơ to) cho phần động hệ tích hợp ổ đỡ từ dọc trục - động sử dụng rơ to lồng sóc, hay cịn gọi động tự nâng rơ to lồng sóc kiểu từ trường khe hở dọc trục (AGBM - Axial Gap Self-Bearing Motor) Ban đầu, mơ hình lý tưởng cho động tự nâng rơ to lồng sóc nêu Đối với phương pháp điều khiển véc tơ, yêu cầu mơ hình động cho động cần thiết, đại lượng véc tơ AGBM trình bày hệ tọa độ từ thơng rơ to (hay cịn gọi hệ trục tọa độ d,q) Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, phương trình động học Lời nói đầu AGBM đơn giản trở nên tương tự loại động chiều quen thuộc Các thành phần lực dọc trục mô-men quay rơ to phân tích tính tốn kỹ lưỡng để thiết lập cách xác mơ hình tốn học cho loại động tự nâng Trên sở mơ hình tốn học đó, cấu trúc điều khiển với hai mạch vòng điều khiển gồm mạch vòng dòng điện bên hai mạch vịng tốc độ vị trí bên ngồi xây dựng Dựa kết mô phần mềm Matlab - Simulink ta thu đáp ứng động với điều khiển thiết kế có chất lượng động học tốt Từ mở hướng việc thiết kế loại động tự nâng kiểu thay cho động truyền thống ứng dụng yêu cầu sử dụng mơi trường địi hỏi khắc nhiệt tốc độ cao Đây đề tài mới, cộng thêm kinh nghiệm kiến thức thân cịn nhiều hạn chế nên chắn khơng tránh khỏi sai sót việc nghiên cứu trình bày luận văn Tác giả mong muốn xin chân thành cảm ơn ghi nhận đóng góp, ý kiến đánh giá phê bình thầy cô, hội đồng phản biện hội đồng chấm luận văn để tác giả hồn thiện phát triển nội dung luận văn kiến thức thân Nhân tiện đây, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo giảng viên mơn Điều khiển - Tự động hóa, khoa Điện, trường Đại học Bách khoa Hà Nội; đặc biệt thầy giáo TS Nguyễn Quang Địch, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt việc định hướng, cung cấp tài liệu trang thiết bị thí nghiệm cần thiết để tác giả hồn thiện luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng 09 năm 2012 Tác giả luận văn Nguyễn Phú Cường .. .Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “ Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rô to lồng. .. kế hệ điều khiển véc tơ (theo phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông rơ to) cho phần động hệ tích hợp ổ đỡ từ dọc trục - động sử dụng rơ to lồng sóc, hay cịn gọi động tự nâng rơ to lồng sóc. .. PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB - SIMULINK 46 Thiết kế hệ điều khiển véc tơ cho động tự nâng sử dụng rơ to lồng sóc 4.1 Tham số động 46 4.2 Kết mô hệ thống