Trang 36
4.2. MẠCH CẦU H
- Từ đồ thị các điểm làm việc của động cơ ta thấy động cơ làm việc trên 4 góc phần tư nên cần phải chọn bộ băm xung áp phù hợp để động cơ hoạt động tốt được. Trong trường hợp này nhóm chọn mạch cầu H để làm bộ băm xung áp như hình vẽ.
Hình 4. 10 - Sơ đồ ngun lí mạch cầu H
- Nguyên lý hoạt động: Mạch cầu H được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ
một chiều hoạt động theo mong muốn của mình. Nó có thể điều khiển được tốc độ động cơ và đảo chiều động cơ.
- Muốn động cơ quay theo chiều thuận ta điều khiển các khóa van trong mạch cầu, như hình trên ta đóng 𝑆𝑊1, 𝑆𝑊4 và mở 𝑆𝑊3, 𝑆𝑊2 khi đó điện áp 𝑉0 cấp cho động cơ ở chiều thuận nên động cơ quay theo chiều thuận.
- Ngược lại nếu mở 𝑆𝑊1, 𝑆𝑊4 và đóng 𝑆𝑊3, 𝑆𝑊2 thì khi đó điện áp cấp cho động cơ 𝑉0 có chiều ngược lại với điện áp cấp động cơ nên động cơ quay theo chiều nghịch.
- Để điều khiển tốc độ động cơ hay nói cách khác là điện áp cấp cho động cơ thì ta điều khiện lượng xung cấp cho các van của mạch cầu H, tùy theo yêu cầu mong muốn của động cơ mà dẽ điều khiển lượng xung khác nhau cho mạch.
Trang 37
- Chọn linh kiện mạch cầu H:
+ Chọn Mosfet cơng suất
Điện áp và dịng điện vào bộ biến đổi:
𝑉𝑖𝑛 = 12𝑉 , 𝐼𝑖𝑛 = 5𝐴 Điện áp và dòng điện ra bộ biến đổi lớn nhất:
𝑉𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 12𝑉, 𝐼𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 5𝐴 Điện áp ngược trên Mosfet:
𝑉𝑛𝑔𝑚 = 𝑉𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 12𝑉 Dòng điện ngược trên Mosfet:
𝐼𝑛𝑔𝑚 = 𝐼𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 5𝐴 ⇒ Chọn loại Mosfet IRF6609
- Thông số kỹ thuật:
Loại gói DirectFET MT
Loại transistor Kênh N
Điện áp tối đa từ cực máng đến cực nguồn
20V
Điện áp tối đa từ cực cổng đến cực nguồn
± 20V
Dòng cực máng liên tục tối đa 31A
Dòng cực máng xung tối đa 250A
Công suất tiêu tán tối đa là 89W
Điện áp tối thiểu cần thiết để dẫn 2V đến 4V
Nhiệt độ bảo quản và hoạt động tối đa -40 đến +150 độ C.
Trang 38
Hình 4. 11 - IRF6609
+ Chọn diode mắc ngược
Điện áp ngược trên Diode:
𝑉𝑛𝑔𝑑 = 𝑉𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 12𝑉 Dòng điện ngược trên Diode:
𝐼𝑛𝑔𝑑 = 𝐼𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 5𝐴 ⇒ Chọn loại Diode RHRP1512
- Thơng số kỹ thuật:
Loại gói TO-220
Loại diode diode chuyển mạch nhanh silicon
epitaxial Điện áp ngược lặp lại tối đa là 1200 V Dịng chỉnh lưu trung bình tối đa là 15A
Cơng suất tiêu tán tối đa là 100W
Điện áp ngược là 1200V
Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là -65 đến +175 độ C.
Trang 39
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN
- Bộ điều khiển có nhiệm vụ tính tốn, xuất ra tín hiệu điều khiển cần thiết để xuất ra xung pwm để kích vào các van của mạch cầu H, nhằm tạo ra điện áp cấp cho động cơ để hoạt động theo tốc độ yêu cầu.
- Từ giá trị vận tốc đặt ban đầu và các tín hiệu tốc độ, dịng điện phản hồi về từ các cảm biến, bộ điều khiển sẽ thực hiện tính tốn dựa trên mơ hình tốn học đã xây dựng sẵn để đưa ra điện áp điều khiển chính xác cho động cơ.
5.1. MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG CƠ
Hình 5. 1 - Sơ đồ nguyên lí và thay thế động cơ 1 chiều kích từ độc lập
- Phương trình điện áp mạch phần ứng:
𝑉𝑎(𝑡) = 𝑒𝑎(𝑡) + 𝑅𝑎𝑖𝑎(𝑡) + 𝐿𝑎𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑡 - Suất điện động cảm ứng trong roto:
𝑒𝑎 = 𝐾𝑒∅𝜔(𝑡) = 𝐾𝑏𝜔(𝑡) - Phương trình momen điện từ:
𝑇𝑒(𝑡) = 𝐾𝑀∅𝑖𝑎(𝑡) = 𝐾𝑡𝑖𝑎(𝑡) - Phương trình mơ tả quan hệ điện – cơ:
𝑇𝑒(𝑡) − 𝑇𝑙(𝑡) = 𝐽𝑑𝜔(𝑡) 𝑑𝑡
Trang 40
✓ Laplace hóa các phương trình trên:
- Phương trình điện áp phần ứng:
𝑉𝑎(𝑠) = 𝐸𝑎(𝑠) + 𝑅𝑎𝐼𝑎(𝑠) + 𝐿𝑎𝑠𝐼𝑎(𝑠) - Phương trình suất điện động cảm ứng trong roto:
𝐸𝑎(𝑠) = 𝐾𝑏𝜔(𝑠)
- Từ các phương trình trên suy ra phương trình dịng điện và tốc độ:
𝐼𝑎(𝑠) = 𝑉𝑎(𝑠) − 𝐾𝑏𝜔(𝑠) 𝐿𝑎(𝑠) + 𝑅𝑎 𝜔(𝑠) =𝐾𝑡𝐼𝑎(𝑠) − 𝑇𝑙(𝑠)
𝐽𝑠
- Từ đây ta có mơ hình tốn học động cơ như hình vẽ:
Hình 5. 2 - Mơ hình tốn học động cơ
- Áp dụng định luật bảo tồn năng lượng, ta có cơng suất điện đầu vào 𝑃𝑖𝑛 phải bằng tổng công suất cơ đầu ra 𝑃𝑜𝑢𝑡 và tổn hao điện do trở trong mạch phần ứng:
Với:
𝑃𝑖𝑛 = 𝐼𝑎2𝑅𝑎 + 𝐾𝑏𝐼𝑎𝜔 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐼𝑎2𝑅𝑎 + 𝐾𝑇𝐼𝑎𝜔
Trang 41 Ta có:
𝑃𝑖𝑛 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 Suy ra:
𝐾𝑏 = 𝐾𝑇
- Động cơ đã chọn chỉ cho hằng số động cơ 𝐾𝑚 do đó cần xác định các thông số 𝐾𝑏 và 𝐾𝑇 dựa trên thông số này
- 𝐾𝑚 thể hiện khả năng chuyển đổi công suất điện thành công suất cơ của động cơ và có cơng thức: 𝐾𝑚 = 𝑇 √𝑃 = 𝐼𝑎𝐾𝑇 √𝐼𝑎2𝑅𝑎 Suy ra: 𝐾𝑏 = 𝐾𝑇 = 𝐾𝑚√𝑅𝑎 = 0.03. √1 = 0.03 - Ta có mơ hình tốn học của động cơ như hình vẽ:
Trang 42
5.2. MƠ HÌNH TỐN HỌC BỘ BIẾN ĐỔI
Hình 5. 4 - Sơ đồ mạch cầu H
- Mơ hình tốn nhằm thể hiện quan hệ giữa điện áp điều khiển đưa ra từ bộ điều khiển với điện áp đặt ở phần ứng để động cơ để chạy ở tốc độ đặt.
- Điều khiển điện áp đặt ở phần ứng động cơ bằng phương pháp điều biến độ rộng xung PWM
-Điện áp vào bộ biến đổi:
𝑉𝑖𝑛 = 12𝑉 -Điện áp điều khiển:
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 5𝑉 - Hàm truyền của bộ biến đổi:
𝐺(𝑠) = 𝐾𝑃𝑊𝑀 = 𝑉𝑖𝑛 𝑉𝑜𝑢𝑡 =
12
Trang 43 - Mơ hình tốn học của bộ biến đổi như hình vẽ:
Hình 5. 5 - Mơ hình tốn bộ biến đổi
5.3. MƠ HÌNH HĨA CẢM BIẾN
5.3.1. Phản hồi tốc độ
- Encoder có thời gian tăng và giảm của xung (rise and fall time) khơng đáng kể (t = 1𝜇s) nên có thể xem như khơng có khâu trễ và tốc độ đầu ra theo đúng tín hiệu phản hồi.
Hàm truyền đạt của Encoder là:
𝐻𝑠 = 1
5.3.2. Phản hồi dòng điện
- Cảm biến dòng điện hall ACS712 5A có thời gian phản hồi t =5𝜇s , ta có thể bỏ qua thời gian trễ này và mơ tả cảm biến dịng điện như một khâu khếch đại có hệ số khuếch đại 𝐻𝑐 = 1.
Hàm truyền đạt của cảm biến dòng là:
𝐻𝑐 = 1
5.4. MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG
- Chọn bộ điều khiển dòng điện là bộ PI:
𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾𝑐
𝑠𝑇𝑐+ 𝐾𝑐 - Chọn bộ điều khiển tốc độ là bộ PI:
𝐺𝑠(𝑠) = 𝐾𝑠 𝑠𝑇𝑠 + 𝐾𝑠
Trang 44
Trang 45
CHƯƠNG 6: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG ĐIỆN
- Ta đưa mơ hình tốn hệ thống về dạng như sau:
Hình 6. 1 - Mơ hình tốn hệ thống
- Trong đó Gcs(s) là hàm truyền đạt của bộ điều khiển tốc độ, Gcc(s) là hàm truyền đạt của bộ điều khiển dòng điện.
- Trong phần này, chúng ta xét trường hợp động cơ có cơng suất nhỏ và bỏ qua ảnh hưởng của suất điện động cảm ứng trong sơ đồ mơ hình tốn học. Khi đó, mơ hình tốn học của cả hệ truyền động điện có thể đưa về dạng:
Trang 46
6.1. XÁC ĐỊNH TẦN SỐ CẮT
- Chọn tần số lấy mẫu là
- Tần số cắt của hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện cc bị ảnh hưởng bởi 2 yếu tố: tần số chuyển mạch và tần số lấy mẫu. Các nghiên cứu lý thuyết chỉ ra rằng nên hạn chế bang thông ở 1/25 tần số lấy mẫu, do đó:
1 1 20000 800 25 25 cc sp f = f = = 2 2 800 1600 cc fcc = = =
- Tần số lấy mẫu của mạch vòng tốc độ sẽ chậm hơn so với mạch vòng dịng điện. Do đó, chọn tần số cắt cs của hàm truyền hở mạch vòng tốc độ bằng: 1600 320 5 5 cc cs = = = 6.2. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DỊNG ĐIỆN Hình 6. 3 - Mơ hình tốn mạch vòng dòng điện 20000 sp f =
Trang 47
- Hàm truyền hệ hở được đưa về dạng:
1 ( ) ic pc a c pc PWM a a K s K L G s K K R s s L + = +
- Để loại trừ điểm cực không (pole-zero cancellation method) chúng ta chọn Kpc và Kic sao cho:
a ic
a pc
L K R = K
- Chúng ta có biên độ hàm truyền hệ hở của mạch vòng dòng điện được cho là bằng 1 tại tần số cắt: 1 ( ) 1 c a cc pc P M c W c G j L K K = = pc PWM cc a K K L =
- Từ đó, chúng ta có thể xác định được các hệ số Kpc và Kic của bộ điều khiển dòng điện: 3 0.94 10 1600 2 2.4 a cc pc PWM L K K − = = 1 1600 2094 2.4 a a cc ic pc a PWM R R K K L K = = =
Trang 48
6.3. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ
Hình 6. 4 - Mơ hình tốn mạch vịng tốc độ
Hình 6. 5 - Mơ hình tốn mạch vịng tốc độ
- Tương tự như cách làm đối với tổng hợp mạch vòng dòng điện, chúng ta xác định hàm truyền hệ hở của mạch vòng tốc độ và đưa về dạng:
( ) is t ps eq cs ps eq K K s K J G s K B s s J + = +
- Theo phương pháp zero-pole cancellation, chúng ta chọn Kpc và Kic sao cho:
is
ps eq L B R = J
Trang 49 - Khi đó hàm truyền hệ hở có thể viết lại:
1 ( ) t eq cs ps eq ps t K J G s K s J s K K = =
- Chúng ta có biên độ hàm truyền hệ hở của mạch vòng tốc độ được cho là bằng 1 tại tần số cắt: 1 ( ) 1 ps t cs cs cs eq eq cs ps t K K G j J J K K = = =
- Từ đó, chúng ta có thể xác định được các hệ số Kps và Kis của bộ điều khiển tốc độ:
6 156 10 320 5.2 0.03 eq ps cs t J K K − = = 5 5 10 320 1.7 0.03 cs is ps eq t B B K K J K − = = =
Trang 50
CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRÊN MATLAB
7.1. SƠ ĐỒ TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG
- Toàn hệ thống gồm những khối sau: khối nguồn, khối mạch cầu H, khối phát xung, khối PID và khối động cơ
Hình 7. 1 - Sơ đồ mơ hình tổng thể của hệ thống
7.2. Khối nguồn
Trang 51 - Để cấp nguồn cho hệ thống có thể chạy cũng như cấp nguồn cho động cơ ta sử dụng một bộ chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng diode để chỉnh lưu điện áp biến áp cấp nguồn 12V DC cho hệ và động cơ hoạt động, sơ đồ mạch ngun lí như hình vẽ.
- Khối bao gồm:
• Nguồn xoay chiều 1 pha
• Chỉnh lưu cầu 1 pha gồm 4 diode
• Tụ lọc san phẳng điện áp
- Kết quả mơ phỏng:
Hình 7. 3 - Kết quả mô phỏng khối nguồn
➢ Nhận xét:
Trang 52
7.2. KHỐI MẠCH CẦU H:
Hình 7. 4 - Sơ đồ chi tiết khối mạch cầu H
- Khối bao gồm:
• 4 Mosfet SW1, SW2, SW3, SW4
• 4 Diode mắc ngược với Mosfet
➢ Nhận xét:
Trang 53
7.3. KHỐI PHÁT XUNG
Hình 7. 5 - Sơ đồ chi tiết khối phát xung
- Điện áp tính tốn của bộ PID được so sánh với sóng tam giác rồi phát xung vào
mạch cầu H để chiều chỉnh tốc độ và chiều quay của động cơ dùng PWM
• SW1,SW4 mở khi Va > Vc
• SW2,SW3 mở khi Va < Vc
* ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM
- Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Trang 54
Hình 7. 6 - Dạng sóng ra tải
- Nguyên lý : Trong khoảng thời gian dT, ta cho van 1, van 4 mở và van 2, van 4 khóa tồn bộ điện áp nguồn Vs được đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian (1-d)T, cho van 1, van 4 khóa và van 2, van 3 mở, toàn bộ điện áp nguồn -Vs được đưa ra tải
Điện áp ra của bộ băm điện áp cấp cho động cơ là một điện áp có dấu dương hoặc âm như trên đồ thị, phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển băm xung.
- Giá trị trung bình của điện áp ra:
- Kết quả mô phỏng:
Trang 55
7.4. KHỐI PID
- Gồm bộ PI dịng điện và PI tốc độ, có nhiệm vụ đọc phản hồi tốc độ và dòng điện rồi tính tốn gia giá trị sai lệch với tín hiệu đặt từ đó đưa ra điện áp tính tốn đặt vào động cơ rồi được vào khối phát xung
Hình 7. 8 - Sơ đồ chi tiết khối PID
- Sau khi tinh chỉnh thì các thơng số điều khiển như sau: 𝐾𝑝𝑐 = 2.1, 𝐾𝐼𝑐 = 2094
𝐾𝑝𝑠 = 5.3, 𝐾𝑖𝑠 = 1.7
Trang 56
Hình 7. 10 - Khối PID tốc độ
7.5. KHỐI ĐỘNG CƠ
Hình 7. 11 - Sơ đồ chi tiết khối động cơ
7.5.1 Kiểm nghiệm động cơ
- Kiểm nghiệm thông số động cơ:
✓ Các thông số động cơ:
Trang 57
Hình 7. 12 - Thơng số động cơ
- Kết quả mô phỏng:
Trang 58
➢ Nhận xét:
- Khi cho điện áp định mức, tải định mức và các thơng số ở trên vào động cơ thì kết
quả dòng điện, tốc độ của động cho ra gần giống như thông số định mức ở Datasheet
7.5.2 Kiểm nghiệm hộp số
- Lắp thêm hộp số tỉ lệ 10:1 vào động cơ
Hình 7. 14 - Động cơ sau khi lắp hộp số
- Kết quả mô phỏng:
Trang 59
➢ Nhận xét:
- Tốc độ động cơ giảm 10 lần và momen tăng 10 lần như lý thuyết
7.5.3. Kiểm nghiệm khả năng kéo tải
- Đặt momen Tmax=0.445 vào động cơ
- Kết quả mô phỏng:
Hình 7. 16 - Kết quả mơ phỏng
➢ Nhận xét:
Trang 60
7.6. KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TỒN HỆ THỐNG
Hình 7. 17 - Giá trị đặt momen
Trang 61
7.6.1. Tốc độ
- Kết quả mơ phỏng:
Hình 7. 19 - Kết quả mơ phỏng tốc độ
Hình 7. 20 - Kết quả mơ phỏng tốc độ khi zoom
➢ Nhận xét:
- Tốc độ động cơ bám sát với tốc độ đặt và đạt xác lập nhanh (t<0.02s), tuy nhiên, tại các thời điểm momen và tốc độ thay đổi vẫn có độ quá điều chỉnh nhỏ.
Trang 62
7.6.2. Tốc độ, dịng điện và momen
Hình 7. 21 - Kết quả mơ phỏng tốc độ, dịng điện và momen
➢ Phân tích
• Các khoảng thời gian tốc độ yêu cầu tăng thì momen và dịng điện cũng tăng