GIỚI THIỆU BÀI TOÁN, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC
GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT ĐỀ TÀI
Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu (PMSM)
1.2 Mô tả yêu cầu bài toán
Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng thể của hệ thống
J M : là momen quán tính của tải
M = 2.5 kg: là khối lượng của tải
r = 0.35 m: là bán kính của pulley Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải
Vật M di chuyển trên băng chuyền với tốc độ theo đồ thị trong hình 1.2 Để vật M có thể chuyển động, pulley phải quay với tốc độ góc tương ứng với tốc độ mong muốn Để pulley quay, cần có một động cơ truyền cơ năng từ trục động cơ đến pulley, và động cơ này cần được cung cấp nguồn điện để hoạt động.
Tốc độ quay của động cơ PMSM được xác định bởi công thức 𝜔 = 2πf s /p p, trong đó f s là tần số nguồn cung cấp và p p là số cặp cực của động cơ Việc điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ động cơ, vì vậy hệ thống truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ luôn cần có bộ biến đổi tần số Do tốc độ mong muốn của vật M không cố định, việc lựa chọn bộ công suất có điều khiển là cần thiết Trong nghiên cứu này, bộ biến đổi công suất được chọn là bộ biến tần, bao gồm một bộ chỉnh lưu và một bộ nghịch lưu có điều khiển.
Vật M chuyển động với tốc độ không cố định, do đó điện áp cấp cho động cơ cũng thay đổi theo thời gian, yêu cầu một khâu điều khiển để tính toán điện áp mong muốn Cảm biến có nhiệm vụ đo lường các thông số từ động cơ trong quá trình hoạt động và truyền tín hiệu đến khâu điều khiển Dựa trên giá trị điện áp đã tính toán, khâu phát xung sẽ xác định thời điểm kích hoạt các van bán dẫn trong bộ biến đổi tần số, nhằm cung cấp điện áp phù hợp cho động cơ Đồ án này tập trung vào việc tổng hợp hệ thống truyền động điện.
TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
Hình 1.3 Các bước tính thông số của hệ thống 2.1 Tính tốc độ quay của pulley
Công thức tính tốc độ quay của pulley : 𝜔 = =
(rad/s) Trong đó: u (m/s) là tốc độ mong muốn của tải, r=0.35 (m) là bán kính pulley
Hình 1.4 Đồ thị vận tốc góc của pulley
Từ 0 – 1s: trục pulley tăng tốc dần lên từ 0 đến 14.28 rad/s
Từ 1 – 3s: trục pulley chạy ổn định ở 14.28 rad/s
Từ 3 – 3.5s: trục pulley giảm tốc về 0 rad/s
Từ 3.5 – 4s: trục pulley đảo chiều, tăng tốc 0 đến -14.28 rad/s
Từ 4 – 6s: trục pulley chạy ổn định ở -14.28 rad/s
Từ 6 – 7s: trục pulley giảm tốc về 0 rad/s
2.2 Tính momen điện từ của động cơ
Công thức tính momen điện từ : T = J + 𝑟 𝑀 + 𝑟 𝑓 (N.m)
Tốc độ yêu cầu của tải
Tính tốc độ quay của pulley
Tính momen điện từ của động cơ
Tính công suất của động cơ
(s) Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
T em : là momen điện từ yêu cầu
J m : là momen quán tính của động cơ
r : là bán kính của pulley
M : là khối lượng của tải
: là biến thiên tốc độ quay của pulley theo thời gian
Do ban đầu chưa chọn động cơ nên momen quán tính J m =0, bỏ qua lực cản f L = 0 nên công thức tính momen điện từ trở thành : T = 𝑟 𝑀 (N.m)
Hình 1.5 Đồ thị momen điện từ
Từ 6 – 7s: T = 𝑟 𝑀 = 0.35 × 2.5 × ( ) = 4.37325 (N.m) Momen đẳng trị của động cơ:
(s) Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Chọn hệ số dự trữ K dt =1.5 => 𝑇 = 1.5 𝑇 = 1 5 ∗ 4.049 = 6.0375 (Nm)
2.3 Tính công suất của động cơ
Công thức tính công suất động cơ : 𝑃 = 𝑇 × 𝜔 (W)
Trong đó: T em (N.m) là momen điện từ, ω m (rad/s) là tốc độ quay của pulley
Hình 1.6 Đồ thị công suất động cơ
Từ 0 – 1s: Công suất tăng dần đều từ 0 đến 62.45W
Từ 3 – 3.5s: Công suất tăng dần đều từ -124.9W đến 0W
Từ 3.5 – 4s: Công suất tăng dần đều từ 0 đến 124.9W
Từ 6 – 7s: Công suất tăng dần đều từ -62.45W đến 0W
Công suất đẳng trị của động cơ:
(s) Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
2.4 Xây dựng đồ thị đặc tính cơ
Hình 1.7 Tổng hợp đồ thị tốc độ, momen điện từ và công suất động cơ
(s) Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ I, động cơ quay theo chiều dương
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ II, động cơ ở trạng thái hãm
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ III, động cơ quay theo chiều âm
Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ IV, động cơ ở trạng thái hãm
Sau khi tổng hợp ta được đồ thị đặc tính cơ như sau:
Hình 1.8 Đồ thị đặc tính cơ 2.5 Lựa chọn phương án truyền động
Quan sát đồ thị đặc tính cơ ta thấy tốc độ và momen của động cơ có sự thay đổi, động cơ hoạt động ở cả 4 góc phần tư
Cấu trúc điều khiển hệ truyền động điện sử dụng động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu (PMSM) theo nguyên lý điều khiển vòng kín (FOC) được phát triển dựa trên công thức mô-men điện từ, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong việc điều khiển động cơ.
T em (N.m) Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Động cơ PMSM sử dụng nam châm vĩnh cửu, do đó từ thông cực ψp là hằng số, dẫn đến momen điện từ tỷ lệ trực tiếp với dòng isd và isq Cấu trúc điều khiển FOC tối ưu hóa tỷ lệ momen trên dòng điện, đáp ứng nhu cầu điều khiển momen cho động cơ PMSM Để điều chỉnh tốc độ động cơ, phương pháp duy nhất là thay đổi tần số nguồn cấp Trong hệ thống FOC cổ điển, khối nghịch lưu chuyển đổi điện áp một chiều thành điện xoay chiều 3 pha, cho phép thay đổi tần số điện áp để điều khiển tốc độ động cơ hiệu quả.
Kết luận: lựa chọn phương án điều khiển truyền động theo nguyên lý FOC.
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
Based on the calculated motor power of 𝑃 đ = 86.73 (W) from section 2.3, we have selected the PE1R 71 G8 permanent magnet synchronous energy-saving motor from VEM, which is suitable for inverter operation and features essential specifications.
Hình 1.9 Động cơ PE1R 71 G8 của VEM
Tần số nguồn định mức: 50 Hz
Momen tối đa (trong 2 phút): 7 N.m
Tốc độ quay định mức: 750 rpm Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Điện trở các pha ở 20˚C (Phase resistance at 20°C): 51 Ω
Điện áp không tải ở 1000 rpm: 365V/1000 rpm
Điện cảm từ tính (Magnetising inductance): 60 mH
Momen quán tính động cơ: 0.0006 kgm 2
Khối lượng động cơ: 8.1 Kg
3.2 Chọn hộp số Động cơ ta đã chọn có tốc độ định mức lớn hơn tốc độ của pulley rất nhiều nhưng momen định mức động cơ tạo ra lại thấp hơn so với momen cần thiết để hệ chuyển động theo yêu cầu Nên cần sử dụng hộp giảm tốc vừa để tăng momen truyền đến pulley vừa để tốc độ quay của pulley phù hợp với yêu cầu hệ thống
Tỷ số của hộp số : 𝑅 ≥
Căn cứ vào tỷ số trên chọn hộp số Worm Gearbox NMRV-030 Tỷ lệ 1/5:
Công suất đầu vào: 0,06KW ~ 0,18KW
Tốc độ đầu ra: 18 ~ 240 rpm
Hình 1.10 Hộp số Worm Gearbox NMRV-030 Tỷ lệ 1/5 Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
→ Thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật
3.3 Tính chọn Diode và IGBT cho biến tần
Tính chọn diode mạch chỉnh lưu cầu 3 pha Điện áp ngược cực đại: 𝑈 = √3𝑈 = √3 × 220√2 = 538.88 (𝑉)
Chọn hệ số dự trữ của diode là 𝐾 = 1.5
Chọn diode theo thông số an toàn:
√3 × 290 × 82.5% × 0.99= 0.2925 (𝐴) Dòng điện hiệu dụng đi qua diode:
√2 = 0.2068 (𝐴) Chọn diode theo thông số an toàn:
𝐼 = 𝐼 × 𝐾 = 0.2068 × 1.5 = 0.3102 (𝐴) Chọn diode BYM26 E có thông số:
Dòng điện định mức: I đm = 2.3 A
Điện áp ngược cực đại: U ng.max = 1000 V
Thời gian đóng cắt: T rr = 75 ns
Tính chọn IGBT mạch nghịch lưu có điều khiển Điện áp ngược cực đại:
Chọn hệ số dự trữ của IGBT là 𝐾 = 1.5
Chọn IGBT theo thông số an toàn:
𝑈 = 𝑈 × 𝐾 = 231 × 1.5 = 346.5 (𝑉) Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
√3 × 290 × 82.5% × 0.99 = 0.2925 (𝐴) Dòng điện làm việc của van:
√3 = 0.1688 (𝐴) Chọn IGBT theo thông số an toàn:
𝐼 = 𝐼 × 𝐾 = 0.1688 × 1.5 = 0.2533 (𝐴) Chọn IGBT NGD8205AN có thông số:
Điện áp ngược cực đại: U ng.max = 390 V
Tốc độ tối đa: 5000 rpm
Điện áp làm việc: 12-24, +/-5% VDC
Chọn cảm biến dòng điện ZEMCT303A-2
Hình 1.12 Cảm biến dòng ZEMCT303A-2 Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Dãy nhiệt độ làm việc: -40 → 125℃
S Ơ ĐỒ CHI TIẾT HỆ THỐNG
Sau khi tính toán và chọn các thiết bị chúng ta sẽ có được sơ đồ chi tiết của hệ thống như sau:
Hình 1.13 Sơ đồ chi tiết của hệ thống
Động cơ: là loại động cơ đồng bộ xoay chiều 3 pha kích từ vĩnh cửu có nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng để kéo tải
Hộp số là thiết bị cần thiết khi động cơ có tốc độ định mức cao hơn nhiều so với pulley, nhưng momen định mức của động cơ lại thấp hơn so với momen cần thiết cho hệ chuyển động Do đó, việc sử dụng hộp giảm tốc không chỉ giúp tăng momen truyền đến pulley mà còn điều chỉnh tốc độ quay của pulley để phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
Cảm biến: đo tín hiệu về dòng điện stator và tốc độ của động cơ gửi về bộ điều khiển Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Bộ biến tần: biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha 220V/380V cho sẵn thành nguồn điện xoay chiều 3 pha mong muốn để cấp cho động cơ
Bộ điều khiển trong hệ thống bao gồm hai khâu chính: khâu điều khiển và khâu phát xung Khâu điều khiển nhận tín hiệu dòng điện và tốc độ quay của động cơ từ cảm biến, cùng với tín hiệu tốc độ mong muốn, để tính toán điện áp cần thiết cho động cơ Trong khi đó, khâu phát xung sẽ nhận tín hiệu điện áp mong muốn và xác định thời điểm phát xung kích các van bán dẫn trong bộ biến tần.
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ
1.1 Mô hình hóa động cơ
- Phương trình điện áp stator: Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Rs là điện trở cuộn dây pha stator
Vector từ thông stator 𝛙 bao gồm hai thành phần chính: một là thành phần do dòng stator tự cảm trong các cuộn dây stator, và thành phần còn lại là từ thông cực từ 𝛙.
m e là momen quay của động cơ
Việc chuyển đổi các đại lượng giữa hệ tọa độ dq và hệ tọa độ cố định với stator αβ được thực hiện như sau:
Thay các đại lượng trên vào các phương trình cơ bản ở mục trên, ta thu được các phương trình mới trên hệ tọa độ dq:
Vector từ thông cực được biểu diễn bằng công thức 𝛙 = 𝐿 𝑖 + 𝛙, trong đó 𝛙 là vector từ thông cực Vì trục d của hệ tọa độ dq trùng với trục của từ thông cực, nên thành phần vuông góc (thành phần trục q) của 𝛙 bằng không.
𝛙 = 𝛙 + 𝐽 𝛙 = 𝛙 Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Điện cảm của cuộn dây stator có sự khác biệt khi đo ở đỉnh cực L sd (theo trục d) và ngang cực L sq (theo trục q) Điều này dẫn đến việc hình thành các phương trình cho các thành phần từ thông.
- Phương trình điện áp stator:
Sau một biến đổi chúng ta thu được phương trình các thành phần điện áp startor:
Có thể viết lại hệ phương trình trong miền Laplace như sau:
Trong đó 𝑍 = 4 là số cặp cực từ; 𝑚 đ = 3
2 𝑍 𝑝 𝛙 𝑝 𝑖 𝑠𝑞 là momen đồng bộ sinh ra do tác động của từ thông nam châm và dòng điện phần ứng; 𝑚 = 3
𝐿 𝑠𝑞 ) là momen phản ứng phần ứng Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Vì 𝛙 là đại lượng từ thông không đổi, chúng ta có thể điều khiển mô men của động cơ bằng cách điều chỉnh i sd và i sq Để thực hiện việc này, có thể áp dụng thuật toán điều khiển tương tự như trong động cơ điện một chiều.
Mô hình không gian trạng thái của động cơ PMSM trên hệ tọa độ từ thông dq:
𝑨 là ma trận hệ thống; 𝑩 là ma trận đầu vào; 𝑵 là ma trận phi tuyến; S là vector nhiễu tác động
Ta được mô hình toán học đầy đủ của động cơ như sau:
Hình 2.2 Mô hình toán học của động cơ PMSM
Mô hình hệ thống là mô hình bậc 2 (isd, isq) khác với động cơ IM có mô hình bậc
4 (i sd , i sq, ψ rd , ψ rq ) - và ngay lập tức đưa ra mô hình quá trình điều khiển Đối với Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
21 động cơ IM có mô hình bậc 4 phải được chia thành từng phần để có được mô hình quy trình và mô hình thông từ thông
Từ thông không đổi 𝜓 có thể được coi là một tham số của hệ thống S là vector nhiễu loạn.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA CÁC KHÂU TRONG HỆ THỐNG: BỘ BIẾN ĐỔI, CẢM BIẾN…
2.1 Mô hình toán học của cảm biến dòng
Mô hình toán học của phản hồi dòng điện đầu vào là dòng điện i(s) và đầu ra là điện áp u(s) là:
Trong đó ki là hệ số khuếch đại bộ đo và 𝜏 là hằng số thời gian mạch đo
Chọn hệ số khuếch đại K i =1
Hằng số thời gian của bộ lọc τ i =0.001
2.2 Mô hình toán học của encoder
Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ:
K ω là hệ số khuếch đại của cảm biến τ ω là hằng số thời gian của bộ lọc
Chọn hệ số khuếch đại K ω =1
Hằng số thời gian của bộ lọc τ ω =0.005
2.3 Mô hình toán học của bộ biến đổi công suất
Điện áp 𝑉𝐷𝐶 do bộ chỉnh lưu tạo ra là điện áp cố định, không thay đổi, vì vậy trong mô hình hóa bộ điều khiển công suất, chúng ta chỉ cần tập trung vào mô hình hóa bộ nghịch lưu.
Với điện áp mong muốn 𝑢 ∗ = 𝑢 thì bộ nghịch lưu sẽ trở thành một khâu tỉ lệ:
𝑢 ∗ = 1 Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Nếu như 𝑢 ∗ là điện áp điều khiển thì 𝑢 ∗ = 5VDC, u dc là điện áp đầu vào, lúc này bộ nghịch lưu sẽ là khâu tỉ lệ:
𝜋 × 220 ≈ 48 2.4 Mô hình hóa bộ điều khiển PI
Hình 2.3 Mô hình bộ điều khiển PI Hàm truyền bộ điều khiển PI:
𝑠 Với 𝐾 = 𝐾 và 𝑇 = thì hàm truyền bộ điều khiển sẽ là:
𝑠𝑇 2.5 Chuyển đổi từ hệ tọa độ dq sang hệ tạo độ αβ và ngược lại
Với 𝑢 = 𝑢 + 𝑗𝑢 là điện áp trong hệ tọa độ αβ và 𝑢 = 𝑢 + 𝑗𝑢 là điện áp trong hệ tọa độ dq ta có phép biến đổi:
𝑢 𝑢 Ở dạng Laplace: Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
2.6 Chuyển đổi hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ uvw và ngược lại
Với 𝑢 = 𝑢 + 𝑗𝑢 là điện áp trong hệ tọa độ αβ và 𝑢 , 𝑢 , 𝑢 là điện áp xoay chiều
3 pha cấp cho động cơ ta có phép biến đổi:
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA CẢ HỆ THỐNG
Hệ thống truyền động điện được mô hình hóa qua các hàm truyền đạt, bao gồm hàm truyền đạt khâu phản hồi tốc độ \( G \), hàm truyền đạt khâu phản hồi dòng điện \( G \), hàm truyền đạt bộ biến đổi công suất \( G \), và hàm truyền đạt bộ điều khiển PI \( G \) Các thành phần này kết hợp để tạo ra một mô hình toán học hoàn chỉnh cho hệ thống.
Hình 2.4 Mô hình toán học chi tiết của cả hệ thống
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Đ IỀU KHIỂN VECTOR FOC TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ PMSM
Cấu trúc điều khiển vector của động cơ PMSM tương tự như động cơ không đồng bộ IM, nhưng động cơ PMSM sử dụng nam châm vĩnh cửu và không cần mô hình từ thông để tính toán Việc biến đổi tọa độ thuận và ngược diễn ra giống như trong truyền động FOC cho động cơ không đồng bộ, tuy nhiên cần thêm thiết bị đo góc ϑ hoặc sử dụng nhận dạng đỉnh cực để hỗ trợ cho quá trình biến đổi tọa độ và điều khiển nghịch lưu.
Phần điều khiển của hệ thống bao gồm hai mạch vòng: mạch vòng trong điều khiển momen bằng cách điều chỉnh dòng điện i sq, trong khi mạch vòng ngoài đảm nhiệm việc điều khiển tốc độ Dòng điện i sd được sử dụng như một đại lượng điều khiển phụ.
Hình 3.1Cấu trúc điều khiển vector cho hệ ĐK TDĐ động cơ PMSM
Clarke Transformation: là khối chuyển đổi các đại lượng từ hệ tọa độ uvw sang hệ tọa độ αβ
Parke Transformation là quá trình chuyển đổi các đại lượng từ hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq, yêu cầu thêm đại lượng góc quay ϑ của hệ tọa độ tựa theo thông rotor.
Speed Estimator: là công cụ đo tốc độ động cơ
Speed Controller: là khối điều khiển tốc độ bằng bộ điều khiển PI
Current Controller: là khối điều khiển dòng điện bằng bộ điều khiển PI
Inverse Parke Transformation: là khối biến đổi các đại lượng từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
3-phase PWM Voltage Inverter: là khối điều chế vector chuyển các đại lượng điện áp usα, usβ sang thời gian đóng ngắt tu, tv, tw
Tốc độ thực của động cơ ω được đo bởi khối Speed Estimator và so sánh với tốc độ mong muốn ω ref Sự chênh lệch giữa hai giá trị này được xử lý bởi khối Speed Controller để tính toán dòng điện mong muốn i sqref Dòng điện i sqref tỷ lệ thuận với momen đồng bộ, được sinh ra từ tác động của từ thông nam châm và dòng điện phần ứng, cho phép điều khiển momen đồng bộ của động cơ thông qua điều khiển dòng điện i sq.
Dòng điện i sq và i sd được xác định thông qua hai bước chuyển đổi tọa độ từ hệ uvw sang hệ αβ và sau đó từ hệ αβ sang hệ dq Dòng điện i sq sẽ được so sánh với giá trị tham chiếu i sqref, và chênh lệch giữa hai đại lượng này sẽ được tính toán và xử lý bởi khối điều khiển dòng Current Controller Lưu ý rằng dòng điện i sq tỷ lệ với điện áp u sq khi i sdref bằng 0.
𝑑𝑡 + 𝜔 𝐿 𝑖 + 𝜔 𝛙 nên khi tính toán sẽ cho ra được giá trị của điện áp u sq
Dòng điện isd sẽ được so sánh với isdref và được xử lý qua khối Current Controller, với tỷ lệ giữa isd và điện áp usd.
Khi tính toán điện áp usd, công thức 𝑑𝑡 − 𝜔 𝐿 𝑖 được sử dụng Sự khác biệt trong việc xử lý giữa i sd và i sq nằm ở chỗ giá trị mong muốn i sqref được xác định thông qua khối Speed Controller, trong khi giá trị mong muốn i sdref được đặt bằng 0 Nguyên nhân cho sự khác biệt này sẽ được trình bày chi tiết trong phần sau.
Trong đó 𝑍 số cặp cực từ; 𝑚 đ = 3
2 𝑍 𝑝 𝛙 𝑝 𝑖 𝑠𝑞 là momen đồng bộ sinh ra do tác động của từ thông nam châm và dòng điện phần ứng; 𝑚 = 3
2 𝑍 𝑝 𝑖 𝑠𝑞 𝑖 𝑠𝑑 (𝐿 𝑠𝑑 − 𝐿 𝑠𝑞 ) là momen phản ứng phần ứng
Momen của động cơ chủ yếu được tạo ra từ tác động của từ thông nam châm và dòng điện phần ứng, cụ thể là momen đồng bộ Để đơn giản hóa bài toán, có thể bỏ qua momen phản ứng phần ứng bằng cách đặt giá trị dòng điện mong muốn i sd = 0 Đây là nội dung chính của đồ án về tổng hợp hệ thống truyền động điện.
Khối Inverse Parke Transformation chuyển đổi hệ tọa độ từ u sd và u sq sang u sα và u sβ Bộ nghịch lưu điện 3 pha PWM sử dụng các đại lượng điện áp u sα và u sβ để điều khiển thời gian đóng ngắt t u, t v, t w Điện áp đầu ra từ bộ nghịch lưu sẽ cung cấp năng lượng cho động cơ hoạt động hiệu quả.
Nhận xét: Giá trị thu được từ mạch vòng tốc độ sẽ là giá trị đầu vào cho mạch vòng dòng điện.
T ỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN
Ta có phương trình ở dạng Laplace lấy từ mục 1.1Mô hình hóa động cơ :
Hàm truyền của bộ biến đổi công suất:
Hàm truyền của cảm biến đo dòng điện:
1 + 𝜏 𝑠 Trong đó k i là hệ số khuếch đại bộ đo và 𝜏 là hằng số thời gian mạch đo
Chọn hệ số khuếch đại Ki =1
Hằng số thời gian của bộ lọc τ i =0.001
Trong đó k i là hệ số khuếch đại bộ đo và 𝜏 là hằng số thời gian mạch đo
Hàm truyền của bộ điều khiển PI:
𝑠𝑇Trong đó 𝐾 = 𝐾 và = Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển dòng điện động cơ PMSM theo nguyên lý FOC với i sd =0 2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện i sd
Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển chi tiết dòng điện i sd
Hình 3.4 Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện i sd Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện i sq
Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển chi tiết dòng điện i sq
Hình 3.6 Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện i sq
T ỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ
Hàm truyền của bộ điều khiển PI:
Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ:
K ω là hệ số khuếch đại của cảm biến τ ω là hằng số thời gian của bộ lọc
Chọn hệ số khuếch đại K ω =1
Hằng số thời gian của bộ lọc τ ω =0.005 Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ PMSM theo nguyên lý FOC
P HƯƠNG PHÁP DÒ TÌM THÔNG SỐ PI
Trong đồ án này, việc tính toán thông số PI gặp nhiều khó khăn Để xác định các thông số bộ PI, ta sẽ điều chỉnh từng bộ PI (bao gồm 3 bộ) và kiểm tra phản hồi thông qua Scope xem có bám theo thành phần mong muốn hay không Bắt đầu với Kp=Ki=0, ta sẽ tăng dần giá trị Kp cho đến khi động cơ hoạt động và theo dõi giá trị phản hồi Sau đó, tiếp tục tăng Ki để khử các sai số xác lập.
Ta có thông số 3 bộ PI sau khi đã hiệu chỉnh:
Bộ PI điều khiển tốc độ ω: Kp;Ki
Bộ PI điều khiển isd: Kp;Ki
Bộ PI điều khiển isq: Kp;Ki
MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
M Ô HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHẦN MỀM M ATLAB -S IMULINK
Hình 4.1 Mô hình mô phỏng hệ thống
K ẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
2.1 Tốc độ đặt và tốc độ thực của động cơ
Hình 4.2 Đồ thị tốc độ đặt và tốc độ thực của động cơ
Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ động cơ bám theo tốc độ mong muốn nhưng vẫn có những thời điểm xảy ra sự vọt lố
2.2 Momen tải và momen động cơ
Hình 4.3 Đồ thị momen tải và momen động cơ
Kết quả mô phỏng cho thấy momen động cơ bám theo momen tải nhưng ở những thời điểm thay đổi momen xảy ra sự vọt lố
T o c d o [r a d /s ] M o m e n [N m ] Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Hình 4.4 Đồ thị dòng điện stator 2.4 Mối quan hệ momen động cơ và dòng điện i sq
Hình 4.5 Mối quan hệ giữa momen động cơ và dòng điện i sq
Kết quả mô phỏng cho thấy dòng điện isq thay đổi tỷ lệ thuận theo momen của động cơ
D o n g d ie n Ia b c [A ] D o n g d ie n Iq [A ] M o m e n [N m ] Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
2.5 Mối quan hệ giữa tốc độ và tần số điện áp dây ab
Hình 4.6 Mối quan hệ giữa tốc độ và tần số điện áp dây U ab
Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số điện áp u ab
Trong khoảng thời gian từ 0 đến 1 giây và từ 3.5 đến 4 giây, tốc độ động cơ tăng dần, mặc dù chiều quay của động cơ là ngược nhau Đồ thị cho thấy tần số đóng cắt điện áp u ab cũng tăng theo.
Trong khoảng thời gian từ 1s đến 3s và 4s đến 6s, tốc độ động cơ duy trì sự ổn định, cùng với tần số đóng cắt điện áp u ab cũng ở mức ổn định Tuy nhiên, từ 1s đến 3s, các xung điện áp băm xuất hiện dày hơn so với khoảng thời gian 4s đến 6s do tốc độ trong khoảng 1s đến 3s lớn hơn.
Trong khoảng thời gian từ 3s đến 3.5s và từ 6s đến 7s, tốc độ động cơ giảm về 0, mặc dù chiều quay của động cơ là ngược nhau Điều này dẫn đến tần số đóng cắt điện áp u ab cũng giảm dần.
T o c d o [r a d /s ] D ie n a p U a b [V ] Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
2.6 Mối quan hệ giữa tốc độ và dòng điện stator
Hình 4.7 Mối quan hệ giữa tốc độ và dòng điện stator
Kết quả mô phỏng cho thấy thời điểm động cơ đảo chiều thì dòng điện i abc cũng đảo ngược pha
3 Phân tích các kết quả mô phỏng
Mối quan hệ giữa momen động cơ và dòng điện isq
Kết quả mô phỏng cho thấy dòng điện i sq thay đổi tỷ lệ thuận theo momen của động cơ Phương trình momen quay:
Để tối ưu hóa tỷ số giữa momen và dòng điện, ta đặt i_sd = 0, với 𝛙 là đại lượng từ thông không đổi Từ phương trình, ta nhận thấy rằng momen động cơ tỷ lệ thuận với dòng điện i_sq, điều này cho thấy kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết.
Mối quan hệ giữa tốc độ và tần số điện áp dây u ab
Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số điện áp uab
Tốc độ động cơ được tính theo phương trình: = Trong đó, f s là tần số nguồn cung cấp và p p là số cặp cực của động cơ Điều này cho thấy tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số nguồn điện, khẳng định rằng kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết.