1 ĐẠI HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC K TRẦN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Đ Chuyên ngành: Kỹ thu Mã số TÓM TẮT LUẬN VĂ Thái N 2 Công trình được hoàn thành tại 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 3 MỞ ĐẦU Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm hơn so với động cơ một chiều: hệ số công suất cao, vận hành tin cậy, giá thành chế tạo và chi phí vận hành thấp Tuy nhiên do cấu trúc phi tuyến với đa thông số nên điều khiển động cơ không đồng bộ là rất khó khăn Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật 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 do này, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều chỉnh tốc độ của các máy sản xuất, thay thế dần cho động cơ một chiều Gói giải pháp InstaSpin là các thuật toán và phần mềm sử dụng cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều (biến tần) trên nền tảng các vi điều khiển sản xuất gần đây Các phần mềm nói trên được tích hợp ngay bên trong của vi điều khiển nên sẽ rất dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng Bộ DRV8312-69M là một thiết bị dựa trên công nghệ của hãng InstaSpin để điều khiển đánh giá động cơ Bằng cách sử dụng công nghệ mới InstaSpin, DRV8312-69M cho phép nhận dạng nhanh chóng, tự động điều chỉnh và điều khiển động cơ theo yêu cầu công nghệ 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 tiếp với 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 nghiên cứu khoa học: 4 “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 cơ xoay 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 của từng 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 xoay chiều 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 5 CHƯƠNG 1 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 xoay chiều ba pha - Lựa chọn được động cơ để nghiên cứu là động cơ không đồng bộ - Giới thiệu được các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ xoay 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 ba pha 6 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: * Hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ) Trường hợp này xảy ra khi ωk=0 Phương trình điện áp stator giữ nguyên dạng ban đầu của nó * Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq) Trường hợp này xảy ra khi ωk= ωs Thay vào (2.10) ta có phương trình điện áp stator trên hệ tọa độ dq: 2.1.1.2 Phương trình điện áp rotor Phương trình tổng quát cho điện áp rotor: * Hệ tọa độ cố định trên stator (hệ tọa độ αβ) * Hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq) 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 không đồng bộ như sau: 7 Hệ phương trình (2.19a, b, c, d) có thể được viết lại dưới dạng sau: Phương trình (2.24) là phương trình trạng thái của ĐCKĐB, với: là vector đại lượng đầu vào với các phần tử là số thực là vector trạng thái với các phần tử là số thực là ma trận hệ thống và là ma trận đầu vào Mô hình trạng thái (2.24) được minh họa như sau: (t) ∫ 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 trong trường hợp động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp như sau: Trong đó: là vector đại lượng đầu vào (vector điện áp stator) với các phần tử là số thực là vector trạng thái với các phần tử là số thực là ma trận hệ thống, là ma trận đầu vào, là ma trận ghép phi tuyến 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 8 Phần phi tuyến (t) ∫ 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 Từ hệ phương trình (2.40a, b) ta có mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ như sau: Nửa mô hình trên Nửa mô hình dưới 9 Hình 2.5: Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ 10 2.2.2 Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor Nửa mô hình trên Nửa mô hình dưới Hình 2.6: Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq 11 2.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ truyền động dùng động cơ không đồng bộ điều khiển tựa theo từ thông rotor ĐCTT DTT ĐCD CĐTu ĐCVTKG 3~ ω u v w 3 2 MHTT ω CĐTi ĐCKĐB ω M 3~ ĐCTĐQ Máy đo tốc độ quay 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 12 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP INSTASPIN 3.1 Giới thiệu gói giải pháp InstaSpin Gói giải pháp này cho phép điều khiển nhanh chóng và dễ dàng với tất cả động cơ ba pha mà không yêu cầu thông số kỹ thuật của động cơ [5] Ngoài ra, công nghệ này không sử dụng cảm biến nên giá thành tiết kiệm hơn so với những công nghệ khác Giải pháp InstaSpin bao gồm nhiều giải pháp, trong phạm vi luận văn này, tác giả chỉ nghiên cứu giải pháp InstaSpin- FOC (Field oriented control- điều khiển tựa theo từ thông) Giải pháp này giúp tự động nhận dạng và điều chỉnh ở tất cả các tốc độ và các loại tải của động cơ [4] Công nghệ InstaSpin TMFOC 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 hoàn toàn bất kỳ loại động cơ ba pha nào, thay đổi tốc độ, không cảm biến, điều khiển động cơ đồng bộ hay không đồng bộ chỉ trong vài phút Công nghệ mới này không cần đến bộ cảm biến cơ làm giảm chi phí cho hệ thống và cải thiện hoạt động sử dụng phần mềm mã hóa mới (khâu quan sát không cảm biến), FAST TM (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 13 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 14 CHƯƠNG 4 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 vào InstaSpin-FOC cho phép nhận dạng các tham số cần thiết để sử dụng trong các mạch vòng điều khiển kín không dùng cảm biến Đặc tính nhận dạng động cơ của giải pháp InstaSpin cho phép người sử dụng 15 có thể truyền động động cơ với chất lượng cao nhất ngay cả khi không biết trước các tham số của động cơ Nhận dạng tham số động cơ có thể được thực hiện theo phương pháp nhận dạng đầy đủ và nhận dạng tối thiểu Khi nhận dạng 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 16 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 17 Hình 4.4: Sơ đồ trạng thái bộ điều khiển 18 4.2.2 Ước lượng trạng thái Hình 4.5: Lưu đồ ước lượng trạng thái 19 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 20 4.3.4 Kết quả 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 và tự chỉnh định kết thúc như sau: Bộ điều khiển dòng Iq Kp = 0.336 Ki = 0.0626 Bộ điều khiển dòng Id Kp = 0.336 Ki = 0.0626 Bộ điều tốc độ Kp = 8 Ki = 0.08 21 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 22 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 đến tốc độ 1000 vòng/ phút, 2000 vòng/ phút 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận Đề tài nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là một đề tài rất phong phú và có nhiều vấn đề phức tạp Trong phạm vi luận văn này, tác giả đã trình bày được một số vấn đề như sau: - Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở hai chế độ liên tục và gián đoạn - Thiết kế được bộ điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha 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 mặt không 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 bề mặt khe từ + Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi Nội dung đề tài còn nhiều khía cạnh chưa được xét đến Do vậy 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 của gói giải pháp InstaSpin  ... phát triển hệ thống điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin. ” Mục tiêu luận văn Mục tiêu thiết kế điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin. .. nghiên cứu điều khiển tốc độ động xoay chiều, ưu nhược điểm điều khiển Mục tiêu cụ thể sau: - Phân tích hệ thống điều khiển tốc độ động xoay chiều - Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động xoay. .. thống điều khiển tốc độ động xoay chiều ba pha sử dụng giải pháp InstaSpin Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA 1.1 Tổng quan động xoay chiều ba