Báo cáo khoa học: "Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ servo không đồng bộ ba pha" ppt

Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển hệ điều khiển
vị trí sử dụng động cơ servo không đồng bộ ba pha


ths. vũ xuân hùng
Bộ môn Trang bị điện - Điện tử
Trờng Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bi báo ny trình by kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá hệ điều khiển vị trí
servo - động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, v kết quả xây dựng giao diện giám sát
v điều khiển vị trí sử dụng Chip công nghệ PSoC v Visual Basic. Giao diện ny giúp cho việc
vận hnh đơn giản, thuận tiện, có thể sử dụng trong công nghiệp hoặc lm mô hình thí nghiệm
phục vụ cho công tác nghiên cứu v giảng dạy.
Summary: This paper presents the result of researches, analyses of the position control
system using servo three phases induction motor and building interface to supervise and
control position using chip PSoC technology and Visual Basic. The interface helps to operate
the position system more easily and effectively. It can be used on industry or as an experiment
model for studying and training in the school.
I. Giới thiệu chung
Hiện nay hệ truyền động điện điều khiển vị trí đợc sử dụng nhiều trong công nghiệp và
giao thông vận tải, các ứng dụng điển hình có thể kể ra nh: truyền động tay máy, ngời máy;
cơ cấu ăn dao và cắt gọt kim loại; quay chảo ăngten, kính viễn vọng; bộ điều chỉnh điện áp
(OLTC) của máy biến áp phân phối; Cơ cấu dải dây trong máy CNC quấn dây; hệ thống điều
chỉnh phun nhiên liệu trên ôtô, tầu hỏa v.v
CT 2
Các hệ điều truyền động điện điều khiển vị trí có thể lựa chọn phơng án dùng động cơ
bớc, động cơ điện một chiều, động cơ không đồng bộ ba pha v.v Tùy theo tải mà công suất
động cơ từ vài watt cho đến hàng trăm kW. Việc lựa chọn phơng án nào còn tùy thuộc vào
từng ứng dụng cụ thể.
Đối với hệ điều khiển vị trí dùng động cơ bớc có giá thành rẻ, phần điều khiển đơn giản,
có thể không cần phản hồi, nhng tốc độ chậm, sai số vị trị lớn và phụ thuộc vào cấu tạo động

cơ bớc.
Với hệ servo sử dụng động cơ một chiều có độ chính xác cao nhng có một nhợc điểm lớn
đó là sinh ra tia lửa điện do tiếp xúc giữa chổi than và vành góp, gây nhiễu điện từ và làm giảm
tuổi thọ, độ tin cậy của hệ truyền động điện. Ngoài ra còn có hệ điều khiển vị trí sử dụng động
cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor) tuy nhiên giá thành cao, chủ yếu dùng cho
vùng công suất bé và trung bình.
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của vi điều khiển, vi xử lý tín hiệu cho phép điều khiển
động cơ không đồng bộ với chất lợng điều khiển tốt, độ chính xác cao, dải điều chỉnh rộng,
công suất lớn v.v Dẫn tới xu thế hiện nay là dần thay hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ một
chiều bằng hệ sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc (ĐC KĐB). Hệ điều khiển


vị trí servo - ĐC KĐB ba pha thực chất là hệ biến tần - ĐC KĐB có thêm bộ điều chỉnh vị trí và
một cơ cấu khóa trục động cơ khi đứng yên, đảm bảo trục động cơ không bị trợt. Thuật toán
điều khiển của hệ này phức tạp, đòi hỏi vi điều khiển phải tính toán nhanh, chính xác nên giá
thành cao. Bù lại, ĐC KĐB làm việc tin cậy, chắc chắn ít phải bảo dỡng và không có tia lửa
điện (so với hệ sử dụng động cơ một chiều).
Trong bài báo này chúng tôi sẽ giới thiệu, phân tích nguyên lý hệ điều khiển vị trí servo -
động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc; và kết quả xây dựng giao diện giám sát và điều
khiển vị trí sử dụng Chip công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) và Visual Basic.
Giao diện này giúp cho việc vận hành đơn giản, thuận tiện, và có thể sử dụng trong công nghiệp
hoặc làm mô hình thí nghiệm phục vụ cho công tác nghiên cứu và giảng dạy.
CT 2
II. Các bộ phận cơ bản của
hệ Servo - ĐC KĐB
Hệ Servo - ĐC KĐB gồm có
hai phần chính: Động cơ chấp
hành Servo và phần điều khiển.
Động cơ chấp hành Servo
gồm có: Động cơ không đồng bộ

ba pha rôto lồng sóc, phanh hãm
điện từ, và máy đo tốc độ
Encoder. Động cơ servo là ĐC
KĐB rôto lồng sóc đầu trục có gắn
một bộ đo tốc độ Encoder. Ngoài
bộ điều khiển, thì số xung phát ra
của Encoder trong một vòng n
e

(xung/vòng) quay quyết định độ
chính xác của hệ điều khiển vị trí.
Để đảm bảo trục động cơ và cơ cấu truyền động không đợc tự quay ngời ta gắn thêm một cơ
cấu vào trục để khóa trục động cơ khi không có tín hiệu điều khiển.
Hình 1. Minh họa một hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ servo
Bộ điều khiển công suất (Power Amplifier, Servo Driver) gồm có các khối chức năng chính
sau: Bộ tạo nguồn một chiều, bộ nghịch lu, bộ điều chế xung điều khiển nghịch lu (theo
nguyên tắc điều chế độ rộng xung PWM hoặc điều chế vectơ không gian SVM), bộ tạo luật điều
khiển cho hệ biến tần - ĐC KĐB, và các khối chức năng hiển thị, truyền thông và bảo vệ.
III. Bộ điều khiển của động cơ Servo không đồng bộ ba pha
Thực chất đây là một hệ biến tần - ĐC KĐB có thêm bộ điều chỉnh vị trí, bộ điều khiển vị trí
có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu đặt cho bộ điều chỉnh tốc độ để đảm bảo vị trí thực sẽ bám theo vị trí
đặt (có thể là một giá trị cố định, hoặc theo một chơng trình, hoặc vị trí ngẫu nhiên).



Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch vòng kín hệ điều khiển vị trí
Trong hệ biến tần, nghịch lu sử dụng van có tần số đóng cắt lớn IGBT hoặc MOSFET,
thờng là IGBT; đợc điều khiển theo nguyên tắc điều chế độ rộng xung PWM hoặc điều chế
vec tơ không gian SVM. Hệ biến tần thờng là hệ điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto, hệ
này cho phép điều khiển nhanh, chính xác mô men quay của động cơ với dải điều chỉnh rộng.

CT 2
Sơ đồ khối của hệ biến tần - ĐC KĐB:
Hình 4. Sơ đồ khối của hệ Biến tần - ĐC KĐB hiện đại

Hình 3. Đặc tính tốc độ, mômen của động cơ servo [1]
1. Điều khiển nghịch lu


CT 2
Để điều khiển nghịch lu thờng có hai nguyên lý sau [6, 7, 8, 9]:
a. Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)
Hình 5. Nguyên lý tạo xung điều khiển PWM

Tron và 0,
nếu ta gọi S
k
là biến trạng thái của khóa T
k
thì khi S
k
= 1 khóa đóng, S
k
= 0 khóa mở. Tại mỗi thời
điểm không kể khi chuyển mạch sẽ có 3 van ở ba pha mở nh vậy sẽ có 2
3
= 8 vectơ điện áp
chuẩn U
k
(k = 0,1, 7), trong đó hai vectơ U
0

(0,0,0) và U
7
(1,1,1) có môđun bằng 0; 6 vec tơ điện
áp còn lại sẽ chia không gian vectơ làm 6 vùng - gọi là 6 sector, hình 6a.
2. Điều khiển vectơ cho hệ biến tần - Động cơ Servo
Để điều khiển hệ biến tần - động cơ không đồng bộ thờng tuân theo luật U/f
x
, hoặc điều
khiển vectơ tựa theo từ thông rôto FOC, hoặc điều khiển trực tiếp mômen DTC [5]. Trong đó hệ
điều khiển vectơ FOC có chất lợng điều khiển cao, dải điều chỉnh rộng, hệ thống làm việc tốt
ngay cả ở vùng tốc độ thấp nên đợc sử dụng trong hệ servo - động cơ không đồng bộ [1, 4, 9].
nh phần, hình
7: Thành phần thứ nhất là i có chiều trùng với vectơ từ thông rôto, thành phần này tỷ lệ với từ
thông rôto (
r
~ i
sd
), nhờ có bộ
sd
đợc giữ không đổi
i
sd
= cons
từ). Thành phần thứ hai là i
sq
có ng rôto. Do mômen quay tỷ lệ
với tích của từ thông và thành phần dòng i
sq
( M ~
r

.i
sq
), mặt khác từ thông đợc giữ không đổi
Hình 6. Nguyên lý SVM a) Sáu vectơ điện áp chuẩn, b) Cách tạo một vectơ điện áp
có modul bất kỳ từ các vectơ chuẩn
b. Nguyên lý điều chế vectơ không gian SVM (Space Vector Modulation)
g sơ đồ nghịch lu IGBT, hình 4, mỗi khóa T
k
(k = 1, 2, 6) có hai trạng thái 1
Véc tơ dòng điện stato trong hệ tọa độ từ thông rôto đợc tách ra làm hai thà
sd
điều chỉnh dòng điện mà thành phần i
t do đó từ thông rôto đợc giữ không đổi, i
sd
đợc gọi là dòng tạo từ thông (dòng kích
chiều vuông góc với vectơ từ thô


U
1
U
2
U
3
U
4
U
5
U
6

S
5
S
6
S
1
S
2



S
3
S
4
Q
2
Q
1
Q
4
Q
3
a
)

U
t
U
2

U
U
1
U
p
S

b
)



CT 2
nên t
điều
cho động cơ không đồng bộ sẽ tơng tự nh điều khiển
động
cấu t
khiể
ộ quay 3.000 vòng/phút, tốc độ quay lớn
lớn nhất 7.1 Nm
ch chuyển nhỏ nhất = 0.036
0
. Có nút
quay.
xung, một xung vuông cấp cho đầu vào
chuẩn đoán sự cố.
g trong hệ điều khiển
vị trí sử dụng động cơ servo không đồng bộ ba pha.
hành phần dòng i

sq
tỷ lệ với mômen, bằng cách
chỉnh dòng i
sq
ta sẽ điều chỉnh đợc mômen quay,
dòng i
sq
đợc gọi là dòng tạo mômen quay. Nh vậy
nếu thành công trong việc giữ i
sd
= const và áp đặt
nhanh dòng i
sq
để điều khiển mômen thì thuật toán điều
khiển vectơ (điều khiển định hớng từ trờng rôto FOC)
cơ một chiều kích từ độc lập [4]. Hình 8 là sơ đồ
rúc hệ điều khiển vị trí với chiến lợc điều khiển
vectơ tựa theo từ thông rôto.
IV. Xây dựng giao diện giám sát v điều
n cho hệ điều khiển vị trí Servo - ĐC KĐB, sử dụng vi điều khiển công
nghệ PSoC

1. Giới thiệu bộ điều khiển vị trí servo - ĐC KĐB của hng Omron
- Ký hiệu: SmartStep A - Series R7D-AP08H
- Động cơ servo ĐC KĐB công suất 750 W; Tốc đ
nhất 4.500 vòng/phút; Mômen đầu ra 2.39 Nm, mômen
- Nguồn cấp: Điện áp xoay chiều một pha hoặc ba
- Encoder 10.000 xung/ vòng, độ phân dải góc dị
điều chỉnh ứng với 500; 1000; 5000; 10.000 xung/ vòng
- Bộ điều khiển Servo Driver đợc điều khiển theo

bộ điều khiển servo thì động cơ sẽ quay một góc .
- Truyền thông với bộ lập trình cầm tay theo chuẩn RS 422
- Chức năng bảo vệ quá áp, quá dòng, có khả năng
pha
Hình 7. Vectơ dòng điện, điện áp
trong hệ tọa độ từ thông rôto
Hình 8. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vectơ FOC dùn


Hình 9. Bộ điều khiển vị trí của hãng Omron [1]
2. Giao diện giám sát và điều khiển
CT 2
Sơ đồ khối:
PC
Đặt góc quay, chiều
quay, đo góc thực
Hình 11. Mạch phần cứng của Card giám sát v
điều khiển v
ị
trí sử d
ụ
n
g
PSoC CY8C2946
6
Hình 10. Sơ đồ khối của hệ thống giám sát
v điều khiển vị trí
Sai
Đ

PSoC
Nhận góc đặt, chiều
quay từ PC
Ra lênh:
Cho phép chạy, mở
phanh, chọn
chiều quay
Ra lênh:
Cấp xung điều khiển
Truyền góc lên máy
tính để hiển thị
Góc thực < Góc
đặt
Đ
o góc thực trên trục
động cơ từ Encoder
Hình 12. Sơ đồ thuật toán



CT 2


Giao diện trê ông tin, đặt chiều
quay, đặt góc quay, đo g
Lập trình cho h phần cứng:
thiết lập cấu hình ph sở phần cứng vừa
thiết lập ta viết ch g tin, hình 16.
Kết quả là h ng cơ chạy
êm, không gi

Tài liệu tham khảo
[1]. Tài liệu kỹ thuật về Smart Step A - Series R7D-AP08H và biến tần 3G3MV của hãng Omron.
[2]. Tài liệu kỹ thuật về PSoC của hãng CyPress.
[3]. Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh. Giải pháp nâng cao hiệu quả và hiệu suất sử dụng hệ biến tần động
cơ không đồng bộ. Tạp chí Khoa học GTVT, 12/2006.
[4]. Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh. Phơng pháp tổng hợp và mô phỏng hệ Biến tần điều khiển vectơ -
Nhận dạng hằng số thời gian rôto; Tạp chí Khoa học GTVT, 3/2005.
[5]. Vũ Xuân Hùng, Trần Văn Thịnh, Hồ Mạnh Tiến. Điều khiển trực tiếp từ thông stato và mô men của
động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng kỹ thuật điều chế vec tơ không gian; Tạp chí Khoa học GTVT,
11/2005.
[6]. Vũ Xuân Hùng. Tính toán tổn thất năng lợng trong quá trình động của động cơ không đồng bộ khi
đợc cấp điện từ biến tần PWM, Tạp chí Khoa học GTVT, 11/2003.
[7]. Richard Valentine. Motor Control Electronics Handbook, McGraw-Hill, 1998.
[8]. J. Vithayathil. Power Electronics - Principles & Applications, McGraw - Hill, 1996.
[9]. Ng. Ph. Quang, A. Dittrich. Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản KHKT, 2002

n máy tính có các chức năng: Đặt tốc độ và số bít truyền th
óc quay thực của trục Servo qua Encoder, hình 14.
PSoC bằng phần mềm PSoC Designer, gồm hai bớc: Lập trìn
ần cứng cho chip, hình 15 và lập trình phần mềm: trên cơ
ơng trình tính toán, xử lý, vào ra dữ liệu, truyền và nhận thôn
ệ thống vận hành tốt, truyền dữ liệu và đo lờng chính xác, độ
ật, mômen hm trục lớn.
Hình 13.
PSoC v Servo Driver
Sơ đồ nối dây giữa Card
Hình 14. G
điề
iao diện giám sát v

u khiển vị trí