Đồ án chuyên ngành truyền động điện

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 1

MỤC LỤC
ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (IPMSM) 2
I. Giới thiệu động cơ các phương pháp điều khiển, ứng dụng 3
1.Khái niệm và cấu tạo 3
2.Phân loại 3
3.Nguyên lý hoạt động 5
4.Ứng dụng 5
II.Hệ phương trình cơ bản của động cơ IPM 6
1.Đặt vấn đề 6
2.Các hệ phương trình cơ bản của động cơ 6
3.Mô hình động cơ trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor 9
III. Chiến lược điều khiển 11
1.Phương pháp điều khiển FOC 11
2.Phương pháp điều khiển MTPA 12
IV. Tổng hợp hệ thống điều khiển động cơ nam châm chìm tựa theo từ thông rotor
14
1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện 14
2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 17
V.Mô phỏng trong matlab 19
1.Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản 19
2.Trường hợp điều khiển trên tốc độ cơ bản 22
VI. Tài liệu tham khảo 26

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 2

ĐỀ TÀI : ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (IPMSM)
Thông số động cơ: Cho động cơ đồng bộ IPM với các thông số sau:
Udm=50V, n
đm
=1200rpm ,J=0.4e-3 kg.m
2
,I
đm
=8.66,số đôi cực p
c
=2 ,R
s
=0.57Ω,

f
=0.108Wb, L
sd
=8.7mH, L
sq
=22.8mH
YÊU CẦU:
- Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động điều khiển bằng phương pháp

vector
- Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền
- Xây dựng cấu hình hệ điều khiển với mạch dòng điện và tốc độ
Mô phỏng hệ điều khiển bằng phương pháp điều khiển PID dùng mô hình hàm
truyền
Lấy các đặc tính điều khiển (tốc độ, dòng điện) vùng dưới tốc độ cơ bản và vùng
điều khiển giảm từ thông (trên tốc độ cơ bản )

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 3

I. Giới thiệu động cơ các phương pháp điều khiển, ứng dụng
1.Khái niệm và cấu tạo
Động cơ đồng bộ là động cơ xoay chiều có tốc độ quay của rotor bằng tốc độ
quay của từ trường. Ở chế độ xác lập động động cơ điện có tốc độ quay của rotor
luôn không đổi khi tải thay đổi tùy thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực của động
cơ
Động cơ đồng bộ nói chung , động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nói riêng là
những máy điện xoay chiều gồm có 2 phần stator và rotor , phần cảm đặt ở rotor
và phần ứng đặt ở stator. Với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thì phần cảm
ứng được kích thích bằng những phím nam châm bố trí trên bề mặt hoặc dưới bề
mặt rotor. Các thanh nam châm được làm bằng đất hiếm ví dụ như Samariu-cobalt
(SmCO
5
, SmCO
7
) hoặc Neodymium-iron-boron (NdFeB) , là các nam châm có

năng suất năng lượng cao và tránh được khử từ, thường được gắn trên bề mặt hoặc
bên trong lõi thép rotor để đạt được độ bền cơ khí cao, nhất là khi tốc độ làm việc
cao thì khe hở giữa các nam châm có thể đắp bằng vật liệu từ sau đó bọc bằng vật
liệu có độ bền cao , ví dụ như sợi thủy tinh hoặc bắt bu lông vít lên các thanh nam
châm. Ngoài ra còn có nam châm gốm độ bền cao
2.Phân loại









PMAC machines
Trapezoidal type
(BLDCM)
Sinusoidal type
(PMSM)
Surface magnets
type(SPM)
Interior magnets type
(IPM)
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 4

Dựa vào loại sức phản điện động trên stator động cơ đồng bộ xoay chiều ba pha
(PMAC) có thể chia làm 2 loại dạng hình sin (PMSM) và dạng hình thang (BLDC)
Loại Trapezoidal PMAC còn được gọi là động cơ một chiều không chổi than
(BLDC). Điểm khác biệt cơ bản so với những động cơ đồng bộ khác là sức phản
điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang do cấu trúc dây quấn tập
trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây quấn phân tán). Dạng sóng
sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ BLDC có đặc tính cơ giống
động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng sinh mômen cao, hiệu suất cao.
Dựa vào vị trí nam châm trong rotor người ta phân Sinusoidal PMAC thành 2 loại
động cơ đồng bộ nam châm bề mặt (SPMSM) và động cơ đồng bộ nam châm chìm
(IPMSM)
Hình 1: Cấu trúc động cơ SPM và IPM

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 5




Hình 2 : Khác với động cơ SPM, động cơ IPM có điện cảm dọc trục và ngang trục
khác nhau
Động cơ SPM thông thường có nam châm được gắn trên bề mặt rotor. Động cơ
IPM có nam châm được gắn chìm bên trong rotor dẫn tới sự khác biệt giữa điện
cảm dọc trục và điện cảm ngang trục . Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả
năng sinh mômen rất cao. Mặt khác động cơ IPM có phản ứng phần ứng mạnh, dẫn
tới khả năng giảm từ thông mạnh, cho phép nâng cao vùng điều chỉnh tốc độ
3.Nguyên lý hoạt động

Điện áp đặt lên stator là điện áp ba pha có thể cấp từ biến tần hoặc từ lưới dẫn
đến xuất hiện dòng ba pha trên stator. Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ thông khe hở
không khí,từ thông này tác động với dòng điện stator tạo ra momen kéo rotor quay
. Ở chế độ xác lập tốc độ rotor luôn đồng bộ với từ trường stator nên được gọi là
động cơ đồng bộ
4.Ứng dụng
Gần đây động cơ đồng bộ ngày càng ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng
thực tế như trong các phương tiện giao thông trong các máy công cụ như máy nén
khí, máy nghiền và kéo tầu Tận dụng khả năng điều chỉnh trong dải tốc độ rộng
và khả năng sinh momen lớn động cơ đồng bộ nam châm chìm đang được ứng
dụng rất mạnh trong lĩnh vực chế tạo ô tô

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 6

II.Hệ phương trình cơ bản của động cơ IPM
1.Đặt vấn đề
Để xây dựng , thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả chính xác đến
mức tối đa đối tượng cần điều chỉnh . Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện
rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh . Tuy nhiên mô hình được xây dựng
chủ yếu là để phục vụ cho xây dựng các thuật toán điều chỉnh chứ không phải mô
tả chính xác về mặt toán học đối tượng động cơ. Điều đó dẫn đến các điều kiện
được giả thiết khi thiết lập mô hình . Các điều kiện nhằm đơn giản hóa mô hình có
lợi cho việc thiết kế sau này ,mặt khác nó gây nên sai lệch cho phép nhất định giữa
đối tượng và mô hình .Sau này các sai lệch đó phải được loại trừ bằng các phương
pháp thuộc về kỹ thuật điều chỉnh
Về phương diện động động cơ đồng bộ được mô tả bởi hệ phương trình vi phân

bậc cao . Vì cấu trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian , vì các
mạch từ móc vòng ta phải chấp nhận các điều kiện sau đây khi mô hình hóa động
cơ
 Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian
 Các tổn hao sắt từ và bão hòa từ có thể bỏ qua
 Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi
2.Các hệ phương trình cơ bản của động cơ
Phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator của động cơ
U
su
(t)=R
s
i
su
(t) +




U
sv
(t)=R
s
i
sv
(t) +




U
sw
(t) =R
s
i
sw
(t)+




Với R
s
điện trở của cuộn dây stator
Ψ
su,
ψ
sv,
ψ
sw
từ thông stator của cuộn dây pha u,v,w
U
su,
U
sv
,U
sw
điện áp pha u,v,w stator
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 7

Để đơn giản hóa mô hình động cơ dùng phép chuyển đổi trục tọa độ đưa hệ thống
ba pha từ (uvw) sang hệ tọa độ dq . Hệ tọa độ dq là hệ tọa độ tựa từ thông rotor
Ma trận chuyển đổi









 


 



 


 














U
sd
, U
sq
thành phần d,q của vector điện áp stator
 là góc giữa trục chuẩn (quy ước là trục đi qua cuộn dây pha u) và trục rotor

Hình 3.Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor(dq)

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 8


Hình 4.Sơ dồ thay thế động cơ IPM

- Phương trình điện áp stator trong hệ tọa độ dq
U

sd
= R
s
.i
sd
+



-.
q
U
sq
= R
s
.i
sq
+



+.
d
Trong đó i
sd
, i
sq
thành phần d,q của vector dòng điện stator

d,


q
thành phần d,q của vector từ thông
- hương trình từ thông

d
= i
sd.
L
sd +

f


q
= i
sq
. L
sq


f
: từ thông của rotor nam châm vĩnh cửu
 Phương trình mômen
M=


p.(ψ
s
. i

s
)


 Phương trình động học
M-M
T
= J



Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 9

Trong đó J Momen quán tính
M
T
Momen tải
 Tốc độ góc rotor

3.Mô hình động cơ trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor


Hình 5. Mô hình động cơ IPM trong hệ tọa độ từ thông rotor
Sử dụng phương trình từ thông và phương trình điện áp ta có thể viết lại
I
sd

=








 



 


  



I
sq
=









 



 





Phương trình momen
M=









 





=










 






 


(*)

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 10

Nhận xét : Dựa vào phương trình (*) ta nhận thấy momen quay của động cơ IPM
gôm 2 thành phần ,thành phần chính với M
1
= 




và thành phần phản kháng
M
2
=






 


do sự chênh lệch điện cảm stator



 



gây ra .
Ở dải tốc độ định mức để đơn giản hệ thống ta có thể cho i
sd
= 0. Tuy nhiên với dải
tốc độ trên định mức để thu thêm được điện áp điều chỉnh ta phải giảm biên độ từ
thông rotor bằng cách bơm vào trục d một thành phần dòng i

sd
<0 . Động cơ lúc
này được vận hành ở chế độ giảm từ thông và dòng i
sd
sẽ có biên độ lớn tăng tỉ lệ
thuận với tốc độ quay rotor
Từ các phương trình trên ta xây dựng được mô hình trong simulink
Mô hình Simulink

Hình 6. Sơ đồ Simulink động cơ IPM
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 11


III. Chiến lược điều khiển
1.Phương pháp điều khiển FOC
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nghành công nghiệp vi xử lý,
điện tử công suất thì việc áp dụng các phương pháp điều khiển phức tạp ngày càng
trở nên dễ dàng hơn. Một trong những phương pháp tối ưu hiện nay là phương
pháp điều khiển định hướng từ thông (Field orientated control - FOC)
Phương pháp FOC gồm có các loại sau: điều khiển định hướng theo từ thông stator
và điều khiển định hướng theo từ thông rotor. Tuy nhiên phương pháp điều khiển
định hướng theo từ thông rotor có nhiều ưu điểm vượt trội: ứng dụng phương pháp
vector không gian ta có thể dễ dàng xây dựng mô hình động cơ và các phương
trình trên hệ tọa độ (dq) ,triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên trục q, còn thành
phần từ thông trên trục d có thể xem như một đại lượng một chiều, các đại lượng
dòng điện điện áp khi chiếu lên hai trục tọa độ d,q cũng là thành phần một chiều

Với những ưu điểm trên trong đề tài này em sử dụng phương pháp điều khiển động
cơ đồng bộ định hướng theo từ thông rotor

HÌnh 7.Sơ đồ cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 12

Theo sơ đồ cấu trúc gồm mạch vòng dòng điện (gồm i
sd
và i
sq
) và tốc độ. Giá trị
tốc được đo về qua cảm biến so sánh với giá trị tốc độ đặt .
Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản giá trị i
sd
*
=0 . Trường hợp trên tốc độ cơ
bản từ giá trị momen đặt tính được giá trị i
sd
*
và giá trị i
sq
*
.
Việc tính dòng i
sd
*

,i
sq
*
trong đề tài này em sử dụng phương pháp (M
max
/I
s
)
max

(MTPA-Maximum torque per ampere)
2.Phương pháp điều khiển MTPA


Hình 8: Quỹ đạo dòng điện với momen hằng để cực đại tỷ số “momen/dòng điện”
Tại vị trí điểm A trên quỹ đạo thì biên độ i
s
là nhỏ nhất tức dòng cực tiểu,hay nói
cách khác tỉ số “ momen/dòng điện” là lớn nhất. Điều khiển cực đại tỉ số “
momen/dòng điện” dẫn đến tổn thất cực tiểu trong động cơ điều đó có nghĩa là tối
ưu hóa hiệu suất của truyền động.
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 13


Hình 9. Biểu diễn vector i
s

Phương trình momen
M=








 






 


(**)
Đặt 

= 




= 





: biên độ dòng điện lớn nhất được cung cấp từ bộ nghịch lưu
Thay vào (**) ta có
M=












 








Lúc này momen là hàm của . Vậy ta có thể tìm  để tỉ số 





max
Cuối cùng ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa M* và dòng stator tương ứng



f(M*);


f(M*)





Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 14

IV. Tổng hợp hệ thống điều khiển động cơ nam châm chìm tựa theo từ thông rotor

Hình 10. Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ IPM tựa theo từ thông
rotor

1.Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện
Trong trường hợp hệ thống truyền động có hằng số thời gian cơ học rất lớn
(lớn hơn bốn lần hằng số thời gian điện từ của phần ứng ) . Khi đó ra coi sức điện

động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng
điện ( coi E=0). Dựa vào sơ đồ cấu trúc ta thấy hai bộ điều chỉnh dòng điên R
isd
và
R
isq
hoàn toàn giống nhau về mặt cấu trúc nên chỉ cần tính toán thiết kế cho bộ điều
chỉnh dòng R
isd

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 15


Hình 11.Cấu trúc của bộ điều khiển dòng điện

Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện (i
sd
) được mô tả như hình 12

Hình 12. Sơ đồ mạch vòng dòng điện
Trong sơ đồ trên
Tcl : hằng số thời gian của mạch nghịch lưu
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 16

Ti : hằng số thời gian của mạch đo dòng điện
Kcl : hằng số khuếch đại của mạch nghịch lưu
Ki : hằng số khuếch đại của mạch đo dòng điện

Khi đó hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là







(***)
Trong đó các hằng số thời gian Tcl,Ti rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ T
sd
Đặt T
s
= T
cl
+T
i
thì công thức (***) có thể viết gần đúng như sau









Theo tiêu chuẩn tối tối ưu modul thì hàm truyền chuẩn của mạch vòng dòng điện là









 

  

Suy ra




  

Chọn Ts=T ta có



=






 



Ta thấy bộ điều chỉnh dòng điện là môt khâu PI
Bằng cách tương tự ta có bộ điều chỉnh Risq cũng là một khâu PI


=





 



Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 17

Như vậy hàm truyền kín của mạch vòng điều chỉnh dòng điện là
















 

  

2.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ

Hình 13.Cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ








là khâu hàm truyền của cảm biến tốc độ
Từ phần tổng hợp mạch vòng dòng điện ta có hàm truyền



















(**)
Vì hằng số thời gian T
s
rất nhỏ ( cỡ 10
-3
-10
-4
) nên để đơn giản ta có thể thay thế
(**) bằng phương pháp gần đúng của mạch vòng dòng điện













  

Vậy hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là :











    



Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 18

Đặt 


= 2T
s
+ T

Khi đó hàm truyền của đối tượng được viết lại












  

Đặt 







Suy ra 









Trong các thiết bị công nghệ hiện nay thường yêu cầu hệ thống điều chỉnh vô sai
cấp cao , do đó áp dụng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyền chuẩn của mạch
vòng tốc độ là:






=

















Vậy ta có


=









Chọn 


= T
s
Suy ra :


=















Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 19

V.Mô phỏng trong matlab
1.Trường hợp điều khiển dưới tốc độ cơ bản



Hình 14.Sơ đồ simulink cấu trúc điều khiển động cơ IPM dưới tốc độ cơ bản

Sau 1s thì khởi động động cơ bằng cách đặt step time trong khối step là 1. Sau 3s
ta cho tải tác động vào để khảo sát đặc tính động học của hệ thống khi có nhiễu tải
tác động. Giá trị đặt của tốc độ dưới tốc độ cơ bản n*=1000rpm. Để hạn chế dòng

sử dụng khối satulation đặt trước giá trị đặt của dòng điện
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 20



Hình 15. Kết quả mô phỏng  dưới tốc độ cơ bản
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 21


Hình 16. Kết quả mô phỏng i
sd
dưới tốc độ cơ bản
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 22


Hình 17. Kết quả mô phỏng i
sq
dưới tốc độ cơ bản

2.Trường hợp điều khiển trên tốc độ cơ bản


Hình 18. Sơ đồ simulink cấu trúc điều khiển động cơ IPM dưới tốc độ cơ bản

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 23

Tương tự như trường hợp của dưới tốc độ cơ bản sau 1s ta bắt đầu khởi động động
cơ bằng cách cho step time trong khối step bằng 1. Sau thời gian 3s thì bắt đầu cho
tải tác động.
Giá trị đặt của tốc độ n*=1500rpm.Sau đây là kết quả mô phỏng



Hình 19. Kết quả mô phỏng  trên tốc độ cơ bản
Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 24


Hình 20. Kết quả mô phỏng i
sd
trên tốc độ cơ bản

Đồ án chuyên ngành

2014

Mai Đình Thế Page 25


Hình 21. Kết quả mô phỏng i
sq
trên tốc độ cơ bản

Nhận xét: Khi khởi động dòng tăng nhanh để tạo ra momen lớn .Để hạn chế dòng
ta dùng khối saturation để hạn chế dòng lúc khởi động
Từ đồ thị nhận thấy : Kết quả điều khiển cho thấy thiết kế bộ điều khiển khá chính
xác.Thời gian đáp ứng nhanh bám giá trị đặt .Khi có nhiễu tải tốc độ có giảm
xuống song ổn định trở lại rất nhanh bám sát giá trị đặt. Tuy nhiên nhận thấy độ
quá điều chỉnh khá lớn
Tuy nhiên vẫn có sai số mô hình nên khi có nhiễu tải thì giá trị tốc độ bị sụt xuống
khá lớn . Để chất lượng điều khiển được đảm bảo tốt hơn cần dùng bộ điều khiển
theo phương pháp điều khiển tiên tiến như logic mờ