Thiết kế hệ thống truyền động cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn đồ án 3

LỜI NĨI ĐẦU
Trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa hiện hóa đất nước ,Truyền động điện
giữ một vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất để nâng cao sản xuất
và chất lượng sản phẩm . Sự bùng nổ tiến bộ khoa học kỹ thuật trong các lĩnh
vực điện-điện tử-tin học trong những năm gần đây đã dấn đến sự thay đổi sâu
sắc cả về mặt lý thuyết lẫn thực tiễn trong các lĩnh vực truyền động điện tự động
.Trong trường học thì Truyền động điện là mơn học đặc biệt quan trọng với
nghành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.Nó giúp sinh viên hiểu rõ được bản
chất của truyền động,cơ,điện,từ động cơ một chiều và xoay chiều ,các đặc tính
,các chế độ làm việc của động cơ.
Đề tài “Thiết kế hệ thống truyền động cho động cơ quay chi tiết máy mài
tròn” với nhiều nội dung phong phú đã giúp em có thể hiểu sâu hơn về mơn học
Truyền động điện .Gia công mài là một trong năm nguyên công gia công cơ bản
gồm: tiện, phay, khoan – doa, bào, mài,... Đá mài có thể gọt một lớp kim loại rất
mỏng nên khi mài có thể đạt đến độ chính xác rất cao. Ngun cơng mài được
thực hiện trên máy mài. Ngồi ra, cịn có các máy khác như máy mài vô tâm,
máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng, v.v… Máy mài chiếm khoảng 25%
trong số các loại máy cắt kim loại. Hiện nay, mài không những dùng ở các
ngun cơng gia cơng tinh mà cịn dùng ở các ngun cơng gia cơng thơ khi cần
có năng suất và hiệu quả kinh tế cao. Đồ án này sẽ đi sâu tìm hiểu cơng nghệ
máy mài trịn và thiết kế hệ truyền động quay tròn chi tiết cho máy mài tròn.
Trong suốt làm đồ án ,em đã nhận được sự chỉ bảo tận tình của thầy,Thạc
sỹ Lê Văn Chương cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn trong lớp.Song vì
kiến thức bản thân cịn nhiều hạn chế và điều kiện tiếp cận thực tế không nhiều
nên bản đồ án không tránh khỏi được những thiếu sót.Vậy em mong sẽ nhận
được nhiều ý kiến đóng góp và nhận xét của Thầy giáo và các bạn để bản đồ án
này được hoàn thiện hơn,đồng thời giúp cho chúng em có thể nâng cao được
trình độ chun nghành và áp dụng được những kiến thức đã học và thực tế
cơng việc của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!!
Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Vương
Chương 1:Tổng quan công nghệ,các yêu cầu ,lên phương án truyền
động và tính chọn động cơ.
1


I.1 Giới thiệu công nghệ gia công cắt gọt kim loại
Gia công cắt gọt kim loại là công nghệ gia công bằng cách cắt bớt các lớp
kim loại thừa, để sau khi gia cơng có hình dạng gần đúng u cầu (gia cơng thơ)
hoặc thỏa mãn hồn tồn u cầu đặt hàng với độ chính xác nhất định về kích
thước và độ bóng cần thiết của bề mặt gia cơng (gia công tinh). Các máy thực
hiện việc gia công cắt gọt kim loại gọi chung là máy cắt kim loại.
Trên quan điểm công nghệ, gia công cắt gọt kim loại có mấy loại cơ bản
là tiện, phay, khoan-doa, bào, mài. Năm công nghệ được phân biệt nhau bởi 2
chuyển động: chuyển động chính và chuyển động ăn dao. Trong đó:
- Chuyển động chính là chuyển động tạo ra lực cắt.
- Chuyển động ăn dao là chuyển động cắt tạo ra phoi.

Hình 1.1: Các dạng gia cơng trên máy cắt kim loại
a)

Tiện. b) Khoan. c) Phay. d) Mài. e) Bào

- Gia cơng trên máy tiện (a): chi tiết quay trịn, dao chuyển động tịnh tiến.
- Gia công trên máy khoan (b): chi tiết đứng n, dao chuyển động quay
trịn.
- Gia cơng trên máy phay (c): chi tiết chuyển động tịnh tiến, dao chuyển
động quay tròn.
2

- Gia công mài (d): chi tiết chuyển động quay trịn, dao chuyển động
quay trịn.
- Gia cơng bào (e): chi tiết chuyển động tịnh tiến, dao chuyển động tịnh
tiến.
I.2 Giới thiệu gia cơng mài

Hình 1.2: Hình dạng chung của máy mài.
Mài trịn có hai loại: mài trịn trong và mài trịn ngồi. Trên máy mài
trịn, chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài; chuyển động ăn dao là
chuyển động tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc di chuyển tịnh
tiến theo hướng ngang (ăn dao ngang trục) hoặc chuyển động quay của chi tiết
(ăn dao vòng). Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết.

Hình 1.3: Mài trịn ngồi

Hình 1.4: Mài trịn trong

Có 2 phương pháp mài cơ bản: mài chạy dao dọc và mài chạy dao
ngang:
3


-Mài chạy dao dọc: chuyển động chạy

-Mài chạy dao ngang: là phương pháp có

dao hướng kính chỉ được thực hiện ở cuối lượng chạy dao ngang, dùng để mài tròn
hành trình sang trái hoặc sang phải sau mộtcác chi tiết có chiều dài ngắn hơn chiều
hành trình kép của bàn máy mang chi tiết

Hình 1.5: Mài chạy dao dọc

rộng của đá

Hình 1.6: Mài chạy dao ngang mài.

Có hai chế độ mài: mài thô và mài tinh. Khi mài thô, làm thế nào trong
thời gian ngắn nhất gọt được nhiều lớp kim loại thừa còn yêu cầu đối với chất
lượng mặt ngồi và độ chính xác gia cơng thì tương đối thấp. Khi mài tinh,
chiều sâu cắt rất nhỏ; khi mài hết lớp kim loại thừa trên vật gia công, không
được dùng bước tiến ngang mà cứ tiếp tục mài cho đến khi khơng cịn phát ra tia
lửa mới thơi.
Mài làm tăng độ bóng, độ chính xác (độ bóng đạt cấp 8 – 10, độ chính xác
đạt đến cấp 2). Mài cũng có thể cắt được các loại thép tơi cứng các loại thép
dụng cụ mà các gia công khác không làm được.
I.3 Phân tích đặc điểm, yêu cầu truyền động
Ở đây chỉ phân tích yêu cầu truyền động cho truyền động quay chi tiết mài.
Rõ ràng, việc gia công phải được thực hiện với những chi tiết khác nhau, tức
là có các chế độ cắt khác nhau. Các chế độ cắt khác nhau được thực hiện bằng cách
điều chỉnh tốc độ truyền động chính và truyền động ăn dao. Khi giải quyết vấn đề
này, ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu: phạm vi điều chỉnh tốc độ, độ trơn điều
chỉnh, điều kiện phụ tải, chế độ làm việc, độ ổn định tốc độ và tính kinh tế của hệ
thống truyền động. Sau đây sẽ lần lượt đề cập đến các yếu tố đó:
-

Phạm vi điều chỉnh tốc độ: trong máy mài trịn, dải điều chỉnh tốc độ

được tính bởi tỉ số giữa tốc độ quay lớn nhất và tốc độ quay nhỏ nhất. Thường,
4

các máy mài điều tốc theo cấp bằng cách điều chỉnh số đơi cực nên dải điều
chỉnh bé. Có thể mở rộng dải điều chỉnh bằng cách dùng bộ biến tần để điều
chỉnh trơn tốc độ cho động cơ quay chi tiết. Phạm vi điều tốc càng rộng càng có
nhiều chế độ gia cơng.
-

Độ trơn điều chỉnh:Như đã nói ở trên, độ trơn điều chỉnh phụ thuộc

cách điều tốc cho truyền động ăn dao. Điều chỉnh càng trơn thì chất lượng bề
mặt gia công càng tốt.
- Điều kiện phụ tải: Đặc tính cơ phụ tải được cho bởi phương trình:
▪ Mđm: Momen định mức của động cơ.
▪ Mco: Momen cản ở ω = 0 € động cơ không chuyển động.
▪ ωđm: Tốc độ định mức của động cơ.
▪ ω: Tốc độ đang xét.
▪

x: Đặc trưng cho tải: x = 0 ứng với chuyển động ăn dao; x = -1

ứng với chuyển động chính.
Như vậy, nói riêng trong truyền động ăn dao – truyền động quay tròn cho
chi tiết, x = 0; suy ra phương trình đặc tính cơ trở thành:
Mc = Mđm = const
Từ đó, ta thấy nói chung momen tải là không đổi. Tuy nhiên, trong vùng
tốc độ thấp, lượng ăn dao nhỏ, lực cắt bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn. Trong
vùng này, tốc độ ăn dao giảm làm cho lực ăn dao và momen cũng giảm theo.
Vùng tốc độ cao thì bị giới hạn bởi cơng suất của động cơ truyền động nên tại
đó, momen cũng phải giảm để không làm công suất của truyền động q lớn.

Tóm lại, ta có đặc tính cơ phụ tải truyền động quay chi tiết như sau:

5


Hình 1.7: Đặc tính cơ phụ tải của truyền động quay chi tiết.
Như vậy, nhiệm vụ của truyền động động cơ là phải làm đặc tính điều
chỉnh của nó giống đặc tính cơ của máy cắt.
- Chế độ làm việc: Khi gia cơng mài, chi tiết quay liên tục cịn đá mài di
chuyển trên bề mặt vùng cần gia công. Do đó, chế độ làm việc của truyền động
ăn dao là chế độ làm việc dài hạn và không yêu cầu đảo chiều.
- Chế độ tải: Khi hệ thống làm việc, chi tiết được lắp trên trục của tang
trống và quay với vận tốc tỉ lệ với tốc độ của trục động cơ. Do đó, động cơ mang
tải ngay từ đầu. Do chế độ gia công khác nhau, các chi tiết khác nhau, nên
khơng qui đổi momen qn tính của chi tiết về trục động cơ mà coi chi tiết như
một tải có sẵn trên trục động cơ.
- Độ ổn định tốc độ: Rõ ràng, tốc độ quay càng ổn định thì chất lượng gia
cơng càng cao, bề mặt mài càng nhẵn, bóng. Yêu cầu đối với truyền động ăn dao
máy mài: Δω% ≤ (5÷10)%
- Tính kinh tế: Thiết bị cho hệ truyền động phải rẻ, nhưng vẫn đủ cung cấp
hiệu quả cao nhất cho hệ. Đồng thời, thiết bị phải dễ kiếm và hoạt động tin cậy
trong chế độ dài hạn.
Căn cứ vào yêu cầu đề ra, ta phải thiết kế hệ thống đạt được những yêu
cầu sau:
- Dải điều chỉnh tốc độ: D = ωmax : ωmin = 480 : 48 = 10 : 1.
- Điều chỉnh vô cấp tốc độ, không yêu cầu đảo chiều.
- Điều chỉnh giữ mômen không đổi và bám theo momen tải.
- Điều chỉnh giữ ổn định tốc độ.
- Làm việc dài hạn, tin cậy.
- Giá thành hạ

Chương 2. Tính chọn phương án truyền động.
2.1 Chọn phương án truyền đơng.
Như trên đã nói, chuyển động quay của chi tiết mài chính là chuyển động
ăn dao. Đối với máy mài tròn, ở các máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết
(truyền động ăn dao) thường dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ,
điều tốc bằng cách điều chỉnh số đôi cực. Ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ
biến đổi - động cơ một chiều/động cơ đồng bộ. Công suất mà đề bài yêu cầu là
6


nhỏ, do đó ở đây sẽ dùng động cơ khơng đồng bộ ba pha rotor lồng sóc để
truyền động quay chi tiết. Trước đây, động cơ điện một chiều thường được ưa
chuộng hơn, kể cả trong dải công suất nhỏ vì tính điều chính đơn giản và tuyến
tính của nó. Tuy nhiên, ngày nay, công nghệ điện tử và vi điều khiển phát triển
mạnh mẽ, việc điều khiển động cơ khơng đồng bộ khơng cịn là khó khăn nữa,
hơn nữa động cơ khơng đồng bộ ba pha lồng sóc rẻ hơn động cơ một chiều cùng
công suất nhiều và rất phổ biến trên thị trường với dải công suất rộng, do đó,
hồn tồn phù hợp cho ứng dụng của chúng ta.
Do yêu cầu điều chỉnh trơn tốc độ nên ta dùng bộ biến tần để cấp nguồn
cho động cơ. Hơn nữa, việc dùng biến tần cho ta dễ dàng mở rộng dải điều
chỉnh, dễ dàng áp đặt các kỹ thuật điều khiển hiện đại, áp đặt nhanh và chính xác
momen, điều chỉnh trơn và ổn định tốc độ. Ngoài ra, biến tần hoạt động tin cậy
và chắc chắn, dễ dàng cài đặt tham số điều khiển, có thể dùng 1 biến tần cho
nhiều loại truyền động. Do đó, việc sử dụng biến tần đã trở thành một chuẩn
cơng nghiệp. Có nhiều hãng lớn sản xuất biến tần rất nổi tiếng như ABB,
Siemens, … với các sản phẩm rất nổi tiếng trên thị trường, tuy nhiên ở đây, ta sẽ
thiết kế lại bộ biến tần để phục vụ cho bài toán u cầu mà khơng sử dụng biến
tần sẵn có.
Biến tần có 2 loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp phân biệt nhau
bởi khâu trung gian một chiều giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu. Sau đây sẽ

phân tích ưu nhược điểm của từng loại để chọn ra loại biến tần thích hợp nhất
với ứng dụng của ta.
2.1.1 Biến tần trực tiếp (Cycloconverter)

7


Hình 2.1: Biến tần trực tiếp sơ đồ tia 3 pha.
 Ưu điểm:
- Mạch chỉ cần dùng van Tiristor thông thường, quá trình chuyển mạch
theo điện áp lưới.
- Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên hiệu suất rất
cao.
- Có khả năng làm việc ở tần số thấp thậm chí ngay cả khi có sự cố.
- Thường sử dụng cho dải công suất rất lớn đến vài chục MW.


Nhược điểm:

- Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển rất phức tạp.
- Hệ số cơng suất thấp.
Tóm lại, với ứng dụng là hệ truyền động cho máy mài, ta không dùng loại
biến tần này.
2.1.2 Biến tần gián tiếp:
Biến tần gián tiếp khác biến tần trực tiếp ở chỗ nó có khâu trung gian một
chiều. Nhờ có khâu trung gian một chiều này mà khâu chỉnh lưu và khâu nghịch
lưu là cách ly nhau và điều chỉnh độc lập với nhau. Tần số đầu ra nhờ đó có thể
được điều chỉnh mà khơng phụ thuộc tần số đầu vào. Tùy thuộc vào khâu trung
gian một chiều mà phân ra thành biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp.
8

a.Biến tần nguồn dịng

Hình 2.2: Biến tần nguồn dịng
Khâu trung gian một chiều là cuộn kháng Lf, thực hiện chức năng nguồn
dịng cho bộ nghịch lưu.
 Ưu điểm:
- Có khả năng trả năng lượng về lưới.
- Không sợ chế độ ngắn mạch vì dịng điện một chiều được giữ khơng đổi.
- Phù hợp cho dải công suất lớn trên 100 kW
 Nhược điểm:
- Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ.
- Cồng kềnh vì có cuộn kháng.
- Hệ số cơng suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải nhất là khi tải nhỏ.
Do đó, với ứng dụng máy mài với tải chỉ vào khoảng 2,2kW của ta, biến
tần nguồn dòng rõ ràng là không phù hợp.
b.Biến tần nguồn áp

9


Khâu trung gian một chiều là tụ Cf, thực hiện chức năng nguồn áp cho bộ

nghịch lưu.
 Ưu điểm:
- Phù hợp với tải nhỏ, dưới 30kW
- Hệ số công suất của mạch lớn (gần bằng 1)
- Hình dạng và biên độ điện áp ra khơng phụ thuộc tải, dịng điện cho tải
qui định.

- Có thể áp dụng kỹ thuật PWM để giảm tổn hao do sóng hài bậc cao, khử
đập mạch momen.
 Nhược điểm: Không trả được năng lượng về lưới, nếu muốn trả năng
lượng về lưới phải mắc thêm một khâu chỉnh lưu mắc song song ngược với khâu
chỉnh lưu ban đầu hoặc dùng chỉnh lưu PWM hay biến tần 4 góc phần tư.
Như vậy, đến đây, ta thống nhất chọn bộ biến đổi là biến tần nguồn áp.
Phần tiếp theo sẽ chọn phương pháp điều khiển cho loại biến tần này.
2.1.3 Phương pháp điều khiển biến tần:
Có rất nhiều phương pháp điều khiển cho biến tần nguồn áp. Phổ biến
trong công nghiệp là điều khiển theo luật const , điều khiển theo hệ số trượt,
điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) và gần đây điều khiển trực tiếp momen
(DTC) cũng xuất hiện trong các bộ biến tần công nghiệp thay thế cho FOC. Đồ
án này chủ định nghiên cứu ứng dụng phương pháp DTC cho điều khiển bộ
biến tần nguồn áp vì một số lí do sau
- Phương pháp DTC cho phép áp đặt rất nhanh momen do đó, hồn tồn
phù hợp với ứng dụng máy mài.
- Phương pháp DTC cho phép có thể điều chỉnh với độ chính xác là tùy ý.
- Mơ hình đơn giản, khơng phụ thuộc nhiều tham số, do đó, khơng bị ảnh
hưởng bởi sai lệch do tham số của động cơ như các phương pháp khác.
10


- Không phải thực hiện phép quay tọa độ do đó, thời gian tính tốn
nhanh.
- Tuy vậy, DTC cũng có nhược điểm: đáp ứng ở tốc độ thấp rất kém; đáp
ứng momen không trơn, độ nhấp nhô momen phụ thuộc dải trễ và khó có thể
khắc phục sự nhấp nhơ momen này.
- Và một lý do nữa, là DTC dù ra đời đã lâu nhưng chưa phổ biến ở Việt
Nam (ở Việt Nam phổ biến dùng DTC và U/f) mà phổ biến ở các nước châu Âu.
Trong quá trình hội nhập, các bộ điều khiển của nước ngoài chắc chắn sẽ tràn

vào Việt Nam, cho nên, em muốn đi sâu tìm hiểu, học hỏi và thử nghiệm phương
pháp DTC nhằm ứng dụng sau này.
Kết luận: phần tiếp theo, ta sẽ đi sâu vào thiết kế hệ truyền động biến
tần nguồn áp –động cơ không đồng bộ ba pha – rotor lồng sóc – phương pháp
điều khiển trực tiếp momen.
2.2:Tính chọn động cơ
Yêu cầu của hệ thống:
- Momen cực đại (Mmax):
- Tốc độ quay chi tiết (n):
- Tỉ số truyền (i):
- Hiệu suất (η):

25Nm
48 ÷ 480 vịng/phút
3
0,8
0,009 kg/s2

- Momen qn tính cơ cấu (J):
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ, quy đổi về trục động cơ Tốc độ bé nhất của
chi tiết:
Tốc độ quay lớn nhất chi tiết:
Dải điều chỉnh:
Tính quy đổi về trục động cơ qua hộp số có tỉ số truyền i=3
ωmin = i . ωminct = 3 . 5,03 = 15,09 rad/s
ωmax = i . ωmaxct = 3 . 50,3 = 150,9 rad/s
Tính momen quy đổi về trục động cơ:Momen cực đại ở tang trống
Mmax=25Nm.suy ra momen quy đổi :
Công suất cơ cực đại yêu cầu của động cơ:
Pmax==10,42.150,9=1,57kW

Vì vậy ta chọn động cơ: cần có cơng suất lớn hơn Pmax = 1,57 kW, có
Momen định mức ≥ 10,42Nm, có dải điều chỉnh ít nhất là D = 10:1, và tốc độ
định mức cỡ 150,9 rad/s tức là cỡ 1440 vòng/phút.
11


Trên cơ sở đó,ta chọn động cơ khơng đồng bộ Rotor lống sóc ABB có
thơng số như sau:
- Tên:

M3AA 100LC 3GAA 102 313 - CG2.

- Công suất định mức:

Pđm = 2,2 kW

- Điện áp dây định mức:

U1đm = 400V

- Tần số định mức:

f = 50Hz

- Số đôi cực:

p=2

- Tốc độ định mức:

nđm = 1450 vòng/phút

- Hiệu suất:

η = 86,8%

- Hệ số cơng suất:

cosφ = 0,77 € sinφ = 0,638

- Dịng Stator định mức:

I1dm = 4,8A

- Dòng Stator khởi động:

Is = 4,8 . 8,5 = 40,8 A.

- Momen định mức:

Mdm = 14,5Nm

- Momen khởi động định mức(s=1): Ms = 14,5 . 4 = 58 Nm
Momen tới hạn:

Mth = 14,5 . 4,6 = 66,7

- Momen quán tính:

J = 0,009 kgm2

- Trọng lượng:

m = 25kg

Tính tốn tham số động cơ:

Hình 2.1: Mạch điện thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Do yêu cầu xấy dựng bộ điều khiển cho động cơ ,ta phải xây dựng được
mơ hình động cơ.Để xây dựng được mơ hình động cơ ,ta phải xác định các đại

12


lượng Rs, Rr’, Lsσ, Lrσ, LM..
P==kW (2.2-1)
Tốc độ đồng bộ:
(2.2-2)
Hệ số trượt định mức:
=0.033

(2.2-3)

Tổng trợ một pha:
(2.2-4)
Momnen trên trcu động cơ:
(2.2-5)
Trong đó:

(2.2-6)

(2.2-7)

a=

( 2.2-8)
(2.2-9)

Khi đó s==0,033 ta có momen định mức:

Khi S=1,ta có monen khởi động:
(2.2-11)

Giải hệ phương trình(3.2-10) và (3.2-11) với ẩn là a, ta có:
( 2.2-12)
=0,49

( 2.2-13)

Tiếp tục giải 3 phương trình (2.2-6),(2.2-12),(2.2-13).
Giả thiết ta có:
Suy ra
Tiếp theo chúng ta tính điện kháng từ hóa .Xuất phát từ mạch điện
thay thế một pha động cơ không đồng bộ ta có
(2.2-15)
13


Suy ra:

(2.2-16)

Ở chế độ định mức: s = sđm = 0,033 và Zin = 48,11 Ω; cosϕ =0,77. Thay
vào (2.2-16) ta tính được:
=48,11.0,77
Ta có: và

(2.2-17)

Cuối cùng, ta cịn phải quy đổi momen quán tính của hệ thống về đầu trục
động cơ. Để cho đơn giản, ta giả thiết các bánh răng của hộp số là lý tưởng
(nghĩa là khơng có mơmen qn tính) và chi tiết chưa được gắn lên tang trống.
Do đó, momen qn tính qui đổi được tính bởi:
(2.2-20)
2.3: Tổng hợp bộ điều chỉnh DTC
2.3.1 Nguyên lý của phương pháp DTC
DTC là từ viết tắt của Direct Torque Control, tức là phương pháp điều
khiển trực tiếp mômen. Đây là một phương pháp mới xuất hiện vào giữa những
năm 80, do Depenbrock và Takahashi độc lập đề xuất trong hai tài liệu :
“Mirekte Selbstregelung (DSR) fur hochdynamische Drehfeldantriebe mit
Stromrichterspeisung” – Depenbrock 1988 và “ A new quick Response and
High-Efficiency control sreategy of an induction motor” – Takahashi 1986.
Động cơ không đồng bộ đầu tiên được điều khiển bằng phương pháp DTC được
ra mắt vào năm 1995 do hãng ABB chế tạo.
Đây là một phương pháp mới, trong đó việc phối hợp điều khiển bộ biến
tần và động cơ không đồng bộ là rất chặt chẽ. Logic chuyển mạch của biến tần
dựa trên trạng thái điện từ của động cơ không đồng bộ mà không cần đến điều
chế độ rộng xung áp của biến tần. Do sử dụng công nghệ bán dẫn tiên tiến với
các phần tử tính tốn có tốc độ cao mà phương pháp điều chỉnh trực tiếp mômen
cho các đáp ứng đầu ra thay đổi rất nhanh, cỡ vài phần nghìn giây.
Phương pháp điều khiển DTC cho phép điều khiển động cơ không đồng

bộ theo một nguyên lý đơn giản:
M = .. = .sinδ

14

(2.3.1-1)


Đây là biểu thức tính mơmen trong hệ tọa độ tĩnh, gắn chặt với trục dây
quấn stator (α , β )
Véc tơ từ thông rotor thường biến thiên chậm hơn véc tơ từ thơng stator,
do đó có thể đạt được giá trị mômen theo yêu cầu bằng cách quay véctơ từ thơng
stato cáng nhanh càng tốt theo hướng nào đó, làm thay đổi góc mơmen δ . Biến
đổi (3.1 – 1) ta có:
M=.. =

(2.3.1-2)

Trong phương trình điện áp stato: =
Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở thuần :
hay = :
Véctơ
Trong đó . , là các hàm đóng cắt của các van tương ứng của mạch lực của
biến tần
Mỗi khóa + hoặc 0 khi nối vào -.Ta tưởng tượng chia không gian điện áp
thành 6 phần sectors () với hai trạng thái của ba khóa ta có 8 trường hợp tương
ứng với giá trị trên, còn = 111 và = 000.
Hình 3-1: Các hàm đóng cắt và thực hiện các véctơ áp
Có thể điều khiển phân ly biên độ từ thông stator và mômen điện từ M
bằng cách tác động vào các thành phần hướng kính và thành phần tiếp tuyến của

vétơ từ thơng móc vịng stator trong quỹ đạo của nó.
Pha
a

V0
0

V1
1

V2
1

V3
0

V4
0

V5
0

V6
1

V7
1

b

0

0

1

1

1

0

0

1

c

0

0

0

0

1

1

1

1

Bảng 3.1: Véctơ điện áp ứng với trạng thái khóa
Từ phương trình (3.1 – 2) ta thấy, giả sử, vector từ thơng Stator đang ở
một sector nào đó. Bằng việc thực hiện một vertor điện áp thích hợp sẽ làm cho
modul vector từ thơng Stator, góc momen δ và do đó, momen thay đổi.

15


Hình 3.2: Sự thay đổi của véctơ từ thơng theo véctơ điện áp
16


Như vậy, bằng việc thay đổi vector điện áp một cách thích hợp, vector từ
thơng sẽ quay trịn trong khơng gian với modul nằm trong một dải trễ nào đó.
Bằng việc phân tích u cầu tăng giảm từ thơng và momen trong mỗi sector, ta
thu được bảng 3.2 là chiến lược đóng cắt tối ưu cho nghịch lưu áp để thực hiện
DTC

Hình 3.3: Q đạo từ thơng

FI

FD

T
TI

T=
TD
TI
T=
TD

S1
S2
S3
S4
V2
V3
V4
V5
V0
V7
V0
V7
V6
V1
V2
V3
V3
V4
V5
V6
V7
V0
V7
V0

V5
V6
V1
V2
Bảng 3.2: Bảng chọn véctơ điện áp tối ưu

S5
V6
V0
V4
V1
V7
V3

S6
V1
V7
V5
V2
V0
V4

Bằng việc thực hiện điều chỉnh Momen và từ thông bằng các khâu Relay,
đáp ứng của momen sẽ có dạng như sau:

17


Hình 3.4: Đáp ứng kiểu relay của momen
2.3.2.Mơ hình hệ thống DTC

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp DTC
Hình 3.5 là sơ đồ đơn giản nhất của phương pháp DTC. Sai lệch giữa từ
thông ước lượng và từ thông đặt (đầu ra của bộ điều chỉnh từ thông) được đưa
vào khâu Relay 2 vị trí, sai lệch giữa mơmen ước lượng và mômen đặt (đầu ra
của bộ điều chỉnh tốc độ) được đưa vào khâu Relay 3 vị trí. Đầu ra của các khâu
Relay mang thông tin về yêu cầu tăng hay giảm momen và từ thông cùng với
thông tin về góc từ thơng Stator (cho ta biết vị trí của vector từ thơng Stator
đang ở trong Sector nào) cũng được ước lượng và đưa vào bảng chọn 3.2. Kết
quả, ở đầu ra bảng chọn, ta có vector điện áp cần phải thực hiện để thực hiện yêu
18


cầu tăng giảm momen và từ thơng nói trên. Từ nguyên lý trên, dễ dàng rút ra các
nhận xét sau đây về độ chính xác của phương pháp điều khiển:
-Độ chính xác điều khiển hồn tồn phụ thuộc vào độ chính xác của phép
ước lượng momen, từ thơng và vị trí.
-Độ chính xác điều khiển phụ thuộc vào dải trễ momen và từ thông. Rõ
ràng, dải trễ momen càng hẹp thì đáp ứng momen càng mịn, dải trễ từ thơng
càng hẹp quĩ đạo của từ thơng càng trịn tức là dòng Stator càng sin. Tuy nhiên
việc thu hẹp dải trễ sẽ kéo theo các van IGBT phải tăng tần số chuyển mạch.
2.3.3. Các vấn đề về ước lượng và nâng cao độ chính xác
Như trên đã nhận xét, việc ước lượng đúng các tham số của hệ thống sẽ
nâng cao chất lượng điều chỉnh. Xuất phát từ phương trình cân bằng áp trong hệ
tọa độ αβ
+

(2.3.1-3)

dt

(2. 3.1-4)

Suy ra:
Phương trình (3.1-4) được dùng để ước lượng từ thông Stator. Cụ thể như
sau:
(2.3.1-5)
Các giá trị được tính từ các giá trị , đo được từ phái đầu ra của nghịch lưu
theo qui tắc chuyển đổi abc sang αβ.( khơng cần tính do giả thiết tải động cơ là
đối xứng nên hiển nhiên : + + và =0)


(2.3.1-6)

Từ cơng thức (3.1-1) có thể viết lại công thức momen như sau:
M = ..=

(2.3.1-7)

Nhận xét: Phương pháp DTC được thực hiện dựa trên các phương trình
từ (2.3.1 – 5) đến (2.3.1– 8). Ta nhận thấy, toàn bộ phương pháp chỉ dùng đúng
một tham số của động cơ đó là điện trở Stator Rs, các thơng số khác đều được
tính tốn ước lượng. Điện trở Stator là thơng số dễ dàng đo lường với độ chính
xác cao, dễ dàng bù nhiệt độ. Ngồi ra, mơ hình không hề dùng đến các phép
quay hệ trục tọa độ (như phương pháp FOC) – một phép toán tốn nhiều tài
19


nguyên và thời gian thực hiện với độ chính xác phụ thuộc lớn vào khả năng của
vi xử lý. Do đó, có thể nói phương pháp DTC tin cậy, đơn giản và chính xác hơn

các phương pháp khác nhiều.
2.3.4. Các vấn đề về nâng độ cao chính xác của phương pháp
Theo nhận xét của mục trên, độ chính xác của phương pháp phụ thuộc
vào độ chính xác của phép ước ượng các tham số momen, từ thơng, vị trí. Việc
nâng cao độ phân giải và khả năng tính tốn của vi xử lý sẽ làm tăng độ chính
xác của các phép ước lượng, qua đó cải thiện tính chính xác của phương pháp.
Ở mức độ đồ án môn học, vấn đề nâng cao độ chính xác của phép ước lượng sẽ
khơng được trình bày mà có thể được tham khảo thêm trong các tài liệu [13],
[14].
Độ chính xác cịn phụ thuộc vào tính đúng đắn của việc nhận dạng điện
trở Stator – tham số duy nhất phụ thuộc mơ hình động cơ. Cơng việc này cũng
khơng q khó khăn và được đề cập trong tài liệu [17] và cũng không được nêu
ra trong phạm vi của đồ án.
Để nâng cao độ chính xác của phương pháp, cịn một cách nữa đó là cải
tiến bảng chọn vector điện áp. Tài liệu [15] đưa ra phương pháp sử dụng 12
sectors – 12 vectors, tài liệu [14] đưa ra phương pháp sử dụng 12 sectors – 6
vectors, ngồi ra cịn có phương pháp 6 sectors – 12 vectors, 24 sectors – 6 hoặc
12 vector, … Ở mức độ đồ án môn học, đồ án vẫn sẽ trình bày phương pháp sử
dụng 6 sectors – 6 vectors truyền thống. Các cải tiến khác chỉ thay đổi ở phần
bảng chọn, tương ứng với việc thay đổi một chút cách tính tốn vị trí vector từ
thơng Stator, tuy nhiên sẽ khơng được trình bày ở đây.
2.4 Tổng hợp và điều chỉnh tốc độ
2.4.1.Phân tích

20


Hình 3.6: Vịng điều chỉnh tốc độ
Như đã nói, bộ DTC – như một khâu Deadbeat – tác động rất nhanh, do
đó, khi tổng hợp vịng điều chỉnh tốc độ, ta có thể coi khâu DTC là một khâu

qn tính bậc nhất với hằng số thời gian Tm. Mô phỏng bộ DTC với tín hiệu đặt
dạng bậc thang ở chế độ không tải, ta thấy, Momen đáp ứng ngay chỉ sau khoảng
1-2ms tùy thuộc tốc độ đặt. Mặc dù khi tổng hợp bộ điều chỉnh, ta phải tìm cách
bù ảnh hưởng của Tm, tuy nhiên nếu Tm quá nhỏ sẽ gây ra quá điều chỉnh lớn
đối với momen, vậy cho Tm = 2ms để có một đáp ứng vừa phải. Do đó, ta có
hàm truyền xấp xỉ của khâu DTC:
Vịng điều chỉnh tốc độ cần khép kín bằng đường phản hồi âm tốc độ.
Phản hồi tốc độ dùng máy phát tốc có hàm truyền coi như một khâu qn tính
bậc nhất có hằng số thời gian rất nhỏ, chẳng hạn Tω = 0,75ms, hệ số khuyếch
đại kω = 1. Khâu phát tốc có hàm truyền:
=
Gọi là đầu ra thì đối tượng của vịng điều chỉnh tốc độ khi khơng tải là:
Biến đổi ta có:

Dể thấy: T. = 2. = 15. ≈ 0. Do đó có thể bỏ qua thành phần T. trong hàm
truyền đối tượng
Đặt T = Tm + Tω ta được đối tượng của vòng điều chỉnh tốc độ trở thành
khâu tích phân qn tính có hàm truyền xấp xỉ:
21


Giả sử hệ kín có hàm truyền: =

(2.4-1)

Hàm truyền sai lệch tốc độ:
= =1-

(2.4-2)

= . = J.s.(1 + (T +)s).

(2.4-3)

Bộ điều chỉnh :
Đặt:

ta có:

Do c1 = 0, hàm truyền hệ kín khâu vơ sai cấp 1. Tuy nhiên, khi có tải, nếu
chỉ dùng hệ vô sai cấp 1 sẽ mắc phải sai lệch tĩnh. Để khắc phục điều này, hệ
phải vơ sai đến ít nhất là cấp 2. Khi đó, c2 = 0, tức là b1 = a1 = a.
Đặt tiếp:
Dễ thấy, nếu c2 = 0 thì hệ vơ sai đến cấp 3. Khi đó, bộ điều chỉnh phụ
thuộc tới 3 tham số, gây khó khăn cho việc chỉnh định. Vậy, ta chỉ dừng lại xét
hệ kín vơ sai đến cấp 2, nghĩa là

c2 ≠ 1 .Để cho đơn giản, chọn a 2 = 0 và cắt

các hạng tử bậc cao. Khi đó, đặt b2 = b, b3 = c, hàm truyền các khâu đưa về:
(2.4-4)
Từ hàm truyền của bộ điều chỉnh ta thấy ngay,nếu cho = T thì bộ điều
chỉnh trở thành khâu PI có hằng số thời gian (3.2-4) trở thành:
(2.4 -4a)
Phần tiếp theo sẽ chỉ định tham số của bộ dựa trên tính chọn tham số a,b
cho phù hợp.
2.4.2.Chỉnh định tham số PID theo chuẩn tối ưu đối xứng.
Một điều dễ nhận thấy là nếu cho a = 4T; b = 8; c = , từ hệ (2.4-4a) ta có
ngay hàm chuẩn của tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
(2.4-5)

Để giảm bớt độ quá điều chỉnh, ta mắc thêm một khâu qn tính bậc nhất
có hàm truyền ở ngay sau tín hiệu đặt để làm suy giảm tốc độ biến thiên của nó.
Với tốc độ đặt 100 rad/s, đáp ứng đối với tiêu chuẩn tối ưu đối xứng như sau:

22


Hình 3.7: Quĩ đạo từ
thơng

Hình 3.9: Đáp ứng tốc độ và
momen
Hình 3.8: Đặc tính
cơ
Nhận
xét, khi có tải (dao cắt ăn vào chi tiết), quá điều chỉnh về tốc độ

khoảng 5% thỏa mãn yêu cầu công nghệ đã nêu. Dù vậy, đặc tính khởi động
xấu, quá điều chỉnh lớn đến 43%, thời gian quá độ khoảng 65ms. Do đó, ta thử
đi tìm một tiêu chuẩn có đáp ứng tốt hơn.
3.Chỉ định tham số PID dựa trên dao động tới hạn – chuẩn Tyreus &
Luyben:
Quay trở lại với hệ (3.2-4a), ta để ý, nếu cho a=T thì hệ (3.2-4a) trở
thành:
(3.2-6)
Phương trình (3.2-6) là hàm chuẩn của hệ mới, dể thấy đây chính là một
khâu dao động điều hịa với tần số góc

23

= của bộ điều chỉnh = . gọi là tần số dao động tới hạn và hệ số khuếch
đại tới hạn.Dể thấy nấu đặt b= thì ta có:
Tài liệu [] đưa ra một phương pháp chỉnh định PID – phương pháp chỉnh
định của Tyreus & Luyben dựa trên dao động tới hạn như sau:
(2.4-7)
Hàm truyền hệ kín trở thành:
=

(2.4-8)

Như vậy chất lượng động học của hệ hoàn toàn phụ thuộc tham số k. Theo
kết quả ô phỏng, giá trị tối ưu của k = 0,45. Khi đó, đáp ứng của hệ thống :

Hình 3.10: Quĩ đạo từ
thơng

Hình 3.12: Đáp ứng tốc độ và
momen
Hình 3.11: Đặc tính
cơ

Nhận xét : Tốc độ gần như phẳng, quá điều chỉnh khoảng 2% khi có tải.
Đáp ứng với

tốc độ đặt nhanh hơn so với dùng chuẩn tối ưu đối xứng, khởi

động chỉ mất khoảng 30ms và hầu như khơng có q điều chỉnh về tốc độ. Rõ
ràng, đáp ứng theo

24


Tyreus & Luyben tốt hơn nhiều so với đáp ứng của hệ thống theo chuẩn
tối ưu đối xứng, đảm bảo được chất lượng bề mặt chi tiết khi gia công mài.
4.Vấn đề điều khiển ở vùng tốc độ cao
Vùng tốc độ cao phải giảm từ thông để đảm bảo cân bằng về mặt công
suất. Ở mức độ đồ án môn học, vấn đề này cũng không được xét.
Kết luận: Đến đây, ta đã xây dựng xong phương pháp điều khiển cho hệ
thống. Phần tiếp theo sẽ tiến hành thực hiện kỹ thuật phần cứng và mô phỏng hệ
thống trên Matlab & Simulink.

Chương 3:Mô phỏng hệ thống trên simulink và cài đặt trên biến tần
I. Mô phỏng hệ truyền động động cơ khơng đờng bộ roto lờng sóc
1. Mơ hình điều khiển ĐKKĐB roto lồng sóc DTC

25