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)

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHĨA
----------

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
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)

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN TIẾN TUẤN
Số thẻ sinh viên : 105170386
Nhóm HP : 1051610.2021.xx.91
Lớp : 17TDH2
Ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng, tháng 8 năm 2021
Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
1


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

MỤC LỤC

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU BÀI TỐN, TÍNH TỐN THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC ..............................................4
1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT ĐỀ TÀI..............................................................................................................................4
1.1 Nhiệm vụ đồ án ........................................................................................................................................................4
1.2 Mơ tả u cầu bài tốn.............................................................................................................................................4
2. TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ CỦA HỆ THỐNG VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ...............................6
2.1 Tính tốc độ quay của pulley .....................................................................................................................................6
2.2 Tính momen điện từ của động cơ .............................................................................................................................6
2.3 Tính công suất của động cơ .....................................................................................................................................8
2.4 Xây dựng đồ thị đặc tính cơ .....................................................................................................................................9
2.5 Lựa chọn phương án truyền động ..........................................................................................................................10
3. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC .............................................................................................................11
3.1 Chọn động cơ .........................................................................................................................................................11
3.2 Chọn hộp số ...........................................................................................................................................................12
3.3 Tính chọn Diode và IGBT cho biến tần .................................................................................................................13
3.4 Chọn Encoder ........................................................................................................................................................14
3.5 Chọn cảm biến dòng ..............................................................................................................................................14
4. SƠ ĐỒ CHI TIẾT HỆ THỐNG .............................................................................................................................................15
CHƯƠNG II. MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN .........................................................................17
1. MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ....................................................................................................................17
1.1 Mơ hình hóa động cơ .............................................................................................................................................17
2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA CÁC KHÂU TRONG HỆ THỐNG: BỘ BIẾN ĐỔI, CẢM BIẾN… ......21
2.1 Mơ hình tốn học của cảm biến dịng ....................................................................................................................21
2.2 Mơ hình tốn học của encoder ...............................................................................................................................21
2.3 Mơ hình tốn học của bộ biến đổi cơng suất .........................................................................................................21
2.4 Mơ hình hóa bộ điều khiển PI ................................................................................................................................22
2.5 Chuyển đổi từ hệ tọa độ dq sang hệ tạo độ αβ và ngược lại ..................................................................................22
2.6 Chuyển đổi hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ uvw và ngược lại ....................................................................................23
3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA CẢ HỆ THỐNG......................................................................................23
CHƯƠNG III. TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ...............................................................................25
1. ĐIỀU KHIỂN VECTOR FOC TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ PMSM ..........................................................................................25

2. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN ............................................................................................................27
2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện isd.........................................................................................................................28
2.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện isq.........................................................................................................................29
3. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ.....................................................................................................................................29
4. PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM THƠNG SỐ PI ..............................................................................................................................30
CHƯƠNG IV. MƠ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG .......................................................31
1. MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK ...................................................................................31
2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ......................................................................................................................................................31
2.1 Tốc độ đặt và tốc độ thực của động cơ. .................................................................................................................32
2.2 Momen tải và momen động cơ. ..............................................................................................................................32
2.3 Dòng điện stator ....................................................................................................................................................33
2.4 Mối quan hệ momen động cơ và dòng điện isq. ......................................................................................................33
2.5 Mối quan hệ giữa tốc độ và tần số điện áp dây ab. ...............................................................................................34
2.6 Mối quan hệ giữa tốc độ và dòng điện stator ........................................................................................................35

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
2


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

3. PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .............................................................................................................................35
4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ...................................................................................................................36

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
3

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

CHƯƠNG I. Giới thiệu bài tốn, tính tốn thiết kế
phần động lực
1. GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT ĐỀ TÀI
1.1 Nhiệm vụ đồ án
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 Mơ tả u cầu bài tốn

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng thể của hệ thống

Trong đó:
 JM: 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
4


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ mong muốn của tải

Bài toán yêu cầu vật M nằm trên băng chuyền chuyển động với tốc độ bám theo đồ

thị như hình 1.2. Để vật M có thể chuyển động thì pulley phải quay với tốc độ góc
được tính theo tốc độ mong muốn → Để pully có thể quay được cần một động cơ để
truyền cơ năng từ trục động cơ đến pulley, mà để động cơ hoạt động thì ta cần cấp
nguồn điện.
Tốc độ quay của động cơ PMSM được tính bằng biểu thức: 𝜔 =

. Trong đó fs

là tần số nguồn cung cấp, pp là số cặp cực của động cơ. Từ công thức trên ta thấy điều
chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ. Do vậy cấu trúc hệ
truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số. Vì
tốc độ mong muốn của vật M khơng cố định, nên cần chọn một bộ cơng suất có điều
khiển. Trong đề tài chọn bộ biến đổi công suất là bộ biến tần: cấu tạo gồm một bộ
chỉnh lưu và một bộ nghịch lưu có điều khiển.
Vật M chuyển động với tốc độ không cố định nên điện áp cấp cho động cơ cũng
biến đổi theo thời gian → Cần một khâu điều khiển để tính ra điện áp mong muốn.
Cảm biến có nhiệm vụ đo các thơng số từ động cơ khi nó đang hoạt động rồi truyền tín
hiệu đến khâu điều khiển. Từ giá trị điện áp tính tốn được khâu phát xung sẽ tính ra
thời điểm kích các van bán dẫn có trong bộ biến đổi tần số để cho ra điện áp cấp vào
động cơ.

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
5


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

2. TÍNH TỐN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG VÀ CHỌN

PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Tính tốc độ
quay của
pulley

Tốc độ yêu
cầu của tải

Tính momen
điện từ của
động cơ

Tính cơng
suất của
động cơ

Hình 1.3 Các bước tính thơng số của hệ thống

2.1 Tính tốc độ quay của pulley
Cơng 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.
ωm (rad/s) 20

14.28

15
10
5
0
-5

0

1

2

3

4

5

6

7

(s)
8

-10
-15

-14.28

-20

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

Cơng thức tính momen điện từ : T

=J

+ 𝑟 .𝑀

+ 𝑟. 𝑓 (N.m)

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
6


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

Trong đó:
 Tem : là momen điện từ yêu cầu.
 Jm : là momen quán tính của động cơ
 r : là bán kính của pulley.
 M : là khối lượng của tải.
 𝑓 : là lực cản.


: là biến thiên tốc độ quay của pulley theo thời gian.

Do ban đầu chưa chọn động cơ nên momen quán tính Jm=0, bỏ qua lực cản fL= 0
nên cơng thức tính momen điện từ trở thành : T = 𝑟 . 𝑀
(N.m)
6

Tem (N.m)

4.37325

4.37325

4
2
0
-2

0

1

2

3

4

5

6

7

(s)
8

-4
-6
-8
-8.7465

-10

Hình 1.5 Đồ thị momen điện từ

 Từ 0 – 1s: T

= 𝑟 .𝑀

= 0.35 × 2.5 ×

 Từ 1 – 3s: T

= 𝑟 .𝑀

= 0.35 × 2.5 ×

 Từ 3 – 3.5s: T

= 𝑟 .𝑀

= 0.35 × 2.5 ×

 Từ 3.5 – 4s: T

= 𝑟 .𝑀

= 0.35 × 2.5 ×

 Từ 4 – 6s: T

= 𝑟 .𝑀

= 0.35 × 2.5 ×

 Từ 6 – 7s: T

= 𝑟 .𝑀

= 0.35 × 2.5 ×

.

= 4.37325 (N.m)

.

.
.

= 0 (N.m)
= -8.7465 (N.m)

.
.
.
(

= -8.7465 (N.m)

.

(
.

.
)

)

= 0 (N.m)

= 4.37325 (N.m)

Momen đẳng trị của động cơ:
𝑇

=

∑𝑇 .𝑡
∑𝑡

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
7


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

=

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

4.37325 × 1 + (−8.7465) × 0.5 + (−8.7465) × 0.5 + 4.37325 × 1
7

= 4.049 (N.m)
Chọn hệ số dự trữ Kdt=1.5 => 𝑇

= 1.5. 𝑇

.

= 1. 5 ∗ 4.049 = 6.0375 (Nm)

2.3 Tính cơng suất của động cơ
Cơng thức tính cơng suất động cơ : 𝑃 = 𝑇 × 𝜔 (W)
Trong đó: Tem (N.m) là momen điện từ, ωm (rad/s) là tốc độ quay của pulley.
150

P (W)

124.9

100

62.45

50
0
0

1

2

3

4

5

6

7

(s)
8

-50
-62.45

-100
-124.9

-150

Hình 1.6 Đồ thị cơng suất động cơ

 Từ 0 – 1s: Công suất tăng dần đều từ 0 đến 62.45W.
 Từ 1 – 3s: Công suất bằng 0W.
 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 4 – 6s: Công suất bằng 0W.
 Từ 6 – 7s: Công suất tăng dần đều từ -62.45W đến 0W.
Công suất đẳng trị của động cơ:
𝑃 =

∑𝑃 .𝑡
=
∑𝑡

62.45 × 1 + 124.9 × 0.5 + 124.9 × 0.5 + 62.45 × 1
7

= 57.82 (𝑊)
Chọn hệ số Kdt=1.5 => 𝑃đ = 1.5. 𝑃 = 1. 5 ∗ 57.82 = 86.73 (W)
Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
8


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

2.4 Xây dựng đồ thị đặc tính cơ
ωm (rad/s) 20

14.28

15
10
5

0
-5

0

1

2

3

4

5

6

7

(s)
8

-10
-15

-14.28

-20

Tem (N.m)

6

4.37325

4.37325

4
2
0
-2

0

1

2

3

4

5

6

7

(s)
8

5

6

7

(s)
8

-4
-6
-8
-8.7465

-10

P (W)

150

124.9

100

62.45

50
0
0

1

2

3

4

-50
-62.45

-100
-150

-124.9

Hình 1.7 Tổng hợp đồ thị tốc độ, momen điện từ và công suất động cơ
Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
9


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

 Từ 0 - 1s: T > 0,ω > 0 => P = T× ω > 0
 Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ I, động cơ quay theo chiều dương.
 Từ 1 - 3s: T = 0, ω > 0 => P = T× ω = 0
 Từ 3 - 3.5s: T < 0,ω > 0 => P = T×ω < 0

 Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ II, động cơ ở trạng thái hãm.
 Từ 3.5 - 4s: T < 0,ω < 0 => P = T×ω > 0
 Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ III, động cơ quay theo chiều âm.
 Từ 4 - 6s: T = 0,ω < 0 => P = T×ω = 0
 Từ 6 - 7s: T > 0,ω < 0 => P = T×ω < 0
 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:
ωm (rad/s)
20
15
10
5
Tem (N.m)

0
-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

-5
-10
-15
-20

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 FOC được xây dựng dựa trên công thức mô-men điện từ:
Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
10


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

𝑚 =

3
𝑍 [𝛙 𝑖
2

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

+ 𝑖 𝑖 (𝐿

− 𝐿 )]

Vì động cơ PMSM dùng nam châm vĩnh cửu nên từ thông cực ψp là hằng số, do đó
momen điện từ sẽ tỷ lệ trực tiếp với thành phần dòng isd và isq → Điều khiển theo cấu
trúc FOC sẽ tối ưu được tỷ lệ momen trên dòng điện → Đáp ứng nhu cầu điều khiển
momen động cơ PMSM.
Để điều chỉnh tốc độ của động cơ đồng bộ phương pháp duy nhất được sử dụng là
điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ. Trong cấu trúc kinh điển của hệ thống theo
nguyên lý FOC có khối nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp một chiều đã lọc thành
hệ thống điện xoay chiều 3 pha → Đáp ứng được nhu cầu thay đổi tần số điện áp để
điều khiển tốc độ động cơ.
Kết luận: lựa chọn phương án điều khiển truyền động theo nguyên lý FOC.
3. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
3.1 Chọn động cơ
Căn cứ vào công suất động cơ là 𝑃đ = 86.73 (W) đã tính ra được ở mục 2.3 ta chọn
dòng động cơ Permanent magnet synchronous energy saving motors for inverter
operation loại PE1R 71 G8 của VEM có thơng số cơ bản:

Hình 1.9 Động cơ PE1R 71 G8 của VEM








Điện áp định mức: 290 V
Tần số nguồn định mức: 50 Hz

Dòng điện định mức: 0.3 A
Momen định mức: 1.5 N.m
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
11


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG











SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

Công suất định mức: 120 W
Hiệu suất: 82.5 %
Hệ số công suất: 0.99
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
Điện trở (Magnetising reactance): 18.9 Ω

Momen quán tính động cơ: 0.0006 kgm2
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 s ca hp s :

.
.

=

.

ì

ữ



.

Cn c vo t số trên chọn hộp số Worm Gearbox NMRV-030 Tỷ lệ 1/5:
 Tỉ số truyền: 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
12


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

Thử lại:
 Tốc độ:
𝑛
𝑛 = 𝑑𝑐.𝑑𝑚 =

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

= 150 (𝑟𝑝𝑚) = 15.7 (𝑟𝑎𝑑⁄𝑠) > 𝜔

.

= 14.28(𝑟𝑎𝑑 ⁄𝑠)

 Momen:
Tdc.dm = 1.5×5 = 7.5 (N.m) > Tem.dt = 6.0375 (N.m)
Tdc.max = 7×5 = 35 (N.m) > Tem.max = 8.7465 (N.m)
→ 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 thơng số an tồn:
𝑈
=𝑈 .
× 𝐾 = 538.88 × 1.5 = 808.33 (𝑉)
Dòng điện tải:
𝑃
120
𝐼 =
=
= 0.2925 (𝐴)
√3𝑈 × 𝜂 × 𝐶𝑂𝑆𝜑 √3 × 290 × 82.5% × 0.99
Dòng điện hiệu dụng đi qua diode:
𝐼
0.2925
𝐼 =
=
= 0.2068 (𝐴)
√2
√2
Chọn diode theo thơng số an tồn:
𝐼
= 𝐼 × 𝐾 = 0.2068 × 1.5 = 0.3102 (𝐴)
Chọn diode BYM26 E có thơng số:
 Dịng điện định mức: Iđm = 2.3 A
 Điện áp ngược cực đại: Ung.max = 1000 V
 Thời gian đóng cắt: Trr = 75 ns
Tính chọn IGBT mạch nghịch lưu có điều khiển
Điện áp ngược cực đại:
𝑈
220

𝑈 .
=𝐾 ×𝑈 =𝐾 ×
= √6
= 231 (𝑉)
𝐾
3√6
𝜋
Chọn hệ số dự trữ của IGBT là 𝐾 = 1.5
Chọn IGBT theo thông số an tồn:
𝑈
=𝑈 .
× 𝐾 = 231 × 1.5 = 346.5 (𝑉)
Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
13


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

Dòng điện tải:
𝐼 =

𝑃

=

120

= 0.2925 (𝐴)

√3𝑈 × 𝜂 × 𝐶𝑂𝑆𝜑 √3 × 290 × 82.5% × 0.99
Dòng điện làm việc của van:
𝐼
0.2925
𝐼 =
=
= 0.1688 (𝐴)
√3
√3
Chọn IGBT theo thơng số an tồn:
𝐼
= 𝐼 × 𝐾 = 0.1688 × 1.5 = 0.2533 (𝐴)
Chọn IGBT NGD8205AN có thơng số:
 Điện áp ngược cực đại: Ung.max = 390 V
 Dòng điện cực đại: Ic = 10 A
3.4 Chọn Encoder
Chọn encoder E50S8-3000-3-T-24:

Hình 1.11 Encoder E50S8-3000-3-T-24

Thơng số:
 Tốc độ tối đa: 5000 rpm
 Điện áp làm việc: 12-24, +/-5% VDC
 Momen khởi động: 0,007Nm
 Đường kính trục 8mm
3.5 Chọn cảm biến dịng
Chọn cảm biến dịng điện ZEMCT303A-2

Hình 1.12 Cảm biến dòng ZEMCT303A-2
Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện

14


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

Thông số:
 Dãy đo tuyến tính: ± 5 (A)
 Dãy đo lớn nhất: ± 30 (A)
 Dãy nhiệt độ làm việc: -40 → 125℃
 Đầu ra: ± 4 (V)
 Nguồn : ± 15 (V)
4. Sơ đồ chi tiết hệ thống
Sau khi tính tốn 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: 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.
 Cảm biến: đo tín hiệu về dịng điện stator và tốc độ của động cơ gửi về bộ
điều khiển.
Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
15

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

 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: gồm có khâu điều khiển và khâu phát xung; khâu điều khiển
lấy tín hiệu dịng điện và tốc độ quay của động cơ từ cảm biến và tín hiệu tốc
độ mong muốn để tính tốn ra điện áp cần thiết đặt vào động cơ; khâu phát
xung nhận tín hiệu điện áp mong muốn tính ra thời điểm phát xung kích các
van bán dẫn trong bộ biến tần.

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
16


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

CHƯƠNG II. Mô hình hóa hệ thống truyền động điện
Để hệ thống điều khiển truyền động điện có thể họat động thì trong bộ điều khiển
phải có chương trình. Muốn có một chương trình điều khiển thì đầu tiên ta cần mơ hình
hóa được hệ thống, bước tiếp theo là tổng hợp các mạch vịng và xác định các tham số
trong thuật tốn điều khiển. Trong chương 2 chúng ta sẽ thực hiện nhiệm vụ mơ hình
hóa các thành phần có trong hệ thống.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

Các quy ước về ký hiệu.
 Chỉ số viết bên phải, trên cao:
- 𝑓 Đại lượng mô tả trên hệ tọa độ tựa theo từ thông (hệ tọa độ dq).
- 𝑠 Đại lượng mô tả trên hệ tọa độ cố định với stator (hệ tọa độ 𝜶𝜷).
- 𝑟 Đại lượng mô tả trên hệ tọa độ cố định với rotor.
 Chỉ số bên phải, phía dưới:
- s Đại lượng mạch stator.
- r Đại lượng mạch rotor.
- d, q Các thành phần thuộc hệ tọa độ dq.
- 𝛼𝛽 Các thành phần thuộc hệ tọa độ 𝜶𝜷.
1. MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ
1.1 Mơ hình hóa động cơ
-

Phương trình điện áp stator:

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
17


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

𝑢 =𝑅 𝑖 +

𝑑𝛙
𝑑

Trong đó:
 Rs là điện trở cuộn dây pha stator
 𝛙 là từ thơng stator
- Phương trình từ thơng:

𝛙 =𝐿 𝑖 +𝛙
Vector từ thông stator 𝛙 bao gồm hai thành phần: một thành phần do dòng stator tự
cảm trong các cuộn dây stator, một thành phần là từ thông cực từ 𝛙 .
- Phương trình momen quay:

𝑚 =
- Phương trình chuyển động:

3
𝑍 𝛙 𝑖
2

𝑚 =𝑚 +

𝑗 𝑑𝜔
𝑍 𝑑𝑡

Trong đó:
 me là momen quay của động cơ
 mT là momen tải
 J là momen quán tính
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:

𝑢 =𝑢 𝑒

𝛙 =𝛙 𝑒

𝑖 =𝑖 𝑒
𝛙𝒔𝒔

𝛙 =𝑢 𝑒
𝒇

=

𝛙𝒔

𝑒

+ 𝑗𝜔 𝛙 𝑒

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:
- Phương trình từ thơng:

𝛙 =𝐿 𝑖 +𝛙
Trong đó 𝛙 là vector từ thơng cực. Vì trục d của hệ tọa độ dq trùng với trục của từ
thông cực nên thành phần vng góc (thành phần trục q) của 𝛙 bằng khơng. Do đó:

𝛙 =𝛙

+𝐽𝛙

=𝛙

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
18


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

Ngoài ra, điện cảm của cuộn dây stator là khác nhau khi đo ở đỉnh cực Lsd (dọc theo
trục d) và khi ở ngang cực Lsq (dọc theo trục q). Từ đó, ta có phương trình các thành
phần từ thơng:

𝛙

= 𝐿 𝑖 +𝛙
𝛙 =𝐿 𝑖

- Phương trình điện áp stator:
𝒇

𝑢 𝑒

=𝑅 𝑖 𝑒

→ 𝑢 =𝑅 𝑖 +

𝑑𝛙𝒔
+
𝑒
𝑑𝑡

+ 𝑗𝜔 𝛙 𝑒

𝒇

𝛙𝒔

+ 𝑗𝜔 𝛙

Sau một biến đổi chúng ta thu được phương trình các thành phần điện áp startor:

𝑢
𝑢

=𝑅 𝑖

=𝑅 𝑖

+𝐿

+𝐿

𝑑𝑖
−𝜔 𝐿 𝑖
𝑑𝑡

𝑑𝑖
+𝜔 𝐿 𝑖
𝑑𝑡

+𝜔 𝛙

Có thể viết lại hệ phương trình trong miền Laplace như sau:

⎧
⎪
⎨𝑖
⎪
⎩

𝐿
𝑇
1
(𝜔
𝑖 +
𝑢 )
1 + 𝑠𝑇
𝐿
𝐿
𝑇
𝛙
𝐿
1
=
(−𝜔
𝑖 +
𝑢 −𝜔
)
1 + 𝑠𝑇
𝐿

𝐿
𝐿
𝑖

=

Trong đó:
 Tsd=Lsd/Rs
 Tsq=Lsq/Rs
- Phương trình momen quay:

3
𝑍 (𝛙 𝑖 − 𝛙 𝑖 )
2
⇒ 𝑚 = 𝑍 [𝛙 𝑖 + 𝑖 𝑖 (𝐿 − 𝐿 )] = 𝑚đ + 𝑚
𝑚 =

3
2

Trong đó 𝑍 = 4 là số cặp cực từ; 𝑚đ = 𝑍𝑝 𝛙𝑝 𝑖𝑠𝑞 là momen đồng bộ sinh ra do
3

tác động của từ thơng nam châm và dịng điện phần ứng; 𝑚 = 𝑍𝑝 𝑖𝑠𝑞 𝑖𝑠𝑑 (𝐿𝑠𝑑 −
2
𝐿𝑠𝑞 ) là momen phản ứng phần ứng.

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
19

GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

Vì 𝛙 là đại lượng từ thơng khơng đổi, từ phương trình trên ta có thể điều khiển
momen của động cơ thơng qua isd và isq. Để điều khiển 2 đại lượng này ta có thể áp
dụng thuật tốn điều khiển ở bên động cơ điện 1 chiều.
Mơ hình khơng gian trạng thái của động cơ PMSM trên hệ tọa độ từ thông dq:

𝑑𝑖
=𝑨
𝑑𝑡
0

−
𝑨

=

0

𝑖 +𝑩

𝑢 +𝑵

𝑖 𝜔 + 𝑺𝜓 𝜔
0
𝑩

−

0
𝑵

=

−

=

0

0
𝑺= −

0

Trong đó:
 Tsd=Lsd/Rs
 Tsq=Lsq/Rs
 𝑨 là ma trận hệ thống; 𝑩 là ma trận đầu vào; 𝑵
tuyến; S là vector nhiễu tác động.
- Phương trình chuyển động:

𝑚 =𝑚 +

là ma trận phi

𝑍

𝑗 𝑑𝜔
→ 𝜔 = (𝑚 − 𝑚 )
𝑍 𝑑𝑡
𝑗𝑠

Ta được mơ hình tốn học đầy đủ của động cơ như sau:

Hình 2.2 Mơ hình tốn học của động cơ PMSM

 Mơ hình hệ thống là mơ hình bậc 2 (isd, isq) khác với động cơ IM có mơ hình bậc
4 (isd, isq,ψrd, ψrq) - và ngay lập tức đưa ra mơ hình quá trình điều khiển. Đối với
Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
20


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

động cơ IM có mơ hình bậc 4 phải được chia thành từng phần để có được mơ
hình quy trình và mơ hình thơng từ thơng.
 Từ thơng khơng đổi 𝜓 có thể được coi là một tham số của hệ thống. S là vector
nhiễu loạn.
2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA CÁC KHÂU TRONG HỆ
THỐNG: BỘ BIẾN ĐỔI, CẢM BIẾN…
2.1 Mô hình tốn học của cảm biến dịng
Mơ hình tốn học của phản hồi dòng điện đầu vào là dòng điện i(s) và đầu ra là điện
áp u(s) là:

𝐺 =

𝑢(𝑠)
𝐾
=
𝑖(𝑠) 1 + 𝜏 𝑠

Trong đó ki 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 τi =0.001
2.2 Mơ hình tốn học của encoder
Hàm truyền đạt của khâu phản hồi tốc độ:

𝐺

=

𝐾
𝜏 𝑠+1

Kω là hệ số khuếch đại của cảm biến.

τω là hằng số thời gian của bộ lọc.
Chọn hệ số khuếch đại Kω =1
Hằng số thời gian của bộ lọc τω =0.005
2.3 Mơ hình tốn học của bộ biến đổi cơng suất
Do dòng điện đi qua bộ chỉnh lưu cho ra điện áp 𝑉𝐷𝐶 là điện áp cố định không thay
đổi được nên trong phần mơ hình hóa phần bộ điều khiển cơng suất này ta chỉ cần mơ
hình hóa phần bộ nghịch lưu.
Với điện áp mong muốn 𝑢∗ = 𝑢
thì bộ nghịch lưu sẽ trở thành một khâu tỉ lệ:

𝐺 =𝐾 =

𝑢
=1
𝑢∗

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
21


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

Nếu như 𝑢∗ là điện áp điều khiển thì 𝑢∗ = 5VDC, udc là điện áp đầu vào, lúc này bộ
nghịch lưu sẽ là khâu tỉ lệ:
2
2
𝑢
𝑢
𝑢
2
2 3√3
2 3√3
𝐾 = ∗ =3 ∗ =3
=
𝑢 =
×
𝑢 =

×
× 220 ≈ 48
𝑢
𝑢
5
15
15
𝜋
15
𝜋
2.4 Mơ hình hóa bộ điều khiển PI

Hình 2.3 Mơ hình bộ điều khiển PI

Hàm truyền bộ điều khiển PI:

𝑢 =𝐾 𝑒+𝐾
Với 𝐾 = 𝐾 và 𝑇 =

𝑒𝑑𝑡 → 𝐺

=𝐾 + 𝐾

1
𝑠

thì hàm truyền bộ điều khiển sẽ là:

𝐺

=

𝐾(1 + 𝑠𝑇)
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
𝑢
𝑢

𝑐𝑜𝑠𝜗 −𝑠𝑖𝑛𝜗 𝑢
=
𝑠𝑖𝑛𝜗 𝑐𝑜𝑠𝜗 𝑢
𝑐𝑜𝑠𝜗 𝑠𝑖𝑛𝜗 𝑢
=
−𝑠𝑖𝑛𝜗 𝑐𝑜𝑠𝜗 𝑢

Ở dạng Laplace:

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
22


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

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:

𝑢
𝑢

𝑢
𝑢
√3/2 −√3/2 𝑢
2/3
0
𝑢
3
−1/3
√3/3
=
𝑢
2
−1/3 −√3/3

2 1
=
3 0
𝑢
𝑢
𝑢

−1/2

−1/2

3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA CẢ HỆ THỐNG
Với 𝐺 là hàm truyền đạt khâu phản hồi tốc độ, 𝐺 là hàm truyền đạt khâu phản
hồi dòng điện, 𝐺 là hàm truyền đạt bộ biến đổi công suất, 𝐺 là hàm truyền đạt bộ
điều khiển PI như đã trình bày ở các mục trên ta được mơ hình toán học của cả hệ
thống như sau:

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
23


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

Hình 2.4 Mơ hình tốn học chi tiết của cả hệ thống

Đồ án: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
24


GVHD: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG

SVTH: NGUYỄN TIẾN TUẤN

CHƯƠNG III. Tổng hợp hệ thống truyền động điện
1. Điều khiển vector FOC truyền động động cơ PMSM
Về cơ bản cấu trúc điều khiển vector tựa theo từ thông rotor của động cơ PMSM

cũng gần giống như với động cơ không đồng bộ IM tuy nhiên động cơ PMSM có phần
kích từ là nam châm vĩnh cửu nên khơng có phần mơ hình từ thơng để tính tốn ra từ
thơng của động cơ. Phần biến đổi tọa độ thuận ngược tương tự như trong truyền động
FOC cho động cơ không đồng bộ nhưng cần có thêm thiết bị đo góc ϑ hoặc dùng nhận
dạng đỉnh cực để phục vụ biến đổi tọa độ và điều khiển nghịch lưu.
Phần điều khiển bao gồm 2 mạch vịng: mạch vịng trong là điều khiển momen
thơng qua điều khiển dịng điện isq và mạch ngồi là điều khiển tốc độ. Dòng điện isd là
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 khối chuyển đổi các đại lượng từ hệ tọa độ αβ sang
hệ tọa độ dq, cần có thêm đại lượng góc quay ϑ của hệ tọa độ tựa theo từ
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
25