Thạc Sĩ Nghiên cứu hệ truyền động điện dùng động cơ điện một chiều không chổi than

MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang chứng kiến sự thay đổi to lớn của nền sản xuất công nghiệp do việc áp dụng những thành tựu của cuộc cách mạng khoa học công nghệ. Cùng với sự thay đổi của nền sản xuất công nghiệp, ngành khoa học công nghệ về tự động hoá cũng có những bước phát triển vượt bậc và trở thành ngành mũi nhọn của thế giới.
Các hệ thống tự động hoá sử dụng động cơ điện truyền thống thường được thiết kế với những phần tử tương tự tương đối rẻ tiền. Điểm yếu của các hệ thống tương tự là chúng nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ và tuổi thọ của các thành phần. Một nhược điểm nữa của các hệ thống này là khó mở rộng và nâng cấp. Các cấu trúc điều khiển số khắc phục được tất cả những nhược điểm của các cấu trúc truyền động tương tự và bằng cách sử dụng các bộ xử lý có thể lập trình được việc nâng cấp trở nên rất dễ dàng do được thực hiện bằng phần mềm. Các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao cho phép chúng ta thực hiện được những bài toán điều khiển số yêu cầu độ phân giải cao, tốc độ và khối lượng tính toán lớn chẳng hạn như các bài toán điều khiển thời gian thực. Ngoài ra, chúng còn cho phép tối thiểu hoá các thời gian trễ trong mạch vòng điều khiển. Những điều khiển hiệu suất cao này còn cho phép giảm được dao động momen, giảm đáng kể tổn thất công suất như tổn thất công suất do các điều hoà bậc cao gây ra trong rotor. Các dạng sóng liên tục cho phép tối ưu hoá các phần tử công suất và các bộ lọc đầu vào.
Những tiến bộ gần đây trong ngành Vật liệu từ (Nam châm vĩnh cửu), ngành điện tử công suất, trong chế tạo các bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao, kỹ thuật điều khiển hiện đại đã ảnh hưởng đáng kể đến việc mở rộng ứng dụng của các hệ truyền động động cơ một chiều không chổi than (ĐCMCKCT) kích thích vĩnh cửu nhằm đáp ứng nhu cầu về sản xuất hàng hoá, thiết bị, các bộ xử lý của thị trường cạnh tranh khắp thế giới.

Động cơ một chiều không chổi than là loại động cơ có rất nhiều ưu điểm nên gần đây đã được chú ý nghiên cứu và đưa vào sử dụng rộng rãi nhất là trong các hệ thống tự động có yêu cầu cao về độ tin cậy trong các điều kiện làm việc đặc biệt: môi trường chân không, nhiệt độ thay đổi, va đập mạnh, dễ cháy nổ, . Do không có bộ phận đổi chiều cơ khí sử dụng vành góp, chổi than nên động cơ này khắc phục được hầu hết các nhược điểm của động cơ một chiều thông thường. Hiệu suất cao do giảm được tổn thất công suất, không cần bảo dưỡng và quán tính rotor nhỏ của động cơ một chiều không chổi than đã làm tăng nhu cầu sử dụng động cơ này trong những ứng dụng rô bốt và servo công suất lớn. Việc phát minh ra các thiết bị công suất hiện đại như MOSFET, IGBT, GTO và nam châm vĩnh cửu đất hiếm năng lượng cao đã tăng cường các ứng dụng của động cơ này trong các truyền động có yêu cầu điều chỉnh tốc độ.

Được sự hướng dẫn của Thầy giáo TS. Trần Xuân Minh - Trưởng Khoa Điện Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp-Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện dùng động cơ điện một chiều không chổi than”.
Kết cấu của luận văn gồm:
Chương 1- Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than và hệ truyền động điện dùng động cơ điện một chiều không chổi than.

Chương 2- Mô hình toán học của động cơ điện một chiều không chổi than và lựa chọn thuật toán điều khiển.

Chương 3- Xây dựng cấu trúc hệ truyền động và mô phỏng. Kết luận và kiến nghị

Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo - TS Trần Xuân Minh, người đã luôn quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.




MỤC LỤC

Trang bìa phụ . 1

Lời cam đoan .2

Mục lục 3

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .6

Danh mục các bảng .6

Danh mục các hình vẽ, đồ thị .7

Mở Đầu 11

Chương1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN .16
1.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than 16

1.1.1. Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than .16

1.1.2. Cấu tạo của động cơ một chiều không chổi than 18

1.2. Các hệ truyền động điện dùng ĐCMCKCT .25

1.2.1. Truyền động không đảo chiều (truyền động một cực tính) 25

1.2.2. Truyền động có đảo chiều (truyền động hai cực tính) .26

1.3. Một số đặc điểm về điện của ĐCMCKCT 27

1.3.1. Thứ tự chuyển mạch . . . 24

1.3.2. Đặc tính cơ và đặc tính làm việc của ĐCMCKCT 30

1.3.3. Sức phản điện động .30

1.4. Kết luận 31

Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN VÀ LỰA CHỌN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN . 32
2.1. Mô hình toán học của động cơ một chiều không chổi than .35

2.1.1. Mô hình toán học 35

2.1.2. Mômen điện từ .34

2.1.3. Phương trình động học của ĐCMCKCT .35

2.2. Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều không chổi than .35

2.3. Sơ đồ cấu trúc của ĐCMCKCT .37

2.4. Lựa chọn thuật toán điều khiển cho ĐCMCKCT 41

2.4.1. Đặt vấn đề 41

2.4.2. Giới thiệu về vi điều khiển DSPIC30F4011 39

2.4.2.1. Ngắt của DSPIC30F4011 44

2.4.2.2. Cổng vào ra của DSPIC30F4011 45

2.4.2.3. Các bộ định thời .46

2.4.2.4. Module chuyển đổi tương tự - số ADC 10bit .48

2.4.2.5. Module PWM điều khiển động cơ 51

2.4.3. Thiết kế mạch điều khiển ĐCMCKCT dùng DSPIC30F4011 52

2.4.3.1. Module xử lý trung tâm 52

2.4.3.2. Hệ thống phản hồi dòng điện .50

2.4.3.3. Mạch phản hồi tốc độ 56

2.4.3.4. Một số cấu trúc khác .57

2.4.4. Thiết kế mạch đệm cho bộ nghịch lưu 57

2.4.4.1. IC HCPL 316J .57

2.4.4.2. Mạch đệm cho mỗi van IGBT 58

2.4.4.3. Nguồn cấp cho từng module của mạch đệm 58

2.4.4.4. Mạch đệm của cả 6 van IGBT 59

2.4.5. Viết chương trình điều khiển cho động cơ .64

2.5. Thiết kế mạch lực cho ĐCMCKCT . .64

2.5.1. Giới thiệu về các bộ biến đổi cho ĐCMCKCT . .64

2.5.2. Biến áp tự ngẫu 70

2.5.3. Mạch chỉnh lưu 71

2.5.4. Mạch nghịch lưu 73

2.5.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT 73

2.5.4.2. Đặc tính đóng cắt của van IGBT 69

2.5.4.3. Lựa chọn mạch nghịch lưu 76

2.5.5. Tính toán tham số mạch lực .78

2.55.1. Tính chọn mạch chỉnh lưu .78

2.5.5.2. Tính chọn mạch nghịch lưu .79

2.6. Kết luận 80

Chương 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNGVÀ MÔ PHỎNG 76

3.1. Tổng hợp các bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện cho ĐCMCKCT .81

3.1.1. Mô hình 1 pha của động cơ một chiều không chổi than . 81

3.1.2. Tổng hợp các bộ điều chỉnh của ĐCMCKCT 83

3.1.3. Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha ĐCMCKCT . 84

3.1.4. Hàm truyền đạt của các khối chức năng trong mô hình hệ điều khiển . 85

3.1.4.1. Khối bộ biến đổi 79

3.1.4.2. Khâu đo dòng điện - phản hồi dòng 81

3.1.4.3. Khâu đo tốc độ - phản hồi tốc độ 81

3.1.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 81

3.1.6. Tổng hợp mạch vòng tốc độ 89

3.1.7. Mô phỏng mô hình một pha của ĐCMCKCT 93

3.2. Xây dựng và mô phỏng mô hình 3 pha của ĐCMCKCT . 97

3.2.1. Xây dựng tổng quan mô hình hệ điều khiển ĐCMCKCT 98

3.2.2. Mô hình ĐCMCKCT . 99

3.2.3. Mô hình bộ chuyển mạch điện tử - nghịch lưu nguồn áp . 105

3.2.4. Khối Bộ điều khiển . 106

3.2.5. Một số khối chức năng khác 109

3.2.6. Một số chương trình phục vụ cho mô hình hệ điều khiển 110

3.2.7. Mô phỏng mô hình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển ĐCMCKCT 110

3.2.8. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển ĐCMCKCT . 111

3.2.9. Nhận xét kết quả mô phỏng . 115

3.3. Kết luận . .106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 115

Kết luận . 115

Kiến nghị .115

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 116

PHỤ LỤC 117



DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ĐCMC Động cơ một chiều

ĐCMCKCT Động cơ một chiều không chổi than

ĐC Động cơ

DC Direct Current

DSP Digital Signal Processor

PWM Pulse Width Modulation

BEMF Back EMF – Sức phản điện động

ADC Analog to Digital Converter DAC Digital to Analog Converter GND Ground
BLDC Brushless Direct Current

MOSFET Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor

IC Integrated Circuit


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh ĐCMC không chổi than với ĐCMC thông thường Bảng 1.2 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ Bảng 1.3 Thứ tự chuyển mạch khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ Bảng 2.1 Phân công địa chỉ vào ra cho các chân của vi điều khiển


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của ĐCMCKCT

Hình 1.2 Sơ đồ khối ĐCMCKCT

Hình 1.3 Mặt cắt ngang của một ĐCMC không chổi than(a) và của một động cơ một chiều không chổi than hai pha (b)

Hình 1.4 Stator của ĐCMCKCT

Hình 1.5 Các dạng sức điện động của ĐCMCKCT

Hình 1.6 Rotor của ĐCMCKCT

Hình 1.7 Các dạng Rotor của động cơ một chiều không chổi than

Hình 1.8 Hiệu ứng Hall

Hình 1.9 Động cơ một chiều không chổi than – cấu trúc nằm ngang

Hình 1.10 Bộ phận đổi chiều điện tử sử dụng transistor công suất

Hình 1.11 Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động một cực

Hình 1.12 Thứ tự chuyển mạch và chiều quay của từ trường stator

Hình 1.13 Minh hoạ nguyên lý làm việc của ĐCMCKCT truyền động hai cực

Hình 1.14 Từ trường stator và chiều của mô men quay

Hình 1.15 Chuyển động cùng chiều kim đồng hồ của rô to và từ trường stator Hình 1.16 Chuyển động ngược chiều kim đồng hồ của rotor và từ trường stator Hình 2.1 Mô hình mạch điện của ĐCMCKCT
Hình 2.2 Mô hình thu gọn của ĐCMCKCT

Hình 2.3 Sơ đồ 1 pha tương đương của ĐCMCKCT

Hình 2.4 Sơ đồ khối ĐCMCKCT

Hình 2.5 Sơ đồ chân linh kiện vi điều khiển DSPIC30F4011

Hình 2.6 Cấu trúc một chân của cổng vào ra

Hình 2.7 Cấu trúc của bộ định thời 1 (Timer1 - Định thời loại A)

Hình 2.8 Cấu trúc của module ADC 10bit trong DSPIC30F4011

Hình 2.9 Cấu trúc của module PWM

Hình 2.10 Cấu trúc module xử lý trung tâm

Bảng 2.11 Cấu trúc mạch phản hồi dòng điện

Hình 2.12 Cấu trúc của HCPL 7510

Hình 2.13 Cấu trúc mạch phản hồi tốc độ

Hình 2.14 Mạch ghép nối LED và nút ấn

Hình 2.15 Mạch xuất tín hiệu PWM và nhận tín hiệu từ cảm biến Hall

Hình 2.16 Mạch ghép nối cổng COM

Hình 2.17 Nguồn cấp cho mạch điều khiển

Hình 2.18 Mạch điều khiển động cơ

Hình 2.19 Cấu trúc của ICHCPL 316J

Hình 2.20 Đặc tính điện áp vào và các tín hiệu bảo vệ của ICHCPL 316J

Hình 2.21 Module mạch đệm cho một van IGBT

Hình 2.22 Nguồn cấp cho modul của mạch điệm cho van IGBT

Hình 2.23 Mach đệm cho 6 van IGBT

Hình 2.24 Lưu đồ chương trình mạch vòng hở điều khiển ĐCMCKCT Hình 2.25 Lưu đồ chương trình mạch vòng kín điều khiển ĐCMCKCT Hình 2.26 Sơ đồ biến đổi cho ĐCMCKCT
Hình 2.27 Cấu tạo của biến áp tự ngẫu

Hình 2.28 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Hình 2.29 Sơ đồ chỉnh lưu cầu diot

Hình 2.30 Sơ đồ điện áp chỉnh lưu cầu diot

Hình 2.31 Cấu trúc bán dẫn và cấu trúc tương đương của van IGBT

Hình 2.32 Sơ đồ thử nghiệm khoá IGBT

Hình 2.33 Đồ thị thể hiện sự dẫn dòng của van IGBT Hình 2.34 Đồ thị thể hiện quá trình khoá của van IGBT Hình 2.35 Sơ đồ bộ nghịch lưu áp ba pha
Hình 2.36 Sơ đồ mạch lực của ĐCMCKCT

Hình 3.1 Mạch tương đương một pha ĐCMCKCT

Hình 3.2 Mô hình tương đương 1 pha ĐCMCKCT

Hình 3.3 Mô hình hệ thống điều khiển 1 pha ĐCMCKCT

Hình 3.4 Mô hình mạch vòng dòng điện có xét tới ảnh hưởng của BEMF ĐCMCKCT

Hình 3.5 Mô hình mạch vòng dòng điện tối giản của ĐCMCKCT

Hình 3.6 Mô hình mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT

Hình 3.7 Mô hình tối giản mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT

Hình 3.8 Mô hình mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT khi chưa có khâu lọc đầu vào Hình 3.9 Đặc tính mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT khi chưa có khâu lọc đầu vào Hình 3.10 Mô hình mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT khi có khâu lọc đầu vào Hình 3.11 Đặc tính mạch vòng tốc độ của ĐCMCKCT khi có khâu lọc đầu vào Hình 3.12 Mô hình mô phỏng một pha của ĐCMCKCT
Hình 3.13 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ

Hình 3.14 Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện

Hình 3.15 Mô hình một pha có khâu hạn chế dòng điện của ĐCMCKCT

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng đáp ứng tốc độ Hình 3.17 Kết quả mô phỏng đáp ứng dòng điện Hình 3.18 Hệ thống điều khiển ĐCMCKCT
Hình 3.19 Mô hình mô phỏng ĐCMCKCT Hình 3.20 Mạch nguyên lý ĐCMCKCT Hình 3.21 Khâu tính toán momen
Hình 3.22 Mô hình khối tạo dạng sức phản điện động

Hình 3.23 Đặc điểm tín hiệu của hàm rem(u,2*pi)

(a) Tín hiệu vào trước rem(u,2*pi), (b) Tín hiệu ra sau rem(u,2*pi)

Hình 3.24 Mô hình bộ chuyển mạch nghịch lưu 3 pha

Hình 3.25 Mô hình Bộ điều khiển

Hình 3.26 Mô hình khối tạo dạng dòng điện

Hình 3.27 Mô hình khối Pulse Generator

Hình 3.28 Mô hình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển ĐCMCKCT

Hình 3.29 Đặc tính tốc độ của ĐCMCKCT

Hình 3.30 Đặc tính mômen điện từ trung bình của ĐCMCKCT

Hình 3.31 Đặc tính dòng điện một pha của ĐCMCKCT Hình 3.32 Đặc tính dòng điện ba pha của ĐCMCKCT
Hình 3.33 Đặc tính sức phản điện động ba pha của ĐCMCKCT