Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG -------&*&------- LÊ BẢO CHUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – 05/2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH Phản biện 1: PGS. BÙI QUỐC KHÁNH Phản biện 2: TS. NGUYỄN ANH DUY Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 05 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin Học liệu – ĐH Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu – ĐH Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Cùng với sự phát triển ngày càng lớn mạnh của các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành điều khiển tự động, yêu cầu chất lượng đối với các loại máy móc ngày càng cao: Các cơ cấu máy móc đòi hỏi phải đạt độ nhanh, nhạy, chính xác cao, năng lượng phải được sử dụng có hiệu quả. Hiện nay, đã có những robot công nghiệp có những cơ cấu có thể chuyển động với tốc độ 10m/s và độ chính xác tới 10 micron. Cơ cấu chung cho những thiết bị này là sử dụng động cơ và các cơ cấu truyền động cơ khí. Tuy nhiên vấn đề phát sinh đối với cơ chế này là lực ma sát, các phản lực cơ khí, độ bền cơ học của các cơ cấu...Hơn nữa, do có ma sát, một phần năng lượng đã bị mất đi trên các cơ cấu này, rõ ràng điều này ngoài gây ra sự lãng phí về mặt kinh tế vừa làm giảm hiệu quả về mặt truyền năng lượng. Động cơ tuyến tính (Linear Motor) chính thức được công nhận từ những năm 1970, tuy nhiên chúng không được sử dụng rộng rãi bởi vì những khó khăn mà chúng mang lại: Khó điều khiển và chất lượng thấp. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và các bộ vi xử lý có khả năng xử lý mạnh mẽ, những khó khăn đó đã được khắc phục. Động cơ tuyến tính hiện đang được xem là công nghệ mới. Với những ưu điểm của mình, động cơ tuyến tính (và các cơ cấu tuyến tính) đang được xem là 1 trong những giải pháp cho những vấn đề đã nêu ở trên. Một số ưu điểm nổi bật của động cơ tuyến tính: - Tốc độ cao. - Độ chính xác cao. 2 - Đáp ứng nhanh. - Độ bền cơ học cao (Do ít có sự cọ xát các cơ cấu cơ học, các chuyển động quay...) . Các hệ truyền động sử dụng động cơ tuyến tính được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Vận chuyển (tàu cao tốc), công nghệ rôbốt và gia công vật liệu, các thiết bị nâng, các thiết bị nén và bơm, thiết bị phóng tên lửa, các loại cửa trượt,... 2. Mục đích, ý nghĩa của đề tài:  Việc xây dựng thành công bộ điều khiển tốc độ là bước đầu để tiến tới việc xây dựng bộ điều khiển đầy đủ (điều khiển dòng điện, điều khiển vị trí...) cho động cơ tuyến tính không đồng bộ.  Lĩnh vực truyền động sử dụng động cơ tuyến tính được coi là một lĩnh vực mới trên thế giới, vì vậy, nghiên cứu về nó cũng là thực hiện nắm bắt xu thế mới của các hệ truyền động hiện đại. Điều này càng có ý nghĩa trong thực tế phát triển các ngành công nghiệp ở nước ta. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3.1. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động điện điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ. Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng hệ thống 3.2. Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của đề tài là xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển trượt. 4. Phương pháp nghiên cứu: Đề tài được nghiên cứu theo các bước sau đây: 3 4.1. Nghiên cứu lý thuyết: Ở phương pháp này người nghiên cứu tìm hiểu các tài liệu hỗ trợ có liên quan đến đề tài. Qua đó người thực hiện đưa ra những nhận định và rút ra được nội dung cần trình bày trong luận văn. Bên cạnh việc rút ra những nhận định, phương pháp nghiên cứu lý thuyết còn giúp cho người nghiên cứu hiểu được cách thức thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink. 4.2. Nghiên cứu hệ thống, kiểm nghiệm: Sau khi tiến hành xây dựng và mô phỏng hệ thống, so sánh, đối chiếu kết quả của các công trình đi trước. Nếu kết quả thu được không hợp lý cần kiểm tra lại lý thuyết để điều chỉnh lại quá trình mô phỏng nhằm thu được kết quả chính xác. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Việc xây dựng thành công bộ điều khiển tốc độ là bước đầu để tiến tới việc xây dựng bộ điều khiển đầy đủ (điều khiển dòng điện, điều khiển vị trí...)cho động cơ tuyến tính không đồng bộ. Lĩnh vực truyền động sử dụng động cơ tuyến tính được coi là một lĩnh vực mới trên thế giới, vì vậy, nghiên cứu về nó cũng là thực hiện nắm bắt xu thế mới của các hệ truyền động hiện đại. Điều này càng có ý nghĩa trong thực tế phát triển các ngành công nghiệp ở nước ta 6. Bố cục đề tài: MỞ ĐẦU Chương 1: ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH Chương 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT Chương 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ. 4 CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH: 1.1.1. Khái niệm: 1.1.2. Sự tương đồng giữa mạch từ và mạch điện 1.1.3. Nguyên lý hoạt động động cơ tuyến tính 1.1.4. Động cơ tuyến tính 3 pha 1.2. CÁC DẠNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH: 1.2.1. Động cơ tuyến tính đồng bộ 1.2.2. Động cơ tuyến tính không đồng bộ 1.2.3. Một số đặc điểm động cơ tuyến tính không đồng bộ Mô tả toán học động cơ tuyến tính không đồng bộ Mô hình thay thế động cơ tuyến tính không đồng bộ trên hệ tọa độ d-q với hiệu ứng đầu cuối [5,7]: Hình 1.15. Mô hình thay thế động cơ tuyến tính không đồng bộ theo trục d 5 Hình 1.16. Mô hình thay thế động cơ tuyến tính không đồng bộ theo trục q Hệ phương trình điện áp trên hệ tọa độ d-q [5]: Vds = Rsids + Rrf(Q).(ids + idr) + p ds - vs qs Vqs = Rsids + p qs + ve ds Vdr = Rridr +Rrf(Q).(ids + idr) + p dr – (vs – vr) qr =0 Vqr = Rriqr + p qr + (vs-vr) dr =0 Hệ phương trình từ thông trên hệ tọa độ d-q [5]: ds = Llsids + Lm(1 - f(Q))(ids + idr) qs = Llsiqs + Lm(iqs + iqr) dr = Llridr + Lm(1 - f(Q))(ids+idr) qr = Llriqr + Lm(ids + idr) Trong đó: Q: Hệ số đặc trưng cho hiệu ứng cuối của động cơ tuyến tính không đồng bộ: ( 1.1) ( 1.2) ( 1.3) ( 1.4) ( 1.8) ( 1.6) ( 1.7) ( 1.5) ( 1.9) 6 f(Q) là một hàm biểu diễn theo Q được thể hiện theo phương trình: Phương trình tính toán lực điện từ: Với P là số đôi cực. Hình 1.21. Mô hình động cơ tuyến tính trên Simulink Tiến hành mô phỏng ta thu được kết quả như sau: Hình 1.22. Tốc độ tuyến tính khi bỏ qua hiệu ứng cuối ( 1.10) ( 1.11) 7 Hình 1.23. Lực điện từ khi bỏ qua hiệu ứng cuối Hình 1.24. Từ thông rotor khi xét đến hiệu ứng cuối Hình 1.27. Tốc độ tuyến tính khi có hiệu ứng cuối 8 Hình 1.28. Lực điện từ khi có hiệu ứng cuối Hình 1.30. Đồ thị biểu diễn giá trị f(Q) 1.3. CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH: 9 CHƯƠNG 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 2.1. TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 2.2. PHÂN LOẠI BIẾN TẦN 2.2.1. Biến tần trực tiếp 2.2.2. Biến tần gián tiếp a. Khối chỉnh lưu b. Bộ lọc c. Bộ nghịch lưu 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 2.3.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM a. Phương pháp điều chế SPWM Nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM ba pha: Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như Hình 2.5. Để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu: Hình 2.5. Nghịch lưu áp 3 pha. 10 Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau: Hình 2.6. Điện áp điều khiển và điện áp răng cưa b. Phương pháp điều chế vector không gian 2.3.2. Phương pháp điều chế trực tiếp momen (DTC: Direct Torque Control) 2.4. MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRÊN MATLAB/SIMULINK: Thực hiện mô phỏng với bộ chỉnh lưu không điều khiển và nghịch lưu sử dụng IGBT. Tín hiệu điều khiển đưa vào khối phát xung PWM là điện áp đặt Uref Hình 2.15. Mô hình bộ biến đổi công suất VcontrolA VcontrolB VcontrolC Vtri 11 Hình 2.16. Khối phát xung PWM Kết quả mô phỏng với Uref = 220 V: Hình 2.18. Điện áp pha Ua, Ub, Uc Hình 2.19. Điện áp dây Uab, Ubc, Uca 12 CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1. LÝ THUYẾT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID: 3.1.1. Cơ bản về vòng điều khiển: 3.1.2. Lý thuyết điều khiển PID: a. Khâu tỉ lệ b. Độ trượt c. Khâu tích phân d. Khâu vi phân 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID: 3.2.1. Điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler- Nichols a. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất b. Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 3.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (CHR) a. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh. b. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh không vượt quá 20% c. Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước (giảm sai lệch tĩnh) và hệ kín không có độ quá điều chỉnh. d. Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước (giảm sai lệch tĩnh) và hệ kín có độ quá điều chỉnh không vượt quá 20%. 3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển PID điều khiển động cơ tuyến tính không đồng bộ. Sơ đồ nguyên lý: 13 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ Trong đó, bộ tính điện áp được xây dựng dựa trên giả thiết bỏ qua điện trở từ hóa, sụt áp trên stator chỉ tính trên điện trở stator. Sức điện động stator Es sinh ra bởi từ thông khe hở sẽ nhỏ hơn điện áp stator một lượng bằng Iđm.Rs : Es=Uđm – Iđm.Rs Trên thực tế, sụt áp trên stator cần phải tính thêm sụt áp trên từ kháng Xs Es=Uđm – Iđm.(Rs + jXs) Các thông số trong bộ điều khiển PID được xác định bằng phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai. Mô phỏng trên Matlab/Simulink: 14 Hình 3.8. Mô phỏng bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ Hình 3.9. Khối PWM 15 Hình 3.10. Khối tính toán Us (Us cal) Hình 3.11. Khối phát xung PWM 16 Kết quả mô phỏng: Hình 3.13. Đáp ứng đầu ra với tốc độ đặt vref=8 m/s Hình 3.14. Đáp ứng đầu ra với tốc độ đặt vref thay đổi từ 8-10 m/s 17 Hình 3.15. Đáp ứng đầu ra với tốc độ đặt vref =8 m/s và có ngoại lực tác động tại thời điểm 1,5s Nhận xét: Bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ của động cơ theo đúng tốc độ đặt, đáp ứng khá nhanh với thay đổi. 3.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH KHÔNG ĐỒNG BỘ: 3.3.1. Lý thuyết điều khiển trượt: 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ Định nghĩa mặt trượt: Theo phương trình mô tả động học của động cơ tuyến tính không đồng bộ trong công thức (1.9), suy ra: 18 Ta có: Trong quá trình trượt và tại trạng thái ổn định: s(vr)=0, và , quá trình điều khiển có thể được định nghĩa: Trong quá trình hội tụ, cần đảm bảo điều kiện cần phải được kiểm tra. Thay (3.10) vào phương trình đạo hàm của mặt trượt (3.8) cho ta: Quá trình điều khiển có thể định nghĩa như sau: Để đảm bảo điều kiện ổn định của hệ thống , chỉ cần chọn hệ số kiqs dương là đủ. 3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển trượt điều khiển dòng điện động cơ tuyến tính không đồng bộ Quá trình xây dựng bộ điều khiển dòng điện tương tự như đối với bộ điều khiển tốc độ. Ta có: 19 Trong suốt quá trình trượt và tại trạng thái hệ thống ổn định: , , và . Bộ điều khiển có thể định nghĩa như sau: Trong suốt quá trình trượt, điều kiện và cần phải được kiểm tra. Thay (3.19) và (3.20) vào phương trình đạo hàm của mặt trượt và , ta được: Quá trình điều khiển rời rạc được định nghĩa như sau: 20 3.3.4. Mô phỏng bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ trên Matlab/Simulink: Sơ đồ nguyên lý: Hình 3.20. Nguyên lý xây dựng bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ 21 Hình 3.21. Mô hình bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ trên Matlab/Simulink Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink: Hình 3.22. Đáp ứng tốc độ với Vref =8 m/s 22 Hình 3.23. Đáp ứng tốc độ khi Vref thay đổi từ 8-10 m/s Hình 3.24. Lực điện từ với Vref =8 m/s 23 Hình 3.25. Hàm f(Q) Nhận xét: Bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ động cơ tuyến tính không đồng bộ chính xác, cho đáp ứng nhanh với thay đổi. So với bộ điều khiển PID thì bộ điều khiển trượt có đáp ứng nhanh hơn, độ vọt lố cũng nhỏ hơn 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN: Việc nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động và bộ điều khiển tốc độ cho động cơ tuyến tính không đồng bộ thật sự cần thiết khi công nghệ động cơ tuyến tính ở nước ta chưa phát triển, các công trình nghiên cứu về động cơ tuyến tính còn ít. Trong phạm vi luận văn, người nghiên cứu đã thực hiện được các công việc sau: Thấy được sự khác nhau giữa động cơ tuyến tính và động cơ quay cổ điển. Mô hình hóa động cơ tuyến tính không đồng bộ và mô phỏng trên Matlab/Simulink. Xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho động cơ tuyến tính không đồng bộ bằng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển trượt. 2. KIẾN NGHỊ: Đây là đề tài mang tính nghiên cứu, việc áp dụng vào thực tế còn nhiều khó khăn do thiếu đi mô hình thử nghiệm, nhất là trong điều kiện ngành tự động hóa nước ta hiện nay. Vì vậy người nghiên cứu đề nghị được trang bị mô hình thực tế để có thể áp dụng nghiên cứu lên sản phẩm thật, góp phần phát triển cho công nghệ truyền động điện. .