LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2017 Học viên TRẦN CÔNG TOÁN v CẢM TẠ Thời gian làm luận văn là khoảng thời gian em đƣợc học hỏi và trải nghiệm rất nhiều. Nó giúp em bồi dƣỡng thêm những kiến thức đã học, tiếp thu những kiến thức mới và đặc biệt là tăng cƣờng thêm khả năng tự học, tự nghiên cứu của bản thân.
Hơn hết, em xin dành lời cảm ơn chân thành đến thầy Trƣơng Nguyễn Luân Vũ và thầy Võ Lâm Chƣơng đã chỉ dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian qua, giúp em có những hƣớng nghiên cứu, nhận định và tìm hiểu các vấn đề trong khi làm chuyên đề hƣớng tới luận văn trong tƣơng lai. Bên cạnh đó là bạn Nguyễn Văn Tính đang công tác tại trƣờng Cao đẳng Cao Thắng cũng đã giúp đỡ em rất nhiều trong việc xây dựng mô hình thực nghiệm. Sau cùng em xin cảm ơn những ngƣời thân trong gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em tập trung làm luận văn và không thể không kể đến những ngƣời bạn đã luôn động viên và cổ vũ giúp em vƣợt qua những khó khăn trong thời gian này. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2017.
Học viên TRẦN CÔNG TOÁN vi TÓM TẮT Nội dung luận văn tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều không chổi than. Loại động cơ này ngày càng phổ biến với những ƣu điểm của nó so với động cơ thƣờng. Tiếp theo ta tổng hợp các phƣơng pháp điều khiển, rồi chọn phƣơng pháp điều khiển sáu bƣớc đơn giản và ứng dụng nhiều trong thực tế. Từ đó, ta xây dựng mô hình động cơ một chiều không chổi than để phân tích đáp ứng động học động cơ hệ hở, hệ vòng kín một vòng tốc độ và hệ vòng kín gồm vòng dòng điện bên trong.
Để tiến hành trên mô hình thực nghiêm, ta phải nhận dạng các tham số động cơ BLDC. Sau đó, ta thiết kế các bộ điều khiên IMC -PI/PID cho các vòng điều khiển cho ổn định bền vững. Tiếp theo sẽ thực hiện mô hình thực nghiệm dựa trên các lý thuyết và kết quả thực nghiệm để kiểm tra, so sánh, đánh giá, nhận xét. vii MỤC LỤC Trang tựa TRANG Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt viii Danh sách các hình ix Danh sách các bảng xi Chƣơng 1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ……………………………… 4 1.2 Tình hình nghiên cứu BLDC trên thế giới …………………….3 Tình hình nghiên cứu BLDC trong nƣớc …………………… … 8 1.3 Tính cấp thiết đề tài ………………………………………………….4 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu ………….5 Nghiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài ……………………………… 11 1.6 Nội dung nghiên cứu trong đề tài ……………………………………… 11 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu ……………………………………………… 11 Chƣơng 2.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động ……………………………………… 13 2.2 Truyền động điện …………………………………………………… 18 2.3 Đặc tính cơ, điện …………………………………………………….4 Suất phản điện động ……………………………………………….5 Phƣơng pháp điều khiển bộ biến đổi điện tử …………………….2 Mô hình toán học BLDC ………………………………………………….3 Bộ điều khiển PID và PID ghép tầng …………………………………….1 Bộ điều khiển PID …………………………………………………… 28 2.2 PID ghép tầng ……………………………………………………….4 Phƣơng pháp hiệu chỉnh tham số PID và IMC-PID …………………… 32 2.1 Các phƣơng pháp hiệu chỉnh tham số PID ……………………….2 Phƣơng pháp IMC-PID …………………………………………….
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN, MÔ PHỎNG MATLAB SIMULINK .1 Nhận dạng tham số mô hình …………………………………………….2 Thiết kế bộ điều khiển ghép tầng ba vòng …………………………….1 Thiết kế PI/PID vòng điều khiển dòng điện ……………………… 47 3.2 Thiết kế IMC-PI/PID vòng điều khiển tốc độ …………………….3 Nghiên cứu thêm bộ sớm trễ pha nối tiếp IMC-PID …………………….1 Luật điều khiển mô hình bậc một ………………………………….2 Luật điều khiển mô hình bậc hai ………………………………….3 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện .4 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ …………………………………… 60 Chƣơng 4. THỰC NGHIÊM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ…………….1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm ………………………………………….2 Cấu trúc mô hình thực nghiệm …………………………………………… 66 4.3 Các thiết bị thực nghiệm .4 Kết quả thực nghiệm ……………………………………………………… 71 4.5 Đánh giá, so sánh …………………………………………………………. KẾT LUẬN, HƢỚNG PHÁT TRIỂN ………………………. 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT TRANG DC : Động cơ một chiều thông thƣờng 1 AC : Động cơ xoay chiều 1 PMSM : Động cơ đồng bộ từ trƣờng vĩnh cửu 4 SRM : Động cơ từ trở đồng bộ 4 BLDC: Động cơ một chiều không chổi than 5 FOC : Điều khiển hƣớng từ trƣờng 7 PWM : Điều chế độ rộng xung 9 PID : Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ 9 FUZZY : Bộ điều khiển mờ 13 PSO : Giải thuật tối ƣu bầy đàn 13 GA : Giải thuật di truyền 13 IMC : Điều khiển mô hình nội 13 MOSFET : đóng ngắt hiệu ứng từ 20 GTO : thiết bị đóng ngắt một cổng 20 IGBT : đóng ngắt bằng áp 20 SVM : Điều chế vector không gian 26 SPWM : Điều chế độ rộng xung dạng sin 26 x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Động cơ DC thƣờng 2 Hình 1.2: Động cơ điện xoay chiều ba pha 3 Hình 2.1: Thành phần cơ bản của động cơ BLDC 13 Hình 2.2: Stator của động cơ một chiều không chổi than 14 Hình 2.3: Suất điện động của BLDC hình thang (trái) và hình sin (phải) 15 Hình 2.4: Các dạng rôto của BLDC 15 Hình 2.5: Hƣớng và chiều tác dụng trong hiệu ứng Hall 16 Hình 2.6: Mặt cắt ngang BLDC 17 Hình 2.7: Chuyển mạch hai cực tính BLDC 18 Hình 2.8: Đặc tính tố độ-mômen động cơ BLDC 19 Hình 2.9: Nguyên lí điều khiển BLDC 20 Hình 2.10: Mạch tƣơng đƣơng cho hai chế độ hoạt động 21 Hình 2.11: Chế độ hoạt động dạng sóng vuông 22 Hình 2.12: Dạng sóng sin lý tƣởng dòng điện pha 22 Hình 2.13: Giản đồ khối đơn giản của FOC 23 Hình 2.14: Mô hình mạch điện động cơ BLDC 25 Hình 2.15: Mạch tƣơng đƣơng một pha đông cơ BLDC 27 Hình 2.16: Mô hình tƣơng đƣơng động cơ BLDC một pha 28 Hình 2.17: Cấu trúc bộ điều khiển PID 28 Hình 2.18: Điều khiển hồi tiếp PID dạng chuẩn 29 Hình 2.19: Cấu trúc bộ điều khiển ghép tầng tổng quát 32 Hình 2.20: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S 33 Hình 2.21: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 33 Hình 2.22: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth 34 Hình 2.23: Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phƣơng pháp C-H-R 34 Hình 2.24: Ƣớc lƣợng tham số dựa mô hình bậc nhất và độ trễ 36 Hình 2.25: Sơ đồ cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển IMC 39 Hình 2.26: Thiết kế IMC-PID 41 Hình 2.27: Vòng trong cấu trúc IMC đƣợc sắp xếp 41 Hình 2.28: Cấu trúc bộ điều khiển theo IMC đƣợc sắp xếp 41 Hình 3.1: Thu thập dữ liệu dòng điện với hàm bƣớc điện áp 45 Hình 3.2: Thu thập dữ liệu dòng điện, tốc độ 45 Hình 3.3: Cấu trúc chuẩn thiết kế IMC-PID hai vòng 46 Hình 3.4: Đáp ứng vòng hở Gp2 47 xi Hình 3.5: Cấu trúc thiết kế vòng điều khiển dòng điện 47 Hình 3.6: Đáp ứng dòng điện IMC-PID 2 = 0.7: Cấu trúc thiết kế vòng tốc độ 52 Hình 3.8: Đáp ứng IMC-PID 1 = 0.9: Khảo sát đáp ứng vòng kín dòng điện 60 Hình 3.10: Đáp ứng hàm truyền tƣơng đƣơng vòng kín dòng điện 61 Hình 3.11: Khảo sát đáp ứng hàm truyền tốc độ 62 Hình 3.12: Khảo sát đáp ứng vòng kín dòng điện 64 Hình 4.1: Mô hình thực nghiệm điều khiển động cơ một chiều không chổi than 65 Hình 4.2: Chi tiết động cơ một chiều không chổi than 65 Hình 4.3: Mạch nguồn, mạch công suất và mạch điều khiển 66 Hình 4.4: Cấu trúc mô hình thực nghiệm 67 Hình 4.5 : Mạch công suất điều khiển BLDC 68 Hình 4.6 : Môđun cảm biến dòng điện ACS712 68 Hình 4.7 : Mạch điện của môđun cảm biến dòng điện ACS712 69 Hình 4.8 : Nguồn tổ ong 24V,10A 69 Hình 4.9: Vi điều khiển Arduino Mega 2560 70 xii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: So sánh động cơ DC và BLDC 18 Bảng 2.2: Đặc tính các phƣơng pháp điều khiển bộ biến đổi BLDC 24 Bảng 2.3: Đặc tính các tham số PID 30 Bảng 2.4: Chỉ tiêu điều khiển 31 Bảng 2.5: Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 33 Bảng 2.6: Các tham số PID theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ hai 34 Bảng 2.7: Các tham số PID theo phƣơng pháp C-H-R 1 35 Bảng 2.8: Các tham số PID theo phƣơng pháp C-H-R 2 35 Bảng 2.9: Các tham số PID theo phƣơng pháp C-H-R 3 36 Bảng 2.10: Các tham số PID theo phƣơng pháp C-H-R 4 36 Bảng 2.11: Xác định tham số dựa phƣơng pháp Cohen-Coon 37 Bảng 2.12: Công thúc hiệu chỉnh tối thiểu tích phân lỗi với nhiễu đầu vào 38 Bảng 3.1 Quy luật điều khiển các bộ điều khiển đƣợc đề nghị với các mô hình không trễ 62 Bảng 4.1: Tham số động cơ một chiều không chổi than ba pha 71 Bảng 4.2: Kết quả vòng điều khiển dòng điện độc lập khi chạy không tải 71 Bảng 4.3: Kết quả vòng điều khiển tốc độ có vòng dòng điện bên trong 72 xiii CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Ngày nay với sự phát triển không ngừng của nền khoa học kỹ thuật đã tạo ra những thành tựu to lớn, trong đó ngành cơ điện tử cũng góp phần không nhỏ vào thành công đó.
Một trong những vấn đề quan trọng trong ngành công nghiệp là truyền động và năng lƣợng. Trong đó, động cơ điện không thể thiếu trong truyền động và tiêu tốn năng lƣợng nhiều nhất trong ngành công nghiệp. Động cơ điện giúp chuyển đổi điện năng thành cơ năng. Cơ năng này đƣợc sử dụng để quay bánh công tác của bơm, quạt hoặc quạt đẩy, chạy máy nén, nâng vật liệu… Các động cơ điện đƣợc sử dụng cả trong dân dụng và trong công nghiệp.
Công suất động cơ điện còn đƣợc gọi là “sức ngựa” của ngành công nghiệp vì ƣớc tính động cơ sử dụng khoảng 70% của toàn bộ tải điện trong ngành công nghiệp [1]. Việc điều khiển động cơ để đáp ứng nhu cầu truyền động hiệu quả cao và tiết kiệm năng lƣợng là rất quan trọng. Vì lí do đó nên đề tài chọn đối tƣợng nghiên cứu điều khiển động cơ điện. Các loai động cơ đƣợc phân loại dựa trên nguồn cung năng lƣợng, cấu trúc động cơ và cơ chế vận hành.
Động cơ điện đƣợc chia làm hai loại chính là động cơ điện một chiều (động cơ DC) và động cơ điện xoay chiều (động cơ AC).