Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Servo Dùng Động Cơ Không Đồng Bộ

• Tác giả: Vò Văn Tráng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Liên
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Servo Dùng Động Cơ Không Đồng Bộ
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG KHÔNG GIAN VẬC TỪ
• 1.1. MÔ TẢ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 1.2. LỊCH SỬ RA ĐỜI CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 1.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA
• 1.4. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA
• 1.5. MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA
• 1.6. PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI TUYẾN TÍNH PARK
• 1.7. KHÔNG GIAN VẬC TỪ VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ TRONG KHÔNG GIAN VẬC TỪ
• 2. CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN VẬC TỪ KHÔNG GIAN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 2.1. CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN BẢN DẪN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 2.2. CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỬ THAY ĐỔI
• 2.3. CUỘC CÁCH MẠNG CỦA CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHẤT LƯỢNG CAO
• 2.4. BIẾN TẦN BẢN DẪN
• 2.5. CẦU TRỐC BIẾN TẦN BẢN DẪN
• 2.6. PHƯƠNG PHÁP PWM THÔNG THƯỜNG
• 2.7. PHƯƠNG PHÁP PWM ĐIỀU CHỈNH VẬC TỪ KHÔNG GIAN
• 2.8. SO SÁNH HAI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH
• 2.9. CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 2.10. ĐIỀU KHIỂN THEO LUẬT ĐIỆN ÁP/TẦN SỐ (U/f)
• 2.11. ĐIỀU KHIỂN TỪA THEO TỪ TRƯỜNG
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN
• 3.1. ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN
• 3.2. KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN
• 3.3. SỰ ĐẶC NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN
• 3.4. ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN THEO BẢNG CHÂN
• 3.5. ƯU ÍCH LƯỢNG TỪ TRƯỜNG STATORT VÀ MÔ MEN
• 3.6. PHƯƠNG PHÁP DTC CƠ SỞ (CLASSICAL DTC – C_DTC)
• 3.7. PHƯƠNG PHÁP DTC CẢI TIẾN (MODIFIED DTC – M_DTC)
• 3.8. PHƯƠNG PHÁP DTC VỚI BẢNG CHÂN 12 SECTOR (12_DTC)
• 3.9. PHƯƠNG PHÁP DTC VỚI BẢNG CHÂN THEO ĐIỂM LÀM VIỆC
• 3.10. PHƯƠNG PHÁP DTC CẢI TIẾN SỐ 2 (M2_DTC)
• 3.11. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN
• 3.12. PHƯƠNG PHÁP DÙ BẢO
• 3.13. PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG LOGIC MÊ
• 3.14. ĐIỀU CHỈNH TỪ TRƯỜNG TẾI ƯU
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ TRUYỀN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 4.1. BỘ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG - HỆ TRUYỀN ĐỘNG SERVO
• 4.2. GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN SERVO
• 4.3. BỘ ĐIỀU CHỈNH PID
• 4.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN SERVO. HỆ TRUYỀN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN
• 4.5. HỆ TRUYỀN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 4.6. SỰ ĐẶC NGUYÊN LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN
• 4.7. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU BA PHA
• 4.8. GIẢI PHÁP DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN DSP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
• 4.9. BỘ ĐIỀU KHIỂN DSP - TMS320F240
• 4.10. KIẾN TRÚC CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN DSP - TMS320F240
• 4.11. SỰ ĐẶC NGUYÊN LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN DÙNG DSP
• 4.12. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VỊ TRÍ
• 4.13. CHUẨN BỊ MÔ PHỎNG
• 4.14. KẾT QUẢ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SỬ DỤNG RAMP TUYẾN TÍNH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Thiết Kế Hệ Truyền Động Servo Khái Niệm Xu Hướng

Hệ truyền động servo ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Ưu điểm của nó nằm ở khả năng gia tốc, giảm tốc nhanh, tốc độ lớn và điều khiển vị trí chính xác. Các ngành công nghiệp sử dụng hệ truyền động servo rất đa dạng, từ sản xuất thiết bị điện tử đến dây chuyền lắp ráp và robot công nghiệp. Động cơ sử dụng trong hệ truyền động servo thường là động cơ servo công suất nhỏ, bao gồm cả động cơ một chiều và xoay chiều. Trong đó, động cơ một chiều được sử dụng nhiều trong công nghiệp vì ưu điểm về công suất và khả năng điều khiển. Động cơ xoay chiều được ưa chuộng trong thiết bị điện tử dân dụng nhờ kích thước nhỏ gọn, ít gây nhiễu điện từ và tốc độ cao. Theo nghiên cứu của Vò V¨n Träng năm 2004, việc tiếp tục nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ truyền động servo, đặc biệt là với động cơ công suất lớn và hệ truyền động đơn giản hơn, là một hướng đi quan trọng.

1.1. Ứng Dụng Tiêu Biểu của Hệ Truyền Động Servo Hiện Đại

Hệ truyền động servo được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong ngành sản xuất điện tử, nó được sử dụng trong các dây chuyền lắp ráp, sản xuất các sản phẩm đòi hỏi độ chính xác cao về thời gian và vị trí. Trong robot công nghiệp, hệ truyền động servo đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển chuyển động của các khớp. Ngoài ra, hệ truyền động servo cũng được sử dụng trong các thiết bị điện tử dân dụng như máy in, máy photocopy, và các thiết bị tự động hóa khác. “Do những u ®iÓm cña hÖ truyÒn ®éng servo nh kh¶ n¨ng gia tèc t¨ng tèc, gi¶m tèc nhanh, tèc ®é lín, ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c vÞ trÝ. C¸c hÖ truyÒn ®éng servo ®· ®îc sö dông rÊt nhiÒu trong thùc tÕ nh trong ngµnh s¶n xuÊt thiÕt bÞ ®iÖn tö; trong c¸c d©y chuyÒn l¾p r¸p, s¶n xuÊt c¸c s¶n phÈm cÇn tèi u vÒ thêi gian vµ chuyÓn ®éng chÝnh x¸c vÞ trÝ; trong c¸c robot, tay m¸y c«ng nghiÖp; trong c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö d©n dông, v.v…” - Vò V¨n Träng, 2004.

1.2. Động Cơ Không Đồng Bộ Lựa Chọn Tiềm Năng cho Servo

Trong bối cảnh yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất và độ tin cậy, việc nghiên cứu hệ truyền động servo sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha trở nên hấp dẫn. Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như cấu trúc đơn giản, độ bền cao và chi phí thấp hơn so với các loại động cơ servo chuyên dụng. Hơn nữa, sự phát triển của công nghệ điều khiển điện tử và vi xử lý cho phép khai thác tối đa tiềm năng của động cơ không đồng bộ trong các ứng dụng servo. Cần phải nhấn mạnh tầm quan trọng của sự phát triển này trong bối cảnh nhu cầu tự động hóa ngày càng tăng trong các ngành công nghiệp khác nhau.

II. Thách Thức Thiết Kế Servo Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ

Việc sử dụng động cơ không đồng bộ trong hệ truyền động servo đặt ra nhiều thách thức về điều khiển. Một trong những thách thức lớn nhất là điều khiển chính xác tốc độ và vị trí của động cơ. Khác với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và mô-men xoắn, gây khó khăn trong việc thiết kế bộ điều khiển. Bên cạnh đó, việc giảm thiểu rung động và tiếng ồn trong quá trình vận hành cũng là một yêu cầu quan trọng. Theo luận văn của Võ Văn Trọng, cần tập trung nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển tiên tiến để giải quyết những thách thức này.

2.1. Vấn Đề Phi Tuyến Tính Trong Điều Khiển Động Cơ

Quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và mô-men xoắn trong động cơ không đồng bộ gây khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển tuyến tính truyền thống. Các phương pháp điều khiển phi tuyến như điều khiển vector (vector control) và điều khiển mô-men trực tiếp (direct torque control - DTC) được sử dụng để giải quyết vấn đề này. Điều khiển vector cho phép điều khiển độc lập các thành phần dòng điện sinh mô-men và dòng điện từ hóa, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển. DTC điều khiển trực tiếp mô-men và từ thông của động cơ, mang lại khả năng đáp ứng nhanh và độ chính xác cao.

2.2. Giảm Thiểu Rung Động và Tiếng Ồn Bài Toán Nan Giải

Rung động và tiếng ồn là những vấn đề thường gặp trong hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ. Các nguyên nhân gây ra rung động và tiếng ồn bao gồm sự mất cân bằng cơ khí, sự biến đổi mô-men xoắn, và các hài bậc cao trong dòng điện. Các giải pháp để giảm thiểu rung động và tiếng ồn bao gồm cân bằng động cơ, sử dụng bộ lọc để loại bỏ các hài bậc cao, và áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến như điều khiển thích nghi (adaptive control). Luận văn của Vò V¨n Träng đề cập đến nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau.

III. Phương Pháp Điều Khiển Vector Giải Pháp Tối Ưu Cho Servo ĐCKĐB

Điều khiển vector, hay còn gọi là điều khiển định hướng trường, là một phương pháp điều khiển cao cấp cho động cơ không đồng bộ. Phương pháp này cho phép điều khiển độc lập các thành phần dòng điện sinh mô-men và dòng điện từ hóa, tương tự như điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập. Điều này giúp cải thiện đáng kể khả năng điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ, đồng thời giảm thiểu rung động và tiếng ồn. Điều khiển vector yêu cầu phải có thông tin chính xác về vị trí rotor, thường được thu thập bằng encoder hoặc resolver.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Điều Khiển Vector

Điều khiển vector dựa trên việc chuyển đổi hệ tọa độ ba pha sang hệ tọa độ hai pha quay đồng bộ với từ trường rotor. Trong hệ tọa độ này, các thành phần dòng điện và từ thông trở thành các đại lượng không đổi, giúp đơn giản hóa việc thiết kế bộ điều khiển. Bộ điều khiển PI (Proportional-Integral) thường được sử dụng để điều khiển các thành phần dòng điện và từ thông, đảm bảo độ chính xác cao và khả năng đáp ứng nhanh. Theo Vò V¨n Träng, điều khiển vector là một phương pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suất của hệ truyền động servo sử dụng động cơ không đồng bộ.

3.2. Các Biến Thể của Điều Khiển Vector FOC và DFOC

Có hai biến thể chính của điều khiển vector: điều khiển định hướng trường trực tiếp (Direct Field-Oriented Control - DFOC) và điều khiển định hướng trường gián tiếp (Indirect Field-Oriented Control - IFOC). DFOC sử dụng trực tiếp tín hiệu từ thông rotor để định hướng trường, trong khi IFOC sử dụng tốc độ rotor và các thông số động cơ để tính toán vị trí từ trường. IFOC thường được sử dụng rộng rãi hơn vì không yêu cầu cảm biến từ thông, giúp giảm chi phí và kích thước hệ thống. Tuy nhiên, hiệu suất của IFOC phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của các thông số động cơ.

3.3. Encoder và Resolver Phản Hồi Vị Trí Chính Xác

Để thực hiện điều khiển vector, việc thu thập thông tin chính xác về vị trí rotor là vô cùng quan trọng. Encoder và resolver là hai loại cảm biến vị trí thường được sử dụng trong hệ truyền động servo. Encoder là thiết bị số cung cấp tín hiệu xung tương ứng với góc quay của trục. Resolver là thiết bị analog cung cấp tín hiệu sin và cos tương ứng với góc quay của trục. Mỗi loại cảm biến có những ưu nhược điểm riêng, việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác, tốc độ và môi trường làm việc.

IV. Điều Khiển Mô men Trực Tiếp DTC Ưu Điểm và Ứng Dụng Servo

Điều khiển mô-men trực tiếp (DTC) là một phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ khác, nổi bật với khả năng điều khiển trực tiếp mô-men và từ thông của động cơ. Ưu điểm lớn nhất của DTC là khả năng đáp ứng nhanh, không yêu cầu bộ điều chế PWM (Pulse Width Modulation) và không cần thông tin về vị trí rotor (trong một số biến thể). DTC phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khả năng thay đổi mô-men nhanh chóng và độ chính xác cao.

4.1. So Sánh DTC và Điều Khiển Vector Ưu và Nhược Điểm

DTC và điều khiển vector là hai phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ phổ biến. Điều khiển vector có ưu điểm là độ chính xác cao và khả năng điều khiển ổn định, nhưng đòi hỏi bộ điều chế PWM và thông tin về vị trí rotor. DTC có ưu điểm là khả năng đáp ứng nhanh và không yêu cầu bộ điều chế PWM, nhưng độ chính xác thấp hơn và có thể gây ra rung động mô-men. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

4.2. Các Biến Thể của DTC DTC Cổ Điển và DTC Cải Tiến

DTC cổ điển (Classical DTC) sử dụng bảng chuyển mạch (switching table) để lựa chọn vector điện áp phù hợp để điều khiển mô-men và từ thông. DTC cải tiến (Modified DTC) sử dụng các thuật toán phức tạp hơn để lựa chọn vector điện áp, giúp cải thiện độ chính xác và giảm thiểu rung động mô-men. Một số biến thể DTC cải tiến còn sử dụng logic mờ (fuzzy logic) hoặc mạng nơ-ron (neural network) để nâng cao hiệu suất điều khiển.

V. Ứng Dụng Thực Tế Nghiên Cứu và Mô Phỏng Hệ Truyền Động Servo

Để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển khác nhau, việc thực hiện nghiên cứu và mô phỏng hệ truyền động servo là rất quan trọng. Các phần mềm mô phỏng như MATLAB/Simulink cho phép xây dựng mô hình hệ thống và kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển trong các điều kiện khác nhau. Kết quả mô phỏng giúp tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển và lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp với ứng dụng cụ thể. Vò V¨n Träng đã thực hiện mô phỏng hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô-men trong luận văn của mình.

5.1. Sử Dụng MATLAB Simulink Xây Dựng Mô Hình Hệ Thống

MATLAB/Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng hệ thống điều khiển. Để mô phỏng hệ truyền động servo, cần xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ, bộ biến tần, bộ điều khiển và tải. Các khối chức năng trong Simulink cho phép mô phỏng các thành phần điện, cơ và logic của hệ thống. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển và tối ưu hóa các thông số.

5.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Đánh Giá Hiệu Suất Điều Khiển

Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin về tốc độ, mô-men, dòng điện và điện áp của động cơ. Các chỉ số hiệu suất như thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh và sai số xác lập được sử dụng để đánh giá chất lượng điều khiển. Phân tích kết quả mô phỏng giúp xác định các điểm yếu của hệ thống và đề xuất các giải pháp cải thiện. Theo các nghiên cứu, DTC có khả năng đáp ứng tốt với các thay đổi tải đột ngột.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Servo Động Cơ Không Đồng Bộ Tương Lai

Việc sử dụng động cơ không đồng bộ trong hệ truyền động servo mang lại nhiều tiềm năng về hiệu suất, độ tin cậy và chi phí. Các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển vector và DTC cho phép khai thác tối đa tiềm năng của động cơ không đồng bộ trong các ứng dụng servo. Trong tương lai, các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh, sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning) để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

6.1. Điều Khiển Thông Minh Ứng Dụng AI và Học Máy

Các thuật toán điều khiển thông minh sử dụng AI và học máy có khả năng thích nghi với các thay đổi trong hệ thống và môi trường làm việc. Các thuật toán này có thể học từ dữ liệu và cải thiện hiệu suất điều khiển theo thời gian. Ví dụ, mạng nơ-ron có thể được sử dụng để dự đoán mô-men tải và điều chỉnh bộ điều khiển một cách tối ưu. Điều này hứa hẹn sự linh hoạt và hiệu suất cao hơn trong điều khiển.

6.2. Tối Ưu Hóa Năng Lượng Giảm Thiểu Tốn Hao và Tiết Kiệm

Tối ưu hóa năng lượng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ truyền động servo. Việc giảm thiểu tốn hao năng lượng không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường. Các giải pháp tối ưu hóa năng lượng bao gồm sử dụng động cơ hiệu suất cao, áp dụng các thuật toán điều khiển tiết kiệm năng lượng và sử dụng hệ thống phục hồi năng lượng. Nghiên cứu về điều này có thể mang lại những đột phá mới.

Tổng quan nghiên cứu

Trong giai đoạn 2002-2004, nghiên cứu về thiết kế hệ thống truyền động servo sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha đã trở thành một lĩnh vực trọng điểm trong ngành điện – tự động hóa. Động cơ không đồng bộ ba pha được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện dân dụng, dây chuyền lắp ráp công nghiệp, robot và các thiết bị điện tử công suất nhờ ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và khả năng vận hành ổn định. Tuy nhiên, để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về chất lượng điều khiển, khả năng tăng tốc nhanh, giảm tốc chính xác và điều khiển vị trí hiệu quả, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển truyền động servo cho động cơ không đồng bộ là cần thiết.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu, thiết kế và đánh giá các phương pháp điều khiển truyền động servo sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha, tập trung vào điều khiển tần số và điều khiển vị trí nhằm nâng cao chất lượng servo. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các phương pháp điều khiển truyền động biến tần cơ bản, điều khiển trực tiếp momen (DTC), điều khiển tùa theo từ thông rotor và điều khiển theo luật điện áp/tần số (U/f). Nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở lý thuyết máy điện, điều khiển tự động và kỹ thuật vi xử lý tín hiệu số (DSP) tại Việt Nam trong giai đoạn đầu thế kỷ 21.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện hiệu suất truyền động servo, giảm tổn hao năng lượng, tăng độ chính xác điều khiển vị trí và momen, từ đó góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong các ngành công nghiệp sử dụng động cơ không đồng bộ. Các chỉ số hiệu quả như độ chính xác vị trí đạt dưới 1%, thời gian tăng tốc giảm khoảng 20%, và khả năng vận hành ổn định trong dải tần số rộng được kỳ vọng đạt được.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha: Mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha được xây dựng dựa trên các biểu thức điện áp, dòng điện, từ thông và momen điện từ trong không gian tọa độ α-β và D-Q. Phương pháp chuyển đổi Park và các biểu thức ma trận điện áp-dòng điện được sử dụng để mô tả chính xác trạng thái động cơ trong không gian quay.

2. Lý thuyết điều khiển truyền động servo: Bao gồm các phương pháp điều khiển tần số và điện áp (U/f), điều khiển tùa theo từ thông rotor (FOC), điều khiển trực tiếp momen (DTC) và kỹ thuật điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) như PWM truyền thống và SVPWM (Space Vector PWM). Các thuật toán điều khiển được thiết kế nhằm tối ưu hóa hiệu suất, giảm tổn hao và tăng độ chính xác điều khiển.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Điều khiển tần số và điện áp (U/f): Giữ tỉ lệ điện áp trên tần số không đổi để duy trì momen ổn định.
• Điều khiển tùa theo từ thông rotor (FOC): Tách biệt điều khiển momen và từ thông để đạt điều khiển chính xác hơn.
• Điều khiển trực tiếp momen (DTC): Điều khiển momen và từ thông trực tiếp qua các trạng thái chuyển mạch, giảm thời gian đáp ứng.
• PWM và SVPWM: Kỹ thuật điều khiển điện áp đầu ra của biến tần nhằm tạo ra dạng sóng gần sin, giảm tổn hao và nhiễu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha, dữ liệu thực nghiệm từ các bộ điều khiển DSP TMS320F240 và TMS230F240, cùng các tài liệu tham khảo chuyên ngành về điều khiển động cơ và kỹ thuật biến tần.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng toán học và mô phỏng trên máy tính các thuật toán điều khiển.
• Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển biến tần sử dụng DSP.
• Thực nghiệm đánh giá hiệu suất điều khiển trên hệ thống thực tế.
• So sánh các phương pháp điều khiển về độ chính xác, thời gian đáp ứng, và hiệu suất năng lượng.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các bộ điều khiển DSP và động cơ không đồng bộ ba pha tiêu chuẩn công nghiệp. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của các thiết bị phổ biến trong công nghiệp. Timeline nghiên cứu kéo dài trong 2 năm, từ thiết kế lý thuyết, mô phỏng, đến thực nghiệm và đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển theo luật U/f: Phương pháp điều khiển U/f giữ được momen ổn định trong vùng tần số thấp đến trung bình, với sai số momen dưới 5% và độ chính xác vị trí khoảng 2%. Tuy nhiên, khi tần số tăng cao, hiệu suất giảm do không điều chỉnh được từ thông rotor, dẫn đến hiện tượng quá tải.

2. Ưu điểm của điều khiển tùa theo từ thông rotor (FOC): FOC cho phép điều khiển momen và từ thông độc lập, nâng cao độ chính xác vị trí dưới 1%, thời gian tăng tốc giảm khoảng 15% so với U/f. Mức tổn hao năng lượng giảm khoảng 10% nhờ điều khiển chính xác dòng điện.

3. Hiệu quả của điều khiển trực tiếp momen (DTC): DTC có thời gian đáp ứng nhanh nhất, giảm thời gian trễ xuống dưới 1ms, tăng khả năng điều khiển momen chính xác trong dải rộng. Tuy nhiên, DTC yêu cầu phần cứng phức tạp hơn và có thể gây ra dao động nhỏ trong momen do chuyển mạch trạng thái.

4. So sánh kỹ thuật PWM và SVPWM: SVPWM tạo ra điện áp đầu ra có biên độ lớn hơn 15% so với PWM truyền thống, giúp tăng hiệu suất động cơ và giảm tổn hao chuyển mạch. SVPWM cũng giảm hài bậc cao, cải thiện chất lượng sóng điện áp và giảm tiếng ồn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên xuất phát từ việc FOC và DTC tận dụng mô hình toán học động cơ không đồng bộ để điều khiển chính xác dòng điện và momen, trong khi U/f chỉ dựa trên tỉ lệ điện áp/tần số đơn giản. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy biểu đồ đáp ứng momen của DTC có độ dốc lớn hơn so với FOC và U/f, minh họa khả năng tăng tốc nhanh hơn.

So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển điều khiển động cơ không đồng bộ hiện đại, nhấn mạnh vai trò của DSP và thuật toán điều khiển tiên tiến. Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để ứng dụng các phương pháp điều khiển servo hiệu quả trong công nghiệp, góp phần nâng cao năng suất và tiết kiệm năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng điều khiển FOC trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao: Đề xuất triển khai FOC cho các robot công nghiệp và dây chuyền lắp ráp tự động nhằm đạt độ chính xác vị trí dưới 1% trong vòng 12 tháng, do các phòng thí nghiệm và nhà sản xuất thiết bị điện thực hiện.

2. Phát triển hệ thống điều khiển DTC cho các ứng dụng cần đáp ứng nhanh: Khuyến nghị sử dụng DTC trong các thiết bị cần tăng tốc nhanh và điều khiển momen chính xác như máy công cụ CNC, với thời gian triển khai 18 tháng, do các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ cao đảm nhiệm.

3. Tối ưu hóa kỹ thuật SVPWM trong biến tần công suất lớn: Đề xuất cải tiến kỹ thuật SVPWM để giảm tổn hao chuyển mạch và tiếng ồn trong biến tần công suất lớn, thời gian thực hiện 24 tháng, do các viện nghiên cứu và nhà sản xuất biến tần phối hợp thực hiện.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho kỹ sư vận hành: Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển động cơ không đồng bộ và kỹ thuật DSP cho kỹ sư vận hành trong 6 tháng, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì hệ thống truyền động servo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống truyền động: Nắm bắt kiến thức về các phương pháp điều khiển servo hiện đại, áp dụng vào thiết kế hệ thống truyền động chính xác và hiệu quả.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành điện – tự động hóa: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu sâu về điều khiển động cơ không đồng bộ và kỹ thuật biến tần.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện và tự động hóa: Áp dụng các giải pháp điều khiển tiên tiến để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí vận hành và bảo trì.

4. Sinh viên cao học và thạc sĩ ngành điện, tự động hóa: Học tập và phát triển kỹ năng nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển truyền động servo dựa trên các mô hình toán học và thuật toán điều khiển hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều khiển U/f có phù hợp cho tất cả các ứng dụng không?
   Điều khiển U/f phù hợp với các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao và tốc độ đáp ứng nhanh, ví dụ như quạt, bơm. Tuy nhiên, với các ứng dụng cần điều khiển vị trí chính xác, U/f không đáp ứng tốt do không điều chỉnh được từ thông rotor.

2. FOC và DTC khác nhau như thế nào về hiệu suất?
   FOC cho phép điều khiển momen và từ thông độc lập, giúp vận hành êm ái và chính xác. DTC có thời gian đáp ứng nhanh hơn nhưng có thể gây dao động nhỏ trong momen. Lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể.

3. SVPWM có ưu điểm gì so với PWM truyền thống?
   SVPWM tạo ra điện áp đầu ra có biên độ lớn hơn khoảng 15%, giảm tổn hao chuyển mạch và hài bậc cao, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ và giảm tiếng ồn.

4. DSP đóng vai trò gì trong hệ thống điều khiển servo?
   DSP xử lý tín hiệu số nhanh và chính xác, thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp như FOC và DTC, giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống truyền động servo.

5. Làm thế nào để lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp?
   Cần cân nhắc yêu cầu về độ chính xác, tốc độ đáp ứng, chi phí và tính phức tạp của hệ thống. U/f phù hợp cho ứng dụng đơn giản, FOC và DTC cho ứng dụng yêu cầu cao hơn về hiệu suất và độ chính xác.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng và đánh giá các phương pháp điều khiển truyền động servo sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha, bao gồm U/f, FOC, DTC và kỹ thuật PWM/SVPWM.
• Kết quả thực nghiệm cho thấy FOC và DTC vượt trội về độ chính xác và thời gian đáp ứng so với U/f.
• SVPWM cải thiện hiệu suất biến tần và chất lượng sóng điện áp so với PWM truyền thống.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển servo trong công nghiệp, giảm tổn hao năng lượng và tăng độ bền thiết bị.
• Đề xuất tiếp tục phát triển các thuật toán điều khiển tích hợp DSP và mở rộng ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa hiện đại.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến vào thực tế sản xuất, đồng thời đào tạo kỹ sư vận hành để khai thác tối đa hiệu quả hệ thống truyền động servo.