Nghiên cứu đáp ứng động học và điểu khiển động cơ một chiều không chổi than tuyến tính sử dụng giải thuật điều khiển pipid

Nghiên cứu đáp ứng động học và điều khiển động cơ một chiều không chổi than tuyến tính bằng giải thuật PIPID, ứng dụng hiệu quả trong công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Trần Công Toán
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu đáp ứng động học và điều khiển động cơ một chiều không chổi than tuyến tính sử dụng giải thuật điều khiển PI/PID
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về động cơ một chiều không chổi than tuyến tính

Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) là một loại động cơ điện hiện đại, kết hợp ưu điểm của động cơ một chiều và động cơ đồng bộ AC. Khác với động cơ DC truyền thống, BLDC không sử dụng chổi than và cổ góp cơ khí, thay vào đó sử dụng bộ chuyển mạch điện tử. Điều này giúp tăng độ bền, giảm bảo trì và cải thiện hiệu suất. Động cơ tuyến tính là một biến thể của BLDC, hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động thẳng thay vì chuyển động quay. Nghiên cứu này tập trung vào việc điều khiển động cơ BLDC tuyến tính bằng giải thuật PIPID, một phương pháp điều khiển tiên tiến giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Động cơ BLDC gồm hai phần chính: stator và rotor. Stator chứa các cuộn dây tạo từ trường quay, trong khi rotor được làm từ nam châm vĩnh cửu. Khi dòng điện được cấp vào các cuộn dây, từ trường quay tương tác với từ trường của rotor, tạo ra mômen quay. Động cơ tuyến tính hoạt động tương tự nhưng thay vì quay, rotor di chuyển thẳng dọc theo trục. Điều này được ứng dụng trong các hệ thống yêu cầu chuyển động chính xác như robot công nghiệp và máy CNC.

1.2. Ưu điểm của động cơ BLDC

Động cơ BLDC có nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ DC truyền thống, bao gồm hiệu suất cao, tuổi thọ dài, và ít bảo trì. Việc loại bỏ chổi than giúp giảm ma sát và nhiệt sinh ra, đồng thời tăng độ tin cậy. Động cơ tuyến tính còn mang lại khả năng điều khiển chính xác và linh hoạt, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

II. Giải thuật PIPID trong điều khiển động cơ

Giải thuật PIPID là một phương pháp điều khiển tiên tiến, kết hợp giữa bộ điều khiển tỉ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D). Nó được sử dụng để điều khiển động cơ BLDC với độ chính xác cao và ổn định. PIPID giúp giảm thiểu sai số, tăng tốc độ đáp ứng, và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. Trong nghiên cứu này, giải thuật PIPID được áp dụng để điều khiển động cơ tuyến tính, đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác.

2.1. Nguyên lý của giải thuật PIPID

Giải thuật PIPID hoạt động dựa trên ba thành phần chính: tỉ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D). Thành phần tỉ lệ giúp giảm sai số hiện tại, tích phân loại bỏ sai số tích lũy, và vi phân dự đoán xu hướng sai số trong tương lai. Sự kết hợp này giúp hệ thống đạt được độ ổn định và độ chính xác cao.

2.2. Ứng dụng PIPID trong điều khiển động cơ

Trong điều khiển động cơ, PIPID được sử dụng để điều chỉnh tốc độ và vị trí của động cơ BLDC. Nó giúp giảm thiểu dao động và đảm bảo động cơ hoạt động ổn định ngay cả khi có nhiễu. Đối với động cơ tuyến tính, PIPID đảm bảo chuyển động thẳng mượt mà và chính xác, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

III. Nghiên cứu và thực nghiệm

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích đáp ứng động học của động cơ BLDC trong các chế độ hoạt động khác nhau. Mô hình toán học của động cơ được xây dựng để mô phỏng và phân tích. Các thí nghiệm thực tế được tiến hành để kiểm tra hiệu quả của giải thuật PIPID trong việc điều khiển động cơ. Kết quả cho thấy PIPID mang lại hiệu suất cao và độ ổn định tốt, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

3.1. Mô hình toán học của động cơ BLDC

Mô hình toán học của động cơ BLDC được xây dựng dựa trên các phương trình điện và cơ học. Mô hình này giúp phân tích đáp ứng của động cơ trong các chế độ hoạt động khác nhau, từ đó tối ưu hóa thiết kế bộ điều khiển.

3.2. Kết quả thực nghiệm

Các thí nghiệm thực tế được tiến hành để kiểm tra hiệu quả của giải thuật PIPID. Kết quả cho thấy PIPID giúp giảm thiểu sai số và tăng độ ổn định của hệ thống. Đặc biệt, trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, PIPID mang lại hiệu suất vượt trội.

IV. Giá trị và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này mang lại giá trị lớn trong việc cải thiện hiệu suất và độ chính xác của động cơ BLDC. Giải thuật PIPID được chứng minh là một phương pháp hiệu quả trong điều khiển động cơ, đặc biệt là động cơ tuyến tính. Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như robot công nghiệp, máy CNC, và các hệ thống tự động hóa khác.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Động cơ BLDC và giải thuật PIPID được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao như sản xuất ô tô, điện tử, và hàng không. Chúng giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí bảo trì.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa giải thuật PIPID và ứng dụng nó trong các hệ thống phức tạp hơn. Đồng thời, việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào hệ thống điều khiển cũng là một hướng phát triển tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỎNG 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 lượng. Trong đó, động cơ điện không thể thiếu trong truyền động và tiêu tốn năng lượng nhiều nhất trong ngành công nghiệp. Động cơ điện giúp chuyên đổi điện năng thành cơ năng.

Cơ năng này được sử dụng để quay bánh công tác của bơm, quạt hoặc quạt đây, chạy máy nén, nâng vật liệu. Các động cơ điện được sử dụng cả trong dân dụng và trong công nghiệp. Công suất động cơ điện còn được gọi là “sức ngựa” của ngành công nghiệp vì ước tính động cơ sử dụng khoảng 70% của toàn bộ tải điện trong ngảnh công nghiệp [1]. Việc điều khiển động cơ đề đáp ứng nhu cầu truyền động hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng.

Vì lí đo đó nên đề tài chọn đối tượng nghiên cứu điều khiển động cơ điện. Các loai động cơ được phân loại dựa trên nguồn cung năng lượng, cấu trúc động cơ và cơ chế vận hành. Động cơ điện được chia làm hai loại chính là động cơ điện một chiều (động cơ DC) và động cơ điện xoay chiều (động cơ AC). Động cơ điện DC có thé chia làm bốn loại chính bằng cách thức kích từ: kích từ độc lập, kích từ nối tiếp, kích từ song song và kích từ hỗn hợp.

Động cơ AC gồm hai loại chính: động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ. Động cơ cảm ứng gồm các loại chính là động cơ diện một pha, động cơ điện ba. Động cơ đồng bộ gồm các loại chính là động cơ từ trường vĩnh cửu và động cơ từ trở [2-4]. Động cơ một chiều gồm ba thành phan chính như hình 1.1 sau: Cực từ: Tương tác giữa hai từ trường tạo ra sự quay trong động cơ một chiều.

Động cơ một chiều có các cực từ đứng yên và phần ứng đặt trên các ô đỡ quay trong không gian giữa các cực từ. Một động cơ một chiều đơn giản có hai cực từ: cực bắc và cực nam. Các đường sức từ chạy theo khoảng mở từ cực bắc tới cực nam. Với những động cơ phức tạp và lớn hơn, có một hoặc vài nam châm điện.

Những nam châm này được cấp điện từ bên ngoài và đóng vai trò hình thành cấu trúc từ trường. Nam châm vĩnh cửu Co gop Chối than Dầy quấn phần ứng Hình 1.1: Động cơ DC thường Phần ứng: Khi có dòng điện đi qua, phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện. Phần ứng có dạng hình trụ, được nối với với trục ra để kéo tải. Với động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của nam châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng.

Khi sự hoán đổi hoàn tắt, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và cực nam của phần ứng. Cổ góp: Bộ phận này thường có ở động cơ một chiều. Cổ góp có tác dụng đảo chiều dòng điện trong phần ứng. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện.

Ưu điểm của động cơ một chiều là khả năng điều khiển tốc độ mà không làm ảnh hưởng tới chất lượng điện cung cấp. Có thê điều khiển động cơ loại này bằng cách điều chỉnh: điện áp phần ứng — tăng điện áp phần ứng sẽ làm tăng tốc độ, dòng kích thích — giảm đòng kích thích sẽ làm tăng tốc độ. Động cơ một chiều kích từ độc lập có dòng kích từ được cấp từ một nguồn riêng. Động cơ kích từ song song, cuộn kích từ được nối song song với cuộn dây phần ứng.

Vì vậy, dòng điện toàn phần của đường dây là tổng của dòng kích từ và dòng điện phần ứng. Dưới đây là một số đặc tính của tốc độ ở động cơ kích từ song song. Tốc độ động cơ trên thực tế là không đổi, không phụ thuộc vảo tải. Vì vậy, loại động cơ này thích hợp với các ứng dụng với mômen khởi động thấp, như ở các máy công cụ.

Có thể điều khiển tốc độ bằng cách lắp thêm điện trở nối tiếp với phan ứng (giảm tốc độ) hoặc lắp thêm điện trở nối tiếp với mạch kích từ (tăng tốc độ). Động cơ kích từ nối tiếp, cuộn kích từ được nối nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Nhờ vậy, dòng kích từ sẽ bằng với đòng phần ứng. Sau đây là một số đặc điểm tốc độ của động cơ nói tiếp.

Tốc độ giới hạn ở 5000 vòng/phút. Cần tránh vận hành động cơ nối tiếp ở chế độ không tải vì động cơ sẽ tăng tốc không thể kiểm soát được. Động cơ kích từ hỗn hợp một chiều là kết hợp của động cơ nối tiếp và động cơ kích từ song song. Ở động cơ kích từ hỗn hợp, cuộn kích từ được nối song song và nối tiếp với cuộn dây phần ứng.

Nhờ vậy, động cơ loại này có mômen khởi động tốt và tốc độ ôn định. Tỷ lệ phần trăm đấu hỗn hợp cuộn kích từ càng cao thì mô men khởi động của động cơ càng cao. Ưu điểm chính của động cơ một chiều so với động cơ xoay chiều là dễ điều khiển tốc độ hơn động cơ xoay chiều. Bù lại, động cơ xoay chiều có thể được lắp thêm bộ điều khiển biến đổi tần số.

Tuy nhiên dù thiết bị này giúp cải thiện việc điều khiển tốc độ nhưng chất lượng điện lại giảm.2: Động cơ điện xoay chiều ba pha Động cơ AC hình 1.2 sử dụng dòng điện đổi chiều theo chu kỳ, gồm hai loại đồng bộ và không đồng bộ. Động cơ không đồng bộ là động cơ rất thông dụng, được sử dụng cho các thiết bị khác nhau trong công nghiệp. Vì chúng có thiết kế đơn giản, rẻ tiền và dễ bảo trì, có thể nối trực tiếp với nguồn xoay chiều. Một động cơ không đồng bộ có hai bộ phận điện cơ bản.

Một là rôto, có hai loại rôto. Rôto lồng sóc bao gồm những thanh dẫn dày đặt tại các rãnh song song. Đầu các thanh này được nối vào vòng đoản mạch. Rôto dây quấn có ba pha, hai lớp cuộn dây quấn.

Rôto được quấn nhiều cực như là stato. Ba pha được nối dây bên trong và các đầu dây này được nối vào vành trượt treo trên một trục có các chối than. Hai là stato được ghép từ các vòng đập định hình với các rãnh để chứa các cuộn dây ba pha. Chúng được quấn cho một số cực nhất định.

Bố trí trong không gian của những cuộn đây này lệch nhau 1200. Có thê phân động cơ không đồng bộ thành hai nhóm chính. Động cơ không đồng bộ một pha chỉ có một cuộn day stato, hoat động bằng nguồn điện một pha, có một roto léng sóc và cần một thiết bị dé khởi động động cơ. Hiện nay, đây là loại động cơ phổ biến nhất sử dụng trong các thiết bị tại gia đình như quạt, máy giặt, máy sấy quần áo và có công suất trong khoảng 3-4 mã lực.

Động cơ không đồng bộ ba pha có từ trường quay do nguồn cung cấp ba pha cân bằng sinh ra. Những động cơ loại này có công suất cao hơn, có thể có rôto lồng sóc hoặc rôto dây quấn và tự khởi động. Động cơ đồng bộ là loại động cơ không chổi than, có tốc độ quay bằng với tốc độ biến thiên của từ trường. Động cơ đồng bộ từ trường vĩnh cửu (PMSM) và động cơ từ trở đồng bộ (SRM) với bộ chuyển mạch điện tử là loại động cơ đồng bộ không chối than được quan tâm nhiều nhất trong lĩnh vực tối ưu và hiện đại hóa.

Về cấu tạo PMSM không có cuộn dây kích từ trên rôto. Rôto có thể đặt bên trong hoặc bên ngoài stato. Stato gồm các cuộn dây quấn tạo từ trường quay. PMSM hoạt động theo nguyên lý dòng điện kín chạy trong từ trường sinh ra ngẫu lực tạo mômen quay.

Còn SRM tạo mômen quay bằng khái niệm từ trở và xoay hình sin. Động cơ AC có một số ưu điểm hơn so với động cơ DC như: hiệu năng cao, công suất cao, bền vững, tin cậy và ít bảo trì. Động cơ DC là một loại động cơ phù hợp với rất nhiều yêu cầu đòi hỏi độ chính xác tốc độ và yêu cầu mômen cao. Động cơ DC thuận lợi điều khiển rất đơn giản, phổ biến trong cả đân dụng và công nghiệp cho ứng dụng công suất thấp.

Động cơ một chiều thông thường có rất nhiều ưu thế về điều chỉnh tốc độ, tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của nó là trong cấu tạo cần có bộ chuyển mạch đòng điện cơ khí đó là cô góp và chỗi than. Do vậy đã hạn chế phạm vi ứng dụng của nó đặc biệt là trong các truyền động yêu cầu tốc độ rất lớn, khi đó bộ chuyển mạch cơ khí không thể đáp ứng được [Š]. Một loại động cơ DC ra đời và đã khắc phục được nhược điểm này, đó là loại động cơ một chiều không chối than (BLDC) với bộ cỗ góp điện tử. Nó mang cả ưu điểm của động cơ DC thường và động cơ đồng bộ AC.

Nó đã mở ra nhiều hướng ứng dụng mới trong hiện tại và là hướng phát triển trong tương lại.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1 Sơ lược BLDC Trước khi có động cơ BLDC là loại động cơ DC có chổi than. Động cơ DC được phát minh năm 1856 bởi Siemens. Siemens học kỹ thuật điện sau khi rời quân đội và có nhiều đóng góp trong ngành kỹ thuật điện trên thế giới. Ông cũng là người phat minh ra thang máy điện đầu tiên năm 1880.

Động cơ DC chổi than của Siemens đầu tiên rất thô sơ và được cải tiến bởi Leonard. Leonard là người đầu tiên hoàn thành hệ thống điều khiển động cơ đầu tiên có hiệu quả khoảng cuối thế kỷ 19. Hệ thống này sử dụng biến trở để điều khiển đòng điện trong từ trường cuộn dây, kết quả hiệu chỉnh điện áp đầu ra của máy phát DC, dẫn đến hiệu chỉnh tốc độ động cơ DC. Hệ thống của Leonard vẫn hiệu quả cho tới năm 1960 khi công ty Electronic Regulator chuyên thiết bị thyristor sản xuất bộ điều khiển trạng thái rắn có thể chuyển đổi trực tiếp điện AC thành điện DC.

Nó đã thay thế hệ thống của Leonard bởi tính đơn giản và hiệu quả của nó. Một khi công ty Electronic Regulator tối đa hóa hiệu quả động cơ DC thì một cánh của mới mở ra, một loại động cơ hiệu quả hơn là BLDC.