Luận văn Điều khiển động cơ DC không chổi quét bằng phương pháp FOC (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển động cơ DC không chổi quét bằng phương pháp FOC (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MÃO ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 3 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MÃO ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Trần Mão Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10 – 12 - 1988 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Quê quán: Vinh Giang, Phú Lộc, Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 111/26, Tây Lân, Tân Tạo, Bình Tân, TP. HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: maotranktd@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 02/2012 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Tên đồ án: Nghiên cứu giao tiếp Ethernet của Vi điều khiển LM3S9B96 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM Người hướng dẫn: Thạc Sỹ Nguyễn Đình Phú III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 05/2012- Công Ty Trách Nhiệm Hữu Hạn Thiết kế, lắp ráp, chế tạo, bảo 09/2015 Kỹ Thuật Hữu Toàn Phát trì máy CNC i
4. LỜI CAM ĐOAN 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 chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng năm 201 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
5. CẢM TẠ CẢM TẠ Với sự đóng góp, hướng dẫn tận tình của Thầy/Cô và các bạn, với sự cố gắng của bản thân cùng với những kiến thức đã học. Tôi thực hiện đề tài đã hoàn thành mục tiêu đề ra luận văn tốt nghiệp. Tôi chân thành cảm ơn tất cả Thầy/Cô trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức trong suốt quá trình học tập. Đặc biệt các Thầy/Cô trong Khoa Điện – Điện Tử, đã trang bị những kiến thức vô cùng quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn. Trên hết, tôi chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS Dƣơng Hoài Nghĩa, TS. Phạm Đình Trực – Trƣờng Đại học Bách Khoa TP. HCM, đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình làm luận văn. Với sự hướng dẫn của hai Thầy, tôi đã học hỏi được những kiến thức mới góp phần nâng cao sự hiểu biết và hoàn thành luận văn đúng với những yêu cầu đặt ra. Tôi cũng chân thành cảm ơn tất cả các bạn trong lớp đã nhiệt tình đóng góp những ý kiến để luận văn càng hoàn thiện hơn. Đây cũng chính là thành công của đề tài góp phần tạo nên một sản phầm hoàn chỉnh. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã tích cực động viên, khuyến khích, tạo mọi điều kiện thuận lợi và trực tiếp hỗ trợ kinh phí để luận văn được hoàn thành. Ngƣời thực hiện đề tài Trần Mão iii
6. TÓM TẮT TÓM TẮT Động cơ không chổi than DC (BLDC) đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp vì hiệu quả cao, mô-men xoắn cao và khối lượng thấp. Luận văn sử dụng thuật toán điều khiển PID-FOC, Fuzzy-FOC để kiểm soát tốc độ và vị trí của động cơ BLDC. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về hiệu suất điều khiển PID thông thường, điều khiển Fuzzy, và điều khiển Fuzzy- PID. Đó là khó khăn để điều chỉnh các thông số và nhận được đặc điểm kiểm soát ổn định bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID thông thường bình thường. Khi Fuzzy có khả năng kiểm soát đặc điểm ổn định và nó rất dễ dàng cho việc tính toán. Để điều khiển động cơ BLDC, một bộ điều khiển Fuzzy-PID được thiết kế như bộ điều khiển của động cơ BLDC. Các kết quả thực nghiệm xác minh rằng một bộ điều khiển Fuzzy-PID có hiệu năng kiểm soát tốt hơn các bộ điều khiển PID thông thường. Các mô hình, điều khiển và mô phỏng của động cơ BLDC đã được thực hiện bằng cách sử dụng MATLAB / SIMULINK. ABSTRACT Brushless DC (BLDC) motors are widely used for many industrial applications because of their high efficiency, high torque and low volume. This thesis proposed a improved Fuzzy-FOC, PID-FOC controller to control speed and position of Brushless DC motor. This thesis provides an overview of performance conventional PID controller and Fuzzy PID controller. It is difficult to tune the parameters and get satisfied control characteristics by using normal conventional PID controller. As the Fuzzy has the ability to satisfied control characteristics and it is easy for computing, In order to control the BLDC motor, a Fuzzy PID controller is designed as the controller of the BLDC motor. The experimental results verify that a Fuzzy PID controller has better control performance than the conventional PID controller. The modeling, control and simulation of the BLDC motor have been done using the software package MATLAB/SIMULINK. iv
7. MỤC LỤC MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. 1 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. 4 1.3. Mục đích của đề tài. 4 1.4. Nhiệm vụ của đề tài. 5 1.5. Giới hạn của đề tài. 5 1.6. Phương pháp nghiên cứu. 6 1.7. Hướng nghiên cứu. 6 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 2.1 Hệ thống Servo. 7 2.1.1 Giới thiệu. 7 2.1.2 Hệ thống điều khiển. 8 2.1.3 Cấu hình hệ thống servo. 8 2.1.4 Phân loại 10 2.2 Động cơ BLDC 10 2.2.1 Giới thiệu chung. 10 2.2.2 Cấu tạo động cơ BLDC 12 2.2.3 Sức điện động cảm ứng 15 2.2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC 17 2.3 Phương trình động hệ quy chiếu 20 2.3.1 Phương trình động trong hệ quy chiếu 3 phase cố định 20 2.3.2 Vector không gian 22 2.3.3 Phương trình động trong hệ quy chiếu quay d-q 25 2.3.4 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay 26 2.3.5 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q . 26 2.4 Điều khiển động cơ BLDC 27 2.5 Phương pháp Field Oriend Control (FOC) 28 v
8. MỤC LỤC 2.5.1 Cơ sở lý thuyết 28 2.5.2 Sơ đồ khối 31 2.5.3. Phương trình sử dụng trong việc điều khiển 31 2.6 Thuật toán điều khiển động cơ BLDC 33 2.6.1 Thuật toán điều khiển PID 33 2.6.2 Thuật toán điều khiển Fuzzy logic 38 2.6.3 Điều khiển PID mờ 45 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC46 3.1 Điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID 46 3.1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC 47 3.1.2. Bộ biến đổi dùng FET 48 3.1.3. Kỹ thuật điều chế SVM 49 3.1.4. Các khâu trong sơ đồ hệ thống 51 3.1.5. Kết quả mô phỏng 52 3.2 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán PID 54 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ BLDC 54 3.2.2. Kết quả mô phỏng 55 3.3 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán Fuzzy logic 57 3.3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển vị trí 57 3.3.2 Các bước thực hiện mô phỏng 58 3.3.3 Kết quả mô phỏng 61 3.4 Đánh giá kết quả 62 3.4.1 Điều khiển tốc độ 62 3.4.2 Điều khiển vị trí 62 3.4.3 So sánh FOC_PID và FOC_FUZZY 63 3.5 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán FUZZY- PID 64 3.5.1 Sơ đồ hệ thống 64 3.5.2 Kết quả mô phỏng 65 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 67 vi
9. MỤC LỤC 4.1 KẾT LUẬN 67 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 vii
10. DANH MỤC HÌNH DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Quá trình được điều khiển trực tiếp [1] 1 Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng lặp hở (Không có thông tin phản hồi) [1] 1 Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng thông tin phản hồi [1] 1 Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát máy điện quay 3 Hình 2.1 Các thành phần hình thành nên cơ cấu servo [2] 7 Hình 2.2 Sử dụng vòng lặp hở [3] 8 Hình 2.3 Sử dụng vòng lặp kín [3] 8 Hình 2.4 Sơ đồ khối với hai vòng hồi tiếp vị trí và tốc độ [3] 9 Hình 2.5 Hai loại cơ cấu thực thi và hồi tiếp phổ biến [3] 9 Hình 2.6 Phân loại động cơ Servo 10 Hình 2.7 Hình dáng ngoài động cơ BLDC 10 Hình 2.8 Cấu trúc chính của động cơ BLDC [4] 12 Hình 2.9 Rotor có nam châm gắn trên bề mặt [5] 13 Hình 2.10 Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi [5] 14 Hình 2.11 Các phân bố cuộn dây trên Stator [5] 15 Hình 2.12 Minh họa kết cấu động cơ BLDC 15 Hình 2.13 Sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây pha 17 Hình 2.14 Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện [6] 18 Hình 2.15 Cách bố trí cảm biến Hall trên động cơ BLDC [7] 19 Hình 2.16 Tín hiệu cảm biến hall sensor [8] 20 Hình 2.17 Vector không gian dòng stator [9] 23 Hình 2.18 Vector không gian dòng stator và các thành phần của nó trong hệ quy chiếu tĩnh [9] 23 Hình 2.19 Vector không gian dòng stator và các thành phần trong hệ quy chiếu quay d-q [9] 24 Hình 2.20 Biến đổi từ miền 3 phase sang hệ quy chiếu quay [10] 25 Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý mạch lực [8] 27 viii
11. DANH MỤC HÌNH Hình 2.22 Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC 28 Hình 2.23 Đặc tính mô men và tốc độ của động cơ [5] 28 Hình 2.24 Vector không gian dòng có hướng vuông góc [11] 29 Hình 2.25 Field Oriented control for Brushless Motor [11] 30 Hình 2.26 Sơ đồ khối của phương pháp FOC [12] 31 Hình 2.27 Biến đổi Park [12] 33 Hình 2.28 Sơ đồ biến đổi từ 3D sang 2D [12] 33 Hình 2.29 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID [14] 33 Hình 2.30 Đồ thị theo thời gian của ba giá trị Kp ( KI và Kd là hằng số) 35 Hình 2.31 Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd là không đổi) 36 Hình 2.32 Giản đồ xác định các miền của tập mờ 38 Hình 2.33 Sơ đồ khối hệ thống xử lý mờ 39 Hình 2.34 Sơ đồ khối PID mờ 45 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID 47 Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ trên Matlab/simulink 47 Hình 3.3 Sơ đồ xuất kích áp pha 48 Hình 3.4 Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha 49 Hình 3.5 Các vector điện áp và các sector 51 Hình 3.6 Sơ đồ khối điều khiển PI tốc độ động cơ BLDC 51 Hình 3.7 Sơ đồ khối ma trận chuyển đổi Clark và Park 52 Hình 3.8 Giản đồ dòng điện 3 phase, Torque, tốc độ ở tốc độ đặt là 5v/s 52 Hình 3.9 Giản đồ dòng điện 3 phase, Torque, tốc độ ở tốc độ đặt là 10v/s 53 Hình 3.10 Giản đồ dòng điện 3 phase, Torque, tốc độ ở tốc độ đặt là 15v/s 53 Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán PID . 54 Hình 3.12 Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí bằng thuật toán PID trên Matlab/simulink 55 Hình 3.13 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 5 vòng 55 Hình 3.14 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 10 vòng 56 ix
12. DANH MỤC HÌNH Hình 3.15 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 15 vòng 56 Hình 3.16 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí bằng thuật toán Fuzzy logic 57 Hình 3.17 Sơ đồ bộ điều khiển vị trí bằng thuật toán Fuzzy trên Matlab/simulink 58 Hình 3.18 Sơ đồ khối bộ Fuzzy Logic 58 Hình 3.19 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 5 vòng 61 Hình 3.120 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 10 vòng 61 Hình 3.21 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 15 vòng 62 Hình 3.22 Giản đồ sai số vị trí 63 Hình 3.23 Giá trị sai số vị trí sau thời gian xác lập 63 Hình 3.25 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí bằng Fuzzy-PID 64 Hình 3.24 Sơ đồ hệ thống dùng thuật toán FUZZY-PID trên matlab/simulink 64 Hình 3.25 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 5 vòng 65 Hình 3.26 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 10 vòng 65 Hình 3.27 Giản đồ vị trí ở chế độ đặt là 15 vòng 66 x
13. DANH MỤC BẢNG DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Bảng điều chỉnh độc lập các thông số PID 38 Bảng 3.2 Bảng thông số động cơ dùng để mô phỏng 46 Bảng 3.3 Kết hợp on-off của các transistor 50 xi
14. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. Lý thuyết về điều khiển tự động phát triển từ rất lâu, nó là một nhánh liên ngành của kỹ thuật và toán học, liên quan đến hành vi của các hệ thống động lực. Đầu ra mong muốn của hệ thống được gọi là giá trị đặt trước. Khi một hoặc nhiều biến đầu ra của hệ thống cần tuân theo một giá trị đặt trước theo thời gian, một bộ điều khiển điều khiển các đầu vào cho hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốn trên đầu ra hệ thống. Một hệ thống điều khiển là một kết nối, bao gồm các thành phần tạo ra một cấu hình hệ thống, cấu hình này sẽ cung cấp đáp ứng cho hệ thống. Sau đây chúng ta xét các phương pháp để đáp ứng ngõ ra. Hình 1.1 Quá trình được điều khiển trực tiếp [1] Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng lặp hở (Không có thông tin phản hồi) [1] Một hệ thống điều khiển vòng hở sử dụng một thiết bị chấp hành để điều khiển trực tiếp quá trình mà không cần sử dụng thông tin phản hồi. Hình 1.3 Hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng thông tin phản hồi [1] 1
15. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Trái ngược với một hệ thống điều khiển vòng hở, hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng thêm bộ phận đo lường của ngõ ra thực tế để so sánh với đáp ứng ngõ ra mong muốn. Các phép đo ngõ ra được gọi là tín hiệu phản hồi. Quá trình đầu vào ví dụ như điện áp, theo hiệu ứng của chu trình đầu ra ví dụ như tốc độ hoặc moment của động cơ, được đo với bộ đo và được xử lý bởi bộ điều khiển, kết quả được sử dụng làm đầu vào cho chu trình xử lý, đóng kín vòng lặp. Các bộ điều khiển vòng kín có các ưu điểm so với các bộ điều khiển vòng hở là: - Loại trừ nhiễu (ma sát không đo được ở động cơ). - Đảm bảo được thực hiện ngay với cả mô hình không chắc chắn, khi cấu trúc mô hình không phù hợp hoàn hảo với quá trình thực và các thông số mô hình không chính xác. - Giảm chu trình không ổn định có thể ổn định hóa. - Giảm độ nhạy cho các thông số biến đổi. - Kết quả theo dõi đặt trước được cải thiện. Trong một vài hệ thống, điều khiển vòng kín và điều khiển vòng hở được sử dụng đồng thời. Trong những hệ thống như vậy, điều khiển vòng hở được nằm trong vòng kín nhằm nâng cao kết quả theo dõi giá trị đặt trước. Trong những năm gần đây, điều khiển máy điện có bước phát triển nhảy vọt. Đó là kết quả của việc tăng công suất và các tính năng của linh kiện điện tử công suất và việc phát triển, hoàn thiện các cơ cấu điều khiển số có lập trình của các bộ vi xử lý, vi điều khiển. Nhờ sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp nói trên mà việc áp dụng các phương pháp phức tạp vào điều khiển khiển các loại máy điện ngày càng trở nên đơn giản và dễ dàng hơn. Máy điện là một khái niệm để chỉ các loại máy dùng điện là nguồn hay tạo ra năng lượng điện, hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi năng lượng, cơ năng thành điện năng và ngược lại. Bên cạnh đó, máy điện còn có nhiệm vụ 2
16. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN chuyển giao, biến đổi năng lượng điện, ví dụ từ điện một chiều thành điện xoay chiều, hay điện cao thế sang hạ thế và ngược lại. Ngày nay, máy điện được dùng hầu hết trong các lĩnh vực kỹ thuật như trong công nghiệp, giao thông vận tải, y học, vả cả dân dụng Với công suất từ vài mW đến GW. Máy điện được chia ra làm các loại như sau. Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát máy điện quay Loại máy điện được đề cập trong luận văn này là Động cơ DC không chổi quét (Brushless Direct Current motor (BLDC)), thuộc nhóm động cơ đồng bộ. Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) từ lâu đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động công suất nhỏ như các ỗ đĩa quang, quạt làm mát máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng Trong các ứng dụng đó, mạch điều khiển được thiết kế rất đơn giản và có độ tin cậy cao. Cùng với sự phát triển của công nghệ chuyển mạch bán dẫn và kỹ thuật thiết kế các bộ biến đổi công suất lớn, những ưu điểm của hệ truyền động sử dụng động cơ BLDC càng được thể hiện rõ rệt hơn 3
17. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN so với động cơ một chiều truyền thống cũng như động cơ không đồng bộ, đặc biệt là trên các phương tiện di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập từ acquy, pin hay năng lượng mặt trời. Trong đó không thể nhắc đến là trong các hệ truyền động kéo trên xe điện với công suất từ vài chục đến 1000kW. Trong công nghiệp, chúng còn được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển servo có công suất dưới 10kW. Động cơ BLDC đối với các sinh viên đại học hay học viên cao học còn rất mới, thậm chí đối với Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tính đến năm 2014 chưa có công trình nghiên cứu nào liên quan đến động cơ BLDC(cấp độ sinh viên đại học và học viên cao học). Phương pháp FOC, thuật toán PID, FUZZY đã phát triển từ lâu, ưu điểm của phương pháp FOC là giúp việc điều khiển động cơ mềm mại ở tốc độ thấp cũng như hiệu quả hoạt động ở các tốc độ cao nhờ vào việc hạn chế được các biến biến thiên theo thời gian. Việc kết hợp FOC với các thuật toán PID, FUZZY giúp việc điều khiển trở nên tốt hơn, kiểm soát đặc điểm ổn định, đáp ứng cũng nhanh hơn và độ vọt lố nhỏ. 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố. Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends, của các tác giả José Carlos Gamazo - Real, Ernesto Vázquez -Sánchez and Jaime Gómez – Gil- Công bố vào ngày 19/07/2010. Bài báo này đã trình bày các phương pháp điều khiển vị trí động cơ BLDC. Đồng thời giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của các kỹ thuật điều khiển, trong đó kỹ thuật Back-EMF và ước lượng. Ngoài ra, bài báo còn phân tích những ưu và nhược điểm của những phương pháp cũ và mới, để giúp người khác có cái nhìn sâu sắc hơn trong kỹ thuật điều khiển. Bài báo cũng chỉ ra rằng, việc điều khiển động cơ sử dụng cảm biến, chẳng hạn như các bộ mã hóa, phân giải hoặc cảm biến Hall có thể được cải thiện bằng cách loại bỏ các cảm biến này để giảm chi phí và tăng độ tin cậy. Hơn nữa, việc điều khiển sensorless là sự lựa chọn duy nhất cho một số ứng dụng mà ở đó những bộ cảm biến không thể hoạt động tin cậy do điều kiện môi 4
18. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN trường khắc nghiệt hoặc do yêu cầu về hiệu suất cao hơn. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, của tác giả Padmaraja Yedamale - Microchip Technology Inc – Công bố vào năm 2003. Bài báo kết luận rằng: Động cơ BLDC có các tính năng cao hơn động cơ DC có chổi quét và động cơ cảm ứng – Đặc tính tốc độ/mô men tốt hơn, đáp ứng động cao, hiệu suất cao, tuổi thọ lâu, tiếng ồn vận hành nhỏ, dãi tốc độ cao hơn. Ngoài ra, trong những ứng dụng đòi hỏi không gian và trọng lượng thì động cơ BLDC càng có ưng thế do kích thước nhỏ gọn hơn so với cùng công suất với các động cơ khác. Mô phỏng động cơ một chiều không chổi than – của tác giả Thạc sỹ Mai Xuân Minh – Đăng trên tạp chí khoa học công nghệ hàng hải số 14,15,16 năm 2008. Nội dung nghiên cứu tính chất động của động cơ BLDC. Tác giả mô phỏng được dạng sóng sức phản điện dựa vào cảm biến vị trí rotor, đáp ứng tốc độ và mô men. 1.3. Mục đích của đề tài. Mục tiêu của đề tài là mông phỏng được động cơ BLDC bằng phương pháp FOC kết hợp với các thuật toán PID, FUZZY trên nền Simulink của Matlab. Nghiên cứu này nhằm đạt được: - Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC. - Thiết kế được bộ điều khiển động cơ dựa vào phương pháp FOC kết hợp với các thuật toán PID, FUZZY, PID-FUZZY trên Simulink để điều khiển được tốc độ, vị trí động cơ BLDC. 1.4. Nhiệm vụ của đề tài. - Tìm hiểu về máy điện đồng bộ, đặc biệt tập trung vào động cơ DC không chổi quét. - Tìm hiểu các phương pháp điều khiển dành cho loại động cơ trên, từ đó chọn phương pháp điều khiển phù hợp. - Mô phỏng động cơ bằng Matlab/Simulink. 1.5. Giới hạn của đề tài. Mặt dù người thực hiện đề tài đã cố gắng thực hiện nhưng sự hạn chế về kiến 5
19. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN thức chuyên môn và thời gian nghiên cứu nên người thực hiện đề tài chỉ tìm hiểu: - Động cơ DC không chổi quét. - Phương pháp FOC để điều khiển động cơ. - Mô phỏng bằng Matlab/Simulink. 1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu. Tìm hiểu các tài liệu về động cơ BLDC, phương pháp FOC trong và ngoài nước sau đó so sánh, đánh giá, lựa chọn và đưa ra được phương án tối ưu nhất. 1.7. Hƣớng nghiên cứu. Trong thời gian tới, tôi sẽ tập trung nghiên cứu sâu và kỹ mô hình động và các mô hình toán học của động cơ DC không chổi quét, tìm thông số thực của động cơ để mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. 6
20. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống Servo. 2.1.1 Giới thiệu. Một cơ cấu Servo là một hệ thống điều khiển được cấu hình sao cho khi các giá trị yêu cầu (vị trí, moment, tốc độ vv ) được nhập vào thì hệ thống sẽ nhận biết các giá trị hiện thời (vị trí, moment, tốc độ vv ) và điều khiển để sự khác biệt giữa giá trị yêu cầu và giá trị hiện thời là nhỏ nhất. Các thành phần hình thành nên cơ cấu servo - Bộ điều khiển. - Động cơ servo - Thiết bị nhận biết Hình 2.1 Các thành phần hình thành nên cơ cấu servo [2] 7
21. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.2 Hệ thống điều khiển. 2.1.2.1 Điều khiển vòng hở. Bộ điều khiển chỉ cần đặt vị trí lệch là động cơ có thể quay. Hình 2.2 Sử dụng vòng lặp hở [3] 2.1.2.2 Điều khiển vòng kín. Vòng hồi tiếp lúc này không phải hồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thông qua một thướt tuyến tính. Lúc này bộ điều khiển vị trí không điều khiển số vòng quay của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp vị trí của bàn chạy. Nghĩa là các sai số tĩnh do sai số khác trong các bánh răng hay hệ thống truyền động được loại bỏ. Hình 2.3 Sử dụng vòng lặp kín [3] 2.1.3 Cấu hình hệ thống servo. Trong đó phần A B C là phần so sánh xử lý tín hiệu hồi tiếp và hiệu chỉnh lệnh. Phần D E là cơ cấu thực thi và hồi tiếp. Các phần A B C thì khá phổ dụng trong các sơ đồ khối điều khiển, phần D E thì tùy các thiết bị sử dụng mà chúng có khác nhau đôi chút nhưng về bản chất chúng hoàn toàn giống nhau. Sau đây là một số ví dụ về phần D E thường gặp. 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4