Trang chủ Diễn đàn Nghiên cứu ứng dụng điều khiển véc tơ cho động cơ một chiều không tiếp xúc

Nghiên cứu ứng dụng điều khiển véc tơ cho động cơ một chiều không tiếp xúc

1. Đặt vấn đề
Động cơ một chiều không tiếp xúc (ĐCMCKTX) ngày càng được ứng dụng nhiều trong điều khiển học kỹ thuật nói chung và trong truyền động điện nói riêng. Với công suất nhỏ và trung bình, dải công suất thường dùng trong điều khiển học kỹ thuật, từ vài chục W đến vài chục kW, động cơ này thường được chế tạo với kích từ (phần cảm) bằng nam châm vĩnh cửu và phần ứng dạng ba pha.

Tùy thuộc vào phân bố từ trường phần cảm và dây quấn phần ứng ĐCMCKTX được chia thành hai loại: (1) loại sức điện động hình thang có cấu tạo dây quấn và cực từ đơn giản, và (2) loại sức điện động hình sin có cấu tạo dây quấn và cực từ phức tạp [3]. Trong một số tài liệu các động thuộc cơ nhóm một thường được gọi là MCKTX, còn các động cơ thuộc nhóm hai được gọi là servo xoay chiều. ĐCMCKTX có giá thành thấp hơn, vì cấu tạo đơn giản, nên được dùng phổ biến hơn.
Vì có sức điện động hình thang nên ĐCMCKTX trong các phương pháp điều khiển truyền thống tại mỗi thời điểm chỉ hai pha được cấp điện đồng thời và điều chỉnh tốc độ được thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp cấp cho các pha. Trong điều kiện đó mômen và tốc độ của động cơ đập mạch mạnh đáng kể, nhất là ở vùng tốc độ thấp [2].
Để giảm thiểu mức đập mạch của mômen và tốc độ, do đó nâng cao được chất lượng điều khiển cho ĐCMCKTX t, có thể dùng các giải pháp điều khiển nâng cao. Một trong các giải pháp đó là làm cho dòng điện tiến đến dạng sin để nhờ đó cấp điện đồng thời cho cả ba pha. Và ý tưởng này có thể hiện thực được nhờ điều khiển véctơ, tương tự như điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha [5].

Hình 1. Cấu trúc hệ thống chuyển mạch điện tử- ĐCMCKTX

2. Hệ thống truyền động điện dùng động cơ một chiều không tiếp xúc (ĐCMCKTX) với phương phương điều khiển truyền thống
Trong điều khiển truyền thống tại mỗi thời điểm có hai pha được cấp điện áp một chiều nhờ hệ thống chuyển mạch điện tử hay mạch lực theo cấu trúc trong hình 1. Trong đó BLDC là động cơ và các tranzistơ trường từ Q1 đến Q6 làm việc như các chuyển mạch. Các tranzistơ này được mở hay khóa nhờ mạch điều khiển, mạch này (ở đây không nêu ra) tạo ra sáu dãy xung mong muốn để mở các tranzistơ theo thông tin từ các cảm biến vị trí rôto và các thông tin điều khiển khác.
Điện áp mỗi pha dây quấn phần ứng ở chế độ cơ sở có dạng minh họa trong hình 2a, đó là các điện áp xoay chiều dạng xung chữ nhật có biên độ bằng U0 và thời gian bán kỳ bằng 1200 điện. Trong điều kiện này tốc độ của động cơ tỷ lệ với biên độ U0 còn chiều quay thì phụ thuộc vào thứ tự pha. Các điện áp này có dạng giống như dạng điện áp cấp cho động cơ xoay chiều ba pha từ nghịch lưu ở chế độ dẫn hai phần ba bán kỳ.
Điện áp thực tế trong các phương pháp điều khiển truyền thống có dạng trong hình 2b, đó là các điện áp nhận được bằng cách thay mỗi bán kỳ xung trong hình 2a bằng một chùm xung chữ nhật với chu kỳ và bề rộng xung giống nhau, tương ứng là Tk và tx. Khi đó tốc độ của động cơ sẽ tỷ lệ với trị trung bình, được minh họa bằng đường nét đứt trong hình 2b, của các chùm xung này. Trị trung bình này, và do đó tốc độ của động cơ có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh tỷ số giữa bề rộng tx và chu kỳ xung Tk.

Hình 2a. Điện áp cơ sở

Tỷ số giữa bề rộng xung tx và chu kỳ xung Tk được gọi là độ rộng hay hệ số điển xung, và thường được ký hiệu là D hoặc . Mặc dù có một số phương pháp thay đổi độ rộng xung nhưng phương pháp thay đổi bề rộng xung trong khi duy trì tần số không đổi được ứng dụng phổ biến hơn, và phương pháp này được gọi là điều chế bề rộng xung. Quan hệ giữa trị trung bình và hệ số điện xung được xác định theo biểu thức:
Utb = U0D 
Trong đó: Utb - trị trung bình của điện áp pha của động cơ , U0 - điện áp một chiều cấp cho bộ chuyển mạch điện tử,  D- độ rộng xung.
Trong điều khiển tự động hệ thống truyền động điện hệ số điền xung D được điều chỉnh tự động nhằm đạt được một mục tiêu kỹ thuật cụ thể. Nếu điều chỉnh D để duy trì không đổi trị trung bình của điện áp cấp cho động cơ thì hệ thống được gọi là điều khiển điện áp, còn nếu điều chỉnh D để duy trì không đổi trị trung bình của dòng điện động cơ thì được gọi là điều khiển dòng. Vì làm việc tin cậy hơn và tác động nhanh hơn nên phương pháp điều chỉnh dòng được ứng dụng phổ biến hơn. Trong các hệ thống truyền động điện dùng động cơ một chiều không tiếp xúc chủ yếu ứng dụng phương pháp này.

Hình 2b. Điện áp điều chế bề rộng xung

Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền động điện bám tốc độ dùng ĐCMCKTX điều khiển dòng theo phương pháp truyền thống có dạng trong hình 3. Trong đó mỗi pha có riêng một bộ điều chỉnh dòng Ri, bộ điều chỉnh tốc độ R  ở vòng ngoài và chung cho cả ba pha, bộ cảm biến vị trí CBH, thường là các cảm biến Hall gắn đồng trục với rôto của động cơ, cung cấp thông tin về vị trí và tốc độ của rôto.
Dòng đặt I*, tương ứng với tín hiệu ra của bộ điều chỉnh tốc độ, sau khi được chia thành ba pha được đưa đến các cửa vào của ba bộ điều chỉnh dòng của mỗi pha. Khối phát xung PWM phát ra 6 dãy xung để mở hoặc khóa cho 6 van bán dẫn của bộ chuyển mạch điện tử đã giới thiệu ở trên.
Quan sát sơ đồ này và sơ đồ bộ chuyển mạch điện tử trong hình 1 cho thấy cấu trúc của hệ thống truyền động điện dùng động cơ một chiều không tiếp xúc điều khiển truyền thống cũng tương tự cấu trúc mạch điều khiển động cơ không đồng bộ dùng biến tần. Điều này cũng gợi ra ý tưởng ứng dụng điều khiển véctơ trong động cơ không đồng bộ cho động cơ một chiều không tiếp xúc.

Hình 3. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động bám tốc độ dùng ĐCMCKTX

3. Cơ sở và ứng dụng điều khiển véc tơ cho ĐCMCKTX
Tính chất tương tự của hai cấu trúc ở trên đúng là mới gợi ra ý tư tưởng dùng điều khiển véc tơ cho ĐCMCKTX, vấn đề cần xem xét tiếp theo là dạng biến thiên của dòng điện và điện áp, vì khiển véc tơ chỉ phù hợp với dòng điện và điện áp sin.
Nếu điều khiển theo các phương pháp truyền thống thì dòng điện và điện áp của ĐCMCKTX  có dạng xung chữ nhật, nhưng nếu dùng điều khiển véc tơ thì các đại lượng này sẽ tiệm cận với sin.
Dòng điện trong phương pháp điều khiển truyền thống trong mỗi pha dây quấn phần ứng có dạng xung chữ nhật, vì thế có thể coi như có dạng sin nếu bỏ qua các hài bậc cao. Trong trường hợp này, theo chuỗi Furiê thì sai số phạm phải không quá 30% vì năng lượng của hài cơ bản chiếm khoảng 70% năng lượng của toàn bộ các hài [4].
Nếu dùng điều khiển véc tơ bề rộng các xung trong mỗi chùm xung của các bán kỳ không bằng nhau mà biến đổi theo quy luật sin. Khi đó nếu sức điện động của động cơ có dạng sin thì dòng điện cũng sẽ sin, tuy nhiên vì sức điện động của ĐCMCKTX có dạng hình thang nên dòng điện sẽ chỉ tiệm cận sin. Trong trường hợp này sai số phạm phải chắc chắn sẽ nhỏ hơn 30%, còn nhỏ hơn bao nhiêu và thực sự có ý nghĩa hay không thì chưa có được các đánh giá chi tiết, và do đó cần được nghiên cứu.
Mặt khác, điều khiển véc tơ cho phép khống chế độc lập thành phần từ thông dọc trục và ngang trục, trong đó thành phần dọc trục được xem như phản ứng phần ứng. Thành phần này có tác động như phản ứng phần ứng và điều chỉnh nó sẽ có tác dụng như điều chỉnh kích từ trong máy điện một chiều kinh điển [5], nhơ thế mở rộng được vùng tốc độ cho động cơ.

Hình 4. Cấu trúc Hệ thống truyền động điện dùng ĐCMCKTX điều khiển véctơ

Ba cơ sở nêu trên cho thấy điều khiển véc tơ cũng phù hợp, do đó có thể ứng dụng được cho ĐCMCKTX. Về cơ sở và những vấn đề cơ bản của điều khiển véc tơ đã được trình bày chi tiết trong nhiều tài liệu, trong đó có [1]. Tưởng cơ bản của điều khiển vectơ là quy đổi, theo tham số của động cơ, động cơ ba pha về động cơ hai pha, từ đó tính được các lượng điều khiển mong muốn. Các kết quả đó tiếp theo lại được quy đổi về ba pha thực tế để tác động vào trị tức thời của dòng điện, tương ứng với véc tơ từ thông của động cơ.
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống truyền động điện dùng điều khiển véc tơ có dạng trong hình 4, và vi điều khiển véc tơ ở đây được áp dụng trên cơ sở một số chấp nhận gần đúng nên  được gọi là phỏng véc tơ. Vì thế phần (hay khối) mạch điện thực hiện thuật toán véc tơ trong sơ đồ được đặt trong khung nét đứt và được ký hiệu là PVT, với nghĩa là phỏng véctơ. Mặc dù có thể dùng thành phần dọc trục để thực hiện điều khiển từ thông nhưng ở đây chưa đề cập vấn đề này nên trong khối PVT dòng id* được cho bằng không.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội 1998.
[2] И. Е. ОВЧИНИКОВ,    Венчильные электрические двигатели и привод на их основе, Сан – Петербург, Корона - Век, 2006.
[3] Brushless DC (BLDC) fundamentals, Micro chip, AN885
[4] Muhammad H. Rashid, Power Electronics, Prentice – Hall, 1993
[5] C.C. Chan, J.Z.Jiang, W.Xia, K.T. Chau
Novel wide range speed control of permanent magnet brushless motors drives, IEEE transactions on power electronics, Vol 10, No 5, September 1995

Hoàng Bình, Cao đẳng Cơ khí luyện Kim
Nguyễn Văn Thuấn, Học viện Kỹ thuật quân sự
Số 118 (8/2010)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

 

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết




 



 

 

Mới cập nhật