Báo cáo khoa học: "Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ servo không đồng bộ ba pha"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

113
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu, phân tích, đánh giá hệ điều khiển vị trí servo - động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, và kết quả xây dựng giao diện giám sát và điều khiển vị trí sử dụng Chip công nghệ PSoC và Visual Basic. Giao diện này giúp cho việc vận hành đơn giản, thuận tiện, có thể sử dụng trong công nghiệp hoặc làm mô hình thí nghiệm phục vụ cho công tác nghiên cứu và giảng dạy. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển hệ điều khiển vị trí sử dụng động cơ servo không đồng bộ ba pha"

X©y dùng giao diÖn gi¸m s¸t vµ ®iÒu khiÓn hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ sö dông ®éng c¬ servo kh«ng ®ång bé ba pha ths. vò xu©n hïng Bé m«n Trang bÞ ®iÖn - §iÖn tö Tr−êng §¹i häc Giao th«ng VËn t¶i Tãm t¾t: Bμi b¸o nμy tr×nh bμy kÕt qu¶ nghiªn cøu, ph©n tÝch, ®¸nh gi¸ hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ servo - ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha r«to lång sãc, vμ kÕt qu¶ x©y dùng giao diÖn gi¸m s¸t vμ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ sö dông Chip c«ng nghÖ PSoC vμ Visual Basic. Giao diÖn nμy gióp cho viÖc vËn hμnh ®¬n gi¶n, thuËn tiÖn, cã thÓ sö dông trong c«ng nghiÖp hoÆc lμm m« h×nh thÝ nghiÖm phôc vô cho c«ng t¸c nghiªn cøu vμ gi¶ng d¹y. Summary: This paper presents the result of researches, analyses of the position control system using servo three phases induction motor and building interface to supervise and control position using chip PSoC technology and Visual Basic. The interface helps to operate the position system more easily and effectively. It can be used on industry or as an experiment model for studying and training in the school. I. Giíi thiÖu chung HiÖn nay hÖ truyÒn ®éng ®iÖn ®iÒu khiÓn vÞ trÝ ®−îc sö dông nhiÒu trong c«ng nghiÖp vµ giao th«ng vËn t¶i, c¸c øng dông ®iÓn h×nh cã thÓ kÓ ra nh−: truyÒn ®éng tay m¸y, ng−êi m¸y; CT 2 c¬ cÊu ¨n dao vµ c¾t gät kim lo¹i; quay ch¶o ¨ngten, kÝnh viÔn väng; bé ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p (OLTC) cña m¸y biÕn ¸p ph©n phèi; C¬ cÊu d¶i d©y trong m¸y CNC quÊn d©y; hÖ thèng ®iÒu chØnh phun nhiªn liÖu trªn «t«, tÇu háa v.v... C¸c hÖ ®iÒu truyÒn ®éng ®iÖn ®iÒu khiÓn vÞ trÝ cã thÓ lùa chän ph−¬ng ¸n dïng ®éng c¬ b−íc, ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu, ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha v.v... Tïy theo t¶i mµ c«ng suÊt ®éng c¬ tõ vµi watt cho ®Õn hµng tr¨m kW. ViÖc lùa chän ph−¬ng ¸n nµo cßn tïy thuéc vµo tõng øng dông cô thÓ. §èi víi hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ dïng ®éng c¬ b−íc cã gi¸ thµnh rÎ, phÇn ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n, cã thÓ kh«ng cÇn ph¶n håi, nh−ng tèc ®é chËm, sai sè vÞ trÞ lín vµ phô thuéc vµo cÊu t¹o ®éng c¬ b−íc. Víi hÖ servo sö dông ®éng c¬ mét chiÒu cã ®é chÝnh x¸c cao nh−ng cã mét nh−îc ®iÓm lín ®ã lµ sinh ra tia löa ®iÖn do tiÕp xóc gi÷a chæi than vµ vµnh gãp, g©y nhiÔu ®iÖn tõ vµ lµm gi¶m tuæi thä, ®é tin cËy cña hÖ truyÒn ®éng ®iÖn. Ngoµi ra cßn cã hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ sö dông ®éng c¬ mét chiÒu kh«ng chæi than (Brushless DC motor) tuy nhiªn gi¸ thµnh cao, chñ yÕu dïng cho vïng c«ng suÊt bÐ vµ trung b×nh. HiÖn nay víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña vi ®iÒu khiÓn, vi xö lý tÝn hiÖu cho phÐp ®iÒu khiÓn ®éng c¬ kh«ng ®ång bé víi chÊt l−îng ®iÒu khiÓn tèt, ®é chÝnh x¸c cao, d¶i ®iÒu chØnh réng, c«ng suÊt lín v.v... DÉn tíi xu thÕ hiÖn nay lµ dÇn thay hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ sö dông ®éng c¬ mét chiÒu b»ng hÖ sö dông ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha r«to lång sãc (§C K§B). HÖ ®iÒu khiÓn
vÞ trÝ servo - §C K§B ba pha thùc chÊt lµ hÖ biÕn tÇn - §C K§B cã thªm bé ®iÒu chØnh vÞ trÝ vµ mét c¬ cÊu khãa trôc ®éng c¬ khi ®øng yªn, ®¶m b¶o trôc ®éng c¬ kh«ng bÞ tr−ît. ThuËt to¸n ®iÒu khiÓn cña hÖ nµy phøc t¹p, ®ßi hái vi ®iÒu khiÓn ph¶i tÝnh to¸n nhanh, chÝnh x¸c nªn gi¸ thµnh cao. Bï l¹i, §C K§B lµm viÖc tin cËy, ch¾c ch¾n Ýt ph¶i b¶o d−ìng vµ kh«ng cã tia löa ®iÖn (so víi hÖ sö dông ®éng c¬ mét chiÒu). Trong bµi b¸o nµy chóng t«i sÏ giíi thiÖu, ph©n tÝch nguyªn lý hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ servo - ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha r«to lång sãc; vµ kÕt qu¶ x©y dùng giao diÖn gi¸m s¸t vµ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ sö dông Chip c«ng nghÖ PSoC (Programmable System on Chip) vµ Visual Basic. Giao diÖn nµy gióp cho viÖc vËn hµnh ®¬n gi¶n, thuËn tiÖn, vµ cã thÓ sö dông trong c«ng nghiÖp hoÆc lµm m« h×nh thÝ nghiÖm phôc vô cho c«ng t¸c nghiªn cøu vµ gi¶ng d¹y. II. C¸c bé phËn c¬ b¶n cña hÖ Servo - §C K§B HÖ Servo - §C K§B gåm cã hai phÇn chÝnh: §éng c¬ chÊp hµnh Servo vµ phÇn ®iÒu khiÓn. §éng c¬ chÊp hµnh Servo gåm cã: §éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha r«to lång sãc, phanh h·m ®iÖn tõ, vµ m¸y ®o tèc ®é Encoder. §éng c¬ servo lµ §C K§B r«to lång sãc ®Çu trôc cã g¾n CT 2 mét bé ®o tèc ®é Encoder. Ngoµi bé ®iÒu khiÓn, th× sè xung ph¸t ra cña Encoder trong mét vßng ne (xung/vßng) quay quyÕt ®Þnh ®é H×nh 1. Minh häa mét hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ sö dông ®éng c¬ servo chÝnh x¸c cña hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ. §Ó ®¶m b¶o trôc ®éng c¬ vµ c¬ cÊu truyÒn ®éng kh«ng ®−îc tù quay ng−êi ta g¾n thªm mét c¬ cÊu vµo trôc ®Ó khãa trôc ®éng c¬ khi kh«ng cã tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn. Bé ®iÒu khiÓn c«ng suÊt (Power Amplifier, Servo Driver) gåm cã c¸c khèi chøc n¨ng chÝnh sau: Bé t¹o nguån mét chiÒu, bé nghÞch l−u, bé ®iÒu chÕ xung ®iÒu khiÓn nghÞch l−u (theo nguyªn t¾c ®iÒu chÕ ®é réng xung PWM hoÆc ®iÒu chÕ vect¬ kh«ng gian SVM), bé t¹o luËt ®iÒu khiÓn cho hÖ biÕn tÇn - §C K§B, vµ c¸c khèi chøc n¨ng hiÓn thÞ, truyÒn th«ng vµ b¶o vÖ. III. Bé ®iÒu khiÓn cña ®éng c¬ Servo kh«ng ®ång bé ba pha Thùc chÊt ®©y lµ mét hÖ biÕn tÇn - §C K§B cã thªm bé ®iÒu chØnh vÞ trÝ, bé ®iÒu khiÓn vÞ trÝ cã nhiÖm vô t¹o ra tÝn hiÖu ®Æt cho bé ®iÒu chØnh tèc ®é ®Ó ®¶m b¶o vÞ trÝ thùc sÏ b¸m theo vÞ trÝ ®Æt (cã thÓ lµ mét gi¸ trÞ cè ®Þnh, hoÆc theo mét ch−¬ng tr×nh, hoÆc vÞ trÝ ngÉu nhiªn).
H×nh 2. S¬ ®å nguyªn lý m¹ch vßng kÝn hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ Trong hÖ biÕn tÇn, nghÞch l−u sö dông van cã tÇn sè ®ãng c¾t lín IGBT hoÆc MOSFET, th−êng lµ IGBT; ®−îc ®iÒu khiÓn theo nguyªn t¾c ®iÒu chÕ ®é réng xung PWM hoÆc ®iÒu chÕ vec t¬ kh«ng gian SVM. HÖ biÕn tÇn th−êng lµ hÖ ®iÒu khiÓn vect¬ tùa theo tõ th«ng r«to, hÖ nµy cho phÐp ®iÒu khiÓn nhanh, chÝnh x¸c m« men quay cña ®éng c¬ víi d¶i ®iÒu chØnh réng. CT 2 H×nh 3. §Æc tÝnh tèc ®é, m«men cña ®éng c¬ servo [1] 1. §iÒu khiÓn nghÞch l−u S¬ ®å khèi cña hÖ biÕn tÇn - §C K§B: H×nh 4. S¬ ®å khèi cña hÖ BiÕn tÇn - §C K§B hiÖn ®¹i
§Ó ®iÒu khiÓn nghÞch l−u th−êng cã hai nguyªn lý sau [6, 7, 8, 9]: a. Nguyªn lý ®iÒu chÕ ®é réng xung PWM (Pulse Width Modulation) H×nh 5. Nguyªn lý t¹o xung ®iÒu khiÓn PWM β β U2 U3 S2 U2 S1 US S3 Ut α Q2 U4 Q1 U1 Q3 Q4 S4 S6 U1 U6 S5 U5 α Up b) a) CT 2 H×nh 6. Nguyªn lý SVM a) S¸u vect¬ ®iÖn ¸p chuÈn, b) C¸ch t¹o mét vect¬ ®iÖn ¸p cã modul bÊt kú tõ c¸c vect¬ chuÈn b. Nguyªn lý ®iÒu chÕ vect¬ kh«ng gian SVM (Space Vector Modulation) Trong s¬ ®å nghÞch l−u IGBT, h×nh 4, mçi khãa Tk (k = 1, 2,...6) cã hai tr¹ng th¸i 1 vµ 0, nÕu ta gäi Sk lµ biÕn tr¹ng th¸i cña khãa Tk th× khi Sk = 1 khãa ®ãng, Sk = 0 khãa më. T¹i mçi thêi ®iÓm kh«ng kÓ khi chuyÓn m¹ch sÏ cã 3 van ë ba pha më nh− vËy sÏ cã 23 = 8 vect¬ ®iÖn ¸p chuÈn Uk (k = 0,1,...7), trong ®ã hai vect¬ U0 (0,0,0) vµ U7 (1,1,1) cã m«®un b»ng 0; 6 vec t¬ ®iÖn ¸p cßn l¹i sÏ chia kh«ng gian vect¬ lµm 6 vïng - gäi lµ 6 sector, h×nh 6a. 2. §iÒu khiÓn vect¬ cho hÖ biÕn tÇn - §éng c¬ Servo §Ó ®iÒu khiÓn hÖ biÕn tÇn - ®éng c¬ kh«ng ®ång bé th−êng tu©n theo luËt U/fx, hoÆc ®iÒu khiÓn vect¬ tùa theo tõ th«ng r«to FOC, hoÆc ®iÒu khiÓn trùc tiÕp m«men DTC [5]. Trong ®ã hÖ ®iÒu khiÓn vect¬ FOC cã chÊt l−îng ®iÒu khiÓn cao, d¶i ®iÒu chØnh réng, hÖ thèng lµm viÖc tèt ngay c¶ ë vïng tèc ®é thÊp nªn ®−îc sö dông trong hÖ servo - ®éng c¬ kh«ng ®ång bé [1, 4, 9]. VÐc t¬ dßng ®iÖn stato trong hÖ täa ®é tõ th«ng r«to ®−îc t¸ch ra lµm hai thµnh phÇn, h×nh 7: Thµnh phÇn thø nhÊt lµ isd cã chiÒu trïng víi vect¬ tõ th«ng r«to, thµnh phÇn nµy tû lÖ víi tõ th«ng r«to (ψr~ isd), nhê cã bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn mµ thµnh phÇn isd ®−îc gi÷ kh«ng ®æi isd = const do ®ã tõ th«ng r«to ®−îc gi÷ kh«ng ®æi, isd ®−îc gäi lµ dßng t¹o tõ th«ng (dßng kÝch tõ). Thµnh phÇn thø hai lµ isq cã chiÒu vu«ng gãc víi vect¬ tõ th«ng r«to. Do m«men quay tû lÖ víi tÝch cña tõ th«ng vµ thµnh phÇn dßng isq ( M ~ ψr.isq ), mÆt kh¸c tõ th«ng ®−îc gi÷ kh«ng ®æi
nªn thµnh phÇn dßng isq tû lÖ víi m«men, b»ng c¸ch ®iÒu chØnh dßng isq ta sÏ ®iÒu chØnh ®−îc m«men quay, dßng isq ®−îc gäi lµ dßng t¹o m«men quay. Nh− vËy nÕu thµnh c«ng trong viÖc gi÷ isd = const vµ ¸p ®Æt nhanh dßng isq ®Ó ®iÒu khiÓn m«men th× thuËt to¸n ®iÒu khiÓn vect¬ (®iÒu khiÓn ®Þnh h−íng tõ tr−êng r«to FOC) cho ®éng c¬ kh«ng ®ång bé sÏ t−¬ng tù nh− ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp [4]. H×nh 8 lµ s¬ ®å cÊu tróc hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ víi chiÕn l−îc ®iÒu khiÓn vect¬ tùa theo tõ th«ng r«to. H×nh 7. Vect¬ dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p trong hÖ täa ®é tõ th«ng r«to IV. X©y dùng giao diÖn gi¸m s¸t vμ ®iÒu khiÓn cho hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ Servo - §C K§B, sö dông vi ®iÒu khiÓn c«ng nghÖ PSoC 1. Giíi thiÖu bé ®iÒu khiÓn vÞ trÝ servo - §C K§B cña h∙ng Omron - Ký hiÖu: SmartStep A - Series R7D-AP08H - §éng c¬ servo §C K§B c«ng suÊt 750 W; Tèc ®é quay 3.000 vßng/phót, tèc ®é quay lín nhÊt 4.500 vßng/phót; M«men ®Çu ra 2.39 Nm, m«men lín nhÊt 7.1 Nm - Nguån cÊp: §iÖn ¸p xoay chiÒu mét pha hoÆc ba pha - Encoder 10.000 xung/ vßng, ®é ph©n d¶i gãc dÞch chuyÓn nhá nhÊt Δα = 0.0360. Cã nót ®iÒu chØnh øng víi 500; 1000; 5000; 10.000 xung/ vßng quay. CT 2 - Bé ®iÒu khiÓn Servo Driver ®−îc ®iÒu khiÓn theo xung, mét xung vu«ng cÊp cho ®Çu vµo bé ®iÒu khiÓn servo th× ®éng c¬ sÏ quay mét gãc Δα. - TruyÒn th«ng víi bé lËp tr×nh cÇm tay theo chuÈn RS 422 - Chøc n¨ng b¶o vÖ qu¸ ¸p, qu¸ dßng, cã kh¶ n¨ng chuÈn ®o¸n sù cè. H×nh 8. S¬ ®å cÊu tróc hÖ ®iÒu khiÓn vect¬ FOC dïng trong hÖ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ sö dông ®éng c¬ servo kh«ng ®ång bé ba pha.
H×nh 9. Bé ®iÒu khiÓn vÞ trÝ cña h·ng Omron [1] 2. Giao diÖn gi¸m s¸t vµ ®iÒu khiÓn S¬ ®å khèi: PC §Æt gãc quay, chiÒu quay, ®o gãc thùc PSoC NhËn gãc ®Æt, chiÒu H×nh 10. S¬ ®å khèi cña hÖ thèng gi¸m s¸t CT 2 quay tõ PC vμ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ Ra lªnh: Cho phÐp ch¹y, më phanh, chän chiÒu quay Ra lªnh: CÊp xung ®iÒu khiÓn §o gãc thùc trªn trôc ®éng c¬ tõ Encoder TruyÒn gãc lªn m¸y tÝnh ®Ó hiÓn thÞ Gãc thùc < Gãc Sai ®Æt § H×nh 11. M¹ch phÇn cøng cña Card gi¸m s¸t vμ H×nh 12. S¬ ®å thuËt to¸n ®iÒu khiÓn vÞ trÝ sö dông PSoC CY8C29466
H×nh 14. Giao diÖn gi¸m s¸t vμ H×nh 13. S¬ ®å nèi d©y gi÷a Card ®iÒu khiÓn vÞ trÝ PSoC vμ Servo Driver Giao diÖn trªn m¸y tÝnh cã c¸c chøc n¨ng: §Æt tèc ®é vµ sè bÝt truyÒn th«ng tin, ®Æt chiÒu quay, ®Æt gãc quay, ®o gãc quay thùc cña trôc Servo qua Encoder, h×nh 14. LËp tr×nh cho PSoC b»ng phÇn mÒm PSoC Designer, gåm hai b−íc: LËp tr×nh phÇn cøng: thiÕt lËp cÊu h×nh phÇn cøng cho chip, h×nh 15 vµ lËp tr×nh phÇn mÒm: trªn c¬ së phÇn cøng võa thiÕt lËp ta viÕt ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n, xö lý, vµo ra d÷ liÖu, truyÒn vµ nhËn th«ng tin, h×nh 16. CT 2 KÕt qu¶ lµ hÖ thèng vËn hµnh tèt, truyÒn d÷ liÖu vµ ®o l−êng chÝnh x¸c, ®éng c¬ ch¹y ªm, kh«ng giËt, m«men h∙m trôc lín. Tµi liÖu tham kh¶o [1]. Tµi liÖu kü thuËt vÒ Smart Step A - Series R7D-AP08H vµ biÕn tÇn 3G3MV cña h·ng Omron. [2]. Tµi liÖu kü thuËt vÒ PSoC cña h·ng CyPress. [3]. Vò Xu©n Hïng, TrÇn V¨n ThÞnh. Gi¶i ph¸p n©ng cao hiÖu qu¶ vµ hiÖu suÊt sö dông hÖ biÕn tÇn ®éng c¬ kh«ng ®ång bé. T¹p chÝ Khoa häc GTVT, 12/2006. [4]. Vò Xu©n Hïng, TrÇn V¨n ThÞnh. Ph−¬ng ph¸p tæng hîp vµ m« pháng hÖ BiÕn tÇn ®iÒu khiÓn vect¬ - NhËn d¹ng h»ng sè thêi gian r«to; T¹p chÝ Khoa häc GTVT, 3/2005. [5]. Vò Xu©n Hïng, TrÇn V¨n ThÞnh, Hå M¹nh TiÕn. §iÒu khiÓn trùc tiÕp tõ th«ng stato vµ m« men cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha sö dông kü thuËt ®iÒu chÕ vec t¬ kh«ng gian; T¹p chÝ Khoa häc GTVT, 11/2005. [6]. Vò Xu©n Hïng. TÝnh to¸n tæn thÊt n¨ng l−îng trong qu¸ tr×nh ®éng cña ®éng c¬ kh«ng ®ång bé khi ®−îc cÊp ®iÖn tõ biÕn tÇn PWM, T¹p chÝ Khoa häc GTVT, 11/2003. [7]. Richard Valentine. Motor Control Electronics Handbook, McGraw-Hill, 1998. [8]. J. Vithayathil. Power Electronics - Principles & Applications, McGraw - Hill, 1996. [9]. Ng. Ph. Quang, A. Dittrich. TruyÒn ®éng ®iÖn th«ng minh, Nhµ xuÊt b¶n KHKT, 2002♦