Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính<br />
<br />
<br />
Nghiªn cøu hÖ truyÒn ®éng b¸m ®iÖn c¬<br />
tèc ®é chËm cho ®éng c¬ mét chiÒu<br />
kh«ng cæ gãp<br />
TRẦN ĐỨC CHUYỂN<br />
Tóm tắt: Bài báo trình bày vấn đề nghiên cứu các đặc điểm về động học, mô hình của<br />
hệ điện cơ làm việc tốc độ chậm sử dụng động cơ một chiều không cổ góp (BLDC) trong<br />
công nghiệp và quốc phòng. Trên cơ sở xây dựng mô hình mô phỏng; từ đó đánh giá thành<br />
phần tốc độ, mô men, dòng điện cho hệ thống bám này. Mô hình mô phỏng được kiểm<br />
chứng trên Matlab-Simulink, thực nghiệm với mô hình để minh chứng kết quả.<br />
Từ khóa: Hệ thống bám, Động cơ một chiều không cổ góp, Tốc độ chậm.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Gần đây, động cơ một chiều không cổ góp được sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền<br />
động bám có điều chỉnh tốc độ chất lượng cao được ứng dụng nhiều trong các thiết bị kỹ<br />
thuật có độ chính xác cao như: xe điện, các khớp mềm robot công nghiệp, hệ truyền động<br />
bám sát của vũ khí, các máy đo xa laze, hệ thống ra đa mặt đất và trên máy bay, các thiết<br />
bị y tế,…vì các đặc tính nổi trội của nó (dải tốc độ làm việc rộng, tỉ số momen/dòng điện<br />
lớn, ít nhiễu, bền vững, hiệu suất cao) [1, 10, 11]. Hệ truyền động bám là một hệ phức tạp<br />
đòi hỏi tín hiệu ra bám sát theo tín hiệu vào với một lượng sai số nhỏ, khi tín hiệu vào có<br />
sai số biến thiên. Ta luôn mong muốn sai số này càng nhỏ càng tốt, tuỳ thuộc vào yêu cầu<br />
của thiết bị [10, 11].<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Mô hình điều khiển hệ truyền động bám sát theo góc.<br />
Trong hệ bám sát điện cơ đòi hỏi sai số bám sát nhỏ thì tính chất chuyển động của hệ<br />
thống phải được quan tâm trong quá trình thiết kế bộ điều chỉnh, [10, 11]. Với chuyển<br />
động ở tốc độ cao thì mô men quay của động cơ chấp hành lớn hơn nhiều lần mômen ma<br />
sát, với chuyển động của tốc độ chậm thì mômen của động cơ chấp hành cho phép so sánh<br />
với mômen ma sát và mômen cản. Khi quan tâm đến chế độ làm việc ở tốc độ chậm và rất<br />
chậm, thì chất lượng bám sát phụ thuộc vào nhiều yếu tố bất định: mô men cản, đàn hồi<br />
của khớp nối mềm, do khe hở..., [1, 8, 10]. Việc xây dựng mô hình mô phỏng cho hệ<br />
truyền động này có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng vòng điều chỉnh theo mô men,<br />
tốc độ để đảm bảo tính tối ưu tác động nhanh cho hệ thống trong quá trình điều khiển. Bài<br />
báo này trình bày một phương pháp mô hình hóa mô phỏng hệ điện cơ làm việc ở tốc độ<br />
chậm đảm bảo mô men, kết hợp với khâu hiệu chỉnh tỷ lệ - tích phân PI để sửa sai lệch<br />
góc, thực nghiệm với mô hình và các thiết bị đo lường; phần cứng điều khiển cho đối<br />
tượng để minh chứng kết quả, [7, 9, 12]. Các kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc thiệt<br />
lập thuật toán điều khiển, thiết kế hệ thống truyền động bám trong công nghiệp và quốc<br />
phòng.đây là một hướng đi mang tính khoa học và có nhiều triển vọng mới.<br />
<br />
<br />
<br />
76 T. Đ. Chuyển, “Nghiên cứu … động cơ một chiều không cổ góp.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT<br />
2.1. Đặc điểm động học của hệ thống bám làm việc tốc độ chậm<br />
Khi thiết kế hệ thống bám thường cho rằng đặc tính mômen cản là các thành phần mô<br />
men tác động lên trục quay của động cơ; là thành phần phi tuyến khó xác định. Khi động<br />
cơ mang tải, tốc độ giảm khi tải tăng. Đặc tính của mômen cản có thể tồn tại ở 2 dạng:<br />
Mômen ma sát và mômen do cơ khí.<br />
Mô men cản do ma sát có dạng:<br />
M C .T M C0 .T 1 sign với 0 (1)<br />
Giả thiết này chỉ đúng khi hệ thống làm việc ở tốc độ cao. Trong nhiều trường hợp đòi<br />
hỏi hệ thống bám (HTB) làm việc với độ chính xác cao khi tốc độ thấp. Khi đó đặc tính<br />
mô men cản có dạng như (hình 2) nó có đoạn với đạo hàm âm [6].<br />
<br />
M C0.T tg T FT M C0 .T 1<br />
<br />
M C0 .T 1 T ( M C0.T 1 M C0.T 2 )<br />
tg F<br />
M C0 .T<br />
T<br />
T T<br />
T <br />
T M C0 .T 1 M 0<br />
C .T 1<br />
0<br />
M C0.T ( MC .T 1 M C0 .T 2 )<br />
0<br />
M C .T<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Đặc tính mô men cản của hệ thống bám làm việc ở tốc độ chậm<br />
Tiệm cận đường cong đặc tính thay đổi mômen cản ma sát bằng đoạn thẳng tiếp tuyến ta có:<br />
( M C0 .T FT ) sign ; 0 T<br />
M C .T ( ) 0 (2)<br />
( M C .T 1 F ) sign ; T .<br />
trong đó, MCT; FT; F, ωT là các hằng số; ω tốc độ quay của động cơ.<br />
Đối với đặc tính dạng trễ của mô men ma sát ta có thể tiệm cận bằng biểu thức sau:<br />
fC .T ( ) fC .T 1 ( ) f C .T 2 ( ) f C .T 3 ( ), (3)<br />
ở đây fC .T 1 ( ) M C0 .T 1sign là đặc tính mô men ma sát khô; fC .T 2 ( ) là đặc tính mô<br />
men ma sát có đoạn đạo hàm âm, FT 2 dM C.T 2 .<br />
d<br />
( M C0 .T 2 FT 2 ) sign ; 0 T , 0;<br />
f C .T 2 ( ) (4)<br />
0 T , 0.<br />
dM C .T 3<br />
fC .T 3 ( ) là đặc tính mô men ma sát có đoạn đạo hàm âm, FT 3 .<br />
d<br />
0<br />
( M C .T 3 FT 3 ) sign; 0 T , 0;<br />
fC .T 3 ( ) (5)<br />
0 T , 0.<br />
Hai số hạng đầu của biểu thức (3) xác định đặc tính đơn trị của hàm FC.T(ω) (hình 2.a.<br />
số hạng thứ 3 tính đến đặc tính của FC.T3(ω), nó phụ thuộc vào hướng và tốc độ của trục<br />
động cơ chấp hành [6, 7]. Khi trục động cơ dừng lại (ω = 0) mô men cản trong biểu thức 2<br />
xác định bởi mômen ma sát tĩnh, nó lấy giá trị trong khoảng:<br />
M C0 .T M C .T (0) M C0 .T , (6)<br />
Khi hệ thống bám làm việc ở chế độ chậm thì ảnh hưởng của thành phần mô men ma<br />
sát là đáng kể. Khi mô hình mô men ma sát được kết hợp giữa thành phần ma sát nhớt và<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 77<br />
Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính<br />
<br />
thành phần ma sát khô: ma sát nhớt có thể dễ dàng mô tả khi sử dụng hệ số phản kháng;<br />
ma sát khô trong hệ thống thì phụ thuộc vào chất lượng bề mặt tiếp xúc. Các mô hình tĩnh<br />
của các thành phần mômen ma sát chưa mô tả hết được các ảnh hưởng động học của quá<br />
trình ma sát ví dụ như: Dịch chuyển trước khi trượt, đặc tính trễ; hiệu ứng Stribeck, tốc độ<br />
thấp và vùng trước khi trượt. Với mục tiêu điều khiển chính xác vị trí và bài toán bám sát<br />
ở vùng tốc độ rất thấp thì khi đó người ta sử dụng mô hình mô men ma sát động: Trên thực<br />
tế có mô hình Dahl; và mô hình LuGre, [5, 11]. Đặc tính thay đổi của MC.T(0) hình 2.b. khi<br />
thay đổi hướng chuyển động qua giá trị 0 xác định bằng biểu thức:<br />
M C0 .T M C .T (0) M C0 .T 1 M CT<br />
0<br />
2, (7)<br />
Khi đó tốc độ thay đổi từ dương sang âm và ta có:<br />
( M C0 .T M C0 .T 2 ) M C .T (0) M CT<br />
0<br />
(8)<br />
Quá trình ngược lại khi tốc độ thay đổi từ âm tới dương. Trong các công thức trên<br />
M C0 .T 1 , M C0 .T 2 , M C0 .T 3 và các hệ số độ nghiêng FT2, FT3 là hằng số.<br />
Trên hình 2.b trình bày đồ thị fC.T(ω) khi có trễ. Nó có hai nhánh; một nhánh ứng với<br />
trường hợp khi tốc độ; tăng đến tốc độ vượt quá ωT. Nhánh thứ hai ứng với trường hợp đổi<br />
hướng chuyển động. Nếu tốc độ ω thay đổi trong giới hạn nhỏ hơn ω T thì ta giả thiết rằng<br />
đồ thị fC.T(ω) trong nhánh trễ có đoạn thẳng đứng.<br />
Với đặc tính mô men cản như trên, khi hệ thống bám làm việc ở tốc độ thấp có thể phát<br />
sinh dao động. Giả sử tốc độ chuyển động của đối tượng điều khiển gồm hai thành phần:<br />
thành phần không đổi ω0 và thành phần biến đổi điều hoà ωг(t) = ωasinωt.<br />
ω(t) = ω0(t)+ ωг(t) (9)<br />
Đối với tác động vào β(t) và mô men nhiễu MB(t) biến thiên chậm ta có:<br />
(t ) (t 2 / ) (t ) ; M B (t ) M B (t 2 / ) M B (t ) , Có thể nói trong<br />
một chu kỳ dao động của ωг(t) thì , 0 , M B , a và ω là không đổi. Dao động ωг(t) là cao<br />
tần so với β(t) và MB(t).<br />
Sử dụng phương pháp tuyến tính hoá điều hoà để xác định biên độ và pha của điều hoà<br />
bậc nhất với thành phần mômen cản MC.T(t). Khai triển hàm fC.T(t) theo chuỗi Furie, bỏ<br />
qua các số hạng điều hoà bậc cao ta thu được biểu thức mô men cản trên đầu ra phần tử<br />
phi tuyến theo hình 2.a.<br />
M C .T (t ) fC .T (t ) M C .T 0 (a , 0 ) q (a , 0 ) (t ) , (10)<br />
Khi đặc tuyến có dạng hình 2.b ta có:<br />
q , ( a , 0 ) <br />
M C .T ( t ) f C .T ( t ) M C .T 0 ( a , 0 ) [ q ( a , 0 ) p ] ( t ) , (11)<br />
<br />
Ở đây MC.T0: thành phần không đổi; q(ωa, ω0 ), q’(ωa, ω0 ) hệ số tuyến tính hoá điều hoà.<br />
Biểu thức (10) và (11) có thể viết gộp ở dạng:<br />
M C .T (t ) M C .T 0 (a , 0 ) WH (a , 0 ) (t ) , (12)<br />
Ở đây, WH(ωa, ω0) là hàm truyền phần tử phi tuyến (như hình 2) với lượng vào là tín<br />
hiệu điều hoà ωг(t) và lượng ra là hàm điều hoà bậc nhất của fC.T(t). Với phần tử phi tuyến<br />
đơn trị như hình 2.a ta có:<br />
WH (a , 0 ) q(a , 0 ), (13)<br />
Với phần tử phi tuyến có trễ (hình 2.b) ta có:<br />
q, (a , 0 )<br />
WH (a , 0 ) q(a , 0 ) p, (14)<br />
<br />
Từ biểu thức (9) với hàm fC.T(t) theo (10), (11) ta có:<br />
<br />
<br />
78 T. Đ. Chuyển, “Nghiên cứu … động cơ một chiều không cổ góp.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
2<br />
1<br />
M C .T 0 ( a , 0 ) M C .T ( 0 a sin )d ; (15)<br />
2 0<br />
2<br />
1<br />
q ( a , 0 ) M C .T ( 0 a sin ) sin d ; (16)<br />
a 0<br />
2<br />
1<br />
q ' ( a , 0 ) M C .T ( 0 a sin )co s d , (17)<br />
a 0<br />
<br />
ở đây, γ = ωt; trong đó t là thời gian tính từ bắt đầu một chu kỳ dao động [6, 7]. Trên cơ sở<br />
những đặc điểm về động học của hệ thống bám làm việc tốc độ chậm ta đi xây dựng mô<br />
hình cho hệ thống bám sử dụng động cơ BLDC ở hình 1 như sau.<br />
2.2. Xây dựng mô hình bộ điều khiển cho động cơ BLDC<br />
Động cơ một chiều có tính điều khiển vượt trội so với các loại động cơ khác, song sự<br />
tồn tại của bộ phận cổ góp chổi than làm giảm độ tin cậy và khả năng ứng dụng của nó.<br />
Động cơ một chiều không tiếp xúc ra đời là sự kết hợp của động cơ đồng bộ với bộ chuyển<br />
mạch bán dẫn bằng các BJT (Bipolar junction transistor, tranzitor hai mối nối: Mosfet,<br />
Jfet, IGBT…), đã kết hợp được tính năng điều khiển vượt trội với độ tin cậy cao là sự thay<br />
thế tốt cho các động cơ một chiều trong hệ thống điều khiển vũ khí và trong công nghiệp;<br />
đòi hỏi chất lượng cao. Thực chất mô hình của động cơ BLDC là mô hình gián đoạn khá<br />
phức tạp. Trong các hệ truyền động điện của các hệ thống tự động hóa công suất vừa và<br />
nhỏ chủ yếu là loại động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, trên hình 3b chỉ ra cấu trúc<br />
nguyên lí của động cơ BLDC. Động cơ BLDC được xét ở đây trong 1 tổ hợp gồm: Cảm<br />
biến vị trí rô to, khối biến đổi và phần mạch lực bán dẫn công suất. Chúng hình thành và<br />
cấp cho cuộn dây stator động cơ 3 pha; các điện áp Va,Vb, Vc phù hợp với vị trí rô to [1, 2,<br />
9]. Trong điều khiển tựa theo từ thông rotor, momen và từ thông được điều khiển một cách<br />
độc lập nên vị trí góc và tốc độ của rotor là những thông tin cần thiết trong thiết kế điều<br />
khiển. Do đó, các cảm biến vị trí với độ phân dải cao thường được sử dụng để xác định vị<br />
trí rotor và bộ chuyển mạch bán dẫn công suất, chúng tương tác với từ trường kích thích<br />
tạo ra mô men quay. Hơn nữa trong miền làm việc tốc độ thấp của hệ thống bám này, thì<br />
việc đo vị trí và tốc độ của rôto cần phải thực hiện chính xác với cảm biến vị trí được lắp<br />
ngay trên trục động cơ, cảm biến này đóng vai trò rất quan trọng trong mạch vòng điều<br />
chỉnh ngoài việc điều chỉnh tốc độ và vị trí còn cần điều chỉnh mô men, [1, 2, 4, 8, 10, 12].<br />
Từ đó ta đi xét: Mô hình hệ truyền động bám sát theo góc với động cơ chấp hành<br />
BLDC làm việc ở tốc độ chậm như hình 1, và cấu trúc các cuộn dây stator và roto là nam<br />
châm vĩnh cửu được thể hiện như hình 3 .<br />
S1 S3 S5<br />
Ra La<br />
<br />
<br />
<br />
a<br />
+<br />
48V DC b<br />
<br />
c<br />
<br />
S4 S6 S2<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. a) Mô hình động cơ BLDC; b) Vị trí đặt cảm biến Hall để đo giá trị điện áp, mômen.<br />
<br />
Mô hình toán học của động cơ BLDC trong bài báo này là ba pha, 4 cực được nối hình<br />
sao như hình 3a. Do đó mô hình biến đổi thành phần điện áp các pha abc là mô hình được<br />
biểu diễn theo hệ tọa độ d - q. Hơn nữa có giả thiết như sau: Điện trở stato, các giá trị điện<br />
cảm hỗ cảm giữa các pha là bằng nhau và không đổi; Hiện tượng từ trễ và tổn hao do dòng<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 79<br />
Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính<br />
<br />
điện xoáy được loại bỏ; Tất cả các thiết bị chuyển mạch công suất được coi là lý tưởng [4,<br />
10]. Với các giả thiết như vậy mô hình toán học của động cơ BLDC theo hình 3 được mô<br />
tả như sau:<br />
dia di dic<br />
Va Ra ia La M ab b M ac Ea (18)<br />
dt dt dt<br />
dib dia dic<br />
Vb Rbib Lb M ba M bc Eb (19)<br />
dt dt dt<br />
dic di di<br />
Vc Rcic Lc M ca a M cb b Ec (20)<br />
dt dt dt<br />
trong đó, Ra, Rb, Rc là điện phần ứng mỗi pha [Ω]; La điện cảm phần ứng các pha [H]; Mab,<br />
Mbc, Mcb hỗ cảm giữa các pha với nhau; Va, Vb, Vc điện áp mỗi pha [V]; Ea, Eb, Ec sức<br />
phản điện động các pha (back – EMF) [V]. Khi đó ta có:<br />
<br />
Ea K em F ( e )<br />
<br />
2<br />
Eb K em F ( e ) (21)<br />
3<br />
2<br />
Ec K em F ( e 3 )<br />
trong đó, Ke là hằng số sức phản điện động [V/rad.s-1], F(θe) hàm chức năng hệ số sức<br />
phản điện động của vị trí rôto động cơ, θe hằng số góc sức điện động của rôto; ωm tốc độ<br />
góc quay rôto [rad.s-1]; và ta có:<br />
d m<br />
m (22)<br />
dt<br />
Do đó, mô hình toán học động cơ BLDC có thể được viết dưới dạng phương trình ma<br />
trận như sau:<br />
La M ab M ca ia va Ra 0 0 ia ea <br />
d<br />
M Lb M bc ib vb 0 Rb 0 ib eb (23)<br />
ba dt <br />
M ca M cb Lc ic vc 0 0 Rc ic ec <br />
Nếu giả thiết rằng rôto được thiết kế trên bề mặt phẳng nhẵn, hiện nay động cơ BLDC<br />
nói chung là bề mặt rôto không có sự nhấp nhô [1, 10], sao cho sức điện động tự cảm stato<br />
động cơ không phụ thuộc vào các vị trí của rôto, do đó: La = Lb = Lc = L. Và hệ số tự cảm<br />
tương hỗ sẽ có dạng: Mab = Mac = Mba = Mbc = Mca = Mcb = M. Giả sử điện áp 3 pha cân<br />
bằng nhau, điện trở các pha được viết bởi: Ra = Rb = Rc = R. Từ đó ta viết lại biểu thức (6)<br />
như sau:<br />
L M M ia va R 0 0 ia ea <br />
M L M d i v 0 R 0 i e (24)<br />
dt b b b b<br />
M M L ic vc 0 0 R ic ec <br />
Mô men điện từ phát sinh bởi động cơ chấp hành. Ở đây động cơ chấp hành ở hệ thống<br />
bám này là BLDC, trong một số nghiên cứu người ta bỏ qua động học của động cơ chấp<br />
hành [1, 11]; khi tính đến động học của động cơ chấp hành thì bậc của hệ thống tăng lên.<br />
Để nâng cao chất lượng bám sát thì nhất thiết phải xét đến động học của động cơ chấp<br />
hành, đó là động học của quá trình phát sinh mô men điện từ dưới tác động đầu vào. Đối<br />
với động cơ là động cơ một chiều không cổ góp do có đặc tính mô men rất tốt, thì tác động<br />
đầu vào là điện áp phần ứng trên các pha của động cơ, điện áp kích từ, hoặc cả hai [2, 3, 4,<br />
9]. Phương trình mô men điện từ sinh ra bởi các pha của động cơ chấp hành BLDC [5]:<br />
<br />
<br />
80 T. Đ. Chuyển, “Nghiên cứu … động cơ một chiều không cổ góp.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
a K t ia F ( e )<br />
<br />
2<br />
b K t ib F ( e ) (25)<br />
3<br />
2<br />
c K t ic F ( e 3 )<br />
trong đó, Kt hằng số mô men động cơ; ia, ib, ic dòng điện mỗi pha của động cơ (A).<br />
Và khi đó:<br />
P<br />
e m (26)<br />
2<br />
Khi quy đổi về trục quay của cơ cấu công tác thông qua khớp nối mềm ở hình 1, ta có<br />
mối quan hệ giữa mô men công tác và mô men điện từ như sau [5, 9]:<br />
ct K ct . motor (27)<br />
trong đó, Kct hệ số quy đổi giữa mô men điện từ và mô men trên trục cơ cấu công tác.<br />
Mô men điện từ sinh ra bởi động cơ BLDC [5, 9]:<br />
d 2 m d<br />
e L J 2<br />
m (28)<br />
dt dt<br />
Tuy nhiên mô men điện từ của ba pha động cơ BLDC thì phụ thuộc vào dòng điện, tốc<br />
độ và dạng sóng sức điện động phản hồi, nên mô men điện từ tức thời tại thời điểm được<br />
viết như sau:<br />
1<br />
em ( E a ia E b ib E c ic ) (29)<br />
m<br />
hoặc ta cũng có thể viết mô men điện từ theo các pha của động cơ BLDC:<br />
e a b c (30)<br />
trong đó, θm hệ số góc cơ khí của roto [rad]; τe mô men điện từ sinh ra bởi động cơ chấp<br />
hành [Nm]; J mô men quán tính [kgm2]; β hằng số mô men ma sát [Nms.rad-1]; τL mô men<br />
cản phụ thuộc vào tải [Nm].<br />
Từ biểu thức (18), (19), (20) và (28) ta cũng có thể viết như sau:<br />
d<br />
Vab R(ia ib ) ( L M ) (ia ib ) Eab (31)<br />
dt<br />
d<br />
Vbc R (ib ic ) ( L M ) (ib ic ) Ebc (32)<br />
dt<br />
trong đó, ia + ib + ic = 0 , do đó sau khi biến đổi biểu thức (31) và (32) và bỏ qua các hệ số<br />
cảm ứng tương hỗ giữa các pha ta có:<br />
dia R 2 1<br />
ia (Vab Eab ) (Vbc Vbc ) (33)<br />
dt L 3L 3L<br />
dib R 2 1<br />
ib (Vab Eab ) (Vbc Vbc ) (34)<br />
dt L 3L 3L<br />
Từ đó mô hình không gian trạng thái của động cơ BLDC được viết như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 81<br />
Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính<br />
<br />
R 2 1 <br />
0 0 3L 0<br />
i 'a L <br />
a i <br />
3L<br />
Vab Eab <br />
' R 1 1 <br />
i b 0 <br />
0 ib 0 Vbc Ebc (35)<br />
L 3L 3L <br />
' <br />
m m 1 e L <br />
0 0 0 0<br />
L J <br />
Cuối cùng ta có:<br />
ia 1 0 0 ia <br />
<br />
ib 0 1 0 ib <br />
ic 1 1<br />
(36)<br />
0 ic <br />
<br />
m 0 0 1 m <br />
Việc khai triển mô hình không gian trạng thái của động cơ BLDC theo (35), (36) có ý<br />
nghĩa cho việc tính toán xây dựng mô hình mô phỏng hệ điện cơ này dễ dàng hơn.<br />
<br />
3. MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM<br />
Trên cơ sở lí thuyết đã đưa ra ở trên, tác giả đã tiến hành mô phỏng, thực nghiệm tại bộ<br />
môn kỹ thuật điện, khoa kỹ thuật điều khiển - Học viên kỹ thuật quân sự, với đầy đủ các<br />
thiết bị dụng cụ: Động cơ, máy tính nhúng, Matlab R2013 kết hợp cạc điều khiển phần<br />
cứng DSP dòng TMS230, thiết bị đo lường và nhiều công cụ khác. Trên cơ sở mô hình đã<br />
xây dựng và các phương trình toán học của động cơ BLDC đã đưa ra ở trên, giả thiết đo<br />
được tất cả các biến trạng thái.<br />
Các tham số mô phỏng động cơ BLDC: n = 1000 vòng/phút; p = 4; số pha là 3; nguồn<br />
công suất DC, P = 300(V); J = 0.8e-3 (kgm2 ); R = 2.8750Ω; LS = 8.5e-3(H); τL = 1.5Nm.<br />
Việc lựa chọn cảm biến cho hệ truyền động bám làm việc tốc độ gần không và qua<br />
không trên toàn dải tốc độ với yêu cầu có độ chính xác cao, cảm biến thường được sử<br />
dụng đó là cảm biến Hall và encorder có vị trí góc quay đầu ra sin cos; hoặc tính bằng<br />
arctang (sin/cos). Điều này có ý nghĩa cần thiết cho phép điều chỉnh các cơ cấu của vòng<br />
điều chỉnh mô men cũng như vòng điều chỉnh vị trí và tốc độ [2, 9, 12]. Trên cơ sở đó ta<br />
có các kết quả mô phỏng với lượng vào lượng vào khác nhau theo (góc đặt trước). Khảo<br />
sát hệ thống bám xét đến ảnh hưởng các thông số bộ điều chỉnh đến chất của hệ thống;<br />
tính tác động nhanh và khả năng tiệm cận (bám sát) không có dao động đến vị trí cuối, từ<br />
đó lựa chọn tham số bộ điều chỉnh để đạt được giá trị mong muốn với sai số là bé nhất.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 4. Dạng sóng đầu ra tốc độ Hình 5. Dòng điện pha a của bộ PWM và<br />
và góc bám sát. dòng điện điều khiển.<br />
Trên hình 5 dòng điện điều khiển bộ điều khiển giống như dạng sóng hình sin, còn đặc<br />
tính dạng sóng của bộ PWM thì có dao động.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6. Dạng sóng đầu ra mô men .<br />
<br />
<br />
82 T. Đ. Chuyển, “Nghiên cứu … động cơ một chiều không cổ góp.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Trên hình 6 dạng sóng mô men ở đây khi khi khảo sát hàm truyền theo nhiễu nên tại<br />
thời điểm 0.1s có hiện tượng dao động. Trên cơ sở lý thuyết đã đưa ra, ta tiến hành thực<br />
nghiệm với hệ truyền động bám làm việc với tốc độ chậm, sử dụng động cơ chấp hành<br />
BLDC, với các tham số như sau: Động cơ BLDC kiểu BM 141 8ZXF, công suất 750W,<br />
điện áp làm việc 48V, tốc độ 1000V/phút, dòng điện làm việc 21A.<br />
<br />
<br />
S1 S3 S5<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
a<br />
+<br />
48V DC b<br />
<br />
c<br />
<br />
S4 S6 S2<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
ia ib ic Va Vb V<br />
c<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 7. Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thí nghiệm Hình 8. Hình ảnh mô hình thí nghiệm<br />
<br />
Trên hình 7, hình 8 là sơ đồ cấu trúc các khối và mô hình thực nghiệm cho hệ truyền<br />
động bám làm việc tốc độ chậm sử dụng động cơ BLDC kết nối với máy tính; Control<br />
board DSP 1102; các mạch phụ trợ và các thiết bị đo lường.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Trên hình 9 là đáp ứng bộ điều khiển mô men, dòng điện theo tốc độ động cơ BLDC làm<br />
việc tốc độ rất thấp, từ gần không và qua không (đến 50 vòng/ phút). Trên hình 10, 11. Lần<br />
lượt là đáp ứng từ mô hình bộ điều khiển của hệ thống bám sử dụng động cơ BLDC làm việc<br />
tốc độ thấp: speed 50v/ phút → 5v/div; dòng điện pha 2A/div, và: speed 20v/phút → 5v/div;<br />
dòng điện pha 2A/div. Ở hình 10 và 11 đã đưa ra các đáp ứng là: 1. mô men, 2. dòng điện, 3.<br />
quá trình chuyển mạch của 6 van bán dẫn và 4. là tốc độ làm việc của động cơ BLDC.<br />
<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Bài báo đã tiến hành nghiên cứu mô hình toán học, cơ sở lý thuyết, mô phỏng thực<br />
nghiệm về hệ truyền động bám góc làm việc tốc độ chậm sử dụng động cơ BLDC. Quá<br />
trình cứu hệ điện cơ này với nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ truyền động sử dụng<br />
động cơ không đồng bộ và một chiều. Đây là hệ truyền động có nhiều ưu điểm: hiệu suất<br />
cao, không có tổn hao trong rô to, dòng không tải nhỏ hơn vì có nam châm vĩnh cửu mạnh,<br />
đặc tính điều khiển ít nhạy với sự biến thiên thông số của động cơ, việc điều chỉnh tốc độ,<br />
mô men và dòng điện vượt trội so các dạng động cơ khác trong công nghiệp và quốc<br />
phòng. Thông qua kết quả này ta có thể xây dựng vòng điều chỉnh mô men của động cơ<br />
BLDC trong nhiều chế độ tải khác nhau để làm cơ sở cho các hướng nghiên cứu tiếp theo,<br />
như xét đến yếu tố ma sát, đàn hồi, khe hở cho hệ truyền động bám phức tạp này.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 83<br />
Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Trần Đức Chuyển, Nguyễn Thanh Tiên, “Tổng hợp bộ điều khiển Backstepping trượt<br />
thích nghi cho hệ truyền động bám góc động cơ chấp hành một chiều không cổ góp<br />
với bộ biến đổi DC/DC,” TCNCKH&CNQS, số 21, (2012), tr. 64 -71, 2012.<br />
[2]. Đào Hoa Việt, “Phân tích và tổng hợp hệ thống truyền động điện,” HVKTQS (2010).<br />
[3]. Nguyễn Thanh Tiên, “Ứng dụng điều khiển trượt tổng hợp điều khiển hệ điện cơ”<br />
(dùng cho đào tạo cao học), NXB Quân Đội Nhân Dân 2013.<br />
[4]. Đào Hoa Việt, “Bài tập ví dụ và thực hành điều khiển tự động truyền động điện.”<br />
(dùng cho đào tạo cao học), HVKTQS Xuất Bản 2010.<br />
[5]. H.Olsson, K.J. Åström, C.Canudas de Wit, M. Gäfvert, P. Lischinsky, “Friction<br />
Models and Friction Compensation,” American Control Conference, pages 1920-<br />
1926, Sanfrancisco, California, 1993.<br />
[6]. John Chiasson, “Modeling and high performance control of electric machines,” Inc,<br />
Hoboken, USA New Jersey; Published simultaneously in Canada, 2005.<br />
[7]. Alex Simpkins, Emanuel Todorov, “Position estimation and control of compact<br />
BLDC motor based on analog linear hall effect sensors,” American control<br />
conference June 30- July 02, 2010 USA.<br />
[8]. Mohamed A.Awadallah, Ehab H.E.Bayoumi, Hisham M. Soliman, ”Adaptive<br />
deadbeat controllers for brushless DC drives using PSO and ANFIS techniques,”<br />
Journal of Electrical engineering, Vol. 60, No 1, 2009.<br />
[9]. Sanita C S, J T Kuncheria, “Modelling and Simulation of Four Quadrant Operation of<br />
Three Phase Brushless DC Motor With Hysteresis Current Controller,” IJAREEIE,<br />
Vol. 2, Issue 6, June 2013.<br />
[10]. С.В. Емельянов, С.К. Коровин, “Нелинейная динамика и управление,”Выпуск 4,<br />
Москва Физматлит, 2004.<br />
[11]. Б.К Чемоданов - Следящие приводы Т1, 2.- М.: Изд. МГТУ им Баумана, 1999.<br />
B.<br />
[12].C.Краснова С.А., Уткин В.А. Каскадный синтез наблюдателей состояния<br />
динамических систем. М.: Наука, 2006.<br />
<br />
ABSTRACT<br />
RESEARCH ON DRIVE SYSTEM TRACKING ELECTRIC MECHANISMS AT<br />
SLOW SPEED FOR BLDC MOTOR<br />
<br />
This paper presents the research problems of the kinetic characteristics, models<br />
of electric - mechanisms systems make slow speed use BLDC in the industry and<br />
national defense. On the basis of building simulation models, which formative<br />
assessment speed, torque currents for this tracking system. Simulation model was<br />
tested on Matlab-Simulink, modeling experiments to demonstrate results.<br />
<br />
Keywords: Tracking system, Brushless DC motor, Slow speed.<br />
<br />
Nhận bài ngày 26 tháng 10 năm 2013<br />
Hoàn thiện ngày 22 tháng 04 năm 2014<br />
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 05 năm 2014<br />
<br />
<br />
Địa chỉ: NCS Bộ môn Kỹ Thuật Điện - Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự.<br />
ĐT: 0912171980. Email: tranducchuyen1977@gmail.com<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
84 T. Đ. Chuyển, “Nghiên cứu … động cơ một chiều không cổ góp.”<br />