TỔNG QUAN
Giới thiệu
Ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã mang lại nhiều thành tựu to lớn, trong đó có ngành cơ điện tử Một vấn đề quan trọng trong công nghiệp là truyền động và năng lượng, với động cơ điện đóng vai trò thiết yếu trong việc chuyển đổi điện năng thành cơ năng Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như bơm, quạt, máy nén và nâng vật liệu, chiếm khoảng 70% tổng tải điện trong ngành công nghiệp, được ví như "sức ngựa" của ngành này Việc điều khiển động cơ một cách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng là rất cần thiết, do đó nghiên cứu về điều khiển động cơ điện trở thành một chủ đề quan trọng.
Động cơ được phân loại dựa trên nguồn năng lượng, cấu trúc và cơ chế hoạt động Hai loại chính của động cơ điện là động cơ một chiều (DC) và động cơ xoay chiều (AC).
DC được phân loại thành bốn loại chính dựa trên cách kích từ: kích từ độc lập, kích từ nối tiếp, kích từ song song và kích từ hỗn hợp Động cơ AC được chia thành hai loại chính là động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ Động cơ cảm ứng bao gồm động cơ điện một pha và động cơ điện ba pha, trong khi động cơ đồng bộ gồm động cơ từ trường vĩnh cửu và động cơ từ trở Động cơ một chiều có ba thành phần chính như hình 1.1.
Cực từ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sự quay trong động cơ một chiều, nơi mà các cực từ đứng yên và phần ứng quay giữa chúng Một động cơ một chiều cơ bản thường có hai cực từ: cực bắc và cực nam, với các đường sức từ chạy từ cực bắc đến cực nam Đối với các động cơ phức tạp hơn, thường sử dụng một hoặc nhiều nam châm điện được cấp điện từ bên ngoài để hình thành cấu trúc từ trường cần thiết cho hoạt động hiệu quả của động cơ.
Hình 1.1: Động cơ DC thường
Phần ứng trong động cơ điện một chiều có hình dạng trụ và hoạt động như một nam châm điện khi có dòng điện chạy qua Nó được kết nối với trục ra để kéo tải, và trong quá trình quay, phần ứng chịu tác động của từ trường do các cực tạo ra Khi phần ứng quay, các cực bắc và nam của nam châm sẽ hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay, và khi sự hoán đổi hoàn tất, dòng điện sẽ đảo chiều, làm cho các cực bắc và nam của phần ứng thay đổi, đảm bảo động cơ tiếp tục hoạt động.
Cổ góp là bộ phận quan trọng trong động cơ một chiều, giúp đảo chiều dòng điện trong phần ứng và hỗ trợ truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện Động cơ một chiều nổi bật với khả năng điều khiển tốc độ mà không ảnh hưởng đến chất lượng điện cung cấp, thông qua việc điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng kích thích Động cơ kích từ độc lập sử dụng nguồn cấp riêng cho dòng kích từ, trong khi động cơ kích từ song song có cuộn kích từ nối song song với cuộn dây phần ứng, giúp tốc độ động cơ không đổi và không phụ thuộc vào tải, lý tưởng cho các ứng dụng mômen khởi động thấp như máy công cụ Tốc độ có thể được điều chỉnh bằng cách thêm điện trở vào mạch Đối với động cơ kích từ nối tiếp, cuộn kích từ được nối tiếp với cuộn dây phần ứng, dẫn đến dòng kích từ bằng dòng phần ứng, với tốc độ giới hạn ở 5000 vòng/phút, cần tránh vận hành vượt mức này.
Động cơ kích từ hỗn hợp một chiều là sự kết hợp giữa động cơ nối tiếp và động cơ kích từ song song, với cuộn kích từ được nối song song và nối tiếp với cuộn dây phần ứng Nhờ cấu trúc này, động cơ có mômen khởi động tốt và tốc độ ổn định, với tỷ lệ phần trăm đấu hỗn hợp cuộn kích từ càng cao thì mô men khởi động càng lớn Một trong những ưu điểm nổi bật của động cơ một chiều là khả năng điều khiển tốc độ dễ dàng hơn so với động cơ xoay chiều Mặc dù động cơ xoay chiều có thể được trang bị bộ điều khiển biến đổi tần số để cải thiện khả năng điều khiển tốc độ, nhưng điều này cũng dẫn đến sự giảm chất lượng điện.
Động cơ điện xoay chiều ba pha, như hình 1.2, hoạt động bằng dòng điện xoay chiều và bao gồm hai loại: đồng bộ và không đồng bộ Động cơ không đồng bộ rất phổ biến trong công nghiệp nhờ thiết kế đơn giản, chi phí thấp và dễ bảo trì, cho phép kết nối trực tiếp với nguồn điện xoay chiều Động cơ này có hai bộ phận chính: rôto và stato Rôto có hai loại: rôto lồng sóc với các thanh dẫn dày đặt trong các rãnh song song, và rôto dây quấn với ba pha và hai lớp cuộn dây Trong khi đó, stato được ghép từ các vòng dập định hình với các rãnh chứa cuộn dây ba pha, được quấn theo một số cực nhất định và có bố trí lệch nhau 120 độ trong không gian.
Động cơ không đồng bộ được chia thành hai nhóm chính: động cơ không đồng bộ một pha và động cơ không đồng bộ ba pha Động cơ không đồng bộ một pha có một cuộn dây stato, hoạt động bằng nguồn điện một pha và thường được sử dụng trong các thiết bị gia đình như quạt, máy giặt với công suất 3-4 mã lực Ngược lại, động cơ không đồng bộ ba pha có từ trường quay do nguồn cung cấp ba pha, công suất cao hơn và có thể tự khởi động Động cơ đồng bộ, loại động cơ không chổi than, có tốc độ quay bằng với tốc độ biến thiên của từ trường, bao gồm động cơ đồng bộ từ trường vĩnh cửu (PMSM) và động cơ từ trở đồng bộ (SRM) PMSM không có cuộn dây kích từ trên rôto và hoạt động dựa trên nguyên lý dòng điện kín, trong khi SRM tạo mômen quay bằng khái niệm từ trở Động cơ AC có nhiều ưu điểm như hiệu năng cao, bền vững và ít bảo trì so với động cơ DC, loại động cơ phù hợp cho các yêu cầu đòi hỏi độ chính xác tốc độ và mômen cao.
Động cơ một chiều (DC) dễ dàng điều khiển và phổ biến trong cả lĩnh vực dân dụng lẫn công nghiệp cho ứng dụng công suất thấp Mặc dù động cơ DC có nhiều ưu điểm về điều chỉnh tốc độ, nhưng nhược điểm lớn nhất là cần có bộ chuyển mạch cơ khí như cổ góp và chổi than, hạn chế ứng dụng trong các truyền động yêu cầu tốc độ cao Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) ra đời đã khắc phục nhược điểm này với bộ cổ góp điện tử, kết hợp ưu điểm của động cơ DC và động cơ đồng bộ AC, mở ra nhiều hướng ứng dụng mới và là xu hướng phát triển trong tương lai.
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Trước khi động cơ BLDC ra đời, động cơ DC chổi than đã được phát minh vào năm 1856 bởi Siemens, người có nhiều đóng góp quan trọng trong ngành kỹ thuật điện sau khi rời quân đội Ông cũng là người phát minh ra thang máy điện đầu tiên vào năm 1880 Động cơ DC chổi than đầu tiên của Siemens rất thô sơ và đã được Leonard cải tiến, người đã hoàn thành hệ thống điều khiển động cơ đầu tiên hiệu quả vào khoảng cuối thế kỷ 19.
Hệ thống này sử dụng biến trở để điều khiển dòng điện trong từ trường cuộn dây,
Hệ thống điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát DC, ảnh hưởng đến tốc độ động cơ DC, đã được cải tiến qua thời gian Hệ thống Leonard vẫn giữ được hiệu quả cho đến năm 1960, khi công ty Electronic Regulator phát triển bộ điều khiển trạng thái rắn sử dụng thyristor, cho phép chuyển đổi trực tiếp điện AC thành điện DC Giải pháp mới này đã thay thế hệ thống Leonard nhờ vào sự đơn giản và hiệu quả vượt trội.
Công ty Electronic Regulator đã tối đa hóa hiệu quả động cơ DC, mở ra cánh cửa cho động cơ BLDC, loại động cơ hiệu quả hơn được giới thiệu lần đầu vào năm 1962 bởi Wilson và Trickey dưới tên gọi máy DC bộ chuyển đổi trạng thái rắn Điểm khác biệt chính của BLDC so với động cơ DC truyền thống là không có bộ chuyển đổi cổ góp chổi than vật lý, giúp tăng cường hiệu suất Với sự phát triển và tinh chỉnh, BLDC đã trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng như ổ đĩa cứng máy tính, lĩnh vực rôbốt và không gian, và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay nhờ vào hiệu quả vượt trội Động cơ này là sự lựa chọn hoàn hảo cho những ứng dụng đặc biệt mà việc sử dụng chổi than vật lý gặp khó khăn BLDC đại diện cho một bước nhảy vọt công nghệ, mặc dù vẫn tồn tại một số vấn đề như độ tin cậy và khả năng tạo ra công suất lớn trong các mô hình ban đầu.
Vào năm 1980, sự phát triển và sẵn có của vật liệu nam châm vĩnh cửu đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghiệp Việc kết hợp nam châm vĩnh cửu với các transistor cao áp đã cho phép động cơ BLDC tạo ra công suất lớn tương đương với động cơ DC chổi than thông thường Đến cuối thập niên 1980, Lordo thuộc tập đoàn Powertec Industrial đã giới thiệu động cơ BLDC đầu tiên, có công suất cao gấp gần 10 lần so với động cơ DC chổi than truyền thống.
Hiện nay, hầu hết các công ty sản xuất động cơ đều cung cấp động cơ BLDC công suất cao với đường kính từ 15 mm đến 65 mm và công suất đầu ra từ 0.7 W đến 329.9 W Nếu bạn đang khởi động một dự án mới cần động cơ, hãy cân nhắc lựa chọn động cơ BLDC Ngành công nghiệp đã phụ thuộc vào động cơ BLDC trong khoảng 50 năm qua, cho thấy tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong những thập niên tới.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu BLDC trên thế giới
Nghiên cứu về điều khiển động cơ BLDC đang diễn ra rộng rãi trên toàn cầu, với sự phát triển nhanh chóng của các giải thuật và phương pháp nâng cao chất lượng điều khiển Các đề tài nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến động cơ BLDC ngày càng nhận được sự quan tâm lớn từ các viện nghiên cứu và trường đại học Đặc biệt, một nghiên cứu so sánh về việc sử dụng các loại động cơ điện trong xe điện đã được báo cáo tại hội thảo năm 2008 bởi Nasser và Behzad từ Đại học Tehran, Iran.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có năm loại động cơ điện chính, bao gồm DC thông thường, động cơ cảm ứng, động cơ đồng bộ, động cơ từ trở và động cơ BLDC Trong số đó, động cơ BLDC được xác định là loại phù hợp nhất cho ứng dụng xe điện nhờ vào những lợi ích vượt trội như ít ô nhiễm, tiêu tốn nhiên liệu thấp hơn và công suất cao hơn so với các loại động cơ khác Công nghệ động cơ cảm ứng mặc dù phát triển hơn nhưng không thể cạnh tranh với hiệu suất của động cơ BLDC trong lĩnh vực xe điện.
Nghiên cứu của Lee và Lemley tại trường đại học Berks Campus tập trung vào ba phương pháp chuyển đổi động cơ BLDC ba pha, bao gồm dạng hình thang (6 bước), dạng hình sin và phương pháp điều khiển hướng từ trường (FOC) Bài viết phân tích đặc tính của từng phương pháp, so sánh ưu nhược điểm và kiểm chứng hiệu quả của chúng Đặc biệt, động cơ BLDC có thể được điều khiển hiệu quả thông qua phương pháp chuyển đổi dạng hình thang kết hợp với cảm biến vị trí Hall.
Bộ chuyển đổi dạng hình sin với cảm biến vị trí encoder và FOC sử dụng cảm biến Hall hoặc encoder đã được so sánh và kiểm chứng Bộ chuyển đổi hình thang cho thấy mômen gợn sóng thấp ở tốc độ thấp và hiệu quả cao ở tốc độ cao Nghiên cứu của Dal và Jae tại viện Drivetech, Polytechnic ở Virginia, Mỹ phân tích và so sánh nhiều nguyên lý chuyển đổi và điều khiển dòng điện cho động cơ BLDC Các phương pháp bao gồm chuyển mạch sáu bước không điều khiển dòng điện, điều khiển dòng trên bus, chuyển đổi dạng sin, điều khiển dòng pha và hiệu chỉnh đồng bộ Nguyên lý điều khiển dòng điện và kỹ thuật chuyển đổi ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống và mômen đầu ra Mặc dù phương pháp điều khiển sáu bước có thể hiệu quả cho ứng dụng đơn giản, nhưng để đạt yêu cầu chất lượng cao, cần sử dụng bộ chuyển đổi phức tạp và điều khiển dòng điện Phương pháp điều khiển dòng điện bus không hiệu chỉnh độ trễ pha và mômen gợn sóng, trong khi bộ hiệu chỉnh dòng pha và dạng sin giúp giảm độ trễ pha, mang lại mômen cao và phẳng hơn ở tốc độ cao.
Nghiên cứu mô hình hóa và phân tích chất lượng động cơ BLDC với bộ điều khiển PID và nguyên lý PWM được thực hiện bởi Patel và Pandey tại trường cao đẳng kỹ thuật, khoa kỹ thuật điện tử Trong nghiên cứu, mô hình PID và động cơ BLDC được phát triển trong MATLAB/SIMULINK, sử dụng phương pháp hiệu chỉnh để mô phỏng các tham số hoạt động của động cơ Kết quả mô hình hóa và mô phỏng bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ và mômen đã được kiểm tra từ vòng hở đến vòng kín thông qua các biểu đồ đáp ứng bước, quỹ đạo nghiệm số, biểu đồ Nyquist và biểu đồ Bode.
Nghiên cứu về thiết kế bộ điều khiển Fuzzy logic cho mạch chuyển đổi động cơ BLDC bằng MATLAB/SIMULINK được thực hiện bởi Mehmet và Omer tại đại học Selcuk, Thổ Nhĩ Kỳ, nhằm mô phỏng hiệu quả của bộ điều khiển này so với bộ điều khiển PID Đặc tính động học như tốc độ, mômen và dòng áp của bộ chuyển đổi được phân tích dễ dàng trên mô hình phát triển, cho thấy bộ điều khiển Fuzzy logic đạt được tốc độ và mômen cao trong thời gian ngắn Đồng thời, nghiên cứu của Rao, Obulesh và Sai Babu tại Ấn Độ cũng chỉ ra rằng bộ điều khiển PID có thể duy trì tốc độ động cơ BLDC khi điều kiện tải thay đổi Kết quả cho thấy động cơ BLDC có chất lượng chấp nhận được, với hiệu năng cao, mômen lớn, tầm tốc độ rộng và bảo trì thấp, đồng thời mô hình hóa là công cụ hữu ích trong nghiên cứu chất lượng trước khi thiết kế động cơ Cuối cùng, đề tài cũng nhấn mạnh việc giảm dao động và độ gợn mômen cho động cơ BLDC bằng mạch cầu.
Nghiên cứu của A Sneha tại viện Anurag, Ấn Độ, đã chỉ ra rằng việc sử dụng kỹ thuật điều khiển nhiều mức cho mạch công suất BLDC mang lại nhiều lợi ích so với các mạch công suất khác, đặc biệt là trong việc cải thiện chất lượng nghịch lưu Công nghệ nghịch lưu ba pha ba mức giúp giảm độ gợn sóng mômen và dao động điều hòa méo, nhờ vào việc điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ hiệu quả Trong khi đó, mô hình hóa và điều khiển động cơ BLDC bằng MATLAB/SIMULINK của Stefan Baldursson tại đại học Chalmers, Thụy Điển, đã phát triển mô hình cho cả động cơ DC và BLDC, cho phép thực hiện điều khiển vị trí, tốc độ và mômen thông qua các phương pháp như điều khiển trễ và điều khiển PWM Dù tất cả các chiến lược điều khiển đều hoạt động tốt, mỗi phương pháp vẫn tồn tại những nhược điểm riêng, với điều khiển trễ không phù hợp cho tải biến.
Phương pháp điều khiển áp DC-link được xem là giải pháp tối ưu cho ứng dụng giảm độ gợn mômen trong hệ thống điều khiển động cơ BLDC Nghiên cứu của Omar Mohammed tại trường đại học Toledo năm 2014 cho thấy động cơ BLDC được điều khiển bằng vi điều khiển cấp nguồn ba pha qua cầu bán dẫn, với yêu cầu xác định vị trí rôto thông qua kỹ thuật có cảm biến hoặc không có cảm biến Kỹ thuật không có cảm biến có thể được thực hiện bằng suất điện động trực tiếp hoặc gián tiếp kết hợp với FOC, nhằm đảm bảo chất lượng điều khiển tốc độ khi tải biến đổi Đề tài sử dụng bộ điều khiển PI kinh điển, cho thấy phương pháp FOC đạt mô men đỉnh cao nhất so với các phương pháp khác Ngoài ra, nghiên cứu của S.Rambabu tại học viện công nghệ quốc gia Roukela năm 2007 áp dụng bộ điều khiển fuzzy logic để cải thiện chất lượng động học của động cơ BLDC.
Bộ điều khiển fuzzy logic được triển khai đơn giản trên vi xử lý PIC, mang lại tốc độ phản hồi nhanh hơn so với bộ điều khiển PI truyền thống Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát và đánh giá chất lượng đáp ứng của bộ chuyển mạch BLDC Luận văn thạc sĩ của RAJA SIT1NUR ADIIMAH BINTI RAJA ARIS từ trường đại học Tun Hussein Onn, Malaysia, năm 2011, đã mô phỏng biến đổi tốc độ động cơ BLDC bằng bộ điều khiển mạng nơron Nghiên cứu trình bày nguyên lý điều khiển mạng nơron cho động cơ BLDC, bao gồm mô hình toán học và giải thuật mạng nơron Bộ điều khiển được thiết kế để theo dõi tốc độ đặt trong điều kiện tải thay đổi liên tục Mặc dù động cơ BLDC có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác, nhưng đặc tính chuyển mạch không tuyến tính đã gây khó khăn khi áp dụng PID truyền thống Để khắc phục vấn đề này, bộ điều khiển mạng nơron với kỹ thuật học online dựa trên giải thuật lan truyền ngược đã được phát triển, cho thấy chất lượng điều khiển tốt hơn khi so sánh với điều khiển PID trong điều kiện tốc độ và tải biến đổi liên tục.
1.2.3 Tình hình nghiên cứu BLDC trong nước
Nghiên cứu hệ truyền động và điều khiển động cơ BLDC tại Việt Nam vẫn còn đang trong giai đoạn mới mẻ, nhưng đây là một hướng phát triển tất yếu với nhiều ứng dụng thực tế trong tương lai Trong những năm gần đây, lĩnh vực này đã nhận được sự quan tâm đáng kể.
Tính cấp thiết đề tài
Động cơ BLDC đang ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa thiết bị điện công nghiệp, hàng không, y tế, dân dụng và phương tiện vận tải Nhờ vào những ưu điểm vượt trội, động cơ không chổi than đang dần thay thế động cơ một chiều sử dụng chổi than.
- Đặc tính tốc độ và mô men tốt hơn
- Đáp ứng động học nhanh do quán tính nhỏ
- Hiệu suất sử dụng cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu thay dây đồng
- Tuổi thọ động cơ cao do không có chuyển mạch cơ khí
- Động cơ chạy êm, tiếng ồn nhỏ
- Không gây nhiễu khi hoạt động
Có hai phương pháp chính để điều khiển động cơ BLDC: phương pháp sử dụng cảm biến vị trí rôto và phương pháp không sử dụng cảm biến Phương pháp không có cảm biến đã được nghiên cứu và cải tiến nhiều để giảm chi phí và đơn giản hóa quy trình lắp đặt, nhưng vẫn gặp phải một số hạn chế về độ chính xác và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu Ngược lại, phương pháp có cảm biến rôto cung cấp độ chính xác cao hơn, nhưng lại gặp khó khăn trong việc lắp đặt cảm biến Hall và chi phí cao Tuy nhiên, những vấn đề này đang dần được khắc phục trong thời gian gần đây.
Nghiên cứu về điều khiển động cơ BLDC đã sử dụng cảm biến Hall và chủ yếu áp dụng phương pháp PID kinh điển Một số nghiên cứu khác đã áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại như fuzzy và ANN để cải thiện chất lượng và đáp ứng động học của động cơ Phương pháp hiệu chỉnh PID thường sử dụng các kỹ thuật cổ điển như Zigler-Nichols, Cohen-Coon, và Tyreus-Luyben, trong khi một số nghiên cứu áp dụng thuật toán tối ưu như PSO và GA để xác định tham số PID Một phương pháp mới do Rivera giới thiệu vào năm 1986, dựa trên mô hình nội đối tượng (IMC), đảm bảo hệ thống hoạt động bền vững Tuy nhiên, các phương pháp điều khiển vòng kín có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu, gây mất ổn định trong vòng điều khiển tốc độ Để khắc phục, một số nghiên cứu đã áp dụng hai vòng điều khiển, với vòng tốc độ bên ngoài và vòng dòng điện bên trong, mặc dù điều này yêu cầu thêm thiết bị đo và phức tạp trong thiết kế.
Để nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống phức tạp với yêu cầu cao, nghiên cứu đã triển khai hai vòng yêu cầu với bộ điều khiển IMC-PI/PID.
Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của bài viết là đáp ứng động học của hệ thống điều khiển, tập trung vào động cơ một chiều không chổi than Mục tiêu chính là phân tích và đánh giá chất lượng điều khiển động cơ này.
Bộ điều khiển IMC-PI/PID hai vòng tốc độ và dòng điện là giải pháp hiệu quả cho các hệ thống yêu cầu chất lượng điều khiển cao, đặc biệt trong ứng dụng một chiều không chổi than Việc triển khai công nghệ này giúp nâng cao độ chính xác và ổn định trong quá trình điều khiển.
Nghiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
Đề tài nghiên cứu tổng quan về điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ một chiều không chổi than, cùng với tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước, nhằm cải thiện đáp ứng động học trong quá trình điều khiển.
- Tìm hiểu sơ lƣợc cấu tạo, nguyên lí hoạt động, ứng dụng các loại động cơ
- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phương pháp điều khiển động cơ một chiều không chổi than loại có ba cuộn dây nối chung điểm trung tính
- Tìm hiểu bộ điều khiển PID, các phương pháp hiệu chỉnh tham số PID, điều khiển hai vòng lặp
- Tìm hiểu mô hình tuyến tính động cơ một chiều không chổi than, đặc tính tốc độ, mômen
- Mô phỏng, thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống trong Matlab/Simulink
- Nhận dạng hệ thống, triển khai mô hình thực nghiệm, đánh giá so sánh kết quả nghiên cứu và mô phỏng
Do nhiều yếu tố chủ quan và khách quan, nghiên cứu về mô phỏng và triển khai mô hình thực nghiệm dựa trên phần cứng có sẵn trên thị trường có thể bị ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống.
Nội dung nghiên cứu trong đề tài
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết điều khiển IMC-PID động cơ BLDC
Chọn lựa phần cứng cho động cơ BLDC, mạch công suất và vi điều khiển là bước đầu tiên Tiếp theo, tiến hành thử nghiệm để nhận dạng hệ thống và xác định hàm truyền của động cơ BLDC.
Với các tham số đã xác định, chúng tôi tiến hành thiết kế bộ điều khiển IMC-PI/PID nhiều vòng Tiếp theo, việc mô phỏng các bộ điều khiển này được thực hiện trong môi trường matlab/simulink, và chất lượng kết quả mô phỏng được đánh giá một cách chi tiết.
Viết chương trình triển khai giải thuật IMC-PID cho nhiều vòng điều khiển dòng điện, tốc độ trên phần cứng
Sau đó, so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm với các nghiên cứu trước đây Đánh giá kết quả đạt đƣợc và kết luận.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu điều khiển động học cho động cơ BLDC sử dụng thuật toán PI/PID dựa trên mô hình lý thuyết, kết hợp với mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá và nhận xét kết quả.
- Phương pháp thu thập thông tin nghiên cứu tài liệu
- Phương pháp xử lí thông tin định tính và định lượng, sàn lọc thông tin
- Phương pháp thực nghiệm, hiệu chỉnh, đo đạc, vẽ đồ thị theo thời gian thực
- Phương pháp phân tích, thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ BLDC
2.1.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động
Động cơ một chiều không chổi than có cấu tạo tương tự như động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu Hình 2.1 minh họa cấu tạo của một động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình.
Hình 2.1: Thành phần cơ bản của động cơ BLDC
Dây quấn stator của động cơ một chiều không chổi than tương tự như dây quấn của động cơ xoay chiều ba pha, trong khi rôto sử dụng nam châm vĩnh cửu Sự khác biệt chính giữa động cơ một chiều không chổi than và động cơ xoay chiều đồng bộ là cách xác định vị trí cực từ của rôto để tạo tín hiệu điều khiển cho bộ chuyển mạch điện tử Như hình 2.1 cho thấy, động cơ một chiều không chổi than là sự kết hợp giữa động cơ xoay chiều đồng bộ với nam châm vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử dựa trên vị trí của rôto.
Việc xác định vị trí rôto trong động cơ được thực hiện chủ yếu thông qua cảm biến vị trí, trong đó cảm biến Hall là phổ biến nhất Ngoài ra, một số động cơ còn sử dụng cảm biến quang học hoặc mạch ước lượng mà không cần cảm biến Mặc dù động cơ ba pha thường được ưa chuộng vì hiệu suất cao, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng được sử dụng rộng rãi nhờ vào cấu tạo và mạch truyền động đơn giản Cấu tạo chính của động cơ một chiều không chổi than bao gồm stator, rôto, bộ phận đổi chiều điện tử và hệ thống xác định vị trí rôto.
Khác với động cơ một chiều thông thường, động cơ một chiều không chổi than có stator mà không chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng của loại động cơ này có thể là hai pha, ba pha hoặc nhiều pha, nhưng phổ biến nhất vẫn là dây quấn ba pha.
Hình 2.2: Stator của động cơ một chiều không chổi than [22]
Stator của động cơ BLDC được làm từ các lá thép kỹ thuật điện, với các cuộn dây được đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi bên trong Mặc dù cấu tạo của stator tương tự như các động cơ cảm ứng khác, nhưng cách phân bố các bối dây là khác biệt Động cơ một chiều không chổi than thường có ba cuộn dây được kết nối theo hình sao hoặc hình tam giác, mỗi cuộn dây bao gồm nhiều bối dây nối liền nhau Các bối dây này được đặt trong các khe và kết nối để tạo thành cuộn dây hoàn chỉnh Sự phân bố của các cuộn dây trên chu vi stator theo một trình tự nhất định giúp tạo ra số lượng cực chẵn, và cách bố trí cùng số rãnh của stator sẽ ảnh hưởng đến số cực của động cơ.
Sự khác nhau trong cách nối các bối dây trong cuộn dây stator tạo ra sự khác biệt về hình dáng sức phản điện động ở động cơ BLDC, với hai dạng chính là hình sin và hình thang Điều này dẫn đến việc phân loại động cơ thành BLDC hình sin và BLDC hình thang, tương ứng với dạng dòng điện pha của chúng Động cơ hình sin có mômen phẳng hơn nhưng chi phí cao hơn do yêu cầu bối dây mắc liên tục, trong khi động cơ hình thang có giá rẻ hơn nhưng đặc tính mômen lại không ổn định do sự thay đổi điện áp lớn hơn.
Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) có các cấu hình một pha, hai pha và ba pha, tương ứng với số cuộn dây của stator Việc lựa chọn động cơ phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển và tỷ lệ điện áp Động cơ có điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 48V thường được sử dụng trong máy tự động, robot và các chuyển động nhỏ, trong khi động cơ trên 100V được áp dụng trong các thiết bị công nghiệp, tự động hóa và ứng dụng công nghiệp.
Rôto được gắn vào trục động cơ với các thanh nam châm vĩnh cửu trên bề mặt Đối với các động cơ yêu cầu quán tính thấp, trục động cơ thường có dạng hình trụ rỗng Việc lựa chọn chất liệu nam châm phù hợp dựa vào yêu cầu về mật độ từ trường trong rôto, với nam châm ferrite là lựa chọn phổ biến do giá thành rẻ Tuy nhiên, nam châm làm từ hợp kim ngày càng được ưa chuộng nhờ mật độ từ cao hơn, cho phép thu nhỏ kích thước rôto mà vẫn đạt được mômen tương tự Do đó, rôto sử dụng nam châm hợp kim có mômen lớn hơn so với rôto sử dụng nam châm ferrite cùng thể tích.
Hình 2.4: Các dạng rôto của BLDC
Động cơ một chiều không chổi than sử dụng công nghệ điều khiển điện tử để chuyển mạch, trong đó cuộn dây stator được cấp điện thông qua các van bán dẫn công suất Để động cơ hoạt động hiệu quả, việc cấp điện cho cuộn dây phải theo thứ tự dựa trên vị trí của rôto Việc xác định vị trí rôto rất quan trọng và có thể thực hiện thông qua cảm biến Hall, encoder, resolver hoặc ước lượng bằng suất điện động hay dòng điện Hầu hết các động cơ loại này đều có ba cảm biến Hall ẩn bên trong stator, tại đuôi trục, và khi các cực nam châm của rôto đi qua các cảm biến, chúng sẽ gửi tín hiệu tương ứng Thứ tự chuyển mạch chính xác được xác định dựa trên tổ hợp tín hiệu từ ba cảm biến Hall, hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, hiện tượng mà dòng điện trong vật dẫn chịu tác động của từ trường, tạo ra hiệu điện thế giữa hai mặt của vật dẫn Hiệu ứng này được phát hiện vào năm 1879 và đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển động cơ.
Hình 2.5: Hướng và chiều tác dụng trong hiệu ứng Hall
Hình 2.6: Mặt cắt ngang BLDC
Hình 2.6 minh họa mặt cắt ngang của động cơ một chiều không chổi than với rôto sử dụng nam châm vĩnh cửu, trong khi cảm biến Hall được lắp đặt trong phần đứng yên của động cơ Tùy thuộc vào vị trí của cảm biến Hall, có hai cách bố trí cảm biến với các góc lệch pha 60 độ hoặc 120 độ, dựa trên số đôi cực Thông qua việc xác định này, các nhà sản xuất động cơ có thể quy định các chu trình chuyển mạch cần thiết trong quá trình điều khiển động cơ.
Cảm biến Hall cần được cấp nguồn với điện áp từ 4 đến 24V và dòng từ 5 đến 15mA Khi thiết kế bộ điều khiển, cần chú ý đến đặc điểm kỹ thuật của từng loại động cơ để xác định chính xác điện áp và dòng điện của cảm biến Hall Đầu ra của cảm biến Hall thường là cực thu hở, do đó cần có điện trở kéo lên ở phía bộ điều khiển; nếu không, tín hiệu nhận được sẽ không phải là tín hiệu xung vuông mà là tín hiệu nhiễu Đối với động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng được bố trí trên stator cố định, cho phép bộ phận đổi chiều dễ dàng thay thế bằng bộ đổi chiều điện tử sử dụng transistor công suất Trong động cơ này, cảm biến vị trí rôto là cần thiết để bộ đổi chiều điện tử có thể thay đổi chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rôto quay, tương tự như vành góp và chổi than trong động cơ một chiều thông thường.
Mặc dù động cơ BLDC và DC thông thường có đặc tính tĩnh tương tự, nhưng chúng lại có nhiều khác biệt quan trọng Khi so sánh hai loại động cơ này, chúng ta thường chú trọng vào sự khác nhau về công nghệ Bảng 2.1 cung cấp cái nhìn tổng quan về ưu nhược điểm của hai loại động cơ Ngoài ra, khi bàn về chức năng của động cơ điện, không thể bỏ qua vai trò của dây quấn và quá trình đổi chiều, đặc biệt là ở động cơ DC thông thường, nơi sự đổi chiều được thực hiện một cách cụ thể.
Động cơ một chiều không chổi than sử dụng các thiết bị bán dẫn như transistor, MOSFET, GTO và IGBT để thực hiện việc đổi chiều, trái ngược với động cơ có chổi than.
Bảng 2.1: So sánh động cơ DC và BLDC
Nội dung Động cơ DC Động cơ BLDC
Cấu trúc cơ khí của mạch kích từ có thể nằm trên stator hoặc rôto, mỗi loại đều có những đặc tính riêng Mạch kích từ trên stator cho đáp ứng nhanh và dễ điều khiển, trong khi mạch trên rôto có đặc tính đáp ứng chậm và không cần bảo trì Ngoài ra, việc đổi chiều lực từ có thể thực hiện thông qua tiếp xúc chổi than và cổ góp hoặc bằng cách chuyển mạc điện tử.
Xác định vị trí rôto Tự động bằng chổi than Sử dụng cảm biến Hall Đảo chiều Đảo chiều điện áp nguồn Sắp xếp thứ tự kích tín hiệu
BLDC có hai loại mạch truyền động: đảo chiều và không đảo chiều, trong đó mạch đảo chiều được sử dụng phổ biến hơn Mạch này sử dụng sáu khóa điện tử để điều khiển việc đảo chiều và tốc độ của động cơ một cách hiệu quả.
Hình 2.7: Chuyển mạch hai cực tính BLDC
Mô hình toán học BLDC
Mô hình toán học của đối tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mô tả lại đối tượng thực tế dưới dạng biểu thức toán học, hỗ trợ cho quá trình phân tích và thiết kế Đối với động cơ, mô tả toán học rất quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán lý thuyết đều dựa vào mô hình này Mô hình toán học là chìa khóa giải quyết các vấn đề trong thiết kế động cơ Để xây dựng mô hình toán học, cần ước lượng động cơ qua các phần tử điện cơ bản Mô hình mạch điện trong động cơ BLDC bao gồm ba cuộn dây stator được ước lượng bởi điện trở R và điện cảm L Hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn dây được thể hiện qua đại lượng Lm Khi rôto quay, nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra sự tương tác giữa hai từ trường, với các đại lượng ea, eb, ec thể hiện sự tương tác này, và biên độ sức phản điện động bằng nhau và bằng e Do nam châm làm từ vật liệu có điện trở suất cao, dòng cảm ứng rôto có thể được bỏ qua.
Hình 2.14: Mô hình mạch điện động cơ BLDC
Từ mô hình mạch điện của động cơ ta có phương trình điện áp của 3 pha: a b c a m a a m di di di
Trong đó, L là điện cảm của các cuộn dây động cơ L m là hỗ cảm giữa các cuộn dây tương ứng
Nên phương trình 3 pha BLDC thành dạng:
Nếu các cuộn dây đấu sao nhƣ hình 2.14 thì: a b c 0 i i i (2.4) Suy ra: m a L i m b m c
L i L i (2.5)Kết hợp công thức (2.2) và (2.5) ta đƣợc:
(2.6) Viết dưới dạng toán tử Laplace ta được : a a 1 a a b b b b m m c c c c i i V e i R i V e
Mômen điện từ của động cơ BLDC được xác định thông qua công suất cơ và công suất điện Do ma sát chủ yếu xảy ra giữa trục động cơ và ổ đỡ, lực ma sát này là nhỏ Hơn nữa, vật liệu chế tạo động cơ có điện trở suất cao, cho phép bỏ qua các tổn hao sắt và đồng Do đó, công suất điện cung cấp cho động cơ tương đương với công suất cơ tại đầu trục Công suất cơ được tính theo công thức với m là tốc độ của động cơ.
P T (2.8) Công suât điện đƣợc tính theo biểu thức sau : e a a b b c c
P i e i e i e (2.9) Suy ra, mômen đƣợc tính nhƣ sau: e a a b b c c m i e i e i e
(2.10) Phương trình cân bằng mômen tổng quát của động cơ có dạng như sau:
( 2.11) Đặt J = J m + J c , biến đổi phương trình (2.11) sẽ được động học động cơ như sau: d m T e B m T l dt J
Mômen quán tính rôto được ký hiệu là Jm, trong khi mômen quán tính của tải là Jc Tốc độ góc được ký hiệu là ωm, và mômen điện từ là Te Mômen ma sát Mc tỷ lệ với tốc độ và được biểu diễn qua hệ số nhớt B, cụ thể là Mc = B.ωm Mômen tải của động cơ được ký hiệu là Tl Động cơ BLDC bao gồm ba cuộn dây stator và rôto được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu Việc thiết kế bộ điều khiển cho động cơ cần được thực hiện trong mối quan hệ điện.
Việc tính toán khối lượng công việc giữa các pha của stator và giữa stator với rôto là rất phức tạp, thậm chí không thể thực hiện bằng tay Do đó, mô hình động cơ thường được đơn giản hóa thông qua phân tích mô hình tương đương một pha Đây là bước quan trọng để phát triển mô hình của bộ điều khiển, và các thông số của bộ điều khiển có thể được điều chỉnh sau khi kết nối với toàn bộ hệ thống.
Mạch tương đương một pha động cơ BLDC được trình bày hình 2.15 như sau:
Hình 2.15: Mạch tương đương một pha đông cơ BLDC
Phương trình cân bằng điện áp (bỏ qua thành phần hỗ cảm) sẽ là: e m
Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là không đổi nên mômen điện từ T e sẽ tỷ lệ với dòng điện, K t là hệ số mômen : e t
Chuyển (2.13) sang dạng toán tử Laplace ta có:
Từ (2.11) và (2.14) khi chuyển sang miến Laplace ta có : m ( ) t ( ) l
Từ (2.16),( 2.17) ta có mô hình BLDC một pha tương đương như hình 2.16 sau:
Hình 2.16: Mô hình tương đương động cơ BLDC một pha
Từ (2.15), (2.17) và xét T l nhƣ nhiễu đầu ra dòng điện, ta có hàm truyền từ điện áp vào tới dòng điện nhƣ sau:
Từ (2.17) và xét T l nhƣ nhiễu đầu vào dòng điện, ta có hàm truyền từ dòng điện tới tốc độ nhƣ sau:
Bộ điều khiển PID và PID ghép tầng
Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần chính: khâu khuếch đại P, khâu tích phân I và khâu vi phân D Khi áp dụng thuật toán PID, cần lựa chọn chế độ làm việc là P, I hoặc D, sau đó thiết lập các tham số tương ứng Tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID.
Hình 2.17: Cấu trúc bộ điều khiển PID dạng chuẩn
Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản và dễ sử dụng, phổ biến trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Nhiệm vụ chính của bộ PID là đưa sai lệch e(t) của hệ thống về zero, đảm bảo quá trình quá độ đạt yêu cầu chất lượng Khi sai lệch tĩnh e(t) lớn, tín hiệu điều chỉnh u(t) cũng sẽ tăng theo thành phần khuếch đại K Nếu e(t) chưa bằng 0, thành phần I sẽ tiếp tục tạo tín hiệu điều chỉnh để đưa e(t) về zero Trong trường hợp sai lệch e(t) thay đổi lớn, thành phần D sẽ làm giảm tốc độ phản ứng của u(t) để duy trì sự ổn định.
Hình 2.18: Điều khiển hồi tiếp PID dạng chuẩn
Bộ điều khiển PID đƣợc mô tả bằng mô hình vào-ra:
Trong đó: e(t) – tín hiệu lỗi đầu vào, u(t) – tín hiệu điều khiển đầu ra,
Từ mô hình vào-ra trên, ta có đƣợc hàm truyền đạt dạng chuẩn của bộ điều khiển PID trong miền Laplace nhƣ sau:
Bộ điều khiển PID hoạt động dựa trên nguyên lý xử lý tín hiệu sai số e(t), được xác định bằng sự chênh lệch giữa tín hiệu đầu vào r(t) và tín hiệu thực y(t) Tín hiệu sai số này là đầu vào cho bộ điều khiển PID, nơi nó sẽ thực hiện các phép toán tỉ lệ, vi phân và tích phân để tính toán tín hiệu điều khiển u(t) gửi đến hệ thống.
K c lần biên độ tín hiệu sai số e(t) cộng Ki lần độ lợi tích phân và cộng K d lần độ lợi vi phân e(t)
Hàm truyền bộ điều khiển PID trong miền Laplace thường được biểu diễn như sau:
So sánh với dạng song song ta có quan hệ: i c i
T , K d K T c d Với K c là độ lợi tỉ lệ, K i là độ lợi tích phân, K d là độ lợi vi phân
Chúng ta sẽ phân tích ảnh hưởng của các thành phần Kc, Ki và Kd đến hệ thống Thành phần Kc giúp giảm thời gian lên và sai số xác lập nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn sai số Trong khi đó, Ki có khả năng loại bỏ sai số để đầu ra khớp với giá trị đầu vào, tuy nhiên có thể làm chậm đáp ứng tức thời Cuối cùng, Kd tăng cường độ ổn định của hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện khả năng đáp ứng tức thời Ảnh hưởng của các tham số này được tóm tắt trong bảng dưới đây.
Bảng 2.3: Đặc tính các tham số PID
Tham số Thời gian lên Độ vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập
K c Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm
K i Giảm Tăng Tăng Loại bỏ
K d Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Không thay đổi
Các hệ số Kp, Ki, Kd có thể không hoàn toàn chính xác vì chúng phụ thuộc vào từng hệ thống cụ thể Thực tế cho thấy, việc thay đổi một trong các biến này có thể ảnh hưởng đến hai thành phần còn lại.
Sau đây là thứ tự các bước thiết kế bộ điều khiển PID chung :
Phân tích đáp ứng vòng hở đối tƣợng, xác định hệ thống cần cải thiện
Thêm vào thành phần tỉ lệ để cải thiện thời gian lên
Thêm vào thành phần tích phân để loại bỏ sai số xác lập
Thêm vào thành phần vi phân để giảm độ vọt lố
Hiệu chỉnh các tham số Kp, Ki, Kd là cần thiết để đạt được đáp ứng mong muốn Một bộ điều khiển có thể không cần tất cả các thành phần, miễn là các yêu cầu thiết kế được thỏa mãn.
Một ưu điểm nổi bật của bộ điều khiển PID là khả năng kết hợp hai bộ điều khiển PID để cải thiện hiệu suất động học Phương pháp này được gọi là điều khiển PID ghép tầng, trong đó bộ PID vòng ngoài được kết nối nối tiếp với bộ PID vòng trong, từ đó xuất giá trị điểm đặt cho bộ điều khiển.
Bộ điều khiển vòng trong và vòng ngoài trong hệ thống điều khiển PID ghép tầng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các thông số vật lý như vị trí và vận tốc Bộ điều khiển vòng trong nhanh chóng đọc đầu ra của bộ điều khiển vòng ngoài như điểm đặt, cho phép điều chỉnh dòng điện, tốc độ một cách hiệu quả Việc sử dụng PID ghép tầng giúp tăng tần số làm việc và giảm hằng số thời gian của đối tượng, đồng thời ngay lập tức điều chỉnh nhiễu ở biến điều khiển đầu ra mà không ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển của vòng ngoài Đối với động cơ BLDC, thiết kế hai vòng điều khiển dòng điện và tốc độ với bộ điều khiển PID/PI mắc nối tiếp là cần thiết, và quá trình tính toán hàm truyền cùng mô phỏng đáp ứng trên matlab/simulink sẽ giúp đạt được bộ điều khiển tối ưu nhất.
So sánh kết quả với một bộ điều khiển PID thông thường Sau đó thực hiện mô hình thực nghiệm để đánh giá kết quả
Khi thiết kế bộ điều khiển ghép tầng PID, cần tiến hành từ vòng trong ra ngoài, đảm bảo mỗi vòng được thiết kế chính xác và độc lập với nhau để tránh ảnh hưởng lẫn nhau Đặc biệt, đáp ứng của vòng trong phải nhanh hơn ít nhất năm lần so với vòng ngoài Bảng 2.4 trình bày các tiêu chí thiết kế cho từng vòng.
Bảng 2.4 : Chỉ tiêu điều khiển
Chỉ tiêu Vòng điều khiển
Dòng điện Tốc độ Vị trí
Thời gian đáp ứng 3ms 10ms 50ms
Sai số xác lập 0 0 0 Độ vọt lố 10 5 0
Trong hệ thống điều chỉnh tốc độ mạch vòng kín đơn sử dụng phản hồi âm tốc độ và bộ điều chỉnh PID, việc đảm bảo hệ thống ở trạng thái ổn định mà không có sai số tĩnh là điều cần thiết Tuy nhiên, với yêu cầu chất lượng động học cao, hệ thống mạch vòng kín đơn có thể gặp khó khăn trong việc đáp ứng Điều này là do khả năng khống chế dao động và mô men của hệ thống còn hạn chế Đặc biệt, trong các ứng dụng cần vận hành đảo chiều như máy bào hay máy cán, việc rút ngắn thời gian khởi động là yếu tố quan trọng để nâng cao năng suất Do đó, khi dòng điện của động cơ bị hạn chế, cần tối ưu hóa khả năng quá tải của động cơ bằng cách duy trì dòng điện ở mức tối đa cho phép trong quá trình quá độ Hệ thống truyền động điện sẽ tận dụng gia tốc tối đa để khởi động, và sau khi đạt tốc độ ổn định, sẽ giảm dòng điện ngay lập tức để mô men cân bằng với phụ tải.
Chúng ta áp dụng hệ thống điều khiển tốc độ hai mạch vòng kín, với ưu điểm là khả năng điều khiển dòng điện ngay lập tức, giúp loại bỏ nhanh chóng nhiễu tới dòng điện mà không ảnh hưởng đến tốc độ Mô hình tổng quát cấu trúc bộ điều khiển sẽ được xem xét như sau:
Hình 2.19: Cấu trúc bộ điều khiển ghép tầng tổng quát
Giải thuật thực hiện bộ điều khiển nhiều vòng theo thứ tự các bước sau:
Đầu tiên, đƣa các bộ điều khiển bên trong và bên ngoài về chế độ man
Đặt giá trị và chuyển bộ điều chỉnh về chế độ tự động để tối ưu hóa hiệu suất Điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển bên trong nhằm đảm bảo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế.
Với giá trị tham số vừa tìm đƣợc, đặt vòng điều khiển bên trong ở chế độ tự động trong vòng điều khiển tốc độ
Đặt giá trị và chuyển bộ điều khiển bên ngoài sang chế độ tự động, đồng thời hiệu chỉnh để tìm các tham số của bộ điều khiển bên ngoài đáp ứng yêu cầu thiết kế.
Cƣối cùng trả các bộ điều khiển về chế độ tự động Kiểm tra đáp ứng hai bộ điều khiển bên ngoài và bên trong.
Phương pháp hiệu chỉnh tham số PID và IMC-PID
2.4.1 Các phương pháp hiệu chỉnh tham số PID [27]
Phương pháp Ziegler-Nichols là một kỹ thuật thực nghiệm nhằm xác định các tham số cho bộ điều khiển P, PI hoặc PID dựa trên đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Ziegler và Nichols đã phát triển hai phương pháp lựa chọn tham số bộ điều khiển, tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của từng đối tượng.
Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất là một kỹ thuật điều khiển được áp dụng cho các hệ thống có phản ứng với tín hiệu vào dạng hàm nấc, như nhiệt độ lò nhiệt và tốc độ động cơ.
Hình 2.20: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S
Thông số của các bộ điều khiển đƣợc chọn theo bảng 2.5 sau:
Bảng 2.5 : Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất
Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai được áp dụng cho các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, chẳng hạn như mực chất lỏng trong bồn chứa và hệ truyền động sử dụng động cơ Phương pháp này cho phép đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vô cùng Cách thực hiện phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết trong bài viết.
Hình 2.21: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại nhƣ hình 2.22
- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa
- Xác định chu kỳ T th của dao động
Hình 2.22: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th Thông số của các bộ điều khiển đƣợc chọn theo bảng 2.6 sau:
Bảng 2.6 : Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai
Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (C-H-R) được áp dụng cho các đối tượng có phản ứng với tín hiệu đầu vào dạng hàm nấc hình chữ S, với điều kiện cần thiết là tỷ lệ b/a lớn hơn 3.
Hình 2.23: Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp C-H-R
Phương pháp C-H-R đưa ra bốn cách xác định tham số bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lƣợng khác nhau
Yêu cầu tối ƣu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh bảng 2.7 :
Bảng 2.7 : Các tham số PID theo phương pháp C-H-R 1
Yêu cầu tối ƣu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vƣợt quá 20% so với h ∞ = lim t->∞ h(t) bảng 2.8 sau:
Bảng 2.8 : Các tham số PID theo phương pháp C-H-R 2
Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá độ điều chỉnh nhƣ bảng 2.9 sau:
Bảng 2.9 : Các tham số PID theo phương pháp C-H-R 3
Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vƣợt quá 20% so với h∞ = lim t->∞ h(t) bảng 2.10 sau:
Bảng 2.10 : Các tham số PID theo phương pháp C-H-R 4
Phương pháp Cohen-Coon: Phương pháp này đầu tiên ta tìm đáp ứng vòng hở nhƣ hình 2.24 sau:
Hình 2.24: Ƣớc lƣợng tham số dựa mô hình bậc nhất và độ trễ
36 Đáp ứng động học mô hình xấp xỉ mô hình bậc nhất và độ trễ với tham số sau:
Với t 1 khoảng thời gian khi ∆C = 0.283∆C s , t 2 khoảng thời gian khi
∆C = 0.632∆Cs, C g là đầu ra của hệ thống
Sau khi xác định các tham số k m , τ m , d tham số bộ điều khiển có thể đƣợc lấy theo phương pháp Cohen-Coon như bảng 2.11 sau:
Bảng 2.11: Xác định tham số dựa phương pháp Cohen-Coon
Phương pháp này phát triển dựa trên kinh nghiệm để cung cấp đáp ứng vòng kín với một phần tƣ hệ số phân rã
Phương pháp tối thiểu tích phân lỗi được áp dụng trước khi hiệu chỉnh hệ số phân rã, thường dẫn đến đáp ứng dao động Tiêu chuẩn này tập trung vào đáp ứng vòng kín, đặc biệt là hai điểm đỉnh đầu tiên Một cách tiếp cận khác là phát triển bộ điều khiển dựa trên mối quan hệ giữa các chỉ số chất lượng, được xem xét như là đáp ứng tổng thể của hệ thống Một số chỉ số chất lượng quan trọng cần lưu ý bao gồm
- Tiêu chuẩn tích phân tuyệt đối giá trị lỗi(IAE):
- Tiêu chuẩn tích phân bình phương giá trị lỗi (ISE):
- Tiêu chuẩn tích phân tuyệt đối giá trị lỗi theo thời gian (ITAE):
- Tiêu chuẩn tích phân tuyệt đối giá trị lỗi theo thời gian (ITAE):
Lopez đã phát triển một công thức hiệu chỉnh tối thiểu tiêu chuẩn lỗi, dựa trên việc xấp xỉ hàm truyền bậc nhất và độ trễ Mối quan hệ hiệu chỉnh nhiễu đầu vào được trình bày trong bảng dưới đây, với mô hình xấp xỉ hệ thống.
Bảng 2.12: Công thúc hiệu chỉnh tối thiểu tích phân lỗi với nhiễu đầu vào
Tích phân lỗi ISE IAE ITAE
Các công thức này phát triển dựa trên thực nghiệm nên nó không đƣợc áp dụng ngoài giới hạn d/τmgiữa 0.1 và 1
Phương pháp thiết kế mô hình toàn diện IMC, được phát triển bởi Morari và cộng sự (Garcia và Morari, 1982; Rivera et al., 1986), dựa trên một mô hình giả định và cung cấp biểu thức giải tích cho các thiết lập.
Cách tiếp cận IMC trong 38 bộ điều khiển mang lại lợi thế đáng kể, cho phép áp dụng hiệu quả trong các mô hình bất định Phương pháp này giúp cân bằng giữa hiệu suất và độ ổn định bền vững một cách hệ thống.
Hình 2.25: Sơ đồ cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển IMC
Bài viết trình bày các tham số quan trọng trong hệ thống điều khiển IMC, bao gồm: q là bộ điều khiển IMC, p là hệ thống thực, p~ là mô hình của hệ thống thực, r là tín hiệu đặt, r' là tín hiệu lỗi mô hình và nhiễu, u là biến điều khiển hệ thống, d là nhiễu, d~ là ước lượng nhiễu, y là đầu ra hệ thống và y~ là đầu ra mô hình hệ thống.
Các tính hiệu hồi tiếp đƣợc tính toán nhƣ sau:
Mô hình điều khiển hoàn hảo nếu p = p ~ và nhiễu d = 0 thì đầu ra y rqp (2.30)
Quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống tương tự như thiết kế vòng hở; nếu q và p ổn định, thì đáp ứng vòng kín cũng sẽ ổn định Tuy nhiên, trong thực tế, sự tồn tại của nhiễu và sai số trong quá trình mô hình hóa đòi hỏi chúng ta phải phát triển một chiến lược để xây dựng bộ điều khiển ổn định bền vững Hình 2.28 minh họa thành phần d, là nhiễu không biết ảnh hưởng đến hệ thống Biến điều khiển đầu vào u được áp dụng cho cả hệ thống và mô hình của nó, trong khi đầu ra của hệ thống y được so sánh với đầu ra của mô hình, tạo ra tín hiệu hồi tiếp d ~ (2.29).
Khi tín hiệu d bằng không, tín hiệu hồi tiếp chỉ phụ thuộc vào sai lệch giữa hệ thống và mô hình hệ thống Nếu hai hệ thống giống nhau (p = p ~), tín hiệu này tương đương với nhiễu không xác định ảnh hưởng đến hệ thống Do đó, tín hiệu hồi tiếp d ~ liên quan đến thông tin lỗi của hệ thống, từ đó cải thiện quá trình điều khiển Đầu vào tín hiệu của bộ điều khiển r’ được tính theo công thức (2.29), và đầu ra của bộ điều khiển u sẽ điều khiển cả hai hệ thống theo cách tính toán tương ứng.
(2.31) Đầu ra đƣợc tính nhƣ sau : y pu d
Nếu q là nghịch đảo của mô hình hệ thống và p = p ~, hệ thống sẽ đạt được điểm đặt hoàn hảo và loại bỏ nhiễu hiệu quả Để cải thiện tính ổn định bền vững của hệ thống, việc giảm thiểu lỗi mô hình hóa là rất cần thiết Do lỗi giữa hệ thống thực và mô hình hóa thường xảy ra ở tần số cao, bộ lọc thông thấp f(s) thường được thêm vào để giảm thiểu ảnh hưởng của lỗi mô hình Do đó, bộ điều khiển IMC thường được thiết kế dưới dạng phần nghịch đảo của mô hình hệ thống kết hợp với bộ lọc thông thấp.
Bậc bộ lọc thường được chọn sao cho hàm truyền vòng kín có bậc mẫu số lớn hơn hoặc bằng bậc tử số Kết quả của vòng lặp kín được thể hiện qua công thức G = qf s (2.33).
Quy trình thiết kế bộ điều khiển IMC tương tự như thiết kế vòng điều khiển hở, nhưng IMC có khả năng hiệu chỉnh nhiễu và mô hình không chắc chắn Mặc dù thiết kế IMC tập trung vào đáp ứng theo điểm đặt, điều này không đảm bảo khả năng loại bỏ nhiễu hiệu quả, đặc biệt là khi nhiễu xảy ra ở đầu vào và ra của hệ thống Ngoài ra, bộ điều khiển IMC không xử lý các hệ thống không ổn định trong cấu trúc hở.
Cấu trúc IMC có thể được tổ chức thành hệ thống điều khiển hồi tiếp chuẩn, giúp xử lý hiệu quả các hệ thống không ổn định Quy trình thiết kế IMC được phát triển nhằm nâng cao khả năng loại bỏ nhiễu đầu vào Cấu trúc IMC-PID hoạt động như một cấu trúc hồi tiếp chuẩn, sử dụng mô hình hệ thống không rõ ràng và các tham số PID để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.