BÁO cáo PBL2 kỹ THUẬT điều KHIỂN và tự ĐỘNG hóa đề tài THIẾT kế hệ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG điện CHO ĐỘNG cơ ĐỒNG bộ

GIỚI THIỆU BÀI TOÁN-TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

Giới thiệu khái quát tổng thể hệ thống truyền động điện

- Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu (PMSM)

Các số liệu ban đầu:

- Nguồn điện xoay chiều 3 pha 220V/380V

- Tải của hệ thống truyền động điện cho như hình vẽ

+ Momen quán tính của tải: J L =3 (kg.m 2 )

Hình 1.1 Mô hình hoạt động của động cơ

Dựa trên yêu cầu của đề tài, chúng tôi sẽ phát triển một bộ điều khiển tốc độ cho động cơ, đảm bảo hệ thống có khả năng điều chỉnh tốc độ theo giá trị mong muốn của tải.

Trong thiết kế điều khiển, việc xây dựng cấu trúc bộ điều khiển và phát triển thuật toán điều khiển là rất quan trọng Điều này giúp xác định các tham số điều khiển, từ đó đảm bảo động cơ hoạt động đúng theo yêu cầu của tải.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat

PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS Nguyễn Khánh Quang

Bộ điều khiển tính toán tự động điều chỉnh theo yêu cầu của đề tài, đảm bảo đáp ứng nhanh chóng và linh hoạt với sự thay đổi của tải.

1.1.2 Sơ đồ tổng thể của hệ thống truyền động:

Hình 1.2 Sơ đồ tổng thể của hệ thống truyền động điện

Hệ thống truyền động điện này được thiết kế nhằm điều khiển việc nâng hạ tải thông qua việc điều chỉnh tốc độ của động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ Đây là một hệ thống kín, đảm bảo hoạt động chính xác theo yêu cầu của tải.

Để nâng hoặc hạ vật M theo sơ đồ, cần truyền động cho đĩa quay điều khiển, giúp roto của động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu quay Việc này yêu cầu cấp điện cho động cơ một cách có điều khiển.

Vì tốc độ chuyển động của khối vật M thay đổi, nên tốc độ quay của roto động cơ cũng cần điều chỉnh Động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu có tốc độ tỷ lệ với tần số, do đó, để thay đổi tốc độ quay của roto, chúng ta sử dụng bộ biến tần nguồn áp nhằm điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ Với nguồn điện xoay chiều ba pha 220/380V, chúng ta đã thiết kế sơ đồ tổng thể cho hệ thống.

Bộ biến tần có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện xoay chiều ba pha cố định thành nguồn điện cung cấp cho động cơ, với khả năng điều chỉnh điện áp và tần số Điều này giúp động cơ quay với tốc độ linh hoạt, phù hợp với yêu cầu sử dụng.

+ Cảm biến : dùng để đo giá trị thực của động cơ

Bộ điều khiển nhận thông tin về tốc độ mong muốn và giá trị thực từ cảm biến, sau đó sử dụng mô hình toán học, cấu trúc và thuật toán điều khiển để tính toán điện áp và tần số cần thiết Giá trị này sẽ được gửi đến bộ biến tần để thực hiện điều khiển động cơ hiệu quả.

Phân tích các yêu cầu của hệ

- Đồ thị tốc độ mong muốn tải:

Hình 1.3 Đồ thị mong muốn của tải

Dựa vào đồ thị tải sẽ hoạt động như sau :

-Từ 0s đến 1s : Tải bắt đầu khởi động và tốc độ tăng từ 0 rad/s đến 100 rad/s.

-Từ 1s đến 3s : Tải ổn định có tốc độ là 100 rad/s.

-Từ 3s đến 4s: Tải đảo chiều chạy ngược lại tốc độ từ 100 rad/s đến -70 rad/s

-Từ 4s đến 6s: Tải ổn định với tốc độ 70 rad/s

-Từ 6s đến 7s: Tải có tốc độ giảm dần từ 70 rad/s đến 0 rad/s

Tải cần hoạt động ổn định và phải tuân thủ tốc độ mong muốn, với sai số nhỏ Hệ thống cũng cần có khả năng đảo chiều quay và hãm tốc độ nhanh để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

- Xác định tải: tải quay

Hình 1.4 Sơ đồ chuyển động quay

Phân tích yêu cầu của hệ truyền động điện cần đáp ứng :

- Chọn các thông số của tải :

+ Momen quán tính của tải: J L =3 (kg.m 2 )

Tính chọn động cơ, hộp số

- Tốc độ quay của động cơ: =

Hình 1.5 Đồ thị tốc độ yêu cầu của động cơ

Hình 1.5 Đồ thị tốc độ yêu c ầu c ủa động cơ

Hình 1.6 Đồ thị momen yêu cầu của động cơ

- Công suất của động cơ: P = T.

Hình 1.1 Đồ thị công suất yêu cầu của động cơ

Hình 1.7 Đồ thị công suất yêu cầu của động cơ

• Hệ số dữ trự của động cơ : k dt =1.3 - 1.5

Ta sẽ chọn động cơ theo các tham số như sau:

• Tốc độ quay của động cơ là 9.89 = 94 rpm

=> Theo những tính năng kỹ thuật trên động cơ được chọn là HSC160M10-7.5 có thông số kĩ thuật sau:

- Công suất định mức : 7.5kW

- Tốc độ định mức: 1000(vòng/phút)

- Điện trở phần ứng: Rs = 6.5

Đồ thị tốc độ quay của động cơ cho thấy tốc độ tối đa đạt 12,5 rad/s (120 vòng/phút), trong khi tốc độ định mức là 1000 vòng/phút Momen điện từ mong muốn cũng vượt quá momen định mức (727 ≫ 71,6) Để tránh nguy cơ gãy trục và đảm bảo đáp ứng đúng yêu cầu tải, cần bổ sung hộp số giảm tốc nhằm giảm tốc độ quay và tăng momen điện từ của động cơ.

- Ta thấy tốc độ quay tối đa của động cơ là:

- Lập tỷ lệ tốc độ quay tối đa với tốc quay định mức của đông cơ:

- Chọn hộp số có tỷ lệ là 5:1

- Momen định mức sau khi qua hộp số:

-Tốc độ định mức sau khi qua hộp số:

=> Từ đó chọn được hộp số giảm tốc NMRV SIZE 130

Hình 1.9 Hộp số giảm tốc NMRV SIZE 130

Các thông số đầu ra của hộp số giảm tốc :

Kiểm nghiệm lại động cơ và hộp số

1.4.1 Kiểm nghiệm tốc độ quay trên đầu động cơ:

Tốc độ quay trong từng giai đoạn của động cơ sau khi qua hộp số:

Hình 1.10 Đồ thị kiểm nghiệm tốc độ đầu ra của hộp số

Dựa vào đồ thị kiểm nghiệm, tốc độ quay đầu ra của hộp số thấp hơn tốc độ quay định mức Điều này cho thấy động cơ và hộp số đã được chọn đáp ứng đầy đủ yêu cầu về tốc độ quay của tải.

1.4.2 Kiểm momen trên đầu trục động cơ:

Dựa vào thông số động cơ ta thấy:

Từ đó ta thấy được phương trình momen của động cơ :

Từ phương trình trên ta có từng giai đoạn momen điện từ của động cơ như sau :

Giai đoạn Tốc độ quay( ⁄ ) Momen điện từ 2 ( )

Hình 1.11 Đồ thị kiểm nghiệm momen đầu ra hộp số

Từ đồ thị ta thấy momen cực đại của động cơ = 908( ), momen đẳng trị của động cơ:

Dựa vào đồ thị, momen đẳng trị sau kiểm nghiệm vẫn nhỏ hơn momen định mức ở đầu ra của hộp số (đ 2 < ′) Trong khoảng từ 3 đến 4, momen đầu trục có vượt quá momen định mức nhưng vẫn nhỏ hơn momen cực đại trên đầu ra hộp số, do đó vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

1.4.3 Kiểm nghiệm công suất trên động cơ:

- Từ đồ thị ta thấy công suất cực đại của động cơ là = 11351.8 Công suất đẳng trị của động cơ:

Hình 1.12 Đồ thị kiểm nghiệm công suất động cơ

Sau khi thêm roto quán tính vào, công suất đẳng trị không vượt quá công suất định mức, nằm trong giá trị công suất dự trữ của động cơ, cho thấy động cơ vẫn phù hợp Trong quá trình hoạt động, động cơ có thể đạt công suất lớn hơn giá trị định mức trong khoảng thời gian ngắn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất, đảm bảo động cơ vẫn đáp ứng được yêu cầu công suất.

- Từ các kết quả kiểm nghiệm ta thấy động cơ và hộp số được chọn thỏa mãn được yêu cầu của hệ truyền động.

Chúng tôi đã hoàn thành các tiêu chí về phần truyền động thông qua việc tính toán và kiểm nghiệm Cụ thể, động cơ đồng bộ ba pha (PMSM) đã được lựa chọn kết hợp với hộp số phù hợp, đáp ứng nhu cầu truyền động Việc này được thực hiện bằng cách xác định các thông số tải, đồ thị tốc độ, momen điện từ mong muốn và công suất tương ứng.

+ Vẽ được đồ thị tốc độ, momen điện từ và công suất của động cơ trong 1 chu kì.

Kiểm nghiệm giá trị mômen điện từ và công suất của động cơ trong các tình huống quá tải và cực đại là cần thiết để điều chỉnh tải và hộp số cho phù hợp.

Chọn phương án truyền động

Tốc độ quay của động cơ được tính bằng công thức:

(Trong đó: f s là tần số nguồn cung cấp, P p là số đôi cực của động cơ)

- Từ công thức trên ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ.

- Từ đặc tính cơ: yêu cầu động cơ có khả năng hoạt động ở 4 góc phần tư.

- Từ đồ thị tốc độ động cơ: yêu cầu đáp ứng nhanh

=> Ta chọn phương án truyền động là điều khiển điện áp tựa từ thông rotor

(Field Oriented Control – FOC) nhờ các tính năng và ưu điểm của nó.

Phương pháp điều khiển điện áp tựa từ thông (FOC), hay còn gọi là điều khiển vector, là một kỹ thuật điều khiển tần số biến đổi cho cuộn stator trong hệ thống truyền động của động cơ đồng bộ 3 pha Phương pháp này sử dụng hai thuật toán chính: một thuật toán mô tả từ thông do stator tạo ra và thuật toán còn lại xác định momen dựa trên tốc độ quay của rotor.

✓ Cải thiện được phản hồi và điều khiển được momen.

✓ Điều khiển được tốc độ với độ chính xác cao, thích ứng nhanh.

✓ Điều khiển được 4 góc phần tư

TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Tính toán và chọn linh kiện

Ta sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển với các van bán dẫn là các diode.

- Điện áp xoay chiều 3 pha : 220/380V

- Điên áp ra sau bộ chỉnh lưu: = 3√6 = 3√6 ∗ 220 = 515( )

- Điện áp ngược đặt lên mỗi diode: U ng = √6 = 220 × √6 = 539( )

Chọn hệ số dự trữ điện áp K u = 1,3

- Dòng điện định mức của động cơ I đm = 13,02 A

=>Suy ra dòng điện trung bình qua các van: = I 3 = 13,02 3 = 4,34 ( )

Chọn hệ số dự trữ dòng điện: K I = 1,3

Từ điện áp ngược đặt lên Diode và dòng chạy qua nó ta chọn được Diode có các thông số :

• Dòng điện đầu ra trung bình : I = 10 (A)

= > Ta chọn được Diode 10A8 ASEMI

- Điện áp ngược đặt lên IGBT là: = × = 1,3 × 515 = 670 (với Ku =1,3)

- Dòng điện qua mỗi van: = =

Chọn hệ số dự trữ dòng = 1.3 => ′ = × = 1,3 × 19.68 = 25.58 A

=> Từ các thông số này ta chọn : IGBT: GT60K303A (Ucep0V, Icmax`A, Vđk V)

2.1.3 Tính chọn bộ lọc một chiều:

Chọn hệ số san bằng = 10, L0 mH -> C=3.10 -6 F

=> Chọn tụ có giá trị 3.3 μF có hệ số 335

=> Chọn cuộn cảm 100 mH 3A LM2576

TÍNH CHỌN PHẦN ĐO LƯỜNG, BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ HOÀN THIỆN SƠ ĐỒ MẠCH PHẦN ỨNG

Chọn cảm biến tốc độ

Mục tiêu chọn cảm biến: điều khiển tốc độ động cơ theo tốc độ đặt.Ta chọn Encoder

Delta ROE-E với các thông số sau:

+ Loại tín hiệu ngõ ra: Open collector, Voltage output, Line Driver, Push Pull.

+ Điện áp hoạt động: 5-24 VDC.

+ Tần số đáp ứng: 300 kHz.

3.1.1 Nguyên lý hoạt động của Encoder:

Bộ mã hóa hoạt động dựa trên nguyên lý đĩa quay quanh trục, với các rãnh cho phép ánh sáng từ đèn LED chiếu qua Khi ánh sáng xuyên qua các rãnh, tín hiệu sẽ được ghi nhận, và số xung đếm được tăng lên tương ứng với số lần ánh sáng bị cắt Cảm biến thu ánh sáng tạo ra các xung vuông liên tục, cho phép ghi nhận số xung và tốc độ xung Tín hiệu này sau đó được truyền về bộ xử lý trung tâm như vi xử lý hoặc PLC, giúp người điều khiển xác định vị trí và tốc độ của động cơ.

PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS Nguyễn Khánh Quang a, Cách xác định chiều quay:

Hình 3.2 Xung tín hiệu của Encoder

Khi đèn LED phát tín hiệu, hai pha A và B sẽ thu tín hiệu và tạo ra các xung vuông bật tắt theo một trình tự Sự chênh lệch tần số xung giữa A và B giúp phân biệt chiều quay của động cơ, với pha A có chu kỳ trước pha B được quy ước là chiều thuận Tín hiệu khe Z xuất ra khi động cơ quay được một vòng Công thức tính toán tốc độ của Encoder là ố ∗ 60.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat c, Sơ đồ kết nối Encoder với vi điều khiển:

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối Encoder với vi điều khiển

Chọn cảm biến dòng

Trong quá trình hoạt động của động cơ, để xác định giá trị thực của dòng điện chạy trong động cơ và truyền về bộ điều khiển cho việc tính toán, chúng ta sử dụng cảm biến dòng để đo lường giá trị này.

Dòng điện làm việc định mức của động cơ là I đm = 13,02A nên ta chọn cảm biến dòng:

 Tín hi ệu gõ ra : 0-1V

Hình 3.4 Cảm biến dòng SCT013 - 015

3.2.1 Nguyên lí hoạt động cảm biến dòng:

Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn, nó tạo ra một từ trường tỷ lệ xung quanh dây dẫn

Máy biến dòng sử dụng từ trường này để đo dòng điện.

Dòng điện xoay chiều thay đổi liên tục, dẫn đến sự biến đổi của từ trường Trong cảm biến dòng xoay chiều, dây dẫn được quấn quanh lõi, tạo ra từ trường khi dòng điện chạy qua Từ trường này sinh ra một dòng điện hoặc điện áp tỷ lệ với dòng điện trong dây Cuối cùng, cảm biến chuyển đổi tín hiệu này thành điện áp hoặc dòng điện mà đồng hồ có thể đọc, giúp xác định dòng điện chạy qua dây dẫn.

Cảm biến SCT013-015 có khả năng đo dòng tối đa 15A, với điện áp đầu ra tối đa là 1V Khi giá trị điện áp đầu ra trong khoảng 0-1V, vi điều khiển có thể đọc trực tiếp mà không cần mạch hỗ trợ Dưới đây là sơ đồ kết nối giữa SCT013 và vi điều khiển.

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối cảm biến dòng với vi điều khiển

Tính chọn các thiết bị bảo vệ

Để bảo vệ động cơ khỏi hư hỏng do sự cố ngắn mạch và quá tải, việc sử dụng aptomat là rất cần thiết Aptomat sẽ tự động ngắt điện khi phát hiện sự cố, giúp bảo vệ động cơ và duy trì hoạt động an toàn.

- Từ giá trị dòng điện định mức= 13,02A=> dòng điện qua aptomat chọn là :

=> Từ đó ta chọn được Aptomat BKN-b 2P 40A :

- Dòng điện cắt ngắn mạch: Iđm = 10 kA

Dòng tác động của cầu chì :

(Chọn = 2.5 là hệ số quán tính nhiệt đối với động chuyền nhẹ)

Từ đó ta chọn được cầu chì 30A-250V. cơ làm việc bình thường do tải đặt lên băng

Chọn bộ điều khiển

Giới thiệu chung về arduino uno R3:

Arduino Uno R3 là một bo mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, thuộc nền tảng điện tử mã nguồn mở, chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P.

• Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu vào analog,

14 cổng kỹ thuật số I/O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử, thiết bị bên ngoài.

Trong đó có 14 cổng I / O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách trực quan.

Arduino Uno R3 kết nối trực tiếp với máy tính qua cổng USB, cho phép giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với các hệ điều hành Windows, MAC và Linux, nhưng Windows là lựa chọn tối ưu hơn IDE sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C và C++.

Ngoài USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo mạch.

- Các tính năng của arduino uno R3:

• Arduino Uno đi kèm với giao diện USB tức là cổng USB được thêm vào bo mạch Arduino để phát triển giao tiếp nối tiếp với máy tính.

Bộ vi điều khiển Atmega328 tích hợp nhiều tính năng quan trọng như hẹn giờ, bộ đếm, ngắt, chân PWM, và chân I/O Với xung nhịp 16 MHz, Atmega328 có khả năng tạo ra nhiều tần số và thực hiện nhiều lệnh hơn trong mỗi chu kỳ, tối ưu hóa hiệu suất cho các ứng dụng điện tử.

Nền tảng mã nguồn mở này cho phép người dùng tùy chỉnh và tối ưu hóa bảng dựa trên số lượng hướng dẫn và nhiệm vụ mà họ muốn hoàn thành.

Arduino được trang bị tính năng điều chỉnh tích hợp, giúp duy trì điện áp ổn định khi kết nối với các thiết bị bên ngoài.

Chân reset trên Arduino là một tính năng quan trọng giúp thiết lập lại toàn bộ hệ thống và đưa chương trình đang chạy về trạng thái ban đầu Tính năng này rất hữu ích trong trường hợp Arduino bị treo trong quá trình thực thi chương trình.

Arduino tích hợp 14 chân I/O digital và 6 chân analog, cho phép kết nối linh hoạt với các mạch bên ngoài Những chân này mang lại sự dễ dàng trong việc sử dụng và kết nối các thiết bị ngoại vi với Arduino.

Bài viết đề cập đến 6 chân analog được đánh dấu từ A0 đến A5, với độ phân giải 10 bit, cho phép đo điện áp trong khoảng từ 0 đến 5V Người dùng có thể cấu hình các chân này ở phạm vi cao hơn bằng cách sử dụng chức năng analogReference() và chân ISF.

• Bộ nhớ flash 13KB được sử dụng để lưu trữ số lượng hướng dẫn dưới dạng mã.

Arduino chỉ cần nguồn 5V để hoạt động, có thể lấy trực tiếp từ cổng USB Ngoài ra, Arduino hỗ trợ nguồn điện bên ngoài lên đến 12V, với khả năng điều chỉnh và giới hạn ở mức 5V hoặc 3,3V tùy theo yêu cầu của dự án.

Hình 3.9 Vi điều khiển ATMEGA328 tích hợp trong Arduino R3

=> Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ

MegaAVR vượt trội hơn Atmega8 với Atmega 328, một bộ vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC Nó sở hữu bộ nhớ chương trình lên tới 32KB ISP flash, cho phép ghi xóa hàng nghìn lần.

1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bít (2KB SRAM).

Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bit(ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader.

+ Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz

+ Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB.

+ Bộ nhớ EEPROM: 1KB 34 + Bộ nhớ RAM: 2KB.

+ Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V

+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit

+ Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh).

Phân tích các vấn đề trong khâu đo lường

3.5.1 Độ chính xác và sai số của các thiết bị đo:

Độ chính xác là tiêu chuẩn hàng đầu trong việc đánh giá thiết bị đo lường Mọi phép đo đều có thể có sai lệch so với giá trị thực tế của chúng.

- Sai số tuyệt đối của phép đo : ∆X=X_d-X_th

(Trong đó: X_d là giá trị đo được ; X_th là giá trị thực của đại lượng cần đo )

- Thông thường độ chính xác của một phép đo hoặc một thiết bị đo được đánh giá bằng sai số tương đối:

+ Với một phép đo, sai số tương đối được tính : γ = ∆X/X (với X là đại lượng đo )

- Với một thiết bị đo, sai số tương đối được tính β= ∆X/D (với D là giá trị lớn nhất của thang đo)

- Giá trị γ% gọi là sai số tương đối quy đổi dùng để sắp xếp các thiết bị đo thành các cấp chính xác.

Khi xác định được cấp chính xác của thiết bị đo, chúng ta có khả năng tính toán sai số tương đối quy đổi Từ đó, có thể suy ra sai số tương đối của thiết bị trong các phép đo cụ thể thông qua công thức γ=(β*D).

3.5.2 Độ tán xạ kết quả đo: Độ chính xác biểu thị độ tán xạ đầu ra theo đầu vào Nguyên nhân là do sự không duy nhất của đặc tính dụng cụ đo Giả sử dụng cụ đo là tuyến tính, khi đó ta có quan hệ giữa thông tin đo với đầu ra là:

Thực tế, do sự không tuyến tính hoàn toàn, nên có sự sai lệch đầu ra A(t) theo đầu vào X(t).

Dựa trên sự biến đổi đầu ra không tuyến tính, người ta mô tả:

A(t) = k (X(t) + ∆X(t)) = A(t) +∆A(t) Gọi là sai lệch cộng Để hiệu chỉnh sai lệch này, người ta dịch chuyển đặc tính theo trục tung.

Để hiệu chỉnh độ chính xác của dụng cụ đo, người ta điều chỉnh độ dốc của đặc tính hoặc độ nhạy Khi đầu vào X(t) thay đổi, đầu ra có thể nằm trong biên A(t) ± ∆A(t) Nếu đầu vào biến thiên X(t) ± ∆X(t) mà đầu ra vẫn giữ nguyên A(t), điều này cho thấy dụng cụ đo có độ chính xác cao hơn khi độ tán xạ đầu ra nhỏ, tức là vùng sai lệch hạn chế.

Sơ đồ chi tiết mạch phần cứng của hệ thống

Qua các tính chọn linh kiện và các bộ phần cứng của hệ, ta có thể rút ra sơ đồ :

Hình 3.11 Sơ đồ mạch phần cứng của hệ thống

Bảng tham số phần cứng của hệ thống :

Công suất định mức 7.5(KW)

Tốc độ định mức 1000 (vòng/phút)

Momen định mức 71.6(N.m) Điện trở stato (Rs) 0.085(ohm) Điện cảm phần ứng 0.00095(ohm)

Momen quán tính của tải 3 (kg.m 2 ) Điện áp ngược của diode 800 (V)

(Diode 10A8 ASEMI) Điện áp trung bình qua diode 10 (A)

(Diode 10A8 ASEMI) Điện áp ngược 700 (V)

Dòng Ic max 60 (A) Độ phân giải 100-5000 (PPR) Điện áp hoạt động 5-24 (VDC) Đo dòng tối đa 100 (A)

Phân tích nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống

Dựa vào sơ đồ mạch phần cứng, động lực nguồn ba pha qua bộ biến tần cung cấp điện áp cho động cơ PMSM, giúp tải quay Hệ thống điều khiển sử dụng cảm biến đo tốc độ và cảm biến dòng điện, trong đó tín hiệu đầu ra từ cảm biến là tín hiệu vật lý nhưng được chuyển đổi thành tín hiệu số vào bộ điều khiển Bộ điều khiển so sánh tốc độ đặt với tín hiệu tốc độ phản hồi từ cảm biến, từ đó xác định giá trị mong muốn thông qua các thuật toán Tín hiệu xuất ra từ bộ điều khiển kích mở các van IGBT của bộ biến tần, tạo ra giá trị điện áp cần thiết cho hai đầu stator của động cơ PMSM.

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Xây dựng mô hình toán học của hệ thống

4.1.1 Mục đích xây dựng mô hình toán học: Để thiết kế phần điều khiển cho hệ thống thì ta cần phải mô hình hóa các thành phần trong hệ thống, biến đổi những thành phần vật lý thành toán học, xây dựng mô hình toán hoàn chỉnh. Ở chương này, ta sẽ xây dựng mô hình toán học cho mạch động lực của hệ thống bao gồm: bộ biến đổi, động cơ điện 3 pha kích từ vĩnh cửu, các cảm biến…Từ đó có thể hiểu được quan hệ vào/ra của các thành phần trong hệ thống và thiết kế thuật toán điều khiển hệ thống như mong muốn.

Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động

4.1.2 Xây dựng mô hình trạng thái liên tục của động cơ PMSM:

Phương trình điện áp stator tổng quát:

Phương trình điện từ thông stator:

Hệ tọa độ có hai trục quay dq với vận tốc ω không chỉ đồng bộ với vector từ thông mà còn đứng yên so với rotor Khi chọn vị trí của hệ sao cho trục d trùng với trục của từ thông cực, hệ tọa độ mới được xác định là T 4 R.

Phương trình biểu diễn quan hệ giữa từ thông stator và từ thông rotor :

(với ψ p s là từ thông cực)

Vì trục d của hệ tọa độ trùng với trục của từ thông rotor → Thành phần từ thông rotor trục q (vuông góc với d) sẽ bằng 0.

Điện cảm của cuộn dây stator có sự khác biệt giữa đỉnh cực Lsd (theo trục d) và ngang cực Lsq (theo trục q) Do đó, chúng ta có thể thiết lập phương trình cho các thành phần từ thông.

Phương trình điện áp stator :

Thay các phương trình từ thông vào chương trình điện áp stator và viết dưới dạng các thành phần dq ta có :

(Trong đó : , mw là momen quay của động cơ, momen tải J là momen quán tính)

Ta cần xây dựng mô hình của dòng điện stator, điện áp stator ở 2 trục d,q và tần số góc s Từ đó ta có hệ phương trình:

Tiếp đó, ta có thể xây dựng mô hình không gian trạng thái :

Hình 4.2 Mô hình không gian trạng thái của động cơ

Với giá trị của thông số trong mạch động lực, ta có:

T sd = T sq = Lsd Rs = Lsq Rs = 0 6 005

Từ đó, ta có các ma trận :

Vậy mô hình không gian trạng thái của động cơ PMSM trên hệ tọa độ dq là difs dt

4.1.3 Mô hình toán học của bộ biến đổi công suất:

Do bộ chỉnh lưu cung cấp điện áp cố định, chúng ta không cần mô hình hóa nó, mà chỉ cần tập trung vào việc mô hình hóa bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tỷ lệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống.

+ Vào : điện áp mong muốn: u ∗

+ Ra : điện áp cấp cho động cơ:

+ Hệ số khâu tỉ lệ: Động cơ chạy đúng yêu cầu khi , vậy =1

4.1.4 Khâu chuyển tọa độ uvw (Clarke Transfomation):

Từ 3 đại lượng được đo , , sẽ chuyển thành , trên hệ tọa độ:

Để chuyển đổi từ hệ tọa độ hai trục tham chiếu đứng yên sang hệ tham chiếu 3 pha cố định, chúng ta sử dụng phép biến đổi Clarke ngược, với công thức Với + + = 0.

4.1.5 Khâu chuyển tọa độ dq (Park Transfomation):

Sử dụng công thức chuyển đổi Park:

Hình 4.3 Vector chuyển đổi tọa độ

+ Khâu phản hồi tốc độ :

Trong các hệ thống trước đây thường dùng máy phát tốc để đo tốc độ thường dùng bộ lọc có thời gian dưới 10 ms.

Mô hình hàm truyền đạt của encoder :

+ Vớilà hệ số khuếch đại của cảm biến.

+ là hằng số thời gian của bộ lọc do Tw < 10ms chọn Tw=5ms

+ Khâu phản hồi dòng điện:

Mô hình toán học phản hồi dòng điện được thể hiện qua hệ số khuếch đại H c, thường không cần thiết phải sử dụng bộ lọc trong hầu hết các trường hợp.

Trong trường hợp cần dùng bộ lọc , một bộ lọc thông thấp được sử dụng.

Hằng số thời gian của bộ lọc thường nhỏ hơn 1ms.

Mô hình toán học của cả hệ thống

Hình 4.4 Mô hình toán học của hệ thống

Tổng hợp hệ thống truyền động điện

4.3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống:

Hình 4.5 Sơ đồ cầu trúc điều khiển hệ thống

Thiết kế bộ điều khiển là quá trình quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng điều khiển tốt, giúp hệ thống đáp ứng hiệu quả các yêu cầu của bài toán Việc xác định lại các khâu trong bộ điều khiển cũng đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.

• Xây dựng cấu trúc điều khiển (các mạch vòng điều khiển) dựa trên phương án truyền động đã chọn và mô hình hóa cấu trúc phần cứng.

• Thiết kế thuật toán điều khiển cho các mạch vòng Xác định các tham số điều khiển cho hệ truyền động

Trong đồ án này, chúng tôi sử dụng động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu (PMSM), trong đó từ thông rotor được giữ cố định Momen của động cơ tỉ lệ thuận trực tiếp với các thành phần dòng điện i_sq và i_sd.

Dòng stator chỉ tạo momen mà không tạo từ thông, do đó momen điện từ được điều khiển bằng cách điều chỉnh dòng i sq, trong khi thành phần i sd được đặt bằng 0 để tối ưu hóa tỉ lệ momen trên dòng điện Cấu trúc điều khiển bao gồm hai mạch vòng.

4.3.2 Các khâu trong bộ điều khiển: a, Bộ điều khiển:

Do trong đồ án này ta tiến hành xác định các thông số PI thực nghiệm Bộ điều khiển

PI bao gồm 2 thông số tỉ lệ và tích phân:

Khâu tỉ lệ P là một yếu tố quan trọng trong việc điều chỉnh giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Để đáp ứng tỉ lệ này, sai số hiện tại có thể được nhân với một hằng số Kp, từ đó giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

• Kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh.

• Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (nhưng không thể triệt tiêu).

• Kp càng lớn thì các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển ra xa trục thực

=> Hệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao.

• Nếu Kp tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống sẽ dao động không tắt dần => Mất ổn định.

Khâu tích phân I: tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số

Khâu tích phân, khi kết hợp với khâu tỉ lệ, giúp tăng tốc độ chuyển động của hệ thống đến điểm đặt và loại bỏ sai số ổn định với tỷ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, do khâu tích phân phản ánh sai số tích lũy từ quá khứ, nó có thể dẫn đến hiện tượng giá trị vượt qua điểm đặt.

• Ki càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm.

Khi giá trị Ki tăng, sai số xác lập giảm đáng kể Đặc biệt, hệ số khuếch đại của khâu tích phân đạt giá trị vô cùng khi tần số bằng 0, giúp triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập trong hệ thống điều khiển với hàm nấc.

• Ki càng lớn thì độ vọt lố càng cao.

Phương pháp thực nghiệm xác định thông số cho bộ PI :

Sau khi tính toán được sai lệch giữa giá trị phản hồi và giá trị đặt, điều chỉnh thông qua bộ PI bằng cách sau:

- Đặt giá trị Ki = 0 để điều chỉnh Kp trước.

- Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển bắt đầu dao động, ta đặt Kp bằng ẵ giỏ trị vừa rồi

- Tăng dần Ki cho đến khi giá trị phản hồi bám sát với giá trị đặt

Ta sẽ điều chỉnh mạch vòng dòng điện trước, sau đó đến mạch vòng tốc độ Trong mạch vòng tốc độ, giá trị tốc độ thực w từ encoder và đầu vào tốc độ mong muốn w * sẽ được so sánh Sai lệch giữa w và w * sẽ được đưa vào bộ điều khiển tốc PI, từ đó bộ điều khiển tính toán giá trị i sq * mong muốn để đưa vào mạch vòng dòng điện.

Các tham số bộ điều khiển PI:

Kp0 ; Ki = 400 c, Khâu điều khiển dòng:

Sau khi xác định giá trị i sd và i sq qua các bộ chuyển đổi, cùng với giá trị i sq * từ quá trình điều khiển tốc độ, chúng ta đưa vào mạch vòng tốc độ để so sánh hai giá trị i sq và i sq * Sai lệch giữa i sq và i sq * sẽ được đưa vào bộ điều khiển PI để điều chỉnh sao cho phù hợp với giá trị mong muốn Đối với i sd, do không cần điều khiển từ thông, giá trị i sd * sẽ được đặt bằng 0.

Các tham số bộ điều khiển PI dòng Isq:

Các tham số bộ điều khiển PI dòng Isd:

Kp ; Ki = 120 d, Khâu phát xung PWM:

Là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.

Trong hệ thống, ba van mạch lực dẫn dòng hoạt động đồng thời, giúp truyền tải các tín hiệu đặt về điện ba pha, được biểu diễn dưới dạng các sóng sin chuẩn Ua*, Ub*.

Uc* được so sánh với sóng mang Urc, có hình dạng răng cưa tam giác lưỡng cực Đầu ra của các bộ phận so sánh U adk điều khiển van S1 và S4; Ub,đk điều khiển van S3 và S6; Ucdk điều khiển van S5 và S2.

Tỷ số điều chế về biên độ được tính bởi công thức :

( ̂ là biên độ của điện áp điều khiển (sóng sin chuẩn); ̂ là biên độ tín hiệu sóng răng cưa )

Hình 4.6 Giản đồ xung trạng thái đóng/mở

Tín hiệu PWM thường có nguồn và công suất nhỏ, không đủ để kích hoạt các van của IGBT, do đó cần một nguồn ngoài để thực hiện điều này Quá trình điều khiển các linh kiện công suất bao gồm hai phần cơ bản: điều khiển phía cao và phía thấp.

Hình 4.7 Ảnh minh họa của IGBT trong mạch nghịch lưu

Trong hình trên Q7 và Q8 luôn làm việc đối nghịch nhau Khi Q7 ở trạng thái ON thì Q8 ở trạng thái OFF và ngược lại.

Khi Q7 chuyển từ trạng thái mở sang đóng, chân E của IGBT Q8 sẽ chuyển từ mức ground sang điện áp cao Để tiếp tục kích Q7 đóng, cần tạo ra điện áp kích bằng tổng của điện áp kích ban đầu và điện áp tại chân E Tín hiệu đầu ra từ vi xử lý điều khiển chỉ có điện áp +5V, vì vậy cần thiết phải có mạch lái để tạo ra điện áp cách ly cho việc đóng cắt ở phía cao Đối với Q8, chân E được nối đất, do đó điện áp kích Q8 sẽ là điện áp cần thiết để kích hoạt.

IGBT ban đầu, nên việc đóng ngắt khóa phía thấp được thực hiện dễ dàng hơn.

 Sử dụng IC IR 2112 làm mạch Gate Drive cho IGBT trong nghịch lưu

Hình 2.5 Sơ đồ chân của IR 2112

4.3.4 Sơ đồ kết nối IR 2112 với vi điều khiển và mạch nghịch lưu

Hình 4.8 Mạch nguyên lý cấp xung cho nghịch lưu

4.3.3 Nguyên lý của hệ thống điều khiển:

• Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển:

Bộ biến tần nhận điện áp xoay chiều từ nguồn và chuyển đổi nó thành điện áp một chiều ổn định thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ lọc Điện áp một chiều này sau đó được đưa vào mạch nghịch lưu, nơi các van bán dẫn hoạt động theo tín hiệu điều khiển để tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng, phù hợp với yêu cầu của động cơ Khi động cơ hoạt động, các cảm biến thu thập dữ liệu về tốc độ và dòng điện để gửi phản hồi về các bộ điều khiển.

Cảm biến dòng điện thu thập giá trị từ cuộn stator và đưa các thông số i u, i v, i w vào bộ biến đổi Clark để chuyển đổi từ hệ tọa độ (u,v,w) sang (α, β) Để đơn giản hóa tính toán, các đại lượng xoay chiều sẽ được chuyển đổi sang hệ tọa độ một chiều (dq) Dòng điện i sα và i sβ sẽ được đưa vào bộ Park kết hợp với góc θ để tính toán và chuyển đổi thành i sq và i sd.

Trong mạch vòng tốc độ, đầu vào tốc độ mong muốn w* được so sánh với giá trị thực w từ encoder Sai lệch giữa w* và w được đưa vào bộ điều khiển PI để tính toán giá trị i sq* mong muốn, sau đó so sánh với giá trị i sq từ bộ Park Sai lệch giữa i sq* và i sq cũng được xử lý qua bộ điều khiển PI để xác định điện áp u sq mong muốn Do từ thông rotor là hằng số, ta đặt i sd* = 0 và so sánh với i sd, từ đó tính toán điều khiển thông qua bộ PI để tìm ra giá trị u sd mong muốn.

Lập trình thuật toán điều khiển trên Vi điều khiển

4.4.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống:

Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán của hệ thống

4.4.2 Lập trình thuật toán điều khiển của hệ thống trên vi điều khiển:

//Khai báo encoder int val; int encoder0Pos = 0; int encoder0PinALast = LOW; int n = LOW; int time_H; int time_L; float t_period; float Frequency; unsigned long t;

PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS Nguyễn Khánh Quang float Speed;

In the setup function, the float current sensors Ia, Ib, and Ic are declared alongside a voltage variable set to 230 The pins for the current inputs (current_inA and current_inB) are configured as input, while the encoder pins (encoder0PinA and encoder0PinB) and the Zsignal pin are set to input with pull-up resistors Additionally, three output pins (output1, output2, and output3) are initialized for output purposes The function also records the current time using the millis() function.

// Lấy tín hiệu dòng điện

/ Đọc encoder n = digitalRead(encoder0PinA); if ((encoder0PinALast == LOW) && (n == HIGH))

{ // Signal A and B Direction if (digitalRead(encoder0PinB) == LOW) { encoder0Pos ; val=1; // Quay theo chiều dương

{ encoder0Pos++; val=-1; // Quay ngược chiều dương

PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động

/ Lấy tín hiệu tốc độ

/ time_H = pulseIn(encoder0PinA,HIGH);

/ time_L = pulseIn(encoder0PinA,LOW); time_H pulseIn(Zsignal,HIGH); time_L = pulseIn(Zsignal,LOW); t_period t_period/1000000; //micro s to s Frequency = 1/t_period;

Speed = 60*Frequency; // RPS to RPM

Speed = 3.14/30*Speed; // RPM to RAD/S

GVHD: TS Nguyễn Khánh Quang

MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ VÀ MỞ RỘNG DỰ ÁN

Mô phỏng bằng Matlab – Simulink

Trong mạch động lực, bộ biến đổi bao gồm bộ biến tần có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều từ nguồn Điện áp xoay chiều này được cung cấp qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển, sau đó được lọc để tạo ra điện áp 1 chiều ổn định Cuối cùng, điện áp 1 chiều sẽ được biến đổi trở lại thành điện áp xoay chiều mong muốn thông qua bộ nghịch lưu để cung cấp cho động cơ.

Bộ nghịch lưu sẽ nhận xung tín hiệu từ vi điều khiển để điều khiển mở/đóng các van, từ đó điều chế điện áp cần thiết cho động cơ.

Hình 5.1 Sơ đồ mạch động lực

• Thông số bộ biến đổi:

+ Nguồn: Sử dụng điện áp nguồn xoay chiều 3 pha có giá trị hiệu dụng 220V, tần số 50Hz, góc lệch pha lần lượt là 0 o ; 120 o , 240 o

Hình 5.2 Thông số điệp áp nguồn

• Thông số mạch chỉnh lưu:

Dựa vào bộ lọc 1 chiều đã tính chọn ở chương 2, ta chọn các thông số như sau :

- Chọn cuộn cảm có giá trị 100 μH 3A LM2576.

- Chọn tụ có giá trị 33 μF có hệ số 335.

Dựa vào thông số động cơ đã được tính chọn ở chương 2 ta có thể nhập vào các thông số :

Hình 5.3 Thông số động cơ 5.1.2 Hệ thống truyền động động cơ PMSM:

Hình 5.4 Hệ thống truyền động PMSM

5.1.3 Khâu tạo tín hiệu đặt tốc độ (wm*):

Hình 5.5 Tín hiệu tốc độ đặt mong muốn

Kết quả mô phỏng

5.2.1 Mạch vòng tốc độ : Áp dụng phương pháp thực nghiệm ta cũng xác định được thông số của bộ PI ở mạch vòng tốc độ là Kp = 100, Ki = 400

Hình 5.6 Đồ thị tốc độ Wm* và Wm

+ Tốc độ của động cơ bám sát theo tốc độ mong muốn.

5.2.2 Mạch vòng dòng điện: Ở mạch vòng dòng điện sau khi thực nghiệm phương pháp xác định thông số bộ PI như ở chương

3, ta có đồ thị sau:

Hình 5.7 Đồ thị isd và isq ở mạch vòng dòng điện

Dòng điện isd thực tế duy trì giá trị gần 0, biến động trong các khoảng tốc độ tăng giảm Trong khi đó, dòng điện isq thực tế tỷ lệ thuận với momen điện từ của động cơ.

Hình 5.8 Đồ thị momen động cơ

- Nhận xét: Đồ thị momen bám sát theo đồ thị momen yêu cầu.

5.3 Nhận xét kết quả mô phỏng :

Từ các kết quả mô phỏng trên ta rút ra nhận xét :

- Tốc độ động cơ và momen bám sát theo giá trị mong muốn, nhưng vẫn còn những giao động nhỏ.

- Động cơ đáp ứng được các sự thay đổi trạng thái làm việc ngay lập tức.

- Tại thời điểm (3-4s) động cơ đảo chiều quay, tạo ra dao động lớn ở các đồ thị ở giai đoạn này

- Dòng isq tỉ lệ với momen điện từ của động cơ thể hiện đúng lý thuyết về việc thay đổi momen bằng cách điều chỉnh dòng isq.

- Việc kiểm nghiệm giá trị PI tốn khá nhiều thời gian.

- Các giá trị của bộ PI có thể chưa tối ưu, nên vẫn cần thực nghiệm thêm.

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Điện Cho Động Cơ Đồng Bộ
Tác giả	Nguyễn Bá Long, Dương Phú Minh, Châu Hồ Sỹ Tiến, Đinh Văn Hoàng, Nguyễn Danh Huy
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Khánh Quang
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Đại Học Đà Nẵng
Chuyên ngành	Điện
Thể loại	báo cáo
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Đà Nẵng

Định dạng
Số trang	63
Dung lượng	2,05 MB