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
Từ yêu cầu của đề tài, ta sẽ đi xây dựng một bộ điều khiển tốc độ cho động cơ sao cho hệ thống phải có khả năng điều chỉnh tốc độ theo giá trị mong muốn của tải.
Trong phần thiết kế điều khiển, ta phải thiết kế được cấu trúc của bộ điều khiển, xây dựng được thuật toán điều khiển từ đó xác định các tham số điều khiển để điều khiển động cơ chạy sát với yêu cầu đặt ra của tải.
Bộ điều khiển tính toán và tự động điều chỉnh sao cho phù hợp với yêu cầu mong muốn của đề tài, đáp ứng nhanh và linh hoạt trong việc thay đổi để phù hợp 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 với mục đích điều khiển việc nâng, hạ tải bằng cách thay đổi tốc độ động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ Đây là một hệ thống kín để đảm bảo vận hành đúng với yêu cầu của tải.
- Theo như sơ đồ, để nâng hoặc hạ vật M thì phải truyền động cho đĩa quay điều khiển cho roto của động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu quay ta phải 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 phải thay đổi, nhưng vì động cơ xoay chiều 3 pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu, tốc độ động cơ tỷ lệ với tần số, ta sử dụng bộ biến tần nguồn áp để thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ, suy ra thay đổi tốc độ quay của roto của động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ kích từ vĩnh cữu Với nguồn điện xoay chiều ba pha 220/380V đã cho ta thiết kế sơ đồ tổng thể gồm có:
+ Bộ biến tần : nhiệm vụ biến đổi từ nguồn xoay chiều ba pha cố định sang nguồn điện điện cấp cho động cơ với điện áp và tần số thay đổi để động cơ quay với tốc độ thay đổi bám theo tốc độ mong muốn
+ Cảm biến : dùng để đo giá trị thực của động cơ
+ Bộ điều khiển : lấy thông tin tốc độ mong muốn từ giá trị đặt vào, giá trị thực như tốc độ, dòng điện thực từ cảm biến đưa về và dựa trên mô hình toán, cấu trúc điều khiển, thuật toán điều khiển, tham số cụ thể bên trong, để bộ điều khiển tính toán ra giá trị điện áp, tần số bao nhiêu để gửi đến ra lệnh bộ biến tần thực hiện điều khiển động cơ.
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
Nhận xét: Tải phải hoạt động ổn định, bắt buộc phải bám sát tốc độ mong muốn của tải, sai số phải nhỏ, có đảo chiều quay, hãm tốc độ nhanh.
- 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: =
=> Tốc độ quay đẳng trị:
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
Từ đồ thị tốc độ quay mong muốn của động cơ ta thấy tốc độ quay lớn nhất là 12,5(rad/s) hay 120 vòng/phút trong khi tốc độ định mức của động cơ là 1000 vòng/phút Momen điện từ mong muốn của động cơ cũng quá lớn so với momen định mức của động cơ (727 ≫ 71,6 ) Để tránh gãy trục động cơ và đáp ứng đúng với thông số mong muốn đặt lên tải, ta chọn thêm hộp số giảm tốc để 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 ta thấy tốc độ quay đầu ra hộp số nhỏ hơn tốc độ quay định mức ( < ′ đ ) Từ đó ta thấy được động cơ và hộp số đã chọn đáp ứng được yêu cầu 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 trên đồ thị ta thấy momen đẳng trị sau kiểm nghiệm vẫn nhỏ hơn momen định mức ở đầu ra của hộp số ( đ 2 < ′ ) Trong khoảng 3 → 4 momen đầu trục có vượt quá momen định mức nhưng vẫn nhỏ hơn momen cực đại trên đầu ra hộp số nên vẫn thỏa mãn.
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
- Vậy ta thấy sau khi thêm roto quán tính ( ) vào thì công suất đẳng trị cũng không vượt quá công suất định mức, nằm trong giá trị công suất dự trữ của động cơ nên động cơ vẫn phù hợp
Trong quá trình hoạt động, động cơ có công suất lớn hơn giá trị công suất định mức trong khoảng thời gian ngắn nên không ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ và động cơ vẫn đáp ứng được 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.
Thông qua việc tính toán và kiểm nghiệm, ta đã hoàn thành các tiêu chí về phần truyền động: + Tính chọn được động cơ đồng bộ ba pha (PMSM) có kết hợp hộp số tương ứng để phù hợp với nhu cầu truyền động thông qua việc xác định thông số tải, đồ thị tốc độ, momen điện từ mong muốn của tải 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 được giá trị momen điện từ và công suất của động cơ ở các trường hợp quá tải và cực đại để điều chỉnh giá trị 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 điều khiển vector, là phương pháp điều khiển biến thiên tần số cho cuộn stator trong hệ truyền động của động cơ đồng bộ 3 pha sử dụng 2 thuật toán chính, 1 thuật toán sẽ mô tả từ thông tạo bởi stator, thuật toán còn lại sẽ mô tả momen mà nó sẽ được xác định qua 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( )
- 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:
Encoder hoạt động trên nguyên lý đĩa quay quanh trục, trên đĩa có các rãnh để tín hiệu quang chiếu qua đĩa (Led) Chỗ có lỗ (rãnh) thì ánh sáng xuyên qua được, chỗ không có lỗ (rãnh) ánh sáng không xuyên qua được.Với các tín hiệu có hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt Cảm biến thu ánh sáng sẽ bật tắt liên tục tạo ra các xung vuông Việc sử dụng các bộ mã hóa sẽ ghi nhận lại số xung và tốc độ xung Tín hiệu dạng xung sẽ được truyền về bộ xử lý trung tâm như: vi xử lý hoặc PLC,… người điều khiển sẽ biết được vị trí và tốc độ của động cơ. a, Cách xác định chiều quay:
Hình 3.2 Xung tín hiệu của Encoder
Khi đèn LED phát tín hiệu thì hai pha A và B sẽ có nhiệm vụ thu tín hiệu A và B sẽ từ đó tạo ra các xung vuông bật tắt theo một trình tự Từ sự chênh lệch tần số xung giữa A và B mà chúng ta có thể phân biệt được chiều quay của động cơ Xem hình trên pha A có chu kỳ trước pha B Ta sẽ quy ước đó là chiều thuận và ngược lại Còn tín hiệu khe Z xuất ra khi động cơ quay được 1 vòng. b, Công thức tính toán tốc độ của Encoder: ố ∗60
P a g e 25 | 60 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 động cơ hoạt động để thu được giá trị thực của dòng điện chạy trong động cơ để đưa về bộ điều khiển để tính toán ta sử dụng cảm biến dòng để đo giá trị đó.
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, khiến từ trường thay đổi liên tục Trong một cảm biến dòng xoay chiều, dây được quấn quanh lõi Từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra một dòng điện hoặc điện áp tỷ lệ trong dây nằm trong cảm biến dòng Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra một điện áp hoặc dòng điện nhất định mà một đồng hồ được kết nối với cảm biến có thể đọc và chuyển thành dòng điện chạy qua dây dẫn.
Cụ thể đối với cảm biến SCT013-015, có thể đo được dòng tối đa là 15A lúc đó đầu ra tương ứng có điện áp lớn nhất là 1V, với giá trị điện áp đầu ra từ 0-1V thì vi điều khiển có thể đọc trực tiếp được mà không cần phải qua một mạch hỗ trợ. a, Sơ đồ kết nối SCT013 với vi điều khiển:
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối cảm biến dòng với vi điều khiển
Tính chọn các thiết bị bảo vệ
Trong quá trình làm việc của động cơ để bảo vệ động cơ khỏi bị hư hỏng khi gặp sự cố ngắn mạch, quá tải ta sử dụng aptomat để bảo vệ cho động cơ khi có sự cố ngắn mạch hay quá tải xảy ra.
- 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 board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một 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 được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux Systems, tuy nhiên, Windows thích hợp hơn để sử dụng Các ngôn ngữ lập trình như C và C ++ được sử dụng trong IDE.
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 sử dụng trên bo mạch đi kèm với một số tính năng như hẹn giờ, bộ đếm, ngắt, chân PWM, CPU, chân I / O và dựa trên xung nhịp 16 MHz giúp tạo ra nhiều tần số và số lệnh hơn trong mỗi chu kỳ.
• Đây là một nền tảng mã nguồn mở, nơi mọi người có thể sửa đổi và tối ưu hóa bảng dựa trên số lượng hướng dẫn và nhiệm vụ muốn đạt được.
• Arduino đi kèm với một tính năng điều chỉnh tích hợp giúp giữ điện áp trong tầm kiểm soát khi thiết bị được kết nối với thiết bị bên ngoài.
• Chân reset trên Arduino để thiết lập lại toàn bộ và đưa chương trình đang chạy trở về ban đầu Chân reset này hữu ích khi Arduino bị treo khi đang chạy chương trình
• Có 14 chân I/O digital và 6 chân analog được tích hợp trên Arduino cho phép kết nối bên ngoài với bất kỳ mạch nào với Arduino Các chân này cung cấp sự linh hoạt và dễ sử dụng cho các thiết bị bên ngoài có thể được kết nối thông qua các chân này.
• 6 chân analog được đánh dấu là A0 đến A5 và có độ phân giải 10 bit Các chân này đo từ 0 đến 5V, tuy nhiên, chúng có thể được cấu hình ở phạm vi cao 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.
• Chỉ cần nguồn 5V để sử dụng với Arduino, hoặc lấy nguồn trực tiếp từ cổng USB Arduino có thể hỗ trợ nguồn điện bên ngoài lên đến 12 V có thể được điều chỉnh và giới hạn ở mức 5 V hoặc 3,3 V dựa trên yêu cầu của projects.
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 có sức mạnh hơn hẳn Atmega8 Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể 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 quan trọng nhất của thiết bị đo Bất kì một phép đo nào đều có sai lệch so với giá trị thực 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 biết cấp chính xác của một thiết bị đo ta có thể xác định được sai số tương đối quy đổi và suy ra sai số tương đối của thiết bị trong các phép đo cụ thể: 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.
A(t) = (k + ∆k).X(t) = A(t) +∆A(t) Để hiệu chỉnh, người ta sẽ điều chỉnh lại độ dốc của đặc tính, hay độ nhạy Trong đó, do đặc tính đo biến thiên giữa một dải, nên ứng với một giá trị đầu vào X(t), đầu ra có thể xuất hiện trong biên A(t) ± +∆A(t), hoặc khi đầu vào biến thiên X(t) ± ∆X(t), thì đầu ra lại giữ nguyên A(t) Như vậy, rõ ràng một dụng cụ đo chính xác càng cao nếu độ tán xạ đầu ra càng nhỏ, hay nói cách khác là vùng sai lệch nhỏ.
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 chi tiết mạch phần cứng thì ở phần động lực nguồn ba pha qua bộ biến tần cung cấp điện áp cho động cơ PMSM để làm tải quay Phần điều khiển cảm biến đo tốc độ và cảm biến dòng điện tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu vật lý nhưng vào bộ điều khiển là tín hiệu số, bộ điều khiển so sánh tốc độ đặt và tín hiệu tốc độ phản hồi từ cảm biến hai tín hiệu này so sánh với nhau để đưa ra giá trị mong muốn nhờ các thuật toán trong bộ điều khiển Tín hiệu xuất ra từ bộ điều khiển kích mở các van IGBT của bộ biến tần đưa ra giá trị điện áp mong muốn đặt vào hai đầu stator 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:
Ta hình dung ra một hệ tọa độ có 2 trục quay dq, quay với vận tốc ω, điều đó có nghĩa là hệ toạ độ không chỉ quay với đồng bộ với vector từ thông, hệ còn đứng yên so với rotor Nếu ta chọn vị trí của hệ sao cho trục d trùng với trục của từ thông cực, khi ấy tọa độ mới chọn chính là hệ tọa độ 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.
Ngoài ra, điện cảm của cuộn dây stator là khác nhau khi ở đó đỉnh cực Lsd (dọc theo trục d) và ngang cực Lsq (dọc theo trục q) Từ đó, ta có phương trình 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:
Vì bộ chỉnh lưu có đầu ra là điện áp cố định, nên ta không mô hình hóa bộ chỉnh lưu, ta chỉ cần mô hình hóa bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu được xem là một khâu tỉ lệ Xác định vào/ra bộ nghịch lưu:
+ 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:
Với + + = 0 Để chuyển đổi từ hệ tọa độ hai trục tham chiếu đứng yên sang hệ tham chiếu 3 pha cố định, ta sẽ sử dụng phép biến đổi Clarke ngược.
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 của phản hồi dòng điện có thể biểu diễn bằng một hệ số khuếch đại H c Trong đa số trường hợp không yêu cầu có bộ lọc.
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 và xác định lại các khâu trong bộ điều khiển Bộ điều khiển phải đảm bảo có chất lượng điều khiển tốt để hệ thống có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra của bài toán Thiết kế bộ điều khiển bao gồm:
• 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 ta sử dụng động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu ( PMSM), nên từ thông rotor là hằng số (vĩnh cửu), momen tỉ lệ thuận trực tiếp với thành phần dòng i sq và i sd
Dòng stator chỉ có nhiệm vụ tạo momen chứ không có nhiệm vụ tạo từ thông và vì vậy điều khiển momen điện từ bằng cách chỉnh dòng i sq , còn thành phần i sd được đặt bằng 0 để đạt được tỉ lệ momen /dòng điện là tối đa Khi đó 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: làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp
• 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 cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị lọt vố qua giá trị đặt.
• Ki càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm.
• Ki càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ Đặc biệt hệ số khuếch đại của khâu tích phân bằng vô cùng khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập 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 thực hiện điều chỉnh từ mạch vòng dòng điện trước rồi tới mạch vòng tốc độ sau. b, Khâu điều khiển tốc độ : Ở mạch vòng tốc độ, giá trị tốc độ thực w phản hồi từ encoder cùng với đầu vào tốc độ mong muốn w * được đưa vào mạch vòng tốc độ để so sánh với nhau, sai lệch giữa w và w * sẽ đưa vào bộ điều khiển tốc PI, bộ điều khiển sẽ tính toán ra 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 có được giá trị i sd và i sq thông qua các bộ chuyển đổi và giá trị i sq * từ khâu điều khiển tốc độ Ta tiếp tục đưa vào mạch vòng tốc độ để so sánh 2 giá trị i sq và i sq *, sai lệch giữa i sq và i sq * sẽ đưa vào bộ điều khiển PI để điều chỉnh phù hợp với giá trị mong muốn Tương tự với i sd , nhưng vì ta không cần điều khiển từ thông nên i sd * sẽ cho 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.
Cùng một lúc có ba van mạch lực dẫn dòng (nếu bỏ qua thời gian trễ vì lý do an toàn), các tín hiệu đặt (mong muốn) mang thông tin về điện ba pha, gọi là các sóng sin chuẩn Ua*, Ub*, Uc*, được so sánh với sóng mang Urc có dạng răng cưa tam giác lưỡng cực. Đầu ra của các bộ phận so sánh U adk điều khiển các van S1 và S4; Ub,đk điều khiển các van S3 và S6, Ucdk điều khiển các 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
Do tín hiệu từ điều chế từ PWM thường có nguồn bé, công suất nhỏ nên không thể kích được cho các van của IGBT nên cần một nguồn ngoài để làm việc đó Có 2 phần cơ bản trong việc điều khiển đóng cắc các linh kiện công suất là: 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 ở trạng thái mở sang đóng thì chân E của IGBT Q8 chuyển từ ground sang điện áp cao Do đó muốn tiếp tục kích Q7 đóng thì phải tạo điện áp kích bằng điện áp cần thiết kích ban đầu cộng với điện áp tại chân E Tín hiệu ra của vi xử lí điều khiển đóng cắt các khóa chỉ có điện áp +5V Do đó, cần phải có mạch lái để tạo trôi áp cách li đóng cắt phía cao. Đối với Q8, chân E được nối đất Do đó điện áp kích Q8 là điện áp cần thiết kích cho
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:
Ta cấp điện áp xoay chiều từ nguồn vào bộ biến tần, điện áp xoay chiều sẽ được biến đổi thành nguồn một chiều bằng phẳng thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ lọc Điện áp một chiều này sẽ được đưa vào mạch nghịch lưu ( là hệ thống các van bán dẫn đóng ngắt theo các tín hiệu điều khiển) để biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng ứng với giá trị điện áp mong muốn để cấp cho động cơ Sau khi cấp nguồn vào động cơ để cho tải hoạt động, các cảm biến sẽ thu thập dữ liệu về tốc độ và dòng điện để phản hồi về các bộ điều khiển.
Cảm biến dòng điện sẽ thu thập giá trị thực từ cuộn stator rồi đưa i u , i v, i w vào bộ biến đổi Clark để thực hiện tính toán chuyển đổi từ hệ tọa độ (u,v,w) sang hệ tọa độ (α, β) Để thuận tiện và dễ dàng cho việc tính toán, ta sẽ chuyển các đại lượng xoay chiều ở hệ tọa độ sang các đại lượng một chiều ở hệ tọa độ (dq) Dòng i sα và i sβ sẽ được đưa vào bộ Park kết hợp với góc θ để tính toán chuyển đổi thành i sq và i sd Ở mạch vòng tốc độ, đầu vào tốc độ mong muốn w* đưa vào mạch vòng tốc độ để so sánh với giá trị thực w phản hồi từ encoder Sai lệch giữa w* và w sẽ được đưa vào bộ điều khiển PI, bộ điều khiển sẽ tính toán ra giá trị i sq * mong muốn để tiếp tục đưa vào mạch vòng dòng điện để so sánh với giá trị i sq có được từ bộ Park, sai lệch giữa i sq* và i sq sẽ đưa vào bộ điều khiển PI để tính toán ra giá trị điện áp u sq mong muốn Do từ thông rotor là hằng số nên ta không cần điều khiển từ thông, vì vậy đặt i sd * = 0 rồi cho so sánh với i sd và tính toán điều khiển thông qua bộ PI để tìm ra giá trị u sd mong muốn.
Sau khi có được u sd và u sq ta sẽ đưa vào bộ chuyển đổi Park -1 để chuyển các đại lượng ở hệ (dq) thành đại lượng xoay chiều ở hệ (α, β) u sα và u sβ chuyển đổi Clark -1 để chuyển các đại lượng ở hệ (u,v,w) sẽ được đưa vào bộ PWM để tính toán và tạo ra các chum xung kích thích, điều khiển đóng/mở các van của bộ nghịch lưu xoay chiều 3 pha để cấp điện áp phù hợp cho động cơ hoạt động theo 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; float Speed;
//Khai báo cảm biến dòng float Ia,Ib,Ic; int vol = 230; void setup() { pinMode(current_inA,INPUT); pinMode(current_inB,INPUT); pinMode(encoder0PinA,INPUT_PULLUP); pinMode(encoder0PinB,INPUT_PULLUP); pinMode(Zsignal,INPUT_PULLUP); pinMode(output1,OUTPUT); pinMode(output2,OUTPUT); pinMode(output3,OUTPUT); t=millis();
// 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
/ 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
MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ VÀ MỞ RỘNG DỰ ÁN
Mô phỏng bằng Matlab – Simulink
Trong mạch động lực sử dụng bộ biến đổi bao gồm bộ biến tần có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều của nguồn Điện áp xoay chiều được cấp từ nguồn qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển và thông qua bộ lọc làm phẳng điện áp để có được điện áp 1 chiều tương đối ổn định Điện áp 1 chiều sẽ được biến đổi lại thành điện áp xoay chiều mong muốn thông qua bộ nghịch lưu để cấp điện áp cho động cơ.
Bên cạnh đó, bộ nghịch lưu sẽ nhận được xung tín hiệu từ vi điều khiển để kích mở/đóng các van điều khiển của bộ nghịch lưu, từ đó có thể điều chế điện áp mong muốn để cấp 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
Kết quả ta thấy được dòng điện isd thực bám sát giá trị 0, dao động trong các khoảng tăng giảm tốc độ Dòng điện isq thực tỷ lệ 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.
