Giới thiệu khái quát tổng thể hệ thống truyền động điện
Mô tả hệ thống
- 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, cần xây dựng cấu trúc bộ điều khiển và phát triển thuật toán điều khiển nhằm xác định các tham số điều khiển, giúp động cơ hoạt động chính xác theo yêu cầu của tải.
Bộ điều khiển tính toán được thiết kế để tự động điều chỉnh theo yêu cầu của đề tài, đảm bảo đáp ứng nhanh chóng và linh hoạt với những thay đổi của tải.
Sơ đồ tổng thể của hệ thống truyền động
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 điều khiển đĩa quay để 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.
Do tốc độ chuyển động của khối vật M thay đổi, tốc độ quay của roto động cơ cũng cần điều chỉnh Để thực hiện điều này, ta sử dụng bộ biến tần nguồn áp nhằm thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ xoay chiều ba pha đồng bộ kích từ vĩnh cửu, vì tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số Với nguồn điện xoay chiều ba pha 220/380V, chúng ta có thể 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 điện áp và tần số linh hoạt, giúp điều chỉnh tốc độ quay của động cơ theo yêu cầu.
+ Cảm biến : dùng để đo giá trị thực của động cơ
Hình 1.2 Sơ đồ tổng thể của hệ thống truyền động điện
Bộ điều khiển nhận thông tin về tốc độ mong muốn và giá trị thực như tốc độ và dòng điện từ cảm biến Dựa vào mô hình toán học, cấu trúc và thuật toán điều khiển cùng với các tham số cụ thể, bộ điều khiển sẽ tính toán giá trị điện áp và tần số cần thiết để gửi lệnh cho bộ biến tần, từ đó thực hiện việc điều khiển động cơ hiệu quả.
Phân tích các yêu cầu của hệ
- Đồ thị tốc độ mong muốn 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 tối thiểu Hệ thống cũng phải có khả năng đảo chiều quay và hãm tốc độ nhanh chóng.
Hình 1.3 Đồ thị mong muốn của tải
- 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
Tính chọn động cơ
- Tốc độ quay của động cơ: 𝜔 𝑀 = 𝑟 𝜔 1 𝐿
=> Tốc độ quay đẳng trị: 𝝎 𝑴 = √ ∑ 𝛚 𝐌 𝟐 ∆𝐭 𝐢
Hình 1.5 Đồ thị tốc độ yêu cầu của động cơ Hình 1.5 Đồ thị tốc độ yêu cầu của động cơ
- Công suất của động cơ: P = T 𝝎 𝑴
Hình 1.6 Đồ thị momen 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
Hình 1.1 Đồ thị công suất yêu cầu của động cơ Hình 1.7 Đồ thị công suất yêu cầu của động cơ
Chọn hộp số
Từ đồ thị tốc độ quay mong muốn của động cơ ta thấy tốc độ quay lớn nhất là 12,5(rad/s) hay
Khi động cơ hoạt động ở tốc độ 120 vòng/phút, trong khi tốc độ định mức là 1000 vòng/phút, momen điện từ mong muốn (727𝑁.𝑚) vượt quá momen định mức (71,6𝑁.𝑚) Để tránh gãy trục động cơ và đảm bảo đáp ứng các thông số yêu cầu của tải, việc lắp thêm hộp số giảm tốc là cần thiết 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
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, nhận thấy tốc độ quay đầu ra của hộp số thấp hơn tốc độ quay định mức (𝜔 𝑚 < 𝑛′ đ𝑚) Điều này cho thấy động cơ và hộp số đã được lựa chọn đáp ứng đủ yêu cầu về tốc độ quay của tải.
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 𝜔 𝑚 (𝑟𝑎𝑑 𝑠 ⁄ ) Momen điện từ 𝑇 𝑒𝑚2 (𝑁 𝑚)
Từ đồ thị ta thấy momen cực đại của động cơ 𝑇 𝑒𝑚 𝑚𝑎𝑥 = 908(𝑁 𝑚), momen đẳng trị của động cơ:
Hình 1.11 Đồ thị kiểm nghiệm momen đầu ra hộp số
Dựa vào đồ thị, momen đẳng trị sau kiểm nghiệm vẫn nhỏ hơn momen định mức ở đầu ra của hộp số (𝑇 đ𝑡2 < 𝑇′ 𝑑𝑚) Trong khoảng thời gian từ 3 giây đến 4 giây, momen đầu trục có thể vượt quá momen định mức, nhưng vẫn nhỏ hơn momen cực đại tại đầu ra hộp số, do đó vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
Kiểm nghiệm công suất trên động cơ
- Từ đồ thị ta thấy công suất cực đại của động cơ là 𝑃 𝑚𝑎𝑥 = 11351.8 𝑊 Công suất đẳng trị của động cơ:
Sau khi thêm roto quán tính (𝐽 𝑚), công suất đẳng trị không vượt quá công suất định mức và 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.
Hình 1.12 Đồ thị kiểm nghiệm công suất động cơ
- 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 Quá trình này bao gồm việc xác định các 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 giá trị momen điện từ và công suất của động cơ trong các tình huống quá tải và cực đại là cần thiết để điều chỉnh tải trọng và hộp số một cách hợp lý.
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 một kỹ thuật điều khiển tần số cho cuộn stator trong hệ 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: 𝑈 𝑑 = 3√6
- Điện áp ngược đặt lên mỗi diode: U ng = 𝑈√6 = 220 × √6 = 539(𝑉)
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: 𝐼𝑣 = I 𝑑
3 = 4,34 (𝐴) 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: 𝑈 𝑛𝑔 = 𝐾 𝑈 × 𝑈 𝑑 = 1,3 × 515 = 670𝑉 (với Ku =1,3)
- Dòng điện qua mỗi van: 𝐼 𝑣 = 𝑃 𝑑𝑚
√3×220 = 19.68 𝐴 Chọn hệ số dự trữ dòng 𝐾 𝑖 = 1.3 => 𝐼 𝑣 ′ = 𝐾 𝑖 × 𝐼 𝑣 = 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 𝑘 𝑆𝑏 = 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 dòng
Trong quá trình hoạt động của động cơ, việc đo giá trị thực của dòng điện là rất quan trọng Để thực hiện điều này, chúng ta sử dụng cảm biến dòng, giúp đưa dữ liệu về bộ điều khiển để tính toán chính xác.
Dòng điện làm việc định mức của động cơ là I đm = 13,02A nên ta chọn cảm biến dòng:
Hình 3.4 Cảm biến dòng SCT013 - 015
3.2.1 Nguyên lí hoạt động cảm biến dòng:
Khi dòng điện đi qua dây dẫn, nó tạo ra một từ trường xung quanh Máy biến dòng tận dụng từ trường này để thực hiện việc đo lường 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 được quấn quanh lõi để tạo ra từ trường Dòng điện chạy qua dây dẫn sẽ sinh ra một điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ với dòng điện trong cảm biến Cuối cùng, cảm biến sẽ cung cấp một điện áp hoặc dòng điện mà đồng hồ kết nối có thể đọc và chuyển đổi thành 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 1V Giá trị điện áp đầu ra từ 0-1V cho phép vi điều khiển đọc trực tiếp mà không cần mạch hỗ trợ Sơ đồ kết nối SCT013 với vi điều khiển rất đơn giản và thuận tiện cho việc sử dụng.
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 giúp ngăn chặn các tình huống nguy hiểm xảy ra, đảm bảo an toàn cho động cơ trong quá trình hoạt động.
- Từ giá trị dòng điện định mức 𝐼 𝑑𝑚 = 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 cơ làm việc bình thường do tải đặt lên băng chuyền nhẹ)
Từ đó ta chọn được cầu chì 30A-250V
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, 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,
Bài viết đề cập đến 14 cổng kỹ thuật số I/O, được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử và thiết bị bên ngoài Trong số đó, có 6 chân đầu ra xung PWM, cho phép kiểm soát và điều khiển các thiết bị ngoại vi một cách trực quan và hiệu quả.
Arduino Uno R3 kết nối trực tiếp với máy tính qua USB, cho phép giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC và Linux, nhưng Windows là lựa chọn tốt nhất IDE sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C và C++ Ngoài việc sử dụng USB, người dùng cũng có thể cấp nguồn cho bo mạch bằng nguồn điện ngoài.
- 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, CPU 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, nâng cao hiệu suất cho các ứng dụng điện tử.
Nền tảng mã nguồn mở này cho phép người dùng dễ dàng sửa đổi và tối ưu hóa bảng theo số lượng hướng dẫn và nhiệm vụ mà họ muốn đạt được.
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 công cụ quan trọng để thiết lập lại toàn bộ hệ thống, giúp đưa chương trình đang chạy trở về trạng thái ban đầu Chức năng này rất hữu ích khi Arduino gặp sự cố treo trong quá trình hoạt động.
Arduino tích hợp 14 chân I/O digital và 6 chân analog, cho phép kết nối linh hoạt với các mạch bên ngoài Sự đa dạng này mang lại sự dễ dàng trong việc sử dụng và kết nối các thiết bị ngoại vi thông qua các chân này.
Bài viết đề cập đến 6 chân analog từ A0 đến A5 với độ phân giải 10 bit, có khả năng đo điện áp từ 0 đến 5V Các chân này có thể được cấu hình để hoạt động trong phạm vi cao hơn nhờ vào chức năng analogReference() và chân ISF.
• Bộ nhớ flash 13KB được sử dụng để lưu trữ số lượng hướng dẫn dưới dạng mã
Arduino yêu cầu nguồn điện 5V để hoạt động, có thể lấy từ cổng USB hoặc nguồn bên ngoài Ngoài ra, Arduino hỗ trợ nguồn điện bên ngoài tối đa lên đến 12V, nhưng nguồn này cần được điều chỉnh và giới hạn ở mức 5V để đảm bảo an toàn cho thiết bị.
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 vi điều khiển 8 bit mạnh mẽ hơn Atmega8, được sản xuất bởi hãng Atmel trong dòng MegaAVR Chip này dựa trên kiến trúc RISC, có bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash cho phép ghi xóa hàng nghìn lần, cùng với 1KB EEPROM và 2KB SRAM, mang lại khả năng xử lý vượt trội trong thế giới vi xử lý 8 bit.
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 chí hàng đầu trong đánh giá thiết bị đo lường, bởi mọi phép đo đều có thể bị sai lệch so với giá trị thực.
- Sai số tuyệt đối của phép đo :
(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 một thiết bị đo, chúng ta có thể tính toán sai số tương đối quy đổi và suy ra sai số tương đối của thiết bị trong các phép đo cụ thể Công thức tính sai số tương đối là 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 trong các phép đo, người ta điều chỉnh độ dốc của đặc tính hoặc độ nhạy Khi đầu vào X(t) thay đổi, đầu ra có thể dao động trong khoảng A(t) ± ∆A(t) Nếu đầu vào biến thiên trong khoảng X(t) ± ∆X(t), đầu ra vẫn 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
3.6 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 :
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 (Diode 10A8 ASEMI)
800 (V) Điện áp trung bình qua diode (Diode 10A8 ASEMI)
10 (A) Điện áp ngược (IGBT: GT60K303A)
Dòng Ic max 60 (A) Độ phân giải 100-5000 (PPR) Điện áp hoạt động 5-24 (VDC) Đo dòng tối đa 100 (A)
Hình 3.11 Sơ đồ mạch phần cứng của hệ thống
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 Phần điều khiển sử dụng cảm biến đo tốc độ và cảm biến dòng điện, với tín hiệu đầu ra 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 để đưa ra 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, cung cấp điện áp mong muốn 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 với hai trục quay dq, quay với vận tốc ω, không chỉ đồng bộ với vector từ thông mà còn đứng yên so với rotor Nếu vị trí của hệ được chọn sao cho trục d trùng với trục của từ thông cực, thì hệ tọa độ mới này 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
Điện cảm của cuộn dây stator khác nhau giữa đỉnh cực Lsd (trục d) và ngang cực Lsq (trục q), dẫn đến việc hình thành các 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:
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 =[ −1298.7 0
4.1.3 Mô hình toán học của bộ biến đổi công suất:
Bộ chỉnh lưu cung cấp điện áp cố định, do đó không cần mô hình hóa nó; chỉ cần tập trung vào việc mô hình hóa bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu được coi là một phần quan trọng trong việc xác định tỷ lệ 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 𝑘 𝑖𝑛𝑣 =1
4.1.4 Khâu chuyển tọa độ uvw (Clarke Transfomation):
Từ 3 đại lượng được đo 𝑖 𝑠𝑢 , 𝑖 𝑠𝑣 , 𝑖 𝑠𝑤 sẽ chuyển thành 𝑖 𝑠𝛼 ,𝑖 𝑠𝛽 trên hệ tọa độ:
Để chuyển đổi từ hệ tọa độ hai trục tham chiếu đứng yên sang hệ tham chiếu ba pha cố định, chúng ta áp dụng phép biến đổi Clarke ngược với điều kiện 𝐼 𝑢 + 𝐼 𝑣 + 𝐼 𝑤 = 0.
4.1.5 Khâu chuyển tọa độ dq (Park Transfomation):
Sử dụng công thức chuyển đổi Park:
+ 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 :
Hình 4.3 Vector chuyển đổi tọa độ
Hình 4.4 Mô hình toán học của hệ thống
+ Với 𝐾 𝜔 là hệ số khuếch đại của cảm biến
+ 𝑇 𝜔 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.
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.
• 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 là hằng số Mô-men xoắn 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, để điều khiển momen điện từ, ta điều chỉnh dòng i sq và đặt i sd bằng 0 nhằm tối ưu hóa tỉ lệ momen/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 đạt được sự đáp ứng mong muốn, tỉ lệ này có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số 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
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 đến điểm đặt và ổn định việc khử số dư sai số với tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, do khâu tích phân phản ánh sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể dẫn đến hiện tượng giá trị vượt qua giá trị đặt.
• Ki càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm
Khi kích thước Ki tăng lên, sai số xác lập sẽ giảm xuống Đặc biệt, hệ số khuếch đại của khâu tích phân đạt giá trị vô cùng khi tần số bằng 0, điều này dẫn đến việc 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
Trong quá trình điều chỉnh, ta sẽ bắt đầu từ mạch vòng dòng điện trước, sau đó chuyển sang mạch vòng tốc độ Trong mạch vòng tốc độ, giá trị tốc độ thực tế (w) được phản hồi 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 PI, từ đó bộ điều khiển sẽ 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 thu được giá trị i_sd và i_sq từ các bộ chuyển đổi, cùng với giá trị i_sq* từ quá trình điều khiển tốc độ, chúng ta sẽ đưa vào mạch vòng tốc độ để so sánh hai giá trị này Sai lệch giữa i_sq và i_sq* sẽ được sử dụng trong bộ điều khiển PI để điều chỉnh cho phù hợp với giá trị mong muốn Đối với i_sd, chúng ta không cần điều khiển từ thông, vì vậy 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, trong đó các tín hiệu đặt về điện ba pha được gọi là sóng sin chuẩn Ua*, Ub*, Uc* Những tín hiệu này được so sánh với sóng mang Urc có dạng răng cưa tam giác lưỡng cực Kết quả so sánh này sẽ điều khiển các van: U adk kiểm soát van S1 và S4; Ub,đk điều khiển van S3 và S6; Ucdk điều khiển van S5 và S2.
Hình 4.7 Ảnh minh họa của IGBT trong mạch nghịch lưu
Tỷ số điều chế về biên độ được tính bởi công thức :
𝑉 ̂ 𝑡𝑟𝑖 ( 𝑉̂ 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 là biên độ của điện áp điều khiển (sóng sin chuẩn); 𝑉̂ 𝑡𝑟𝑖 là biên độ tín hiệu sóng răng cưa )
Hình 4.6 Giản đồ xung trạng thái đóng/mở
Do tín hiệu từ điều chế PWM có nguồn và công suất nhỏ, không đủ để kích hoạt các van của IGBT, nên cần sử dụng một nguồn ngoài Việc điều khiển các linh kiện công suất bao gồm hai phần cơ bản: điều khiển phía cao và điều khiển phía thấp.
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 điện áp kích bằng tổng của điện áp kích ban đầu và điện áp tại chân E Tín hiệu điều khiển từ vi xử lý chỉ cung cấp điện áp +5V, do đó cần thiết phải có mạch lái để tạo điện áp cách ly cho việc đóng cắt phía cao Đối với Q8, chân E được nối đất, dẫn đến điện áp kích Q8 chỉ cần bằng điện áp kích ban đầu, giúp việc đóng ngắt khóa phía thấp trở nên dễ dàng hơn.
Sử dụng IC IR 2112 làm mạch Gate Drive cho IGBT trong nghịch lưu
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
Hình 2.5 Sơ đồ chân của IR 2112
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 thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ lọc Điện áp một chiều này được sử dụng trong 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 với giá trị mong muốn cho động cơ Khi động cơ hoạt động, các cảm biến thu thập dữ liệu về tốc độ và dòng điện để cung cấp phản hồi cho các bộ điều khiển.
Cảm biến dòng điện thu thập giá trị thực từ cuộn stator và đưa 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 sang hệ tọa độ một chiều (dq) Dòng i sα và i sβ sẽ được đưa vào bộ Park cùng với góc θ để tính toán thành i sq và i sd Trong mạch vòng tốc độ, 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, tiếp tục so sánh với i sq từ bộ Park Sai lệch giữa i sq* và i sq được đưa vào bộ điều khiển PI để tính toán giá trị điện áp u sq mong muốn Vì từ thông rotor là hằng số, ta đặt i sd * = 0 để so sánh với i sd và tính toán điều khiển thông qua bộ PI nhằm tìm ra giá trị u sd mong muốn.
Sau khi thu thập u sd và u sq, chúng ta sử dụng bộ chuyển đổi Park -1 để chuyển đổi các đại lượng từ hệ (dq) sang hệ xoay chiều (α, β) Tiếp theo, u sα và u sβ sẽ được chuyển đổi qua Clark -1 từ hệ (u,v,w) và sau đó đưa vào bộ PWM để tính toán Bộ PWM này sẽ tạo ra các xung kích thích, điều khiển việc đóng/mở các van của bộ nghịch lưu xoay chiều 3 pha, nhằm cung cấp điện áp phù hợp cho động cơ hoạt động theo yêu cầu.
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;
In the setup function, several pins are configured for input and output, including current sensors for Ia, Ib, and Ic, which monitor electrical flow The voltage is set to 230, and input pins for encoders and a Z signal are initialized with pull-up resistors to ensure stable readings Additionally, output pins are designated for controlling connected devices, while the current time is recorded using the millis() function for timing purposes.
// 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
// 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
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, bộ biến đổi bao gồm bộ biến tần có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp xoay chiều từ nguồn Điện áp xoay chiều được cung cấp qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển, sau đó được lọc để tạo ra điện áp một chiều ổn định Cuối cùng, điện áp một chiều này sẽ được biến đổi trở lại thành điện áp xoay chiều cần thiết thông qua bộ nghịch lưu để cung cấp cho động cơ.
Bộ nghịch lưu nhận xung tín hiệu từ vi điều khiển để điều khiển mở/đóng các van, giúp 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, dao động trong các khoảng tăng giảm tốc độ Trong khi đó, dòng điện isq thực sự tỷ lệ thuận với mômen điện từ của 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
Hình 5.8 Đồ thị momen động cơ