Bài giảng đồ án tự động hóa 2

Giảng viên giao cho sinh viên, nhóm sinh viên tên đồ án, nhiệm vụ đồ án môn học 2.. Nội dung đồ án sẽ xoay quanh a.. Điều khiển hệ truyền động điện xoay chiều sử dụng phương pháp FOC b..

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA 2

Nội dung đồ án Tự động hóa 2

1 Giảng viên giao cho sinh viên, nhóm sinh viên tên đồ án, nhiệm vụ đồ án môn học

2 Nội dung đồ án sẽ xoay quanh

a Điều khiển hệ truyền động điện xoay chiều sử dụng phương pháp FOC

b Điều khiển hệ truyền động điện xoay chiều sử dụng phương phap DTC

c Điều khiển hệ năng lượng gió

d Áp dụng hệ truyền động vào các lĩnh vực truyền động trong thực tế như điều khiển bang tải, điều khiển chuyển động<

e Sử dụng hệ truyền động PLC- biến tần- động cơ thực tế

3 Lý thuyết (xem ở tài liệu tham khảo và các chương sau)

4 Mô phỏng- sử dụng MATLAB/SIMULINK

5 Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm

6 Đồ án mẫu tự động hóa 2

Lý thuyết

CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR (ROTOR FIELD ORIENTED CONTROL

Phương pháp điều khiển tựa từ thông (Field Oriented Control- FOC) hay điều khiển vector là phương pháp điều khiển dùng cho ĐCKĐB 3 pha, dựa vào hệ trục tọa độ từ thông rotor, điều khiển động cơ KĐB có thể thực hiện thông qua điều khiển các thành phần dòng điện stator i sd

(từ thông) và i sq (momen)

Hình 1: Điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC

Phương pháp FOC

3.1 Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor

Ta có:

Trước hết ta xét mô hình động cơ khi mà hệ trục tọa độ quay có trục d trùng với từ

thông rotor, lúc này thành phần từ thông roto trên trục q có giá trị là 0

 Xét phương trình điện áp rotor trên trục d:



Hình 3.1: Hệ tọa độ từ thông rotor quay với tốc độ

Mặt khác:

 Nên ta có:

( )

Phương trình trên chính là phương trình vi phân bậc nhất của với đầu vào là Xét ở chế độ xác lập, ta có ; suy ra nên

 Như vậy sẽ được sử dụng để điều khiển từ thông 

( bằng giá trị định mức)

Phương trình momen có dạng sau:

( 

)



(

) Mặc khác:



Nếu ta giữ từ thông 

là giá trị đặt không đổi thì (

) sẽ là hằng số và khi đó

sẽ điều khiển

Như vậy chiến lược điều khiển của động cơ sẽ như sau:

 sẽ điều khiển 

để giữ 

bằng giá trị định mức

 sẽ điều khiển

Để xây dựng mô hình điều khiển theo phương pháp FOC, trước hết ta đảm bảo vector từ thông

rotor luôn trùng với trục d



  đây chính là tốc độ quay của từ thông rotor

Góc của từ thông rotor

r

d L

R dt



*Mô phỏng đông cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ gắn với

từ thông rotor và đảm bảo từ thông rotor trùng trục d

Để tránh phép chia 0, ta đặt điều kiện ban đầu cho từ thông rd bằng 0.001.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, DÒNG ĐIỆN

3.2 Thiết kế các bộ điều khiển cho ĐCĐXC ba pha rotor lồng sóc 3.2.1 Sơ đồ nối tầng tổng quan điều khiển động cơ điện xoay chiều

Sơ đồ nối tầng gồm hai vòng điều khiển chính:

 Điều khiển từ thông gồm 2 vòng Vòng ngoài cùng điều khiển từ thông

 , vòng trong điều khiển dòng

 Điều khiển tốc độ gồm 2 vòng Vòng ngoài cùng điều khiển tốc độ động cơ ( ), vòng trong điều khiển dòng

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ

Từ phương trình (2.25) có quan hệ sau:

( )

Thực hiện Laplace hóa 2 vế ta được: ( )

Do đó, ta thu được:

( ) (3.2)

Từ phương trình (3.1) ta có:

( 

)

 được lấy bằng giá trị đặt  , đặt (  )

Từ phương trình (3.1) và (3.2), ta xây dựng sơ đồ vòng điều khiển tốc độ như sau

PI

Chọn bộ điều khiển là PI có dạng:

Hàm truyền đối tượng có dạng:

Hàm truyền vòng hở sẽ là:

1

i p i

T s K

Sử dụng MATLAB để tính các thông số bộ PID

Lệnh: C = pidtune( sys , type ) thiết kế bộ điều khiển PID; sys : mô tả đối tượng cần thiết kế bộ điều khiển; type : loại bộ điều khiển (p, i, pi, pid)

Ví dụ: Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng có hàm truyền đạt như sau

1

Kp + Ki * -

s

with Kp = 1.14, Ki = 0.454

Continuous-time PI controller in parallel form

info = struct with fields:

Stable: 1

CrossoverFrequency: 0.5205 (rad/s) (wc)

PhaseMargin: 60.0000

3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển từ thông 

Từ phương trình (2.26) ta có quan hệ sau:

Ta xây dựng sơ đồ điều khiển như sau:

Hình 3.2: Bộ điều khiển từ thông

Hàm truyền đối tượng có dạng:

3.2.4 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện Từ phương trình điện áp stator (2.15) và (2.16) ta có: 







Từ phương trình từ thông (2.19), (2.20), (2.21), (2.22) ta có: 







Đặt mặt khác ta có:  do  nên 

Hình 3.3: Sơ đồ nối tầng bộ điều khiển dòng điện ĐCKĐB

Thay vào phương trình  và  ta được:

 ; với

 

( )  

Thế vào phương trình và :





 (3.3) Tương tự, 



Như vậy, ta có phương trình điện áp thành phần

(  )



Từ 2 phương trình trên, ta thấy rằng để điều khiển và ta phải thông qua mối quan hệ với và

Đặt:

Thành phần bù 

Tương tự, đặt

Thành phần bù

 Coi các thành phần và là nhiễu ta thành lập được sơ đồ bộ điều khiển như sau:

Hàm truyền đối tượng có dạng:

% Design a PI controller in parallel form

% Bandwidth wc=25 rad/s

[Cw Info] = pidtune(G, 'pi' , 25)

% Gan ket qua

struct with fields:

3.3 Xây dựng mô hình điều khiển trên SIMULINK

Các thông số mô phỏng được cho trong bảng 2.2:

3.3.1 Kết quả mô phỏng

Nhận xét:

 Trong thời gian quá độ momen có giá trị rất lớn do lúc khởi động động cơ có dòng rất lớn, sau thời gian quá độ này nếu không có tải giá trị của momen sẽ về 0, tuy nhiên do có có tải tại 10 (s) nên momen sẽ tăng lên

Dòng điện và thu được trên hình 3.12 và 3.13 Ta thấy rằng sau tại 1 (s) thì dòng điện và đều tăng lên rất lớn sau 2 (s) thì về 0, khi có tải thì và tăng lên và ổn định tại 20

Hình 3.4: Đồ thị momen

Nhận xét:

 Dòng trong động cơ bám theo giá trị của dòng đặt như vậy bộ

điều khiển dòng thiết kế đã đạt được mục tiêu như mong muốn

 Khi không có tải thì sau thời gian quá độ dòng về 0 khi có tải thì

tăng lên sau 1 (s) đạt giá trị xác lập là 20, sở dĩ có điều này do có

Hình 3.5: Dòng điện đặt

Hình 3.6: Dòng đo về

mối quan hệ với momen tại 10 (s) momen tăng lên thì dòng

cũng phải tăng theo

 Tuy nhiên dòng khởi động lúc đầu hơi cao

Dòng điện và thu được trên hình 3.14 và 3.15 Sau thời gian quá độ

từ 0 tới 2 (s) thì và ổn định tại 13.6 khi có tải tại 10 (s) sau 2 (s) quá

độ thì và tiếp tục ổn định tại 13.6

Hình 3.7: Dòng điện đặt

Nhận xét:

 Dòng trong động cơ bám theo giá trị của dòng đặt như vậy bộ

điều khiển dòng thiết kế đã đạt được mục tiêu như mong muốn

 Sau thời gian quá độ thì dòng điện ổn định tại giá trị 13.6 khi có tải

dòng tăng lên rồi lại trở về giá trị 13.6 sau khoảng 2 (s) sở dĩ có điều này do có mối quan hệ giữa dòng và từ thông khi từ thông được ổn định thì dòng cũng sẽ đạt ổn định

 Tuy nhiên dòng khởi động lúc đầu hơi cao

3.3.2 Bộ điều khiển động cơ khi có thêm bộ hạn chế dòng

Qua nhận xét về dòng ta thấy rằng vào thời điểm quá độ chúng rất cao do bộ PI có

thành phần tích phân gây quá độ lớn như vậy sẽ gây nguy hiểm cho cho động cơ trong 1 số

trường hợp do vậy ta cần áp đặt bộ giới hạn dòng điện đặt cho như sau:

Hình 3.8: Dòng đo về

Việc áp đặt dòng điện đặt nhằm mục định giảm dòng điện trong khoảng thời gian động cơ bắt đầu hoạt động

Giới hạn dòng điện trong khoảng từ 0 tới 14

Hình 3.9: Bộ điều khiển ĐCĐXC ba pha rotor lồng sóc có thêm bộ hạn chế dòng

Giới hạn dòng điện trong khoảng từ -10 tới 30

Kết quả mô phỏng:

Hình 3.10: Giới hạn dòng điện

Hình 3.11: Giới hạn dòng điện

Hình 3.12: Dòng khi có giới hạn

Hình 3.13: Dòng khi có giới hạn

Tốc độ động cơ khi có hạn chế dòng:

Hình 3.14: Dòng khi chưa có giới hạn

Hình 3.15: Dòng khi có giới hạn

Nhận xét:

 Khi có giới hạn dòng thì dòng quá độ giảm từ 65 xuống còn 25

như vậy sẽ tránh được những tác động do dòng quá cao lúc mở máy

 Dòng bị giới hạn sẽ hạn chế được ảnh hưởng của thành phần tích

phân của bộ PI từ đó sẽ giảm được dòng lúc quá độ của động cơ

3.3.3 So sánh tốc độ động cơ khi có bù , và khi không có có

thành phần bù

Như ở mục 3.2.4 thiết kế bộ điều khiển dòng điện ta thấy rằng thành phần , của

phương trình (3.3) và (3.4) sẽ được coi là nhiễu ở các mục mô phỏng ở trên tuy vậy nếu xét các

thành phần này là điều kiện bù như trong hình 3.5 thì ta sẽ có sơ đồ điều khiển động cơ như

sau:

Hình 3.16: Tốc độ động cơ có giới hạn dòng điện

Kết quả so sánh thu được trên hình 3.25:

Hình 3.17: Bộ điều khiển tốc độ động cơ khi có thành phần bù và

 Như vậy khi có bộ bù thì tốc độ động cơ tốt hơn so với với khi không có bộ

bù tuy nhiên sự chênh lệch giữa có bộ bù và không có bộ bù của tốc độ là không lớn nên ta hoàn toàn có thể coi thành phần và là nhiễu như các phần mô phỏng ở trên

ƢỚC LƢỢNG

Hình 3.18: So sánh tốc độ động cơ

Ƣớc lƣợng tốc độ quay của từ thông rotor

Khối tính toán góc sử dụng tốc độ góc được đưa từ khối tính toán ở bên ngoài, khối này sử dụng khâu tích phân để tìm góc và khâu lấy và để đưa vào các khối khác

Khối tính toán được xây dựng như sau:

Do từ phương trình điện áp (2.17) bên rotor

biến đổi tiếp ta được:

(2.27)

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN

Space-Vector Pulse Width Modulation

Một trong những chiến lược điều chế độ rộng xung ngày nay là điều chế không gian vector SVPWM (space-vector modulation- SVPWM ) Phương pháp này trong hệ truyền động sử dụng nghịch lưu nguồn áp cho phép tận dụng điện áp một chiều tối đa

và giảm được tổn thất do trùng dẫn (commutation losses) Điều khiển nghịch lưu ba pha nguồn áp sử dungj SVPWM bao gồm đóng cắt (chuyển mạch) giữa hai vector tích cực và các vector không để điện áp ra trong vùng (sector) bằng với điện áp đặt (command) nhân với khoảng thời gian trong mỗi chu kỳ đóng cắt Trong mỗi chu kỳ đóng cắt điện áp tham chiếu được giả sử là không đổi bởi vì khoảng thời gian là đủ lớn Bằng cách tính toán thời gian đóng cắt ta có thể dễ dàng thực hiện được phương pháp SVPWM Tuy nhiên, thứ tự đóng cắt có thể không là duy nhất

Nguyên lý làm việc

Nghịch lưu nguồn dòng được cho trên hình 7.3.8, mỗi cực điện áp (A, B, C) có thể nhận một trong hai giá trị tùy thuộc vào khóa đóng cắt phía trên hoặc phía dưới được tích cực (chú ý khóa trên và khóa dưới một khóa tích cực thì khóa còn lại không tích cực) Do

đó, chỉ có thể có 8 sự kết hợp của các khóa, như trên hình 7.39 Trong đó, hai kết hợp có trạng thái 0 (điện áp ra bằng 0) Trạng thái không xuất hiện khi ba khóa trên đều tích cực, hoặc khi cả ba khóa dưới tích cực đồng thời

A

B

C

Các khóa SA1, SA2 cho cực A, khóa SB1 và SB2 cho cực B, khóa SC1 và SC2 cho cực C

Trạng thái các cực như sau

Phương trình điện áp dây (line to line voltages)

Và có

; ;

V V V V V V V V V

Do đó, ta có

Thay vào(7.31) ta được điện áp các cực so với điểm trung tính (line to neutral)

Từ đó, ta thấy rằng trạng thái 1 (state 1, A=1, B=0, C=0, xem hình 7-39), ta có

Sử dụng phương pháp chuyển đổi ba pha về hệ trục hai pha (

,

 ), ta có

Xét vùng 1 (sector 1), vector điện áp đầu tiên là

1

s V

Các vector điện áp khác từ k=2 đến 6 là

Các vector chia mặt phẳng thành 6 vùng bằng nhau (sectors) (hexagon) Các vector điện

áp bằng nhau về độ lớn và lệch pha nhau một góc là 60 độ (hình 7-40) Hình 7-40 là không gian vector của nghịch lưu ba pha nguồn áp Bất kể khi nào điện áp đặt nằm trong một sector, các khóa sẽ hoạt động trong khoảng thời gian Tm và Tm+1 , chúng được thiết lập bằng cách projection vector điện áp sang hai vector cạnh nó như trên hình 7-41

(ví dụ vector Vs* trong sector 1) Trạng thái *111+ and *000+ được định nghĩa là vector không và nằm ở gốc

Giả sử ta muốn điều chế không gian vector cho hệ thống có điện áp như sau

Điện áp hệ thống có thể phân thành hai thành phần trong hệ trục tĩnh α và β như sau,

Thực hiện

Ban đầu, Vị trí của vector quay được tính toán bằng cách tính arctabgebt của tỷ lệ giữa hai thành phần hệ trục tọa độ vuông góc Thời gian đóng cắt (switching) được tính toán như sau Nếu vector điện áp nằm trong vùng đầu tiên, thời gian có thể được mô tả như trong hình 7.41

Để tổng hợp điện áp Vref theo hai vector điện áp trong vùng, và sử dụng tần số đóng cắt thấp nhất, Tcycle được chia thành ba khoảng Tm, Tm+1, T0 Chú ý m=1,<,6 tương ứng với các vùng (sector)

Để thỏa mãn (7-42), thành phần thực và ảo của hai vế phải bằng nhau

là TAon, TBon, and TCon Ta có thể thấy rằng sự chuyển trạng thái này sang trạng thái khác, chỉ mỗi một cực thay đổi trạng thái

Ví dụ

(Chú ý, bắt đầu bằng vector 0, [000])

Sector1: Vs1: ABC= 100; VS2: ABC=110[000], [100], [110], [111], [110] ,[100], [000]

Sector 2: VS2: ABC=110; VS3: ABC=010 [000], [010], [110], [111], [110], [010], [000] Sector 3: VS3: ABC=010; VS4: ABC=011 [000], [010], [011], [111], [011], [010], [000] Sector 4: VS4: ABC=011; VS5: ABC=001;  sinh viên tự làm

Sector 5: VS5: ABC=001; VS6: ABC=101;  sinh viên tự làm

Sector 6: VS6: ABC=101; Vs1: ABC= 100 sinh viên tự làm

Một kiểu khác đóng cắt là BUS_CLAMPED Với phương pháp này, đóng cắt được thực hiện trong một sector chỉ sử dụng hai cực của nghịch lưu Một trong đó ở điểm cao hơn

Ví dụ vector không gian ở vùng 1, khóa sẽ thực hiện đóng cắt theo thứ tự [111], [110],

*100+, *110+, *111+ Khóa phía trên A is được đưa lên mức cao Trong vùng tiếp theo, khóa đóng cắt theo trạng thái [000], [010], [110], [010], [000] Ở đây khóa gắn với cực C sẽ bị gán xuống mức thấp (âm) và các cực của nghịch lưu sẽ tích cực khi có sự thay đổi ở vùng Chú ý rằng vùng chẵn chỉ sử dụng trạng thái [000]

Ví dụ

Sector1: Vs1: ABC= 100; VS2: ABC=110[111], [110], [100], [110], [111]

Sector 2: VS2: ABC=110; VS3: ABC=010 [000], [010], [110], [010], [000]

Sector 3: VS3: ABC=010; VS4: ABC=011 [111], [011], [010], [011], [111]

Sector 4: VS4: ABC=011; VS5: ABC=001;

Sector 5: VS5: ABC=001; VS6: ABC=101;

Sector 6: VS6: ABC=101; Vs1: ABC= 100

Điều kiện có thể được cho như sau

As mentioned previously, space-vector modulation provides 15% more bus utilization The space vector modulating function can be expressed as a sinusoidal and a triangular

a frequency three times the fundamental This results in flattening of the peaks of the

and, hence, a higher maximum voltage is achieved This is shown in Fig 7-44