Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển tốc Độ Động cơ ac servo với tải thay Đổi sử dụng thuật toán pid nâng cao

Tuy nhiên, đối với các hệ mà bộ điều khiển có chứa thành phan tích phân va tin hiệu bị hạn chế như những hệ thống có cơ cầu chấp hành shai vi trí như kiểu rơle, van đóng mở và trong trườ

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

BO MON DIEU KHIEN TỰ ĐỘNG

A

INDUSTRIAL UNIVERSITY OF HOCHIMINH CITY

KHOA LUAN TOT NGHIEP

DIEU KHIEN TOC DO DONG CO AC SERVO VOI

TAI THAY DOI SU DUNG THUAT TOAN PID

NANG CAO

GVHD: Th.S Bui Thi Cam Quynh = SVTH:

Nguyễn Văn Minh_ 18045651 Đào Đông Đức_ 18053111 Trần Phạm Phượng Tường_ 18039111 Chau Tan Thanh_ 18056991

Thanh phố Hồ Chí Minh, năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO DE TAI

I/ HO VA TEN SINH VIEN

Ho va tên sinh viên: Nguyễn Văn Minh MSSV: 18045651

Đào Đông Đức MSSV: 18053111 Trần Phạm Phượng Tường MSSV: 18039111 Châu Tan Thanh MSSV: 18056991

Lớp: DHDKTDI4A

Bộ môn: Điều Khién va Tự Động

Khoa: Công Nghệ Điện

Il/ DE TAI THIET KE

DIEU KHIỂN TÓC ĐỘ DONG CO AC SERVO VOI TAI THAY DOI

SU DUNG THUAT TOAN PID NANG CAO

II/ NHIỆM VỤ

- Tìm hiểu phương trình toán'học'của động 'cơ'không'đồng bộ°và°mô°phỏng

simulink trên phần mềm matlab

- _ Nghiên cứu câu trúc bộ điều khiến PID nâng cao anti-windup

- _ Áp dụng mô phóng bộ điều khiến PID nâng cao cho động cơ không đồng bộ

- Lap rap tủ điện đề áp dụng điều khiến thực giải thuật PID nâng cao và biến tần cho động cơ không đồng bộ

IV/ KÉT QUÁ DỰ KIÊN

- _ Hiểu rõ'mô'hình'toánˆcủa°động°cơ°không °đồng bộ

- _ Mô?phỏng được mô hình °độngˆcơ°không' đồng “bộ trên Matlab

- Thiếtkế được bộ điều khiển'PID nang°cao° anti-windup

- Lap ráp được tủ điện đề điều khiến thực giai thuat PID nang cao va bién tan cho động cơ không đồng bộ

V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S Bùi Thị Câm Quỳnh

Thành

GIẢNG 'VIÊNHƯỚNG DẪN TPHCM, ngày tháng năm 2022

Sinh°vién

Nguyễn Văn Minh

Th.S Bui Thi Cam Quynh

Khóa luận tốtnghệp Nguyễn Văn Minh, Đảo Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Giảng viên hướng dẫn ký tên

Th.S Bui Thi Cam Quynh NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN

Giảng °viênˆphản° biện ký? tên

MUC LUC

PHIEU GIAO DE TAL oocccccccccsssscsescssesesestssesestsvesesvsvesesssvesssssesvstssesteversseststsseststssesesteees i NHAN XET CUA GIANG VIEN HUONG DAN ccccccccccccccscsescscstecssevsessssesesteees iii NHAN XET CUA GIANG VIEN PHẢN BIỆN S2 S22 122121 12112111 215555 seg iv

II

Thành

MỤC LỤC - + 222 21222122112112211 2111211221121 erou Vv DANH MỤC HÌNH ẢNH -2- 22 21221221121121121112112121212 21a viii DANH MỤC BẢNG BIỂU - 2 2S 21222127112112211211121122112212222222 re xii CHƯƠNG 1: TONG QUAN cccccccccsecssesessssessesecsevsvssissvsevsussessessessvssnsavensesevsveeseveveeves 1 1.1 ĐẶT VÂN ĐỂ S222 22212212 2112222122222 rau 1 1.2 PHAM VI GIOI HAN DE TAL ccccccccccccccsecscessesseesesseeseeseseeseeseseestenseen 2 1.3 CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIỂN 2 2s 2222221221271E2222.2122.2 1e 2 1.4 PHÂN MÊM ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK ccc cà 3 1.4.1 GIỚI THIỆU MATLAB/SIMULINK - 252221 E2 re 3 1.4.2 TÍNH NĂNG 21221 11221121122112211222122121 re 5 1.4.3 ỨNG DỤNG -2 221 212221222122.21121112222 2 22tr 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYYẾT 22 2< SEE2E1122127152512212711212111 211.112 xte 7 2.1 CÂU TRÚC HỆ THỒNG ĐIÊU KHIÊN TỰ ĐỘNG s.¿ 7 2.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THÓNG 7 PIN 6c d:iiadiiaiiẳẳ 7 2.2.2 Độ vọt lỐ - 5-21 212212211211211211211121121121122 1212112121222 2e 8

2.2.3 Thoi gian qua d6 - Thor gian tang lene eee ee teeetteeeees 8

2.3 BO DIEU KHIEN PID cccccccccccccccccssessceseesecseesessetssecssesecsesevessesseeseseessees 9 2.3.1 Dinh nghia bé diéu khién PID ccc csseseeseseeseeseseseeseeees 9 2.3.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID 2 222 192212222127122271271 212 2EE2 10 2.3.3 Đáp ứng của bộ điều khiển PID 52 S1 EE18222212121111 c2 13 2.3.4 Chỉ định các tham số bộ điều khiển PID - 2 s2£222£z2£zzzzz 13

2.4 HIEN TUONG BAO HOA TICH PHAN VÀ BIỆN PHÁP KHẮC

PHỤC -2- 2-2212 2122212712211221122.2121212212121221122122 111kg 17

2.4.1 Hiện tượng bảo hòa tích phân - 5 2c 22222221 222122121222x e2 17

2.4.2 Các biện pháp khắc phục - 2-52 S2 E1521211211E12121 1E 2E tre 18

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

CHUONG 3: THIET KE BO DIEU KHIEN PID SU DUNG TRACKING

ANTIWINDUD coc ccccccsccscssecssecsseccssesssesesecsseesssetsserisestierareraresarestiessaretiresssetiestaretasen 23 3.1 YÊU CÂU VÀ HƯỚNG THIẾT KẾ - 5 SE 2211112712711 xe 23 3.1.1 YÊU CÂU 22-252221221122112711211211121122112111212 221k 23 3.1.2 HƯỚNG THIẾT KỂ 2-5252 S222122112112711271271271111221 E2 xe 23

PHA 0 0 2212115151121 E1 n2 He Hee 24 3.2.1 VECTO KHÔNG GIAN CÁC ĐẠI LƯỢNG PHA - 24

3.2.2 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐÔNG BỘ BA PHA 32 3.2.3 MO PHONG DONG CO KHONG DONG BO BA PHA TREN MATLAB/SIMULINK S52 223212 121121512112151215 25121255 15122 rau 37 3.3 THIET KE, XAY DUNG BO DIEU KHIEN PID TRACKING ANTIWINDUP VA KHOI] BIẾN TÂN 252 2 2122112111111 11212155 1555 se Al 3.3.1 BỘ ĐIÊU KHIÊN PID TRACKING ANTIWINDUE Al 3.3.2 KHOI GIA LAP BIEN TAN oecccccecscsscccscssesesteceseseststevevstevevseseseees Al

3.4 KET QUA MO PHONG DIEU KHIEN TOC DO DONG CO DUA TREN BO DIEU KHIEN PID TRACKING ANTIWINDUP VA BIEN TAN 42 3.4.1 SO DO KHOI MO HINH Loe ceccccccceseseseeessesssesseesstesetanesseeseesnes 42 3.4.2 KET QUA MO PHONG ccccccscsccsessessessessessesnsevecsesscevstseversnseeeen 42 3.4.3 NHẬN XÉT KẾT QUÁ MÔ PHỎNG s- ca 44 CHƯƠNG 4: PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỒNG 52-222 S2122212711221222211 E1 ceg 46 4.1 ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐÔNG BỘ, Q22 222212122 rree 46

4.1.1 Phần tĩnh (Stator): gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn 46 4.1.2 Phần quay (Rotor): gồm có lõi thép, đây quấn và trục máy 46

4.2 BIỂN TÂN 2s: 2222 222112221122111 1112211221121 ae 48

N:) o0), ẶĂ-d iiảảiiäỶŸẳảỶẳỶỶẳỶảảỶÝỶ 51

4.5.1 Thông tin card NI Myrio 1900 L1 c1 1221122 22221121 re 57

4.5.2 Cấu tạo card NI Myrio 1900 scc 1121212122121 tren 57

4.5.3 Phần mềm Labview giao tiếp card NI Myrio 1900 - 62

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 22-22222222 czxe2 68 5.1 ĐÁNH GIÁ - 2s 1222121112212211221221121221121212221212 ca 68 5.2 KẾT LUẬN 52- 22 2122112212222.112112222221221222221221 re 74 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIẾN - 222 s22122212221271111122120.112220 1e 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25s 212221221211221122112112111212220112 21211 reg 75 LỜI CẢM ƠN 0 2 21222221121121121222112222121212121212221122 212kg 77

VỊ

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

Hith 2.2: Sai 6 xAc Lap ŸễẳÄẳÄäẳăắaăẳắảẢ 7

Hình 2.3: Độ vọt lố POT eecceeecssesesssessssessssnesssnnsesssessuncssunsessnnsessneseesnneeesseeeesneees 8 Hinh 2.4: Thời gian quá độ và thời gian lên c2 2c 1212211111151 211 1512111121111 x2 8 Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển PID :-5222222221222112221122211122111 111.1 9 Hinh 2.6: Đáp ứng khâu tỉ lệ Kp 2c 22 222112111211 121 111112 1122118111811 11 11111 ray 10 Hinh 2.7: Đáp ứng khâu tích phân K - 02 2211211111111 1111111111121 11 122 cm H Hình 2.8: Đáp ứng khâu v1 phân Kb, c1 212 1S 2H SH 1H HH Hư re 12 Hình 2.9: Sơ đồ khối hệ hở 22: 222t 222111221111221112211112111112 1 1 re 14 Hinh 2.10: Đáp ứng của hệ hớở L1 212111211211 1211 1111111111111 112111111111 kg 15 Hình 2.11: Sơ đồ khối của hệ kín 25¿-22212221112721122711112221112.11 2.11 l6 l0 )020209.)00 i 0ì 00s 1n 16

Hình 2.13: Bộ điều khiên PID Tracking AntiWindup - sá-ccn rren 19 Hình 3.1: Sơ đỗ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha - 525cc se 24 Hình 3.2: Vecto điện áp 3 pha đối xứng - 22s 1 1EE12112112121111 1012021 1 nrryg 24 Hinh 3.3: Vector không gian dién áp stator trong hệ tọa độ øŸ ccc 25

Hinh 3.4: Vector không ø1an điện áp stator và các điện áp pha c5 26 Hinh 3.5: Hệ tọa độ quay 2 1201120112112 121 11111111111111 112111111 TH HH nay 28 Hinh 3.6: Chuyén hé toạ độ cho vector không gian từ hệ tọa độ œ sang hệ tọa độ dq „:§ S00 29

Hình 3.7: Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor 30

Hinh 3.8: Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ da 31

Hinh 3.9: Mach tương đương của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ Stator 32

Hình 3.10: Mach tương đương của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ øÿ 33

Hình 3.11: Mạch tương đương của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ da 35

Hình 3.12: Sơ đồ tông thê mô phỏng động cơ không đồng bộ -2 55s a 37 Hinh K4 )0611/0.PEHdd^ầầẢẦẲẢẲỶŸỶ 37

Hinh 3.18: Dòng điện 3 pha động cơ 0 2201211221121 121 1112111515111 1 8111 xay 40

Hình 3.19: Bộ điều khiển TRACKING ANTIWINDUƯE ccccccccccrrrcerre 4I Hinh 3.20: Khối giả lập biến tần - 2 2225221 2215211211211211112711111211211 2112112121 xe 41

Hình 3.21: Sơ đề khối mô hình -¿ 2222222+222111222111122111112111122111 2.111 1 42

Hình 3.22: Tốc độ và momen của h0 ANH cỶÝÝÝ 42 Hinh 3.23: Dòng điện 3 pha động cơ 0 2201212221121 121 1112111518111 81 1 key 43 Hình 3.24: Tốc động và momen động cơ -+- +21 E21 E187151127111111 12111 1.1 E26 43 Hinh 3.25: Tải và momen động cơ - 112112211211 1211111111111 110212011 1012111 116g 44 Hinh 3.26: Dòng điện 3 pha động cơ 0 2201211121121 121 1111111518111 1 81112 k ray 44 Hình 4.1: Động cơ không đồng bộ À 1 S12 1111112111121 2 1c cg te 48

Hình 4.2: Biến tần ER-E520S/0.75K 2 221 22211 1111 rere 48

Hình 4.3: Sơ đồ kết nối biến tần - : 222 2221112222122 111.21 1e 49

Hình 4.4: Quy trình thay đổi thông số biến tần Mitsubishi E520 5-5 5s2252 49

Hình 4.5: Cầu tạo Encodr - ca s n1 211 15115111111511111111211111 2112111121188 rrrrre 52 Hinh 4.6: M6 ta hoat d6ng Encoder 0c ccceceeessesseeeeneseeeesteeeessessstseeseneeees 53 Hinh 4.7: Encoder loai A, B, Z độ phân giải 1024 - 2 20 12112 1212111151 12 re 54 Hinh 4.8: Encoder c6 ngõ ra dạng bịt, độ phân giải 2500 20 0 2c 22a 54 Hinh 4.9: Encoder E40H§-2048-6-LT5 L1 01121 12111211111 1121111 1111111201111 X1 1k ay 55 Hinh 4.10 : Mach Module 4 relay 5V iu ccccccccc sete ccesesceeeeeeesessssesesessssesenesees 56

Hinh 4.11: Card NI myRIO-1900.00.00 ccc cece cceeteeeceeceeeeseeteesenecseeeeceseestenieenteees 57

Hình 4.12: Cầu hình phần cứng của NI myRIO- 1900 - + s22 21221211271 1E x6 58 Hình 4.13: Sơ đồ khối phần cứng card NI myRIO-1900 -2- 2222222 xe 59

VIII

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

Hình 4.14: Sơ đồ I/O trên công mớ rộng MXP 52 1 9S E112 27121121 11 81c 60 Hình 4.15: Sơ đồ I/O trên công mớ rộng MSP S1 1E 1211211212121121 10 He 61 Hình 4.16: Phần mềm Labview 5: ScsS1212111551211115111111111111112111111211111111 111112 xeg 62

Hình 4.17: Tủ điện điều khiến của mô hình 22 2-2 2£S2E22EEt2E22E22EE 2522525222222 Xe2 63 Hình 4.18: Sơ đồ đấu dây của hệ thông 2 2522221 E22121512112112.1 21121 H xu 64 Hình 4.19: Lưu đồ thuật toán 2 2+2 +222E221121221121127111122112112112112112111 1.12 te 65 Hinh 4.20: Chương trình điều khiến - + 2-2 2E SE22EE22212512E57127111271271 111.12 X2 65 Hình 4.21: Bộ lọc nhiễu ¿221 22212192115122122121121121121211211211212111 21.1122 xe 66 Hình 4.22: Khối PID ANTI-WINDUE 2 2221 2122122212212 221 re 66 Hình 4.23: Giao điện SCADA của hệ thống 5 c9 E1 5111111211121 2 c0 67 Hình 5.1: Kết quả mô hình chạy bằng bộ PID với tốc độ thay đổi 63

Hình 5.2: Kết quả mô hình chạy bằng thuật toán Trackine Antiwindup với tốc độ thay

Hình 5.3: Kết quả mô hình chạy bằng bộ PID với tải thay đôi - S2 65

Hình 5.4: Kết quả mô hình chạy bằng thuật toán Tracking Antiwindup với tải thay đôi

CĐ ng TH TH HT TT HT TT HT TH TH n2 2 22 66 Hình 5.5: Kết quả mô hình chạy bằng bộ PID với tải và tốc độ thay đôi 67

Hình 5.6: Kết quả mô hình chạy bằng thuật toán Tracking Antiwindup với tải và tốc độ

IX

Thành

DANH MUC BANG BIEU

Bảng 1.1: Đáp ứng điều chỉnh khi tăng các thông số PID - 2 5252222 13 Bảng 1.2: Bộ thông số PID theo phương pháp Zieger — Nichols thứ nhắt 15 Bang 1.3: Bộ thông số PID theo phương pháp Zieger — Nichols thứ hai 17 Bảng 3.1: Thông số động cơ - - 5 S1 2E 121121111211211 2111111211121 2121 211g 39 Bảng 4.1: Thông số cài đặt cơ bản của biến tần S1 1T 2112112121112 He 50 Bảng 4.2: Chức năng ngỏ vào và ra của biến tần s5 SSn 12 21211 11211212 n yeu 51 Bảng 4.3: Các tham số chính của Eneoer 2: + sS‡E92E21E215711121112121 12 1x6 55 Bảng 4.4: Chức năng của các chân trên cổng A, B của bộ điều khiến NI-myRIO 1900

CT1 1111111111111 1111111 111111116 1111111111111 1111111 111111116 11H11 T111 1111111111 1111111 11 1111110011011 T16 111 61

Bảng 4.5: Chức năng của các chân trên công C của bộ điều khiến NI myRIO 1900 62 YBang 5.1: Bang so sánh 2 phương pháp ở chế độ tốc độ thay đổi -5- 69 Bảng 5.2: Bảng so sánh 2 phương pháp ở chế độ có tải thay đỔi 5 55s cscs¿ 71 Y

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

đó điểm nổi bật trong ngành điều khiển tự động hóa là điều khiến chính xác, đã trở thành một phần không thê thiếu trone nền công nghiệp hiện đại Phần lớn trong các ngành công nghiệp từ công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa chất, xử lý nước, sản xuất giấy, sản xuất điện năng: các loại máy móc; thiết bị dân dụng: động cơ điện trong các máy công cụ, máy CNC; cánh tay robot; đến thiết bị gia dụng như máy điều hòa; máy hút bụi ngay cả trong máy vi tính đa số đều yêu cầu độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và chu kỳ bảo dưỡng dải Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng dé đạt được chỉ tiêu nêu trên là điều khiển được tốc độ động :cơ điện một cách ôn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đôi trạng thai ‘Vi vậy việc thiết kế bộ điều khiến tốc độ động :cơ với tốc độ đáp ứng nhanh và độ chính xác cao là vẫn đề chính trong đề tài này

Việc ứng dụng những thuật toán :kinh điển vào vấn đề điều khiển tốc độ động

cơ đã đạt được nhiều kết quả khả quan Các bộ điều khiển công nghiệp phố biến như

bộ điều khiến P, bộ điều khiến PI, bộ điều khiến PID truyền thống thường được sử

dụng để điều khiển tốc độ động cơ Chỉnh định thông số cho bộ điều khiến PID cũng

có nhiều phương pháp Tuy nhiên, đối với các hệ mà bộ điều khiển có chứa thành phan tích phân va tin hiệu bị hạn chế như những hệ thống có cơ cầu chấp hành shai vi trí như kiểu rơle, van đóng mở và trong trường hợp bộ điều khiến có thành phần tích

phân bị giới hạn tín hiệu sẽ có thể xuất hiện hiện tượng bão hòa tích phân, hiện

tượng này :cÓ thé gay mắt ôn định hệ thông và một vai tac hai không mong muốn Do

đó, một số cấu trúc điều khiến nâng :cao đã được :sử dụng để cải thiện hiệu quả của kiêm soát PID trong icac diéu kién hoat động phức :tạp như tải hoặc tốc độ thay đôi

lớn.

Bộ điều khiển PID sử dụng 7?acling Amiwindup mang lại hiệu quả tốt hơn so với các phương pháp điều khiên PID truyền thống với độ vọt lỗ thấp hơn và khả năng kiểm soát tốc độ tốt hơn khi có tải thay đổi Chính vì vậy, đê điều khiến tốc độ, trong khóa luận này, em chọn bộ điều khiển PID Tracking Antiwindup dé xử lý các hạn chế của bộ điều khiển PID truyền thống Bộ điều khiển PID Tracking Antiwindup sẽ được xây dựng bằng phần mềm LabView dựa trên card NI myRIO

1900 của NI

1.2 PHAM VI GIOI HAN DE TAI

Đề tài điều khiến tốc độ động cơ AC SERVO với tải thay đổi sử dụng thuật toán

PID nang cao dung card ni myrio 1900 theo một chiều dựa trên bộ điều khiển PID Tracking Antiwindup Từ thuật toán thiết kế trên Matlab, nhóm thực hiện mô hình dựa

trên card NI myRIO bằng cách ứng dụng phần mềm Labview Thực hiện lập trình hệ

thông theo từng phương pháp riêng biệt và liên kết với nhau

Đề tài chỉ thực hién phan lap trinh cho Phuong phap diéu khién PID Tracking

Amtiwindup điều khiên tốc độ động cơ theo 1 chiều Chỉ tìm hiểu và sử dụng các ngõ

vào, ngõ ra mạng card Ni Myrio 1900 và chế độ Analog biến tần Mitsubishi E520

1.3 CÁC ỨNG DỤNG THỰC TIẾN

Ứng dụng trong các dây truyền sản xuất nhà máy băng tải cần ôn định tốc độ, ứng dụng trong các hệ thống thang máy Đôi lúc :có thể xem sự ôn định của tốc độ động cơ mang yếu tô sống còn của chất lượng sản phẩm và sự ôn định của hệ thống

Vi idu: Máy ép nhựa làm dé giày, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu,

máy ly tâm định hình khi đúc Vì thế, việc điều khiển và ôn định tốc độ động cơ

được xem như vân đê chính yêu của các hệ thông điều khiên trong công nghiệp

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

HI31)9ÌI09Ì1:)U,EĐI) 9297.111.999

Hình 1.3 Máy cán thép

1.4 PHẢN MÈM ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK

1.4.1 GIỚI THIỆU MATLAB/SIMULINK

MATLAB (Matrix Laboratory) là một phần mềm khoa học được thiết kế để cung cấp việc tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao Matlab cung cấp các tính năng tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác đữ liệu :linh hoạt dưới dạng mảng ma trận dé tính toán và :quan sát Các :dữ liệu vào của Matlab có thế được nhập từ "Command line" hoặc từ :“mfiles", trong ido tập lệnh

Thành

được cho trước bởi Matlab Matlab cung cấp cho người dùng các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn Người dùng cũng có thé tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các

"mfiles" được viết cho các ứng dụng cụ thế Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ

giúp của Matlab cho các chức năng và các lệnh liên quan với các toolbox có sẵn

(dùng lệnh :help)

MATLAB 7.10.0 (2010a]

Fie Ect Dườug Pưaể 2ediep Winds Haệ

@ POM Bw FO cưetPddẻ: CÍpxưret:i sư Settings Pguyen Ngoc Tay Docuner ts MATLAD

Shortcuts 7) How te Add 4 What's New

urrent f older „1* x (Mi ai 1s Workspace ,ñ* x

= + « MyDounens > marae se Ø 9< “Za

MATLAB desktop keyboard shortcuts, such 9s Ctr

Im a@dition, many Keyboard shortcuts have char

across the desktop

To customize keyboard shortcuts, use Preferenc Jung lam vie

default tings by selecting Workspace from the active settings drop-down list For »

Click here if you do not want to see this seas

cửa số quản Ij file > EE Command Window

File Explorer VVincow

raus vector x I

cous the rovo

up [¢ & is « scaler ond ¥ ‹ ›

line objects are created and plotted as dis

x

PLOT(Y| plots the columns of Y versus their

If ¥ 19 complex, PLOT(Y) is equivalent co F

Im ail other uses of PLOT, the imaganery ps 4 4? 1H

v e types, plot symbols and colors

P 3) where 2 is œ& character string = from any or all the following 3 colwmo:

Hinh 1.4: Giao dién lam viéc trén Matlab

Simulink là một céng cy trong Matlab ding để mô hình, mô phỏng va phan tích các hệ thông động với môi trường giao điện sử dụng bằng đồ họa Việc xây dựng mô hình được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả Simulink ‘bao gom một bộ thư viện khối với các hộp :công :cụ toàn :diện :cho :cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thê dễ dàng chuyên đổi qua lại trong quá trình phân tích, vì vậy người dùng có thế tận dụng :được ưu thê của cả hai môi trường

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

iin a ibrary Browser is ea

Fie Edt View Help

B œ » [Enter sear Khung tim

LRrertes S — Search Res 4 ‘ol

Lookup Tables Drscontnurties

[> Math Operstions

Model Verification sivas

po Model-Wide Ltiities mm

Ì-Ports & Subsystems ea Logic and Bit

) Signal Attributes Operations

Signal Routing g- 3

tê, Các khôi chức năng

|-sa Thư viện

bets >= at +)- Additions! Math & Discrete + Operations

$ We Communications Blockset 5 biede!

ro IR Cortro! System Toolbox ® | Verification +> BE Data Acquistion molbox —n

+ BB EDA Simulator Link [~] ements

+) BR Embedded IDE Link

oe Furzy Logic Toolbox m1 Ports & a

File Edt View Simulation Format Tools Help

D.œM& +! E8 +«< ? -‹- r “a0 [Noma x

Thành

v Cung cấp thư viện lớn các hàm toán học cho đại số tuyến tính, thông kê, phân

tích Fourier, bộ lọc, tối ưu hóa, tích phân và giải các phương trình vi phân bình

v Xử lý tín hiệu và truyền thông

Xử ly hình ảnh và :video

Hệ thông điều khiến

Kiểm tra và đo lường

Tính toán tài chính

Tính toán :sinh học

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

CHUONG 2: CO SO LY THUYET

2.1 CAU TRUC HE THONG DIEU KHIEN TU DONG

Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiến tự động

- r(t)(reference input): tin hiệu vảo, tín hiệu chuẩn

- c(t)i(controlled putput): tín hiệu ra

-_ cht(£): tín hiệu hồi tiếp

-e(£) (error): sai số

- u(t): tin hiéu diéu khién

Bộ điều khiến là thành phần quan trọng nhất duy trì chế độ làm việc cho cả hệ thống điều khiến

2.2 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHÁT LƯỢNG HỆ THÓNG

2.2.1 Sai số xác lặp

Sai số xác lập là sai lệch giữa tín hiệu

đặt và tín hiệu hồi tiếp khi quá trình điều 7)

khiển kết thúc, hay nói cách khác là sai số

của hệ thông khi thời gian tiên đên vô cùng

Hình 1.2: Sai số xác lập

Thành

2.2.2 DO vot lé

Hiện tượng vọt lỗ là hiện tượng đáp ứng vượt quá giá trị xác lập của nó

Độ vọt lồ (Percent of Overshoot — POT) duoc tính bằng công thức:

2.2.3 Thời gian quá độ - Thời gian tăng lên

Thời gian quá độ (t„a): là thời gian cần thiết để sai lệch giữa đáp ứng của hệ thống và giá trị xác lập của nó không vượt quá e%, e% thường chọn là 2% (0,02)

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

2.3 BO DIEU KHIEN PID

2.3.1 Định nghĩa bộ điều khiến PID

Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển PID

Bộ điều khiên vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khién PID - Proportional Integral

Derivative) là bộ điều khiên theo cơ chế phản hồi vòng được sử dụng rộng rãi trong

các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số"

là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiến

sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Giải thuật tính toán bộ điều khiên PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được igor la điều khiến ba khâu: các giá trị tí lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I.và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động :của :saI số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tông các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình

thông qua một phần tử điều khiên như vị trí của van điều khiến hay bộ nguồn của

phân tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thế làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: :P phụ thuộc vào sai số hiện tại, ] phụ thuộc vào tích lũy :các :saI số quá khứ và

D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiến PID, bộ điều khiển có thê dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiên, 1á trị mà

bộ điều khiển vọt lế điểm đặt và giá trị dao động :của hệ thống

9

Thành

Vài ứng dụng :có thé yéu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tủy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt độ lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiến PID sẽ được gọi là bộ điều khiến PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt

các tác động bị khuyết Bộ điều khiến PI khá phổ biến do đáp ứng vi phân khá nhạy

đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân :có thể khiến hệ thống không đạt được g1á trị mong muốn

2.3.2 Cầu trúc bộ điều khiến PID

Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đối giá trị đầu ra, tỉ lệ với

gia tri sai s6 hién tai Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ

Khiâu tỉ lệ được cho bởi: P„„= K; e(t)

Trong đó:

P.„: Thừa số tỉ lệ của đầu ra

Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

e: Sai sé

£: Thời p1an hay thời gian tức thời (hiện tại)

Phân phối của khâu tích phân :(đôi khi còn gọi là reset) :ti lệ thuận với cả biên

độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số Tông sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bủ đã được hiệu chỉnh trước đó :Tích lũy isai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đâu ra của bộ điêu khiến :Biên

10

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ

lợi tích phan, kj

+* khâu tích phan (1)

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ

sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số Tông sai số tức thời theo thời gian (tích phân

sal số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiến Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phan, Ki

7„„: Thừa số tích phân của đầu ra

K; Độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh

e: Sai số

£: ¿Thời :ptan hoặc thời eIan tức thời (hiện tại)

: Biến tích phân trung gian

Khâu tích phân : (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyên động của quá

trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ôn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vỉ khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó

H

với độ lợi tỉ lệ Ka Biên độ của phân phối khâu vi phân : (đôi khi được gọi là tốc độ)

trên tất cả các hành vi điều khiên được giới hạn bởi độ lợi vị phân, :Ka

Chua HC eoeuespenes Td=0.1

wee: TA= O25

D.„„: Thừa số vi phân của đầu ra

ka Độ loi vi phan, một thông số điều chỉnh

e: Sai số

£: ¿Thời :ptan hoặc thời øIan tức thời (hiện tại)

Khâu ‘vi phan am icham tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiến và đặc tính này là :đang ichu iy nhất đề đạt tới điểm đặt của bộ điều khiến Từ đó, điều khiến vi phân được sử dụng, để làm giam ibién id6 vot lế được tạo ra bởi thành phần tích phân

và tăng cường độ ôn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu nay sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong

sai số, và có thê khiến quá trình trở nên không ôn định nếu nhiễu và độ lợi ví phân

đủ lớn

12

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

2.3.3 Đáp ứng của bộ điều khiến PID

Khâu tỉ lệ, tích phân, vị phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của

bộ điều khiến PID Định nghĩa rằng là đầu ra của bộ điều khiến, biểu thức cuối cùng

cua giai thuat PID ila:

Hàm truyền của bộ điều khiên PID:

Trong đó các thông số điều chỉnh theo bảng dưới đây:

Bảng 1.1: Đáp ứng điều chỉnh khi tăng các thông số PID

2.3.4 Chỉ định các tham số bộ điều khiến PID

Do từng thành phần của bộ PID có những ưu nhược điểm khác nhau và không thé đồng thời đạt được tất cả các chỉ tiêu chất lượng một cách tối ưu, nên cần lựa chọn thỏa hiệp giữa các yêu cầu chất lượng và mục :đích điều khiến Việc lựa chọn tham số cho bộ điều khiến PID cũng phụ thuộc vào đối tượng điều khiển và các

phương pháp xác định thông số Tuy nhiên kinh nghiệm cũng là một yếu tô quan trọng trong khâu nảy

13

Thành

Có nhiều phương pháp đề lựa chọn tham số cho bộ điều khiến PID Ở đây chỉ trình bảy về hai phương pháp phô biến hay được dùng, đó là phương pháp Ziepler — Nichols và phương pháp thử :sai

s* Phuong phap Ziegler va Nichols:

Ziegler va Nichols dua ra hai phuong phap thực nghiệm đề xác định tham số

bé diéu khién PID Phuong phap thir nhat ding mô hình quán tính bậc nhất của đối

tượng điều khiến Phương pháp thứ hai không cần đến mô hình toán học của đối tượng nhưng chỉ áp đụng cho một số lớp đối tượng nhất định

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Bảng 1.2: Bộ thông số PID theo phương pháp Zieger — Nichols thứ nhất

+ Phương pháp Z1eger-Nichols thứ hai:

Phương pháp này áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý

lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ Đáp ứng

quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vô cùng Phương pháp này

được thực hiện như sau:

+_ Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại + Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế

độ biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa + Xác định chu kỳ Tth của dao động

Thành

c(t)

Hinh 2.12: Dap wng cua hé kin

Tham số cho bộ điều khiển PID chon theo bảng sau:

+ Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P với đối tượng, điều chỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận vọt lố nhỏ

+;:Thém thành phần Kd dé loai vot 16, tang Kd tir tu, thi nghiém ivaichon

giá trị thích hợp Sai số xác lập có thê sẽ xuất hiện

16

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

+.Thêm thành phân Ki để giảm sai số xác lập Nên tăng Ki từ bé đến lớn

để giảm sai số xác lập đồng thời không đề cho vọt lố xuất hiện trở lại

2.4.HIỆN TƯỢNG BẢO HÒA TÍCH PHÂN VÀ BIỆN PHÁP KHÁC

PHỤC

2.4.1 Hiện tượng bảo hòa tích phần

Bão hoà tích phân : (reset windup, inteprator windup) là hiện tượng đầu ra của

bộ điều khién van tiếp tục tăng quá mức giới hạn do sự tích luỹ của thành phần tích phân vẫn tiếp tục được duy trì khi sai lệch điều khiển đã trở về không Hiện tượng

này xảy ra khi bộ điều khiến có chứa thành phần tích phân và tín hiệu bị giới hạn và trong trường hợp bộ điều khiến có thảnh phần tích phân bị giới hạn tín hiệu Mặt

khác ta biết rằng thành phần tích phân giúp cho đầu ra của hệ kín nhanh chóng đạt tới p1á trị đặt tuy nhiên tín hiệu đặt quá lớn hoặc thay đôi quá nhanh khi đó làm cho thiết bị chấp hành không đáp ứng kịp thì tính chất tuyến tính của luật điều khiển không còn :được :đảm bảo

“Windup” là một hiện tượng :øsây ra do tương tác của khâu tích phân trong bộ PID và sự bão hòa /Irong một hệ thống điều khiển với tần hoạt động rộng, icac biến điều khiến có thê đạt tới giới hạn của cơ cấu chấp hành Khi điều này xảy ra vòng phản hồi bị phá vỡ và hệ thống hoạt động như hệ thé ivi ico cầu chấp hành vẫn ở ĐIớI hạn của nó không phụ thuộc vào đầu vào của quá trình Nếu một bộ điều khiển có khâu tích phân được sử dụng, thì sai lệch tiếp tục được tích phân lên Điều nảy có

nghĩa là đại lượng tích phân có thế trở nên rất lớn, hay nói cách khác nó : “windup”

Khi đó, nó yêu cầu sai lệch phải có đấu ngược lại trong một khoảng thời gian dai

trước khi mọi thứ trở lại bình thường Kết quả là với một bộ điều khiển bất kì khâu

tích phân có thê đưa ra khoảng quá độ lớn khi cơ cầu chấp hành bão hòa Hệ thống

sẽ đáp ứng :chậm hơn :với thay đôi giá trị đặt Đến khi sai lệch điều khiễn triệt tiêu thì thành phần I trở nên rất lớn và tiếp tục tăng bởi tín hiệu điều khiến vẫn bị giới hạn

Do vậy thời gian quá điều chỉnh và độ quá điều chỉnh đều tăng lên Hiện tượng này

có thể lặp lại làm :cho hệ dao động nhiều hơn và thậm chí có thể làm cho hệ kín mắt

ổn định Đầu ra của bộ điều khiến càng :bị ølới hạn nhiều hoặc thời gian tích phân càng nhỏ thì chất lượng của hệ kín càng giảm so với trường hợp lý tưởng

17

Thành

2.4.2 Các biện pháp khắc phục

a) Phương pháp sử dụng tích phân có điều kiện

Mục tiêu của phương pháp này là khi sai lệch điều khiến bằng 0 tiến hành tách

bỏ thành phần tích phân trong bộ điều khiên hoặc tốt hơn hết là xoá bỏ hắn trạng thái của thành phần tích phân Từ đó, loại bỏ hiện tượng bão hòa tích phân

Ưu điểm: Loại bỏ hoàn toàn hiện tượng bão :hoà tích phân, tác động chính xác,

không tổn tại sai lệch tĩnh và không có độ quá điều chỉnh

Nhược điểm: Khó thực hiện và tác động chậm

b) Phương pháp tăng điểm đặt với độ dốc thích hợp

Với phương pháp này mục đích là để tốc độ của động cơ tăng đến giá trị đặt

một cách chậm đề đầu ra của tín hiệu điều khiển nằm trong giới hạn cho phép không

vượt quá điều chỉnh, và điều này làm tránh hiện tượng bão :hòa tích phân

Ưu điểm: Dễ thực hiện, đơn giản không tổn tại sai lệch tĩnh

Nhược điểm: Hệ thống tác động chậm hơn và do đó thời gian quá độ bị kéo

khiển để thực hiện thuật toán bù nhằm giảm thành phần tích phân Mục đích nhằm

thay đôi giá trị KT trong bộ điều khiến PID sao :cho tác động điều khiển nhanh chậm theo yêu cầu để hạn chế hoặc chống bão hoà tích phân Giá trị đầu ra của bộ điều

18

Khóa luận tốt nghiệp Nguyên Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tấn

khiến trước và sau khâu hạn chế được tính toán so sánh phản hồi về thành phần tích phân đề thực hiện thuật toán bù chống bão hoà tích phân

Ưu điểm: Triệt tiêu được sai lệch tĩnh, có khả năng :tác động nhanh

Nhược điểm: Không loại bỏ hoàn toàn hiện tượng bão hoà tích phân mà loại

Thay (3) vào (1), ta được:

Giả sử, gọi là trạng thái ôn định của hệ thống (hay e=0)

Ta có phương trình bộ điều khiến PID

19

Thành

Trong đó

Thay (2) vào (7), ta được:

Với điều kiện ôn định thi: q =, e = 0

Ta suy ra:

Thay (9) vào (7), ta được:

Chọn hàm Lyapunov như sau:

Ta có:

Thay (10) vào biểu thức (12), ta có:

Xét điều kiện ôn định Lyapunov, ta co hàm V thỏa:

i) V(e)>0,

ii) V(0)=0

iii)

Vậy hệ thống (11) ôn định Lyapunov

Ứng với từng giá trị ở mỗi giai đoạn mà khâu tích phân được điều chỉnh thích

hợp, các trường hợp được xét đến là tín hiệu điều khiển ở phạm vi ôn định và tín hiệu

điều khiến đạt 1á trị vượt hoặc thấp hơn giá trị đặt của hệ thống hay con goi 1a gia tri

20

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

bão hòa (lúc này hệ thống sẽ có sự tham gia của bộ Anti-windup), tùy vào từng trường hợp khâu tích phân sẽ được điều chỉnh thích hợp:

Với trường hợp , thì hệ thống sẽ hoạt động trong phạm vi ôn định

Trường hợp , lúc này hệ thống sẽ tiến hành so sánh giá trị đầu vào và giá trị đầu

ra sau bão hòa để tính toán sai lệch gửi phản hỗồi quay lại điều chỉnh khâu tích phân giúp nhanh chóng khắc phục được trạng thái bão hòa khi tín hiệu e bị đảo ngược Phương pháp Anti-windup của hệ thống được ứng dụng trong khâu hồi tiếp về khâu tích phân được tạo bởi tích của giá trị sai lệch giữa đầu vào và gia tri đầu ra sau bão hòa nhân với tín hiệu e đã được khuếch đại lên ( lần

Hệ thống sử dụng phương pháp Anti-windup nảy cho phép hạn chế được khâu

tích phân nhanh chóng và sử dụng hệ số khuếch đại nhân với tín hiệu e để hệ thông nhanh chóng vượt qua giai đoạn bão hòa giúp đạt hiệu suất điều khiến tốt hơn cho hệ thống

21

Thành

CHUONG 3: THIET KE BO DIEU KHIEN PID SU

DUNG TRACKING ANTIWINDUP

3.1 YEU CAU VA HUONG THIET KE

3.1.1 YEU CAU

“ Mục tiêu: Thiết kế bộ điều khiến cho tín hiệu đáp ứng tốt, thời gian xác lập

nhanh, độ vọt lỗ thấp, sai số xác lập nhỏ, khắc phục được tình trạng bão hòa tích phân

“ Giao diện điều khiển: sẽ bao gồm 3 phan 1a cac cai đặt, các hiển thị và các hướng dẫn

v Cài đặt: Chọn kênh diéu khién, chon ché độ điều khiến, chọn bộ điều khiến, chọn nút nhắn tương ứng, nhập setpoint

Hiến thị: Hiển thị lên đồ thị thứ nhất là tín hiệu ngõ ra Đồ thị thứ hai

hiện thị là tín hiệu setpoint và process variable tín hiệu ngõ ra và đồ thì cudi cùng hiện thị sai số theo thời gian

v Hướng dẫn: hướng dẫn điều khiển chương trình và tin nhắn từ hệ thống

3.1.2 HUONG THIET KE

Nghiên cứu tính toán, thiết kế, mô phỏng bộ điều khiến PID Tracking

Amtiwindup điều khiên động cơ không đồng bộ trên phần mềm Matlab/Simulink Sau

khi mô phỏng ra kết quả đáp ứng yêu cầu đặt ra chúng ta sử dụng phần mềm Labview thiết kế lại bộ điều khiển như đã thiết kế tính toán trên Matlab đề nhúng bộ điều khiển lên card NI myRIO vì phan mém Matlab không thế nhúng trực tiếp bộ điều khiển vào card NI myR]O

Code chương trình trên Labview: bao gồm 1 vòng lặp while và cấu trúc case chứa các code của các kênh điều khiên

Setpoint được cài đặt theo đơn vị (vòng/phút) đưa vào SP của các bộ điều khiến Nếu nhập sai setpoint thì SP sẽ lấy giá trị là 0 và báo ra tin nhắn “Bạn đã nhập sai setpoint”

Tín hiệu encoder lấy về qua khối encoder của card NI MyRio 1900 sẽ bị nhiễu

nên ta đưa qua bộ lọc nhiều sau đó đưa :vào 'PV của các bộ điều khiến

22

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

Các bộ điều khiến tính toán ngõ ra và xuất điện áp analog từ 0 đến 10V qua

C/AO0 của card NI MyRio.1900 cấp cho động cơ qua biến tần

3.2 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỎNG BỘ

BA PHA

3.2.1 VECTO KHÔNG GIAN CÁC ĐẠI LƯỢNG PHA

3.2.1.1 XÂY DỰNG VECTƠ KHÔNG GIAN

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba (hay bội số của ba) cuộn dây stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau:

Hình 3.1: Sơ đồ đấu dây và điện ap stator của ĐCKĐB ba pha

Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một :góc 120” tronp không igian

Hình 3.2: Vecto điện áp 3 pha đối xứng

Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần; ba điện áp này thỏa mãn phương trình: + + = 0 (1.1)

23

Thành

Trong đó:

Với ws = 2nf

fs la tan s6 cua mach stator

lus| la bién d6 của điện áp pha, có thê thay đôi

Vector không g1an của điện áp stator được định nghĩa như sau:

(tương tự như vector trong mặt phẳng phức hai chiều với 2 vector đơn vi) Theo công thức (I.6), vector là một vector có module không đổi quay trên mặt phẳng phức :với tốc độ sóc : và tạo với trục thực : (đi qua cuộn dây pha u) một góc „ trong đó fs là tần số mạch stator Việc xây dựng vector được mô tả

trong hỉnh sau

Im ~

Hình 3.3: Vector không gian dién ap stator trong hé toa d6 oB

Theo hình vẽ, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp stator lên trục của cuộn dây tương neg Đối với các đại lượng khác của động :cơ: dòng điện stator, dong rotor, tir thong stator và từ thông rotor đều có thê xây đựng các vector không gian tương ứng như đối với điện áp stator

24

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

3.2.1.2 HỆ TỌA ĐỘ CÓ ĐỊNH STATOR

Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định (||) quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một góc Đặt tên cho trục thực là œ và trục ảo là B, vector không gian có thê được mô tả thông qua hai giá trị thực () và ảo () là hai thành phần của vector Hệ tọa độ này là hệ tọa độ cô định, 201 tắt là hệ tọa độ ap

ips Cuodn day

pha B

Cuon day pha A a

Hình 3.4: Vector không gian điện áp stator và các điện áp pha

Bằng cách tính hình chiếu các thành phần của vector không gian điện áp stator

C), lên trục pha A, B có thể xác định các thành phần theo phương pháp hình học:

suy ra

Ta có phương trình:

ta có thê xác định ma trận chuyên đôi abc —>œÿ theo phương pháp đại số:

25

Thành

và ngược lại từ œj—>abc:

3.2.1.3 HỆ QUI CHIẾU QUAY

Trong :mặt phẳng của :hệ tọa : độ :œB, :xét:thêm một :hệ :tọa độ :thứ 2 :có :trục hoành d.và truc ‘tung q, +hé toa độ thứ 2 “này :có chung điểm gốc va nằm lệch đi một :øóc :Õs :so :với :hệ :tọa độ :stator (hệ :tọa :độ :œ) /Irong :đó, quay tròn quanh sốc toa id6 ichung, ig6c 8, = iWat :+ (0o, Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector trong không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này Hình vẽ sau sẽ mô tả mối liên hệ của hai tọa độ này

Biến đổi Park:

3.2.1.4 CHUYEN DOI TRUC TOA ĐỘ CHO VECTƠ KHÔNG GIAN

Biểu diễn hệ 3 pha trên các hệ trục tọa độ phức đứng yên (œ-) hay quay với vận tốc sóc bat kỳ (d-q) như hình dưới đề thực hiện tính toán trên không gian toán học

ảo và khi thu được kết quả tốt, thì biến đối lại ra giá trị thực, từ các ø1á trị này người ta

sẽ đưa ra các giải pháp thực hiện

26

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Hình 3.6: Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian từ hệ tọa độ œB sang hệ tọa độ dq và ngược lại

Dễ dàng chuyên tọa độ œ sang toa dé dq:

Chuyên tọa độ dq sang tọa độ ơ§ :

3.2.1.5 BIEU DIEN CAC VECTO KHONG GIAN TREN HE TOA DO TU

THONG ROTO

Giả thiết một ĐCKĐB ba pha đang quay với tốc độ góc (tốc độ quay của rotor

so với stator đứng yên), với 9 là góc hợp bởi trục rotor với trục chuẩn stator (qui định trục cuộn dây pha A, chính là trục œ trong hệ tọa dé af)

27

Cuộn Truc tir 4, pha C

thong rotor ;

Hình 3.7: Biểu điễn các vector không gian trên hệ tọa độ tử thông rotor

Độ chênh lệch giữavà ˆœ (giả thiết số đôi cực của động cơ là p=l) sẽ tạo nên dòng “điện rotor với tần số „ dòng “điện này cũng có thể được biểu diễn dưới dạng vector quay với tốc độ góc = 21, (= - œ © - ) so voi vector tir thong rotor

Ta xây dựng một hệ trục tọa" độ mới có hướng trục hoành (trục đ) trùng với trục của vector từ thông rotor va co sốc trùng với sốc của hệ tọa độ œB, hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ từ thông rotor, hay còn gọi là hệ tọa dq Hệ tọa độ dq quay” quanh điểm sốc chung với tốc độ góc =, và hợp với hệ tọa độ œ một góc

Gọi là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ œB

là vector dòng istator quan sát trên hệ tọa độ dq

Ta'có:

Chuyên tọa' độ từ 3 pha uv qua tọa' độ 0ÿ:

28

Khóa luận tốtnghiệp Nguyễn Văn Minh, Đào Đông Đức, Trần Phạm Phượng Tường, Châu Tan

Thành

Chuyên tọa" độ œB sang tọa độ dq:

Toàn bộ quái trình trên” được diễn tả theo sơ đồ khối sau:

Hình 3.8: Thu thập giá trị thực của vector dong stator trén hé toa d6 dq

Đối với ĐCKĐB 3 pha, trong hệ tọa độ dq, từ thông và mômen quay được biêu' diễn theo các phân” tử của vector dòng ˆstator:

29