Tóm tắt luận văn ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỐ TRONG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

-1CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỐ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Ưu điểm hệ điều khiển số Ưu điểm sau có tính chất quyết định của điều khiển số: - Điều khiển thông minh Các chương trình phần mềm cho phép tối ưu hóa điều khiển và thay đổi các tính mong muốn, ví dụ điều khiển mô men hoặc từ thông không đổi Có thể thực hiện điều khiển logic phức tạp trường hợp này giá thành thiết bị rất đắt và tốn nhiều thời gian thực hiện - Đơn giản hóa thiết bị, tiêu chuẩn hóa và tích hợp hóa 1.2 Một số vấn đề quan trọng hệ điều khiển số 1.2.1 Tín hiệu điều khiển số Bộ điều khiển số hiện thực chất là một hệ vi xử lý Cấu trúc hệ điều khiển sớ điển hình hình 1.1 Y(t) u(t) X(t) Đối tượng Vi xử A/D D/A điều khiển lý Khối đo Phản hồi Hình 1.1 Cấu trúc hệ điều khiển số 1.2.2 Mô tả toán học hệ thống xung – số 1.2.2.1 Sai phân của hàm rời rạc và phương trình sai phân Sai phân cấp k: k k! ∆ k f (i) = ∆ k −1f (i + 1) − ∆ k −1f (i) = ∑ ( −1) k − j f (i + j) (1-5) j= j!(k − j)! Đối với hệ liên tục ta biết được phương trình vi phân mô tả động học dạng sau: dn y d n −1 y a n + a n −1 + + a n y(t) = u(t) (1-6) dt dt Tương tự đối với hệ xung số, động học của hệ thống được mô tả bởi phương trình sai phân sau đây: A ∆ (n) y(i) + A1∆ (n −1) y(i) + + A n y(i) = u(i) (1-7) Nếu sử dụng công thức tính sai phân tổng quát (1-5) ta viết phương trình (1-7) dạng khác: A y(i + n) + a y(i + n − 1) + + a n y(i) = u(i) (1-8) Trong đó u(i) là hàm rời rạc đầu vào của hệ thống còn y(i) là hàm rời rạc đầu 1.2.2.2 Phương trình trạng thái hệ điều khiển xung – số Ta đã biết đối với hệ liên tục mô tả bởi phương trình trạng thái sau đây: -2- &  x(t) = A.X(t) + B.u(t) (1-9)   y(t) = C.X(t) + D.u(t) Tương tự, đối với hệ thống xung số ta có phương trình trạng thái rời rạc sau đây:  x(i + 1) = A d x(i) + Bd u(i) (1-10)   y(i) = Cd x(i) + D d u(i) 1.2.3 Phép biến đổi z 1.2.3.1 Tổng quan Trong hệ tuyến tính liên tục, phép biến đổi Laplace giữ vai trò quan trọng thì hệ xung – số phép biến đổi z cũng có chức tương tự Nếu có hàm liên tục f(t), ta sẽ có hàm rời rạc f(iT) với chu kỳ cắt mẫu T Theo giải thích ta viết hàm f(iT) sau: ∞ f (iT) = ∑ f (t).δ(t − iT) (1-11) i =0 Với δ(t − iT) là hàm xung dirac Ta có: ∞ F(Z) = ∑ f (iT).Z− i (1-12) i =0 F(Z) là biến đổi Z của hàm f(iT) F(Z) = Z{f(i)} 1.2.3.2 Các tính chất của biến đổi Z a Tính chất dịch hàm gốc f(i+1) Z{f(i)} = F(Z Z{f(i+1)} = Z.F(Z) – Zf(0) (1-13) (1-18) (1-14) m −1 m m− j Tổng quát: Z{ f ( i + m ) } = Z F ( Z ) − ∑ f (i).Z j= b Tính chất tuyến tính Z{a.f1 (i) + b.f (i) = a.F1 (z) + b.F2 (Z) c Giá trị đầu của hàm gốc rời rạc F(i = 0) = f (0) = lim F(Z) = lim f (i) z →∞ i →0 d Giá trị cuối của hàm gốc rời rạc Lim f (i) = Lim(Z − 1).F(z) i →∞ z→∞ e Biến đổi z của sai phân Δf(i) (sai phân tiến) ∆f (i) = f (i + 1) − f (i) Z{∆f (i)} = (Z − 1).F(Z) − Z.f (0) Tương tự đối với sai phân cấp hai: z{∆ 2f (i)} = (z − 1) F(z) − z.(z − 1).f (0) − z.∆f (0) g Biến đổi z của sai phân lùi ∇f (i) = f (i) − f (i − 1) (1-15) (1-16) (1-17) (1-18) (1-19) (1-20) (1-21) (1-22) Z{∇f (i)} = (1 − Z−1 ).F(Z) 1.2.4 Hàm truyền đạt hệ thống xung – số 1.2.4.1 Xác định hàm truyền đạt theo phương trình sai phân Giả sử ta biết được phương trình sai phân hệ thống điều khiển rời rạc có dạng sau: -3a y(i + n) + a 1y(i + n − 1) + + a n y(i) = b 0u(i + m) + b 1.u(i + m − 1) + + b mu(i) (1-23) Với điều kiện đầu triệt tiêu, nhờ công thức biến đổi Z của hàm chuyển dịch Z{f(i+m)} = Zm.F(Z), từ (1-28) ta có phương trình đại số theo biến Z sau: (a z n + a 1z n −1 + + a n )Y(z) = (b z m + b1z m −1 + + b m ).u(z) (1-24) Tương tự hệ liên tục ta định nghĩa hàm truyền đạt hệ thống xung – số là W(Z), bằng tỷ số và lượng vào theo biến đổi z Y(Z) b Zm + b1Zm−1 + + b m W(Z) = (1-25) u(Z) a Z n + a 1Zn −1 + + a n 1.2.4.2 Xác định hàm truyền đạt rời rạc theo hàm truyền đạt phần liên tục Hệ thống xung – số có một phần tử tạo xung (PTX) nối tiếp với một phần liên tục (PLT) Về phương diện toán học: phần tử xung thực (PTX) có thể tách thành hai thành phần: một là phần tử xung lý tưởng và một nửa là phần tử lưu giữ Phương pháp phân tích hệ thống về sau, ta sẽ ghép phân tử lưu giữ (LG) với phần tử liên tục và tạo thành một phần liên tục quy đổi (PLTQĐ) Việc tách và ghép theo cách vừa trình bày chỉ tồn tại ở phương diện phân tích toán học Khi đó ta có sơ đồ tương đương vẽ hình 1.5 U(t) U* PTX Lý tưởng PLT Qui đổi y(t) Hình 134 Sơ đờ tương đương Đối với phần tử liên tục qui đổi sẽ gồm nối tiếp phần tử LG mô tả bởi hàm truyền đạt liên tục WLG(p) và PLT có WLT(p) Khi đó hàm truyền đạt PLTQĐ, ký hiệu WLTQĐ(p): WLTQD(p) = WLG(p).WLT(p) Sơ đồ hình 1.5, đơn giản ta có thể biểu diễn bằng cấu trúc hình 1.6 với khóa ngắt K đặc trưng cho phần tử xung lý tưởng ( δ ) U* U K WLTQĐ(P) y(t) Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc Đối với phần tử LG, tùy thuộc vào dạng xung thực tế mà PTX mà W LG(p) có dạng khác 1.2.4.3 Hàm truyền đạt của hệ thống xung – số kín Ta xét hệ thống rời rạc bản hình 1.6 -4- U(t) e(t) (-) f(t) e(iT) Hold Circuit (LG) WLT(P) y(t) WFH(P) Hình 1.2 Hệ thớng rời rạc bản Hàm trùn đạt hệ kín Wk(z) là: Z{WLG (p).WLT (p)} Y(z) Wk (z) = = (1-26) u(z) 1+ Z{WLG (p).WLT (p).WFH (p)} 1.2.5 Tính ổn định của hệ thống xung số Tượng tự hệ thống liên tục, một quá trình điều khiển hệ thống xung – số gồm hai quá trình: xác lập và quá độ Nghiệm riêng phương trình sai phân bậc n đặc trưng cho quá trình quá độ: a y(i + n) + a1y(i + n -1) + + a n y(i) = b 0u(i) (1-27) Từ hàm truyền đạt hệ thống kín theo biến đổi z: Y(z) Wk (z) = u(z) Y(z) = Wk (z).u(z) (1-28) Từ (1-43) ta xác định được phương trình đặc tính dạng: a Zn + a1Zn-1 + + a n-1Z + a n = (1-29) Trong đó: Z = e pT = e(α+ jω)T = eαT e jωT Z = eαT (cosωT + jsinωT) (1-30) Qua biểu thức (1-45) thành phần (cosωT + jsinωT) có mođun giới hạn bằng Do đó mođun của Z là: Z = e αT (1-31) Từ (1-46) ta thấy: α > 0, Z > α = 0, Z = (1-32) α < 0, Z < Ta có thể thấy quan hệ giữa mặt phẳng p và mặt phẳng Z Mặt phẳng p Mặt phẳng z Z > : Bên ngoài vòng tròn đơn vị α > 0: Nửa bên phải mặt phẳng p α = 0: Trục ảo jω Z = : Đường tròng bán kinh α > 0: Nửa bên trái mặt phẳng p Z Tck ) 3.3.3 Đảo chiều quay Để đảo chiều quay hạ buồng thang máy, ta đặt lượng vào phạm vi Tckđ > t > và thay đổi uđk thì tốc độ hạ thang máy thay đổi 3.3.4 Dừng thang máy Trong hệ thống này ta sẽ tiến hành hãm động năng, lúc này cắt điện áp nguồn cấp cho động theo quán tính động truyền động thang máy vẫn quay, lượng của - 22 động được đưa mạch giữa nhờ các ốt bộ biến đổi xung áp lúc này ta không chế cho TR làm việc Lúc này, điện trở hãm được đưa vào mạch động lực Động tiến hành hãm động và thực hiện hãm dừng thang máy cưỡng bức, đặc tính hãm động 3.3.5 Chế độ hãm tái sinh Chế độ hãm tái sinh xảy ta hạ tốc độ từ tốc độ cao về tốc độ thấp Để quá trình hãm tái sinh xảy được sơ đồ này ta cần phải thiết kế bộ chỉnh lưu đầu vào có sơ đồ cấu trúc sau: PWM CL PWM ĐC encoder Card Arduino Bộ điều khiển PWM Điều khiển chỉnh lưu Điều khiển ngịch lưu Hình 3.4 Sơ đờ khới hệ trùn đợng Từ sơ đồ khối trên, Ta có thể vẽ mạch động lực của hệ truyền động hình 3.5 PWM CLPWM L ~ ~ C Ð ~ Hình 3.5 Mạch đợng lực của hệ truyền động Để thực hiện hãm tái sinh, lượng động trả lại cho lưới thì ta phải xây dựng hệ điều khiển bộ chỉnh lưu PWM Cấu trúc chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC được biểu diễn hình 3.6 - 23 SCL a,b,c iLa iLb Udc Khâu điều chế độ rộng xung PWM Đo dòng điện và ước lượng điện áp lưới iLα iLβ α-β α-β iLd uLβ uLα k-γ usα sin γ UL - usβ α-β cos γ UL ΔUdc usd PI iLq PI d-q usq sin γ UL d-q cos γ U L - U* dc PI ΔiLq i* = Lq ΔiLd - i* Ld Hình 3.6 Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC Cấu trúc các mạch vòng điều khiển CLPWM được trình bày hình 3.7 * * Trong đó lượng đặt dòng điện i q = , lượng đặt dòng i d lấy từ đầu bộ điều chỉnh điện áp một chiều uLd * ΔUdc usd ΔUd + PI id PI Udc Bộ điều khiển dòng Bộ điều khiển điện áp + + + + Udc id -ωL iq i =0 * q -ωL PI Bộ điều khiển dòng Hình 3.7 Cấu trúc các mạch vòng điều khiển CLPWM theo VOC Cấu trúc điều khiển CLPWM theo VOC được trình bày hình 3.8 + + usq - 24 PWM Ua CLPWM L ia L Ub U L ib ic c ia Ð ib Sa Sb Sc PWM Đo dòng điện và đánh giá điện áp lưới iLα iLβ α-β iLd d-q Udc U* _ ref dc uLα u Lβ sin γ U L α-β α-β k-γ cos γ U L ΔUdc usq sin γ U L usd PI PI ΔiLq iLq PI d-q ΔiLd i* _ ref = i* _ ref d q Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển CLPWM theo VOC Cấu trúc mạch vòng dòng điện của chỉnh lưu tích cực được trình bày hình 3.9 Kp i* d + uLd - Ki s -id u usd - Ld R + Ls ωL ωL i* q -iq ωL ωL Kp Ki s usq + uLq uLq R + Ls Hình 3.9 Cấu trúc mạch vòng dòng điện của chỉnh lưu tích cực Tính tham số: Cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ tác động giữa hai kênh d, q: - 25 KP u* s i* - Ki s 1 + Tt s us 1/ R + Ts i Hình 3.10 Cấu trúc mạch vòng dòng điện bỏ qua tác động giữa hai kênh d, q Đối tượng mạch vòng dòng điện: i(s) 1/ R G i (s) = * = u s + Tts + Ts L Trong đó: T = : Hằng số thời gian mạch vòng dòng điện R Tt: Hằng số thời gian của bộ biến đổi Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun ta tính được tham số bộ điều chỉnh dòng điện sau: L  Kp =   Ti = T 2Tt   L Hay   Kp L L R Kp = = = = K i =  2Tt  Ti 2Tt T 2T L 2Tt  t  R 3.3.6 Mô phỏng hệ truyền động số xung áp – động điện một chiều dùng card arduino truyền đông cho thang máy hãm tái sinh 3.3.6.1 Cấu trúc mô phỏng hệ truyền động thang máy a Tham số mô phỏng + L = 10mH + C = 1000mF Tham số nguồn vào khối chỉnh lưu + U~ = 220/380, f = 50Hz Phần một chiều của biến tần PWM: + Udc = 650V Tham số bộ điều khiển dòng: + Kp = 10 + Ki = 1000 Tham số bộ điều khiển tốc độ: + Kp = 2,6 + Ki = 50 3.3.6.2 Cấu trúc mô phỏng hệ thống và sơ đồ chi tiết Trong hệ thống này sử dụng điều khiển chỉnh lưu PWM là phương pháp VOC, còn phần nghịch lưu sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) Sơ đồ mô phỏng hệ thống dùng phần mềm PLECS chạy MATLAB Sơ đồ mô phỏng hệ thống được trình bày hình vẽ sau: - 26 - Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC Hình 3.12 Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC của mô hình hình 3.23 Hình 3.13 Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình 3.3.6.2 Các kết quả mô phỏng chỉnh lưu PWM - 27 - Hình 3.14 Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC Hình 3.15 Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC Hình 3.16 Dòng điện một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC thời gian 1/6 chu kỳ nguồn - 28 - Hình 3.17 Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC thời gian chu kỳ nguồn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với đề tài đã nêu ra, bản luận văn đã nghiên cứu giải quyết đươc những vấn đề sau: - Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ truyền động số - xung áp thích hợp đó ứng dụng card arduino Với sơ đồ này, giúp cho việc tính toán khảo sát hệ truyền động số, đồng thời có thể thí nghiệm với thiết bị của Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên có được và cũng là hệ truyền động có nhiều ưu điểm so với hệ truyền động khác - Xây dựng được phương pháp tính toán khảo sát ổn định và chất lượng hệ điều khiển xung – số được điều khiển bởi card arduino thích hợp và kết quả mô phỏng giúp chúng ta đánh giá chất lượng sơ bộ hệ thống, đồng thời thí nghiệm thành công Kết quả lý thuyết và thực nghiệm, khẳng định hệ truyền động này đảm bảo chất lượng, đồng thời đảm bảo các thông số kỹ thuật để tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào máy sản xuất nói chung và thang máy nói riêng - Với việc ứng dụng hệ truyền động xung số này cho thang máy, dựa yêu cầu truyền động cho thang máy Bản luận văn đã xây dựng thành công chế độ hãm tái sinh là một chế độ hãm mới mà các thang máy ngoài thực tế chưa sử dụng - kết quả của bản luận văn làm tài liệu tham khảo cho các Trường Đại học, cao đẳng kỹ thuật Kiến nghị Kết quả này chỉ dừng lại ở phần lý thuyết và được thí nghiệm để kiểm nghiệm với một chế độ của hệ truyền động là điều chỉnh tốc độ, thời gian tới cần thí nghiệm để kiểm chứng các chế độ hãm hãm động và hãm tái sinh Đồng thời tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào thực tế sản xuất ... động xung – số được điều khiển bởi card arduino 1.3.1 Sơ đồ khối hệ truyền động xung – số được điều khiển bởi card arduino Hình 1.12 là sơ đồ khối hệ truyền động xung – số. .. đồ khối của hệ thống điều khiển số T-Đ WE(S) n(s) -92.3 Tổng hợp hệ thống điều khiển số Tổng hợp hệ điều khiển số là quá trình xây dựng hàm số truyền các mạch vòng... 3.1.6.2 Động Trong bản luận văn thì động sử dụng là động điện một chiều được điều khiển bởi hệ thống truyền động xung áp – động điện một chiều 3.1.6.3 Phanh Phanh hãm điện