Điều khiển động cơ điện một chiều kích từ đọc lập dùng thuật toán PID điều khiển mạch vòng dòng điện và tốc độ

tài liệu bản quyên, có file mô phỏng. Nếu mua liên hệ email thiết kế mạch điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập chương 23 pha điều kiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lậpxây dựng hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập hai mạch vòng điều chỉnh tốc độ và dòng điệnmô phỏng điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập không sử dụng cảm biến tốc độ

Bộ môn : Tự động hóa

Môn Học : Điều Khiển Truyền Động Điện

Tiêu đề bài tâp :

Mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập hệ thống 1 mạch vòng điều khiển tốc độ, và hệ thống 2 mạch vòng kín điều khiển dòng

điện và tốc độ trên Matlab Simulink.

Mô phỏng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ bằng 2 thuật điều khiển kinh điển luật V/f không đổi, và điều khiển Vector tựa theo từ

thông của Rotor.

Bao gồm file nguồn Matlab Simulink, Bảng thuyết minh.

Họ và tên : Lê Quang Hai

Lớp : 11D2 Nhóm : 27 Giáo viên giảng dạy và hướng dẫn làm bài tập lớn :

TS Lê Tiến Dũng

Tài liệu Tham khảo :

[1] Truyền Động Điện Thông Minh, Nguyễn Phùng Quang

[2] MatLab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nguyễn Phùng Quang

[3] Electric Motor Drives - Modeling Analysis and Control

[4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Van Liễn, Ðiều chỉnh tự dộng truyền dộng diện, NXBKhoa Học & Kỹ Thuật - Nam 2001.

[5] Nguyen Phung Quang, Andreas Dittrich, Vector Control of Phase AC Machines - System Development in the Practice, Springer 2009.

Three-[6] Slide” Điều khiển hệ thống truyền động điện”, TS.Lê Tiến Dũng

I Đề bài: Giả sử ta chọn động cơ DC có các thông số như bên dưới

Cho động cơ điện một chiều có các thông số sau

 Công suất định mức : Iđm = 8.3 (A)

 Điện áp phần ứng định mức : Uưđm = 220(V)

 Tốc độ định mức : nđm = 1470 (vòng /phút)

 Điện trở mạch phần ứng : Rư = 4 ()

 Điện kháng mạch phần ứng : Lư = 0.0072 (H)

 Mô men quán tính : J = 0,0607 (Kg.m2)

Yêu cầu thiết kế:

1 Tổng hợp mạch vòng tốc độ (hệ thống có 01 vòng kín) khi coi động cơ làkhâu dao động và khi coi động cơ là khâu quán tính bậc một (bỏ qua Tư, Tc) Sử dụngMatlab - Simulink mô phỏng hệ thống đã tổng hợp bằng sơ đồ khối và bằng thư việnSimpower System với nguồn cấp cho mạch kích từ là chỉnh lưu tia 3 pha không điềukhiển, nguồn cấp cho mạch phần ứng là chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ (hệ thống có 02 vòngkín) khi bỏ qua sức điện động cảm ứng và khi không bỏ qua đại lượng này Trong mỗitrường hợp sử dụng Matlab - Simulink mô phỏng hệ thống đã tổng hợp bằng sơ đồ khối Các thông số của máy phát tốc, cảm biến dòng điện, chỉnh lưu lấy từ bài giảng

Ukt, Ikt : Điện áp & dòng điện kích từ Lkt, Rkt : Điện trở & điện kháng kích từ

Uư, Iư : Điện áp & dòng điện phần ứng Te, TL : Moment quay, Moment cản

a

N p

N p k



 là hệ cấu tạo của động cơ (phụ thuộc vào kết cấu)

 Sức điện động của động cơ:

N p

k k 60

2 a 60 N p

ke      là hệ số sức điện động của động cơ

 Phương trình cân bằng điện áp phần ứng như sau:

uu u u

(4)

Từ phương trình (1) và (4) ta suy ra được phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một

chiều kích từ độc lập như sau:

m k

R k

u u u

2

) ( 

Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ,  = const thì phương trình đặc tính cơ của động

cơ điện một chiều là tuyến tính như hình dưới đây :

u u u u

 Phương trình chuyển động của hệ thống :

dt

d j m

m M  c   (8)Biến đổi Laplace (7) và (8), ta có :

uu(s) = eu(s) + Ruiu(s) + Lu.s.iu(s) (9)

mM - mc = J.s.(s) (10)Giả thiết mc = 0, suy ra :

J.s

)()

(.J.s)(s m M k s i s





).

(s J s

m



) ( )

(

1 )

(

) (

s k

J R s s k

J L s u

s

u u

( (

) ( 1 )

(

) (

J R s

s k

J R R L

s k s

u

s

u u

u

u u



cuối cùng ta được:

1sTsTT

k)

s(u

)s(

c

2 c u

d



(14)Trong đó : k d k 1(s)

J R

c



 là hằng số thời gian cơ

1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều kích từ độc lập :

Giả thiết  = const, từ các phương trình mô tả ở mục 2, ta có sơ đồ cấu trúc của động cơ

một chiều kích từ độc lập khi từ thông không đổi như sau :

Ta có:

60

n 2

R1

1

 u

R

1

s T 1

1

u



3.2 Tổng hợp hệ thống điều khiển động cơ điện 1 chiều

3.3.a Động cơ là khâu dao động bậc 2

Hàm truyền đạt của các khâu dạng tổng quát:

1 s T

R / 1

u

u

 1

s T

R / 1

Phát tốc

K p

K p

K



10

 =0.065, Tft = 0.002sHàm truyền của động cơ được viết dưới dạng như sau:

 

 1 1 2 1



p T p T

K p

dc , với T1 và T2 tính toán được là:

T1 = -1/-67.8042 = 0.1077sT2 = -1/-24.3743 = 0.0208s

Và hàm truyền đạt của đối tượng điều khiển như sau:

 

 1  1 2  1  1   1



p T p T P T p T

K p

S

ft cl

Trong đó, K = Kdc*Kcl*Kft = 1.2936, Tcl = Tclc3 = 0.00139s

Vì rằng, hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha (cấp cho mạch phần ứng) Tclc3 =0.00139 và hằng số thời gian của mạch phát tốc Tft = 0.002 (<1%s) được xem là hằng sốthời gian nhỏ nên bỏ qua, vậy hàm truyền đạt của đối tượng có thể viết lại như sau:

K p

S

Trong đó, T = Tcl + Tft = 0.00339(s)Theo nguyên lý tối ưu modul, chọn bộ điều khiển PID có hàm truyền như sau:

p

I P

1 1



TI = T1 + T2 = 0.1285s; TD = (T1.T2)/(T1+T2) = 0.0174s; KP = (T1+T2)/2.K.T = 1.4651;Tín hiệu ra của S(p) là điện áp theo tốc độ góc Để hiển thị được tốc độ động cơ cần bổsung khâu nghịch đảo của phát tốc và có hệ số khếch đại Dt = 60/(Kft*2*pi) để tốc độ hiển

thị là vòng/phút

Tiến hành mô phỏng như mục 3.4.a và 3.4.b.i

3.3.b Động cơ là khâu quán tính bậc 1

Từ kết quả tính toán các hệ số ở trên cho thấy Tu rất nhỏ so với Tc và tích số Tu*Tc là rất nhỏ (Tu*Tc = 6.0508e-004 <1/1000s) nên có thể bỏ qua thành phần này trong hàm truyền của động cơ, tức là bỏ qua thành phần bậc 2 trong đa thức đặc tính và xem động cơ là khâu quán tính bậc 1:

K p

W

c

dc dc

Hàm truyền đạt của đối tượng có thể viết lại như sau:

K p

S

c

Với các tham số K , T, K và T như đã xác định ở trên

Theo nguyên lý tối ưu modul, chọn bộ điều khiển PI có hàm truyền như sau:

p R

I P

1 1

Tiến hành mô phỏng như mục 3.4.a và 3.4.b.ii

3.4 Mô phỏng hệ thống dùng Matlab - Simulink

3.4.a Mô phỏng bằng sơ đồ khối

- Kết quả mô phỏng:

+ Động cơ là khâu dao động bậc 2

Động cơ là khâu quán tính bậc 1:

Thay mô hình hàm truyền đạt của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta có:

Giả thiết : T l B lm

Biến đổi sơ đồ ta được :

Trong đó:

11

Hàm truyền của bộ biến đổi :

Bộ điều khiển dòng điện và Bộ điều khiển tốc độ theo phương pháp hàm chuẩn đã xác định là khâu PI:

Sơ đồ khối hàm truyền đạt của hệ thống:

Ta thấy hàm khuếch đại của hệ có bậc 4, vì vậy cần đơn giản hóa hàm truyền để việc tổng hợp hệ thống được dễ dàng hơn.

Trong vùng lân cận của tần số cắt ta có thể xấp xỉ như sau:

Nhờ vậy hàm khuếch đại của hệ có thể được đơn giản hóa thành:

Trong đó hệ số K được xác định như sau:

Có thể thấy được các hằng số thời gian ở mẫu số của hàm truyền đạt GHi(s) của

hệ có giá trị khác nhau:

Nếu chúng ta chọn hằng số thời gian của bộ điều khiển dòng điện là: TC = T2

Thì hàm khuếch đại của hệ thống sẽ được đơn giản thành hệ bậc 2 như sau:

Do đó, phương trình đặc tính của hệ kín như sau:

(1 + sTl)(1 + sTr) + K = 0

Phương trình đặc tính có thể được viết lại như sau:

Từ phương trình đặc tính ta có tần số tự nhiên và hệ số tắt dao động như sau:

Để hệ thống có đặc tính động học tốt thì có thể chọn hệ số tắt dao động bằng

0.707 Vì vậy thay vào phương trình của  chúng ta có thể có:

Trong thực tế mô hình của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta có:

K >> 1 và Tl >> Tr

Do đó ta có hệ số K có thể xấp xỉ thành:

Từ phương trình của hệ số K chúng ta giải ra hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

PI là:

Xấp xỉ mô hình mạch vòng dòng điện thành mô hình bậc nhất

Để thiết kế mạch vòng tốc độ, mô hình bậc 2 của mạch vòng dòng điện cần được thay thế bằng một mô hình xấp xỉ bậc nhất.

Mạch vòng dòng điện được xấp xỉ bằng cách cộng thêm hằng số thời gian trễ trong khối bộ biến đổi vào hằng số Tl của động cơ Kết quả ta có hàm truyền đạt và sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện như sau:

Trong đó: T3 = Tl + Tr

Hàm truyền đạt có thể được đơn giản hóa thành:

Trong đó:

Tổng hợp mạch vòng tốc độ:

Mạch vòng tốc độ sau khi đã sử dụng xấp xỉ bậc nhất của mạch vòng dòng điện được biểu diễn như trên hình vẽ Trong đó hàm số khuếch đại (loop gain function) của hệ là:

Để giảm bậc của hệ thống, ta sử dụng phép xấp xỉ sau đây trong lân cận của tần số cắt:

Tiếp theo, ta xây dựng một hằng số thời gian tương đương với thời gian trễ của mạch phản hồi tốc độ và thời gian của mạch vòng dòng điện Tổng của hai thời gian trễ này rất nhỏ so với hằng số thời gian tích phân Do đó ta có sự xấp xỉ sau:

Thay các điều kiện này bằng các tham số của động cơ và bộ điều khiển chúng ta có:

Từ các phương trình cân bằng hệ số ở trên, cuối cùng ta có:

Thay các phương trình của hệ số Ks và Ts vào hàm truyền đạt của hệ kín, chúng ta có:

Với hàm truyền hệ kín như trên, hệ sẽ có độ quá điều chỉnh lớn Do đó một khâu

bù được thêm vào phía trước để giảm độ quá điều chỉnh:

2 HỆ THỐNG CÓ HAI VÒNG KÍN (PHẢN HỒI DÒNG ĐIỆN

VÀ TỐC ĐỘ)

2.1 Sơ đồ hệ thống

(-)

 Iu*



 R

PI/PID PI/PID

Ri Udk Imax

(OM) (OS)

(-) i

2.1 Sơ đồ khối hệ thống

(-) Uiu*

R

PI/PID PI/PID

Ri Uu Imax CBD FT

CL DM1

U

Uiu

iu U

DM2  K

(-) -E

2.1.a Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động cảm ứng

Sơ đồ khối hệ thống như sau (không xét đến mô men tải):

(-)

Hàm truyền đạt của các khâu trong hệ thống (ở trên chưa đề cập đến):

Ru p

W

u

dm , Ru và Tu đã được xác định ở phần trướcChỉnh lưu cầu 3 pha cấp cho mạch phần ứng:

U U

K p

(+)

Hàm truyền của hệ thống như sau:

Thiết kế bộ điều khiển dòng điện như sau:

Imax=20(A)Hc=7.09/(Imax)=0.355(V/A)

Mạch vòng điều chỉnh dòng điện được xấp xỉ lại như sau:

Trong đó:

Cảm biến dòng

Uiu(-)

DM2 

Hàm truyền đạt của các khâu trong hệ thống (ở trên chưa đề cập đến):

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ như sau:

Để ổn định tốc độ động cơ, chúng ta đưa vào hệ thống phản hồi tốc độ động cơ qua máy phát tốc với các thông số đã được xác định ở phần trước, tín hiệu được đưa qua bộ điều khiển PI hoặc PID

Các thông số và tính toán đã có file Mfile đính kèm

2.2 Mô phỏng hệ thống dùng Matlab - Simulink

2.1.a Mô phỏng bằng sơ đồ khối

2.2.a.i Bỏ qua ảnh hưởng của Sức điện động cảm ứng:

Sơ đồ mô phỏng

Kết quả mô phỏng như sau:

+ Các đáp ứng điều khiển:

Đáp ứng mạch vòng điều khiển tốc độ:

Đáp ứng của mạch vòng điều khiển dòng điện:

Đáp ứng tốc độ của động cơ:

Cảm biến dòng:

Để thay đổi và điều khiển được dòng điện, mômen ta dùng biến dòng để đo dòng điện phần ứng và cho phép mở máy động cơ Ngoài ra sử dụng biến dòng có ngắt ta sẽ khống chế được dòng điện khi máy làm việc quá tải trong thời gian ngắn

Tính chất của bộ biến dòng là thay đổi giá trị của dòng điện vì thế bộ biến dòng có chứa phần khuếch đại Lõi thép của bộ biến dòng phi tuyến mạnh nên có thời gian trễ tương

Để ổn định tốc độ động cơ, chúng ta đưa vào hệ thống phản hồi tốc độ động cơ qua máy phát tốc với các thông số đã được xác định ở phần trước, tín hiệu được đưa qua bộ điều khiển PI hoặc PID

Để chuyển đổi điện áp điều khiển thành góc , để đơn giản chúng ta có thể xem như góc

mở 

biến đổi tuyến tính so với điện áp điều khiển (-10V - +10V) Hàmtuyến tính là: = 90 - 9Uđk

Nhận xét:

Qua các kết quả ta đã mô phỏng ở trên ta thấy:

- Thời gian để đáp ứng với tốc độ đặt trước của động cơ rất nhanh chỉ khoảng 0.25s Mặc

dù độ vọt lố tăng khá lớn nhưng nó trở về trạng thái ổn định và xác lập cũng rất nhanh

- Quá trình quá độ kết thúc sau 0,5 giây, bộ PID ổn định hơn bộ PI

- Tốc độ động cơ thấp hơn giá trị đặt Điều này xảy ra do khi tính chọn PID và PI xuất phát từ hàm truyền gần đúng của hệ thống

- Ban đầu Moment tăng lên để nhằm mục đích gia tốc tốc độ động cơ càng nhanh đáp ứng tốc độ đặt trước càng nhanh càng tốt Nhưng qua kết quả mô phỏng cũng cho ta thấy được mặc dù tăng nhanh nhưng vẫn đáp ứng được độ hoạt động ổn định trong chế độ tĩnh cũng như động của động cơ một chiều kích từ độc lập

+ Trong chế độ tĩnh: Thì sau khoảng thời gian đặt trước là 1s thì tốc độ của động cơ đã bám theo đúng giá trị đặt trước, và các đáp ứng của hệ thống cũng ổn định dần.(Đáp ứng dòng điện, đáp ứng tốc độ)

+ Trong chế độ động: Thì vẫn đáp ứng trước các tiêu chí về độ vọt lố, tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh cũng như số lần dao động,…

-Qua kết quả mô phỏng: Khi ta đặt giá trị của Moment tải vào sau khi hệ thống hoạt động 0.5s thì ta thấy tốc độ của động cơ cũng như các đáp ứng khác của hệ thống có 1 nét gai trong 1 khoảng thời gian nhất định, nhưng sau đó không lâu thì trở về giá trị ổn định cũng như thỏa mãn được giá trị đặt trước, điều đó là nhờ các bộ điều chỉnh của tốc độ cũng như

bộ điều chỉnh dòng điện ở đây ta sử dụng PI, luật điều khiển là tối ưu Module và tối ưu đốixứng

ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU BA PHA KHÔNG ĐỒNG BỘ:

ĐIỀU KHIỂN VECTOR KHÔNG GIAN

1.1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý của ĐCKĐB ba pha nuôi bởi biến tần nguồn áp

Như hình bên dưới (hình 2.1) cho thấy sơ đồ nguyên lý của ĐCXCBP nuôi bởi biến tần dùng van bán dẫn Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều ba pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như là góc pha cho trước, được đặt lên ba cực của động cơ đúng theo yêu cầu Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều UDC Đối tượng biến tần được đề cập ở đây hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao, phân biệt với hai loại hoạt động theo nhịp dành cho các

hệ thống với công suất rất lớn, nơi mà thời gian trễ đóng ngắt của van bán dẫn rất lớn Các van bán dẫn đựơc dùng ở đây chủ yếu là transistor (IGBT, MOSFET), có

thể áp dụng một cách hạn chế đối với biến tần dùng thyristor.

Mỗi pha của động cơ có thể nhận một trong hai trạng thái: 1 (nối với cực “ +” của

UDC) hoặc 0 (nối với cực “ - ” của UDC) Do có 3 pha (3 cặp van bán dẫn) nên sẽ tồn tại 23 = 8 khả năng nối các pha của động cơ với UDC Vị trí tương đối của các vector

ĐCKĐB ba pha

UDC

Chùm xung kích do vi xử lý gửi

đến

abc

Hình 2.1 a: Sơ đồ nguyên lý của ĐCKĐB ba pha nuôi bởi biến tần nguồn áp

c-Trong đó, hai vector u0: cả ba cuộn dây nối với cực âm

u7: cả ba cuộn dây nối với cực dương

cả hai là các vector có module bằng không Trạng thái logic của các nhánh van được tập hợp như trong bảng 2.1 (bằng cách tìm hình chiếu của vector lên trục

của cuộn dây)

Bảng 2.1: Trạng thái logic của các vector điện áp chuẩn

Pha aPha b

Hình 2.1 b: Các vector điện áp chuẩn u 0 ….u 7 tạo

bởi ba nhánh van IGBT

Giả sử phải thực hiện vector us bất kỳ như hình 2.2 Vector đó có thể nằm ở góc sáu bất kỳ nào đó, ở đây us nằm ở góc phần sáu S1, us có thể được tách thành hai vecor con up, ut tựa theo hướng của hai vector chuẩn u1, u2 Các chỉ số viết thấp bến dưới

có ý nghĩa như sau:

p vector bên phải

t vector bên trái

Như đã biết, điện áp sẽ phải được tính đổi thành thời gian đóng ngắt van trong phạm vi một chu kỳ cắt xung nào đó Giả thiết toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ có ích, được phép dùng để thực hiện vector khi modul tối đa cũng không thể vượt quá 32

1 us là tổng của 2 vector biên up, ut: us = up + ut

2 Hai vector biên up và ut được xác định bởi trạng thái logic của u1 (cho up) và u2

(cho ut) trong hai khoảng thời gian sau:

(2.2)

hoặc u7 Bằng cách đó trên thực tế ta đã cộng vector sau đây:

us = up + ut + u0 (hoặc u7) (2.3)

=

pulse

p T

T

T T T

*

.u0 (hoặc u7)

Để thể hiện 4 vector kể trên được rõ hơn, ta sẽ tách nó khỏi bẳng logic 2.1 và được viết

lại trong bảng logíc 2.2 như sau:

trong cả khoảng T*

pulse Nếu trạng thái cuối cùng của chu kỳ trước ứng với u0, trình tự đó là :

u0  u1  u2  u7

Nếu trạng thái cuối cùng của chu kỳ trước ứng với u7, trình tự đó là :

u7  u2  u1  u0

Bằng phương thức thực hiện điện áp (có thể gọi là: tạo xung kích thích) như vậy

sẽ gây tổn hao đóng ngắt các van của biến tần ở mức ít nhất Nếu thể hiện bằng hình

vẽ trạng thái đóng ngắt của hai chu kỳ kế tiếp nhau (hình 2.3) sẽ thu được hình ảnh

mẫu xung kích thích van của phương pháp điều chế độ rộng xung

Trang : 33

Bảng 2.2: Trạng thái logic của góc phần sáu S 1

000 100 110 111 110 100 000 100

abcu