Xây dựng hệ thống điều khiển vị trí động cơ xoay chiều với cấu trúc biến đổi sử dụng card dSPACE 1104

Bài viết này trình bày một phương pháp xây dựng bộ điều khiển vị trí động cơ xoay chiều với cấu trúc biến đổi sử dụng card dSPACE 1104. Để giải quyết bài toán này, việc sử dụng phần mềm mô phỏng, lập trình thực nghiệm với máy vi tính, thu thập dữ liệu và điều khiển là các công cụ trợ giúp đắc lực và có hiệu quả.

Nghiên cứu khoa học công nghệ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU VỚI CẤU TRÚC BIẾN ĐỔI SỬ DỤNG CARD dSPACE 1104 Trần Đức Chuyển1*, Nguyễn Đức Điển1, Trần Ngọc Sơn1, Lê Văn Ánh1, Đỗ Mạnh Đản2 Tóm tắt: Trong hệ thống truyền động điện công nghiệp, thường gặp đối tượng cần giải tốn điều khiển vị trí góc, dịch chuyển đối tượng từ vị trí sang vị trí khác cách tiệm cận khơng có độ q chỉnh bảo đảm tính tác động nhanh cực đại Đây tốn tối ưu đa mục tiêu có nhiều cách giải khác Bài báo trình bày phương pháp xây dựng điều khiển vị trí động xoay chiều với cấu trúc biến đổi sử dụng card dSPACE 1104 Để giải toán này, việc sử dụng phần mềm mơ phỏng, lập trình thực nghiệm với máy vi tính, thu thập liệu điều khiển công cụ trợ giúp đắc lực có hiệu Từ khóa: Điều khiển vị trí động xoay chiều đồng bộ; Điều khiển vị trí; Cấu trúc biến đổi ĐẶT VẤN ĐỀ Những năm gần đây, động xoay chiều (ĐCXC) đồng ngày ứng dụng rộng rãi hệ thống truyền động điện công nghiệp, nhằm thay động chiều chứa nhiều nhược điểm ĐCXC chế tạo thành module chứa sẵn với nhiều chế độ điều khiển khác nhau: chế độ tốc độ làm việc nhanh, chế độ làm việc chậm, Để ứng dụng động xoay chiều vào hệ thống truyền động điều khiển vị trí, đặc biệt hệ thống điều khiển đòi hỏi cần có chất lượng cao hệ truyền động điện bám công nghiệp, nhiều vấn đề phải giải quyết, [2, 3, 4] Trên sở cấu trúc điều khiển tựa véc tơ từ thông rô to (FOC), ta nhận thấy: Mạch vòng điều khiển mơ men thơng qua điều khiển dòng stator; Mạch vòng điều khiển tốc độ lại có ưu điểm phân ly trình điều khiển từ thơng q trình sinh mơ men động cơ, [3, 5] Ưu điểm phương pháp điều khiển tựa véc tơ từ thông rô to động xoay chiều khả điều khiển tách biệt dòng kích thích dòng tạo mơ men giống động chiều Vì thế, mang lại cho động xoay chiều tính điều khiển tốt Vì vậy, phương pháp nhận quan tâm nhiều từ trước đến Hơn nữa, ngày nay, kỹ thuật điều khiển số có nhiều ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật điều khiển tương tự, đó, kỹ thuật điều khiển số sử dụng ngày phổ biến công nghiệp dân dụng, nghiên cứu sử dụng có liên quan đến kỹ thuật điều khiển số Mục tiêu đảm bảo chất lượng thoả mãn nhu cầu thị trường với chi phí thấp nhất, ứng dụng kỹ thuật cao xác máy cơng nghiệp như: máy cắt gọt kim loại, rô bốt công nghiệp,… để làm tăng suất lao động, giảm giá thành sản phẩm Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng card xử lý tín hiệu số đa nói chung card dSPACE 1104 nói riêng mục đích để kiểm chứng việc tính tốn xây dựng điều khiển (BĐK) vị trí, cho phép thực thuật toán điều khiển chuyển động dạng mã thời gian thực, [1, 5] Các trình thực nghiệm với thời gian thực vấn đề cần thiết có nhiều ý nghĩa công nghiệp dân dụng, [1, 7, 8] Trong [12] nghiên cứu hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi sử dụng thuật tốn điều khiển trượt, sử dụng dSPACE 1104, chưa điều khiển vị trí mà với dừng điều khiển tốc độ ĐCXC công suất nhỏ 1,1kW Tiếp theo, tài liệu [11] nghiên cứu hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi thiết kế BĐK trượt với mơ hình thực nghiệm có ĐCXC cơng suất nhỏ 1kW kéo theo ổ trục có tải cơng suất nhỏ Hơn nữa, số cơng trình nghiên cứu khác [10] nước dừng lại kết mơ mà chưa thể Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử thực nghiệm với điều khiển vị trí, thực nghiệm BĐK vị trí động chiều cơng suất nhỏ (động xoay chiều công suất nhỏ 1kW) Nhằm tạo cấu trúc thích hợp bảo đảm tối ưu cho hệ thống, báo trình bày phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển truyền động với cấu trúc biến đổi cho điều khiển vị trí sử dụng động xoay chiều đồng bộ, để nâng cao chất lượng điều khiển như: kỹ thuật điều khiển rơ bốt, điều khiển xác máy cắt gọt kim loại CNC, điều khiển trình, điều khiển cấu chấp hành điện khí nén thủy lực,… nhằm tiết kiệm lượng cho hệ thống điều khiển truyền động điện, [2, 4, 5, 7, 9] TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VỚI CẤU TRÚC BIẾN ĐỔI Chế độ làm việc sai lệch góc lượng vào lượng lớn, nên trình hoạt động hệ thống thường trải qua hai giai đoạn: Giai đoạn vượt chuyển động với tốc độ lớn để bảo đảm tính tác động nhanh giai đoạn bám Hệ thống cần phải vào đồng êm xác Để bảo đảm chất lượng cao cho trình điều khiển, hệ thống cần thiết kế cho giai đoạn có cấu trúc thích hợp với đặc trưng động học tốt Như vậy, hệ thống có cấu trúc biến đổi [3, 5, 9] Ở cần giải hai toán: - Bài toán tổng hợp cấu trúc tối ưu tương ứng cho giai đoạn; - Bài toán lựa chọn thời điểm chuyển đổi cấu trúc Phương pháp giải hai toán cho hệ thống truyền động bám với động xoay chiều, sơ đồ khối hệ thống truyền động bám vị trí sử dụng động xoay chiều với cấu trúc điều khiển hình d 2 M c1 r 1 M c2 Hình Sơ đồ hệ thống truyền động bám vị trí với cấu trúc biến đổi Hệ thống hình gồm vòng điều khiển vị trí với cấu trúc biến đổi vòng tốc độ Vòng tốc độ thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun tối ưu đối xứng, để đảm bảo tốc độ động bám sát tốc độ đặt có tính đến yếu tố phi tuyến bất định mơ thay đổi thông số động cơ, biến đổi mômen ma sát, giá trị đặt nhiễu phụ tải thay đổi Ngoài ra, có nguồn biến đổi cơng suất, ĐCXC số thiết bị đo lường phụ trợ khác Khi sử dụng dSPACE biến tần công nghiệp để xây dựng hệ thống điều khiển truyền động bám vấn đề thiết kế động học cho BĐK vị trí Khi góc sai lệch nhỏ, BĐK vị trí xây dựng theo nguyên lý thiết kế hệ truyền động điện nhiều vòng với vòng điều chỉnh lệ thuộc [3, 5] Khi thiết kế động học, BĐK vị trí ta coi vòng tốc độ thiết kế theo tiêu chuẩn tối ưu mơ đun tối ưu đối xứng Khi đó, vòng dòng điện có số thời gian điện từ (Tu) số thời gian biến đổi Tbđ thay 50 T Đ Chuyển, …, Đ M Đản, “Xây dựng hệ thống điều khiển … card dSPACE 1104.” Nghiên cứu khoa học công nghệ tổng chúng Tµ Vòng tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun, [3, 5] Khi xây dựng BĐK truyền động cho ĐCXC, yêu cầu có vòng kín điều chỉnh dòng id iq Điều cho phép giữ cho id = const chế độ độ cân bằng, cải thiện đặc tính lượng, iq thành phần dòng điện tạo mơ men [5] Thực tổng hợp vòng vị trí, cho vòng tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun tối ưu đối xứng [2, 3] Tổng hợp vòng vị trí theo phương pháp Ziegler - Nichols phương pháp sử dụng phần mềm thiết kế BĐK PID Design tài liệu [3], để thiết kế BĐK vị trí PI PID Khi đó, sơ đồ cấu trúc biến đổi thành sơ đồ hình 2a, sau tiếp tục biến đổi sơ đồ khối ta có sơ đồ hình 2b Trong đó: wk hàm truyền BĐK tốc độ, wk hàm truyền BĐK vị trí; k hệ số hàm truyền phần đo lường d w k d s w k w k w k s w k k b) a) Hình a) sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điều khiển vị trí, b) biến đổi sơ đồ cấu trúc hệ truyền động bám vị trí Xét hệ thống vùng sai lệch với góc đặt 0,1 rad Gọi Tµ tổng số thời gian nhỏ không bù ( T  Tu  Tbd ) Do hệ có qn tính học lớn nên số thời gian cần bù số thời gian điện hệ thống TM Đối tượng điều chỉnh vòng vị trí có dạng: 1/ K 1 W0  WK  s a aI T s  s (1) Khi hàm truyền kín viết Wk  1/ K (a aI T s  1) (2) Biểu thức (2) đơn giản gần bỏ qua số hạng bậc cao mẫu số hàm truyền Tổng hợp điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun [2, 3], hàm truyền mong muốn hệ có dạng sau: WH   1/ K a a aI T s.(a aI T s  1) (3) Hàm truyền điều chỉnh vị trí là: W  WH W0  K K a a a I T  K d (4) Lúc hàm truyền vòng kín hệ thống điều khiển vị trí viết lại là: / K Wk  a a.a I T s.( a a I T s  1)  Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 (5) 51 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Khi sai lệch góc ban đầu có giá trị lớn, hệ thống làm việc với hai giai đoạn tương ứng với giá trị lớn nhỏ góc sai lệch Vấn đề đặt cần lựa chọn thời điểm chuyển điều khiển để hệ thống đạt tiêu chuẩn tối ưu theo tác động nhanh tiệm cận vị trí cuối khơng có độ q chỉnh [3] Xét điều kiện ưu tiên thời điểm dừng, hệ thống vào vùng sai lệch nhỏ (gần đến đích) cần nâng cao độ xác Ở thời điểm hệ thống chuyển sang cấu trúc kín bắt đầu làm việc ta có: Tốc độ ban đầu   bd ; Sai lệch bd   d  bd Khi chỉnh định hệ thống theo tiêu chuẩn giảm va đập, ta lựa chọn a  , [2, 3] Ta thấy tín hiệu điều chỉnh vị trí tín hiệu đặt cho điều chỉnh tốc độ Tín hiệu vào BĐK tốc độ là: Udω - Kω.ω = Kdφ.Δφ - Kω.ωk Khi điều khiển theo sai lệch: Kdφ.Δφ - Kω.ωk = 0; Kdφ.Δφ = Kω.ωk Theo (7) xác định gia tốc trình khử sai lệch vị trí Δφ sau: dk dt  Kd K d ( K  ) Kd d d ( )  Kd (d   ')  d [ ] [ K ] K  K dt K dt K dt K (6) (7) (8) Như vậy, gia tốc chậm dần cực đại chuyển động hệ truyền động điện lớn tốc độ ban đầu lớn (7) Gia tốc tăng tăng sai lệch góc ban đầu Δφbđ lúc hệ thống chuyển động sang hệ kín vào vị trí đồng bộ, dòng phần ứng cực đại tăng I max   d  J ( ) max  M C  C   dt  (9) Giá trị Imax tính theo (9) cần bảo đảm điều kiện hạn chế dòng Imax ≤ Icf hệ thống tuyến tính Nếu Δφbđ ωbđ lớn làm cho điều kiện sau tồn tại: Imax > Icf (Ihạn chế ) (10) Bộ điều chỉnh ω chuyển sang giai đoạn bão hòa đặc tính sau: U dI  U d I m ax  K I I cf  const (11) Khi đó, hệ thống làm việc mạch hở với dòng cực đại Imax = Icf Do gia tốc hãm tương ứng với mô men hãm cho phép nhỏ giá trị yêu cầu để dừng êm xác tính nên cuối trình xảy tượng chỉnh Như vậy, vòng điều chỉnh vị trí tối ưu với điều chỉnh tỷ lệ W  K d thực với yêu cầu cần phải hạn chế giá trị ban đầu sai lệch tốc độ (Δφbđ, ωbđ) thời điểm hệ thống chuyển sang giai đoạn làm việc với cấu trúc hệ kín để vào đồng Khi đó, dòng điều khiển mơ men cực đại chưa đạt tới giá trị hạn chế cho phép [3, 4, 5, 7, 9] Theo (8) (9) xác định giá trị cho phép tốc độ thời điểm dòng điều khiển mơ men cực đại là: maxcf  K  Tma x K d K   C I cf  M C C I cf  M C K K    K d K C TM K d K C TM (12) Ở đây: βC độ cứng đặc tính cơ; Icf dòng hạn chế cho phép Nếu cho thời gian để dòng điện tăng đến Imax tmax = 2aI.Tµ ta có: maxcf  bdcf  52  Tmax tmax  bdcf  aI  T max T (13) T Đ Chuyển, …, Đ M Đản, “Xây dựng hệ thống điều khiển … card dSPACE 1104.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Vậy tốc độ ban đầu cho phép ωbdcf tính là: K bdcf   max cf  a I  T max T   max  a I  T max T K  d K   C I cf  M c  K K a T  K   d  I   K  d K   c TM K   (14)   (C I cf  M c )      c TM a a   Biểu thức (14) sở lựa chọn tốc độ ban đầu cho giai đoạn bám vào đồng xác Từ (14) ta thấy, mơmen cản làm tăng giá trị tốc độ ban đầu cho phép tính tốn cần lựa chọn MC nhỏ với MC thay đổi giới hạn rộng Xét hệ thống quay góc đặt cho trước Hệ thống bắt đầu hoạt động điều kiện đầu Hệ thống gồm giai đoạn chuyển động sau: - Gia tốc đến tốc độ ωmax (Δφ); - Chuyển động với tốc độ cực đại cho phép; - Hãm dừng xác Gia tốc góc đặt lớn dòng điện khởi động lớn Khi ωmax lớn dòng cực đại hãm lớn Tính chất động học hệ điều khiển vị trí bảo tồn giá trị dòng điện Imax < Icf hệ thống tuyến tính Để tránh tượng chỉnh hãm với tốc độ ban đầu cực đại, chọn hệ số khuếch đại điều chỉnh vị trí theo (7) coi tốc độ định mức hệ truyền động tốc độ ban đầu cho giá trị ‫׀‬εtb‫ = ׀‬εhmax = const [2, 3, 5]  a a a I T Ta có:  K  dm 2 hmax (15) Thay (15) vào (7) thu được: K d  2.K  h max K dm (16) - Khi Δφ lớn (Δφdmax -Sai lệch bắt đầu trạng thái hãm), lựa chọn Kdφ theo điều kiện (16) - Khi Δφ nhỏ, Kdφ lựa chọn tỉ lệ nghịch với tốc độ: K d  K  T max K  (17) Tính tốn rút gọn lại, ta thu hàm truyền BĐK vị trí là: W  K d  K d 2a T s (18) Biểu thức (18) BĐK tỷ lệ tích phân Khi tổng hợp BĐK vị trí PI, ta tính tốn theo phương pháp Ziegler-Nichols phương pháp sử dụng phần mềm chuyên dụng PID Design [3] để tính tốn lựa chọn tham số phù hợp với giá trị cần thiết để mô thực nghiệm điều khiển có là: a = 0,2 ; K   0, 002; T  0, 079 Đến ta tính thành phần KP KI là: KP = 2900; KI = 8200 Khi đó, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 53 K Kỹỹ thuật điều khiển & Điện tử việc ệc biến đổi cấu cấu trúc điều khiển đđư ược ợc thực theo hhàm àm thông ssố ố trạng thái (tốc độ sai llệch ệch góc) hệ thống, [5, 7, 8] MÔ PH PHỎNG ỎNG V VÀ À THỰC THỰC NGHIỆM Sau nghiên ccứu ứu tính tốn, xây dựng BĐK vị trí, dựa vvào tham ssố ố đã tính tốn lựa ựa chọn tr ên Ti Tiến ến hhành ành thực thực xây dựng ch chương ương tr trình ình mơ ph ỏng trên ph phần ần mềm Matlab Matlab-Simulink Simulink đđểể tiến hhành ành mô phỏng, phỏng, đánh giá kết nhằm kiểm chứng tính đắn ắn ph phương ương pháp nghiên ccứu, ứu, ssơ đồ đồ có dạng nh hhình ình 44 Hình Sơ đồ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động sử dụng động ccơ xoay chi chiều ều đồng ồng đđư ược ợc xây dựng tr ên Matlab – Simulink Simulink Các tham ssốố mô ĐCXC đồng đồng ký hiệu hiệu HASA 102 ddùng ùng để để mô vvàà th thực ực nghiệm, nghi ệm, gồm có: Cơng suất P = 3,7 kW; Tốc ốc độ độ định mức 1500 vòng/phút; Đi ện áp U = Điện 220V; I = 4,5A; Đôi ccực ực p = 4; Điện Điện tr trở stato Rs = 14,85.10-33Ω; Điện Điện trở rô to Rr = -3 9,295.10 Ω; Hệ Hệ số ố ma sát nhớt B = 0,0001 N.m.s/rad; Mơ men qn tính J =1,55.10-44 Kgm2 Xây dựng dựng mơ hình hình mơ ph ỏng hệ thống bám điều chỉnh tổng hợp ợp có tích hợp th thêm êm điều ều khiển theo đạo hhàm àm lư ợng vào vào hình hình lượng - Kh Khảo ảo sát đánh giá ti tiêu ch chất ất llượng ợng hệ thống tác động vvào hàm bbậc ậc thang Mô ph ỏng thực với giá tri lớn nhỏ khác llượng ợng vào vào (góc đđặt ặt trư ớc) trước) - Nghiên ccứ ứuu ảnh hư hưởng ởng thông số điều chỉnh đến chất llượng ợng hệ thống (tính tác động ộng nhanh vvàà kh khảả tiệm cận khơng có dao động đến vi trí cuối) Lựa chọn đđư ược ợc thông ssố ố điều chỉnh để đạt đđư ược ợc giá trị mong muốn [3, 5, 8] - Kh Khảo ảo sát hệ thống bám điều chỉnh tổ tổng ng hhợp ợp có th thêm êm kênh điều ều khiển theo đạo hhàm àm lượng ợng vvào, ào, lựa lựa chọn đđư ược ợc hệ số kkênh ênh Nó ggồm ồm mạch llàà BĐK tỉ t ỉ lệ vvàà ph phần ần bbù ù theo đđạo ạo hàm hàm lượng lượng vvào hhình ình Hình 44 Khai tri triển ển mơ h hình ình mơ ph ỏng điều khiển vị trí trí 54 T Đ Chuyển, T Chuyển, …,, Đ ản,, ““Xây Xây ddựng ựng hệ thống điều khiển … card dSPACE 1104 1104.” ” Đ M Đản Nghiên cứu khoa học công nghệ Thiết kế điều khiển tổng hợp để nâng cao chất lượng hệ truyền động bám, có thêm kênh điều khiển theo đạo hàm lượng vào bảo đảm cho hệ thống vơ sai tín hiệu vào thay đổi với tốc độ không đổi Trong q trình mơ bỏ kênh bù để xét riêng BĐK tỉ lệ Với sơ đồ hình mở rộng thêm kênh điều khiển theo nhiễu mômen cản, [2, 3] Hệ thống điều khiển xây dựng làm việc chuyển đổi cấu trúc với giá trị sai lệch khác mô số trường hợp sau: Trường hợp 1: Đánh giá trình điều khiển thay đổi tốc độ, tốc độ đặt d tăng từ 126 rad/s đến 256 rad/s, sau đó, giảm từ 256 rad/s đến 126 rad/s, lượng bám sát lượng vào trình cân bằng; đáp ứng dòng điện ia thể trình thay đổi tốc độ, hệ thống làm việc ổn định, ta có kết mơ hình Hình Kết mơ thay đổi tốc độ đặt; tốc độ đáp ứng dòng điện ia hệ thống Trường hợp 2: Nghiên cứu ảnh hưởng thời điểm chuyển đổi cấu trúc: hệ thống làm việc với góc sai lệnh chuyển đổi cấu trúc với giá trị tối ưu lượng đặt cho trước lượng vào hàm bậc thang Xv = 0.1 rad, mô men tải không đổi Mc = Nm Kết mô cho thấy đáp ứng vào theo góc có thời gian đạt giá trị cân 0,1 s hình 6a, lượng ln bám sát lượng vào, giá trị dòng điện isq hình 6b thể trình làm việc hệ thống Ta có kết quả: 0.15 Xr sq 0.05 i (A) Goc (rad) 0.1 Xv -0.05 -1 0.2 0.4 0.6 Time (s) 0.8 -2 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) b) a) Hình Đáp ứng vào BĐK vị trí theo: a) góc 0,1 rad; b) giá trị dòng isq trường hợp Trường hợp 3: Nghiên cứu phản ứng hệ thống góc đặt vào hàm thay đổi biến thiên tốc độ không đổi theo quy luật hàm Xv = V.t, (V = rad/s) mô men tải khơng đổi Mc = 5Nm, hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 55 1.5 sq 0.5 i (A) Goc (rad) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Xr Xv -1 -0.5 0.2 0.4 0.6 Time (s) a) 0.8 -2 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) b) Hình Đáp ứng vào BĐK vị trí theo: a) góc rad; b) giá trị dòng isq trường hợp Khi góc đặt hàm V.t thời gian đạt giá trị cân khoảng 0,1% Sai số bám sát gần không, ta thấy thời gian đáp ứng điều khiển nhanh Bộ điều khiển vị trí nêu điều khiển tổng hợp, [3, 5, 11] Trường hợp 4: Khi lượng vào thay đổi góc sai lệch chuyển đổi cấu trúc 0,1 rad; với biên độ có dạng xung vng; chu kỳ T = s; mô men cản không thay đổi Hệ thống làm việc chế độ tăng giảm lượng vào; số lần dao động 2, lượng bám sát lượng vào trình cân hình 0.15 Xr 0.05 -0.05 i sq(A) Goc (rad) Xv 0.1 -1 0.5 a) Time (s) 1.5 -2 0.5 1.5 0.08 0.06 0.04 i (A) Xr sq Goc (rad) Time (s) b) Hình Đáp ứng vào BĐK vị trí theo: a) góc; b) giá trị dòng isq trường hợp Trường hợp 5: Góc đặt vào bé Xv = 0.05 rad, hệ thống làm việc với lượng hệ thống có thay đổi trình độ, độ dao động hệ thống có số lần dao động = lần; thời gian độ tqd = 0,16 s; lượng bám sát lượng vào trình cân Ta có kết hình Xv 0.02 -1 -0.02 0.5 Time (s) 1.5 -2 0.2 0.4 0.6 0.8 Time (s) b) a) Hình Đáp ứng vào BĐK vị trí theo: a) góc 0,05 rad; b) giá trị dòng isq trường hợp Quan sát kết mô ta thấy việc lựa chọn thời điểm chuyển đổi cấu trúc ảnh 56 T Đ Chuyển, …, Đ M Đản, “Xây dựng hệ thống điều khiển … card dSPACE 1104.” Nghiên cứu khoa học công nghệ hưởng lớn đến chất lượng động học hệ thống truyền động điện: Góc sai lệch chuyển đổi cấu trúc (góc đặt lớn 0,1 rad; 1rad hay góc đặt nhỏ 0,06 rad), lượng vào biến thiên tốc độ không đổi, Ở đây, BĐK vị trí xét thay đổi góc đặt vào hệ thống với nhiều trường hợp khác Điều cho thấy tính bền vững điều khiển trước tác động thành phần phi tuyến bất định hệ thống làm việc ổn định BĐK bảo đảm bền vững với với thay đổi tốc độ đặt, góc đặt hệ thống làm việc ổn định cho hệ thống, [2-4] Hệ thống triển khai thực nghiệm sau: Cấu trúc chung BĐK vị trí điều khiển động xoay chiều đồng sử dụng thiết bị Dspace 1104 hình 10a; bàn thực nghiệm hình 10b Trong đó, tín hiệu phản hồi dòng điện tốc độ động đưa vào Dspace 1104 qua kênh chuyển đổi tương tự số Các tín hiệu card xử lý tính tốn giá trị thực dòng điện, tốc độ vị trí Giá trị thực dòng điện, tốc độ vị trí đưa vào điều chỉnh lập trình để tính tốn so sánh với giá trị đặt Giao diện thiết kế phần mềm Matlab, Control Desk dùng để giám sát, thu thập điều khiển đối tượng máy tính M dc d ( X v ) ( ) d K r ( X r ) ( ) K Ki ( ) a) b) Hình 10 a) Cấu trúc chung hệ thống điều khiển vị trí động xoay chiều đồng sử dụng thiết bị Dspace 1104, b) bàn điều khiển Cấu trúc hệ thống hình 10a: BĐK vị trí Kφ; Tốc độ Kω; Dòng điện Ki; khuếch đại cơng suất điều chế tín hiệu điều khiển PWM; Động xoay chiều đồng bộ; cảm biến đo góc (vị trí); ADC: chuyển đổi tương tự - số Thiết bị phần cứng Dspace 1104 thiết bị điều khiển số hãng Dspace Đức sản xuất dựa xử lý tín hiệu số DSP dấu phẩy động hệ thứ ba, họ TMS320Cxx hãng Texas Instruments (Mỹ) Dspace 1104 thiết kế đặc biệt để phát triển điều khiển số đa biến tốc độ cao mô thời gian thực Sơ đồ khối thiết bị Dspace 1104 [6] hình 11a b) a) Hình 11 a) Sơ đồ khối thiết bị Dspace 1104, b) Chương trình Simulink thu thập liệu vào/ra đối tượng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 57 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Mục tiêu trình thực nghiệm để chứng minh khả làm việc BĐK vị trí xây dựng, khơng làm việc tốt mơ Matlab Simulink mà làm việc tốt thời gian thực vấn đề khoa học có ý nghĩa Mơ hình thực nghiệm báo áp dụng “Bàn thực nghiệm nghiên cứu điều khiển vị trí động điện xoay chiều đồng bộ” (hình 10b) bao gồm: Phần cứng Dspace 1104, máy tính nhúng cấu hình cao: Mainboard H110; Bộ vi xử lý/Chip Intel G4400 (3M Cache, 3.30 GHz); Ram 8G; cài đặt với phần Driver kèm card Dspace, động xoay chiều đồng có tham số phần mơ phỏng, động có gắn encoder có độ phân giải cao 1024 xung/1vòng; thời gian trích mẫu t = 10-3s, tham số BĐK vị trí tính tốn lựa chọn, [2-4]: Kω = 8561, Kφ = 2,381, Ki = 6,851, kết hợp phần mềm chuyên dụng Matlab R2019; phần mềm lập trình thuật tốn ngơn ngữ C CCS (code composer studio); ngồi có hệ thống nguồn cơng suất, thiết bị đo lường, máy sóng, a) b) Hình 12 a) Đáp ứng thực nghiệm thu thập liệu BĐK vị trí động xoay chiều đồng bộ, b) Điều khiển thực Control Desk với BĐK vị trí có giá trị góc đặt 15 rad Chương trình điều khiển kết hợp thời gian thực Simulink với điều khiển vị trí hình 10b Chương trình biên dịch nạp vào thiết bị Dspace 1104 để điều khiển động xoay chiều thời gian thực, với số liệu động cho mô Kết thu thập liệu Control Desk hình 12a, giá trị góc thực ln bám sát giá trị góc đặt rad q trình cân Kết nghiên cứu điều khiển thời gian thực với điều BĐK vị trí thu thập liệu Control Desk tín hiệu góc có giá trị đặt 15 rad, lượng bám sát lượng vào trình cân hình 12b Quan sát kết thực nghiệm với BĐK vị trí sử dụng card Dspace 1104 cho thấy, việc xây dựng hệ thống điều khiển đem lại chất lượng làm việc tốt lượng bám sát lượng vào trình cân Cụ thể là, thời gian đạt đạt đến giá trị cân 0,07s tổng thời gian đáp ứng 10s (như hình 12b) Hơn nữa, BĐK vị trí xây dựng có khả giữ tốc độ động ổn định thay đổi lượng vào mơ men cản đáp ứng BĐK ln ổn định Đây vấn đề khoa học có tính mới, hoàn toàn áp dụng vào thực tế sản xuất So sánh kết với nghiên cứu [10] nghiên cứu trước [12] kết đạt báo tốt với phần mơ có thời gian đạt tới giá trị cân nhỏ (0,8s), [11] dòng điện dao động lớn 0,25A (hình 4b hình 6b [11]) Vì vậy, đáp ứng BĐK phần thực nghiệm báo làm việc tốt với động có cơng suất lớn nhiều lần so với nghiên cứu trước 58 T Đ Chuyển, …, Đ M Đản, “Xây dựng hệ thống điều khiển … card dSPACE 1104.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Do đó, BĐK vị trí phần đạt mục tiêu đảm bảo chất lượng để thoả mãn nhu điều khiển máy cơng nghiệp có độ xác cao như: máy cắt gọt kim loại, rô bốt công nghiệp, để làm tăng suất lao động, giảm giá thành sản phẩm đáp ứng nhu cầu thị trường với chi phí thấp KẾT LUẬN Hệ thống điều khiển vị trí ĐCXC với cấu trúc biến đổi dùng hệ truyền động điện bám cho đối tượng điều khiển xác cơng nghiệp qn cần đòi hỏi độ tin cậy độ xác cao, việc thay hệ thống điều khiển cũ cần thiết cấp bách hệ thống bám điện sử dụng nhiều thực tế Bài báo trình bày cách tiệm cận mới, ứng dụng thực tế cho hệ thống truyền động bám công nghiệp như: hệ thống điều khiển rô bốt, hệ thống điều khiển xác cho máy đóng viên thuốc ngành dược, hệ thống điều khiển máy cắt gọt kim loại CNC, hệ thống bám vũ khí, hệ thống điều khiển chấp hành điện khí nén thủy lực, Dựa phương pháp tổng hợp, điều khiển theo tiêu chuẩn tối ưu mô đun cấu trúc biến đổi Các kết cho thấy, luật điều khiển đưa đắn sở để sử dụng tính tốn thiết kế điều khiển vị trí cho hệ thống bám cơng nghiệp quân Hướng phát triển tiếp ta xét them cho trường hợp: tổng hợp hệ thống truyền động bám sát theo góc với cấu trúc biến đổi cho đối tượng điều khiển trực tiếp mô men: sử dụng động chấp hành dạng chiều không tiếp xúc - BLDC, động từ trở - SRM, TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Cơng Định, “Phân tích tổng hợp hệ thống điều khiển máy tính”, NXB KH KT (2002) [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, "Điều chỉnh tự động truyền động điện”, NXB KH KT (2008) [3] Đào Hoa Việt, “Phân tích tổng hợp hệ thống truyền động điện”, HVKTQS, NXB Quân Đội Nhân Dân (2010) [4] Trần Đức Chuyển , Truyền động điện, NXB KH KT (2016) [5] Nguyen Phung Quang, Jörg - Andreas Dittrich, "Vector Control of Three-Phase AC Machines”, Springer Science & Business Media, (2008) [6] dSPACE GmbH, ”Hardware Installation and Configuration For DS1104 and CP1104/CLP1104 Connector Panels”, System Manual, (2012) [7] Asif Sabanovic, Leonid M Fridman and Sarah Spurgeon, “Variable Structure Systems from principles to implementation”, first published, Published by The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdom, (2004) [8] Stanislaw H Zak, “Systems and control” Oxford university Press 2003 [9] Malcolm Barnes CPEng, BSc(ElecEng), "Automated Control Systems - Practical Variable Speed Drives and Power Electronics”, Australia, First published 2003 [10] Oscar Barambones, Aitor J Garrido, "A sensorless variable structure control of induction motor drives”, Electric Power Systems Research 72(1): 2132 November (2004) [11] S Basaran & S Sivrioglu, “Robust Variable Structure Controllers for Axial Active Magnetic Bearing” IJAMEC, 4(Special Issue), pp 178-183, (2016) [12] M Zaky, E Touti, & H Azazi, “Two-Degrees of Freedom and Variable Structure Controllers for Induction Motor Drives” Advances in Electrical & Computer Engineering; Vol 18 Issue 1, p71-80, (2018) [1] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 59 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ABSTRACT THE CONSTRUCTION POSITION CONTROLLER SYSTEM OF SYNCHRONOUS AC MOTOR WITH VARIABLE STRUCTURE USING dSPACE 1104 CARD In the electric drive systems of industrial, often meet the objects that need to solve the angular position control problem, moving the object from one position to another in an asymptotic manner without over adjustment and ensure maximum impact quick This is the multi-objective optimization problem with many different solutions This paper presents a method of constructing the position controller of synchronous AC motors with a variable structure using dSPACE 1104 To solve this problem, the use of simulation software, experimental programming with computers, to collect data and control are effective and effective tools Keywords: Position control of synchronous AC motor; Position control; Variable structure Nhận ngày 28 tháng 12 năm 2019 Hoàn thiện ngày 29 tháng 01 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2020 Địa chỉ: Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp, Bộ Công thương; Khoa Kỹ thuật sở, Học viện Hải quân * Email: tdchuyen@uneti.edu.vn 60 T Đ Chuyển, …, Đ M Đản, “Xây dựng hệ thống điều khiển … card dSPACE 1104.” ... xây dựng hệ thống điều khiển truyền động với cấu trúc biến đổi cho điều khiển vị trí sử dụng động xoay chiều đồng bộ, để nâng cao chất lượng điều khiển như: kỹ thuật điều khiển rơ bốt, điều khiển. .. truyền động bám với động xoay chiều, sơ đồ khối hệ thống truyền động bám vị trí sử dụng động xoay chiều với cấu trúc điều khiển hình d 2 M c1 r 1 M c2 Hình Sơ đồ hệ thống truyền động bám vị trí. .. LUẬN Hệ thống điều khiển vị trí ĐCXC với cấu trúc biến đổi dùng hệ truyền động điện bám cho đối tượng điều khiển xác cơng nghiệp qn cần đòi hỏi độ tin cậy độ xác cao, việc thay hệ thống điều khiển