Phân tích và mô phỏng truyền động điện xoay chiều điều khiển vector dựa trên Matlab Simulink
MỤC LỤC
Phân tích so sánh các phương pháp điều khiển
Tuy nhiên việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn, bởi vì động cơ xoay chiều là phần tử phi tuyến mạnh, phần cảm và phần ứng không tách biệt nên rất khó khăn khi điều chỉnh tốc độ và mômen. Trong chương 1 ta đã xây dựng được các phương pháp điều khiển ĐCKĐBBP, phân tích so sánh các phương pháp về ưu, nhược điểm của từng phương pháp và chọn phương pháp điều khiển biên độ - tần số và phương pháp điều khiển véc tơ để thực hiện đề tài.
Mô hình ĐCĐXCBP
Từ các mô tả toán học quá trình động học sự biến đổi năng lượng trong động cơ điện xoay chiều ba pha nghiên cứu ở chương trước, ta đã có cơ sở để xây dựng mô hình của ĐCĐXCBP trên các hệ tọa độ khác nhau. Hệ thống điều khiển vecto ĐCĐXCBP là hệ thống điều khiển số, do đó việc xây dựng mô hình gián đoạn của ĐCĐXCBP có ý nghĩa thực tiễn quan trọng, ta sẽ nghiên cứu vấn đề này ở mục 2.1.2.
Các khâu cơ bản của hệ thống điều khiển vecto ĐCĐXCBP 1. Các khối chuyển đổi tọa độ
Nếu so sánh (2.6) và (2.7) ta thấy sự tương ứng giữa từ thông Φ của động cơ điện một chiều do cuộn dây kích từ sinh ra với thành phần từ thông rôto ψrd , sự tương ứng giữa dòng điện phần ứng Iư của động cơ điện một chiều với thành phần dòng điện stato Isq của ĐCĐKĐB. Khi chu kỳ lấy mẫu nhỏ, có thể biến đổi phương trình bộ điều chỉnh PID liên tục thành phương trình sai phân bằng cách thay thế phép đạo hàm bằng phép sai phân bậc nhất, thay thế phép tích phân bằng phép lấy tổng.
Các phương pháp điều khiển vecto cơ bản
Năng lượng được cấp theo con đường duy nhất là qua stato, do đó điều khiển tách riêng (decouple) từng thành phần dòng điện sinh ra từ thông (Isd) và thành phần dòng điện sinh ra mômen (Isq) là khó khăn vì chúng có liên hệ với nhau. Nếu xây dựng hệ điều khiển vecto ĐCĐKĐB hướng theo từ thông rôto trên hệ tọa độ (α-β), ta sẽ không tận dụng được các ưu điểm như trên hệ tọa độ (d-q) nhưng ngược lại, công suất tính toán đòi hỏi sẽ giảm đi nhiều.
Các hệ thống điều khiển vecto khác
- Đảm bảo tính bất biến đối với các tác động bên ngoài: Nếu trong hệ thống điều khiển với cấu trúc biến đổi, đảm bảo điều kiện cần và đủ cho chế độ trượt với tác động điều khiển cùng mức với tác động bên ngoài, hệ thống sẽ hoạt động với các chỉ tiêu chất lượng không thay đổi, không phụ thuộc vào các tác động bên ngoài mà chỉ phụ thuộc vào mặt trượt. Bởi vì các thuật toán điều khiển được thiết kế từ trước (off-line) với các thông tin tiền định, do đó sự phức tạp của sơ đồ lấy tỷ lệ là xác định thuật điều khiển nào là thích hợp và đảm bảo chuyển từ thuật điều khiển này sang thuật điều khiển khác một cách êm ái trong quá trình làm việc của hệ thống. Điều khiển mờ (Fuzzy Control) thích hợp với các hệ thống mà ở đó chúng ta không tìm được mô hình toán học mô tả đối tượng điều khiển, hoặc mô hình đó có thể biết nhưng lại quá phức tạp dẫn tới tính bất khả thi nếu đem thực hiện trong thời gian thực.
Các đặc điểm của MATLAB
Chương trình này hiện đang được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính toán các bài toán kỹ thuật như: Lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu, phân tích dữ liệu, dự báo chuỗi quan sát. - Cửa sổ soạn thảo (Editor) là nơi soạn thảo các đoạn lệnh hay một chương trình được lưu dưới dạng M-file (*.m), bên cạnh đó nó còn phục vụ cho việc phát hiện lỗi và xử lý từng bước nội dung chương trình;. Bên cạnh khả năng nhập lệnh trực tiếp, ta có thể viết và cất nhiều chuỗi lệnh trong các Script của Matlab dưới dạng file với ký tự ASCII, các file này được lưu với phần mở rộng là tênfile.m (gọi là M-file).
Simulink - hộp công cụ mô phỏng các hệ thống động học
Để bắt đầu xây dựng mô hình mô phỏng ta nhấn File/New/Model sẽ cho ta một cửa sổ soạn thảo có tên là untitled, đến đây ta có thể kéo và thả các khối có sẵn trong Simulink hay ở trong các Tool box khác để xây dựng mô hình mong muốn. Block Redution ảnh hưởng tới việc tạo mã chạy của Real-time Workshop, nếu không đánh dấu vào Implement logic thì tất cả những tham số không phụ thuộc loại boolean vẫn được phép nối tới đầu vào của các khối, bình thường nó chỉ chấp nhận tín hiệu vào dạng boolean. Để thấy rừ hơn trong việc liờn kết giữa Matlab và Simulink, ta lấy vớ dụ đơn giản minh họa việc xây dựng khối biến đổi thuận Clarke (hình 3-11): với tín hiệu vào ba pha lấy từ file dữ liệu nguon3pha.mat, khối biến đổi Clarke sử dụng khối Matlab Function trong Simulink và tín hiệu ra hai pha được cất vào file có tên là ra2pha.mat.
Mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha như một đối tượng điều khiển
Mô phỏng động cơ trên hệ toạ độ αβ bằng matlab - simulink Căn cứ vào các phương trình cơ bản của động cơ trong hệ tọa độ đã nêu trên, ta sẽ sử dụng hệ toạ độ αβ để mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha, bởi vỡ cỏc phương trỡnh vừa đơn giản hơn, vừa thể hiện rừ ràng cỏc đặc trưng vật lý của động cơ. - Khối biến đổi thuận Clarke: thực hiện biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thành điện áp xoay chiều hai pha trên hệ toạ độ αβ theo công thức (4.15) và được thực hiện trên simulink như hình 4.4. - Khối biến đổi ngược Clarke: thực hiện biến đổi dòng điện xoay chiều hai pha từ đầu ra của khối hệ thống điện thành dòng điện xoay chiều ba pha theo công thức (4.16), được thực hiện trên Simulink như trên hình 4.8.
Mô hình mô phỏng khối khuếch đại công suất
0 Từ bảng 4.1 ta xây dựng khối khuếch đại công suất bằng Simulink với đầu vào là từ điều khiển CW và điện áp một chiều Udc đầu ra là điện áp ba pha Us=[Ua Ub Uc]T như hình 4.10. Như vậy, để thực hiện véc tơ Vs thì ta phải thực hiện Vp, Vt và V0 hoặc V7 khi đó trình tự thực hiện các véc tơ đó như thế nào là lợi nhất, tức là các van bán dẫn IGBT ít phải chuyển mạch nhất. Nếu thể hiện bằng hình vẽ trạng thái đóng ngắt của hai chu kỳ kế tiếp nhau ta thu được mẫu xung như hình 4.14, lưu ý khoảng thời gian T ước lệ để thực hiện véc tơ Vs trong thực tế chỉ bằng 1/2Tpwm và cũng thấy rằng trong một chu kỳ Tpwm bao hàm việc thực hiện hai véc tơ điện áp kế tiếp.
Mô hình mô phỏng khối biến đổi thuận, ngược Clarke 1. Bộ bién đổi thuận Clarke
Bộ biến đổi ngược Clarke thực hiện chuyển đổi hệ tọa độ tĩnh hai pha 0αβ sang hệ tọa độ tĩnh ba pha 0abc, hay còn gọi là phép chuyển đổi ngược 2/3. Từ công thức (4.37) ta viết chương trình thực hiện phép biến đổi ngược Clarke trong Simulink được thể hiện trong file reclarke.m với nội dung như trong Phụ lục PL4. Khối biến đổi ngược Park ( hình 4.29) chuyển hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ theo hệ phương trình (4.47) bởi đoạn chương trình như trong phụ lục PL9.
Mô hình mô phỏng khối tính toán véc tơ từ thông
Công việc ở mục này là ta phải xác định được giá trị véc tơ từ thông Ψr, do đó ta cần phải biết được hướng và độ lớn của nó - đây là các đại lượng khó có thể xác định trực tiếp trên động cơ được. Chính vì vậy, vấn đề ước lượng từ thông rotor dựa trên các đại lượng đo được theo công thức (4.42) của động cơ như : dòng stator, điện áp stator và tốc độ quay rotor được xem là giải pháp tối ưu để mô phỏng quá trình điều chỉnh từ thông rotor. Tham số vào của khối bao gồm dòng stator biểu diễn trên hệ toạ độ từ thông roto dq (id, iq) và tốc độ góc roto (ωr), đầu ra ta thu được véctor từ thông rotor Ψr và góc υ (trong chương trình ký hiệu là Ge).
Mô hình mô phỏng khối điều chỉnh mômen
Như vậy khối điều chỉnh dòng đã thực hiện qui đổi sang dòng điện, với hệ số biến đổi là KPT = 3. Chương trình để thực hiện chức năng điều chỉnh từ thông được thể hiện trong hàm MATLAB RM.m như trong phụ lục PL11.
Mô hình mô phỏng khối điều chỉnh tốc độ
Chương trình để thực hiện chức năng điều chỉnh tốc độ, với đầu vào là độ chênh lệch giữa tốc độ đặt và tốc hồi tiếp từ động cơ được thể hiện trong hàm MATLAB RS.m như trong phụ lục PL12.
Mô hình mô phỏng và kết quả mô phỏng toàn bộ hệ thống
Mô hình hoá và mô phỏng khối động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha trên Matlab - Simulink, từ đó đã xây dựng và mô phỏng toàn hệ thống bằng công cụ mô phỏng Matlab - Simulink. Những kết quả đã đạt được giúp cho em có một cái nhìn tổng quan hơn về một hệ thống truyền động điện trong công nghiệp, quy trình điều khiển của hệ thống cũng như các bước tiến hành xây dựng mô hình, thiết kế, lựa chọn phương pháp điều khiển. Qua đây em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo-TS Phạm Tuấn Thành, cùng các thầy cô giáo trong bộ môn đã nhiệt tình tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp đúng thời gian quy định.
