2.2.1 Mô hình toán học của cảm biến
2.2.1.1 Cảm biến dòng điện
Xét cảm biến dòng điện ở đây thực hiện tốt nên có thể coi mô hình toán học của cảm biến dòng điện là một khâu đơn vị
2.2.1.2 Cảm biến tốc độ
Xét cảm biến tốc độ ở đây thực hiện tốt nên có thể coi mô hình toán học của cảm biến tốc
độ là một khâu đơn vị
2.2.2 Mô hình toán học của bộ điều khiển
Ta sử dụng bộ điều khiển PI:
GC=Kp+KI
s
2.2.3 Mô hình toán học của bộ biến đổi Clarke
Công thức chuyển đổi Clarke:
{ isα=isu isβ= 1 √3(isu+2isv) [iα iβ]=[1 −21 −21 0 √3 2 √3 2 ][iu iv iw]
2.2.4 Mô hình toán học của bộ biến đổi Park
Công thức chuyển đổi Park
¿
[id
iq]=[ cosθ sinθ
−sinθ cosθ][isα isβ]
Điều kiện để chuyển đổi là phải biết góc 𝜃s của vector từ thông 𝚿r
θs=θs(0)+∫ωsdt θs(0)=0
ωs=ω+ωrωr= isq
TrΨrd
2.2.5 Mô hình toán học của mô hình từ thông
Trên hệ tọa độ dq: isd là đại lượng điều khiển cho ᴪ’𝑟𝑑 . Tuy nhiên giữa hai đại lượng này tồn tại một khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian 𝑇𝑟
Ψ'rd=1+isdsT
r=1+0,296isd s
2.3 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống
Với
Af=[−117,53 0 7,79 2,33ω
0 −117,53 −2,33ω 7,79
3,38 0 −3,38 0
Bf=[511,4 0 0 511,4 0 0 0 0 ]N=[ 0 1 0 0 −1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 −1 0] 2.4 Kết luận
Trong chương 2, ta đã bước đầu xây dựng được mô hình toán của các thành phần trong hệ thống, qua đó tổng hợp thành mô hình toán của cả hệ thống. Đây là bước đầu để ta đi vào tổng hợp bài toán, và tính chọn các tham số của bộ điều khiển trong chương 3.
CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHƯƠNG 3:
3.1 Sơ đồ cấu trúc phần điều khiển
Chức năng các khối trong sơ đồ cấu trúc được mô tả như sau:
- Khối nghịch lưu: Chuyển đại lượng một chiều trung gian đã qua lọc thành hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha. Mạch nghịch lưu là hệ thống các
van bán dẫn đóng ngắt theo các tín hiệu điều khiển là thời gian đóng ngắt tu, tv, tw.
- Khâu điều chế vector: Chuyển các điện áp usα, usβ sang thời gian đóng ngắt van tu, tv, tw.
- Khâu chuyển hệ tọa độ: Từ 3 đại lượng được đo isu, isv, isw (thực chất chỉ cần đo hai giá trị isu, isv, từ đó sẽ suy ra được isw) sẽ chuyển thành isα, isβ trên hệ tọa độ αβ.
- Các khâu chuyển tọa độ: Chuyển các đại lượng từ hệ tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ và ngược lại. Để chuyển được cần có thêm đại lượng góc quay
𝜃𝑠 của hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor.
- Khâu điều chỉnh dòng RI : Có tác dụng áp đặt nhanh 2 thành phần dòng isd và isq, biến chúng thành 2 đại lượng điều khiển từ thông rotor và mômen quay. Vào thời kỳ đầu của kỹ thuật truyền động, người ta dùng riêng rẽ 2 bộ điều chỉnh dòng riêng biệt kiểu PI, tuy nhiên giải pháp đó chỉ làm việc tốt ở chế độ tĩnh, còn ở chế độ động, nó đã bộc lộ nhiều nhược điểm.
- Khâu điều chỉnh từ thông: Trên hệ tọa độ dq, isd là đại lượng điều khiển cho Ψ 'rd. Tuy nhiên giữa hai đại lượng này tồn tại một khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian 𝑇𝑟
Ψrd' = isd
1+sTr
vì vậy khâu điều chỉnh từ thông có nhiệm vụ cải thiện đặc tính truyền đạt đó. Từ giá trị sai lệch giữa giá trị đặt của từ thôngΨ 'rd¿ và giá trị ước lượng của từ thông tính toán được từ mô hình từ thông để tính ra giá trị đặt của thành phần dòng isd¿
.
- Khâu mô hình từ thông: Có nhiệm vụ tính từ thông rotor Ψrd' và góc quay 𝜃𝑠 trên cơ sở các đại lượng đo được như isd, isq, . Ngoài ra cũng có thể dùng một khâu quan sát trạng thái để tính
θs=θs(0)+∫ωsdt ωs=ω+ωrωr= isq
TrΨrd
- Khâu điều chỉnh tốc độ: Từ sai lệch giữa giá trị đặt của vận tốc góc ω* và giá trị thực ω đo được để tính ra giá trị đặt của dòng isq¿ .
Phân tích nguyên lý hoạt động của phần điều khiển:
Mạch điều khiển theo cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor. Dòng điện 3 pha ở mạch lực cấp cho động cơ được đo thông qua cảm biến dòng và đưa vào khối chuyển đổi Clarke. Tại đây, khối chuyển đổi Clarke
dùng thuật toán và các phương trình chuyển đổi từ hệ tọa độ 3 pha xoay chiều sang hệ tọa độ cố định gắn với stator (hệ tọa độ αβ ) và xuất ra tín hiệu dòng isα và isβ. Tín hiệu số của 2 dòng này được đưa vào khối chuyển đổi Park và được tính toán chuyển sang hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ dq) đưa ra 2 thành phần dòng isd và isq. Dòng điện isd tương đương với thành phần điều khiển từ trường còn isq không ảnh hưởng gì tới từ trường (tức là dòng điện đặt trong từ trường). Lúc này, chúng ta có thể áp dụng được cấu trúc điều khiển của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 1 nhánh điều khiển từ thông, 1 nhánh điều khiển dòng điện đặt trong từ trường.
Ở nhánh thứ nhất chúng ta thấy tốc độ mong muốn so sánh với tốc độ thực của động cơ (tốc độ đo bởi encoder) và sai lệch tốc độ này đưa vào bộ điều khiển tốc độ (PI), mạch vòng này là mạch vòng điều khiển tốc độ. Tại đây, bộ điều khiển tốc độ chứa thuật toán điều khiển để tính toán ra isq¿
. Dòng tính toán isq¿
được đưa đến mạch vòng điều khiển dòng điện. Ở mạch vòng điều khiển dòng điện, bộ điều khiển dòng điện (PI) sẽ nhận vào tín hiệu sai lệch giữa isq¿ và isq thực hiện tính toán và đưa ra tín hiệu điện áp u¿sq.
Nhánh thứ 2 là nhánh điều khiển từ thông. Tốc độ mong muốn ω¿được được đưa vào bộ điều khiển từ thông (PI). Tại đây, nó tính toán ra từ thông mong muốn và thành phần trục d bởi vì từ thông rotor tỷ lệ với thành phần dòng trục d. Thành phần isd¿
này được so sánh với isd thực và sai lệch này được đưa vào bộ điều khiển dòng điện (PI), bộ điều khiển này tính toán ra thành phần điện áp trục d isd¿ .
Sơ đồ này khác sơ đồ kinh điển T4R là chưa có xen kênh mà đi thẳng nên chất lượng của bộ điều khiển này không được tốt. Ở đây kết quả tính toán ra điện áp trên hệ tọa độ dq nên thông tin về điện áp mong muốn của động cơ chưa đầy đủ, cần có thông tin về vector từ thông rotor. Vetor từ thông này được tính toán bởi mô hình từ thông (Flux Model), từ thông tin dòng điện và tốc độ thực của động cơ để tính toán ra (bởi vì ở đây không có phản hồi về module của từ thông) nó chỉ cần góc pha của từ thông để thực hiện phép biến đổi về Park thuận và Park ngược.
Sau khi có được u¿sdvà u¿sq kết hợp với góc pha của vector từ thông rotor thực hiện phép biến đổi Park ngược đưa về hệ tọa độ cố định gắn với stator (hệ tọa độ αβ), u¿sα
và u¿sβ
để đưa vào khâu điều chế vector SVPWM tính toán tạo ra các chùm xung với mức logic 0 hoặc 1 khác nhau về thời gian độ rộng xung. Sau đó các xung này được đưa qua khâu khuếch đại (Gate Drive) và đưa đến kích thích đóng/mở các van của bộ nghịch lưu xoay chiều 3 pha.
Mạch hoạt động liên tục với tốc độ quay của động cơ bằng tốc độ mong muốn. Việc tính toán này được thực hiện lặp đi lặp lại theo từng chu kỳ lấy mẫu tín hiệu.
3.2 Xác định luật điều khiển
Trong đồ án này, ta sử dụng bộ điều khiển PI. Bộ điều khiển PI gồm hai thông số là hệ số tỉ lệ và hệ số tích phân.
Đặc điểm bộ điều khiển PI:
Làm triệt để sai lệch tĩnh và ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
Do tích hợp thành phần tích phân nên làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ thống cũng như làm suy giảm tính ổn định của hệ thống.
Có thể gây ra quá điều chỉnh cho hệ thống. Hằng số tích phân Ti càng nhỏ, độ quá điều chỉnh càng lớn.
KP càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh.
KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (nhưng không thể triệt tiêu).
KP càng lớn thì các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển ra xa trục thực => Hệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao.
Nếu KP tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống sẽ dao động không tắt dần => mất ổn định hệ thống Tín hiệu ngõ ra được xác định bởi sai số. KI càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm.
KI càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ.
Đặc biệt hệ số khuếch đại của khâu tích phân bằng vô cùng khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc. KI càng lớn thì độ vọt lố càng cao.
3.3 Xác định các thông số PI trong mạch
Do trong đồ án này ta không xác định được mô hình hàm truyền đạt cho hệ thống nên ta tiến hành xác định các thông số PI bằng tay (thực nghiệm). Sử dụng phương pháp điều chỉnh thủ công: Ban đầu, KI và Kp lúc đầu được gán bằng 0. Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó Kp có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạt được đáp ứng. Sau đó tăng KI đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên, KI quá lớn sẽ gây mất ổn định.
Thứ tự tìm thông số PI ta thực hiện dò tìm từ bộ điều khiển dòng điện ở mạch vòng dòng và sau đó là bộ điều khiển từ thông và bộ điều khiển tốc độ
Bộ điều khiển dòng điện isd 30 3
Bộ điều khiển dòng điện isq 80 5
Bộ điều khiển từ thông 250 25
Bộ điều khiển tốc độ 150 10
3.4 Kết luận
Sau khi xác định sơ đồ cấu trúc của phần điều khiển, các luật, thuật toán điều khiển, thiết kế cụ thể chi tiết phần điều khiển và xác định các tham số của các thuật toán điều khiển bên trong phần điều khiển thì chúng ta sẽ mô phỏng hệ thống đã thiết kế trên phần mềm MatlabSimulink để kiểm chứng. Phân tích các kết quả mô phỏng đáp ứng của hệ thống, các biến nội tại quan trọng của hệ thống. Đánh giá chất lượng hệ truyền động điện đã thiết kế.
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, KIỂM NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG
CHƯƠNG 1:
1.1 Mô phỏng hệ truyền động
1.1.1 Mô hình phần cứng của hệ truyền động IM
1.1.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển T4R của hệ truyền động
Sơ đồ cấu trúc điều khiển T4R của hệ truyền động điện
1.1.2.1 Mô hình phát xung SVPWM
1.1.2.3 Các khối chuyển đổi hệ tọa độ
Khối Clarke thuận và Park thuận
1.2 Phân tích kết quả mô phỏng và đánh giá 1.2.1 Tốc độ của động cơ
Nhận xét:
Ở thời điểm tốc độ quay xác lập ổn định (1-3s và 4-6s) thì tốc độ quay bám sát tốc độ mong muốn
Tuy nhiên ở thời điểm khởi động, tốc độ bị vọt lố vì dòng khởi động lớn để đáp ứng được momen khởi động
1.2.2 Momen điện từ, dòng isd, isq và dòng điện 3 pha cấp cho động cơ 1.2.2.1 Momen điện từ
Đồ thị momen điện từ của động cơ Nhận xét:
Nhược điểm: vẫn tồn tại nhiễu dao động quanh giá trị momen điện từ
1.2.2.2 Dòng isd
Đồ thị đáp ứng dòng isd Nhận xét:
Ưu điểm: dòng isd thực bám sát với dòng isd mong muốn
1.2.2.3 Dòng isq
Nhận xét:
Ưu điểm: dòng isq bám sát với dòng isq mong muốn
Nhược điểm: vẫn tồn tại nhiễu dao động xung quanh isq nhưng trong giới hạn cho phép
1.3 Kết luận
Về tốc độ:
o Ở thời điểm tốc độ quay xác lập ổn định (1-3s và 4-6s) thì tốc độ quay bám sát tốc độ mong muốn
o Tuy nhiên ở thời điểm khởi động, tốc độ bị vọt lố vì dòng khởi động lớn để đáp ứng được momen khởi động
Về dòng điện: theo đồ thị mô phỏng chất lượng dòng điện tương đối tốt, tuy vẫn còn đập mạch nhưng nằm trong giới hạn cho phép và ta có thể chấp nhận được.
Về momen: Momen điện từ bám sát với momen mong muốn của tải. Nhưng vẫn tồn tại nhiễu, tuy nhiên nằm trong giới hạn cho phép nên có thể chấp nhận được