Chức năng của các khối trong sơ đồ như sau:
* Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (M): thay đổi tốc độ bằng cách thay
đổi điện áp phần ứng, dùng để làm di chuyển hướng của cơ cấu điều khiển van dầu diesel.
*Bộ biến đổi xung điện áp (PWM): được cung cấp nguồn điện áp từ bộ chỉnh
lưu T.
Cấu trúc mạch điện chính của bộ biến đổi PWM đảo chiều có các kiểu H và T. Trong thực tế thường dùng bộ biến đổi kiểu H hai cực. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi PWM đảo chiều dạng H được trình bày trên hình 1-13.
Hình 1-15: Đồ thị điện áp của bộ biến đổi PWM dạng H
Nguyên lý của mạch điều khiển động cơ điện 1 chiều bằng phương pháp PWM đảo chiều hoạt động dựa theo nguyên tắc cấp nguồn cho động cơ bằng chuỗi xung vuông đóng mở với tốc độ nhanh, chúng ta điều chỉnh tốc độ của động cơ thông qua việc điều chế độ rộng của xung. Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến điện áp trung bình cấp cho động cơ và do đó sẽ thay đổi tốc độ của động cơ cần điều khiển.
- Hình 1-15: Đồ thị điện áp ra bộ phát xung chủ đạo
- Hình 1-15b: Điện áp răng cưa ở mạch tạo xung làm điện áp tựa
- Hình1-15c: Đồ thị điện áp vào khâu so sánh để điều chỉnh độ rộng xung. Với Uđk khác nhau ứng với 3 trường hợp:
+ Trường hợp thứ nhất ở hình c1: khi Uđk =1/2 Ucm ; + Trường hợp thứ hai ở hình c2: khi Uđk 1/2Ucm
+ Trường hợp thứ ba ở hình c3: khi Uđk >1/2Ucm .
- Hình 1-15d: Đồ thị điện áp ra của khâu so sánh đồng thời là dạng điện áp ra của bộ PWM ứng với sự thay đổi Uđk trên các hình c1,c2,c3. Lúc này điện áp ra tương ứng thể hiện trên hình d1, d2, d3.
Với điện áp ra như trên ta tính được điện áp trung bình roto của bộ biến đổi PWM và được biểu thị bằng công thức:
Ud=ton T Us−T−ton T Us=(2ton T −1)Us ρ=2ton T −1 Ta thấy :
- Khi ρ = 0 ( ứng với hình d1) thì động cơ ngừng quay. - Khi ρ < 0 ( ứng với hình d2) thì động cơ quay ngược. - Khi ρ > 0 ( ứng với hình d3) thì động cơ quay thuận.
Do đó việc khống chế Uđk rất dễ dàng, Muốn thay đổi tần số thì thay đổi ở ngoài. Từ nguyên lý khống chế giúp cho ta thiết kế mạch tạo xung điều khiển.
Kết luận chương 1:
Từ yêu cầu ổn định tần số máy phát điện Diesel và từ sơ đồ hệ điều tốc Diesel , qua phân tích bản luận án sẽ chọn hệ điều khiển Hệ thống truyền động điều chỉnh xung
áp –động cơ một chiều (PWM -Đ) để chuyển động cho hệ điều tốc ổn định tần số máy phát điện diesel . Từ đó giúp cho việc khảo sát tính toán và tổng hợp hệ điều khiển ổn định tốc độ diesel để ổn định máy phát điện.
CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT TÍNH TOÁN VÀ TỔNG HỢP HỆ ỔN ĐỊNH TẦN SỐ MÁY PHÁT ĐIỆN DIESEL VỚI MẠCH VÒNG PHẢN HỒI VỊ TRỊ TUYẾN
TÍNH DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí
Để ổn định tốc độ cho Diezen thì cần phải xây dựng hệ điều khiển chuyển động ổn định vị trí của van dầu Diezen. Sơ đồ khối của hệ điều khiển chuyển động tốc độ Diezen được xây dựng với các giả thiết và điều kiện sau:
- Khi thay đổi vị trí cơ cấu DEC ( cơ cấu điều chỉnh lượng dầu ) thì lượng dầu thay đổi thông qua bơm dầu và tốc độ động cơ thay đổi. Như vậy qua giả thiết này thì vị trí của bơm tỷ lệ thuận với tốc độ bơm dầu.
- Trong sơ đồ này động cơ truyền động cho cơ cấu điều khiển vị trí van dầu Servo Motor Dr4er là động cơ phải ổn định được tốc độ trong quá trình làm việc.
- Với cách đặt vấn đề và giả thiết trên, đồng thời dựa vào sơ đồ hình 1-4 ta xây dựng được sơ đồ khối hệ điều khiển chuyển động ổn định vị trí điều khiển van dầu như hình 2-1:
- Sau đây sẽ lần lượt tính toán, khảo sát các khối chủ yếu trong sơ đồ 2-1
2.2. Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định tốc độ
2.2.1. Giới thiệu sơ đồ
Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp hệ truyền động PWM-Đ
Trong đó: Đ: Động cơ điện 1 chiều
MTX: Mạch tạo xung điều khiển PWM: Bộ xung điện áp
T: Bộ chỉnh lưu cung cấp điện áp 1 chiều cho PWM thông qua mạch giữa C
Sơ đồ có 2 mạch vòng phản hồi : mạch vòng phản hồi âm dòng điện để ổn định dòng điện với bộ điều chỉnh dòng điện Ri, mạch vòng phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ với bộ điều chỉnh tốc độ Rω .
2.2.2. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM
Từ sơ đồ khối hệ thống truyền động xung điện áp- động cơ một chiều như đã giới thiệu ở phần trên, ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống như sau:
Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM
Ở hệ điều chỉnh tự động, cấu trúc mạch điều khiển và thông số của bộ điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống điều tốc. Vì vậy khi thiết lập ta phải thực hiện các thuật toán nhằm đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Một số tiêu chuẩn thiết kế hay được sử dụng là tiêu chuẩn modul tối ưu, tiêu chuẩn modul đối xứng. Tùy theo các yếu tố cụ thể của hệ điều khiển vị trí tương đối thường đòi hỏi các chỉ tiêu chất lượng cao như thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao, độ bền tốt.. với momen và tốc độ nằm trong giá trị cho phép.
2.2.3. Hàm truyền của các khâu trong hệ truyền động
2.2.3.1 .Các biểu thức tính toán
a, Hàm truyền động cơ
Khi giữ nguyên từ thông kích từ không đổi : Kφ =const
U(p) =Rư. I(p) .(1+ pTư) + Kϕω(p) ⇒ I(p) = U(p)−E(p) Ru(1+pTu) Kϕ I(p) - Mc(p) = Jpω(p) (2.1) Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 2.4
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
b, Hàm số truyền của bộ biến đổi PWM
Lúc tần số khóa, tần số của cả hệ thống mạch hở thỏa mãn công thức sau đây:
ω ¿
1 3T
Hàm truyền của bộ điều chế độ rộng xung và bộ biến đổi PWM là :
WPWM(p) = WPWM.e−Tp≈KPWM Tp+1 (2.2) Trong đó : WPWM = Uđ
Uđk : Hệ số khuyếch đại của bộ điều chế độ rộng xung và bộ biến đổi PWM Uđ : Điện áp ra của bộ biến đổi PWM.
Uđk : Điện áp điều khiển của bộ điều chế độ xung.
T : Thời gian chu kỳ điện áp ra. c, Hàm truyền của máy phát tốc một chiều
Trong mạch vòng tốc độ người ta phải tạo ra một tín hiệu điên áp tỷ lệ với tốc độ động cơ. Để làm được điều đó thông thường ta dùng máy phát tốc và được nối cứng với động cơ.
Hàm truyền máy phát tốc : WFT(p) =
Kω
Trong đó : Tω : Hằng số thời gian của máy phát tốc.
Kω : Hệ số phản hồi của máy phát tốc.
d, Hàm truyền của thiết bị lấy tín hiệu dòng điện
Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại ban đầu vào khống chế hệ thống người ta tạo ra một tín hiệu điện áp tỷ lệ với tín hiệu dòng điện. Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện nhưng cách đơn giản nhất có thể dùng máy biến dòng.
Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện:
WBI(p) =
KBI
1+TBIp (2.4)
Trong đó: TBI : Hằng số thời gian máy biến dòng. KBI : Hệ số phản hồi dòng điện.
e, Hàm truyền cảm biến vị trí
Cảm biến vị trí dùng kiểu chiết áp, có hàm truyền như sau:
WCP(p) = Kϕ
1+Tϕp (2.5)
Trong đó: Tϕ : Hằng số thời gian của khâu cảm biến vị trí
Kϕ : Hệ số phản hồi vị trí
2.2.4. Tổng hợp hệ truyền động RI
a. Tổng hợp bộ điều khiển RI
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
Trong đó Tu = RL : Hằng số thời gian điện từ của động cơ.
R : Điện trả mạch phần ứng. L : Điện cảm mạch phần ứng.
Ti : Hằng số thời gian của cảm biến (sensor) dòng điện.
Bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động, ta có sơ đồ cấu trúc thu gọn như sau:
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện
Từ sơ đồ hình 2.5 và 2.6 ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển mạch vòng điều chỉnh dòng điện: S0i(p) = I(p) Uđk(p) = KPWM.KBI R . 1 (1+pTđk).(1+Tvp).(1+pTBI).(1+Tu) (2.6) Trong đó :
Tsi = Ti + Tv + Tđk <<Tư, bỏ qua các hệ số bậc cao ta có :
S0i(p)
=
KPWM.KBI/Ru
(1+p.Tsi)(1+Talignl¿u¿¿)¿
(2.7)
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín: = 1 1+2τp+2τp2 (2.8) Mặt khác theo hình 2.6 ta có: S0Mi(p) = Ri(p).S0i(p) 1+Ri(p).S0i(p)⇒ Ri(p) = FOMi(p) S0i(p)−FOMi(p).S0i(p) Ri(p) = 1 KPWM.KBI/Ru (1+p.Tsi)(1+Talignl¿u¿¿) .2τp(1+τp)¿ (2.9) Ta chọn τ=min(Tsi,Tu)=Tsi , khi đó ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
Ri(p) = Ru(1+Tu) 2KPWMKBITsip = RTu 2KPWMKBITsi (1+ 1 Tup) (2.10)
Như vậy bộ điều chỉnh dòng điện Ri(p) có dạng là một khâu PI (tỷ lệ-tích phân) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện kín bằng tiêu chuẩn modul tối ưu ta có :
FOMi(p) = Ui(p) Uid(p) = 1 1+2Tsip+2T si2p2≈ 1 1+2Tsip (2.11) b. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ Rω
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như sau
Trong đó : S0ω = K1i 1 (1+Tsip).Kφ. 1 jp. Kω (1+Tωp) = 1 (1+Tsip). 1 Ki. R KφTCp Kω (1+Tωp) Đặt TSω=2Tsi+Tω⇒TSω rất nhỏ. Ta có: S0ω(p) = RKω KiKφTCp(1+Tωp) (2.12)
Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu : FOM ω(p) = 1 1+2τp+2τp2 (2.13) Rω(p) = FOM ω(p) S0ω(p)−FOM ω(p)S0ω(p) (2.14) Rω(p) = 1 RKω KiKφTCp(1+Tωp).2τp(1+τp) (2.15)
Chọn τσ=Tsω ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo modul tối ưu:
Rω(p) =
KiKφTC
R.Kω.2.Tsω (2.16)
Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ Rω(p) là một khâu P (tỷ lệ).
Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi Ic là nhiễu nữa.
Áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng:
FOM ω(p) = 1+4τσ p 1+4τσp+8τ σ2p2+8τ σ3p3 (2.17)
Rω(p) = FOM ω(p) S0ω(p)−FOM ω(p)S0ω(p) (2.18) Rω(p) = 1+4τσp RKω KiKφTCp(1+Tsωp). 8τ σ2p2(1+τp) (2.19)
Chọn τσ=Tsω , ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối
xứng: Rω(p) = 1+4Tsωp RKω KiKφT .8Tsω 2 .p (2.20) Rω(p)
là khâu tích phân- tỷ lệ (PI)
Với kết quả tổng hợp ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc hệ truyền động PWM-Đ:
Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động xung điện áp động cơ
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng kín tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:
ω(p) ωd(p) = 1 1+2Tsωp+2T sω2p2. 1 Kω≈ 1 1+2Tsωp. 1 Kω (2.21) Kết quả khi tổng hợp mạch vòng kín tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có:
ω(p) ωd(p) = 1 1+4Tsωp+8T sω2p2 +8T sω3p3. 1 Kω≈ 1 1+4Tsωp. 1 Kω (2.22)
2.2.4.1 Mô phỏng hệ
2.2.4.1.1. Sơ đồ mô phỏng
- Tính toán các thông số của mạch động cơ (xem mục 3.3.1).
Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID trên Matlap Simulink:
Hình 2.9: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID
2.2.4.1.2. Kết quả mô phỏng
- Kết quả mô phỏng trên Matlap như sau: + Tốc độ:
Hình 2.10: Kết quả mô phỏng tốc độ và dòng điện
2.2.4.1.3. Nhận xét
- Thời gian quá độ: tqd=0.4s
- Độ quá điều chỉnh: 9% - Độ dao động: n=2
- Đánh giá chất lượng hệ thống: Hệ thống ổn định, ứng dụng được cho hệ truyền động
2.3. Khảo sát và tính toán hệ truyền động ổn định vị trí với bộ điều khiển vị trítuyến tính tuyến tính
Để xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí ta dựa vào sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí (hình 2.1).
Trong sơ đồ này, hệ truyền động ổn định tốc độ trong chương 2 ta đã khảo sát và tổng hợp là hệ PWM – Động cơ điện 1 chiều. Quá trình tổng hợp ta được 2 bộ điều chỉnh khác nhau, đó là khâu P và khâu PI. Từ đó ta xây dựng được 2 hệ ổn định tốc độ tương ứng, đó là (2.2.1) và (2.2.2).
Sau khi tính được khâu chuyển đổi từ tốc độ góc sang tốc độ dài và cảm biến tốc độ, bản luận văn thể hiện sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí như hình vẽ 2.10.
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh vị trí
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí
Tổng hợp mạnh vòng vị trí cũng tương tự như tổng hợp mạnh vòng tố độ, ta dùng tiêu chuẩn module tối ưu và tối ưu đối xứng.
Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí như hình vẽ 2.14 Trong đó: Kr=
1
i : Hệ số khuếch đại của bộ truyền lực (2.23)
Tsω=Tω+2Tsi=Tω+2(Tđk+Tv+Ti) (2.24)
Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu module:
FOMT(p)= 1 1+2τσp+2.τσ2p2 (2.25) Từ sơ đồ cấu trúc hình vẽ 2.10 ta có: SOT(p)= KrKϕ Kω(1+2Tsωp)p(1+Tϕ) (2.26) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module ta có:
Rϕ(p)= FOMT(p)
SOT(p)−FOMT(p).SOT(p)
Thay biểu thức (2.5), (2.6) vào ta được:
Rϕ(p)= 1
Kr.Kϕ
Kω.p.(1+2pTsω). 2τδ.p. 1+τδp 1+Tϕp
Chọn: τδ=Tϕ
Rϕ(p)= Kω KrKϕ2Tϕ(1+2Tsω.p) (2.27) Với: Rϕ=Kp+KD.p ; Kp= Kω KrKϕTϕ ; KD= KωTsω KrKϕTϕ Rϕ(p) là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD) Tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
FOMT(p)= 1+4τσ.p
1+4τσp+8.τ2σp+8τσ3p (2.28) Khi tổng hợp mạch vòng vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng thì ta có hàm truyền đối tượng:
SOT(p)= KrKϕ
Kω(1+4Tsωp)p(1+Tϕ) (2.29)
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có:
Rϕ(p)= FOMT(p) SOT(p)−FOMT(p).SOT(p) = 1 Kr.Kϕ Kω.p.(1+4pTsω).2τδ.p.1+τδp 1+Tϕp Chọn: τδ=Tϕ
Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
Rϕ(p)= Kω
KrKϕ2Tϕ(1+4Tsω.p)
(2.30)
Rϕ(p) cũng là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD)
Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển vị trí ứng với 2 bộ điều chỉnh tốc độ đều cho kết quả là khâu PD tuyến tính, từ đó ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động cơ điện 1 chiều như hình vẽ:
Hình 2.11. Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí
2.3.2 Mô phỏng hệ thống.
2.3.2.1. Chọn và xác định các thông số
a. Các thông số cho trước
Pđm : Công suất định mức của động cơ 0.7 kW Uđm : Điện áp định mức của động cơ 220 V
nđm : Tốc độ quay định mức của động cơ 1500 v/p Iđm : Dòng điện định mức cùa động cơ 4.3 A Lư : Điện cảm phần ứng 0.1944 H
Rư : Điện trở phần ứng 6.7 Ω
Ti : Hằng số thời gian của máy biến dòng 0.0025 s TPWM : Hằng số thời gian của của bộ PWM 0.0033 s
Tđk : Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ PWM 0.001 s Tω : Hằng số thời gian của máy phát tốc 0.001 s