Chƣơng 4 THỰC NGHIÊM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.4 Kết quả thực nghiệm
Bảng 4.1: Tham số động cơ một chiều không chổi than ba pha
Tham số Giá trị Điện áp định mức 24 VDC Dòng điện định mức 13A Công suất định mức 210 W Tốc độ định mức 3000 Vịng/phút Mơmen định mức 0.7 N.m
Dịng điện khơng tải 1.3A
Tóc độ khơng tải 5000 Vòng/phút
Số cực 4
Khối lƣợng 1.2 Kg
Chiều dài trục 115 mm
Áp dụng tham số thiết kế bộ điều khiển trong chƣơng 3 vào mơ hình thực nghiêm. Sử dụng cảm biến ACS đọc dòng điện và mạch cơng suất phát 12 xung/vịng để đọc tốc độ.
Bảng 4.2 : Kết quả vịng điều khiển dịng điện độc lập khi chạy khơng tải
Tham số Giá trị đặt Giá trị đo Sai số
Dòng điện (A) 210 mA 204mA 2.8%
71
Bảng 4.3: Kết quả vịng điều khiển tốc độ có vịng dịng điện bên trong
Tham số Giá trị đặt Giá trị đo Sai số
Dòng điện (A) 81mA 87 mA 7.4%
Tín hiệu điều khiển dịng điện 1.7 VDC 1.68 VDC 7.1%
Tốc độ 2000 vịng/phút 2023
vịng/phút 1.2%
Tín hiệu điều khiển tơc độ 0.055
Tín hiệu điều khiển tốc độ nhỏ 0.055 nên khi thực nghiệm ta phải nhân hệ số khuếch đại lên 530 lần.
Hệ thống một vòng điều khiển dòng điện cho kết quả sai số nhỏ 2.8%. Tuy nhiên khi đƣa vào vòng điều khiển tốc độ thì sai số tăng lên 7.4%. Nhƣng mục đích thiết kế vòng tốc độ là tối thiểu sai số tốc độ 1.2%, kết quả này chấp nhận đƣợc. Vòng điều khiển dòng điện chấp nhận độ vọt lố cao chủ yếu là làm hệ thống ổn định ngay lập tức, khơng tăng cao gây mất ổn định tới vịng tốc độ.
Hệ thống hai vòng điều khiển dòng điện và tốc độ có ƣu việt hơn với động cơ chạy dòng nhỏ hơn, 87mA so với 204mA. Tín hiệu điều khiển dịng điện cũng nhỏ hơn, 1.68V so với 3.92V.
4.5 So sánh, đánh giá
Phƣơng pháp nghiên cứu PID có bộ sớm trễ pha nghiên cứu cho chất lƣơng đáp ứng không khác nhiều phƣơng pháp IMC theo khai triển Mac-Laurin của Lee[37].
Các thiết bị đo dịng điện và tốc độ khơng phải chuyên dụng nhƣng kết quả đo ở trạng thái xác lập cho giá trị đo và giá trị đặt sai số nhỏ hơn 3%.
Kết luận dựa vào cơ sở lý thuyết chƣơng 2 và nhận dạng mơ hình, thiết kế bộ điều khiển IMC-PI/PID trong chƣơng 3 nên khi tiến hành thực nghiệm cho đáp ứng hệ thống ổn định, đầu ra bám theo đầu vào tốt, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian khi tiến hành mơ hình thực nghiệm.
72
CHƢƠNG 5
KẾT LUẬN, HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Đề tài nghiên cứu nội dung cơ sở lý thuyết của đối tƣợng là động cơ BLDC, các phƣơng pháp điều khiển đối tƣợng từ đó chọn phƣơng pháp thích hợp nhất. Tiếp đến tìm hiểu mơ hình toán học của đối tƣợng, phân tích đáp ứng động học đối tƣợng. Trên cơ sở đó phát triển bộ điều khiển PID để tìm các tham số thỏa yêu cầu thiết kế. Kết quả có đƣợc đáp ứng tốc độ nhƣ mong muốn nhƣng đáp ứng dòng điện còn độ vọt lố cao. Để tránh bị ảnh hƣơng nhiễu tới đáp ứng dòng điện dẫn tới ảnh hƣởng không tốt đến đáp ứng tốc độ, ta xây dựng hệ thống điều khiển nhiều vòng lặp. Vịng ngồi là IMC-PI/PID điều khiển tốc độ, vòng trong là IMC-PI/PID điều khiển dòng điện khử độ vọt lố dòng điện ngay lập tức. Đề tài tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển IMC để áp dụng tìm các hệ số bộ điều khiển PI/PID. Triển khai tính tốn thực hiện IMC-PID bằng khai triển Maclaurin, thiết kế mô phỏng trên Matlab/Simulink. Sau đó, nghiên cứu cải tiến đáp ứng và loại bỏ nhiễu bằng cách thêm bộ hiệu chỉnh sớm trễ pha nối tiếp với bộ điều khiển PI/PID. Cuối cùng là thực hiện mơ hình thực nghiệm, thu thập dữ liệu, đánh giá so sánh để rút ra nhận xét.
Một số hạn chế đề tài kết quả thực nghiệm cịn chƣa tốt do tín hiệu điều khiển nhỏ phải khuếch đại tín hiệu lên. Triển khai cân chỉnh hệ thống thực so với mơ hình mơ phỏng rất khó khăn. Hệ thống có trễ nhƣng khơng đáng kể nên trong quá trình nhận dạng xấp xỉ bỏ qua. Các thiết bị là loại phổ biến trên thị trƣờng không phải là loại chuyên dụng nên chất lƣợng chƣa đánh giá đƣợc.
Hƣớng phát triển đề tài nghiên cứu đối tƣợng có trễ. Phƣơng pháp IMC-PI/PID nghiên cứu cho loại động cơ một chiều không chổi than ba pha này kết quả chấp nhận đƣợc. Nghiên cứu các phƣơng pháp thiết kế PI/PID khác cho phù hợp, tối ƣu nhất. Phƣơng pháp này cũng có thể áp dụng cho các loại động cơ khác. Trong q trình thực nghiệm phải cân chỉnh tín hiệu điều khiển ra cho thích hợp với hai vịng điều khiển.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Electric Motors - Energy Efficiency Guide for Industry In Asia. Internet:
www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/Chapter-Electric%20Motors.pdf
[2] Carl Keyes, P.Eng., of Kinectrics Inc. Electric Motors. CEA Technologies Inc., 2007.
[3] Nasser Hashernnia and Behzad Asaei. Comparative Study of Using Different Electric Motors in the Electric Vehicles, Proceedings ofthe 2008 International
Conference on Electrical Machines,2008, Paper ID 1257.
[4] The Electric Motor. .Internet:
http://www.edisontechcenter.org/electricmotors.html
[5] Austin Hughes. Electric Motor and Drive. Elsevier Linacre House, Jordan Hill, 2006.
[6] Midwest Research Institute Kansas City, Mo. 64110 for Technology Utilization Office. Brushless Dc Motors, National Aeronautic S And Space Administration.
Washington , D.C. January 197.
[7] History of Brushless DC Motors. Internet:
http://www.nmbtc.com/brushless-dc-motors/brushless-dc-motors/
[8] Nasser Hashernnia and Behzad Asaei. Comparative Study of Using Different Electric Motors in the Electric Vehicles, Proceedings ofthe 2008 International
Conference on Electrical Machines,2008, Paper ID 1257.
[9] Shiyoung Lee,Ph.D and Tom Lemley,Director of Engineering Moog Inc. A
comparison study of the commutation methods for the three-phase permanent magnet brushless dc motor.
[10] Dal Y.Ohm and Jae H.Park. About commutation and current control methods for brushless motors, 29th annual IMCSD symposium, San Jose,July 26-29,1999. [11] Vinod KR Singh Patel, A.K.Pandey. Modeling and Performance Analysis of PID Controlled BLDC Motor and Different Schemes of PWM Controlled BLDC Motor. International Journal of Scientific and Research Publications, Volume 3, Issue 4, April 2013.
[12] Mehmet Çunkaş, Omer Aydoğdu. Realization of fuzzy logic controlled
brushless dc motor drives using matlab/simulink. Mathematical and Computational
Applications, Vol. 15, No. 2, pp. 218-229, 2010.
[13] A. Purna Chandra Rao, Y. P. Obulesh and Ch. Sai Babu. Mathematical modeling of bldc motor with closed loop speed control using pid controller under various loading conditions. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 7, no. 10, october 2012.
[14] A. Sneha. Reduction of Harmonics and Torque Ripples of BLDC Motor by Cascaded H-Bridge Multi Level Inverter Using Current and Speed Control Techniques. International Journal of Research in Electrical & Electronics
Engineering, Volume 3, Issue 2, April-June, 2015, pp. 24-32.
[15] Stefán Baldursson. Institutionen för Energi och Miljö, International masters program in Electric Power Engineering, CHALMERS TEKNISKA HƯGSKOLA Gưteborg, Sverige. BLDC Motor Modelling and Control – A Matlab®/Simulink®
Implementation. Master Thesis, May, 2005.
[16] Omar Mohammed , University of Toledo. A study of control systems for
brushless DC motors. Thesis and Dissertations, 2014.
[17] S.Rambabu, Department of Electrical Engineering, National Institute of
Technology, Rourkela. Modeling And Control Of A Brushless Dc Motor. Master of Technology In Power Control and Drives, 2007.
brushless DC motors. Thesis and Dissertations, 2014.
[18 Raja Sit1nur Adiimah Binti Raja Aris, Faculty of Electrical and Electronic Engineering Universiti Tun Hussein Onn Malaysia. Simulation Of A Variable Speed
Brushless Dc Motor Using Neural Network Controller. A project report submitted
in partial fulfillment of the requirement for the award ofthe Master of Electrical Engineering, May, 2011.
[19] James P. Johnson, M. Ehsani, Yilcan Giizelgiinler. Review of Sensorless
[20] An1946 application note. Sensorless bldc motor control and bemf sampling
methods with st7mc.ST Microelectronics, 2007.
[21] Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends. Internet:
http://www.mdpi.com/1424-8220/10/7/6901
[22] Padmaraja Yedamale. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals. AN885,Microchip Technology Inc.2003.
[23] Nguyễn Đức Hƣng. Đại học Kỹ thuật Công Nghệ. Nghiên Cứu Hệ Truyền Động Điện Dùng Động Cơ Một Chiều Không Chổi Than. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật- năm 2010.
[24] Nguyễn Đức Dũng. Đại học Công Nghệ. Nghiên Cứu Triển Khai Điều Khiển Động Cơ Một Chiều Không Chổi Than (Brushless Dc Motors) Và Ứng Dụng Trong Lĩnh Vực Cơ Điện Tử. Luận văn thạc sĩ-năm 2011.
[25] Nguyễn Quốc Chiến. Đại học Kỹ thuật Công Nghệ. Nghiên Cứu Phƣơng Pháp Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Một Chiếu Không Chổi Than. Luận văn thạc sĩ – năm 2015.
[26] Justin Youney. University of Central Florida. A Comparison And Evaluation of common Pid Tuning Methods. Masters thesis – 2007.
[27] Mohammad Shahrokhi and Alireza Zomorrodi, Department of Chemical & Petroleum Engineering Sharif University of Technology. Comparison of PID
Controller Tuning Methods.
[28] Neil Kuyvenhoven, Calvin College ENGR. PID Tuning Methods An Automatic
PID Tuning Study with MathCad.
[29] PID/PI tuning for Minimal Overshoot of PM Brushless DC Motor Drive Using Swarm Optimization. Internet:
https://www.researchgate.net/publication/260219921
[30] Changliang Xia, Peijian Guo, Tingna Shi and Mingchao Wang. Speed Control of Brushless DC Motor Using Genetic Algorithim Based Fuzzy Controller.
Proceedingsof the 2004 InternationalConference on IntelligentMechatronics and Automation, Chengdu,China August 2004.
[31] S. Naga Santosh, Dr. N. Prema Kumar. Modelling Of Brushless Dc Motor Using Pid, Pwm And Cascaded Controllers. IJISET - International Journal of
Innovative Science, Engineering & Technology, Vol. 1 Issue 4, June 2014.
[32] Umut Karapinar, Zafer Esen, Murat Şahin, Furkan Kanburoğlu. Cascaded
Controller Algorithm Design for a Brushless DC Motor with Matlab/Simulink and MCU Implementation.
[33] O.A. Dahunsi, J.O. Pedro and M.M. Ali. On Pid Control For Nonlinear Active
Vehicle Suspension Systems.
[34] F.-S. Wang , W.-S. Juang & C.-T. Chan. Department of Chemical
Engineering, National Chung Cheng University, Chiayi 621, TAIWAN, R.O.C. Institute of Automatic Control Engineering, Feng Chia University, Taichung 407, Taiwan, R.O.C. Optimal Tuning Of Pid Controllers For Single And Cascade
Control Loops.
[35] Sihai Song, Lihua Xie and Wen-Jim Ca. Auto-tuning of Cascade Control Systems. Proceedings of the 4& World Congress on Intelligent Control and
Automation, June 10-14, 2002, Shanghai, P.R.China.
[36] Daniel E Rivera, Sigurd Skogestad. Internal model control 4. PID controller
design. January 1986.
[37] Yongho Lee and Sunwon Park, Moonyong Lee. PID Controller Tuning To
Obtain Desired Closed Loop Responses for Cascade Control Systems. Ind. Eng.
Chem. Res. 1998, 37, 1859-1865.
[38] Daniel E. Rivera. Internal Model Control: A Comprehensive View. October 27, 1999.
[39] S. Naga Santosh, Dr. N. Prema Kumar. Single Parametric Control of Cascade Brushless DC Motor Drive. International Review of Automatic Control
PHỤ LỤC
Kết quả thu thập dữ liệu khi tiến hành làm thực nghiệm:
Trƣờng hợp 1: Cấu trúc nhƣ hình 3.5 chỉ có vịng điện khi thực nghiệm
Kết quả dòng điện từ 0-300mA tƣơng ứng 0-100%, tín hiệu điều khiển 0-255 tƣơng ứng 0-5V
Hình P1: Đáp ứng tín hiệu điều khiển và dịng điện trong mơ hình điều khiển
dịng điện
Trƣờng hợp 2: Cấu trúc nhƣ hình 3.9 vịng dịng điện trong, tốc độ ngồi khi thực nghiệm.
Kết quả dòng điện từ 0-300mA tƣơng ứng 0-100%, tín hiệu điều khiển dịng điện 0- 255 tƣơng ứng 0-5V. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 50 100 150 200 250
Dap ung vong dien
%
m
Hình P2: Đáp ứng dịng điện trong mơ hình điều khiển dịng điện-tốc độ
Hình P3: Đáp ứng tơc độ trong mơ hình điều khiển dịng điện-tốc độ
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 20 40 60 80 100 120
Dap ung vong dong dien trong
Thoi gian (s) D o n g d ie n % m A 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -500 0 500 1000 1500 2000 2500
Dap ung vong toc do ngoai
Thoi gian (s) T o c d o v o n g /p h u t
Hình P4: Tín hiệu điều khiển tốc độ trong mơ hình điều khiển dịng điện-tốc độ 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
Tin hieu u dieu khien toc do
Thoi gian (s) T in h ie u d ie u k h ie n u