CHƯƠNG 2 : TÍNH TỐN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
4.1Xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống:
4.1.1 Mục đích xây dựng mơ hình tốn học:
Để thiết kế phần điều khiển cho hệ thống thì ta cần phải mơ hình hóa các thành phần trong hệ thống, biến đổi những thành phần vật lý thành tốn học, xây dựng mơ hình tốn hồn chỉnh. Ở chương này, ta sẽ xây dựng mơ hình tốn học cho mạch động lực của hệ thống bao gồm: bộ biến đổi, động cơ điện 3 pha kích từ vĩnh cửu, các cảm biến…Từ đó có thể hiểu được quan hệ vào/ra của các thành phần trong hệ thống và thiết kế thuật toán điều khiển hệ thống như mong muốn.
Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động
P a g e 36 | 60
4.1.2 Xây dựng mơ hình trạng thái liên tục của động cơ PMSM:
Phương trình điện áp stator tổng quát:
Phương trình điện từ thơng stator:
Ta hình dung ra một hệ tọa độ có 2 trục quay dq, quay với vận tốc ω, điều đó có nghĩa là hệ toạ độ không chỉ quay với đồng bộ với vector từ thơng, hệ cịn đứng yên so với rotor. Nếu ta chọn vị trí của hệ sao cho trục d trùng với trục của từ thông cực, khi ấy tọa độ mới chọn chính là hệ tọa độ T4R.
Phương trình biểu diễn quan hệ giữa từ thơng stator và từ thông rotor : (với ψps
là từ thơng cực)
Vì trục d của hệ tọa độ trùng với trục của từ thông rotor → Thành phần từ thơng rotor trục q (vng góc với d) sẽ bằng 0.
Với ψpq = 0
Ngoài ra, điện cảm của cuộn dây stator là khác nhau khi ở đó đỉnh cực Lsd (dọc theo trục d) và ngang cực Lsq (dọc theo trục q). Từ đó, ta có phương trình các thành phần từ thơng :
P a g e 37 | 60
Thay các phương trình từ thơng vào chương trình điện áp stator và viết dưới dạng các thành phần dq ta có :
Phương trình momen quay :
Phương trình chuyển động :
(Trong đó : , mw là momen quay của động cơ, momen tải J là momen quán tính)
Ta cần xây dựng mơ hình của dịng điện stator, điện áp stator ở 2 trục d,q và tần số góc s. Từ đó ta có hệ phương trình:
P a g e 38 | 60
Tiếp đó, ta có thể xây dựng mơ hình khơng gian trạng thái :
Hình 4.2. Mơ hình khơng gian trạng thái của động cơ
Với giá trị của thông số trong mạch động lực, ta có:
Tsd = Tsq = Lsd Rs= Lsq Rs =0.005 6.5 = 7.7.10-4 Từ đó, ta có các ma trận : AfSM = [−1298.7 0 0 −1298.7] BfSM = [ 1298.7 0 0 1298.7]
P a g e 39 | 60
NSM =[ 0 1
−1 0] S = [ 0 −200]
Vậy mơ hình khơng gian trạng thái của động cơ PMSM trên hệ tọa độ dq là difs dt =[−1298.7 0 0 −1298.7] 𝑖 fs + [1298.7 0 0 1298.7] 𝑢 fs + [ 0 1 −1 0] 𝑖fs 𝜔s + [ 0 −200] 𝛹p 𝜔s
4.1.3 Mơ hình tốn học của bộ biến đổi cơng suất:
Vì bộ chỉnh lưu có đầu ra là điện áp cố định, nên ta khơng mơ hình hóa bộ chỉnh lưu, ta chỉ cần mơ hình hóa bộ nghịch lưu. Bộ nghịch lưu được xem là một khâu tỉ lệ Xác định vào/ra bộ nghịch lưu:
+ Vào : điện áp mong muốn: u∗ + Ra : điện áp cấp cho động cơ:
+ Hệ số khâu tỉ lệ:
Động cơ chạy đúng yêu cầu khi , vậy 𝑘𝑖𝑛𝑣=1
4.1.4 Khâu chuyển tọa độ uvw (Clarke Transfomation):
Từ 3 đại lượng được đo 𝑖𝑠𝑢, 𝑖𝑠𝑣, 𝑖𝑠𝑤 sẽ chuyển thành 𝑖𝑠𝛼 ,𝑖𝑠𝛽 trên hệ tọa độ:
Với 𝐼𝑢 + 𝐼𝑣 + 𝐼𝑤 = 0
Để chuyển đổi từ hệ tọa độ hai trục tham chiếu đứng yên sang hệ tham chiếu 3 pha cố định, ta sẽ sử dụng phép biến đổi Clarke ngược.
P a g e 40 | 60
4.1.5 Khâu chuyển tọa độ dq (Park Transfomation):
Sử dụng công thức chuyển đổi Park:
Thuận
Nghịch
4.1.6 Khâu cảm biến:
+ Khâu phản hồi tốc độ :
Trong các hệ thống trước đây thường dùng máy phát tốc để đo tốc độ thường dùng bộ lọc có thời gian dưới 10 ms.
Mơ hình hàm truyền đạt của encoder :
P a g e 41 | 60
Hình 4.4 Mơ hình tốn học của hệ thống
+ Với 𝐾𝜔 là hệ số khuếch đại của cảm biến.
+ 𝑇𝜔 là hằng số thời gian của bộ lọc do Tw < 10ms chọn Tw=5ms + Khâu phản hồi dòng điện:
Mơ hình tốn học của phản hồi dịng điện có thể biểu diễn bằng một hệ số khuếch đại Hc. Trong đa số trường hợp khơng u cầu có bộ lọc.
Trong trường hợp cần dùng bộ lọc , một bộ lọc thông thấp được sử dụng. Hằng số thời gian của bộ lọc thường nhỏ hơn 1ms.
P a g e 42 | 60
4.3 Tổng hợp hệ thống truyền động điện: 4.3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống: 4.3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống:
Hình 4.5 Sơ đồ cầu trúc điều khiển hệ thống
Thiết kế bộ điều khiển và xác định lại các khâu trong bộ điều khiển Bộ điều khiển phải đảm bảo có chất lượng điều khiển tốt để hệ thống có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra của bài toán. Thiết kế bộ điều khiển bao gồm:
• Xây dựng cấu trúc điều khiển (các mạch vòng điều khiển) dựa trên phương án truyền động đã chọn và mơ hình hóa cấu trúc phần cứng.
• Thiết kế thuật tốn điều khiển cho các mạch vòng. Xác định các tham số điều khiển cho hệ truyền động .
Trong đồ án này ta sử dụng động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu ( PMSM), nên từ thông rotor là hằng số (vĩnh cửu), momen tỉ lệ thuận trực tiếp với thành phần dòng isq và isd. Dịng stator chỉ có nhiệm vụ tạo momen chứ khơng có nhiệm vụ tạo từ thơng và vì vậy điều khiển momen điện từ bằng cách chỉnh dòng isq, còn thành phần isd được đặt bằng 0 để đạt được tỉ lệ momen /dịng điện là tối đa. Khi đó cấu trúc điều khiển bao gồm hai mạch vòng:
• Mạch vịng dịng điện.
P a g e 43 | 60
4.3.2 Các khâu trong bộ điều khiển: a, Bộ điều khiển: a, Bộ điều khiển:
Do trong đồ án này ta tiến hành xác định các thông số PI thực nghiệm. Bộ điều khiển PI bao gồm 2 thông số tỉ lệ và tích phân:
- Khâu tỉ lệ P: làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp
• Kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh.
• Kp càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ (nhưng khơng 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 khơng tắt dần => Mất ổn định.
Khâu tích phân I: tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số. Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị lọt vố qua giá trị đặt.
• 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 vơ cùng khi tần số bằng 0 => triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc. • Ki càng lớn thì độ vọt lố càng cao.
Phương pháp thực nghiệm xác định thông số cho bộ PI :
Sau khi tính tốn được sai lệch giữa giá trị phản hồi và giá trị đặt, điều chỉnh thông qua bộ PI bằng cách sau:
P a g e 44 | 60 - Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển bắt đầu dao động, ta đặt Kp bằng ½ giá trị vừa rồi
- Tăng dần Ki cho đến khi giá trị phản hồi bám sát với giá trị đặt
- Ta sẽ thực hiện điều chỉnh từ mạch vòng dòng điện trước rồi tới mạch vòng tốc độ sau.
b, Khâu điều khiển tốc độ:
Ở mạch vòng tốc độ, giá trị tốc độ thực w phản hồi từ encoder cùng với đầu vào tốc độ mong muốn w* được đưa vào mạch vòng tốc độ để so sánh với nhau, sai lệch giữa w và w* sẽ đưa vào bộ điều khiển tốc PI, bộ điều khiển sẽ tính tốn ra giá trị isq* mong muốn để đưa vào mạch vòng dòng điện.
Các tham số bộ điều khiển PI: Kp=100 ; Ki = 400
c, Khâu điều khiển dòng:
Sau khi có được giá trị isd và isq thông qua các bộ chuyển đổi và giá trị isq* từ khâu điều khiển tốc độ. Ta tiếp tục đưa vào mạch vòng tốc độ để so sánh 2 giá trị isq và isq*, sai lệch giữa isq và isq* sẽ đưa vào bộ điều khiển PI để điều chỉnh phù hợp với giá trị mong muốn. Tương tự với isd, nhưng vì ta khơng cần điều khiển từ thông nên isd* sẽ cho bằng 0.
Các tham số bộ điều khiển PI dòng Isq: Kp = 5 ; Ki = 50
Các tham số bộ điều khiển PI dòng Isd: Kp=20 ; Ki = 120
d, Khâu phát xung PWM:
Là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Cùng một lúc có ba van mạch lực dẫn dịng (nếu bỏ qua thời gian trễ vì lý do an tồn), các tín hiệu đặt (mong muốn) mang thơng tin về điện ba pha, gọi là các sóng sin chuẩn Ua*, Ub*, Uc*, được so sánh với sóng mang Urc có dạng răng cưa tam giác lưỡng cực.
Đầu ra của các bộ phận so sánh Uadk điều khiển các van S1 và S4; Ub,đk điều khiển các van S3 và S6, Ucdk điều khiển các van S5 và S2.
P a g e 45 | 60
Hình 4.7 Ảnh minh họa của IGBT trong mạch nghịch lưu
Tỷ số điều chế về biên độ được tính bởi cơng thức :
𝑀𝑎 = 𝑉̂𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙
𝑉̂𝑡𝑟𝑖
( 𝑉̂𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 là biên độ của điện áp điều khiển (sóng sin chuẩn); 𝑉̂𝑡𝑟𝑖 là biên độ tín hiệu sóng răng cưa )
Hình 4.6 Giản đồ xung trạng thái đóng/mở
4.3.3 Chọn mạch Gate Drive:
Do tín hiệu từ điều chế từ PWM thường có nguồn bé, cơng suất nhỏ nên khơng thể kích được cho các van của IGBT nên cần một nguồn ngồi để làm việc đó. Có 2 phần cơ bản trong việc điều khiển đóng cắc các linh kiện cơng suất là: điều khiển phía cao và phía thấp.
P a g e 46 | 60 Trong hình trên Q7 và Q8 luôn làm việc đối nghịch nhau. Khi Q7 ở trạng thái ON thì Q8 ở trạng thái OFF và ngược lại.
Khi Q7 ở trạng thái mở sang đóng thì chân E của IGBT Q8 chuyển từ ground sang điện áp cao. Do đó muốn tiếp tục kích Q7 đóng thì phải tạo điện áp kích bằng điện áp cần thiết kích ban đầu cộng với điện áp tại chân E. Tín hiệu ra của vi xử lí điều khiển đóng cắt các khóa chỉ có điện áp +5V. Do đó, cần phải có mạch lái để tạo trơi áp cách li đóng cắt phía cao.
Đối với Q8, chân E được nối đất. Do đó điện áp kích Q8 là điện áp cần thiết kích cho IGBT ban đầu, nên việc đóng ngắt khóa phía thấp được thực hiện dễ dàng hơn.
Sử dụng IC IR 2112 làm mạch Gate Drive cho IGBT trong nghịch lưu
4.3.4 Sơ đồ kết nối IR 2112 với vi điều khiển và mạch nghịch lưu.
Hình 4.8 Mạch nguyên lý cấp xung cho nghịch lưu
P a g e 47 | 60
4.3.3 Nguyên lý của hệ thống điều khiển:
• Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển:
Ta cấp điện áp xoay chiều từ nguồn vào bộ biến tần, điện áp xoay chiều sẽ được biến đổi thành nguồn một chiều bằng phẳng thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ lọc. Điện áp một chiều này sẽ được đưa vào mạch nghịch lưu ( là hệ thống các van bán dẫn đóng ngắt theo các tín hiệu điều khiển) để biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng ứng với giá trị điện áp mong muốn để cấp cho động cơ. Sau khi cấp nguồn vào động cơ để cho tải hoạt động, các cảm biến sẽ thu thập dữ liệu về tốc độ và dòng điện để phản hồi về các bộ điều khiển.
Cảm biến dòng điện sẽ thu thập giá trị thực từ cuộn stator rồi đưa iu, iv, iw vào bộ biến đổi Clark để thực hiện tính tốn chuyển đổi từ hệ tọa độ (u,v,w) sang hệ tọa độ (α, β). Để thuận tiện và dễ dàng cho việc tính tốn, ta sẽ chuyển các đại lượng xoay chiều ở hệ tọa độ sang các đại lượng một chiều ở hệ tọa độ (dq). Dòng isα và isβ sẽ được đưa vào bộ Park kết hợp với góc θ để tính tốn chuyển đổi thành isq và isd.
P a g e 48 | 60 Ở mạch vòng tốc độ, đầu vào tốc độ mong muốn w* đưa vào mạch vòng tốc độ để so sánh với giá trị thực w phản hồi từ encoder. Sai lệch giữa w* và w sẽ được đưa vào bộ điều khiển PI, bộ điều khiển sẽ tính tốn ra giá trị isq* mong muốn để tiếp tục đưa vào mạch vòng dòng điện để so sánh với giá trị isq có được từ bộ Park, sai lệch giữa isq* và isq sẽ đưa vào bộ điều khiển PI để tính tốn ra giá trị điện áp usq mong muốn. Do từ thông rotor là hằng số nên ta khơng cần điều khiển từ thơng, vì vậy đặt isd* = 0 rồi cho so sánh với isd và tính tốn điều khiển thơng qua bộ PI để tìm ra giá trị usd mong muốn. Sau khi có được usd và usq ta sẽ đưa vào bộ chuyển đổi Park-1 để chuyển các đại lượng ở hệ (dq) thành đại lượng xoay chiều ở hệ (α, β). usα và usβ chuyển đổi Clark-1 để chuyển các đại lượng ở hệ (u,v,w) sẽ được đưa vào bộ PWM để tính tốn và tạo ra các chum xung kích thích, điều khiển đóng/mở các van của bộ nghịch lưu xoay chiều 3 pha để cấp điện áp phù hợp cho động cơ hoạt động theo mong muốn.
P a g e 49 | 60
4.4 Lập trình thuật tốn điều khiển trên Vi điều khiển: 4.4.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống: 4.4.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống:
P a g e 50 | 60
4.4.2 Lập trình thuật tốn điều khiển của hệ thống trên vi điều khiển:
#include <Wire.h> #include "EmonLib.h" #define output1 8 #define output2 9 #define output3 10 #define current_inA A0 #define current_inB A1 #define encoder0PinA 2 #define encoder0PinB 3 #define Zsignal 4
//Khai báo encoder
int val;
int encoder0Pos = 0;
int encoder0PinALast = LOW; int n = LOW; int time_H; int time_L; float t_period; float Frequency; unsigned long t;
P a g e 51 | 60 float Speed;
//Khai báo cảm biến dòng
float Ia,Ib,Ic; int vol = 230; void setup() { pinMode(current_inA,INPUT); pinMode(current_inB,INPUT); pinMode(encoder0PinA,INPUT_PULLUP); pinMode(encoder0PinB,INPUT_PULLUP); pinMode(Zsignal,INPUT_PULLUP); pinMode(output1,OUTPUT); pinMode(output2,OUTPUT); pinMode(output3,OUTPUT); t=millis(); } void loop() { t=millis();
// Lấy tín hiệu dịng điện
Ia = current_inA.calcIrms(1480); Serial.print("Dong dien = "); Serial.print(Ia);
P a g e 52 | 60 Serial.println(" A"); Ib = current_inB.calcIrms(1480); Serial.print("Dong dien = "); Serial.print(Ib); Serial.println(" A"); Ic= -Ia-Ib; Serial.print("Dong dien = "); Serial.print(Ic); Serial.println(" A"); // Đọc encoder n = digitalRead(encoder0PinA);
if ((encoder0PinALast == LOW) && (n == HIGH)) { // Signal A and B Direction
if (digitalRead(encoder0PinB) == LOW) { encoder0Pos--;
val=1; // Quay theo chiều dương }
else {
encoder0Pos++;
val=-1; // Quay ngược chiều dương }
P a g e 53 | 60 // Lấy tín hiệu tốc độ // time_H = pulseIn(encoder0PinA,HIGH); // time_L = pulseIn(encoder0PinA,LOW); time_H = pulseIn(Zsignal,HIGH); time_L = pulseIn(Zsignal,LOW);
t_period = t_period/1000000; //micro s to s Frequency = 1/t_period;
Speed = 60*Frequency; // RPS to RPM Speed = 3.14/30*Speed; // RPM to RAD/S Serial.print(" Speed = "); Serial.print(Speed); Serial.println(" rad/s "); delay(5); } encoder0PinALast = n; }
P a g e 54 | 60
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ VÀ MỞ RỘNG DỰ ÁN MỞ RỘNG DỰ ÁN
5.1 Mô phỏng bằng Matlab – Simulink: 5.1.1 Mạch động lực: 5.1.1 Mạch động lực: