CHƯƠNG 2 : TÍNH TỐN MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
3.4 Chọn bộ điều khiển:
Giới thiệu chung về arduino uno R3:
• Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P.
• Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I/O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử, thiết bị bên ngồi. Trong đó có 14 cổng I / O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách trực quan.
• Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thơng qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux Systems, tuy nhiên, Windows thích hợp hơn để sử dụng. Các ngơn ngữ lập trình như C và C ++ được sử dụng trong IDE. Ngoài USB, người dùng có thể dùng
nguồn điện ngồi để cấp nguồn cho bo mạch.
Hình 3.8 Arduino R3
- Các tính năng của arduino uno R3:
• Arduino Uno đi kèm với giao diện USB tức là cổng USB được thêm vào bo mạch Arduino để phát triển giao tiếp nối tiếp với máy tính.
• Bộ vi điều khiển Atmega328 sử dụng trên bo mạch đi kèm với một số tính năng như hẹn giờ, bộ đếm, ngắt, chân PWM, CPU, chân I / O và dựa trên xung nhịp 16 MHz giúp tạo ra nhiều tần số và số lệnh hơn trong mỗi chu kỳ.
• Đây là một nền tảng mã nguồn mở, nơi mọi người có thể sửa đổi và tối ưu hóa bảng dựa trên số lượng hướng dẫn và nhiệm vụ muốn đạt được.
P a g e 30 | 60 • Arduino đi kèm với một tính năng điều chỉnh tích hợp giúp giữ điện áp trong tầm kiểm soát khi thiết bị được kết nối với thiết bị bên ngoài.
• Chân reset trên Arduino để thiết lập lại tồn bộ và đưa chương trình đang chạy trở về ban đầu. Chân reset này hữu ích khi Arduino bị treo khi đang chạy chương trình
• Có 14 chân I/O digital và 6 chân analog được tích hợp trên Arduino cho phép kết nối bên ngoài với bất kỳ mạch nào với Arduino. Các chân này cung cấp sự linh hoạt và dễ sử dụng cho các thiết bị bên ngồi có thể được kết nối thông qua các chân này.
• 6 chân analog được đánh dấu là A0 đến A5 và có độ phân giải 10 bit. Các chân này đo từ 0 đến 5V, tuy nhiên, chúng có thể được cấu hình ở phạm vi cao bằng cách sử dụng chức năng analogReference () và chân ISF.
• Bộ nhớ flash 13KB được sử dụng để lưu trữ số lượng hướng dẫn dưới dạng mã.
• Chỉ cần nguồn 5V để sử dụng với Arduino, hoặc lấy nguồn trực tiếp từ cổng USB. Arduino có thể hỗ trợ nguồn điện bên ngồi lên đến 12 V có thể được điều chỉnh và giới hạn ở mức 5 V hoặc 3,3 V dựa trên yêu cầu của projects.
-
Hình 3.9 Vi điều khiển ATMEGA328 tích hợp trong Arduino R3
=> Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8. Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bít (2KB SRAM).
Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C. Ngồi ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bit(ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader.
P a g e 31 | 60 Thơng số chính Atmega328:
+ Kiến trúc: AVR 8bit.
+ Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz .
+ Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB.
+ Bộ nhớ EEPROM: 1KB 34 + Bộ nhớ RAM: 2KB. + Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V..
+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit . + Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh).
Hình 3.10 Sơ đồ chân vi điều khiển ATMEGA328 3.5 Phân tích các vấn đề trong khâu đo lường: 3.5 Phân tích các vấn đề trong khâu đo lường:
3.5.1 Độ chính xác và sai số của các thiết bị đo:
- Độ chính xác là tiêu chuẩn quan trọng nhất của thiết bị đo. Bất kì một phép đo nào đều có sai lệch so với giá trị thực của chúng.
- Sai số tuyệt đối của phép đo : ∆X=X_d-X_th
(Trong đó: X_d là giá trị đo được ; X_th là giá trị thực của đại lượng cần đo )
- Thông thường độ chính xác của một phép đo hoặc một thiết bị đo được đánh giá bằng sai số tương đối:
P a g e 32 | 60 + Với một phép đo, sai số tương đối được tính :
γ = ∆X/X (với X là đại lượng đo ) - Với một thiết bị đo, sai số tương đối được tính
β= ∆X/D (với D là giá trị lớn nhất của thang đo)
- Giá trị γ% gọi là sai số tương đối quy đổi dùng để sắp xếp các thiết bị đo thành các cấp chính xác.
- Khi biết cấp chính xác của một thiết bị đo ta có thể xác định được sai số tương đối quy đổi
và suy ra sai số tương đối của thiết bị trong các phép đo cụ thể: γ=(β*D)
3.5.2 Độ tán xạ kết quả đo:
Độ chính xác biểu thị độ tán xạ đầu ra theo đầu vào. Nguyên nhân là do sự không duy nhất của đặc tính dụng cụ đo. Giả sử dụng cụ đo là tuyến tính, khi đó ta có quan hệ giữa thơng tin đo với đầu ra là:
A(t) = k.X(t)
Thực tế, do sự khơng tuyến tính hồn tồn, nên có sự sai lệch đầu ra A(t) theo đầu vào X(t). Dựa trên sự biến đổi đầu ra khơng tuyến tính, người ta mơ tả:
A(t) = k. (X(t) + ∆X(t)) = A(t) +∆A(t)
Gọi là sai lệch cộng. Để hiệu chỉnh sai lệch này, người ta dịch chuyển đặc tính theo trục tung. A(t) = (k + ∆k).X(t) = A(t) +∆A(t)
Để hiệu chỉnh, người ta sẽ điều chỉnh lại độ dốc của đặc tính, hay độ nhạy. Trong đó, do đặc tính đo biến thiên giữa một dải, nên ứng với một giá trị đầu vào X(t), đầu ra có thể xuất hiện trong biên A(t) ± +∆A(t), hoặc khi đầu vào biến thiên X(t) ± ∆X(t), thì đầu ra lại giữ nguyên A(t). Như vậy, rõ ràng một dụng cụ đo chính xác càng cao nếu độ tán xạ đầu ra càng nhỏ, hay nói cách khác là vùng sai lệch nhỏ.
P a g e 33 | 60
3.6 Sơ đồ chi tiết mạch phần cứng của hệ thống:
Qua các tính chọn linh kiện và các bộ phần cứng của hệ, ta có thể rút ra sơ đồ :
Bảng tham số phần cứng của hệ thống :
Công suất định mức 7.5(KW)
Tốc độ định mức 1000 (vòng/phút)
Momen định mức 71.6(N.m)
Điện trở stato (Rs) 0.085(ohm)
Điện cảm phần ứng 0.00095(ohm)
Momen của tải 24 (N.m)
Momen quán tính của tải 3 (kg.m2) Điện áp ngược của diode
(Diode 10A8 ASEMI)
800 (V) Điện áp trung bình qua diode
(Diode 10A8 ASEMI)
10 (A) Điện áp ngược (IGBT: GT60K303A) 700 (V) Dòng Ic max 60 (A) Độ phân giải 100-5000 (PPR) Điện áp hoạt động 5-24 (VDC)
Đo dòng tối đa 100 (A)
P a g e 34 | 60
3.7 Phân tích ngun lý hoạt động của tồn hệ thống:
- Dựa vào sơ đồ chi tiết mạch phần cứng thì ở phần động lực nguồn ba pha qua bộ biến tần cung cấp điện áp cho động cơ PMSM để làm tải quay. Phần điều khiển cảm biến đo tốc độ và cảm biến dịng điện tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu vật lý nhưng vào bộ điều khiển là tín hiệu số, bộ điều khiển so sánh tốc độ đặt và tín hiệu tốc độ phản hồi từ cảm biến hai tín hiệu này so sánh với nhau để đưa ra giá trị mong muốn nhờ các thuật toán trong bộ điều khiển. Tín hiệu xuất ra từ bộ điều khiển kích mở các van IGBT của bộ biến tần đưa ra giá trị điện áp mong muốn đặt vào hai đầu stator động cơ PMSM.
P a g e 35 | 60
CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG VÀ TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
4.1 Xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống: 4.1.1 Mục đích xây dựng mơ hình tốn học: 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 dòng 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 thơng 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 công 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 thơng 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 vịng:
• Mạch vòng dòng 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 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 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