3.2 Chọn cảm biến dịng:
Trong q trình động cơ hoạt động để thu được giá trị thực của dòng điện chạy trong động cơ để đưa về bộ điều khiển để tính tốn ta sử dụng cảm biến dịng để đo giá trị đó.
Dịng điện làm việc định mức của động cơ là Iđm= 13,02A nên ta chọn cảm biến dòng:
Tên sản phẩm: Tín hiệu ngõ vào : Tín hiệu gõ ra : Chất liệu lõi : Hình 3.4 Cảm biến dòng SCT013 - 015 P a g e 26 | 60
PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS. Nguyễn Khánh Quang
3.2.1 Ngun lí hoạt động cảm biến dịng:
Khi dịng điện chạy qua một dây dẫn, nó tạo ra một từ trường tỷ lệ xung quanh dây dẫn. Máy biến dòng sử dụng từ trường này để đo dòng điện.
Dòng điện xoay chiều thay đổi, khiến từ trường thay đổi liên tục. Trong một cảm biến dòng xoay chiều, dây được quấn quanh lõi. Từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra một dòng điện hoặc điện áp tỷ lệ trong dây nằm trong cảm biến dịng. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra một điện áp hoặc dòng điện nhất định mà một đồng hồ được kết nối với cảm biến có thể đọc và chuyển thành dịng điện chạy qua dây dẫn.
Cụ thể đối với cảm biến SCT013-015, có thể đo được dịng tối đa là 15A lúc đó đầu ra tương ứng có điện áp lớn nhất là 1V, với giá trị điện áp đầu ra từ 0-1V thì vi điều khiển có thể đọc trực tiếp được mà không cần phải qua một mạch hỗ trợ.
a, Sơ đồ kết nối SCT013 với vi điều khiển:
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối cảm biến dòng với vi điều khiển
P a g e 27 | 60
3.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ:
3.3.1 Tính chọn aptomat:
Trong q trình làm việc của động cơ để bảo vệ động cơ khỏi bị hư hỏng khi gặp sự cố ngắn mạch, quá tải ta sử dụng aptomat để bảo vệ cho động cơ khi có sự cố ngắn mạch hay quá tải xảy ra.
- Từ giá trị dòng điện định mức= 13,02A=> dòng điện qua aptomat chọn là :
ℎ = 2,5 × = 2,5 × 13.02 = 32.55
=> Từ đó ta chọn được Aptomat BKN-b 2P 40A :
- Dịng điện định mức: I = 40A - Dòng điện cắt ngắn mạch: Iđm = 10 kA Hình 3.6.Aptomat BKN-b 2P 40A 3.3.2 Tính chọn cầu chì: Dịng tác động của cầu chì : (5 × 13.02) = ⁄=5 ⁄= 2.5 = 26.04
(Chọn = 2.5 là hệ số quán tính nhiệt đối với động chuyền nhẹ)
Từ đó ta chọn được cầu chì 30A-250V.
cơ làm việc bình thường do tải đặt lên băng
Hình 3.7 Cầu chì 30A - 250V
P a g e 28 | 60
PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS. Nguyễn Khánh Quang
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.
Ngồi 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 29 | 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 ngồi.
• 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 thơng 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 vơ 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 30 | 60
PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS. Nguyễn Khánh Quang
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:
3.5.1 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 )
- Thơng 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 31 | 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 khơng 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 32 | 60
PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS. Nguyễn Khánh Quang
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 :
Hình 3.11 Sơ đồ mạch phần cứng của hệ thống
Bảng tham số phần cứng của hệ thống :
P a g e 33 | 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 tốn 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 34 | 60
PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS. Nguyễn Khánh Quang
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:
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 toán 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 35 | 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 khơng chỉ quay với đồng bộ với vector từ thơng, hệ cịn đứng n so với rotor. Nếu ta chọn vị trí của hệ sao cho trục d trùng với trục của từ thơng 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 thông 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 :
Phương trình điện áp stator :
P a g e 36 | 60
PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS. Nguyễn Khánh Quang
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 qn 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 37 | 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 = LsdRs= LsqRs =06.005.5 = 7.7.10-4 Từ đó, ta có các ma trận :
AfSM = [
P a g e 38 | 60
PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS. Nguyễn Khánh Quang
NSM =[
−1
Vậy mơ hình khơng gian trạng thái của động cơ PMSM trên hệ tọa độ dq là
difs
dt
=[−1298.7
0
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 =1
4.1.4 Khâu chuyển tọa độ uvw (Clarke Transfomation):
Từ 3 đại lượng được đo , , sẽ chuyển thành , trên hệ tọa độ:
Với + + = 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 39 | 60
4.1.5 Khâu chuyển tọa độ dq (Park Transfomation):
Sử dụng cơng thức chuyển đổi Park:
Thuận Nghịch
Hình 4.3 Vector chuyển đổi tọa độ
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 40 | 60
PBL2: Thiết kế hệ thống truyền động GVHD: TS. Nguyễn Khánh Quang
+ Vớilà hệ số khuếch đại của cảm biến.
+ là hằng số thời gian của bộ lọc do Tw < 10ms chọn Tw=5ms
+ Khâu phản hồi dịng 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.
4.2 Mơ hình tốn học của cả hệ thống:
Hình 4.4 Mơ hình tốn học của hệ thống
P a g e 41 | 60
4.3 Tổng hợp hệ thống truyền động điện:
4.3.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ thống:
Hình 4.5 Sơ đồ cầu trúc điều khiển hệ thống