CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP INSTASPIN
3.2. Các bộ điều chỉnh [7]
3.2.5. Tính toán các hệ số PI dòng điện và tốc độ dựa trên hệ số suy giảm
Hình 3.7 minh họa đáp ứng biên độ và pha vòng lặp hở cho hệ thống mà dải bộ điều khiển dòng điện được thiết lập tùy ý đến 100 Hz. Hình dạng của các đường cong sẽ không thay đổi, bất kể dải dòng điện là bao nhiêu. Yếu tố suy giảm được cho từ 1,5 đến 70 trong 8 bước rời rạc để đưa ra sự ảnh hưởng của nó đến đáp ứng hệ thống. Giá trị bằng 1.0 tương ứng với điều kiện nơi hệ số vòng lặp hở giao ở 0dB ngay tại tần số của dải bộ điều khiển dòng điện. Điều này sẽ loại bỏ điểm cực/ điểm không ở tần số này với một biên pha bằng 0.
Hình 3.7: Đáp ứng biên độ và pha vòng lặp hở cho hệ thống mà dải bộ điều khiển dòng điện được thiết lập đến 100 Hz
Một trong những mục tiêu của các phương trình hệ số suy giảm là đạt được sự ổn định tối đa có thể cho một dải nhất định. Điều này được thấy trên các hình pha mạch vòng hở mà chỉ ra các đỉnh biên pha với giá trị tối đa ngay tại tần số nơi hệ số
Dải thông mạch vòng dòng điện bandwidth
Độ khuếch đại vòng hở
Open-loop Phase
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
mạch vòng hở vẽ qua 0 dB. Khi yếu tố ổn định được tăng lên đạt được điểm giảm dần trở về độ dịch pha tín hiệu gần -90 độ. Tuy nhiên, biên độ tăng tiếp tục được cải thiện tại đáp ứng hệ thống chậm hơn. Hình 3.8 minh họa đáp ứng vòng lặp kín của vòng lặp tốc độ với giả thiết một dải bộ điều khiển dòng điện 100 Hz.
Hình 3.8: Đáp ứng vòng lặp kín của vòng lặp tốc độ mà dải bộ điều khiển dòng điện được thiết lập đến 100 Hz
Sự tách biệt tần số cần thiết giữa điểm cắt -3 dB của đáp ứng mạch vòng kín tốc độ và điểm cực bộ điều khiển dòng điện được biểu diễn dọc theo phía dưới của đồ thị với các giá trị khác nhau của hệ số suy giảm. Khi hệ số suy giảm tiến gần đến 1, các cực phức trong mạch vòng tốc độ tiến đến dao động suy giảm tần số yêu cầu.
Hình 3.9 cho thấy các đáp ứng với tín hiệu bước nhảy bình thường của hệ thống cho các giá trị khác nhau của các hệ số suy giảm. Các giá trị dưới 2 thường là không thể chấp nhận do lượng lớn overshoot. Ở phần cuối, các giá trị lớn hơn 30 thường không được chấp nhận do lượng lớn của overshoot. Ở phần khác, các giá trị lớn hơn 30 thường không làm việc do các thời gian thiết lập và thời gian tăng rất dài.
Dải thông mạch vòng dòng điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.9: Đáp ứng với tín hiệu step bình thường của hệ thống
Nếu hệ thống điều khiển động cơ có dạng tương tự như đã trình bày trong phần này, không phân biệt các giá trị tham số thực, ta sẽ nhận được các đường cong tần số (và các đường cong bước quá độ) giống hình 3.9, chỉ có tỉ lệ tần số (và tỉ lệ thời gian) là khác nhau. Vì vậy, ta có thể sử dụng nó để giảm thiểu tính chất lặp lại của quá trình thiết kế và cho phép thiết lập các dải mạch vòng dòng điện như là một hàm của dải mạch vòng tốc độ:
- Chọn đáp ứng tần số (tần số cắt -3 dB) cho vòng lặp tốc độ (BWS).
- Sử dụng hình dạng của các đường cong trong hình 3.9 tìm giá trị thấp nhất của hệ số suy giảm mà tạo ra một đáp ứng phù hợp cho vòng mạch tốc độ.
- Tính toán dải mạch vòng dòng điện yêu cầu để hỗ trợ các yêu cầu thiết kế bằng cách sử dụng công thức sau đây:
2.16 2.8 1.86 ( / )
series p
c s
BW K BW e rad s
L (3.34)
Trong đó:
• BWc là dải bộ điều khiển hiện dòng điện
•Kps ieser là một trong những hệ số PI vòng lặp dòng điện
• L là điện cảm động cơ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
• BWs là dải bộ điều khiển tốc độ
• δ là hệ số suy giảm
Tiến hành tính toán các hệ số PI như đã trình bày ở trên.
VÍ DỤ
Một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 24V Anaheim Automation có những đặc điểm sau đây:
• Rs = 0,4 ohms
• Ls = 0,6 mH
• Sức phản điện động - EMF = 0,0054 v-giây/ radian (đỉnh pha điện áp với trung tính, mà cũng bằng với từ thông - Webers trong hệ SI)
• Quán tính = 2E-4 kg-m2
• Số cực Rotor = 8
Dải tốc độ mong muốn = 800 rad/ giây và một hệ số suy giảm (δ) = 4. Tìm dải vòng lặp dòng điện yêu cầu để hỗ trợ dải vòng lặp tốc độ, và sau đó tính toán bốn hệ số PI.
GIẢI PHÁP
Dải dòng điện yêu cầu có thể được tìm thấy trực tiếp từ phương trình 1:
4
800 4 2.16 2.8 1.86 2126( / ) 0.0006
series p c
BW K e rad s
Từ phương trình trên ta có
series 1.28 Kp
Gọi lại
series 667
I
K R
L Cũng gọi lại
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Cuối cùng gọi
3 162
4 P r
K J
Và
3.29
series
series P
p
spdK K
L K
Đáp ứng bước quá độ tốc độ mô phỏng cho ví dụ này được thể hiện trong hình 3.10, trục thời gian được thu nhỏ phù hợp với thiết kế này.
Hình 3.10: Đáp ứng bước quá độ
Các cực trong mạch vòng tốc độ là hai tại s = 0 và kết hợp với bộ điều khiển dòng điện. Nhưng nếu tồn tại các cực khác như tín hiệu phản hồi tốc độ trong nhiều hệ thống thường được xử lý bởi một bộ lọc thông thấp.