Tải của hệ thống truyền động điện Bài toán đặt ra: Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ để kéo tải băng chuyền như hình vẽ, với c
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
Chọn động cơ
Chương 1: Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền động
Dựa vào 𝑚 và 𝑚 vừa tính được ở trên, chọn động cơ 1AV1062B có các thông số như sau:
Kiểm nghiệm lại động cơ:
Tốc độ quay cực đại mong muốn của động cơ:
→ Cần sử dụng thêm hộp số
Hình 8 Đồ thị momen mong muốn và khả năng đáp ứng của động cơ
Chọn cảm biến tốc độ
Encoder AB 400 Xung 5-24V NPN Trục 6MM GTA3806-400 với các thông số kỹ thuật như sau:
Chương 1: Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền động
Điện áp làm viêc: 5-24 VDC
Tốc độ tối đa: 5000 vòng/phút
Chọn bộ lọc một chiều
Chọn diode cho mạch chỉnh lưu
Chương 1: Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền động
1.7 Xác định các tham số của hệ thống
Tham số của động cơ
Động cơ 1AV1062B có các tham số như sau:
Tham số của hộp số
Hộp số GBX040005K có các tham số như sau:
Tham số của encoder
Encoder GTA3806-400 có các tham số như sau:
Điện áp làm viêc: 5-24 VDC
Tốc độ tối đa: 5000 vòng/phút
Tham số của diode mạch chỉnh lưu
Diode VS-16F80 có các tham số như sau:
Điện áp ngược cực đại: 800 V
Tham số của IGBT mạch nghịch lưu
IGBT FS10R12YT3 có các tham số như sau:
Điện áp ngược cực đại: 1200 V
1.8 Sơ đồ mạch phần cứng
Hình 9 Sơ đồ chi tiết mạch động lực Bảng 1 Bảng tham số thiết bị sử dụng
Thiết bị Thông số Giá trị Đơn vị Động cơ
1AV1062B Điện áp định mức 230 V
Công suất định mức 0.12 kW
Tốc độ định mức 1360 vòng/ phút
Tỉ số 8:1 Đường kính trục 40 mm
Chương 1: Giới thiệu công nghệ, xây dựng phương án truyền động
Hiệu suất 400 xung/ vòng Điện áp làm việc 5-24 VDC
Tốc độ tối đa 5000 vòng/ phút Đường kính trục 6 mm
VS-16F80 Điện áp ngược cực đại 800 V
Dòng điện cực đại 16 A Đỉnh xung dòng điện 25 A
T3 Điện áp ngược cực đại 1200 V
Dòng điện cực đại 16 A Đỉnh xung dòng điện 20 A Điện áp E-C 1.9 V
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Mô hình toán học của các cảm biến
Cảm biến dòng điện hoạt động hiệu quả, do đó có thể xem mô hình toán học của nó như một khâu đơn vị Bên cạnh đó, cảm biến tốc độ cũng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống.
Xét cảm biến tốc độ ở đây thực hiện tốt, nên có thể coi mô hình toán học của cảm biến tốc độ là một khâu đơn vị
Chương 2: Mô hình hóa hệ thống truyền động điện
Mô hình toán học của mô hình từ thông
2.3 Xây dựng mô hình toán học của cả hệ thống
Hình 12 Mô hình toán học của hệ thống
Mô hình toán học của động cơ được thể hiện trong miền không gian trạng thái với các ma trận A, B, N Để chuyển đổi đầu vào điện áp 𝒖 𝒇𝑻 thành hệ tọa độ 𝑑𝑞, cần sử dụng khâu chuyển tọa độ abc/dq cho ba cuộn dây Đầu ra của mô hình không gian trạng thái được tính toán để xác định momen điện từ của động cơ Từ sai lệch giữa momen tải mL và momen điện từ mM, ta có thể tính toán giá trị thực của tốc độ quay trên trục động cơ 𝑟.
Tốc độ quay của động cơ và dòng điện ba pha được đo và gửi về bộ điều khiển Bộ điều khiển sử dụng chương trình đã được cài đặt sẵn để tính toán và phát ra các xung, nhằm điều khiển việc đóng mở các van bán dẫn trong mạch nghịch lưu của bộ biến tần, từ đó điều chỉnh hoạt động của động cơ.
TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Mạch vòng điều khiển dòng điện isd
Hình 14 Mạch vòng điều khiển dòng điện isd
Trong quá trình tinh chỉnh các bộ số PI để tối ưu hóa đáp ứng của bộ điều khiển, việc điều chỉnh bộ số PI cho các mạch vòng điều khiển từ trong ra ngoài là rất cần thiết.
Vì vậy, mạch vòng điều khiển dòng điện là mạch vòng điều khiển cần được chỉnh định đầu tiên
Để điều khiển dòng điện thực theo dòng điện mong muốn, bộ điều khiển sẽ sử dụng sai lệch giữa \$\hat{s_d}\$ và \$s_d\$ Qua chương trình đã được lập trình sẵn, bộ điều khiển tính toán giá trị điện áp \$u^*_{sd}\$.
Xác định hệ số PI theo phương pháp thử sai:
Tăng dần 𝐾𝑝 đến khi nào giá trị thực bám theo giá trị đặt mong muốn → độ quá điều chỉnh của đáp ứng lớn → thử sai hệ số 𝐾𝐼
Tăng dần 𝐾𝐼 để giảm độ quá điều chỉnh Khi độ quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép thì bộ điều khiển thực hiện tốt
Hình 15 Đồ thị đáp ứng dòng isd và isd_ref
Dựa trên phương pháp thử sai, ta dò được bộ số PI với đáp ứng tốt như hình vẽ:
Mạch vòng điều khiển dòng điện isq
Hình 16 Mạch vòng điều khiển dòng điện isq
Trong quá trình tinh chỉnh các bộ số PI để tối ưu hóa hiệu suất của bộ điều khiển, việc điều chỉnh bộ số PI cho các mạch vòng điều khiển từ trong ra ngoài là rất cần thiết.
Vì vậy, mạch vòng điều khiển dòng điện là mạch vòng điều khiển cần được chỉnh định đầu tiên
Để điều khiển dòng điện thực theo dòng điện mong muốn, bộ điều khiển sẽ sử dụng sai lệch giữa \$\hat{s}_{q}\$ và \$s_{q}\$.
Chương 3: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Trang 29 trình đã được lập trình sẵn để tính ra giá trị điện áp 𝑢 ∗ 𝑠𝑞
Xác định hệ số PI theo phương pháp thử sai:
Tăng dần 𝐾𝑝 đến khi nào giá trị thực bám theo giá trị đặt mong muốn → độ quá điều chỉnh của đáp ứng lớn → thử sai hệ số 𝐾𝐼
Tăng dần 𝐾𝐼 để giảm độ quá điều chỉnh Khi độ quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép thì bộ điều khiển thực hiện tốt
Hình 17 Đồ thị đáp ứng dòng isq và isq_ref
Dựa trên phương pháp thử sai, ta dò được bộ số PI với đáp ứng tốt như hình vẽ:
Mạch vòng điều khiển từ thông phird
Hình 18 Mạch vòng điều khiển từ thông phird
Trong quá trình điều chỉnh các bộ số PI để tối ưu hóa đáp ứng của bộ điều khiển, cần thực hiện việc chỉnh định cho các mạch vòng điều khiển từ trong ra ngoài.
Sau khi hoàn tất việc chỉnh định các bộ điều khiển dòng điện để đạt được kết quả đáp ứng tốt, chúng ta sẽ tiến hành chỉnh định bộ số PI cho mạch vòng điều khiển từ thông.
Để điều khiển từ thông thực theo từ thông mong muốn, bộ điều khiển từ thông sẽ sử dụng sai lệch giữa Ѱ ∗ 𝑟𝑑 và Ѱ𝑟𝑑 Qua chương trình đã được lập trình sẵn, bộ điều khiển sẽ tính toán giá trị dòng điện ∗ 𝑠𝑑.
Xác định hệ số PI theo phương pháp thử sai:
Tăng dần 𝐾𝑝 đến khi nào giá trị thực bám theo giá trị đặt mong muốn → độ quá điều chỉnh của đáp ứng lớn → thử sai hệ số 𝐾𝐼
Tăng dần 𝐾𝐼 để giảm độ quá điều chỉnh Khi độ quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép thì bộ điều khiển thực hiện tốt
Chương 3: Tổng hợp hệ thống truyền động điện
Hình 19 Đồ thị đáp ứng từ thông phird và phird_ref
Dựa trên phương pháp thử sai, ta dò được bộ số PI với đáp ứng tốt như hình vẽ:
Mạch vòng điều khiển tốc độ w
Hình 20 Mạch vòng điều khiển tốc độ w
Trong quá trình tinh chỉnh bộ số PI để tối ưu hóa hiệu suất của bộ điều khiển, việc điều chỉnh các thông số PI cho các mạch vòng điều khiển từ trong ra ngoài là rất quan trọng.
Sau khi hoàn tất việc chỉnh định các bộ điều khiển dòng điện để đạt được kết quả đáp ứng tốt, chúng ta sẽ tiến hành chỉnh định bộ số PI cho mạch vòng điều khiển tốc độ.
Để điều khiển tốc độ thực đạt được tốc độ mong muốn, bộ điều khiển tốc độ sẽ sử dụng sai lệch giữa tốc độ thực (\$r\$) và tốc độ đặt (\$sqr\$).
Trang 32 được lập trình sẵn để tính ra giá trị dòng điện ∗ 𝑠𝑞
Xác định hệ số PI theo phương pháp thử sai:
Tăng dần 𝐾𝑝 đến khi nào giá trị thực bám theo giá trị đặt mong muốn → độ quá điều chỉnh của đáp ứng lớn → thử sai hệ số 𝐾𝐼
Tăng dần 𝐾𝐼 để giảm độ quá điều chỉnh Khi độ quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép thì bộ điều khiển thực hiện tốt
Hình 21 Đồ thị đáp ứng tốc độ w và w_ref
Dựa trên phương pháp thử sai, ta dò được bộ số PI với đáp ứng tốt như hình vẽ:
Chương 4: Mô phỏng hệ thống
3.4 Các tham số của thuật toán điều khiển
Tổng hợp hệ thống truyền động điện cho động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ theo phương pháp thử sai đã cho ra bộ số PI tương đối.
Bộ điều khiển tốc độ:
Bộ điều khiển dòng điện 𝑠𝑞 :
Bộ điều khiển từ thông:
Bộ điều khiển dòng điện 𝑠𝑑 :
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Đồ thị tốc độ và momen điện từ
Hình 24 Đồ thị tốc độ và momen điện từ
Tốc độ mô phỏng bám theo đúng tốc độ mong muốn
Tại thời điểm đóng tải, tốc độ có thay đổi nhưng lập tức bộ điều khiển thực hiện điều chỉnh để giữ cho tốc độ động cơ ổn định
Trong những khoảng thời gian động cơ khởi động, hoặc dừng, hoặc đảo chiều, momen động cơ thay đổi và bằng 0 khi tốc độ động cơ là ổn định
Đồ thị momen điện từ đúng với đồ thị tính toán nhưng vẫn còn dao động nhiều
Đồ thị momen điện từ và dòng isq
Hình 25 Đồ thị momen điện từ và dòng isq
Momen điện từ tỉ lệ thuận với dòng điện 𝑠𝑞 nên hai đại lượng này có đồ thị tương đồng nhau
Tại thời điểm khởi động, dòng 𝑠𝑞 tăng cao nhưng vẫn nằm trong khoảng giá trị cho phép
Đồ thị dòng 𝑠𝑞 vẫn còn dao động nhiều.