Điều khiển thích nghi vị trí động cơ ac servo

TÓM TẮT LUẬN VĂN Tóm tắt: Luận văn sử dụng các kiến thức về phương pháp điều khiển tựa từ thông để xây dựng một bộ điều khiển driver cho động cơ AC Servo ở chế độ điều khiển vị trí.. C

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ii

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TIẾN SĨ NGUYỄN ĐỨC THÀNH

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TIẾN SĨ HOÀNG MINH TRÍ

Cán bộ chấm nhận xét 2: PHÓ GIÁO SƯ TIẾN SĨ HỒ PHẠM HUY ÁNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 14 tháng 07 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Dương Hoài Nghĩa : Chủ tịch Hội đồng

2 TS Hoàng Minh Trí : Phản biện 1

3 PGS.TS Hồ Phạm Huy Ánh : Phản biện 2

4 TS Võ Công Phương : Ủy viên

5 TS Nguyễn Trọng Tài : Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 30 tháng 07 năm 1985 Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 60520216

TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ AC SERVO

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Xây dựng bộ điều khiển khiển vị trí cho động cơ

AC Servo, xét đến sự thích nghi với tải

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……./…… /……

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ……./…… /……

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TIẾN SĨ NGUYỄN ĐỨC THÀNH

Tp HCM, ngày tháng năm 2015

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

iv

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Đức Thành, người đã nêu ý tưởng, tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô bộ môn Tự Động Hóa đã hướng dẫn tôi những tri thức khoa học quý báu trong suốt thời gian theo học tại trường Đại Học Bách Khoa

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 6 năm 2015

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đỗ Minh Phú

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Tóm tắt:

Luận văn sử dụng các kiến thức về phương pháp điều khiển tựa từ thông để xây dựng một bộ điều khiển (driver) cho động cơ AC Servo ở chế độ điều khiển vị trí Trước tiên sử dụng các luật điều khiển PI để điều khiển vị trí, dùng các mô phỏng

để kiểm tra hoạt động của động cơ và khảo sát ảnh hưởng khi tải thay đổi đến quá trình hoạt động đó Tiếp đến nghiên cứu phương pháp ước lượng trực tuyến các thông số quan trọng của tải dùng bộ quan sát từ đó chỉnh định bộ điều khiển để thích nghi theo tải Luận văn cũng khảo sát phương pháp trượt để điều khiển vị trí

và so sánh với phương pháp PI Sau cùng, các lý thuyết và mô phỏng được sử dụng

để thiết kế chế tạo một driver cho ứng dụng công nghiệp

Abstract:

This thesis use knowledge of field-oriented control method to build a driver for

AC Servo motor in position mode First, PI controller is used in simulations for investigating the operation of motor and analyzing the influence of load change to this Then, study of observer method to estimate some important parameters of load and use these result values for tuning the controller This thesis also considers using Sliding Mode Controller for position mode of servo and gives a short comparison between two methods Last, theory and simulation are applied to design and build a driver for industrial application

vi

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng dựa theo gợi ý đề tài và hướng dẫn của thầy tôi là Tiến sĩ Nguyễn Đức Thành tôi đã tự mình thực hiện và có được nội dung của luận văn này Đây là kết quả làm việc của tôi, các tài liệu tôi tham khảo và trích dẫn đều được ghi

rõ nguồn gốc trong luận văn

Xin lấy tất cả danh dự để cam đoan những điều tôi nói là sự thật Nếu có bất kỳ vấn đề nào liên quan đến việc sao chép công trình của người khác tôi xin tự mình chịu trách nhiệm, không liên quan đến thầy của tôi

Tp.HCM, ngày 22 tháng 06 năm 2015

Đỗ Minh Phú

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

LỜI CAM ĐOAN vi

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC BẢNG xi

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 3

1.2.1 Hướng nghiên cứu của các công trình 3

1.2.2 Các thuật toán đã sử dụng trong các công trình trên 5

1.3 Phạm vi nghiên cứu 6

1.4 Tóm lượt nội dung luận văn 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Xác định loại động cơ và cách điều khiển 9

2.2 Phương pháp FOC 10

2.3 Điều khiển dòng điện 15

2.4 Điều khiển tốc độ và vị trí 18

2.5 Lí thuyết phương pháp STR 21

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ KHÔNG THÍCH NGHI 22

3.1 Sơ đồ Simulink mô phỏng 22

3.2 Kết quả mô phỏng 26

3.3 Mô phỏng với động cơ có thông số thay đổi 31

3.4 Mô phỏng toàn hệ bằng Simscape 33

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ 36

4.1 Ước lượng tham số của tải 36

4.2 Mô phỏng sự thích nghi 41

4.2.1 Mô phỏng trong hệ trục dq 41

4.2.2 Mô phỏng ước lượng với Simscape 43 4.3 Ảnh hưởng của B , T đến kết quả ước lượng J 45 L

viii

4.4 Điều khiển vị trí theo luật trượt 47

4.4.1 Lí thuyết phương pháp trượt 47

4.4.2 Mô phỏng trượt bằng phương trình trên hệ trục dq 51

4.4.3 Mô phỏng trượt với Simscape 54

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ CHẾ TẠO DRIVER 56

5.1 Thiết kế phần cứng 56

5.1.1 Sơ đồ khối của driver 56

5.1.2 Chọn linh kiện 58

5.2 Mạch điện kết nối giữa các khối 61

5.2.1 Mạch kích công suất 61

5.2.2 Đọc Encoder: 63

5.2.3 Đọc Analog 64

5.2.4 Mạch bảo vệ quá dòng 66

5.2.5 Các mạch điện khác 67

5.2.6 Kết quả thực hiện phần cứng 68

5.3 Thực hiện phần mềm 69

5.3.1 Trình biên dịch sử dụng 69

5.3.2 Chuyển đổi thuật toán từ Simulink sang C 70

5.3.3 Sơ đồ thuật toán của vi điều khiển 71

CHƯƠNG 6 THÍ NGHIỆM KIỂM TRA 73

6.1 Kiểm tra vòng điều khiển thông thường 73

6.1.1 Kiểm tra thời gian thực hiện 73

6.1.2 Kiểm tra điều khiển vị trí bằng luật điều khiển PI 74

6.1.3 Kiểm tra luật điều khiển trượt 75

6.2 Thí nghiệm ước lượng tham số 77

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 78

7.1 Kết luận 78

7.2 Hạn chế 78

7.3 Kết quả đạt được và vấn đề cần khắc phục 79

7.4 Hướng phát triển 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 1 CHUYỂN THUẬT TOÁN TỪ SIMULINK SANG C 83

PHỤ LỤC 2 BẢN VẼ MẠCH ĐIỆN 86

PHỤ LỤC 3 CHƯƠNG TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN 94

DANH MỤC HÌNH Hình 1 Cấu trúc bên trong động cơ AC Servo 9

Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí dùng luật điều khiển PI 10

Hình 3: Các phép biến đổi hệ toạ độ 11

Hình 4: Hệ trục dq và mô hình tương đương 11

Hình 5: Các vector điện áp cơ bản 13

Hình 6: Trình tự kích xung PWM 14

Hình 7: Mô hình điện động cơ AC servo 16

Hình 8: Bộ điều khiển PI cho dòng điện 16

Hình 9: Bộ điều khiển PI với khâu khử zero 17

Hình 10 : Mô hình tải 18

Hình 11: Sơ đồ Simulink cho toàn hệ 23

Hình 12: Sơ đồ Simulink của motor 24

Hình 13: Cấu tạo khối tính gain 25

Hình 14: Đáp ứng hàm nấc với các ω1 khác nhau 28

Hình 15: Đáp ứng hàm nấc với các ζ1 khác nhau 28

Hình 16: Vận tốc hình thang 29

Hình 17: Vị trí theo biên dạng chữ S 29

Hình 18: Vị trí động cơ bám theo vị trí yêu cầu 30

Hình 19: Sai số bám vị trí 30

Hình 20: Vận tốc động cơ khi tham số đúng 31

Hình 21: Vận tốc động cơ không ổn định 32

Hình 22: Động cơ bị mất điều khiển 33

Hình 23: Sơ đồ trong Simscape 34

Hình 24: Kết quả điều khiển vị trí với Simscape 34

Hình 25: Đáp ứng tsốc độ trong mô phỏng với Simscape 35

Hình 26: Trình tự ước lượng T L , J , B 39

Hình 27: Bộ quan sát và ước lượng tham số tải 40

Hình 28: Điều khiển thích nghi với tải 40

Hình 29: Hệ điều khiển thích nghi với tải 41

Hình 30: Kết quả quan sát và ước lượng J 41

x

Hình 31: Tốc độ động cơ khi có thích nghi 42

Hình 32: Vị trí động cơ khi có thích nghi 42

Hình 33: Ước lượng khi J giảm 43

Hình 34: Đáp ứng vị trí khi J giảm 43

Hình 35: Bộ quan sát và ước lượng trong Simscape 44

Hình 36: Kết quả ước lượng J trong Simscape 44

Hình 37: Kết quả ước lượng B trong Simscape 45

Hình 38: Quá trình ước lượng của B 46

Hình 39: B ảnh hưởng đến sự hội tụ của J 46

Hình 40: Ảnh hưởng của T đến J 47 L Hình 41: Áp dụng luật trượt cho khâu điều khiển vị trí 48

Hình 42: Cấu trúc của bộ điều khiển trượt 51

Hình 43: Điều khiển vị trí với bộ điều khiển trượt 52

Hình 44: Đáp ứng với bộ điều khiển trượt 52

Hình 45: Đáp ứng với bộ điều khiển trượt khi tăng β 53

Hình 46: Đáp ứng của bộ điều khiển trượt trên toàn đường 53

Hình 47: Điều khiển trượt trong Simscape 54

Hình 48: Điều khiển trượt với β bé trong Simscape 55

Hình 49: Điều khiển trượt với β lớn trong Simscape 55

Hình 50 Sơ đồ khối của driver 57

Hình 51: Linh kiện công suất sử dụng 58

Hình 52: Bên trong của linh kiện công suất 61

Hình 53: Các chân PWM của vi điều khiển 62

Hình 54: Tín hiệu PWM đưa qua mạch RC 62

Hình 55: Tín hiệu PWM đưa đến cầu công suất 63

Hình 56: Đổi xung encoder từ line driver sang TTL 63

Hình 57: Kết nối cảm biến dòng điện 64

Hình 58: Mạch chuyển mức và khuyếch đại 64

Hình 59: Chân của ARM dùng để đọc tính hiệu ADC 64

Hình 60: Lấy điện áp DC BUS 65

Hình 61: Đọc nhiệt độ bằng điện trở nhiệt 65

Hình 62: Tạo nguồn chuẩn VREF cho vi điều khiển 66

Hình 63: Mạch bảo vệ quá dòng công suất 67

Hình 64: Mạch khóa khi có lỗi 67

Hình 65: Mạch động lực đã thi công 68

Hình 66: Mạch điều khiển đã thi công 69

Hình 67: Đồng bộ giữa đọc ADC và PWM 70

Hình 68: Sơ đồ thuật toán cho vi điều khiển 71

Hình 69: Mô hình thí nghiệm 73

Hình 70: Kiểm tra thời gian thực hiện một chu kỳ PWM 74

Hình 71: Vị trí theo hình sin, dùng luật điều khiển PI 75

Hình 72: Vị trí theo hàm nấc dùng luật điều khiển PI 75

Hình 73: Vị trí bám theo hình sin với hàm trượt 76

Hình 74: Dao động mạnh khi tăng hệ số β của bộ điều khiển 76

Hình 75: Chuẩn bị nội dung cần chuyển từ Simulink sang C 83

Hình 76: Cấu hình Realtime workshop 83

Hình 77: Đường dẫn chứa file dịch 84

Hình 78: Build thành công 84

Hình 79: Các file cần chép cho Arm 85

Hình 80: Đưa thành công mô hình Simulink dịch sang C vào ARM 85

DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các trường hợp kích của bộ nghịch lưu ba pha 13

Bảng 2: Các biến đầu vào của khối motor 23

Bảng 3: Các biến đầu ra của khối motor 24

Bảng 4: Các thông số động cơ dùng trong mô phỏng 25

Bảng 5: Các hệ số ω1được chọn và gain tương ứng 27

Bảng 6: Các giá trị ζ1 được chọn và gain tương ứng 27

Bảng 7: Linh kiện chính sử dụng trong driver 59

Bảng 8: Thông số chính của động cơ sử dụng 60

• AC Induction Motor Servo (ACIM SM), sử dụng động cơ AC rotor cảm ứng

• DC Servo (DCSM), sử dụng động cơ DC có chổi than

• Brushless DC servo (BLDC): sử dụng động cơ DC không chổi than

• Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM): động cơ đồng bộ, rotor nam châm kích từ vĩnh cửu hình tròn, stator đấu hình sao

Ba nhóm sau phổ biến hơn, riêng servo kiểu PMSM nhờ có nhiều ưu điểm so với những loại còn lại nên dần trở nên phổ biến và được sử dụng ngày một rộng rãi PMSM đòi hỏi phải cung cấp một điện áp xoay chiều ba pha khi hoạt động nên được gọi AC servo motor, trong đề tài này từ “AC servo” chính xác có nghĩa động

cơ PMSM, bộ điều khiển theo đó cũng được gọi là AC servo driver

Driver xem như bộ não điều khiển servo, thành phần chính luôn có một vi điều khiển hoặc DSP để thực hiện các thuật toán, một tầng công suất cung cấp năng lượng điện cho servo, một giao diện kết nối với các thiết bị điều khiển cấp cao hơn

và một số giao tiếp để lấy các tín hiệu hồi tiếp từ động cơ như encoder, dòng điện Một khía cạnh khác, ngành bán dẫn phát triển không chỉ tạo điều kiện thuận lợi để

áp dụng các thuật toán điều khiển mới vào driver, mà còn giúp driver ổn định, giảm

kích thước, tăng tần số điều khiển và hiệu năng hoạt động giúp cho AC servo dễ dàng ứng dụng và đã chuẩn hoá sản phẩm, tiêu chuẩn thiết kế cho cả động cơ và driver

AC servo có ba chế độ điều khiển chính: điều khiển moment cung cấp- chế độ torque, điều khiển tốc độ - chế độ speed và điều khiển vị trí - chế độ position Tùy theo nhu cầu sử dụng mà driver thực hiện từng phần hoặc toàn bộ ba chế độ này, mỗi chế độ là một vòng điều khiển riêng, đầu ra của vòng điều khiển này trở thành đầu vào vòng điều khiển kia Vòng điều khiển torque nằm trong cùng chịu tránh nhiệm điều khiển moment cung cấp của động cơ theo đúng giá trị đặt, vòng điều khiển tốc độ nằm ngoài vòng điều khiển torque để giữ tốc độ rotor bám đúng tốc độ tham chiếu, vòng điều khiển vị trí nằm ngoài cùng nhằm đưa vị trí rotor bám đúng theo biên dạng yêu cầu Chế độ điều khiển vị trí được sử dụng phổ biến nhất, có thể

kể vài ứng dụng quan trọng của AC servo chế độ điều khiển vị trí như:

• Máy công cụ điều khiển số (CNC): phay, tiện, bắn tia lửa điện, cắt laser… AC Servo được sử dụng để đảm bảo công cụ di chuyển đúng theo các quỹ đạo đã được lập trình trong các chương trình G code

• Máy công cụ cho lắp ráp linh kiện điện tử: đặt, cấm, hàn linh kiện… servo sử dụng để di chuyển linh kiện nhanh, chính xác và thay đổi linh hoạt thông qua chương trình xuất từ các phần mềm thiết kế mạch điện

• Một số loại máy dệt và máy in: những loại này sử dụng rất nhiều servo hoạt động đồng bộ với nhau thay thế cơ cấu cam trong máy cơ khí truyền thống và thay thế cả thế hệ máy sử dụng động cơ bước

• Robot công nghiệp:

o Tay máy sáu bậc tự do, sử dụng sáu động cơ được điều khiển vị trí đồng bộ với nhau, mỗi bậc bám theo giá trị bài toán động học ngược giúp robot di chuyển chính xác theo quỹ đạo mong muốn

o Robot Scara có cấu trúc linh hoạt và tốc độ hoạt động rất nhanh nhờ khả năng đáp ứng rất nhanh của servo, dùng trong phân loại, đóng gói, gắp sản phẩm…

3

Do được sử dụng rộng rãi nên bài toán điều khiển vị trí động cơ AC servo dù đã

có nhiều lời giải và áp dụng thành công nhưng vì lợi nhuận kinh doanh, các hãng chế tạo đăng kí bản quyền trí tuệ và ẩn giấu chúng, chỉ còn lại những đáp án ở gốc

độ nghiên cứu khoa học dưới dạng nhiều thuật toán, phương pháp khác nhau tuỳ theo nhu cầu và đặc thù riêng từng ứng dụng Trong số các vấn đề cần nghiên cứu, việc đảm đảo cho động cơ hoạt động ổn định kể cả khi điều kiện làm việc thay đổi, giảm thiểu quá trình chỉnh định, cài đặt là điều kiện tiên quyết để ứng dụng thành công sản phẩm Lý thuyết điều khiển thích nghi xuất hiện để giải quyết những bài toán điều khiển mà quá trình có những tham số không biết trước hoặc thay đổi theo thời gian, bài toán điều khiển vị trí động cơ từng bước nắm bắt và ứng dụng lý thuyết này cho những áp dụng cụ thể của mình nhất là trong lĩnh vực robot công nghiệp

Trong điều kiện ở Việt Nam, ứng dụng của servo bắt nguồn từ các các máy công cụ điều khiển số khá lâu, riêng AC servo chỉ mới xuất hiện tương đối phổ biến sau những năm 1990, sản phẩm chủ yếu vẫn là nhập khẩu Nhu cầu sử dụng động

cơ AC Servo không ngừng tăng lên và không ngừng đòi hỏi cả về số lượng lẫn kỹ thuật điều khiển hoàn thiện, phù hợp với những yêu cầu đặc biệt từng ngành Việc nghiên cứu và áp dụng thành công bài toán điều khiển vị trí động cơ AC servo và xa hơn là điều khiển vị trí có khả năng thích nghi góp phần xây dựng một chi tiết cơ bản cho việc phát triển và chế tạo máy móc tự động hóa phục vụ quá trình phát triển sản xuất của đất nước

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan

1.2.1 Hướng nghiên cứu của các công trình

Việc nghiên cứu điều khiển thích nghi vị trí động cơ AC servo bao gồm hai vấn đề: điều khiển động cơ AC servo và thích nghi với tải Các vấn đề về điều khiển động cơ được trình bày trong nhiều sách, vấn đề thích nghi với tải có một số công trình nghiên cứu sau:

• Điều khiển thích nghi vị trí của động cơ PMSM, ([2]), sử dụng phương pháp

thích nghi bám theo mô hình chuẩn MRAS, mô hình chuẩn cho dưới dạng hàm

truyền, phương pháp này gặp khó khăn khi áp dụng thực tế vì hàm truyền chuẩn không có, hơn nữa khi thay đổi động cơ, thay đổi qui luật của tải… hàm truyền chuẩn cũ không dùng được

• Ngoài cách hiểu thích nghi như trên thì vấn đề chính của phương pháp điều khiển thích nghi trước hết là ước lượng đối tượng, ở đây chủ yếu là ước lượng

moment quán tính J (Inertia) và tải nhiễu (Torque Disturbance) Nhiều công

trình nghiên cứu sử dụng các phương pháp ước lượng trực tuyến để ước lượng những giá tức thời của tải, sau đó dựa vào những giá trị ước lượng được thay đổi một số tham số trong bộ điều khiển vị trí Đây là cách tiếp cận của thuật toán thích nghi tự chỉnh định STR, một số công trình liên quan như

o Cải tiến phương pháp điều khiển torque feed-forward trong bộ điều khiển

động cơ PMSM dựa trên quan sát và ước lượng moment quán tính ([3]) Sử dụng bộ quan sát trạng thái để ước lượng các thành phần moment quán tính,

ma sát, moment nhiễu, sai số mô hình… Dựa vào kết quả ước lượng trực tuyến theo thời gian tính ra giá trị moment yêu cầu nhờ phương trình mô tả chuyển động của tải, torque yêu cầu chia cho hằng số tỉ lệ moment với dòng điện rồi được cộng với đầu ra của một bộ điều khiển PI để gửi đến vòng điều khiển dòng điện Nghiên cứu cũng trình bày điều kiện ổn định khi dùng

bộ quan sát dựa trên việc chọn hàm Lyapunov Công trình chỉ đưa ra một bộ thông số dùng được trong việc ước lượng và thích nghi, không chỉ ra cách thức chọn các hệ số, việc chọn các hệ số là mấu chốt của vấn đề Công trình trình bày kết quả mô phỏng và thực nghiệm với một số kiểu thay đổi tốc độ, không có kết luận với vấn đề điều khiển vị trí

o Ước lượng moment quán tính tải dựa trên bộ quan sát cho bộ điều khiển

servo có khả năng auto tuning ([4]) Tương tự nghiên cứu trên, nghiên cứu này sử dụng một bộ quan sát để quan sát các thành phần gây nhiễu, sử dụng các bộ ước lượng theo cơ chế thích nghi, tốc độ thích nghi đặc trưng bằng các hệ số tự chọn Kết quả ước lượng được của tải và ma sát đưa vào một bộ tuning để thay đổi hệ số của vòng điều khiển Công trình chỉ công bố phương

5

pháp ước lượng và kết quả thực nghiệm, không đưa ra chính xác phương pháp chỉnh định bộ điều khiển

o Phương pháp điều khiển thích nghi torque-speed và ước lượng tải không sử

dụng cảm biến dòng điện ([5]) Nghiên cứu sử dụng một bộ quan sát cho cả

ba giá trị vị trí, tốc độ và moment quay (torque load) để ước lượng các giá trị

như ma sát và moment quán tính của hệ thống Kết quả ước lượng được đưa

vào một bộ thích nghi để thay đổi thông số bộ điều khiển PI trong vòng hồi tiếp tốc độ Các hệ số của PI có khả năng tự chỉnh định để đạt chất lượng

điều khiển tối ưu Công trình dừng lại ở việc mô phỏng với Matlab

o Bộ điều khiển vị trí hiệu năng cao cho động cơ AC servo sử dụng DSP

TMS320F2812 ([6]) Công trình sử dụng thuật toán thích nghi mờ cho điều khiển vị trí, trong đó sử dụng một mô hình chuẩn để dựa vào đó điều chỉnh cấu trúc của bộ điều khiển Đầu ra của bộ điều khiển vị trí đưa vào vòng điều

khiển tốc độ sử dụng điều khiển PI từ đó tính được giá trị yêu cầu cho vòng

điều khiển dòng điện

• Ngoài cách áp dụng các bộ điều khiển PI , một số công trình sử dụng bộ điều

khiển trượt để điều khiển vị trí

o Sử dụng bộ điều khiển trượt điều khiển thời gian thực motor cảm ứng ([7])

Công trình sử dụng phương pháp trượt bám với mặt trượt được chọn bao gồm cả thành phần tích phân sai số vị trí để sai số bám và cả sai số bám tích luỹ vị trí tiến về không, tuy trình bày cho motor cảm ứng nhưng lí thuyết chọn mặt trượt và cách chọn có thể dùng được cho AC Servo

o Điều khiển vị trí của motor đồng bộ bằng bộ điều khiển trượt hai pha ([8])

Sử dụng bộ điều khiển trượt gồm hai pha, một pha điều khiển khi hệ ở trạng thái ổn định và pha kia khi có nhiễu, sử dụng phương pháp tự chỉnh định và thích nghi để thay đổi thông số một bộ điều khiển trượt có cấu trúc thay đổi

(VSC)

1.2.2 Các thuật toán đã sử dụng trong các công trình trên

• Để xác định các thông số của tải:

o Bộ quan sát nhiễu Disturbance Observer (DOB) kết hợp phân tính biến thiên

hàm mục tiêu theo gradient ([3]) Một hàm mục tiêu j được xây dựng là tích

phân của bình phương sai số mô hình xuất hiện khi sử dụng bộ quan sát, cực

tiểu hàm mục tiêu bằng cách đánh giá các ảnh hưởng của từng sai số ( B∆ ,

J

∆ ) đến hàm mục tiêu và chọn luật cập nhật giá trị ước lượng sao cho các biến ảnh hưởng đến sai số mô hình luôn ngược hướng với gradient của hàm mục tiêu

o Bộ quan sát kết hợp các phương trình vật lý để tính toán ([4]) Giả sử các thông số của tải thay đổi chậm và thành lập các phương trình mô tả chuyển động trong từng thời điểm khác nhau, khi số phương trình bằng số nghiệm tiến hành giải hệ phương trình, các biến giải được đưa vào bộ quan sát để thực hiện quan sát những biến không giải được

• Điều khiển vị trị:

o Bộ điều khiển PI được áp dụng trên toàn bộ hệ thống ([4], [5])

o Bộ điều khiển trượt kết hợp PI , bộ điều khiển PI sử dụng cho điều khiển dòng điện và trượt cho điều khiển vị trí ([7], [8])

o Bộ điều khiển mờ kết hợp bộ điều khiển PI ([6]), bộ điều khiển PI điều

khiển dòng điện và bộ điều khiển mờ kết hợp với mô hình tham chiếu để điều khiển vị trí

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là thực hiện bộ điều khiển động cơ AC servo (driver) Driver hoạt động ở chế độ điều khiển vị trí có thể thích nghi với những sự thay đổi của tải như moment quán tính, moment quay và ma sát bằng cách sử dụng ước lượng để cập nhật giá trị tải theo thời gian, dựa vào giá trị cập nhật thay đổi các thông số của bộ điều khiển để động cơ luôn hoạt động đúng với tiêu chí điều khiển

đã chọn

• Mục tiêu về mặt khoa học

o Xây dựng bộ điều khiển vị trí cho động cơ AC Servo

7

o Xây dựng thuật toán ước lượng các giá trị vật lý ảnh hưởng đến quá trình

hoạt động của động cơ gồm J , B , T L

o Xây dựng cơ chế thích nghi điều chỉnh thông số bộ điều khiển vị trí

• Nội dung phải thực hiện trong luận văn

o Nghiên cứu điều khiển vị trí có sự thích nghi đơn giản hiệu quả sử dụng phương pháp PID truyền thống với chế độ tự chỉnh định (Self Tuning Regulator STR)

o Sử dụng phương pháp trượt (Sliding Mode Controller SMC) cho điều khiển

vị trí động cơ

o Mô phỏng kiểm tra các phương pháp trên

o Ứng dụng lý thuyết để thiết kế chế tạo driver

1.4 Tóm lượt nội dung luận văn

Nội dung luận văn được viết trong bảy chương:

• Chương 1: Giới thiệu về những vấn đề của luận văn, các nghiên cứu liên quan

và ưu điểm khuyết điểm, kết quả đạt được, phương pháp điều khiển của các công trình Chương một đưa ra mục tiêu của luận văn và cách thực hiện của luận văn

• Chương 2: Các lý thuyết và tính toán liên quan đến luận văn, bao gồm lý thuyết

về phương pháp FOC, cài đặt bộ điều khiển PI cho điều khiển động cơ cụ thể là

phương pháp chọn tham số và ứng dụng để điều khiển dòng điện, điều khiển vị trí cho động cơ

• Chương 3: Điều khiển vị trí không thích nghi Áp dụng các lý thuyết chương hai xây dựng bộ điều khiển cụ thể để điều khiển vị trí động cơ, mô phỏng bộ điều khiển với các tham số của tải cố định sau đó mô phỏng một số trường hợp tải thay đổi để thấy ảnh hưởng của tải đến chất lượng điều khiển

• Chương 4: Điều khiển thích nghi vị trí Xây dựng bộ quan sát để ước lượng các thành phần của tải, dùng các kết quả ước lượng được để thay đổi tham số bộ điều khiển Chương này cũng khảo sát trường hợp sử dụng bộ điều khiển trượt để điều khiển vị trí động cơ

• Chương 5: Thiết kế, chế tạo driver Trình bày các vấn đề về thiết kế phần cứng của driver như lựa chọn linh kiện, cách kết nối linh kiện và các vấn đề về viết phần mềm cho vi điều khiển để driver hoạt động được theo các lý thuyết đã trình bày trước đó

• Chương 6: Thí nghiệm kiểm tra Kiểm tra hoạt động của driver thiết kế ở chương năm trong điều kiện bình thường và khi có sự thích nghi ước lượng thông

số, so sánh các kết quả

• Chương 7: Kết luận Trình bày các kết quả đạt được, những vấn đề còn tồn tại, hướng khắc phục và những vấn đề cần phát triển của đề tài

9

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Xác định loại động cơ và cách điều khiển

Hình 1 Cấu trúc bên trong động cơ AC Servo Động cơ AC Servo (hay PMSM) có hai loại chính với cấu trúc rotor bên trong như Hình 1, động cơ gồm hai phần rotor và stator Rotor là nam chân vĩnh cữu với hai kiểu lắp chính: lắp tròn trên bề mặt như hình bên trái và dạng thẳng lắp bên trong rotor như hình bên phải (luận văn khảo sát chủ yếu là cho loại servo hình bên trái) Stator có cấu trúc ba pha gồm ba hoặc bội của ba cuộn dây đặt lệch 120 trong 0

không gian Stator cấu trúc ba pha nên phương pháp điều khiển điện áp trên các cuộn dây stator là sử dụng bộ nghịch lưu ba pha Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vị trí động cơ AC servo theo cách truyền thống được thiết kế như trên Hình 2,

trong đó các luật điều khiển sử dụng là luật điều khiển PI Toàn bộ hệ thống bao

gồm:

o Thuật toán tính toán dòng điện và điều khiển theo phương pháp điều khiển khiển định hướng từ thông (Field orientated control – FOC), sử dụng kiểu định hướng theo từ thông rotor, ứng dụng phương pháp phương pháp điều chế vector không gian để điều chế điện áp ba pha hình sin cho stator

o Hai bộ điều khiển PI điều khiển dòng điện

o Một bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ và bộ điều khiển P điều khiển vị

trí

Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí dùng luật điều khiển PI

Cách chia thành nhiều khâu lồng nhau giúp cho việc chỉnh định tham số của các

bộ điều khiển dễ dàng và trực quan Như vậy để đi đến được điều khiển vị trí đầu tiên xét phương pháp FOC, sau đó là điều khiển dòng điện, rồi đến điều khiển tốc

độ và cuối cùng là điều khiển vị trí, các mục tiếp theo trình bày các cơ sở lý thuyết

để sử dụng trong hệ thống điều khiển này

2.2 Phương pháp FOC

Phương pháp FOC chia dòng trên ba pha của stator ra hai thành phần và được biểu diễn thành vector, một thành phần xác định từ trường của motor và một thành phần tạo ra moment quay (thường được gọi torque) Ba cuộn dây của rotor được gọi tên là U, V, W, để tránh nhầm lẫn các kí hiệu dòng điện và điện áp sẽ sử dụng tên gọi a, b, c tương ứng thay cho U, V, W Trong phương pháp FOC các khảo sát dựa trên việc đặt ba hệ qui chiếu như trên Hình 3:

o Hệ qui chiếu abc cố định gắn với ba cuộn dây của stator

o Hệ qui chiếu α β vuông góc cố định gắn với stator

o Hệ qui chiếu dq vuông góc định hướng theo từ thông AC servo là motor

đồng bộ, vì vậy theo [1] trang 69 hệ tọa độ này gắn chặt với rotor

Như trên Hình 2, phương pháp FOC bắt đầu bằng việc đọc hai dòng điện hồi tiếp trên hai cuộn dây pha a, pha b của stator đồng thời luôn xét quan hệ

0

a b c

11

Hình 3: Các phép biến đổi hệ toạ độ Thực hiện biến đổi Clarke đổi dòng điện này từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ vuông góc α β

1

23

định bằng góc quay của rotor so với stator nhờ encoder

Hình 4: Hệ trục dq và mô hình tương đương

gian Cụ thể, với bộ nghịch lưu ba pha có ba nhánh công suất Va, Vb, Vc, điện áp

DC đưa vào bộ nghịch lưu là U dc sẽ tạo được tám trường hợp kích với điện áp như trong Bảng 1 (đơn vị của điện áp là U ) dc

Trong tám vector điện áp của Bảng 1 chỉ có sáu vector từ U1 đến U6là thực sự

có điện áp, hai vector U0và U7 không tạo điện áp Vector điện áp V s trong công thức (5) sẽ được so sánh xem nằm ở vùng nào trong các vector của Bảng 1, V được s

qui thành tổng của hai vector U tương ứng bên phải và bên trái V s với hai thời gian thực hiện là T1 và T2 như minh họa trên Hình 5 Với phương pháp điều chế này, điện áp stator bị giới hạn theo công thức

3

dc s U

13

Bảng 1: Các trường hợp kích của bộ nghịch lưu ba pha

UAN UBN UCN UAB UBC UCA

Hình 5: Các vector điện áp cơ bản

Việc tính chu kỳ PWM phụ thuộc vào từng vùng của một trong sáu vùng trên, xét một trường hợp mẫu, giả sử vector V s rơi vào vùng thứ nhất tức vùng nằm giữa vector U1 và U2, khi đó thời gian T PWM của một chu kỳ thực hiện điều chế độ rộng xung được chia ra để thực hiện vector U1 trong thời gian T1, vector U2 trong thời

gian T2, thời gian còn lại dùng để thực hiện U7 hoặc U0, hoặc được chia đều cho cả hai Hình 6 minh họa lại cách chia thời gian thực hiện một chu kỳ PWM

Hình 6: Trình tự kích xung PWM Điện áp V s khi đó được tính

Dùng quan hệ tổng vector trên Hình 5 và công thức (5) để xác định a , b sau đó xác

định lại T1, T2 rồi xác định thời gian kích T A, T B, T C của từng nhánh công suất

dc

V a

V b

U

παα

C

U0

15

2.3 Điều khiển dòng điện

Động cơ AC Servo là động cơ đồng bộ, theo [1] trang 70, phương trình vi phân

mô tả phần điện của động cơ có dạng

o ω (rad s/ ) vận tốc quay của rotor,

o u , d i , d u q, i q (V , A) lần lượt là điện áp và dòng điện trên trục d , q

o R ( s Ω ) điện trở của một cuộn dây stator (giữa U, V, W so với điểm trung tính)

o L d, L ( q H ) điện cảm stator trên hai trục d , q

o ψ ( /P V s rad) là hằng số từ thông cực của động cơ

Để tiện cho mô phỏng ψ được xác định từ hệ số phản điện động (back Pelectromotive force BEMF, kí hiệuK ) cho nên (11) được viết lại thành E

e S

L R

Và nhờ công thức này có thể xác định được L d =L q =τR S

Với dòng điện như trên, cũng theo [1] trang 71 thì moment điện từ T E mà động cơ sản sinh là

Hình 7: Mô hình điện động cơ AC servo Dựa theo mô hình động cơ có thể thấy dòng điện i q sản sinh moment nên được điều khiển để đảm bảo bám theo moment yêu cầu Dòng id tạo từ trường, không xét bài toán làm yếu từ trường nên dòng id được điều khiển để bằng không Giữa i q và

Bộ điều khiển PI có hàm truyền dạng như (15) áp dụng vào hai mạch tương

đương trên Hình 7 sẽ biến hai dòng điện thành hai hệ độc lập, mỗi hệ tương đương

một mạch RL như trên Hình 8

i p

K

Gk K

s

Hình 8: Bộ điều khiển PI cho dòng điện

Hàm truyền của mạch này có dạng

p

k

p

Ki K

Do đó phương pháp chọn thông số của bộ điều khiển dựa trên việc chọn hai hệ

sốω0 là băng thông và ζ0 là hệ số suy giảm dao động

Từ đó xác định được hệ số của bộ điều khiển:

2 0

Hình 9: Bộ điều khiển PI với khâu khử zero

Khâu khử zero có hàm truyền:

11

CZ

p i

G

K s K

và giữ nguyên các giá trị trong quá trình điều khiển Với dòng điện được điều khiển tốt i q được điều khiển và bám theo giá trị đặt có nghĩa là có thể điều khiển moment

E

T sinh ra của động cơ đạt giá trị mong muốn do đó việc khảo sát chuyển động của động cơ sẽ được đưa về khảo sát như một hệ cơ học bình thường Thao tác đưa vào

bộ điều khiển dòng điện có tác dụng làm đơn giản bài toán điều khiển động cơ, vấn

đề được chia thành hai bài toán độc lập: bài toán điều khiển dòng điện và bài toán điều khiển chuyển động của hệ cơ khí, moment T sẽ được chọn làm biến vào điều E

khiển của hệ cơ khí lúc này

2.4 Điều khiển tốc độ và vị trí

Động cơ mang tải được gắn chặt vào rotor Gọi J là tổng của cả moment quán

tính của rotor động cơ và tải (chỉ xét hệ ghép chặt), B là tổng các hệ số ma sát nhớt

và T L là tổng các moment ngoại lực tác động lên tải Gọi θ là góc quay của động cơ thì phương trình mô tả chuyển động của tải và cả rotor là

Đối tượng là một hệ bậc một nên sử dụng bộ điều khiển PI là đủ để điều khiển

Khi áp dụng bộ điều khiển PI vào đối tượng trên, không cần xét đến TL nữa vì khâu

tích phân trong bộ PI sẽ tự bù với TL theo thời gian để đảm bảo tốc độ ω Hàm

truyền của bộ điều khiển PI khi điều khiển tốc độ là:

iv pv

k

iv pv

K K

G

K K

Với các hệ số K pv,K đã chọn, khâu điều khiển tốc độ vòng kín được đưa qua iv

khâu tích phân trở thành vị trí của động cơ

Hàm truyền đạt hở từ tốc tham chiếu đến vị trí động cơ

Hệ kín của điều khiển vị trí được bổ sung thêm khâu điều khiển P ở trước vòng

điều khiển tốc độ và do đó hàm truyền đạt của vòng điều khiển tốc độ vòng kín là

K G

Cách chọn trên cho phép xác định đặc tính đáp ứng vị trí của động cơ chỉ với hai

tham số Các hệ số trên đều có thứ nguyên, lần lượt là Hz , Nm

rad,

/

Nm rad s

21

Toàn bộ mục này đã trình bày các lý thuyết và tính toán để điều khiển vị trí động cơ AC servo theo phương pháp truyền thống bằng cách chia nhỏ đối tượng và

sử dụng các bộ điều khiển PI và P thích hợp Với cách chia này quá trình chỉnh

định tham số bộ điều khiển phải qua hai công đoạn cho vòng điều khiển dòng điện

và vị trí, cả hai vòng đều theo các tiêu chí về băng thông và hệ số suy giảm dao động

2.5 Lí thuyết phương pháp STR

Bộ điều khiển tự chỉnh Self Tuning Regulator STR là bộ điều khiển được thiết

kế gồm hai phần nhận dạng thông số mô hình của đối tượng và thiết kế bộ điều khiển dựa trên mô hình đã nhận dạng Phương pháp nhận dạng mô hình thường sử dụng nhất là phương pháp ước lượng bình phương tối thiểu, tuy nhiên trong phương trình

Khi xét có sự biến thiên theo thời gian của J , B , T L thì các biến có thể đo được chỉ có T E và ω, trong đó T E vai trò như biến điều khiển u Biến T L cũng có ảnh hưởng đến chuyển động của động cơ như biến T E, hơn nữa T không phải L

nhiễu trắng và tổng quát không tìm được quan hệ rõ ràng giữa T L với ω, J , B do

đó không thể bỏ qua T để thành lập phương trình vector tham số theo biến vào L T E

cho việc nhận dạng thông số mô hình của động cơ bằng phương pháp bình phương tối thiểu

Như vậy chỉ có thể sử dụng một cách thức khác để ước lượng giá trị vật lý thực

sự thay cho phương pháp ước lượng vector tham số bằng bình phương tối thiểu, khi

đó nếu sử dụng giá trị vật lý nhận dạng được để điều chỉnh bộ điều khiển cũng có thể xem đây là một dạng của điều khiển tự chỉnh định STR nhưng chính xác hơn nên được xem là phương pháp hoạch định độ lợi Khảo sát nhiều hơn ở các chương

sau sẽ thấy J ảnh hưởng nhiều nhất đến đặc tính của động cơ nên việc thiết lập bộ

điều khiển có thông số thay đổi theo J là một phương pháp điều khiển thích nghi bằng cách hoạch định độ lợi cho đối tượng có thông số thay đổi khi làm việc và

biến hoạch định là biến J

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ KHÔNG THÍCH NGHI

Như ở cuối chương hai, để xác định tham số của bộ điều khiển vị trí và tốc độ chỉ cần hai đại lượng: băng thôngω1 và độ suy giảm dao động ζ1 Để khảo sát ảnh hưởng của hai giá trị này đến đáp ứng vị trí của động cơ, tiêu chuẩn với hàm nấc được sử dụng Trong thực tế hàm nấc không thể đưa trực tiếp vào cho bộ điều khiển

vị trí vì nếu bước nhảy của hàm đủ lớn thì động cơ có thể phá hủy hệ thống cơ khí, mặc dù như vậy phương pháp sử dụng hàm nấc để phân tích đặc tính của hệ thống vẫn là một phương pháp tốt và truyền thống, qua phân tích đáp ứng với hàm nấc người sử dụng có thể có dự đoán rõ ràng tác dụng khi thay đổi hai hệ số trên Khi phân tích đáp ứng với hàm nấc, các giá trị sau được quan tâm chính: thời gian đạt mức rise time (s), độ vọt lố overshoot (%) và thời gian xác lập settling time (s)

Sơ đồ điều khiển vị trí cho động cơ được dựa theo Hình 2, để khảo sát kết quả điều khiển vị trí, sử dụng công cụ Simulink của Matlab để mô phỏng và kiểm tra các kết quả đã tính trong cơ sở lý thuyết

3.1 Sơ đồ Simulink mô phỏng

Với động cơ hoạt động ở chế độ điều khiển vị trí trên Hình 2, một sơ đồ Simulink được xây dựng như trên Hình 11 để mô phỏng, sơ đồ xây dựng bao gồm:

o Mô hình động cơ trên cơ sở các phương trình của động cơ trong hệ trục dq

phương trình về moment quay, và phương trình chuyển động

o Mô hình các bộ điều khiển gồm hai bộ điều khiển để điều khiển dòng điện,

bộ điều khiển vận tốc và vị trí của động cơ

o Mô hình cách tính các tham số của bộ điều khiển theo giá trị biết trước của tải dựa vào công thức (36), (37), (38)

Chi tiết về cách xây dựng các khối:

23

Hình 11: Sơ đồ Simulink cho toàn hệ Chuyển động quay của động cơ được mô phỏng bằng ba biến góc quay θ, vận tốc góc ω và gia tốc góc α Hai giá trị J , B đặc trưng cho từng hệ được chuyển

thành các biến đầu vào để tiện cho việc thay đổi khi thử nghiệm Đại lượng T L mô

tả ảnh hưởng của moment quay ngoại lực được đưa thành biến vào của motor Các giá trị R , s L , d L , q K , E K là đặc trưng của từng động cơ, xem như không đổi và T

đưa vào thành các tham số (kiểu mask) của mô hình Đầu vào và đầu ra thể hiện trong hai bảng tương ứng bên dưới

Bảng 2: Các biến đầu vào của khối motor

Kí hiệu

Simulink

Kí hiệu toán

Bảng 3: Các biến đầu ra của khối motor

Kí hiệu

Simulink

Kí hiệu toán

Với các phương trình và cách chọn biến như trên thì sơ đồ Simulink của motor được xây dựng như Hình 12

Hình 12: Sơ đồ Simulink của motor Trong sơ đồ khối này các giá trị được chọn để mô phỏng cho trong bảng sau

Khối Gain có nhiệm vụ tính các hệ số K pp của bộ điều khiển P điều khiển vị trí

và hai hệ số K pv, K iv của bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ Khối có hai đầu vào

là J , B giả sử đã biết của động cơ, hai giá trị đặc tính ω1và ζ1 được chọn dưới dạng tham số (kiểu mask) Với bốn giá trị có được này, khối sử dụng công thức (36), (37), (38) để tính ba tham số của hai bộ điều khiển vị trí và tốc độ Cấu tạo của khối Gain được thể hiện trên Hình 13

Hình 13: Cấu tạo khối tính gain

• Khối thực hiện các bộ điều khiển

o Hai bộ điều khiển dòng điện

Hai bộ điều khiển PI Id và PI Id là hai bộ điều khiển PI để điều khiển dòng điện

theo giá trị yêu cầu Dòng điện i q yêu cầu lấy từ kết quả chia của moment quay yêu cầu của vòng điều khiển tốc độ cho hằng số K T và dòng hồi tiếp lấy từ khối motor

Từ các giá trị đặc trưng trong Bảng 4, chọn thêm hai hệ số đặc trưng là ω0, ζ0 như

đã trình bày trong mục 2.3 và áp dụng công thức (20), (21) tính được cụ thể các giá trị của bộ điều khiển này

Trong mô phỏng chọn ω0 =100, ζ0 = và có được tham số cho bộ điều khiển 1

dòng trục d K id p =0.6220, K id i =55.1và bộ điều khiển cho dòng điện trục q

10

p

K iq= , K iq i =107.7

o Khối thực hiện bộ điều khiển P điều khiển vị trí nhận đầu vào là sai số vị trí,

đầu ra là tốc độ yêu cầu Tham số của bộ điều khiển được lấy từ đầu ra của khối Gain

o Khối thực hiện bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ, nhận đầu vào là sai số

tốc độ và đầu ra là moment quay yêu cầu, moment quay yêu cầu chia cho hệ

số K T được dòng điện yêu cầu trên trục q gửi đến bộ điều khiển dòng điện

3.2 Kết quả mô phỏng

Với sơ đồ Simulink như Hình 11 và J , B cụ thể, chọn trước một bộ ω1, ζ1 sơ

đồ sẽ hoạt động và điều khiển vị trí động cơ bám theo vị trí yêu cầu Với một giá trị

1

ζ cố định, băng thông ω1liên quan trực tiếp đến thời gian rise time của hệ, ω1 càng lớn thì rise time càng nhanh và thời gian xác lập càng ngắn lại ζ1liên quan trực tiếp đến độ vọt lố của hệ và sau đó cũng liên quan đến thời gian xác lập, ζ1 càng bé tỉ lệ vọt lố càng cao và làm thời gian xác lập tăng lên Tham số ω1vàζ1cũng liên quan đến sai số bám vị trí, ω1 tăng sẽ làm sai số bám vị trí giảm còn ζ1 tăng sẽ làm sai số bám vị trí tăng lên Để có mô phỏng cụ thể, giả sử chọn J =0.001, B=0.003 và

thử nghiệm trước hết với hàm nấc đơn vị bước nhảy 1 rad , cũng giả sử rằng khối tính gain cũng biết được giá trị của J và B Mô phỏng trong hai trường hợp

27

o Giữ cố định ζ1 = và thay đổi 1 ω1, kết quả thể hiện trên Hình 14, các giá trị

1

ω được chọn và các hệ số gain tương ứng được trình bày trong Bảng 5

o Giữ cố định ω1=20 và thay đổi ζ1, kết quả thể hiện trên Hình 15, các ζ1và gain tương ứng được trình bày trong Bảng 6

Hai hình vẽ này thể hiện đúng tính chất đã trình bày về ảnh hưởng của ω1và ζ1

đến đáp ứng vị trí của động cơ so với hàm nấc đơn vị

Bảng 5: Các hệ số ω1được chọn và gain tương ứng

Trong điều kiện sử dụng thực tế, hàm nấc không được sử dụng mà chuyển động của động cơ phải có giai đoạn tăng tốc ổn định tốc độ rồi giảm tốc trước khi đến vị trí yêu cầu Quá trình tính toán các giai đoạn tăng giảm tốc được một bộ nội suy chuyển động thực hiện, driver không làm nhiệm vụ này Một dạng phổ biến của

1

ω ζ1

chiến lược tăng giảm tốc đó là kiểu vận tốc hình thang Mô phỏng đáp ứng của động

cơ với trường hợp vị trí yêu cầu được thực hiện theo qui luật vận tốc hình thang như trên Hình 16, lúc đó vị trí của động cơ sẽ bám theo vị trí yêu cầu có biên dạng hình