Điều khiển tốc độ động cơ điện 3 pha theo biên dạng tốc độ trong đường sắt đô thị

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA ATP:Automatic train protection – hệ thống Bảo vệ đoàn tàu tự động CBTC: Communication – based train control - Hệ thống Điều khiển đoàn tàu dựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã ngành: 60520114

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Võ Tường Quân

TP HCM, tháng năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :Võ Tường Quân

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 05 tháng 3 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

2 PGS TS Nguyễn Tấn Tiến Phản biện 1

3 PGS TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện 2

5 TS Nguyễn Văn Nhanh Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi vàđược sự hướng dẫn khoa học của TS Võ Tường Quân Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giảthu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như

số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình Trường Đại học Công nghệ Thành phố

Hồ Chí Minh không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2015

Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công trong

sự nghiệp cao quý Đồng kính chúc các học viên lớp cao học 13SCĐ21 luôn dồi dào sức khỏe, đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong công việc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ix

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài: 1

1.3.Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển đoàn tàu 2

1.3.1 Hệ thống quản lý vận tốc của đoàn tàu: 2

1.3.2 Hệ thống đo tốc độ của đoàn tàu 2

1.3.3.Hệ thống cân đoàn tàu: 5

1.4 Lựa chọn phương pháp điều khiển truyền động điện 5

1.4.1Các kỹ thuật điều khiển: 6

1.4.1.1Điều khiển vô hướng: 6

1.4.1.2 PWM dạng sin (PWM Sinusoidal) 6

1.4.1.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung sáu – bước: 7

1.4.1.4 Điều chế độ rộng xung véc tơ không gian (SVMPWM): 7

1.4.1.5 Điều chế độ rộng xung với mô đun hóa vọt lố (overmodulation) véc tơ không gian [6]: 7

1.4.2 Điều khiển véc tơ 7

1.4.3 Điều khiển mô men trực tiếp – Direct Torque Control (DTC) 9

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu 10

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: 10

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước: 12

1.6 Mục tiêu của đề tài: 13

1.7 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

1.7.1 Đối tượng nghiên cứu: 13

1.7.2 Giới hạn phạm vi thực hiện đề tài 14

1.8 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu 15

1.9 Tóm tắt các nội dung thực hiện của luận văn: 15

CHƯƠNG 2: ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ (SPEED PROFILE) 16

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 21

3.1 Tóm tắt quy trình mô hình hóa hệ thống cho luận văn: 21

3.2 Mô hình hóa hệ thống: 24

3.2.1 Xây dựng mô hình chuyển động đoàn tàu: 24

3.3.2 Các lực và moment thành phần 28

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 33

4.1 Tổng quát phương pháp điều khiển hướng từ trường gián tiếp – IFOC: 33

4.2 Truyền động điện cho động cơ bằng phương pháp điều khiển hướng từ thông gián tiếp – IFOC: 33

4.2.1 Biến đổi dòng điện đo được từ khung điện áp 3 pha (abc) sang điện áp 2 pha hệ tọa độ tĩnh (,) (biến đổi Clarke) 38

4.2.2 Mô hình dòng điện (bộ ước lượng từ thông rotor – nhằm xác định góc từ thông rotor)–theo [40] 38

4.2.3 Biến đổi dòng điện 2 pha hệ tọa độ tĩnh (,) sang hệ tọa độ xoay (dq) (biến đổi Park): 40

4.2.4 Tính toán các thông số tham chiếu đầu vào của I.F.O.C: 41

4.2.5 Thiết kế bộ điều khiển dòng cấp cho động cơ: 43

4.2.5.1 Lựa chọn các kỹ thuật điều khiển: 43

4.2.5.2 Thiết kế bộ điều khiển: 44

4.2.6 Tính điện áp tham chiếu (V d,V q)từ dòng i dref,i qref: 44

4.2.7 Biến đổi áp từ trục tọa độ (d,q) sang (α,β) (Biến đổi Park ngược) 45

4.2.8 Điều chế độ rộng xung bằng phương pháp vector không gian (SVPWM) – Điều khiển điện áp cấp cho các pha của động cơ: 46

4.2.2 Mô men thực tế sinh ra bởi động cơ: 50

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG 51

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57

6.1 KẾT LUẬN 57

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN: 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ CÁC ĐỊNH NGHĨA ATP:Automatic train protection – hệ thống Bảo vệ đoàn tàu tự động

CBTC: Communication – based train control - Hệ thống Điều khiển đoàn tàu dựa

trên liên lạc

Những tính chất căn bản của hệ thống CBTC như sau:

+ Xác định chính xác vị trí của đoàn tàu, với một độ chính xác cao, độc lập với mạch điện đường ray;

+ Một mạng lưới liên lạc trên phương diện địa lý liên tục giữa đoàn tàu với thiết bị dọc đường ray và thiết bị dọc đường ray với đoàn tàu để có thể chấp nhận truyền dẫn tín hiệu điều khiển và thông tin trạng thái đáng kể hơn là các hệ thống truyền thống

+ Thiết bị doc đường ray và các bộ xử lý quan trong thuộc đoàn tàu xử lý (tính toán) và dữ liệu điều khiển và cung cấp liên tục hệ thống bảo vệ đoàn tàu tự động (ATP), vận hành đoàn tàu tự động (ATO) và giám sát đoàn tàu

tự động (ATS) cũng có thể được cung cấp, khi được yêu cầu bởi những ứng dụng cụ thể

DTC: Direct Torque Control –Điều khiển mô men trực tiếp

ĐCĐKĐB: Động cơ điện không đồng bộ

Điều khiển vec tơ: (Điều khiển mô men gián tiếp – Indirect Torque Control) F.O.C: Điều khiển hướng từ trường

I.F.O.C:Điều khiển gián tiếp hướng từ trường

PWM: Điều chế độ rộng xung

SVPWM: Phương pháp điều chế vector không gian

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Các trạng thái vận hành dựa trên hợp lực và vận tốc của đoàn tàu…….19 Bảng 4.1: Tính toán thời gian đóng ngắt cho các góc 1 phần 6 (sectors)……….51

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Minh họa đoàn tàu tích hợp nhiều loại cảm biến khác nhau 4

(Nguồn: Application of Sensor Fusion to Railway System [13]) 4

Hình 1.2: Minh họa hệ thống cân đoàn tàu tiêu biểu [27] 5

Hình 1.3: Minh họa cân đoàn tàu động với load cell của hãng Kyowa [27] 5

Hình 2.1: Bốn chế độ đặc tính di chuyển của đoàn tàu [34] 16

Hình 2.2: Minh họa đường đặc tính tốc độ dạng đơn giản [44] 17

Hình 2.3: Minh họa đường đặc tính tốc độ thực tế với các thông số thực tế của tuyến [44] 17

Hình 2.5: Đường đặc tính tốc độ được đề xuất bởi Hitachi 18

Hình 2.6: Đường đặc tính tốc độ có dạng đường cong [16] 19

Hình 2.7: Minh họa tuyến tính hóa đường đặc tính tốc độ cho trước có dạng hàm bậc 2 thành các đoạn tuyến tính 20

Hình 3.1: Giải thuật tổng quát của luận văn 23

Hình 3.2: Giản đồ Lực – Khối lượng của đoàn tàu di chuyển (tài liệu [25]) 24

Hình 3.3: Mô hình hóa tổng quát của luận văn 25

Hình 3.4: Mô hình lực tác động lên bánh xe của đoàn tàu (nguồn [24]) 29

Hình 4.1: Sơ đồ khối của I.F.O.C (điều khiển dựa trên (từ) thông gián tiếp) 35

Hình 4.2: Sơ đồ biến đổi (dòng) dùng biến đổi Clarke –Park 36

Hình 4.3: Giải thuật cho IFOC dùng trong luận văn 37

Hình 4.4: Vector không gian của dòng stator và hình chiếu[22] 38

Hình 4.5: Mạch điện tương đương (dòng từ hóa – magnetizing current) (nguồn [40]) 39

Hình 4.6: Áp dụng Khung tham chiếu tổng quát (Biến đổi Park) 40

Hình 4.7: Module khối biến đổi Park [40] 40

Hình 4.8: Các thành phần điện áp trong biến đổi Park ngược [40] 45

Hình 4.9: Module biến đổi Park ngược [40] 45

Hình 4.10:Biến đổi 3 đại lượng áp thành vector không gian duy nhất 46

Hình 4.11: Cấu hình căn bản biến tần dùng SVPWM [23] (Jin Woo Jung) 46

Hình4.12: Các vector không gian căn bản và hình chiếu điện áp không gian[22] 47

Hình 4.13: Các phân vùng đóng ngắt và các phân vùng [23] 47

Hình4.14: Vector không gian điện áp và các thành phần của nó trong 48

Hình 4.15:Vector tham chiếu là kết quả cộng vector của 2 vector thành phần trong

góc thứ 1[23] (Jin Woo Jung) 48

Với k là giá trị tương ứng với góc phần 6 từ 1 – 6, α là góc từ 1 đến 600, Ts=1/fsvà fs là tần số lấy mẫu(sampling frequency/tần số đóng ngắt) 49

Bảng 4.1: Tính toán thời gian đóng ngắt cho các góc 1 phần 6 (sector) [23] 49

Hình 4.15: Trạng thái đóng ngắt trong các phân đoạn (sector) theo phương pháp SVPWM[23] (Jin Woo Jung) 50

Hình 5.1: Khối F.O.C trong thư viện của Matlab [29] 51

Hình 5.2: Giản đồ tổng thể của IFOC 53

Hình 5.3: Giản đồ Simulink của khối Field-Oriented Control 54

Hình 5.4: Mô phỏng mẫu của khối Field-Oriented Control 54

Hình 5.5: Mô phỏng khối IFOC dùng trong luận văn với tín hiệu 55

tham khảo đầu vào (dạng step và thay đổi) là vận tốc và mô men 55

Hình 5.6 Kết quả mô phỏng thực tế từ trên xuống lần lượt là dòng stator,tốc độ động cơ, moment điện từ điều khiển bằng IFOC 56

Mmm: Mo ment cần thiết để kéo đoàn tàu (Nm)

me: khối lượng tương đương đoàn tàu (kg)

N: lực ma sát giữa bánh xe và đường ray (xem như bằng lực tác động lên trục đoàn tàu bởi động cơ điện của đoàn tàu)

θλr: góc của từ thông rotor (rad)

R: bán kính cong của tuyến (m)

rbx: bánkính bánh xe của đoàn tàu (m)

rg : độ dốc của tuyến, tính bằng ‰

Ψsa,β: từ thông từ trường stator (stator magnetic fluxes)

Ψra,β: từ thông từ trường rotor(rotor magnetic fluxes)

Te: Moment điện từ sinh ra bởi động cơ (Nm)

Teref: Moment điện từ sinh ra bởi động cơ (Nm)

vđt: vận tốc của đoàn tàu (km/h)



:vận tốc góc của động cơ đoàn tàu (rpm)

u: tín hiệu điều khiển

ubrnghieng: tỷ số truyềnhộp giảm tốc bánh răng nghiêng

µwheel-ray: hệ số ma sát giữa bánh xe và đường ray

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Để bảo đảm sự an toàn, tiện nghi, tiêu thụ năng lượng, đúng thời gian biểu, năng lực vận chuyển … của hệ thống đường sắt – đặc biệt là hệ thống đường sắt đô thị có 2 vấn đề chính được nghiên cứu là hệ thống sức kéo và hệ thống thắng dùng cho đoàn tàu Do đó bài toán động lực học và điều khiển sức kéo, thắng của đoàn tàu

là bài toán được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong thực tế Tuy nhiên vấn đề này chưa được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam

1.2 Tính cấp thiết của đề tài:

Bài toán điều khiển tốc độ, vị trí và lực kéo của đoàn tàu được thực hiện thông qua 2 phần là hệ thống sức kéo (động cơ) và thắng trên đoàn tàu Do đó điều khiển động cơ và thắng (trên đoàn tàu) đạt được đầu ra là vận tốc và lực kéo mong muốn

và các đầu ra này thay đổi theo thời gian là được ứng dụng rất rộng rãi trong ngành đường sắt

Trong luận văn này người viết tập trung nghiên cứu điều khiển động cơ trên đoàn tàu vì lý do như sau: trong một số trường hợp chỉ có hệ thống động cơ được điều khiển như chế độ tận dụng quán tính – khi đoàn tàu xuống dốc hoặc vào nhà ga

để tiết kiệm năng lượng; điều khiển tốc độ động cơ đoàn tàu bám theo đường đặc tính tốc độ nhằm tránh va chạm đoàn tàu phía trước Trong các trường hợp vừa nêu chỉ có

hệ thống động cơ được điều khiển và được cung cấp năng lượng một cách tối thiểu

và hệ thống thắng được hạn chế dùng tối đa Hơn thế nữa, hiện nay các đoàn tàu thế

hệ mới đều được trang bị hệ thống máy tính trên đoàn tàu để điều khiển hệ thống động cơ và thắng nhằm tối ưu hóa thời gian chạy tàu, năng lượng tiêu thụ, dừng tại

ga với độ chính xác cao… Ngoài ra xu hướng hiện nay là đoàn tàu không người lái (đã được trang bị một số tuyến tại Dubai, Anh, Madrid …), trên các đoàn tàu này hệ thống máy tính sẽ kiểm soát hoàn toàn hệ thống sức kéo và thắng

Tuy nhiên trong phạm vi của luận văn, hệ thống thắng sẽ chỉ được giới thiệu một cách sơ lược mà không được đi vào nghiên cứu tính toán cụ thể Tuy nhiên mô

hình hóa và xây dựng hệ thống với các thông số đầu vào nhằm điều khiển động cơ đoàn tàu đạt được vận tốc đầu ra mong muốn với mô men xoắn phù hợp là chưa được nghiên cứu tại Việt Nam Lý do chủ yếu là hiện nay chưa có hệ thống đường sắt sử dụng sức kéo bằng động cơ điện đi vào hoạt động

1.3.Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển đoàn tàu

1.3.1 Hệ thống quản lý vận tốc của đoàn tàu:

Trong hệ thống đường sắt đô thị, một trong những cách quản lý khoảng cách, tốc độ phổ biến giữa các đoàn tàu (để giữ chúng không va chạm vào nhau) là “khối

di dộng” (moving-block) Hệ thống khối di động hoạt động theo nguyên lý như sau: Dọc tuyến sẽ dùng các thiết bị chuyên dụng (mạch điện đường ray – sử dụng nguyên

lý cảm ứng điện từ) để phát hiện đoàn tàu hoặc mỗi đoàn tàu sẽ tự xác định vị trí của

nó trên tuyến và báo về trung tâm điều khiển Trên cơ sở đó trung tâm điều khiển sẽ tính toán khoảng cách an toàn với đoàn tàu phía trước và truyền đến cho đoàn tàu Dựa trên khoảng cách an toàn này, hệ thống máy tính trên đoàn tàu sẽ tự động tính toán đường đặc tính tốc độ (speed profile) phù hợp cho đoàn tàu và vận tốc này đảm bảo trong trường hợp đoàn tàu phía trước ngừng hoạt động do có sự cố đoàn tàu sẽ không va chạm với đoàn tàu phía trước Ngoài ra do đặc thù của ngành đường sắt, sẽ

có những đoạn tuyến mà tại đó tốc độ bị giới hạn nhất định do các yếu tố như bán kính cong (đoạn vào cua), đoạn dốc… và hệ thống máy tính trên đoàn tàu cũng phải thiết lập đường đặc tính tốc độ tại những đoạn này sao cho bằng hoặc nhỏ hơn tốc độ quy định nhằm tránh xảy ra tai nạn như trật bánh khỏi đường ray

Đường đặc tính tốc độ này sẽ được phân tích kỹ hơn ở chương 3 Do đó ta có thể xem vận tốc của đoàn tàu tại mọi điểm trên tuyến là biết trước

1.3.2 Hệ thống đo tốc độ của đoàn tàu

- Tachometer/encoder: Được gắn trên trục của động cơ Khi bánh xe của đòan

tàu quay sẽ phát ra xung, đếm số xung này ta có thể xác định được vị trí và tính toán được tốc độ của đoàn tàu Ưu điểm: giá thành thấp và thời gian đáp ứng nhanh Nhược điểm: dễ bị ảnh hưởng bởi ồn điện tử, ngoài ra hiện tượng trượt giữa bánh và đường

ray khi khởi động hoặc thắng gây sai số Để khắc phục các nhược điểm nêu trên một

số phương án đã được áp dụng khắc phục sai số của tachometer như biên độ an toàn khoảng cách, bộ đếm trục hoặc thường xuyên reset vị trí đoàn tàu bằng transponder

- Hệ thống dựa trên hiệu ứng Doppler: Xác định tốc độ dựa trên sự thay đổi

tần số khi vật phát ra sóng và tần số khi sóng phản hồi lại

Công thức:

0

f v v

v v

v r : là vận tốc tương đối của người quan sát đối với môi trường, nhận giá trị

dương nếu người quan sát tiến lại gần nguồn âm,

v s: là vận tốc tương đối của nguồn đối với môi trường, nhận giá trị dương nếu nguồn dịch chuyển ra xa đối với người quan sát

f o: tần số sóng âm phát ra (Hz)

Thông thường hệ thống radar Doppler được dùng chung với encoder và radar

sẽ được bố trí dưới gầm tàu, 2 hệ thống này nếu dùng thuật toán phù hợp sẽ triệt tiêu sai số lẫn nhau

- Mạch điện đường ray: khoảng cách giữa các mạch ray tùy theo khoảng cách

cần thiết để thắng Thông thường khoảng cách giữa 2 bộ cảm biến mạch điện đường ray là 200m Nhược điểm khi sử dụng phương án này là phải thường xuyên bảo trì,

độ chính xác thấp, để tăng độ chính xác của hệ thống có thể dẫn đến gia tăng chi phí đầu tư ban đầu

- Hệ dẫn đường quán tính (INS – Inertial navigation system): Dùng đo gia

tốc, tốc độ và độ nghiêng của đoàn tàu so với ray Hệ thống cơ bản bao gồm con quay hồi chuyển và gia tốc kế (accelerometer)

+ Gia tốc kế: dùng để đo gia tốc của đoàn tàu trong nhiều chiều khác nhau Nếu biết tốc độ ban đầu của đoàn tàu chính xác có thể suy ra dữ liệu vận tốc và vị trí của đoàn tàu

+ Con quay hồi chuyển: dùng để đo góc quay của đoàn tàu Điều này đặc biệt

có ích trong các đoạn cua, một số đoàn tàu thế hệ mới được thiết kế để tự động nghiêng khi vào các đoạn cua

+ Áp dụng: một số hãng như Honeywell, Xsens, NovaTel đã phát triển 1 số bộ INS cho các đoàn tàu, ngoài ra cũng đã được trang bị trên Maglev (hãng Shenzhen Rion)

+ Nhược điểm: là sai số ban đầu của hệ thống, sai số tính toán trọng lực, sai số của con quay hồi chuyển, sai số hệ thống hồi tiếp làm ảnh hưởng đến độ chính xác của INS Ưu điểm – đây là hệ thống chủ động không dựa trên sự quay của bánh xe như tachometer, cũng không bị ảnh hưởng trong các đoạn hầm như GPS

- Hệ thống GPS:

Nguyên lý hoạt động như sau: đoàn tàu sẽ trang bị 1 bộ thu tín hiệu GPS và nhận tín hiệu từ các vệ tinh để tự xác định vị trí của mình Thông thường độ chính xác là 1m đến 5m và thời gian lấy mẫu là 1s Hệ thống GPS thường được sử dụng trong hệ thống PTC của Mỹ Ưu điểm: chi phí thấp Nhược điểm: không thích hợp cho đoàn tàu tại các vị trí bẻ ghi, nhà ga và hầm

Hình 1.1: Minh họa đoàn tàu tích hợp nhiều loại cảm biến khác nhau

(Nguồn: Application of Sensor Fusion to Railway System [13])

Từ các loại cảm biến được áp dụng nêu trên, luận văn sẽ áp dụng cảm biến encoder để xác định vị trí và vận tốc của đoàn tàu với lý do phù hợp cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm cũng như dễ áp dụng các thuật toán Nếu áp dụng các loại cảm biến như Doppler, INS sẽ không thể thực hiện kiểm tra bằng mô hình

1.3.3.Hệ thống cân đoàn tàu:

Hiện nay có 2 phương pháp được sử dụng rộng rãi để cân đoàn tàu (gián tiếp)

là cân tĩnh và cân động

Hình 1.2: Minh họa hệ thống cân đoàn tàu tiêu biểu [27]

Hình 1.3: Minh họa cân đoàn tàu động với load cell của hãng Kyowa [27]

1.4 Lựa chọn phương pháp điều khiển truyền động điện

Truyền động biến đổi tần số (Variable frequency drive – VFD)

Chức năng căn bản của VFD là hoạt động như một bộ tạo tần số biến đổi để biến đổi tốc độ động cơ như người dùng cài đặt

1.4.1Các kỹ thuật điều khiển:

Theo tài liệu AN887- [36] có thể chia ra như sau:

Điều khiển vô hướng (scalar control - điều khiển V/f)

Điều khiển vec tơ (Điều khiển mô men gián tiếp – Indirect Torque Control) Điều khiển mô men trực tiếp – (Direct Torque Control – DTC)

1.4.1.1Điều khiển vô hướng:

Theo [36]:

Trong kỹ thuật điều khiển này người ta cung cấp nguồn cho động cơ với tín hiệu tần số biến đổi được tạo ra bởi điều khiển PWM từ 1 biến tần Tỷ lệ V/f được giữ cho là hằng số nhằm đat được mô men không đổi trong suốt giai đoạn làm việc Do chỉ có biên độ của các biến đầu vào – tần số và điện áp – được điều khiển, còn được gọi là “điều khiển vô hướng Một cách tổng quát, truyền động theo phương pháp này thường không có thiết bị hồi tiếp (điều khiển vòng hở) Vì thế điều khiển kiểu này thường rẻ tiền và dễ dàng lắp đặt.Trong kiểu điều khiển này không cần biết nhiều về các thông số động cơ.Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là tải và

mô men độc lập nhau Ngoài ra, đáp ứng trong giai đoạn chuyển tiếp cũng chậm do đóng ngắt các linh kiện điện tử công suất của biến tần là xác định trước

1.4.1.2 PWM dạng sin (PWM Sinusoidal)

Theo Giáo trình Điện tử công suất 1 - [6] về nguyên lý thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:

- Sóng mang (carrier signal) tần số cao

- Sóng điều khiển (reference signal) hoặc sóngđiều chế (modulating signal) dạng sin

Sóng mang có thể ở dang tam giác.Tần số song mang càng cao, lượng song hài

bị khử nhiễu càng nhiều Tuy nhiên tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo Ngoài ra phải tính đến thời gian đóng và ngắt của các linh kiện Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra

1.4.1.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung sáu – bước:

Theo [36]:Bộ biến tần của VFD có 6 trạng thái đóng ngắt riêng biệt Khi các trạng thái đóng ngắt đươc thực hiện theo quy luật nhất định, động cơ 3 pha cảm ứng

sẽ quay Ưu điểm là không có các bước tính toán trung gian và do đó dễ dàng thực hiện Nhược điểm là song hài bậc thấp cao hơn mà không thể lọc được bằng điện cảm của động cơ Điều này có nghĩa là tổn thất động cơ cao hơn, độ nhấp nhô (ripple) của mô men cao hơn và động cơ bị giật ở tốc độ thấp

1.4.1.4 Điều chế độ rộng xung véc tơ không gian (SVMPWM):

Phương pháp này cũng được sử dụng như một phần nhỏ của phương pháp F.O.C nên sẽ được thuyết minh kỹ hơn trong phần F.O.C

1.4.1.5 Điều chế độ rộng xung với mô đun hóa vọt lố (overmodulation) véc

tơ không gian [6]:

Trong các ứng dụng điều khiển công suất lớn, việc tận dụng khả năng công suất của bộ nghịch lưu có ý nghĩa kinh tế Do đóphát sinh nhu cầu điều khiển mở rộng điện áp với chỉ số điều chế m=1 Nhược điểm chung của phương pháp này là sử dụng phương pháp tra bảng để xác định góc làm việc của vector trung bình, tính chất điều khiển phi tuyến, chưa đưa ra khả năng tối ưu về sóng hài và làm méo dạng sóng

1.4.2 Điều khiển véc tơ

Theo [36]:

Còn được biết với tên gọi “điều khiển dựa trên từ thông – field oriented control”, “điều khiển dựa trên từ thông – flux oriented con troll” hoặc “điều

khiển mô men gián tiếp – indirect torque control” Sử dụng điều khiển tựa từ trường (biến đổi Clarke –Park), các véc tơ dòng ba pha được biến đổi từ khung tham chiếu

3 pha sang một khung tham chiếu quay (d-q) 2 pha Thành phần “d” đại diện cho thành phần tạo ra từ trường bởi dòng stator và “q” đại diện cho thành phần tạo ra mô men Hai thành phần được tách biệt (decouple) có thể được điều khiển 1 cách độc lập thông qua 2 bộ điều khiển PI dòng riêng biệt Ngõ ra của bộ PI sau đó được biến đổi

để quy về thành khung điện áp quay và cung cấp giá trị tham chiếu cho bộ biến tần SVPWM

Biến đổi từ khung tham chiếu tĩnh sang khung tham chiếu quay có thể được thự hiện và điều khiển với tham chiếu một loại vec tơ không gian từ thông móc vòng ( từ thông móc vòng stator, từ thông móc vòng rotor và từ thông móc vòng từ hóa) Một cách tổng quát, có 3 phương án như sau:

 Điều khiển theo từ thông stator (stator flux oriented control)

 Điều khiển theo từ thông rotor (rotor flux oriented control)

 Điều khiển theo từ thông từ hóa (magnetizing flux oriented control)

Thách thức lớn nhất và chính vì thế hạn chế sử dụng của điều khiển theo trường chính là phương pháp đo hoặc ước tính góc từ thông, Tùy theo phương pháp xác định góc và vị trí từ thông , điều khiển vector có thể được chia ra làm 2 loại:điều khiển véc

tơ trực tiếp và gián tiếp

Trong điều khiển trực tiếp: từ thông được đo bằng cuộn dây cảm biến từ trường hoặc bằng cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall Điều này làm tăng chi phí và them nữa các phép đo này không đạt độ chính xác cao Do đó kỹ thuật này không phải là một

kỹ thuật điều khiển tốt

Một phương pháp phổ biến hơn là điều khiển véc tơ gián tiếp Trong phương pháp này góc của từ thông không được đo một cách trực tiếp mà được tính từ mạch tương đương và từ đo tốc độ rotor, dòng và điện áp stator Phương pháp này cần tính toán nhiều hơn các sơ đồ (schemes) điều khiển tiêu chuẩn khác; tuy nhiên có các ưu điểm sau - theo [40]:

+ Có khả năng cung cấp mô men cao ở vận tốc thấp => đặc tính này rất phù hợp với ứng dụng đường sắt, đặc biệt là trong giai đoạn đoàn tàu khởi động và rời khỏi điểm đầu tuyến, nhà ga

+ Có các đặc tính động năng tốt hơn

+ Điều khiển riêng biệt mô men và từ thông

+ Có khả năng chịu quá tải ngắn hạn

+ Hoạt động ở chế độ 1 phần tư (four quadrant)

Phương pháp điều khiển IFOC tuy không đo từ trường trực tiếp nhưng với giải thuật và tính toán phù hợp thì kết quả đáp ứng ngõ ra cũng không khác biệt nhiều so với phương pháp điều khiển có đo từ thông

Một phương pháp phổ biến để ước tính từ thông của rotor là dựa trên quan hệ

độ trượt Điều này đòi hỏi phải đo vị trí rotor và dòng stator Phương phápnày có thể thực hiện 1 cách khá tốt trong tất cả các dãy tốc độ Phương pháp thực hiện VFD tốt nhất hiện nay là điều khiển dựa trên từ thông gián tiếp dựa trên quan hệ độ trượt Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là cần thông tin về vị trí rotor từ cảm biến gắn trên trục động cơ

Để khắc phục nhược điểm này, có 1 phương pháp khác đang được nghiên cứu

là không dùng cảm biến Các giải thuật sẽ được dùng để tính toán tốc độ của động

cơ, góc từ thông Nhưng điều này sẽ dẫn đến yêu cầu là giải thuật tính toán tốc độ phức tạp và bộ vi xử lý phải có khả năng tính toán theo thời gian thực

1.4.3 Điều khiển mô men trực tiếp – Direct Torque Control (DTC)

+ Điều khiển gián tiếp dòng và áp stator

+ Đặc tính động học cao ngay cả ở trạng thái rotor bị khóa

Ưu điểm là: không phải biến đổi hệ trục tọa độ, không cần khối điều chế điện

áp cũng như các bộ điều khiển như PID, thời gian đáp ứng của mô men là tối thiểu Nhược điểm: có thể có 1 số vấn đề trong giai đoạn khởi động, yêu cầu bộ ước lượng từ thông và mô men, độ nhấp nhô của mô men và từ thông

Từ ưu và nhược điểm các phương án trên, tác giả lựa chọn sử dụng phương pháp IFOC (Điều khiển biến tần bằng Điều chế độ rộng xung véc tơ không gian.) 1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Vì lý do bí quyết công nghệ (know-how) nên Hitachi chỉ miêu tả rút gọn và vắn tắt bằng sơ đồ điều khiểnphương pháp VVVF trong thiết kế chi tiết trình nộp cho Ban Quản lý đường sắt đô thị (nơi người làm luận văn đang công tác) và cũng vì lý do đó

mà người thực hiện luận văn không đưa vào một số hình ảnh, công thức cụ thể của thiết kế của Hitachi trong luận văn này Có thể tóm tắt phương pháp điềukhiểnđộng

cơ theo thiết kế hiện nay – do Hitachi thực hiện, cho tuyến metro số 1 thành phố Hồ Chí Minhnhư sau:dòng điện mong muốn idref và iqref– tương đương với phương pháp I.F.O.C lần lượt là dòng trong khung điện áp tham chiếu xoay (rotating reference frame) sẽ được biến đổi để cung cấp các giá trị điện áp tham khảo (tương đương vớibiến đổi Park ngược ởphương pháp F.O.C) mà biến tần cần cung cấp cho động cơ

Để điều khiển điện áp này Hitachisử dụng phương pháp PWM (tuy nhiên không nêu tên kỹ thuật cụ thể)– trong luận văn đề xuất sử dụng phương pháp SVPWM Trong thiết kế của Hitachi, họ chỉ đo 2 dòng hồi tiếp Luận văn cũng chỉ đo 2 dòng hồi tiếp

và dùng phương án điện trở shunt Do đó có thể tạm nhận xét rằng so với phương án thiết kế về công nghệ của Hitachi thì phương pháp được đề xuất bởi luận văn là khả thi về mặt kỹ thuật

Bộ điều khiển dự báo cho điều khiển đoàn tàu đã được đề xuất trong “Predictive Function control for Communication – Based Train Control (CBTC) Systems” [15] Luận văn áp dụng công thức tính toán lực cản của đoàn tàu thông qua tính toán thực nghiệm của Railway Traction [24] (Jose A Lozano và một số đồng tác giả khác) Bài báo khoa học Algorithms for generating train speed profiles – Jyh-Cherng Jong, Sloan Chang [25] đã nêu các lực tác động lên đoàn tàu, chế độ động lực của đoàn tàu, chế độ truyền động của đoàn tàu, các thông số đầu vào cho việc chọn chế

độ hoạt động của đoàn tàu từ đó đưa ra giải thuật tính toán biên dạng vận tốc - speed profile cho đoàn tàu

Trong thực tế, Hitachi đã đề xuất và áp dụng công nghệ VVVF (Variable voltage/variable frequency điều biến điện áp/điều biến tần số) [26] vào truyền động điện của đoàn tàu đường sắt đô thị (có thể tham khảo bằng sáng chế số hiệu US005248926 năm 1993)

Báo cáo khoa học [33] A novel approach for controlling the electric drives used

in electric trains đưa ra mô hình điều khiển vận tốc và mô men động cơ dùng phương pháp thay đổi v/f (volt/tần số) Một bộ bù áp được sử dụng cho điện thế cấp khi hoạt động tại các tần số thấp hơn nhiều so với tần số cấp định mức.Một bộ ước lượng trạng thái cho tần số điện áp cấp cho động cơ đã được áp dụng Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy giá trị đầu ra tuân theo giá trị vận tốc và mô men mong muốn với

độ chính xác chấp nhận được khi động cơ vận hành ở trạng thái ổn định (steady state) Báo cáo khoa học “Train trajectory optimisation of ATO systems for metro lines” [34], đưa ra thuật toán Enhanced Brute Force nhằm lựa chọn chế độ động lực phù hợp nhất cho đoàn tàu có xét đến Giới hạn Quyền di chuyển – điểm mà đoàn tàu không được phép vượt qua Báo cáo cũng có đưa ra một cách tổng quát động học của đoàn tàu Tuy nhiên mục đích chính của báo cáo này nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ của đoàn tàu nhưng không xét đến chế độ cruising - chế độ chạy tiêu hao năng lượng sau giai đoạn khởi động

Có rất nhiều hệ điều khiển đã được đề xuất cho điều khiển đoàn tàu.Bộ điều khiển fuzzy đã được đề xuất trong “A Fuzzy Control for Train Automatic Stop Control” [38], dựa trên các yếu tố đầu vào như sự êm dịu của hành khách, dừng chính xác tại điểm mong muốn, bảo đảm thời gian chạy tàu phù hợp Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ nhằm điều khiển vận tốc của đoàn tàu mà không xét đến mối liên hệ giữa vận tốc và mô men của đoàn tàu (động cơ)

Luận văn sử dụng một số công thức tính toán dành cho bộ Điều khiển Gián tiếp dựa trên trường (IFOC) của tài liệu [40]- AN2388 Application note Sensor field oriented control (IFOC) of three phase AC induction motors using ST10F276): Biến đổi Clark, Biến đổi Park, Biến đổi Park ngược, ước lượng từ thông rotor (rotor flux estimator)

Luận văn sử dụng một số công thức tính toánđiện áp theo khung tham chiếu quay trên hệ trục d-q (Vd, Vq), thời gian đóng ngắt của SVPWM từ tài liệu [41] Simulation and analysis of Indirect Field Oriented Control (IFOC) of Three phase Induction Motor with Various PWM Techniques

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Do điều kiện lịch sử, nghành đường sắt quốc gia của Việt Nam chỉ dùng các hệ thống diesel và các động cơ này hoàn toàn nhập từ nước ngoài Hệ thống điều khiển rất thô sơ: dùng đèn báo do người điều khiển, một số vị trí quan trọng dùng mạch điện đường ray (track circuit), gần đây có 1 số đoạn được nâng cấp lên dùng bộ đếm trục (axle counter) Do đó đề tài nghiên cứu hệ thống điều khiển đoàn tàu (sử dụng động cơ điện) tự động và bán tự động là chưa có

Một số tuyến đường sắt đô thị gần đây được đầu tư bởi Chính phủ có sử dụng

hệ thống điều khiển đoàn tàu bán tự động và không người lái Tuy nhiên các thiết kế chỉ mô tả vắn tắt về mặt công nghệ, các yêu cầu về mặt thông số của hệ thống và hoàn toàn không đề cập đến máy tính trên đoàn tàu cũng như các bộ điều khiển tại trung

tâm điều khiển (OCC) do liên quan đến vấn đề bí quyết công nghệ (know-how) và bản quyền

Hiện nay đối với nghiên cứu động cơ điện 3 pha và các bộ điều khiển cho động

cơ điện được nghiên cứu khá đầy đủ Như giáo trình Điều khiển máy điện ứng dụng tính toán mềm – Hồ Phạm Huy Ánh [2] đã nêu ra các mô hình mô hình hóa động cơ không đồng bộ - như kiểu dòng đầu vào, áp đầu vào; điều khiển lai Fuzzy – PI ĐCKĐB; thiết kế tối ưu bộ biến tần PWM truyền động ĐCKĐB dùng thuật toán duy truyền Tuy nhiên điều khiển động cơ điện 3 pha cho hệ thống sức kéo đường sắt với lực kéo phù hợp (mô men – torque)và tự động cập nhật theo thời gian thực là chưa

có

Do đó có thể nói đến thời điểm hiện tại, chỉ có nghiên cứu về hệ thống động cơ

ba pha không đồng bộ nhưng ứng dụng vào hệ thống đường sắt là chưa có ở Việt Nam

1.6 Mục tiêu của đề tài:

Áp dụng được công thức tính toán tương quan giữa mô men (torque), đường đặc tính tốc độ và khối lượng của đoàn tàu

Thiết kế giải thuật điều khiển cũng như bộ điều khiển cho động cơ điện 3 pha không đồng bộ nhằm đạt được vận tốc và lực kéo mong muốn

1.7 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.7.1 Đối tượng nghiên cứu:

Luận văn nghiên cứu một trong các tính năng quan trọng nhất là điều khiển chuyển động của đoàn tàu thông qua máy tính trên đoàn tàu (onboard computer vehicle) với thông số đầu vào là khối lượng đoàn tàu, các thông số về tuyến như khoảng cách tới nhà ga gần nhất, các giới hạn về vận tốc trên từng đoạn tuyến, độ dốc (nếu có) và giả sử các thông số này là biết trước Đầu ra: lực kéo và vận tốc di chuyển của đoàn tàu phù hợp với sai số trong giới hạn cho phép

Đầu tiên hệ thống động lực của đoàn tàu (động cơ điện 3 pha không đồng bộ) sẽ được mô hình hóa Các lực tác động và sinh ra của hệ thống cũng sẽ được nêu ra Lựa chọn và thiết kế bộ nghịch lưu phù hợp sẽ được thực hiện trong luận văn này Bộ điều khiển cho động cơ điện 3 pha và hệ thống nghịch lưu cũng sẽ được thiết lập

1.7.2 Giới hạn phạm vi thực hiện đề tài

Luận văn chỉ nghiên cứu về điều khiển tốc độ và mô men của động cơ nhằm bám sát đường đặc tính giới hạn tốc độ (dạng step, ramp và hàm bậc 2) và giới hạn quyền di chuyển – cho các đoạn có tốc độ là hằng số và đoạn giảm tốc(có được bằng cách tạo ra tín hiệu ngẫu nhiên từ máy tính hoặc nhập bằng tay) Trong phần xây dựng

mô hình lý thuyết chỉ giới thiệu sử dụng thắng dĩa để kiểm soát tốc độ và vị trí đoàn tàu nhưng không đưa vào tính toán và điều khiển hệ thống thắng

Phương pháp điều khiển mô men động cơ là Điều khiển độ rộng xung vec tơ không gian (SVPWM)

Khi tính toán và xem xét động học, đoàn tàu được xem như là 1 điểm trong hệ trục tọa độ

Do hạn chế về kinh phí và thời gian nên không thể chế tạo đoàn tàu cũng như đường ray thu nhỏ… Do đó không thực hiện mô hình thực nghiệm để kiểm chứng thực tế

Trong luận văn, xem như khối lượng đoàn tàu là biết trước – do trung tâm điều khiển đo và truyền về đoàn tàu, một lý do khác nữa là trung tâm còn dùng các thông

số khối lượng đoàn tàu để tính cân bằng động học của đoàn tàu Khối lượng của đoàn tàu là không đổi (sau khi đo) cho đến khi cập nhật lại giá trị đo tại nhà ga kế tiếp hoặc điểm đo kế tiếp

Trung tâm điều khiển của tuyến sẽ cung cấp thông tin về vị trí và vận tốc của đoàn tàu phía trước cũng như tốc độ giới hạn của đoạn tuyến phía trước để hệ thống máy tính trên đoàn tàu tự tính đường đặc tính tốc độ

Trong luận văn chỉ xét đến 1 đoàn tàu là 1 toa tàu với động cơ kéo nhằm phù hợp với thời gian và khối lượng hiện của 1 luận án Tuy nhiên trong thực tế đoàn tàu

là nhiều toa tàu với các động cơ độc lập được điều khiển sao cho tổng mô men đạt được giá trị mong muốn với vận tốc là đồng bộ giữa các động cơ và phù hợp giá trị vận tốc mong muốn

Mô phỏng hệ thống để kiểm tra đáp ứng hệ thống về vận tốc và mô men 1.8 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu:Nghiên cứu phương pháp hoạt động của cá hệ thống

điều khiển đoàn tàu dùng trong đường sắt cao tốc, metro cũng như động lực học của đoàn tàu để xác định lực tác động lên hệ thống Tham khảo các đề tài/báo cáo khoa học về điều khiển đoàn tàu cũng như hệ thống động cơ điện đoàn tàu.Từ đó xây dựng

mô hình động học cũng như bộ điều khiển Ứng dụng phần mềm Matlab để mô phỏng

1.9 Tóm tắt các nội dung thực hiện của luận văn:

1 Chương 1: Tổng quan về các vấn đề liên quan đến đoàn tàu, lựa chọn phương

án cho một số nội dung, tình hình nghiên cứu, phạm vi thực hiện

2 Chương 2: Giới thiệu về đường đặc tính tốc độ của đoàn tàu trong các chế độ

di chuyển khác nhau như tăng tốc, tận dụng quán tính, giảm tốc Tuy nhiên luận văn

sẽ tập trung điều khiển đoàn tàu trong giai đoạn giảm tốc, lý do lựa chọn sẽ được giải thích cụ thể trong chương 2

3 Chương 3: Tính toán động học của đoàn tàu, từ đó tính ra mô men điện từ mong muốn của đoàn tàu tại mỗi thời điểm theo đường đặc tính tốc độ của đoàn tàu trong giai đoạn giảm tốc

4 Chương 4: Dùng phương pháp I.F.O.C điều khiển động cơ đoàn tàu theo mô men điện từ mong muốn để đạt được mô men kéo và vận tốc đoàn tàu theo mong muốn

5 Chương 5: Mô phỏng điều khiển động cơ điện với các giá trị vận tốc và tải (mô men) mong muốn khác nhau

CHƯƠNG 2: ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH TỐC ĐỘ (SPEED PROFILE)

Để có cơ sở tính toán lực cản thì có 1 vấn đề cần giải quyết là đường đặc tính tốc độ

Theo tài liệu Algorithms for generating train speed profiles [25] và Train trajectory optimisation of ATO systems for metro lines” [34] thì có thể có 4 chế độ (mode) cho việc vận hành đoàn tàu trên 1 tuyến bất kỳ bao gồm: tăng tốc (motoring mode [25] /powering mode [34]), chế độ vận tốc không đổi (cruising mode [34]), chế

độ tận dụng quán tính (coasting mode), chế độ giảm tốc (braking mode)

Hình 2.1: Bốn chế độ đặc tính di chuyển của đoàn tàu [34]

Tùy theo khoảng cách của nhà ga, khoảng cách và tốc độ với đoàn tàu phía trước, tốc độ giới hạn, thời gian giãn cách của tuyến mà đường đặc tính tốc độ giữa

2 nhà ga hoặc giữa điểm đầu và cuối của tuyến có thể có nhiều hơn 1 đoạn với 1 trong

4 chế độ vừa nêu

Hệ thống so sánh thời gian đã chạy và thời gian chạy mục tiêu Nếu thời gian chênh lệch là dương (đoàn tàu chạy nhanh hơn dự kiến), nó chuyển từ chế độ tăng tốc sang chế độ chạy tận dụng quán tính để có thể đúng giờ và tiết kiệm năng lượng [14]

Trình tự điều khiền căn bản cho việc tận dụng quán tính va vận hành hiệu quả

là như sau: Trong chế độ vận hành thời gian di chuyển ngắn nhất, thời gian để di chuyển đến nhà ga kế tiếp bằng chạy tận dụng quán tính từ một điểm được định nghĩa

là Tex Hệ thống có dữ liệu về Tex bằng cách mô phỏng trước

Hệ thống đếm thời gian rời ga, Tsx Nó so sánh tổng thời gian Tsx và Tex với thời gian dự kiến Tt Tại thời điểm mà tổng thời gian Tsx và Tex tương đương Tt, đoàn tàu bắt đầu chuyển sang chế độ chạy tận dụng quán tính

Trong trường hợp lái tàu điền khiển bằng tay: hệ thống máy tính trên đoàn tàu

tự động giảm tốc độ và khởi động vận hành chạy tận dụng quán tính khi điều kiện tổng Tex, Tsx bằng Tt

Hình 2.2: Minh họa đường đặc tính tốc độ dạng đơn giản [44]

Hình 2.3: Minh họa đường đặc tính tốc độ thực tế với các thông số thực tế của tuyến

[44]

Tuy nhiên luận văn sẽ chỉ tập trung nghiên cứu điều khiển cho giai đoạn giảm tốc với các lợi ích như sau: tránh lật tàu do chạy quá tốc độ khi vào các đoạn cong của tuyến, tránh va chạm với đoàn tàu phía trước cũng như có thể dừng với độ sai số cho phép khi vào ga

Một số dạng đường đặc tính tốc độ trong giai đoạn giảm tốc theo Development and running test of the ATO (Automatic train operation) for Korean Standard EMU

Hình 2.4: Một số dạng đường đặc tính tốc độ giai đoạn giảm tốc theo [44]

Hình 2.5: Đường đặc tính tốc độ được đề xuất bởi Hitachi Theo Development and running test of the ATO (Automatic train operation) for Korean Standard EMU và Hitachi thì đường đặc tính tốc độ có thể là hàm dạng step hoặc kết hợp giữa hàm step và hàm bậc 2

Như đã nêu bên trên, đường đặc tính tốc độ có thể là dạng hàm step, hàm bậc 2

Với đường cong đặc tính tốc độ là là đường cong dạng bậc 2 trở lên có thể dùng

phương pháp sai số bình quân tối thiểu để tuyến tính hóa cho từng đoạn Nếu chia

đường cong ra thành càng nhiều đoạn và vùng sai số cho phép càng nhỏ thì sai số sẽ

không đáng kể và có thể xem như bằng không Đối với các đoạn mà đường đặc tính

tốc độ là dạng step thì ta không cần thực hiện nội suy Đối với hàm step khi mô phỏng

bằng Matlab chỉ cần đưa tín hiệu điều khiển vào là hằng số hoặc stair, do đó luận văn

sẽ chủ yếu xem xét nội suy vận tốc hàm bậc 2

Theo tài liệu The development of train separation control technology for train

control system [16] thì đường đặc tính tốc độ cho đoạn giảm tốc có thể tính như sau:

spv

a

v S

1

2

2

1

(2.1) Trong đó:

a spv: giá trị giảm tốc

venter: giá trị vận tốc khi bắt đầu vào đoạn giảm tốc

Hình 2.6: Đường đặc tính tốc độ có dạng đường cong [16]

Tuy nhiên công thức (3.19) dung để tính quãng đường cần thắng theo vận tốc,

nhưng trong luận văn vấn đề cần quan tâm là vận tốc Do đó công thức phải viết lại

là:

r spv enter

enter r

Khi áp dụng công thức nói trên để tính đường cong này trong thực tế, rất khó

để có thể tính vận tốc đoàn tàu trong miền liên tục – với giả thuyết giá trị gia tốc cho trước (mỗi nhà sản xuất qua kiểm tra thực tế mà chọn giá trị này khác nhau), mà phải chia thành từng đoạn để nội suy Theo thiết kế tuyến metro số 5 – giai đoạn 1 (thành phố Hồ Chí Minh, Bảy Hiền – Cầu Sài Gòn) giá trị này cực đại là 1,1m/s2 Do đó luận văn đề xuất phương pháp xấp xỉ hóa đường cong này thành nhiều hàm dốc (ramp),

số lượng đoạn dốc tùy thuộc vào sự lựa chọn của được chia đủ nhỏ sao cho vẫn đảm bảo giá trị sai số vận tốc trong khoảng mong muốn Tuy nhiên các đường dốc này bắt buộc phải đi qua điểm đầu và điểm cuối xác định trước – tương ứng với điểm đầu và điểm cuối của đường đặc tính tốc độ trước

Hình 2.7: Minh họa tuyến tính hóa đường đặc tính tốc độ cho trước có dạng hàm

bậc 2 thành các đoạn tuyến tính Qua tham khảo có các phương pháp như giải thuật Ramer–Douglas–Peucker, Matlab cũng cung cấp 1 số phương pháp như nearest neighbor, linear, cubic và spline Tuy nhiên luận văn sẽ không đi sâu vào tối ưu hóa tuyến tính hóa đường cong đặc tính tốc độ

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 3.1 Tóm tắt quy trình mô hình hóa hệ thống cho luận văn:

Trong phần này chỉ tóm tắt các vấn đề chính về mô hình hóa của luận văn, các nội dung sẽ được nêu cụ thể trong chương

Tóm tắt: Để giải được bài toán này ta thực hiện các bước như sau: áp dụng định luật 2 Newton tính đầu vào của bài toán là lực kéo mong muốn, trên cơ sở đó tính ra được mô men mong muốn của động cơ Sau khi có được mô men mong muốn ta tính toán dòng điện tham chiếu, từ đó đo lường và điều khiển dòng điện cấp cho động cơ để đạt được mô men và vận tốc mong muốn

Bước 1: Giả sử đường cong vận tốc (speed profile) của đoàn tàu là biết trước

tại mọi thời điểm, đường này có thể có thể có dạng bước (step) hoặc đường cong … Từ đó ta xác định được như vận tốc cũng như gia tốc mong muốn (reference) của đoàn tàu (động cơ) tại mọi vị trí, thời điểm

Tốc độ thực tế của đoàn tàu trong luận văn được đo bằng encoder, mặc dù trong thực tế có nhiều phương pháp khác được áp dụng

Dùng encoder với giải thuật phù hợp ta có thể xác định được tốc độ thực tế cũng như gia tốc thực tế của đoàn tàu qua các thời điểm khác nhau Với tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế ta cũng có thể tính ra các thông số như sai số vận tốc, sai số

gia tốc.Bước 2: Sau khi có được gia tốc mong muốn, ta áp dụng định luật 2 Newton

để tính được hợp lực và các thành phần lực của hệ,

Trong đó các thành phần tương ứng lần lượt là hợp lực của hệ, khối lượng tương đương của đoàn tàuvà gia tốc Hợp lực của hệ tùy trường hợp mà có thể bao gồm lực kéo, lực thắng, lực cản,Trong giới hạn phạm vi thực hiện của luận văn không xét đến lực thắng đoàn tàu

Lực cản được tính bằng cách nhân lực ma sát với hệ số ma sát giữa ray và bánh xe của đoàn tàu Trong luận văn này lực ma sát và hệ số ma sát là một hàm có biến số là tốc độ

Luận văn cũng không xét đến hiện tượng trượt giữa bánh xe của đoàn tàu và đường ray với các lý do như sau:

- Hiện tượng trượt trong thực tế bị ảnh hưởng một phần bởi chất lượng ray

và điều kiện thời tiết như mưa…

- Theo tài liệu Sensor Fusion to Railway System, để xác định tốc độ thực tế của đoàn tàu và hiện tượng trượt có xảy ra hay không cần áp dụng nhiều loại cảm biến khác nhau để đo vì mỗi loại cảm biến sẽ có những trường hợp đo không chính xác riêng biệt

- Trong thực tế nếu hệ thống thắng được điều khiển không tốt cũng gây ra hiện tượng trượt

 Tuy nhiên thời gian thực hiện luận văn là có hạn để thực hiện các vấn đề trên và mô phỏng 1 cách chính xác nên người viết không xét đến

Bước 3: Dùng phương pháp điều khiển IFOC để điều khiển vận tốc và mô men động cơ

Xác định các thông số động cơ: Để có thể sử dụng phương pháp I.F.O.C ta

cần biết các thông số động cơ như R và L của động cơ, dùng 2 thí nghiệm là không tải và khóa rotor động cơ ta có thể xác định các giá trị L và R của động cơ Phần này

chỉ giới thiệu phương pháp thực hiện mà không nêu chi tiết do luận văn không thực nghiệm

Hình 3.1: Giải thuật tổng quát của luận văn Với các chế độ hoạt động khác nhau ta có mối liên hệ giữa các lực như sau:

+ Chế độ tăng tốc: FT-FR-FB>0, trong đó FT>0, FR>0 và FB=0 (theo định luật

2 Newton), với FT-FB=ma;

+ Chế độ giảm tốc: FT-FR-FB>0, trong đó FT≥0, FR>0 và FB>0 (theo định luật

2 Newton)

+ Chế độ vận tốc không đổi: (FT-FR-FB)=0, với FB>0

Bảng 3.1: Các trạng thái vận hành dựa trên hợp lực và vận tốc của đoàn tàu

3.2 Mô hình hóa hệ thống:

3.2.1 Xây dựng mô hình chuyển động đoàn tàu:

Hình 3.2: Giản đồ Lực – Khối lượng của đoàn tàu di chuyển (tài liệu [25]) Chuyển động của đoàn tàu dọc tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm lực kéo, lực cản đoàn tàu (train resistance), lực thắng và khối lượng tương đương.Lực cản đoàn tàu sinh ra do đặc tính đoàn tàu và hình học tuyến

Phương trình động lực học tổng quát của đoàn tàu:

đt e R B

- m e: khối lượng tương đương đoàn tàu bằng tổng khối lượng không tải đoàn

tàu và tổng khối lượng hành khách (kg) Giá trị m e xem như biết trước nhờ

trung tâm điều khiển cung cấp cho đoàn tàu

- a đt: gia tốc đoàn tàu (m/s2) Thành phần gia tốc – a đt với giải thuật phù hợp

ta có thể nội suy được từ đường đặc tính tốc độ

- ∑F T , F R , F B: tuần tự là lực kéo, lực cản đoàn tàu, lực thắng đoàn tàu (N)

Sau đây để thuận tiện sẽ ký hiệu là F R Giá trị lực cản ta có thể tính với phương pháp như sau: lập 1 bảng với các thông số của tuyến, với đường đặc tính tốc độ ta có thể tính được giá trị lực cản tại mọi điểm tương ứng với các khoản thời gian

 Phương trình (3.2) ta xem như lực thắng F B bằng 0 do trong phạm vi luận văn không thiết kế và xét đến hệ thống thắng, do đó phương trình chỉ còn 1 ẩn duy

nhất là biến F T

Phương trình (3.2) được viết lại thành:

đt e R

T F m a

Xem như toàn bộ khối lượng đoàn tàu được di chuyển thông qua sự quay bánh

xe của đoàn tàu Bán kính của bánh xe của đoàn tàu là r Hệ số ma sát giữa bánh xe

và đoàn tàu là µwheel-ray Hiện tượng trượt giữa bánh xe và ray được bỏ qua – theo lý giải tại mục 3.1 Do đó xem như chỉ đơn thuần là hiện tượng xoay

Do đoàn tàu được trang bị hộp giảm tốc và hộp giảm tốc này chỉ có một cấp tốc

độ duy nhất – tham khảo thiết kế tuyến metro số 1 thành phố Hồ Chí Minh Biết được

tỉ số truyền của hộp giảm tốc, mô men và tốc độ quay của bánh xe của đoàn tàu tỷ lệ với mô men và tốc độ quay động cơ theo một hệ số xác định

Hình 3.3: Mô hình hóa tổng quát của luận văn

Để giải phương trình (3.2), ta cần tính lực kéo F T mà lực kéo F T được sinh ra bởi mô men điện từ của đoàn tàu Ứng dụng công thức liên hệ về công ta tính ra được

mối liên hệ giữa lực kéo F T và mô men cần thiết như sau:

r F

v F

.

eref

u

r F

Từ (3.7), công thức (3.3) có thể viết thành:

đt e R bx

brnghieng eref

a m F r

u

.)

,

) , ( ,

) ( ,

,

) ( ) , (

) , , , (

) , (

) (

q d c

b

a

dref qref qref

dref

eref dref

qref

đt R eref

eref R

T mm

g đt ray wheel R

đt

đc đt

V V f V

V

V

i i f V

V

f i

i

a F f

f F F f

M

R r v f

F

s v