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

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Để đảm bảo an toàn, tiện nghi và hiệu quả năng lượng cho hệ thống đường sắt, đặc biệt là đường sắt đô thị, cần tập trung vào hai vấn đề chính: hệ thống sức kéo và hệ thống thắng của đoàn tàu Bài toán động lực học và điều khiển sức kéo, thắng là lĩnh vực được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, nhưng tại Việt Nam, vấn đề này vẫn chưa được khai thác nhiều.

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 hệ thống sức kéo và thắng Việc điều khiển động cơ và thắng trên đoàn tàu nhằm đạt được vận tốc và lực kéo mong muốn, với các đầu ra này thay đổi theo thời gian, là ứng dụng phổ biến trong ngành đường sắt.

Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu điều khiển động cơ trên đoàn tàu nhằm tiết kiệm năng lượng và tránh va chạm Hệ thống động cơ được điều khiển tối ưu trong các tình huống như xuống dốc hoặc vào ga, với việc cung cấp năng lượng tối thiểu và hạn chế sử dụng hệ thống thắng Các đoàn tàu thế hệ mới hiện nay được trang bị hệ thống máy tính để tối ưu hóa thời gian chạy, năng lượng tiêu thụ và độ chính xác khi dừng tại ga Xu hướng hiện tại là phát triển đoàn tàu không người lái, với hệ thống máy tính kiểm soát hoàn toàn sức kéo và thắng trên các tuyến như Dubai, Anh và Madrid.

Trong luận văn này, hệ thống thắng sẽ được giới thiệu một cách sơ lược mà không đi sâu vào tính toán cụ thể Việc mô hình hóa và xây dựng hệ thống với các thông số đầu vào để điều khiển động cơ đoàn tàu đạt vận tốc đầu ra mong muốn và mô men xoắn phù hợp vẫn chưa được nghiên cứu tại Việt Nam Nguyên nhân chính là do hiện tại chưa có hệ thống đường sắt nào sử dụng sức kéo bằng động cơ điện đi vào hoạt động.

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, quản lý khoảng cách và tốc độ giữa các đoàn tàu được thực hiện thông qua phương pháp "khối di động" Hệ thống này sử dụng các thiết bị chuyên dụng để phát hiện vị trí của đoàn tàu và truyền thông tin về trung tâm điều khiển Từ đó, trung tâm điều khiển tính toán khoảng cách an toàn với đoàn tàu phía trước và gửi thông tin đến đoàn tàu Dựa vào khoảng cách an toàn, hệ thống máy tính trên tàu tự động thiết lập đường đặc tính tốc độ phù hợp, đảm bảo không xảy ra va chạm khi đoàn tàu phía trước dừng lại Ngoài ra, trên những đoạn tuyến có tốc độ bị giới hạn do bán kính cong hoặc đoạn dốc, hệ thống cũng điều chỉnh tốc độ để tránh tai nạn Vận tốc của đoàn tàu tại mọi điểm trên tuyến được xác định trước, đảm bảo an toàn cho hành trình.

1.3.2 Hệ thống đo tốc độ của đoàn tàu

Tachometer/encoder là thiết bị gắn trên trục động cơ, giúp xác định vị trí và tính toán tốc độ của đoàn tàu thông qua việc đếm xung phát ra khi bánh xe quay Ưu điểm của nó là giá thành thấp và thời gian đáp ứng nhanh Tuy nhiên, thiết bị này dễ bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn điện tử và gặp sai số do hiện tượng trượt giữa bánh và đường ray khi khởi động hoặc phanh Để khắc phục những nhược điểm này, có thể áp dụng một số phương án như sử dụng biên độ an toàn khoảng cách, bộ đếm trục, hoặc thường xuyên reset vị trí đoàn tàu bằng transponder.

Hệ thống sử dụng hiệu ứng Doppler để xác định tốc độ bằng cách phân tích sự thay đổi tần số giữa sóng phát ra và sóng phản hồi.

Vận tốc tương đối của người quan sát (v r) so với môi trường có giá trị dương khi tiến lại gần nguồn âm, trong khi vận tốc tương đối của nguồn âm (v s) cũng có giá trị dương khi nguồn dịch chuyển ra xa người quan sát Tần số sóng âm phát ra được ký hiệu là (f o) và đo bằng Hertz (Hz).

Hệ thống radar Doppler thường được kết hợp với encoder và được lắp đặt dưới gầm tàu Khi áp dụng thuật toán phù hợp, hai hệ thống này có khả năng triệt tiêu sai số lẫn nhau một cách hiệu quả.

Mạch điện đường ray có khoảng cách giữa các mạch ray thường là 200m, tùy thuộc vào khoảng cách cần thiết để thắng Tuy nhiên, phương án này có nhược điểm là yêu cầu bảo trì thường xuyên và độ chính xác thấp Để cải thiện độ chính xác của hệ thống, có thể cần tăng chi phí đầu tư ban đầu.

Hệ dẫn đường quán tính (INS - Inertial Navigation System) là công nghệ sử dụng để đo lường gia tốc, tốc độ và độ nghiêng của đoàn tàu so với ray Hệ thống này chủ yếu bao gồm hai thành phần chính là con quay hồi chuyển và gia tốc kế (accelerometer).

Gia tốc kế là thiết bị dùng để đo gia tốc của đoàn tàu theo nhiều chiều khác nhau Khi biết chính xác tốc độ ban đầu của đoàn tàu, chúng ta có thể suy ra dữ liệu về vận tốc và vị trí của nó.

Con quay hồi chuyển là thiết bị dùng để đo góc quay của đoàn tàu, rất hữu ích trong các đoạn cua Một số đoàn tàu thế hệ mới được thiết kế với khả năng tự động nghiêng khi vào các khúc cua, giúp tăng cường an toàn và thoải mái cho hành khách.

Một số hãng như Honeywell, Xsens và NovaTel đã phát triển các bộ INS cho đoàn tàu, đồng thời công nghệ này cũng được trang bị trên tàu Maglev của hãng Shenzhen Rion.

Hệ thống INS có nhược điểm là sai số ban đầu, sai số tính toán trọng lực, sai số của con quay hồi chuyển và sai số hệ thống hồi tiếp, tất cả đều ảnh hưởng đến độ chính xác của nó Tuy nhiên, ưu điểm của INS là hoạt động chủ động mà không phụ thuộc vào sự quay của bánh xe như tachometer và không bị ảnh hưởng trong các đoạn hầm như GPS.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS trên đoàn tàu là sử dụng bộ thu tín hiệu GPS để nhận tín hiệu từ các vệ tinh, giúp xác định vị trí với độ chính xác từ 1m đến 5m và thời gian lấy mẫu là 1 giây Hệ thống này thường được áp dụng trong hệ thống PTC của Mỹ, mang lại ưu điểm chi phí thấp Tuy nhiên, nó không phù hợp cho các vị trí như 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])

Luận văn sẽ sử dụng cảm biến encoder để xác định vị trí và vận tốc của đoàn tàu, vì loại cảm biến này phù hợp cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm và dễ dàng áp dụng các thuật toán Việc sử dụng các cảm biến như Doppler hay INS sẽ không cho phép 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]

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, có ba phương pháp điều khiển chính cho động cơ điện: điều khiển vô hướng (scalar control - điều khiển V/f), điều khiển vectơ (điều khiển mô men gián tiếp - Indirect Torque Control) và điều khiển mô men trực tiếp (Direct Torque Control - DTC).

Trong kỹ thuật điều khiển PWM, nguồn cung cấp cho động cơ được điều chỉnh bằng tín hiệu tần số biến đổi từ biến tần, với tỷ lệ V/f giữ hằng số để duy trì mô men không đổi Phương pháp này, còn gọi là "điều khiển vô hướng", chỉ điều khiển biên độ của tần số và điện áp, thường không yêu cầu thiết bị hồi tiếp, do đó tiết kiệm chi phí và dễ lắp đặt Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là tải và mô men hoạt động độc lập, và đáp ứng trong giai đoạn chuyển tiếp chậm do linh kiện điện tử công suất của biến tần đã được xác định trước.

1.4.1.2 PWM dạng sin (PWM Sinusoidal)

Theo Giáo trình Điện tử công suất 1, nguyên lý thực hiện dựa vào kỹ thuật analog, trong đó giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu được xây dựng 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 được hình dung dưới dạng tam giác, với tần số sóng mang càng cao thì lượng sóng hài bị khử nhiễu càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao có thể gây ra tổn hao do quá trình đóng ngắt các công tắc Cần lưu ý đến thời gian đóng và ngắt của các linh kiện Sóng điều khiển chứa 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:

Bộ biến tần VFD có 6 trạng thái đóng ngắt riêng biệt, cho phép động cơ 3 pha cảm ứng quay khi thực hiện theo quy luật nhất định Ưu điểm của hệ thống này là không cần tính toán trung gian, giúp dễ dàng thực hiện Tuy nhiên, nhược điểm là mức sóng hài bậc thấp cao hơn, không thể lọc bằng điện cảm của động cơ, dẫn đến tổn thất động cơ tăng, độ nhấp nhô của mô men cao và động cơ có thể 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 khai thác khả năng công suất của bộ nghịch lưu mang lại lợi ích kinh tế đáng kể Điều này đã tạo ra nhu cầu về việc điều khiển điện áp mở rộng với chỉ số điều chế m=1 Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là phải sử dụng bảng tra để xác định góc làm việc của vector trung bình, dẫn đến tính chất điều khiển phi tuyến và chưa tối ưu hóa sóng hài, gây méo dạng sóng.

Điều khiển dựa trên từ thông, hay còn gọi là điều khiển mô men gián tiếp, sử dụng phương pháp biến đổi Clarke-Park để chuyển đổi các véc tơ dòng ba pha từ khung tham chiếu.

Trong hệ thống điều khiển động cơ ba pha, khung tham chiếu quay (d-q) 2 pha được sử dụng để tách biệt hai thành phần quan trọng: thành phần “d” tạo ra từ trường bởi dòng stator và thành phần “q” tạo ra mô men Hai thành phần này có thể được điều khiển độc lập thông qua hai bộ điều khiển PI riêng biệt Đầu ra của các bộ điều khiển PI sau đó được biến đổi về khung điện áp quay, 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 thực hiện thông qua việc điều khiển các loại vec tơ không gian từ thông móc vòng, bao gồm từ thông móc vòng stator, rotor và từ thông móc vòng từ hóa Có ba phương án tổng quát để thực hiện quá trình này.

 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 trong việc sử dụng điều khiển theo trường là việc đo hoặc ước tính góc từ thông Dựa vào phương pháp xác định góc và vị trí từ thông, điều khiển vector được phân thành hai loại: điều khiển véc tơ trực tiếp và gián tiếp.

Trong điều khiển trực tiếp, việc đo từ thông thường được thực hiện thông qua cuộn dây cảm biến từ trường hoặc cảm biến hiệu ứng Hall Tuy nhiên, phương pháp này gia tăng chi phí và không đảm bảo độ chính xác cao, do đó không được coi là một kỹ thuật điều khiển hiệu quả.

Một phương pháp điều khiển phổ biến là điều khiển véc tơ gián tiếp, trong đó góc từ thông không được đo trực tiếp mà được tính toán từ mạch tương đương và từ các thông số như tốc độ rotor, dòng và điện áp stator Mặc dù phương pháp này yêu cầu nhiều tính toán hơn so với các sơ đồ điều khiển tiêu chuẩn khác, nhưng nó mang lại nhiều ưu điểm đáng kể.

Động cơ có khả năng cung cấp mô men cao ở vận tốc thấp, đặc biệt phù hợp cho ứng dụng trong ngành đường sắt Điều này rất quan trọng trong giai đoạn khởi động và khi đoàn tàu rời khỏi điểm đầu tuyến hoặc 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, mặc dù không đo từ trường trực tiếp, nhưng nhờ vào thuật toán và tính toán phù hợp, kết quả đầu ra vẫn tương đương 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, yêu cầu đo vị trí rotor và dòng stator, và có thể thực hiện tốt trong mọi dãy tốc độ Phương pháp điều khiển VFD hiệu quả nhất hiện nay là dựa trên từ thông gián tiếp theo quan hệ độ trượt Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là cần thông tin về vị trí rotor từ cảm biến gắn trên trục động cơ Để khắc phục, một phương pháp không dùng cảm biến đang được nghiên cứu, sử dụng các thuật toán để tính toán tốc độ và góc từ thông, nhưng điều này đòi hỏi thuật toán phức tạp và bộ vi xử lý có khả năng tính toán theo thời gian thực.

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

Trong phương pháp này có thể tạo ra từ thông và mô men thích hợp bằng cách xác định trạng thái đóng ngắt phù hợp của biến tần

Một số đặc tính chính như sau:

+ Điều khiển trực tiếp từ thông và mô men

+ Điều khiển gián tiếp dòng và áp stator

Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Vì lý do bảo mật công nghệ, Hitachi chỉ cung cấp mô tả ngắn gọn về phương pháp VVVF trong thiết kế cho Ban Quản lý đường sắt đô thị, dẫn đến việc không thể đưa vào hình ảnh và công thức cụ thể trong luận văn Phương pháp điều khiển động cơ hiện tại của Hitachi cho tuyến metro số 1 tại TP.HCM sử dụng dòng điện mong muốn idref và iqref, tương đương với phương pháp I.F.O.C, để biến đổi và cung cấp giá trị điện áp tham khảo cho động cơ Hitachi áp dụng phương pháp PWM (không tiết lộ kỹ thuật cụ thể), trong khi luận văn đề xuất sử dụng phương pháp SVPWM Cả thiết kế của Hitachi và luận văn đều chỉ đo hai dòng hồi tiếp và sử dụng điện trở shunt, cho thấy phương pháp luận văn là khả thi về mặt kỹ thuật so với thiết kế của Hitachi.

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 này áp dụng công thức tính toán lực cản của đoàn tàu dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm từ Railway Traction của Jose A Lozano và các đồng tác giả.

Bài báo khoa học "Algorithms for generating train speed profiles" của Jyh-Cherng Jong và Sloan Chang đã phân tích các lực tác động lên đoàn tàu, chế độ động lực và truyền động của nó Từ các thông số đầu vào, bài báo đưa ra các giải thuật tính toán biên dạng vận tốc cho đoàn tàu, giúp tối ưu hóa chế độ hoạt động của nó.

Hitachi đã giới thiệu và triển khai công nghệ VVVF (Điều biến điện áp/Điều biến tần số) vào hệ thống truyền động điện cho tàu điện ngầm, theo bằng sáng chế số US005248926 năm 1993.

Báo cáo khoa học [33] trình bày một phương pháp mới để điều khiển các động cơ điện trong tàu điện, sử dụng mô hình điều khiển vận tốc và mô men động cơ thông qua việc thay đổi tỉ lệ v/f (volt/tần số) Phương pháp này áp dụng một bộ bù áp để điều chỉnh điện thế cấp khi hoạt động ở tần số thấp hơn nhiều so với tần số định mức Đồng thời, một bộ ước lượng trạng thái cho tần số điện áp cấp cho động cơ đã được triển khai Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy đầu ra của hệ thống đạt được giá trị vận tốc và mô men mong muốn với độ chính xác chấp nhận được khi động cơ hoạt động ở trạng thái ổn định.

Báo cáo khoa học "Train trajectory optimisation of ATO systems for metro lines" trình bày thuật toán Enhanced Brute Force để lựa chọn chế độ động lực tối ưu cho đoàn tàu, chú ý đến Giới hạn Quyền di chuyển mà đoàn tàu không được phép vượt qua Mặc dù báo cáo cung cấp cái nhìn tổng quát về động học của đoàn tàu, mục tiêu chính vẫn là tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ của đoàn tàu, tuy nhiên không xem xét chế độ cruising, là chế độ tiêu hao năng lượng sau giai đoạn khởi động.

Nhiều hệ điều khiển cho đoàn tàu đã được đề xuất, trong đó có bộ điều khiển fuzzy được trình bày trong bài viết “A Fuzzy Control for Train Automatic Stop Control” Bộ điều khiển này dựa trên các yếu tố đầu vào như sự êm dịu của hành khách, khả năng dừng chính xác tại điểm mong muốn và đảm bảo thời gian chạy tàu hợp lý Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chỉ tập trung vào việc điều khiển vận tốc của đoàn tàu mà chưa xem xét mối liên hệ giữa vận tốc và mô men của động cơ.

The thesis employs several calculation formulas for the Indirect Field Oriented Control (IFOC) system, as outlined in the AN2388 application note, which focuses on sensor-based control of three-phase AC induction motors using the ST10F276 microcontroller Key methodologies include the Clarke transformation, Park transformation, inverse Park transformation, and rotor flux estimation techniques.

The thesis employs specific formulas to calculate voltage in the rotating reference frame on the d-q axis (Vd, Vq) and analyzes the switching time of SVPWM, as referenced in document [41] This study focuses on the simulation and analysis of Indirect Field Oriented Control (IFOC) for three-phase induction motors utilizing various PWM techniques.

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Ngành đường sắt quốc gia Việt Nam hiện nay chủ yếu sử dụng hệ thống diesel với động cơ hoàn toàn nhập khẩu, và hệ thống điều khiển còn thô sơ Việc điều khiển tàu chủ yếu dựa vào đèn báo của người điều khiển, trong khi một số vị trí quan trọng sử dụng mạch điện đường ray và gần đây đã có một số đoạn được nâng cấp lên bộ đếm trục Do đó, nghiên cứu về hệ thống điều khiển đoàn tàu tự động và bán tự động với động cơ điện vẫn chưa được triển khai.

Gần đây, Chính phủ đã đầu tư vào một số tuyến đường sắt đô thị sử dụng hệ thống điều khiển đoàn tàu bán tự động và không người lái Tuy nhiên, các thiết kế chỉ cung cấp mô tả ngắn gọn về công nghệ và yêu cầu thông số của hệ thống, mà không đề cập đến máy tính trên tàu và các bộ điều khiển tại trung tâm điều khiển (OCC), do vấn đề bí quyết công nghệ và bản quyền.

Nghiên cứu về động cơ điện 3 pha và các bộ điều khiển đã được thực hiện khá đầy đủ, như được trình bày trong giáo trình "Điều khiển máy điện ứng dụng tính toán mềm" của Hồ Phạm Huy Ánh, bao gồm các mô hình mô hình hóa động cơ không đồng bộ và điều khiển lai Fuzzy – PI Tuy nhiên, hiện tại chưa có giải pháp cho việc điều khiển động cơ điện 3 pha trong hệ thống sức kéo đường sắt với lực kéo phù hợp và khả năng tự động cập nhật theo thời gian thực.

Hiện tại, nghiên cứu về hệ thống động cơ ba pha không đồng bộ đã được thực hiện, tuy nhiên, ứng dụng của nó vào hệ thống đường sắt vẫn chưa được phát triển tại Việt Nam.

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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu điều khiển chuyển động của đoàn tàu thông qua máy tính trên tàu, với đầu vào là khối lượng đoàn tàu và các thông số tuyến như khoảng cách tới nhà ga gần nhất, giới hạn vận tốc và độ dốc Đầu ra bao gồm lực kéo và vận tốc di chuyển của đoàn tàu, đảm bảo sai số trong giới hạn cho phép Hệ thống động lực của đoàn tàu sẽ được mô hình hóa, cùng với các lực tác động và sinh ra Luận văn cũng sẽ thực hiện lựa chọn và thiết kế bộ nghịch lưu phù hợp, đồng thời thiết lập bộ điều khiển cho động cơ điện 3 pha và hệ thống nghịch lưu.

1.7.2 Giới hạn phạm vi thực hiện đề tài

Luận văn tập trung vào việc điều khiển tốc độ và mô men của động cơ để theo sát đường đặc tính giới hạn tốc độ, bao gồm các dạng step, ramp và hàm bậc 2, đồng thời quản lý quyền di chuyển cho các đoạn có tốc độ hằng số và đoạn giảm tốc Phương pháp thực hiện bao gồm việc tạo tín hiệu ngẫu nhiên từ máy tính hoặc nhập thủ công Trong phần xây dựng mô hình lý thuyết, nghiên cứu chỉ đề cập đến việc sử dụng thắng dĩa để kiểm soát tốc độ và vị trí của đoàn tàu mà không tiến hành 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

Vì hạn chế về kinh phí và thời gian, việc chế tạo đoàn tàu và đường ray thu nhỏ không khả thi, dẫn đến việc không thể thực hiện mô hình thực nghiệm để kiểm chứng thực tế.

Trong luận văn, khối lượng đoàn tàu được coi là đã biết trước, nhờ vào việc trung tâm điều khiển đo và truyền thông tin về đoàn tàu Ngoài ra, trung tâm còn sử dụng các thông số khối lượng để tính toán cân bằng động học của đoàn tàu Khối lượng này sẽ không thay đổi (sau khi đã đo) cho đến khi có cập nhật giá trị đo tại nhà ga hoặc điểm đo tiếp theo.

Trung tâm điều khiển sẽ cung cấp thông tin về vị trí và vận tốc của đoàn tàu phía trước, cùng với tốc độ giới hạn của đoạn tuyến, giúp hệ thống máy tính trên tàu tự động tính toán đường đặc tính tốc độ.

Trong luận văn, chỉ xem xét một toa tàu với động cơ kéo để phù hợp với thời gian và khối lượng của luận án Tuy nhiên, trong thực tế, đoàn tàu bao gồm nhiều toa với các động cơ độc lập, được điều khiển để tổng mô men đạt giá trị mong muốn, đồng thời đảm bảo vận tốc đồng bộ giữa các động cơ và phù hợp với giá trị vận tốc yêu cầu.

Mô phỏng hệ thống để kiểm tra đáp ứng hệ thống về vận tốc và mô men.

Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc phân tích hoạt động của các hệ thống điều khiển đoàn tàu trong đường sắt cao tốc và metro, cũng như động lực học của đoàn tàu để xác định lực tác động lên hệ thống Nghiên cứu sẽ tham khảo các đề tài và báo cáo khoa học liên quan đến điều khiển đoàn tàu và hệ thống động cơ điện Dựa trên những thông tin này, mô hình động học và bộ điều khiển sẽ được xây dựng, đồng thời ứng dụng phần mềm Matlab để thực hiện mô phỏng.

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.

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

According to the documents "Algorithms for Generating Train Speed Profiles" and "Train Trajectory Optimisation of ATO Systems for Metro Lines," there are four operational modes for train operations on any given line: the motoring mode (or powering mode), cruising mode, coasting mode, and braking mode.

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

Tốc độ di chuyển của tàu hỏa phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khoảng cách đến nhà ga, khoảng cách và tốc độ của đoàn tàu phía trước, giới hạn tốc độ và thời gian giãn cách của tuyến.

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

Hệ thống so sánh thời gian thực tế với thời gian mục tiêu, và khi phát hiện thời gian chênh lệch dương (tức là đoàn tàu chạy nhanh hơn dự kiến), nó sẽ chuyển từ chế độ tăng tốc sang chế độ chạy tận dụng quán tính Điều này giúp đoàn tàu duy trì đúng giờ và tiết kiệm năng lượng.

Để tận dụng quán tính và vận hành hiệu quả, quy trình điều khiển cơ bản được thực hiện theo trình tự: Trong chế độ vận hành với thời gian di chuyển ngắn nhất, thời gian di chuyển đến nhà ga tiếp theo được xác định bằng cách chạy tận dụng quán tính từ một điểm gọi là Tex Hệ thống có khả năng thu thập dữ liệu về Tex thông qua mô phỏng trước.

Hệ thống đếm thời gian rời ga, Tsx, so sánh tổng thời gian Tsx và Tex với thời gian dự kiến Tt Khi tổng thời gian Tsx và Tex đạt đến Tt, đoàn tàu sẽ chuyển sang chế độ chạy tận dụng quán tính.

Khi lái tàu bằng tay, hệ thống máy tính trên tàu sẽ tự động giảm tốc độ và khởi động vận hành để tận dụng quán tính, đặc biệt khi các điều kiện tổng Tex và 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

Luận văn này tập trung nghiên cứu điều khiển trong giai đoạn giảm tốc, nhằm mang lại nhiều lợi ích như: ngăn chặn tình trạng lật tàu do chạy quá tốc độ khi vào các đoạn cong, tránh va chạm với đoàn tàu phía trước, và đảm bảo dừng tàu 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

The development and testing of the Automatic Train Operation (ATO) system for the Korean Standard Electric Multiple Unit (EMU) and Hitachi indicate that the speed characteristic curve can be represented as either a step function or a combination of a step function and a quadratic function.

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

Đường cong đặc tính tốc độ là đường cong bậc 2 trở lên, có thể được tuyến tính hóa bằng phương pháp sai số bình quân tối thiểu cho từng đoạn Khi chia đường cong thành nhiều đoạn với vùng sai số cho phép nhỏ, sai số sẽ trở nên không đáng kể Đối với các đoạn có đường đặc tính tốc độ dạng step, không cần thực hiện nội suy Trong mô phỏng bằng Matlab, hàm step chỉ yêu cầu tín hiệu điều khiển dưới dạng hằng số hoặc stair, vì vậy luận văn sẽ tập trung vào việc 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:

 extent n  extent spv enter r spv a

(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]

Công thức (3.19) được sử dụng để tính quãng đường cần thắng dựa trên vận tốc, tuy nhiên trong luận văn, trọng tâm là vận tốc Do đó, công thức cần được điều chỉnh thành: r spv enter enter r spv v aS a.

Khi áp dụng công thức tính toán đường cong trong thực tế, việc xác định vận tốc đoàn tàu trong miền liên tục gặp nhiều khó khăn do giá trị gia tốc được chọn khác nhau giữa các nhà sản xuất Trong thiết kế tuyến metro số 5 – giai đoạn 1 tại thành phố Hồ Chí Minh, giá trị gia tốc cực đại là 1,1 m/s² Do đó, luận văn đề xuất phương pháp xấp xỉ hóa đường cong thành nhiều đoạn dốc, với số lượng đoạn phụ thuộc vào sự lựa chọn để đảm bảo sai số vận tốc trong khoảng mong muốn Các đoạn dốc này cần phải đi qua các điểm đầu và cuối đã được xác định trước, tương ứng với đặc tính tốc độ.

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

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến các phương pháp như giải thuật Ramer–Douglas–Peucker và các kỹ thuật trong Matlab, bao gồm nearest neighbor, linear, cubic và spline Tuy nhiên, luận văn sẽ không tập trung vào việc tối ưu hóa tuyến tính hóa đường cong đặc tính tốc độ.

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG

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

Để giải bài toán này, chúng ta thực hiện các bước sau: áp dụng định luật 2 Newton để tính lực kéo mong muốn, từ đó xác định mô men cần thiết của động cơ Sau khi có mô men mong muốn, chúng ta tính toán dòng điện tham chiếu và điều chỉnh dòng điện cung cấp cho động cơ nhằm đạt được mô men và vận tốc như yêu cầu.

Bước 1: Giả sử đường cong vận tốc của đoàn tàu được biết trước tại mọi thời điểm, với dạng có thể là bước hoặc đường cong Từ đó, ta có thể xác định vận tốc và gia tốc mong muốn của đoàn tàu tại từng vị trí và thời điểm cụ thể.

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

Sử dụng encoder cùng với giải thuật thích hợp, ta có thể xác định tốc độ và gia tốc thực tế của đoàn tàu tại các thời điểm khác nhau Từ tốc độ mong muốn và tốc độ thực tế, chúng ta có thể tính toán các thông số như sai số vận tốc và sai số gia tốc Sau khi xác định được gia tốc mong muốn, ta áp dụng định luật 2 Newton để tính toán hợp lực và các thành phần lực của hệ thống.

Hợp lực của hệ thống tàu bao gồm lực kéo, lực cản và phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể Trong bài viết này, khối lượng tương đương của đoàn tàu và gia tốc cũng được đề cập, tuy nhiên, lực thắng của đoàn tàu không được xem xét trong phạm vi nghiên cứu.

Lực cản của đoàn tàu được xác định bằng cách nhân lực ma sát với hệ số ma sát giữa ray và bánh xe Trong nghiên cứu này, lực ma sát và hệ số ma sát được coi là hàm phụ thuộc vào 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…

Để xác định tốc độ thực tế của đoàn tàu và hiện tượng trượt, tài liệu Sensor Fusion to Railway System chỉ ra rằng cần áp dụng nhiều loại cảm biến khác nhau Mỗi loại cảm biến sẽ có những trường hợp đo không chính xác riêng biệt, do đó việc kết hợp chúng là cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong việc đo lường.

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

Thời gian thực hiện luận văn có hạn, do đó người viết không thể xem xét và mô phỏng một cách chính xác tất cả các vấn đề nêu trên.

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

Để áp dụng phương pháp I.F.O.C, việc xác định các thông số động cơ như R và L là rất quan trọng Chúng ta có thể xác định các giá trị này thông qua hai thí nghiệm: thí nghiệm không tải và thí nghiệm khóa rotor Phần này chỉ trình bày phương pháp thực hiện mà không đi sâu vào chi tiết, do luận văn không thực hiện thí 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

+ 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

Chế độ vận hành Hợp lực Vận tốc

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 trên tuyến đường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như lực kéo, lực cản, lực thắng và khối lượng tương đương Lực cản đoàn tàu phát sinh từ các đặc điểm của đoàn tàu và hình học của tuyến đường.

Phương trình động lực học tổng quát của đoàn tàu: đt e R B

Khối lượng tương đương của đoàn tàu (m e) được tính bằng tổng khối lượng không tải và tổng khối lượng hành khách (kg) Giá trị m e thường được xác định trước và được cung cấp bởi trung tâm điều khiển cho đoàn tàu.

- a đt : gia tốc đoàn tàu (m/s 2 ) Thành phần gia tốc – a đt với giải thuật phù hợp ta có thể nội suy được từ đường đặc tính tốc độ

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các lực tác động lên đoàn tàu, bao gồm lực kéo (∑F T), lực cản (F R) và lực thắng (F B) được đo bằng Newton (N) Để tính toán giá trị lực cản F R, chúng ta có thể sử dụng phương pháp lập bảng với các thông số của tuyến đường Bằng cách này, chúng ta có thể xác định giá trị lực cản tại từng điểm tương ứng với các khoảng thời gian dựa trên đặc tính tốc độ của đường.

Trong phương trình (3.2), ta giả định lực thắng F B bằng 0 vì luận văn không thiết kế và xem xét hệ thống thắng Do đó, phương trình chỉ còn lại một ẩn duy nhất là biến F T.

Phương trình (3.2) được viết lại thành: e đt R

Toàn bộ khối lượng của đoàn tàu được di chuyển nhờ vào sự quay của bánh xe, với bán kính bánh xe là r Hệ số ma sát giữa bánh xe và đoàn tàu được ký hiệu là àwheel-ray Hiện tượng trượt giữa bánh xe và ray được bỏ qua, theo giải thích ở mục 3.1, do đó chỉ xem xét hiện tượng xoay.

Đoàn tàu được trang bị hộp giảm tốc với một cấp tốc độ duy nhất, theo thiết kế tuyến metro số 1 tại thành phố Hồ Chí Minh Tỉ số truyền của hộp giảm tốc liên quan đến mô men và tốc độ quay của bánh xe, tỷ lệ thuận với mô men và tốc độ quay của động cơ theo một hệ số xác định.

Để giải phương trình (3.2), cần tính lực kéo F_T do mô men điện từ của đoàn tàu sinh ra Ứng dụng công thức liên hệ về công, ta có thể xác định mối liên hệ giữa lực kéo F_T và mô men cần thiết.

Đoàn tàu được trang bị hộp giảm tốc đơn cấp với tỷ số truyền là u brnghieng Mối liên hệ giữa mô men ngõ ra của hộp số và mô men động cơ được xác định rõ ràng.

Mối quan hệ giữa mô men điện từ mong muốn của động cơ với lực kéo như sau:

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

Các thành phần cần mô hình hóa của hệ:

) ( q d c b a dref qref qref dref eref dref qref đt R eref eref R

T mm đt g ray wheel R đt đc đt

M mm : mô men mong muốn của đoàn tàu

R: bán kính cong của tuyến tính rg: độ dốc của tuyến

 eref : mô men điện từ mong muốn của động cơ sức kéo đoàn tàu wheel ray

 : hệ số ma sát giữa bánh xe và đường ray (adhesion coefficient)

 đc (rpm) là vận tốc góc của động cơ đoàn tàu

Trong đó vận tốc của đoàn tàu có thể tính như sau: brnghieng đc bx đt u v r  60

Tỷ số truyền bánh răng nghiêng của đoàn tàu, được đề cập trong luận văn thiết kế tuyến metro số 1 thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng bộ giảm tốc bánh răng nghiêng với tốc độ tối đa đạt 3.10 km/h.

Tham khảo [30]- tiêu chuẩn ESR 0331 phần 5.4 ta có đường kính bánh xe của đoàn tàu mới là 940 mm, do đó ta có rbx là 470 mm = 0.47 (m)

Các vấn đề của phương trình (3.9): i dref , i qref , V d , V q , V a , V b , V c sẽ được thực hiện ở chương IV, các vấn đề còn lại sẽ được làm rõ bên dưới

3.2.2 Phương pháp nội suy thông số gia tốc từ đường cong đặc tính tốc độ

Trong chương 2, chúng ta đã nội suy vận tốc của đoàn tàu tại các vị trí khác nhau dựa trên đường cong đặc tính tốc độ Tuy nhiên, để tính toán gia tốc, cần xác định thời gian tương ứng cho mỗi điểm trên đường cong này Việc nội suy thời gian mong muốn (reference) cho từng điểm là rất quan trọng để hoàn thiện quá trình tính toán.

Một cách tổng quát, ta có thể công thức tính gia tốc theo miền thời gian như sau:

Ta có thể xác định gia tốc thực tế của đoàn tàu trong miền thời gian như sau: i i s s t t v a v

Với: vi+1là vận tốc của đoàn tàu ở thời điểm i+1 và vivận tốc của đoàn tàu ở thời điểm i (m/s) ti+1là thời điểm i+1vàtilà thời điểm i

Tuy nhiên do giá trị thời gian chưa có nên không dùng biến thời gian để tính ra giá trị gia tốc

Theo nghiên cứu của [25], một giải thuật được đề xuất sử dụng phương pháp số để tính toán động năng của đoàn tàu dựa trên các biến độc lập như thời gian, quãng đường (vị trí) hoặc vận tốc.

Do không có giá trị thời gian, ta không thể sử dụng biến thời gian để tính giá trị của hai biến còn lại Thay vào đó, có thể áp dụng một trong hai phương pháp khác để xác định thời gian tương ứng Công thức tính gia tốc dựa trên đường cong đặc tính tốc độ được trình bày như sau:

1 i i đt i i profile đt i i profile i i đt i i profile s s v a v a v s v a s v s v

Với vprofile-i+1 là vận tốc theo đường đặc tính tốc độ tại thời điểm i+1, vđt-i là vận tốc của đoàn tàu tại thời điểm i, si+1 là giá trị vị trí của đoàn tàu tại thời điểm i+1, và si là giá trị vị trí của đoàn tàu tại thời điểm i.

3.3.2 Các lực và moment thành phần

Giản đồ lực theo phương trình (3.2) phân bố tại bánh xe đoàn tàu:

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

Ft= à wheel-ray N (3.14) wheel ray

 : hệ số ma sát giữa bánh xe và đường ray (adhesion coefficient)

Lực ma sát giữa bánh xe và đường ray có thể được xem như lực tác động lên trục đoàn tàu, tương ứng với động cơ điện của tàu Hiệu suất của hộp giảm tốc đạt 0,97, cho thấy tổn hao cơ khí là không đáng kể, theo thiết kế của tuyến metro số 1 tại thành phố Hồ Chí Minh.

Tùy theo tiêu chuẩn mà  wheel ray có thể khác nhau:

Theo RENFE được sử dụng tại Tõy Ban Nha [24], phương trỡnh cho à wheel-ray

(phương trình (7)) có thể ghi như sau – tính theo km/h:

 , (3.15) với à0 = 0,31 (đối với hệ thống sức kộo bằng điện, theo RENFE – tài liệu 14)

Phương trình lực cản của đoàn tàu theo tài liệu Railway traction [24]

Vận tốc tối đa của đoàn tàu trong thiết kế tuyến metro số 5 giai đoạn 1 tại thành phố Hồ Chí Minh là 90 km/h cho đoạn trên cao và 40 km/h cho đoạn ngầm.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

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

Mục đích của mô hình hóa hệ thống là xây dựng các phương trình động học để tính toán mô men điện từ mong muốn ( eref) của động cơ trên đoàn tàu tại các vận tốc khác nhau Luận văn áp dụng phương pháp IFOC để thiết kế luật điều khiển, đảm bảo động cơ đạt được  eref theo yêu cầu, từ đó xác định các dòng điện tham chiếu i dref và i qref Phương pháp IFOC đo lường dòng điện cung cấp cho các pha của động cơ để tính toán mô men điện từ thực tế, và sử dụng bộ điều khiển PI để điều chỉnh giá trị dòng điện theo i dref và i qref Cuối cùng, dòng điện này được biến đổi thành điện áp cấp cho động cơ thông qua phương pháp SVPWM.

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

từ thông gián tiếp – IFOC:

Lý thuyết điều khiển IFOC (Indirect Field-Oriented Control) liên quan đến việc điều khiển các thành phần dòng stator thông qua việc sử dụng vectơ trong một khung tham chiếu quay với hệ trục d-q Phương pháp này cho phép mô hình hóa động cơ không đồng bộ 3 pha như một động cơ điện một chiều với kích từ độc lập, từ đó giúp tối ưu hóa việc điều khiển mô men.

Trong các tài liệu, thuật ngữ “Sensorless – Không cảm biến” thường được sử dụng để chỉ IFOC, nhấn mạnh rằng không cần thiết bị đo từ thông của rotor Điều khiển véc tơ gián tiếp của dòng rô to có thể thực hiện thông qua các dữ liệu khác nhau.

+ Dòng pha tức thời qua stator ia, ib và ic

+ Vị trí cơ học của rotor

+ Thời hằng của rotor Động cơ phải được trang bị các cảm biến để đo dòng stator trên 3 pha và một thiết bị hồi tiếp vị trí động cơ

Sơ đồ khối của I.F.O.C (điều khiển dựa trên (từ) thông gián tiếp) – và nguyên lý hoạt động:

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

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

(Nguồn:[31] - Park, Inverse Park and Clark, Inverse Clarke Transformation) Để thực hiện phương pháp điều khiển vector cần thực hiện các bước sau đây:

- Đo lường các giá trị dòng cấp cho động cơ cũng như tốc độ của động cơ thông qua số lượng xung của encoder

- Biến đổi dòng đo được về hệ thống 2 pha (α,β) – biến đổi Clark

- Tính toán vị trí góc và biên độ của vector không gian từ thông rotor

- Biến đổi dòng stator sang hệ trục tọa độ d-q dùng biến đổi Park

- dòng stator - mô ment (isq) và từ thông (isd) được điều khiển một cách riêng biệt

- Vector không gian áp stator được biến đổi bằng biến đổi Park ngược từ hệ trục tọa độ d-q sang hệ thống 2 pha của stator

- Sử dụng modul hóa vector không gian (SVPWM) để tạo ra áp cấp cho 3 pha của động cơ

Hình 4.3 trình bày giải thuật cho IFOC được sử dụng trong luận văn Để xác định vectơ dòng stator \(i_s\) từ các dòng tức thời của các pha stator \(i_a\), \(i_b\), và \(i_c\), ta áp dụng công thức: \(i_s = i_a + \alpha i_b + \alpha^2 i_c\) [40].

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)

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

Ta có các thành phần của is theo 2 phương (,) trong biến đổi Clark [40] như sau: isα =i a (4.2) isβ= i a

Phương pháp biến đổi Clarke là kỹ thuật chuyển đổi từ ba vector điện áp pha sang hai vector vuông góc, trong đó vector tổng của ba vector pha vẫn giữ nguyên Phương pháp này giúp đơn giản hóa động cơ ba pha thành hai pha, mang lại hiệu quả trong việc tối ưu hóa hệ thống điện.

4.2.2 Mô hình dòng điện (bộ ước lượng từ thông rotor – nhằm xác định góc từ thông rotor)–theo [40] ids (4.4) fs b mR r r qs b T i n i dt d

Trong công thức Tr = Lr/Rr, Tr đại diện cho thời hằng rotor, trong khi ImR là dòng từ hóa Thời gian lấy mẫu được ký hiệu là T, và ωb là tốc độ từ thông danh định điện Vị trí của góc từ thông của rotor được ký hiệu là θλr, cùng với các biến mR và r i dt.

Giá trị hằng số này là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác của Điều khiển dựa trên từ thông, vì nó liên quan đến tốc độ từ thông của rotor, giúp xác định vị trí từ thông rotor.

Luận văn sử dụng phương pháp rời rạc hóa để có thể lấy dữ liệu và tính toán bằng các bộ vi điều khiển

Giã thuyết rằng iqSk+1 ~ iqSk, phương trình bên trên có thề được rời rạc hóa như sau:

Tr=Lr/Rr: thời hằng rotor,

ImR represents the magnetic current, while T indicates the sampling time The term θλr refers to the magnetic flux position of the rotor, and ωb denotes the electrical nominal flux speed Lastly, n signifies the rotor shaft speed.

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

Trong điều kiện trạng thái ổn định, thành phần dòng Id chịu trách nhiệm cho việc tạo ra từ thông rotor

Trong trạng thái ổn định, Id bằng ImR

Giá trị được tính toán của ImR sau đó được dùng để tính toán tần số trượt (fsk+1) θλrk+1 là phương trình bộ ước lượng từ thông cuối cùng

Thành phần dòng Id điều khiển mô men động cơ

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

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

Hình 4.7: Module khối biến đổi Park [40]

Mục đích của biến đổi Park:

Sử dụng biến đổi Park để thiết lập hệ tọa độ xoay giúp duy trì một góc cố định với từ thông của rotor, đặc biệt là khi có một cặp cực, từ thông này sẽ vuông góc với rotor.

Công thức biến đổi Park ids= iαs.cos(θλr) + iβs.sin(θλr) (4.9) iqs = -iαs.sin(θλr) + iβs.cos(θλr) (4.10) Các thành phần ids, iqsphụ thuộc vào vector dòng

Trong quá trình biến đổi, giá trị quan trọng nhất cần lưu ý là θλr - góc của từ thông rotor, được xác định từ phương trình (4.14) Để đạt được giá trị moment cực đại trên mỗi amper, từ thông của stator cần phải vuông góc với từ thông của rotor.

Vị trí chính xác của góc từ thông rotor (θλr) là yếu tố quan trọng để tính toán chính xác hai thành phần ids và iqs Các thành phần này sau đó được so sánh với từ thông tham chiếu idref và mô men tham chiếu iqref.

Công thức khối Clarke – Park diễn giải:

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

Giá trị mô men tham chiếu - Teref theo các công thức (3.6), (3.8), (3.10), (3.13), (3.15) có thể được viết lại như sau:

  đt brnghieng bx e đt g đt e đt brnghieng đt bx đt R e brnghieng đt bx T brnghieng bx

Công thức (4.1) cũng có thể viết như sau, theo [10]: qs ds r m qs r r m e i i

 đt brnghieng bx e đt g đt i i i e m r n đt brnghieng bx đt R e m sd r n sd eref m r n sq u v r

Với các thông số Pn, Lm, Lr đã đo được và giá trị moment mong muốn, ta có thể tính tỉ lệ dòng tham khảo iq và ids, gọi tỉ lệ này là x Với is là dòng tổng của 3 pha stator, ta thay x vào công thức (4.15) để tính toán.

Bình phương 2 vế phương trình trên (4.16) và giải phương trình bậc 2 ta tính được giá trị của i sd * Từ isd ta tính được i * sq

Theo tài liệu [10], ta có các công thức như sau: r r sq m sl T i

   (4.18) ωsl:vận tốc trượt của động cơ Với: r rd m i sd s Tr

 , từ thông từ trường rotor

Từ giá trị vận tốc trượt ta có thể tính được giá trị quay không đồng bộ tương ứng của động cơ đb sl kđđ n n 

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

4.2.5.1 Lựa chọn các kỹ thuật điều khiển: Để điều khiển theo tín hiệu mong muốn có rất nhiều bộ điều khiển như: PID, gán cực, trượt, cuốn chiếu (back stepping), neuron network, fuzzy Điều khiển gán cực: Dễ thực hiện so với các phương pháp khác Tuy nhiên chất lượng hệ thống phụ thuốc nhiều vào vị trí của các điểm cực trong mặt phẳng phức Điều khiển PID: Bộ điều khiển tuyến tính căn bản và được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi.Độ lợi tỉ lệ, K P - giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định và dao động.Độ lợi tích phân, K I giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định Độ lợi vi phân, K D - giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.Các bộ điều khiển PID thường được lựa chọn cho nhiều ứng dụng khác nhau, vì lý thuyết tin cậy, được kiểm chứng qua thời gian, đơn giản và dễ cài đặt Nhược điểm lớn nhất của bộ điều khiển dạng này là phải tìm được giá trị các hệ số K P , K I , K D phù hợp, tuy nhiên đối với các giá trị mong muốn thay đổi thường xuyên thì rất khó tìm được Trong một số trường hợp phải dung hệ thống lai để khắc phục vấn đề này Điều khiển mờ (fuzzy): giao diện dễ thiết kế và thay đổi, phương pháp tính đơn giản Càng nhiều hàm thành viên thì độ chính xác của bộ điều khiển càng cao, tuy nhiên rất khó xác định mối quan hệ giữa các hàm thành viên Điều khiển neuron network: có khả năng tự học, thích nghi với môi trường mới trong quá trình hoạt động Hệ thống sẽ ổn định sau khi training Càng nhiều nút mạng thì hệ thống càng ổn định Tuy nhiên khi sử dụng càng nhiều nút mạng thì phải đánh đổi bằng lượng tính toán lớn, dẫn đến tốc độ xử lý chậm và cần bộ xử điều khiển có chi phí lớn Điều khiển cuốn chiếu: ứng dụng cho các bài toán phi tuyến Ưu điểm: khối lượng tính toán nhỏ, thiết kế đơn giản Nhược điểm: không có khả năng tự thích nghi, những biến trạng thái cần phải đo lường trước, nhạy cảm với sự thay đổi của các thông số Đối với bộ điều khiển gán cực: ứng dụng cho các bài toán phi tuyến

Luận văn này nghiên cứu việc sử dụng truyền động điện và mô hình hóa động cơ không đồng bộ theo phương pháp IFOC, trong đó mô men và tốc độ động cơ được điều khiển thông qua dòng điện cấp (i d, i q) Dòng điện này được biến đổi và đưa về dạng hàm bước, tuyến tính hóa, do đó các phương pháp điều khiển phi tuyến không được áp dụng.

Tác giả chọn bộ điều khiển PI do tính đơn giản và dễ thực hiện Bộ điều khiển này đáp ứng hai yêu cầu quan trọng: (P) khả năng bám tín hiệu điều khiển nhanh chóng và (I) khả năng triệt tiêu sai số hiệu quả.

Để ứng dụng và điều khiển bộ PID cho tín hiệu đầu vào như vận tốc (v) và quãng đường (s), cần sử dụng bộ điều khiển PI rời rạc hóa.

4.2.5.2 Thiết kế bộ điều khiển: