Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng bộ chopper cho động cơ một chiều hoạt động (M>0 hoặc M<0, w>0) 1

Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng bộ chopper cho động cơ một chiều hoạt động (M>0 hoặc M0). Mô hình hóa, cấu trúc điều khiển, cách thức tính toán bộ điều chỉnh, mô phỏng cấu trúc điều khiển. Khái niệm và phân loại chopper, nguyên lý hoạt động, mô hình hóa động cơ DC, bộ điều khiển dòng điện, bộ điều khiển tốc độ, mô phỏng PIL,...

Trang 1

Yêu cầu thiết kế:

✓ Mô hình hóa, Cấu trúc điều khiển và cách thức tính toán bộ điều chỉnh

✓ Mô phỏng cấu trúc điều khiển

Sơ đồ khối tham khảo DC6_example

trong Matlab

Nhóm sinh viên thực hiện:

Tham khảo File mô phỏng mẫu dc6_example

BÁO Nghe BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

cho động cơ một chiều hoạt động (M>0 hoặc M<0,ɷ>0)

Trang 2

BÁO da BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

Nội dung báo cáo

1 Giới thiệu chung

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Khái niệm và phân loại Chopper

2.2 Nguyên lý hoạt động của Chopper

2.3 Two-Quadrant Chopper

2.4 Nguyên lý PWM

3 Cấu trúc hệ thống điều khiển

4 Mô hình hóa động cơ DC

5 Thiết kế hệ thống điều khiển

5.1 Bộ điều khiển dòng điện

Trang 3

Điều khiển động cơ DC sử dụng bộ Chopper

▪ Nhiều ứng dụng trong công nghiệp sử

dụng điện áp 1 chiều: acquy, bộ đổi

Trang 4

Hệ thống sạc pin xe điện

▪ Nhiều ứng dụng trong công nghiệp sử

dụng điện áp 1 chiều: acquy, bộ đổi

Trang 5

➢ Về cơ bản ta có thể thay đổi tốc động cơ

DC kích từ riêng biệt bằng 1 số cách:

- Điều khiển từ thông

- Thay đổi điện trở phần ứng

Ưu điểm :

+ Đặc tính cơ là đường thẳng song thing

+ Có thể dễ dàng thay đổi điện áp DC bằng cách

sử dụng các linh kiện bán dẫn như IGBT, Mosfet,…

Điều khiển điện áp phần ứng

Trang 6

2 Cở sở lý thuyết

2.1 Khái niệm và phân loại Chopper

❑ Chopper là một thiết bị chuyển đổi đầu

vào DC cố định thành điện áp đầu ra DC

thay đổi trực tiếp thông qua việc đóng mở

các thiết bị bán dẫn Mạch Chopper còn

được gọi là mạch băm xung

❑ Phân loại:

AC link Chopper DC Chopper

+ Chuyển đổi từ DC qua AC

+ Dùng biến áp để nâng điện

áp Sau đó chuyển đổi về DC

Cồng kềnh phức tạp vì

phải thực hiện qua 2 giai

đoạn

Chuyển đổi DC – DC “trực tiếp” sử dụng các mạch đơn giản

Ưu điểm: Có hiệu suất

cao, phản ứng nhanh, hoạt động trơn tru

Được ứng dụng trong hầu hết các thiết bị

AC link Chopper

DC Chopper

Trang 7

2.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của bộ Chopper

❑ Đây là thiết bị đóng cắt tần số cao

❑ Kết nối và ngắt kết nối tải khỏi nguồn với

tốc độ cao

Bằng cách này điện áp 1 chiều được cắt

nhỏ và ta có thể thay đổi được 𝑈𝐷𝐶

(0<D<1)

Chiến lược điều khiển Time ratio control(TRC)

Current limit control(CLC)

DC Chopper

Đồ thị điện áp và dòng điện

Trang 8

2.3 Two-Quadrant Chopper

❑ Quadrant 1:

S1 ở trạng thái dẫn, dòng điện đi từ S1

qua 𝐿𝑎, 𝑅𝑎, rồi qua động cơ Cuối cùng về

cực âm của nguồn Động cơ quay thuận,

mạch làm việc ở chế độ động cơ

Khi đó: 𝑉𝑎= 𝑉𝑠

❑ Quadrant 2:

+ Khi S1 không dẫn, năng lượng trên cuộn

cảm tác động khiến dòng điện sẽ đi từ động cơ,

qua 𝐿𝑎, 𝑅𝑎 rồi qua D2 về cực dương của nguồn

Khi đó: 𝑉𝑎= 0

+ Khi S2 dẫn, sức phản điện động của động

cơ sẽ tác động, dòng điện đi theo chiều khép

Trang 9

Trang 10

Trang 11

2 Cở sở lý thuyết

2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung(PWM)

• Nội dung phương pháp:

So sánh 1 sóng sin chuẩn, có tần số bằng

tần số sóng sin ra mong muốn với 1 điện áp

răng cưa tần số cao

Trang 12

❑ Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ chopper cho

động cơ một chiều với hai vòng điều khiển (bỏ

qua khâu trễ do PWM) : mạch vòng dòng điện

(vòng trong) và mạch vòng tốc độ (vòng ngoài)

Yêu cầu thiết kế:

✓ Mô hình hóa, Cấu trúc điều khiển

và cách thức tính toán bộ điều

chỉnh.

✓ Mô phỏng cấu trúc điều khiển.

Tham khảo File mô phỏng mẫu

dc6_example

Hệ thống điều khiển

PWM generator

Bộ điều khiển tốc

độ Bộ điều khiển dòng điện

Nguồn cấp

Two-Quadrant Chopper

Trang 13

Sơ đồ tương đương của động cơ DC

Trang 14

Sơ đồ tương đương của động cơ DC

Trang 15

4.3 Áp dụng với động cơ trong Matlab Simulink

Trang 16

4.3 Áp dụng với động cơ trong Matlab Simulink

Trang 17

5.1 Bộ điều khiển dòng điện

❑ Hàm truyền của bộ điều khiển có dạng:

𝐺𝑝𝑖 𝑠 = 𝐾𝑝𝑐 + 𝐾𝑖𝑐

𝑠 = 𝐾𝑝𝑐

(𝑠 + 𝑇1

𝑝𝑖)𝑠

Ta có mối quan hệ hàm truyền đạt:

Trang 18

5.1 Bộ điều khiển dòng điện

Trang 19

5.2 Chọn các thông số của bộ điều khiển dòng điện PI

Bước 1: Tìm tần số đóng cắt của hệ thống 𝑓𝑠𝑤

Bước 2: Chọn tần số cắt 𝜔𝑐𝑐 của bộ điều khiển

dòng điện trong khoảng 1/10 đến 1/20 tần số

đóng cắt của van

Bước 3: Tính toán các thông số của bộ điều

khiển dòng điện theo các công thức:

Trang 20

𝐽𝑠) (4.3)

𝐾𝑇 = 𝑘𝑇𝜃𝐹:

𝜔𝑝𝑖 = 𝐾𝑖𝑠

𝐾𝑝𝑠: is the PI corner frequency

𝜔𝑐𝑐:is the gain cross-over frequency

𝜔𝑐𝑠:is the gain cross−over frequency

❑ Hàm truyền (4.3) xung quanh tần số 𝑤𝑐𝑠 có

thể đơn giản như sau:

𝑮𝒔𝟎 𝒔 = 𝑲𝒑𝒊 (𝑲𝑻

𝑱𝒔)

Hình 4.3.2: Đồ thị Bode của hàm truyền hệ hở

Trang 21

5.4 Chọn các thông số của bộ điều khiển tốc độ PI

Hình 5.4.1: Bộ điều khiển tốc độ

❑ Bước 1: Xác định thông số 𝜔𝑐𝑐 từ bộ

điều khiển dòng điện

❑ Bước 2: Chọn thông số 𝜔𝑐𝑠 của bộ

điều khiển tốc độ lớn hơn khoảng 1/5

𝜔𝑐𝑐 và nhỏ hơn 1/10 tần số lấy mẫu

❑ Bước 3: Tính toán các thông số của

❑ Bước 4: Select the gain of an

anti-windup controller as

𝐾𝑎 = 1/𝐾𝑝𝑠

+ Do 𝜔𝑐𝑐 = 1

20𝑓𝑠𝑤 = 250 (từ PI current control)

𝑅𝑎 = 2.581 Ω

𝐿𝑎 = 0.028 𝐻 + Chọn 𝜔𝑐𝑠 = 1

Trang 22

❑ Hàm truyền bộ điều khiển dòng điện:

❑ Hàm truyền bộ điều khiển tốc độ:

Trang 23

6 Mô phỏng kiểm chứng

6.1 Sơ đồ mô phỏng

Hình 5.1.1: Mô phỏng bằng Matlab Simulink

Tính toán giá trị trung bình của tính hiệu đầu vào, ở đây là 𝑉𝑎

Tốc độ

đặt

Tính toán D và phát xung điều

khiển van, với 𝑽𝒂 = 𝑫 × 𝑽𝒏𝒈𝒖ồ𝒏

Bộ điều khiển

tốc độ

Bộ điều khiển dòng điện

Chuyển đổi rad/s sang rpm

Trang 24

Hình 5.1.2: Chi tiết khối PI current controller

Trang 25

Hình 5.1.2: Chi tiết khối PI speed controller

Trang 26

Hình 6.1.2: Chi tiết khối PWM

Sóng mang biên độ từ 0-1

Chia để ra được Duty Cycle

Tín hiệu điều khiển van

Tín hiệu xung tam giác

Trang 27

Trang 28

6.2 Kết quả mô phỏng

Hình 6.2.2 Động cơ hoạt động ở 2 góc phần tư

Trang 29

Trang 30

6.2 Kết quả mô phỏng

Hình 6.2.2 Đồ thị tín hiệu điều khiển 2 van S1,S2

Trang 31

Trang 32

Trang 33

6.3 Nhận xét kết quả mô phỏng bằng Matlab

❑ Tốc độ thu được bám với giá trị đặt

❑ Thời gian quá độ nhanh

❑ Độ đập mạch dòng diện tốt

➔ Việc mô phỏng bằng Matlab Simulink giúp ta kiểm nghiệm những đúng đắn trong việc tính toán bộ điều khiển Là tiền đề cũng như bước khởi đầu cho việc làm thực tế

Trang 34

BÁO BÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

Nội dung báo cáo

2.1 Khái niệm và phân loại Chopper

2.2 Nguyên lý hoạt động của Chopper

2.3 Two-Quadrant Chopper

2.4 Nguyên lý PWM

5.1 Bộ điều khiển dòng điện

Trang 35

7 Mô phỏng PIL

7.1 Các bước tiến hành mô phỏng điện tử công suất

Trang 36

7.2 Giới thiệu về các linh kiện sử dụng

1 Kit STM32F103C8T6 2 Mạch chuyển USB UART PL2303 V2 3 Mạch nạp ST-Link V2

Trang 37

7.3 Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6:

ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz.

▪ 1 bộ CAN interface (2.0B Active)

▪ USB 2.0 full-speed interface

Trang 38

7.3 Phần mềm sử dụng:

❑ Phần mềm Matlab R2019a

❑ STM32 CubeMx (Version 6.0.1) được dùng để cấu hình ngoại vi

cho vi điều khiển và thực hiện sinh code tự động

❑ Trình biên dịch MDK-ARM từ KeilC (Keil uvision 5) được dùng để

kiểm tra code và nạp code cho vi điều khiển STM32

❑ STM32-MAT/TARGET toolkit (Thư viện hỗ trợ)

❑ Driver PL2303 V2 cho module USB-UART

❑ Driver cho mạch nạp ST-Link V2

Trang 39

7.4 Chuyển bộ điều khiển sang miền gián đoạn

Các kết quả của phần trước ta tìm được:

❑ Hàm truyền bộ điều khiển dòng điện:

❑ Hàm truyền bộ điều khiển tốc độ:

Trang 40

7.4 Chuyển bộ điều khiển sang miền gián đoạn

❑ Sau khi đã xác định được bộ điều khiển ở miền liên tục, ta tiến

hành bước tiếp theo là gián đoạn hóa bộ điều khiển trước khi bắt

đầu quá trình mô phỏng PIL Bởi vì vi điều khiển chỉ có thể chạy ở

trong miền gián đoạn.

❑ Để tiến hành gián đoạn bộ điều khiển, ta sử dụng Matlab đưa

BĐK từ miền s về miền gián đoạn z bằng phương pháp ZOH với

chu kì trích mẫu là 2e-4 giây (tức bằng tần số phát xung f = 5kHz).

Trang 41

eta = 0.873;

% Tinh toan tham so chua biet

KE = (UaN - Ra*IaN)*9.55/nN

KT = KE Laf = KE/IfN

Rf = UfN/IfN

Lf = Laf pids1=tf([7 645],[1 0]) pidz1=c2d(pids1,2e-4, 'zoh' ) pids2=tf([0.92 10],[1 0]) pidz2=c2d(pids2,2e-4, 'zoh' )

Trang 42

7.5 Thực hiện mô phỏng PIL cho đối tượng:

❑ Bước 1: Tạo 1 file

Simulink mới và có cấu

trúc trên miền z tương

tự trên miền s với hàm

truyền được tính toán ở

phần trên

Trang 43

❑ Bước 2: Tiến hành cấu hình

cho file Simulink vừa tạo

1

Trang 44

❑ Bước 2: Tiến hành cấu hình cho file Simulink vừa tạo

Trang 45

Trang 46

Trang 47

❑ Bước 3: Tiến hành kết nối mô hình PIL với bộ biến đổi.

Tại nơi chưa đối tượng (file PIL_Controller), ta gọi khối Model

Trang 48

Sau đó cài đặt cho khối Model ta được mô hình PIL của bộ điều khiển

Trang 49

Trang 50

❑ Bước 4: Tiến hành kết nối phần cứng.

Cổng USB của PC

5 2 4 7

Trang 51

❑ Bước 6: Bắt đầu mô phỏng.

Bấm Run, hộp thoại PC COM Port selection xuất hiện Ở đây ta chọn cổng COM là cổng COM của

Module USB-USRT.

1

Trang 52

Tiếp theo là đến phần chon Vi điều khiển và chọn tần số tối đa của nó Tiếp theo đến phần chọn UART

của Vi điều khiển Tất cả đều ấn Continue để tiếp tục

Trang 53

Tiếp theo là đến phần chon phần mềm lập trình Cửa sổ PIL start chờ nạp code vào STM32 xuất hiện,

đồng thời cửa sổ CubeMX cũng xuất hiện

Trang 54

Sau khi thực hiện các bước trên,

Matlab sẽ tự động cấu hình các

ngoại vi cần sử dụng cho vi điều

khiển thông qua phần mềm

STM32 CubeMX thông qua cửa

sổ dưới đây.

Chọn GENERATE CODE → Open

project.

Trang 55

Khi đó chương trình của Bộ điều

khiển sẽ được tự động sinh ra Sau

khi đã tạo xong Code, ta mở

chương trình biên dịch Code KeilC

V5 để biên dịch và nạp Code cho vi

điều khiển STM32F103C8T6.

Trang 56

8 Kết quả mô phỏng PIL

Trang 57

8.1 Khi các thông số của mạch không thay đổi

Trang 58

Trang 59

8.1 Khi các thông số của mạch không thay đổi

Trang 60

8.2 Khi các thông số tốc độ của mạch thay đổi

Trang 61

8.3 Khi các thông số momen tải của mạch bằng 0

Trang 62

8.4 Nhận xét mô phỏng PIL

➢ Đã có thể điều khiển động cơ DC và tốc độ bám giá trị đặt, độ đập mạch dòng điện nhỏ

➢ Việc sử dụng PIL trong việc mô phỏng ĐTCS có đóng góp rất lớn trong việc kiểm tra tính phù

hợp của BĐK khi chạy trên môi trường VĐK.

➢ Với việc cho ra kết quả giống với BĐK chạy trên Matlab-Simulink thì ta có thể tự tin khẳng định rằng, khi áp dụng BĐK này vào thực tế thì kết quả cũng sẽ cho ra giống như ta mong đợi

Trang 63

9 Thực nghiệm

9.1 Chuẩn bị

❑ Phần mềm Arduino

Trình biên dịch Arduino được dùng để kiểm tra code và

nạp code cho vi điều khiển Arduino

Trang 64

9.3 Cấu hình phần cứng

Trang 65

9.2 Thuật toán điều khiển

Giá trị đặt

SWITCH

Pulse

Encoder Power

Trang 66

9.3 Tính toán tốc độ

Trang 67

9.4 Lập trình arduino

Arduino Nano Encoder Motor

L298N

Trang 68

9.5 Kết quả thực nghiệm

Hình 9.4.1 Đồ thị tốc độ động cơ encoder với Wref=1000v/p

Trang 69

Hình 9.4.2 Dạng dao động từ đồ thị tốc độ

Dao động max =50 v/p

Trang 70

Trang 71

Hình 9.4.4 Đồ thị ngắt điện đột ngột chế độ không tải

Trang 72

9.6 Nhận xét kết quả thực nghiệm

❑ Tốc độ thu được bám với giá trị đặt, độ đập mạch lớn nhất là 50v/p

❑ Thời gian quá độ nhanh

❑ Khi thay đổi tốc độ đặt, tốc độ vẫn ổn định đảm bảo yêu cầu

➔ Việc thực nghiệm đã cho thấy cơ sở lý thuyết và mô phỏng là đúng đắn

Định dạng
Số trang	74
Dung lượng	4,33 MB

Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng bộ chopper cho động cơ một chiều hoạt động (M&gt;0 hoặc M&lt;0, w&gt;0) 1

Thiết kế cấu trúc điều khiển sử dụng bộ chopper cho động cơ một chiều hoạt động (M>0 hoặc M<0, w>0) 1