Tài liệu điều khiển thông tin các hệ thống servo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------------------ VÕ ĐÌNH VĂN ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC HỆ THỐNG SERVO Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2009 TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tư do – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày ……. tháng ……. năm 2009. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ ĐÌNH VĂN Phái: nam Ngày tháng năm sinh: 1975 Nơi sinh: Cà Mau Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV: 01807304 I-TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CÁC HỆ THỐNG SERVO II- NỘI DUNG VÀ NHIỆM VỤ: - Khảo sát mô hình điều khiển servo cho 2 loại động cơ servo: Động cơ một chiều không chổi quét (BLDC) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM). - Sử dụng mô hình điều khiển vòng trễ với phương pháp điều khiển động cơ không dùng cảm biến cho cả 2 loại động cơ BLDC và PMSM. - Sử dụng các bộ điều khiển sau đây cho mô hình mô phỏng: PI truyền thống, PI anti windup, bộ điều khiển PI anti-windup với chức năng tự hiệu chỉnh (tracking / back calculation) và bộ điều khiển PID-Fuzzy trong các mô hình mô phỏng. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: T.S PHẠM ĐÌNH TRỰC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: T.S PHẠM ĐÌNH TRỰC ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… (Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị, chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Ngày ……tháng ……..năm 2009 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy T.S Phạm Đình Trực đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt các kiến thức bổ ích để tôi hoàn thành luận văn này. Chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô đã từng giảng dạy tôi trong suốt khoảng thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh. Xin chân thành cảm ơn gia đình, quý bạn bè đã cố gắng động viên tôi trong suốt quá trình học tập với khoá học bổ ích này. Thành Phố Hồ Chí Minh ngày 10/06/2009. Thực hiện Võ Đình Văn I MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, các thiết bị điều khiển thông minh ngày càng hoàn thiện, đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của con người trong các hệ thống máy móc công nghiệp tự động. Để đáp ứng được các yêu cầu ngày càng phức tạp của hầu hết các lĩnh vực máy móc tự động trong các ứng dụng công nghiệp, đều phải cần đến hệ thống điều khiển servo. Bất kỳ một máy móc hay một trang thiết bị nào liên quan đến chuyển động quay để dịch chuyển một (hay nhiều) đối tượng (tải) theo ý mong muốn đều phải thông qua hệ thống điều khiển servo [24]. Chức năng chính của hệ thống servo là duy trì các đáp ứng về tốc độ, mô men hay vị trí của động cơ để điều khiển đối tượng (tải) đạt được mục tiêu đề ra. Hai loại động cơ tiêu biểu trong hệ thống servo đó là: BLDC (Brushless Direct Current) và PMSM (Permanent Magnet Synchronorous Motor). Nội dung luận văn sẽ tập trung các vấn đề sau đây: ƒ Khái niệm về hệ thống servo và các vấn đề liên quan. ƒ Nguyên lý hoạt động và mô hình toán động cơ BLDC. ƒ Nguyên lý hoạt động và mô hình toán động cơ PMSM. ƒ Mô phỏng động cơ BLDC và PMSM ở 2 chế độ có tải và không tải. ƒ Điểm mới trong đề tài: 9 Sử dụng bộ điều khiển tốc độ kiểu anti-windup với hàm tích phân có điều kiện và khả năng tự hiệu chỉnh (tracking / back-calculation) cho cả 2 loại động cơ PMSM và BLDC. 9 Dùng bộ điều khiển anti-windup cải tiến và bộ Fuzzy-PID thay thế cho bộ điều khiển PI trong mô hình điều khiển động cơ BLDC. Kết quả mô phỏng là cơ sở để đánh giá các ưu khuyết điểm của từng sơ đồ điều khiển. Việc thay đổi các giá trị thông số điều khiển để thu được các kết quả mong muốn đối với các đại lượng tốc độ, mô men trong các mô hình mô phỏng nhằm chứng minh các đặc tính quan trọng của các động cơ servo. II MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………………....I MỞ ĐẦU…………………………………………………………………………....II BẢNG BIỂU………………………………………………………………………..V HÌNH VẼ…………………………………………………………………………..VI CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU…………………………………………………...XI CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG SERVO VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Khái niệm về hệ thống servo………………………………………………….....1 1.2 Các vấn đề liên quan…………………………………………………………….2 1.3 Nội dung nghiên cứu………………………………………………………….....3 1.4 Các bộ điều khiển mới dùng trong mô hình mô phỏng………………………….4 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI QUÉT (BLDC) 2.1 Cấu trúc của động cơ BLDC………………………………………………….....5 2.2 Mô hình và nguyên tắc hoạt động của động cơ BLDC………………………….7 2.2.1 Mô hình động của động cơ BLDC……………………………………….7 2.2.2 Nguyên tắc hoạt động của động cơ BLDC…………………………….11 2.3 Các phương pháp điều khiển động cơ BLDC…………………………………13 2.3.1 Điều khiển động cơ BLDC theo cảm biến Hall………………………...13 2.3.2 Điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến………………………14 CHƯƠNG 3: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM) 3.1 Cấu trúc của động cơ PMSM…………………………………………………..16 3.1.1 Giới thiệu chung………………………………………………………..16 3.1.2 Ứng dụng……………………………………………………………….16 3.1.3 Cấu trúc máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu……………………….17 3.1.4 Vật liệu nam châm vĩnh cửu……………………………………………19 3.2 Mô hình và nguyên tắc hoạt động của động cơ PMSM……………………….20 3.2.1 Nguyên tắc hoạt động của động cơ PMSM…………………………….20 III 3.2.2 Mô hình động của động cơ PMSM……………………………………..21 3.3 Các phương pháp điều khiển động cơ PMSM…………………………………24 3.3.1 Điều khiển trực tiếp mô men động cơ PMSM dùng bảng tìm kiếm…….25 3.3.2 Điều khiển định hướng từ thông rotor động cơ PMSM………………...31 CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN DÙNG TRONG MÔ HÌNH 4.1 Khâu PI, PID truyền thống……………………………………………………..39 4.2 Set point Weighting và Anti-Windup………………………………………….41 4.3 Sơ đồ các bộ điều khiển PI anti-windup cải tiến dùng để mô phỏng….............45 4.3.1 Bộ điều khiển PI windup trong khâu tích phân……………………………45 4.3.2 Bộ điều khiển PI anti - windup trong khâu tích phân giới hạn………….45 4.3.3 Bộ điều khiển PI anti-windup cải tiến với tích phân có điều kiện………46 4.3.4 Bộ điều khiển PI anti-windup cải tiến với chức năng tự hiệu chỉnh …..47 4.4 Giới thiệu bộ điều khiển PID-Fuzzy…...............................................................48 4.5 Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp theo nguyên lý dòng điện trễ……...51 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC 5.1 Mô hình mô phỏng động cơ BLDC……………………………………………55 5.2 Mô phỏng động cơ BLDC ở chế độ không tải với lệnh tốc độ thay đổi……….64 5.3 Mô phỏng động cơ BLDC ở chế độ mang tải với lệnh tốc độ không đổi……...73 5.4 Mô phỏng động cơ BLDC đảo chiều ở chế độ không tải……………………...79 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ PMSM 6.1 Mô hình mô phỏng động cơ PMSM…………………………………………...85 6.2 Mô phỏng động cơ BLDC ở chế độ không tải với lệnh tốc độ thay đổi……….90 6.3 Mô phỏng động cơ BLDC ở chế độ mang tải với lệnh tốc độ không đổi……...98 6.4 Mô phỏng động cơ BLDC đảo chiều ở chế độ không tải……………………..107 CHƯƠNG 7: NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, KIẾN NGHỊ, KẾT LUẬN 7.1 Nhận xét kết quả mô phỏng…………………………………………………..112 7.1.1 Nhận xét chung………………………………………………………..112 7.1.2 Nhận xét kết quả mô phỏng động cơ BLDC…………………………...112 7.1.3 Nhận xét kết quả mô phỏng động cơ PMSM…………………………..113 7.2 Các kiến nghị đề xuất và kết luận…………………………………………….113 CHƯƠNG 8: TÀI LIỆU THAM KHẢO IV DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1:Tuần tự chuyển mạch của các linh kiện bán dẫn để điều khiển BLDC…13 Bảng 3.1: Bảng đóng cắt tối ưu……………………………………………………29 Bảng 4.1: Luật mờ của biến đầu ra Kp……………………………………………49 Bảng 4.2: Luật mờ của biến đầu ra Ti…………………………………………….49 Cấu trúc hàm S-Function BLDC00.m…………………………………………..60 V DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo hệ thống điều khiển servo……………………………………….1 Hình 1.2: Vòng lặp điều khiển tốc độ……………………………………………….2 Hình 1.3: Vòng lặp điều khiển vị trí………………………………………………...2 Hình 1.4: Vòng lặp điều khiển mô men……………………………………………..2 Hình 2.1: Cấu trúc động cơ BLDC…………………………………………………5 Hình 2.2: Dạng sóng sức điện động cảm ứng kiểu hình thang và hình sin………...6 Hình 2.3: Mô hình động cơ BLDC………………………………………………….7 Hình 2.4: Mô hình điều khiển động cơ BLDC……………………………………..11 Hình 2.5: Trình tự đóng cắt các khoá bán dẫn trong điều khiển động cơ BLDC…12 Hình 2.6: Mặt cắt ngang và trình tự chuyển mạch của động cơ BLDC…………...13 Hình 2.7: Mô hình bộ nghịch lưu 6 bước điều khiển động cơ BLDC……………...14 Hình 2.8: Tín hiệu các cảm biến Hall, dòng điện pha và giá trị sức điện động cảm ứng (ở dạng lý tưởng)……………………………………………………………...14 Hình 2.9: sơ đồ điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến………………...15 Hình 3.1: Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt rotor………….18 Hình 3.2: Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu đặt bên trong rotor…………….19 Hình 3.3: Nguyên tắc hoạt động của động cơ PMSM……………………………..20 Hình 3.4: Minh họa các cuộn dây và hệ tọa độ d-q……………………………….22 Hình 3.5: Mạch tương đương của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nam châm gắn trên bề mặt rotor………………………………………………………..23 Hình 3.6: Vector đóng cắt…………………………………………………………26 Hình 3.7: Cấu trúc điều khiển trực tiếp mô men và từ thông……………………...26 Hình 3.8: Vector từ thông và dòng điện ở chế độ động cơ nằm ở vùng tốc độ cơ bản……………………………………………………………………….32 Hình 3.9: Điều khiển vòng trễ trong truyền động máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu………………………………………………………………...35 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý điều khiển vòng trễ…………………………………...35 Hình 3.11(a): Điều khiển so sánh trong truyền động PMSM……………………...36 VI Hình 3.11(b): Điều khiển so sánh trong truyền động PMSM……………………...37 Hình 3.12: Mô hình điều khiển động cơ PMSM theo nguyên lý vòng trễ ………...38 Hình 4.1: Minh họa hiện tượng “Windup”………………………………………..42 Hình 4.2: Proportional Band và windup…………………………………………..43 Hình 4.3: Sơ đồ song song của bộ điều khiển anti-windup kiểu “tracking”……....44 Hình 4.4: Sơ đồ nối tiếp của bộ điều khiển anti-windup kiểu “tracking”…………44 Hình 4.5: Bộ điều khiển PI với hiện tượng windup trong khâu tích phân………….45 Hình 4.6: Bộ điều khiển PI anti – windup với khâu tích phân giới hạn…………….46 Hình 4.7: Sơ đồ cải tiến của khâu tích phân kẹp ((e(t).u(t)>0)so với sơ đồ hình 4.6…………………………………………………46 Hình 4.8: Tích phân có điều kiện kết hợp với kiểu tự hiệu chỉnh (tracking / back – calculation)………………………………………47 Hình 4.9: Giao diện soạn thảo hàm Fuzzy trên Matlab…………………………...50 Hình 4.10: Các hàm thành viên e(t); de(t)/dt; Kp và Ti của bộ Fuzzy…………….50 Hình 4.11: Giao diện soạn thảo luật mờ trên Matlab dựa vào bảng 4.1 và 4.2…..51 Hình 4.12 a, b, c, d: Mô hình nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu áp 3 bậc……52 Hình 4.13: Nguyên lý điều khiển vòng trễ trong mô hình bộ nghịch lưu nguồn áp 53 Hình 5.1: Mô hình mô phỏng động cơ BLDC dùng khâu PI như sơ đồ hình 4.6….55 Hình 5.2: Cấu trúc khâu PI với hiện tượng windup trong trong khâu tích phân….56 Hình 5.3: Mô hình mô phỏng động cơ BLDC dùng khâu PI như sơ đồ hình 4.7….56 Hình 5.4: Cấu trúc bộ điều khiển PI như sơ đồ hình 4.7………………………….56 Hình 5.5: Mô hình mô phỏng động cơ BLDC dùng khâu PI như sơ đồ hình 4.8….57 Hình 5.6: Cấu trúc bộ PI như sơ đồ hình 4.8……………………………………...57 Hình 5.7: Mô hình mô phỏng động cơ BLDC dùng khâu PID-Fuzzy logic……….58 Hình 5.8: Cấu trúc khâu PID-Fuzzy logic…………………………………………58 Hình 5.9: Khối tính toán dòng điện tham chiếu mô hình động cơ BLDC………....59 Hình 5.10: Dạng sóng lý tưởng của dòng điện và sức điện động cảm ứng của động cơ BLDC hình thang………………………………………………………………..59 Hình 5.11: Cấu trúc bộ điều khiển vòng trễ mô hình điều khiển BLDC…………..61 Hình 5.12: Cấu trúc khối biến tần điều khiển động cơ BLDC…………………….62 Hình 5.13: Cấu trúc mô hình điều khiển động cơ BLDC……………………...…..62 VII Hình 5.14: Thông số cấu hình mô phỏng động cơ BLDC…………………………63 Hình 5.15: Thông số động cơ BLDC………………………………………………63 Hình 5.16: Thông số nguồn áp biến tần điều khiển động cơ BLDC………...…….63 Hình 5.17: Hệ số sức điện động cảm ứng động cơ BLDC………………………...63 Hình 5.18: Thông số mô phỏng của bộ PI (sơ đồ hình 4.6) cho động cơ BLDC….64 Hình 5.19: Thông số bộ điều khiển PID- anti windup theo sơ đồ hình 4.7 cho động cơ BLDC……………………………………………64 Hình 5.20: Thông số mô phỏng của bộ điều khiển PID – anti windup với kiểu “tracking/back-calculation” như sơ đồ hình 4.8 cho động cơ BLDC……………..65 Hình 5.21: Thông số mô phỏng của bộ điều khiển PID – Fuzzy cho động cơ BLDC…………………………………………………...65 Hình 5.22: Đáp ứng tốc độ (steps) động cơ BLDC ở chế độ không tải……………66 Hình 5.23: Đáp ứng tốc độ động cơ BLDC, chế độ không tải lúc khởi động……...66 Hình 5.24: Đáp ứng tốc độ động cơ BLDC chế độ không tải khi giảm tốc………..67 Hình 5.25: Đáp ứng mô men của động cơ BLDC chế độ không tải…………….....67 Hình 5.26: Đáp ứng mô men động cơ BLDC chế độ không tải lúc khởi động…….68 Hình 5.27: Đáp ứng mô men động cơ BLDC khi giảm tốc độ (không tải)………...68 Hình 5.28: Đáp ứng dòng điện pha a động cơ BLDC chế độ không tải…………..69 Hình 5.29: Đáp ứng dòng điện pha a động cơ BLDC lúc khởi động(không tải)….70 Hình 5.30: Đáp ứng dòng điện pha a động cơ BLDC lúc giảm tốc (không tải)…..70 Hình 5.30a: Đáp ứng tốc độ, dòng điện pha a của động cơ BLDC ở chế độ không tải....................................................................................................71 Hình 5.30b: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ BLDC ở chế độ không tải...71 Hình 5.31: Dạng sóng sức điện động cảm ứng động cơ BLDC (hình thang)……..72 Hình 5.32: Dạng sóng sức điện động cảm ứng động cơ BLDC ở tốc độ 300rad/s..72 Hình 5.33: Dạng sóng sức điện động cảm ứng động cơ BLDC ở tốc độ 50rad/s…73 Hình 5.34: Đáp ứng tốc độ của động cơ BLDC khi mang tải (thời điểm khởi động)………………………………………………..74 Hình 5.34a: Đáp ứng tốc độ của động cơ BLDC, mang tải từ 0.3s đến 0.5s..........74 Hình 5.35: Đáp ứng tốc độ của động cơ BLDC thời điểm đưa tải vào…………...75 VIII Hình 5.36: Đáp ứng tốc độ của động cơ BLDC thời điểm lấy tải ra……………...75 Hình 5.36a: Đáp ứng tốc độ của động cơ BLDC, thời điểm đưa tải vào và lấy tải ra...............................................................................................................76 Hình 5.37: Đáp ứng mô men động cơ BLDC mang tải khi khởi động…………….77 Hình 5.37a: Đáp ứng mô men của động cơ BLDC, thời điểm mang tải từ 0.3s-0.5s................................................................................................................77 Hình 5.38: Đáp ứng tốc độ của động cơ BLDC, thời điểm đưa tải vào...................78 Hình 5.39: Đáp ứng mô men động cơ BLDC khi lấy tải ra………………………..78 Hình 5.39a: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ BLDC cho trường hợp mang tải..................................................................................................79 Hình 5.40: Đáp ứng tốc độ và mô ment khi đảo chiều động cơ (PID-Fuzzy)……..79 Hình 5.41: Đáp ứng tốc độ và mô ment khi đảo chiều động cơ (sơ đồ 4.8)……….80 Hình 5.42: Đáp ứng tốc độ và mô ment khi đảo chiều động cơ (sơ đồ 4.7)……….80 Hình 5.43: Đáp ứng tốc độ và mô ment khi đảo chiều động cơ (sơ đồ 4.6)……….81 Hình 5.44: Đáp ứng tốc độ động cơ BLDC khi đảo chiều thời điểm khởi động…..81 Hình 5.44a: Đáp ứng tốc độ của động cơ BLDC cho trường hợp đảo chiều..........82 Hình 5.45 Đáp ứng tốc độ động cơ BLDC khi đảo chiều…………………………82 Hình 5.46: Đáp ứng mô men của động cơ BLDC lúc khởi động………………….83 Hình 5.46a: Đáp ứng mô men của động cơ BLDC khi đảo chiều ...........................83 Hình 5.47: Đáp ứng mô men của động cơ BLDC lúc đảo chiều quay động cơ…...84 Hình 6.1: Mô hình mô phỏng động cơ PMSM dùng khâu PI như sơ đồ hình 4.7…85 Hình 6.2: Mô hình mô phỏng động cơ PMSM dùng khâu PI như sơ đồ hình 4.8…86 Hình 6.3: Mô hình mô phỏng động cơ PMSM dùng khâu PID-Fuzzy logic………86 Hình 6.4: Cấu trúc khối Inverter điều khiển động cơ PMSM……………………..87 Hình 6.5 (a,b,c): Hàm tính điện áp ngõ ra Ua, Ub, Uc cho khối biến tần điều khiển động cơ PMSM…………………………………………………………………….87 Hình 6.6: Cấu trúc bên trong khối động cơ PMSM……………………………….88 Hình 6.7: Cấu trúc bên trong khối Hysteresis điều khiển động cơ PMSM………..88 Hình 6.8: Cấu hình thông số mô phỏng động cơ PMSM…………………………..89 Hình 6.9: Thông số động cơ PMSM……………………………………………….89 IX Hình 6.10: Thông số mô phỏng động cơ PMSM của các bộ điều khiển cho trường hợp không tải……………………………………………………………………….90 Hình 6.11: Đáp ứng tốc độ và mô men với bộ điều khiển sơ đồ 4.7………………91 Hình 6.11a: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PI như sơ đồ hình 4.7 (thời điểm khởi động)..................................................................................91 Hình 6.11b: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PI như sơ đồ hình 4.7 (thời điểm giảm tốc)....................................................................................92 Hình 6.12: Đáp ứng tốc độ và mô men với bộ điều khiển sơ đồ 4.8………………92 Hình 6.12a: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PI sơ đồ hình4.8 (thời điểm khởi động)...................................................................................93 Hình 6.12b: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PI sơ đồ hình4.8 (thời điểm giảm tốc).....................................................................................93 Hình 6.13: Đáp ứng tốc độ và mô men với bộ điều khiển PID-Fuzzy……………..94 Hình 6.13a: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PID fuzzy (thời điểm khởi động)................................................................................................94 Hình 6.13b: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PID fuzzy (thời điểm giảm tốc)..................................................................................................95 Hình 6.14: Đáp ứng tốc độ động cơ PMSM không tải thời điểm khởi động………96 Hình 6.15: Đáp ứng tốc độ động cơ PMSM không tải thời điểm giảm tốc độ…….96 Hình 6.16: Đáp ứng mô men động cơ PMSM (không tải) thời điểm khởi động…..97 Hình 6.17: Đáp ứng mô men động cơ PMSM (không tải)thời điểm giảm tốc……..97 Hình 6.18: Đáp ứng tốc độ và mô men với bộ điều khiển sơ đồ 4.7(mang tải)……98 Hình 6.18a: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PI hình 4.7(thời điểm khởi động).....................................................................99 Hình 6.18b: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PI hình 4.7(thời điểm đưa tải vào và lấy tải ra)...............................................99 Hình 6.19: Đáp ứng tốc độ và mô men với bộ điều khiển sơ đồ 4.8(mang tải)…..100 Hình 6.19a: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PI hình 4.8(thời điểm khởi động).............................................................100 Hình 6.19b: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PI hình 4.8(thời điểm đưa tải vào và lấy tải ra).......................................101 X Hình 6.20: Đáp ứng tốc độ và mô men với bộ điều khiển PID-Fuzzy (mang tải)..101 Hình 6.20a: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PID fuzzy(thời điểm khởi động)...............................................................102 Hình 6.20b: Đáp ứng tốc độ và mô men của động cơ PMSM với khâu PID fuzzy(thời điểm đưa tải vào và lấy tải ra)........................................102 Hình 6.21: Dạng sóng dòng điện 3 pha động cơ PMSM (mang tải)…………….103 Hình 6.22: Đáp ứng tốc độ động cơ PMSM lúc khởi động (chưa mang tải)…….103 Hình 6.23: Đáp ứng tốc độ của động cơ PMSM khi mang tải…………………...104 Hình 6.24: Đáp ứng tốc độ của động cơ PMSM khi ngắt tải…………………….104 Hình 6.25: Đáp ứng mô men của động cơ PMSM lúc khởi động………………...105 Hình 6.26: Đáp ứng mô men của động cơ PMSM lúc đưa tải vào………………105 Hình 6.27: Đáp ứng mô men của động cơ PMSM lúc ngắt tải…………………..106 Hình 6.28: Đáp ứng tốc độ và mô men khi động cơ đảo chiều (sơ đồ 4.7)………107 Hình 6.29: Đáp ứng tốc độ và mô men khi động cơ đảo chiều (sơ đồ 4.8)………108 Hình 6.30: Đáp ứng tốc độ và mô men khi động cơ đảo chiều (PID-Fuzzy)…….108 Hình 6.31: Đáp ứng tốc độ động cơ PMSM khi khởi động ( đảo chiều)…………109 Hình 6.32: Đáp ứng tốc độ động cơ PMSM khi đảo chiều………………………109 Hình 6.33: Đáp ứng mô men động cơ PMSM khi khởi động (đảo chiều)………..110 Hình 6.34: Đáp ứng mô men động cơ PMSM khi đảo chiều……………………..110 Hình 6.35: Đáp ứng mô men của động cơ PMSM khi đảo chiều..........................111 XI CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU BLDC (Brushless Direct Current) Động cơ một chiều không chổi quét. PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. PID (Proportional–Integral–Derivative) Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ. PWM (Pulse Width Modulation) Điều biến độ rộng xung. EMF (Electro-Motive-Force) Lực điện động. ia, ib, ic Dòng điện pha phía stator ea, eb, ec Sức điện động pha a, b, c. van, vbn, vcn Điện áp pha đặt lên động cơ. vno, Điện thế điểm từ trung tính tải đến điểm chuẩn của nguồn DC. EP Biên độ sđđ động cảm ứng. F( ) Hàm tính hệ số sđđ cảm ứng Vds, Vqs Điện áp stator và rotor trong hệ tọa độ d-q. Vf Điện áp cuộn kích từ ids, iqs Dòng điện stator trong hệ toạ độ d-q ψds,ψqs Từ thông stator trong hệ tọa độ d-q. ψf Từ thông cuộn kích từ ψm Từ thông nam châm vĩnh cửu Te Mô men điện từ. TL Mô men tải. RS Điện trở stator. XII Rf Điện trở cuộn kích từ. LS Điện cảm cuộn stator. Lf Điện cảm cuộn kích từ. Lm Điện cảm từ hoá. J Mô men quán tính. P Số đôi cực XIII Chương 1 Khái niệm về hệ thống servo CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG SERVO VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN. 1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển servo Điều khiển servo cũng được gọi dưới dạng thuật ngữ điều khiển chuyển động (motion control) hay điều khiển rô bốt (robotics) là hệ thống điều khiển sử dụng trong công nghiệp dùng để di chuyển một đối tượng (tải) theo một kiểu dáng nào đó. Các hệ thống này có thể sử dụng các kỹ thuật khí nén, thủy lực hoặc các cơ cấu chấp hành kiểu cơ – điện tử [22]. Cơ cấu chấp hành trong hệ thống điều khiển servo có nhiệm vụ cung cấp năng lượng để di chuyển đối tượng tải. Việc chọn lựa cơ cấu chấp hành dựa vào các tiêu chuẩn như: công suất, tốc độ, cấp chính xác cũng như các yêu cầu về giá cả. Các hệ thống cơ – điện tử là dạng tiêu biểu cho các ứng dụng liên quan đến tốc độ cao, độ chính xác cao và mức tiêu thụ công suất trung bình. Động cơ điện là các cơ cấu chấp hành cho kiểu hệ thống cơ – điện tử trong các mô hình điều khiển servo. Một hệ thống điều khiển servo có cấu tạo như sau: Hình 1.1: Cấu tạo hệ thống điều khiển servo[13] Nhìn vào sơ đồ ta nhận xét rằng: một hệ thống servo sẽ hoạt động với bộ điều khiển các thiết bị điện tử dùng linh kiện bán dẫn để kích hoạt các động cơ servo, nhằm mục đích thay đổi đối tượng (tải) theo yêu cầu. Hệ thống điều khiển servo yêu 1 Chương 1 Khái niệm về hệ thống servo cầu phải đáp ứng nhanh đối với tải về mô men, tốc độ hay vị trí như mô tả ở hình 1.1 Và để thực hiện được các yêu cầu này thì loại động cơ sử dụng trong hệ thống servo phải là kiểu BLDC_Brushless Direct Current (động cơ một chiều không chổi quét) hay PMSM_Permanent Magnet Synchronous Motor (động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu). Vòng lặp hồi tiếp từ ngõ ra của động cơ servo thường sử dụng các kiểu sau: - Điều khiển tốc độ: Hình 1.2: Vòng lặp điều khiển tốc độ.[13] - Điều khiển vị trí: Hình 1.3: Vòng lặp điều khiển vị trí. [13] - Điều khiển mô men: Hình 1.4: Vòng lặp điều khiển mô men. [13] 2 Chương 1 Khái niệm về hệ thống servo 1.2 Các vấn đề liên quan Như đã đề cập ở trên, nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển servo là khả năng đáp ứng nhanh đối với sự thay đổi về tốc độ, mô men hay vị trí. Các đại lượng này chủ yếu do khâu hồi tiếp quyết định, liên quan đến cấu trúc và các thông số điều khiển cho từng trường hợp cụ thể. Một số đề tài về động cơ servo đã được các tác giả trong và ngoài nước thực hiện như sau: - “Mô phỏng và điều khiển động cơ một chiều không chổi than”, luận văn Thạc sĩ của tác giả Nguyễn Trọng Duy [4]. Nội dung có đề cập đến mô hình điều khiển động cơ BLDC không dùng cảm biến, với khâu hiệu chỉnh PI truyền thống (hiện tượng windup trong khâu tích phân) cho mô hình điều khiển tốc độ, có đáp ứng tốc độ tương đối nhanh, nhưng có hiện tượng vọt lố tại các thời điểm tốc độ thay đổi. - “Brushless DC Motor”, của tác giả Devendra Rai; Department of Electronics and Communication Engineering, National Institute of Technology Karnataka Surathkal 575 025 INDIA [20]. Nội dung đề cập đến điều khiển động cơ BLDC dùng cảm biến, với khâu hiệu chỉnh PID truyền thống cho mô hình điều khiển tốc độ. - “Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển mô men trực tiếp”, Luận văn Thạc sĩ của tác giả Đặng Thanh Tùng [5]. Nội dung tập trung vào việc so sánh phương pháp điều khiển mô men trực tiếp và phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor. Các mô hình điều khiển đều sử dụng khâu PID anti-Windup để điều khiển tốc độ, có đáp ứng tốc độ và mô men nhanh nhưng có độ vọt lố tốc độ tương đối cao so với giá trị mong muốn ở các thời điểm khi có tải. 1.3 Nội dung nghiên cứu - Sử dụng mô hình mô phỏng không dùng cảm biến cho động cơ BLDC và mô hình ước lượng từ thông rotor với phương pháp điều khiển vòng trễ cho động cơ PMSM. - Các bộ điều khiển dùng trong mô hình mô phỏng bao gồm: 3 Chương 1 Khái niệm về hệ thống servo ƒ Động cơ BLDC: dùng các bộ điều khiển PI truyền thống, PI - anti windup, PI – anti windup với chức năng tự điều chỉnh và PID – Fuzzy logic. ƒ Động cơ PMSM: dùng các bộ điều khiển PI – anti windup, PI – anti windup với chức năng tự hiệu chỉnh và PID – Fuzzy logic. - Mô phỏng động cơ BLDC và PMSM ở các chế độ: không tải với vận tốc định mức, quá trình đưa tải vào và lấy tải ra với lệnh vận tốc không đổi, đảo chiều động cơ ở chế độ không tải - So sánh và đánh giá các ưu khuyết điểm của các sơ đồ điều khiển cho cả 2 loại động cơ. Đối với các phương pháp điều khiển khác như: điều khiển so sánh, điều khiển trực tiếp mô men dùng bảng tìm kiếm hay sự kết hợp điều khiển mô men trực tiếp dùng bảng tìm kiếm với bộ PID – Fuzzy sẽ là hướng đề xuất mở rộng khi kết hợp với khâu hiệu chỉnh tốc độ với sơ đồ PID anti – windup cải tiến nêu trên. 1.4 Các bộ điều khiển mới dùng trong mô hình mô phỏng Trong chương 4, sẽ trình bày chức năng các bộ điều khiển PI, PID truyền thống, PID – anti windup, PID – anti windup với chức năng tự hiệu chỉnh (tracking / back-calculation) và PID – Fuzzy logic. Điểm mới trong phạm vi đề tài là việc sử dụng các bộ điều khiển sau đây trong mô hình mô phỏng: ƒ PID – anti windup với chức năng tự hiệu chỉnh và PID – Fuzzy logic cho động cơ BLDC. ƒ PID – anti windup với chức năng tự hiệu chỉnh cho động cơ PMSM. 4