Đề tài Xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ dùng phương pháp vetor và mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink

Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê-MSSV 20112613 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP -------- ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Tạ Cao Minh Sinh viên thực hiện : Nguyễn Minh Khuê Lớp : ĐK&TĐH 2-K56 MSSV : 20112613 Hà Nội - 2015 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê-MSSV 20112613 Mục lục Lời nói đầu ................................................................................................................................ 1 Đề bài: ....................................................................................................................................... 2 Tham số của động cơ điện IPM: ............................................................................................... 3 Chương 1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ IPM ................................................... 4 1.1. Cấu tạo của động cơ IPM .................................................................................................. 4 1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ IPM. .............................................................................. 5 Chương 2: Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ IPM bằng phương pháp vector ................................................................................................................................ 6 2.1. Chuyển tọa độ abc sang dq ................................................................................................ 6 2.2. Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ IPM điều khiển bằng phương pháp vector. ................................................................................................................. 7 2.2.1 Điều khiển vecto với Ids=0 ............................................................................................... 7 2.2.2. Điều khiển vecto Ids ≠ 0 với tỉ số s M I cực đại. ................................................................. 8 Chương 3: Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền ................................. 9 3.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ ................................................................................. 9 3.2. Tính toán các hàm truyền bộ biến đổi và các cảm biến ................................................... 10 Chương 4: Xây dựng cấu hình điều khiển và tính toán bộ điều khiển dòng điện, tốc độ ...... 12 4.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ..................................................................................... 12 4.2. Thiết kế mạch vòng tốc độ ............................................................................................... 14 5. Mô phỏng và kiểm nghiệm mô hình bằng Matlab và Simulink ......................................... 16 Tổng kết .................................................................................................................................. 20 Tài liệu tham khảo .................................................................................................................. 21 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 1 Lời nói đầu Những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, vi xử lý, công nghệ bán dẫn và kĩ thuật điều khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho giải pháp tự động hóa công nghiệp. Nhiều phương pháp điều khiển hiện đại được đề xuất cho việc điều khiển các hệ truyền động. Và những năm gần đây, phương pháp điều khiển động cơ sử dụng điều khiển vector (vector control) đặc biệt được quan tâm. Với những ưu điểm vượt trội so với các động cơ khác cùng với việc sử dụng cấu trúc điều khiển hiện đại thì động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được sử dụng nhiều trong các hệ truyền động yêu cầu chính xác về vị trí và tốc độ và đặc biệt có ưu thế tuyệt đối trong ứng dụng điều khiển oto điện. Trong đồ án này, chúng em sẽ xây dựng cấu trúc hệ điều khiển với 2 mạch vòng dòng điện và tốc độ dùng phương pháp vetor và mô phỏng hệ điều khiển trong Simulink Chúng em xin chân thành cảm ơn !!! Hà Nội, tháng 5 năm 2015 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 2 Đề bài: Cho thông số động cơ IPM 1. Hãy xác định các tham số của động cơ truyền động 2. Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động, điều khiển bằng phương pháp vector. 3. Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền 4. Xây dựng cấu hình điều khiển với 2 mạch vòng (dòng điện, tốc độ) 5. Mô phỏng hệ truyền động trong Simulink, lấy các đặc tính điều khiển (tốc độ, dòng điện) vùng dưới tốc độ cơ bản. Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 3 Tham số của động cơ điện IPM: Điện áp vào (V) 240 Công suất lớn nhất (kW) 80 Momen lớn nhất (N.m) 220 Tốc độ quay lớn nhất (rpm) 11000 Dòng điện lớn nhất (A) 400 Công suất định mức (kW) 40 Momen định mức (N.m) 133 Tốc độ định mức (rpm) 2600 Dòng điện định mức (A) 216 Số đôi cực 6 Từ thông cực (Wb) 0.07 Tần số đóng cắt (kHz) 8 Điện cảm trục d (Ld) [ H ] 375 Điện cảm trục q (Lq) [ H ] 835 Điện trở stator (Rs) [mΩ] 29,5 Momen quán tính(Kg.m 2 ) 0,1 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 4 Chương 1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ IPM 1.1. Cấu tạo của động cơ IPM Động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu (ĐB NCVC) có rotor là NCVC và dây quấn 3 pha ở stator. Trong động cơ đồng bộ NCVC thường kèm theo các cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ được sử dụng cho hệ truyền động servo. ĐBNCVC thường được cấp hoặc điều khiển từ một bộ biến tần nguồn áp hoặc nguồn dòng với điều khiển tần số và điện áp theo quy luật yêu cầu. Hình 1.1: Cấu tạo của động cơ đồng bộ NCVC cực từ bố trí mặt ngoài và cưc chìm bên trong( SPM và IPM) Động cơ IPM ( Interior Permanent Magnet), còn gọi là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm, thuộc loại động cơ đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu. Trong đó phần cảm được kích thích bằng những phiến nam châm bố trí dưới bề mặt rotor. Các thanh nam châm thường được làm bằng đất hiếm, là các nam châm có hiệu suất năng lượng cao và giảm tối đa hiệu ứng khử từ. Rotor của động cơ IPM thường làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn thành khối trụ sau đó gia công phay rãnh để đặt các thanh nam châm. Khi các thanh nam châm ẩn trong rotor thì có thể đạt được cấu trúc cơ học bền vững hơn, kiểu này thường được sử dụng trong các động cơ cao tốc. Tốc độ loại này thường cao nên để hạn chế lực li tâm rotor thường có dạng hình trống với tỉ số “chiều dài/đường kính” lớn. Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 5 1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ IPM. ĐBNCVC làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn stator và từ trường của NCVC đặt trên roto tạo nên. Khi số đôi cực của từ trường stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bằng nhau, thì xuất hiện lực kéo điện từ giữa các cực từ của stator và rotor và hình thành momen điện từ. Động cơ khởi động dưới tác dụng của momen không đồng bộ hình thành do sự tương tác giữa từ trường rotor và dòng điện trong dây quấn stator. Khi đạt tới tốc độ gần đồng bộ nhờ tác dụng từ trường quay stator và cực từ nam châm vĩnh cửu, rotor được kéo vào đồng bộ. Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 6 Chương 2: Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ IPM bằng phương pháp vector 2.1. Chuyển tọa độ abc sang dq Tại sao cần chuyển hệ tọa độ abc sang dq? Khó khăn trong điều khiển động cơ IPM là số phương trình mô tả động cơ là 10 phương trình do vậy việc mô hình hóa và điều khiển động cơ trở lên khó khăn, chính vì vậy ta cần qui đổi hệ tọa độ của động cơ về một hệ tọa độ mà ở đó việc mô hình động cơ được đơn giản hóa. Hệ tọa độ dq ra đời để giải quyết vấn đề trên. Hình 2.1. Dạng dòng điện và điện áp chuyển từ hệ tọa độ abc sang dq.  2 sinaU t 2 2 sin 3 bU t          2 2 sin 3 cU t          s a b cI I I I   sI quay làm , ,a b cI I I thay đổi Xét trong hệ tọa độ quay dq : s d qI II   d q a b cI I I I I    sI quay không làm thay đổi dI , qI do hệ trục tọa độ dq quay cùng tốc độ quay của từ trường với sI Suy ra hình chiếu sI xuống dq không đổi (khi Is= const ) Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 7 Vì vậy nếu xây dựng động cơ IPM trong hệ tọa độ quay dq thì số phương trình mô tả động cơ sẽ là : 2 phương trình điện áp : sd sd s sd sd s sq sq di u R i L L i dt    sq sq s sq sq s sd sd s p di u R i L L i dt      1 phương trình điện từ : 3 3 ( . . ) . . ( ) 2 2 M sd sq sq sd p sq sd sq sd sqm p i i p i i i L L         1 phương trình động học : c d M M J dt    Do vậy nếu xây dựng mô hình động cơ IPM trong hệ tọa độ dq thì việc thiết lập mô hình động cơ cũng như mô hình điều khiển đi kèm trở nên đơn giản hơn. 2.2. Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ truyền động động cơ IPM điều khiển bằng phương pháp vector. Momen điện từ của động cơ sinh ra bởi sự tương tác giữa từ trường rotor nam châm vĩnh cửu và dòng stator: 3 3 ( . . ) . . ( ) 2 2 sd sq sq sd p sq sd sq sd sqM p i i p i i i L L         Ta nhận thấy rằng momen quay của động cơ đồng bộ bao gồm 2 thành phần: Momen tương tác: 1 3 . 2 p qM p I Momen từ trở:  2 3 . . 2 d q d qM p L L I I  Do cấu tạo của roto mà ở trong động cơ IPM Lq>Ld (không đẳng hướng) 2.2.1 Điều khiển vecto với Ids=0 Điều khiển tốc độ ở vùng dưới tốc độ cơ bản, ta đặt dòng điện Id = 0 1 3 . 2 p qM M p I  Vậy việc điều khiển dòng điện Iq cũng chính là điều khiển momen điện từ của động cơ Phương trình động lực học c d M M J dt    Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 8 Việc điều khiển tốc độ động cơ vùng dưới tốc độ cơ bản (Id = 0) chính là việc điều khiển dòng điện Iq. 2.2.2. Điều khiển vecto Ids ≠ 0 với tỉ số s M I cực đại. Để điều khiển tốc độ trên tốc độ cơ bản, ta đưa dòng Id<0 để tạo ra momen từ trở  2 3 . . 2 d q d qM p L L I I  để tăng momen điện từ M = M1+M2 cho động cơ. Chiến lược điều khiển MPPA (Maximum Torque per Ampere) Tối ưu tỉ số: s M I Tìm hàm tối ưu M=f(id, iq) thỏa mãn 2 phương trình : 2 2 s ds qsI I I  3 . . ( ) 2 p sq sd sq sd sqM p i i i L L     sao cho 2 2 ds qs dmu u U  2 2 ds qs dmI I I  Từ hàm tối ưu tìm được, ta sẽ đưa ra được giá trị Id và Iq đặt. Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 9 Chương 3: Mô hình hóa hệ truyền động bằng phương pháp hàm truyền 3.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ Do luôn tồn tại hướng xác định của từ thông rotor ( từ thông cực) nên đối với động cơ đồng bộ ta chỉ sử dụng phương thức mô tả toán học thu được trên cơ sở các quan sát từ hệ trục tọa độ dq. Với động cơ đồng bộ thì s cũng chính là  . Ta có: Phương trình điện áp trên hệ trục tọa độ từ thông s s su =R .i + . . s s s d j dt    Phương trình từ thông . . sd sd sd p sq sq sq i L i L        Phương trình điện áp: . . . . . . . . sd sd s sd s sq sq sq sq s sq sq s sd sd s p di u R i L i dt di u R i L L i dt                Hình 3. 1. Hệ trục tọa độ từ thông Laplace hai vế hệ phương trình điện áp ta được: 1/ ( . . ) . 1 1/ ( . . . ) . 1 s sd sd s sq sq sd s sq sq s sq sd s p sq R i u L i T s R i u L i T s                Trong đó: /sd sd sT L R : hằng số thời gian trục d của mạch stator. /sq sq sT L R : hằng số thời gian trục q của mạch stator. Ta có phương trình moment: 3 3 ( . . ) . . ( ) 2 2 sd sq sq sd p sq sd sq sd sqM p i i p i i i L L         Phương trình chuyển động: .c J d M M s dt    Ta nhận thấy rằng momen quay của động cơ đồng bộ bao gồm 2 thành thành phần: thành phần chính với tích .p sqi và thành phần phản kháng do sự chênh lệch điện cảm stator  sd sqL L gây ra. Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 10 Ta có mô hình động cơ đồng bộ 3 pha kích thích vĩnh cửu. Hình 3. 2. Mô hình động cơ IPM trên hệ trục tọa độ quay dq Nhận xét: Mô hình phi tuyến do thay đổi  trong quá trình làm việc. Có sự xen kênh giữa 2 thành phần sdi và sqi . Chúng ta cần xây dựng bộ điều khiển tách kênh khử sự tương tác giữa 2 dòng điện trên. 3.2. Tính toán các hàm truyền bộ biến đổi và các cảm biến Hàm truyền bộ biến đổi 240 24 10 d nl dk U K U    0,001nlT  (bao gồm hằng số thời gian phát xung và bộ nghịch lưu) Hàm truyền bộ biến đổi là: 24 ( ) 0,001 1 nlG s s   Hàm truyền của khối đo dòng 10 0.023 2 2.216 dk i dm U K I    Ti =0,001 (s) Hàm truyền khối đo dòng là: 0,023 ( ) 0,001 1 iG s s   Hàm truyền của khối đo tốc độ ax 10 0,0087 1152 dk m U K     Tω =0,01 (s) Hàm truyền khối đo tốc độ là: 0,0087 ( ) 0,01 1 G s s    Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 11 Hàm truyền động cơ truyền động Hàm truyền động cơ: 1/ ( ) 1 s d R G s Ts   Suy ra: 1/ ( ) 1 s id sd R G s T s   1/ ( ) 1 s iq sq R G s T s   Trong đó: Rs= 29,5mΩ; Lsd=0,375mH; Lsq=0,835mH Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 12 Chương 4: Xây dựng cấu hình điều khiển và tính toán bộ điều khiển dòng điện, tốc độ Hình 4. 1.Câu trúc hệ truyền động động cơ IPM 4.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện Theo mô hình động cơ đã đưa ra ở trên, ta có cấu trúc hàm truyền của đối tượng dòng điện động cơ như sau Hình 4. 3. Mô hình dòng điện động cơ IPM Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 13 Do hằng số thời gian của khâu nghịch lưu và khâu đo dòng là rất nhỏ, ta có thể thiết kế bộ điều khiển dòng điện và bộ bù xen kênh để điều khiển cũng như triệt tiêu ảnh hưởng của xen kênh như sau Hình 4. 4. Mô hình mạch vòng điều khiển dòng điện Như vậy, ta đã triệt tiêu được tương tác giữa isd và isq đảm bảo điều khiển độc lạp hai đối tượng trên giống như ở động cơ một chiều kích từ độc lập. Hàm truyền dòng isd: 0 . . ( 1)( 1)( 1) ( 1)( 1) nl i nl i id s sd i nl s sd si K K K K S R T s T s T s R T s T s        với si i nlT T T  Chọn tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 2 2 1 1 2 . 2 . chF s s        2 2 0 2 2 1 1 2 . 2 . ( 1)( 1) .(1 ) . 1 .2 11 ( 1)( 1) 1 2 2 ch sd si id nl iid ch nl i ss sd si F s s T s T s R K KS F K K s s RR T s T s s s                              Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 14 Chọn siT  ta có 1 1 1 . . .2 . .2 sd sd id nl i nl i si sd si s T s L R K K K K T T s T s R         Hoàn toàn tương tự 0 . ( 1)( 1) nl i iq s sq si K K S R T s T s    ; 1 1 1 . . .2 . .2 sq sq iq nl i nl i si sq si s T s L R K K K K T T s T s R          4.2. Thiết kế mạch vòng tốc độ Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi toàn bộ mạch vòng dòng điện là hàm theo chuẩn tối ưu module và coi thành phần Ws.Ls là nhiễu nên ta có được mạch vòng điều khiển tốc độ như sau. Hình 4. 5.Cấu trúc mạch vòng tốc độ của động cơ IPM Hàm truyền của mạch vòng tốc độ là:     0 2 2 3 .1/ . .1 . . 1 2 2 2 1 1 2 . 1 . 1 . pi td td si si si s pK K K K K K S T s T s Js T s T s T s Js T s Js                  Trong đó 3 . ; 2 ; 2 p td s si p K T T T      Chọn tiêu chuẩn tối ưu module 2 2 1 1 2 2 chF s s      Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 15 Ta có       2 2 2 2 1 11 2 2 (1 ) . 2 1. 1 1 1 1 2 2 sch o ch tdtd s T s JsF s s R S F K K s sK K T s Js s s                               Chọn sT   => . .2td s J R K K T     ; Bộ điều khiển thu được là bộ P như vậy bộ điều khiển tốc độ theo chuẩn tối ưu module không khử hết được nhiễu tải. Ta cần thiết kế bộ điều khiển khác xử lý được vấn đề trên Chọn tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 2 2 3 3 1 4 1 4 8 8 ch s F s s s              Ta tính được hàm điều khiển   2 2 3 3 2 2 3 3 1 4 1 4 8 8 (1 ) . 1 4 1 1 1 4 8 8 ch o ch td s s F s s s R S F K K s T s Js s s s                                     Rút gọn thu được     2 2 1 4 1 . .8 1 s td s T s Js R K K s s              Chọn sT   ta có   2 1 4 1 1 . 8 2 4 s td s td s s J T s J R K K T s K K T T s                 Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 16 5. Mô phỏng và kiểm nghiệm mô hình bằng Matlab và Simulink Mô hình mạch vòng điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ IPM như sau Hình 5. 2. Mô hình cấu trúc hai mạch vòng điều khiển động cơ IPM File .m để nhập các thông số: clc; % Tham so dong co 80KW(PMSM for FCEV) U=240; Idm=216; ws=2600/9.55; Rs=29.5e-3; Lsd=375e-6; Lsq=835e-6; Tsd=Lsd/Rs; Tsq=Lsq/Rs; p=6; phi_p=0.07; J=0.1; % Tham so bo dieu khien Udk=10; Knl=U/Udk; Tnl=1/(1e3); Ki=Udk/(2.5*Idm); Ti=0.001; wdm=ws; Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 17 Kw=Udk/(1152); Tw=0.002; Ktd=3*p*phi_p/(2*Ki); Tsi=Ti+Tnl; Tsw=2*Tsi+Tw; Mski=Knl*Ki*2*Tsi/Rs; Với các lượng đặt 272,251;dm    133 ;t dmM M Nm  ta thu được đáp ứng hệ thống như sau Hình 5. 3. Dòng Isd Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 18 Hình 5. 4. Dòng Isq Hình 5. 5. Tốc độ quay Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 19 Hình 5. 6. Momen động cơ và Momen tải Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng - Dòng điện đáp ứng đúng tính toán, không bị ảnh hưởng tác động lẫn nhau giữa 2 dòng isd và isq - Tốc độ động cơ bám sát giá trị đặt, không có độ quá điều chỉnh tốc độ do có sự tham gia của khâu tạo trễ - Bị sụt tốc độ khi đóng tải nhưng sau đó tốc độ đáp ứng trở lại - Sai lệch tĩnh e∞  0 Như vậy, bộ điều khiển thiết kế đáp ứng yêu cầu của hệ thống Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 20 Tổng kết Như vậy trong nội dung của đồ án chúng em đã trình bày về việc mô hình hóa động cơ IPM trên hệ trục tọa độ dq quay đồng bộ cũng như thiết kế bộ điều khiển dòng điện và tốc độ. Mô hình mô phỏng và kiểm nghiệm xây dựng trên phần mềm Matlab và Simulink cũng đã chứng minh được tính đúng đắn của bộ điều khiển. Đồ án có thể phát triển lên khi thiết kế điều khiển dòng Isd âm cho vùng trên tốc độ cơ bản cũng như thiết kế mạch điều khiển thực tế cho động cơ IPM tương ứng Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Tạ Cao Minh đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Mong được sự nhận xét và góp ý của thầy cô để đồ án được hoàn chỉnh hơn. Đồ án chuyên ngành GVHD: PGS.TS Tạ cao Minh Nguyễn Minh Khuê _MSSV 20112613 Page 21 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kĩ thuật 2005 [2] Bùi Quốc Khánh & Ng