›
›

Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

Download
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO  
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  
HỒ ĐỨC NHÂN  
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID  
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ  
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA  
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa  
Mã số: 60.52.02.16  
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT  
Đà Nẵng - Năm 2017  
Công trình đã được nghiên cứu tại  
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LÊ HÕA  
Phản biện 1: TS. NGÔ ĐÌNH THANH  
Phản biện 2: TS. NGUYỄN VĂN SUM  
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp  
thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 05 năm  
2017  
Có thể tìm hiểu luận văn tại:  
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng  
1
MỞ ĐẦU  
1. Tính cấp thiết của đề tài  
Hiện nay, trong các hệ truyền động điện của các dây chuyền công  
nghệ hiện đại, động cơ không đồng bộ (KĐB) đang được ứng dụng  
rất rộng rãi bởi nó có nhiều ưu điểm so với động cơ một chiều. Tuy  
nhiên do cấu trúc phi tuyến đa thông số, nên việc điều khiển động cơ  
không đồng bộ gặp nhiều khó khăn.  
Những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ  
thuật, công nghệ vi điện tử, khoa học máy tính, công nghệ bán dẫn  
công suất và kỹ thuật điều khiển đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong  
hướng đi cho giải pháp tự động hoá công nghiệp, nhiều phương pháp  
điều khiển hiện đại, hiệu quả đã được đề xuất cho việc điều khiển  
động cơ không đồng bộ. Đặc biệt, phương pháp điều khiển vector là  
một phương pháp tin cậy và hiệu quả để điều khiển các hệ động cơ  
không đồng bộ nhờ đó có thể thay thế dần động cơ một chiều.  
Điều khiển động cơ KĐB theo định hướng trường tập trung vào 3  
loại chính là: Tựa theo từ thông rotor (RFOC – rotor flux oriented  
control), tựa theo từ thông stator (SFOC – stator flux oriented  
control) và tựa theo từ thông khe hở không khí (AFOC – air gap flux  
oriented control). Tuy sử dụng các vector định hướng khác nhau  
nhưng chúng có cùng mục đích là điều khiển moment và từ thông  
của động cơ KĐB ba pha. Trong đó RFOC đã được sử dụng phổ biến  
hơn bởi vì khối lượng tính toán ít, dễ dàng thực hiện trong điều  
khiển.  
Để đưa lý thuyết vào thực tế hiệu quả, nhằm giảm được giá thành  
cũng như đảm bảo an toàn trong thực nghiệm, chúng ta sử dụng các  
công cụ mô phỏng mạnh để mô phỏng, đặc biệt là Matlab Simulink.  
2
Quá trình phân tích và mô phỏng không những làm sáng tỏ, tường  
minh và trực quan các vấn đề của các thuật toán mà lý thuyết đưa ra,  
là công cụ tốt để nghiên cứu và học tập mà còn cho phép chúng ta  
nghiên cứu bản chất vật lý, các quá trình điện từ xảy ra trong các  
kênh năng lượng và kênh điều khiển của truyền động điện xoay  
chiều không đồng bộ 3 pha; giúp giảm chi phí trong quá trình thực  
nghiệm và là một công đoạn không thể thiếu được trong quy trình áp  
dụng các công nghệ mới từ lý thuyết vào thực tế.  
Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ sư về lĩnh  
vực điều khiển máy điện, quan tâm đến phương pháp điều khiển định  
hướng trường để điều khiển động cơ KĐB, cung cấp những kiến thức  
về cách thức tiếp cận lý thuyết định hướng trường.  
2. Mục tiêu nghiên cứu  
+ Mục tiêu tổng quát  
Nghiên cứu các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB  
rotor 3 pha lồng sóc.  
+ Mục tiêu cụ thể  
Khảo sát các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3 pha.  
Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ KĐB 3  
pha.  
Tìm hiểu phần mềm Matlab và ứng dụng để mô phỏng hệ thống.  
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  
Nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường, là  
phương pháp điều khiển tốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều  
khiển động cơ điện.  
Xây dựng mô hình động cơ KĐB 3 pha với bộ điều khiển PID  
Mô phỏng và phân tích kết quả bằng phần mềm Matlab Simulink  
3
Đề xuất mô hình ước lượng tốc độ, ước lượng từ thông trong hệ  
thống điều khiển định hướng từ thông rotor (RFOC) động cơ không  
đồng bộ ba pha.  
4. Phƣơng pháp nghiên cứu  
Tham khảo tài liệu: Sách trong nước và nước ngoài, các công  
trình nghiên cứu khoa học đã được công bố, báo và tạp trí khoa học  
trên internet.  
Khảo sát, phân tích tổng hợp, mô hình hóa và mô phỏng các phần  
tử trên máy tính dùng chương trình Matlab Simulink.  
Đánh giá kết quả nghiên cứu dựa trên kết quả mô phỏng.  
5. Bố cục đề tài  
Toàn bộ luận văn được chia làm 6 chương:  
Chương 1: Tổng quan về đề tài  
Chương 2: Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha  
Chương 3: Điều khiển định hướng trường  
Chương 4: Bộ điều khiển PID  
Chương 5: Xây dựng cấu trúc các khối điều khiển  
Chương 6: Nhận xét kết quả mô phỏng  
4
CHƢƠNG 1  
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI  
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ  
1.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG  
CƠ  
1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG  
ĐỒNG BỘ  
1.3.1. Phƣơng pháp V/f = const (điều khiển vô hƣớng)  
1.3.2. Phƣơng pháp điều khiển moment trực tiếp (DTC)  
1.3.3. Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC)  
Điều khiển định hướng trường (FOC) đạt được việc thay đổi  
moment và từ thông dẫn đến việc điều khiển được từ thông và  
moment tương tự như động cơ DC kích từ độc lập.  
Điều khiển định hướng trường FOC có các đặc điểm sau:  
-
-
Định hướng được từ thông, tối ưu được moment.  
Điều khiển vòng kín, moment được điều khiển gián tiếp.  
Ưu điểm:  
-
-
-
Điều khiển chính xác tốc độ  
Đáp ứng moment ổn định  
Nguyên lý điều khiển tương tự động cơ DC  
Nhược điểm:  
-
-
-
Phải có hồi tiếp từ thông trong giải thuật điều khiển  
Quá trình điều khiển phải chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục  
Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều  
khiển dòng hay áp và thông số đầy đủ của động cơ  
5
CHƢƠNG 2  
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA  
2.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA  
2.1.1. Cấu tạo  
a. Stator gồm các bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy  
b. Rotor gồm có các bộ phận: lõi thép, trục và dây quấn  
c. Khe hở không khí  
2.1.2. Nguyên tắc hoạt động của động cơ không đồng bộ ba  
pha  
2.2. VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƢỢNG BA  
PHA  
2.2.1. Khái quát  
2.2.2. Xây dựng vectơ không gian  
a. Mô tả vector trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ)  
b. Mô tả vector trên tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)  
2.3. MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA  
PHA [3]  
Sơ đồ thay thế tương đương động cơ KĐB 3 pha lý tưởng hình  
2.14  
L
Rs  
Rr  
L
+
-
Lr  
Ls  
j
Lm  
r
Hình 2.14. Sơ đồ thay thế tương đương  
động cơ KĐB 3 pha lý tưởng [6]  
6
2.3.1. Hệ phƣơng trình trạng thái của động cơ KĐB 3 pha  
trên hệ tọa độ stator (αβ)  
dis  
dt  
1
1
1
1
1
is  
is  
us  
us  
r
r
Ts  
Tr  
Tr  
Tr  
Ls  
dis  
dt  
1
1
1
1
1
(2.17)  
r
r
Ts  
Tr  
Ls  
d
1
1
r
r
is  
is  
r
r
dt  
Tr  
Tr  
d
1
1
r
r
dt  
Tr  
Tr  
Phương trình moment:  
2
3
2
L
Lr  
(2.19)  
mM  
2.3.2. Hệ phƣơng trình trạng thái của động cơ KĐB 3 pha  
trên hệ tọa độ từ thông rotor (dq)  
(2.27)  
1
Tr  
T
r
1
Tr  
T
r
Phương trình moment:  
2
3
L
(2.29)  
mM  
2
(
Lr  
7
2.3.3. Phép chuyển hệ trục tọa độ  
a.Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ αβ và  
ngược lại  
Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ.  
(2.31)  
(2.32)  
Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ abc.  
usa us  
1
2
1
2
3
usb  
usc  
us  
us  
us  
us  
2
3
2
b. Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq và ngược  
lại  
Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq.  
2
3
2
4
usd  
ua cos  
ub cos  
-
uc cos  
-
s
s
s
3
3
(2.33)  
2
2
4
usq  
ua sin  
ub sin  
-
uc sin  
-
s
s
s
3
3
3
8
Phép chuyển hệ trục tọa độ dq sang hệ tọa độ abc.  
ua usd cos  
ub usd cos  
sin  
2
s
s
2
(2.34)  
usq sin  
usq sin  
s
s
s
s
3
3
4
4
uc usd cos  
3
3
c. Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngược lại  
Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq.  
usd us cos  
us sin  
us cos  
s
s
(2.35)  
(2.36)  
usq  
us sin  
s
s
Phép chuyển hệ trục tọa độ dq sang hệ tọa độ αβ.  
us  
usd cos  
usq sin  
usq cos  
s
s
s
us usd sin  
s
2.4. Kết luận  
Từ các mô hình toán động cơ KĐB 3 pha ta sẽ tiến hành xây dựng  
mô hình động cơ và mô phỏng bằng matlab simulink.  
Dựa trên các phương pháp điều khiển và trong quá trình xây dựng  
các mô hình toán, ta xây dựng chương trình chuyển hệ tọa độ phù  
hợp để thực hiện mô hình hóa các phần tử. Khi mô phỏng động cơ  
trên hệ tọa độ αβ hay dq, ta cần phải chuyển hệ tọa độ abc sang αβ  
hay ngược lại hoặc dq sang αβ theo các công thức đã nêu trên.  
9
CHƢƠNG 3  
ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG  
3.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH  
HƢỚNG TRƢỜNG (FOC)  
3.2. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG  
3.3. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG  
3.3.1. Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp  
3.3.2. Phƣơng pháp điều khiển gián tiếp  
Hình 3.3. Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp.[7]  
3.4. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG TỪ THÔNG  
ROTOR  
3.4.1. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ dòng và áp hồi tiếp  
3.4.2. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ dòng và tốc độ hồi tiếp  
3.4.3. Ƣớc lƣợng từ thông rotor từ dòng, áp và tốc độ hồi tiếp  
10  
CHƢƠNG 4  
BỘ ĐIỀU KHIỂN PID  
4.1. GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID  
4.1.1. Khâu P  
4.1.2. Khâu I  
4.1.3. Khâu D  
4.1.4. Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID  
4.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID  
4.2.1. Sử dụng hàm quá độ của đối tƣợng  
4.2.2. Sử dụng các giá trị tới hạn thu đƣợc từ thực nghiệm  
Trong trường hợp không thể xây dựng phương pháp mô hình cho  
đối tượng thì phương pháp thiết kế thích hợp là phương pháp thực  
nghiệm. Thực nghiệm chỉ có thể tiến hành nếu hệ thống đảm bảo  
điều kiện: khi đưa trạng thái làm việc của hệ đến biên giới ổn định  
thì mọi giá trị của tín hiệu trong hệ thống điều phải nằm trong giới  
hạn cho phép.  
Phương pháp này còn có tên là phương pháp thứ hai của Ziegler –  
Nichols. Điều đặc biệt là phương pháp này không sử dụng mô hình  
toán học của đối tượng điều khiển, ngay cả mô hình xấp xỉ gần đúng.  
Các bước tiến hành như sau:  
Trước tiên, sử dụng bộ P lắp vào hệ kín (hoặc dùng bộ PID và  
chỉnh các thành phần KI và KD về giá trị 0). Khởi động quá trình với  
hệ số khuếch đại KP thấp, sau đó tăng dần KP tới giá trị tới hạn Kgh  
để hệ kín ở chế độ giới hạn ổn định, tức là tín hiệu ra h(t) có dạng  
dao động điều hòa. Xác định chu kỳ tới hạn Tgh của dao động.  
11  
Hình 4.11. Mô hình điều khiển với Kgh  
Hình 4.12. Xác định hệ số khuếch đại tới hạn  
Xác định thông số của bộ điều khiển theo bảng 4.2 :  
Bảng 4.2. Thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm  
Bộ điều khiển  
KP  
TI  
-
TD  
P
0,5 Kgh  
-
-
PI  
0,45 Kgh 0,83 Tgh  
0,6 Kgh 0,5 Tgh  
PID  
0,12Tgh  
12  
CHƢƠNG 5  
XÂY DỰNG CẤU TRÖC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN  
5.1. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG FOC  
Hình 5.1. Sơ đồ tổng quan mô phỏng FOC  
5.1.1. Khối mạng tính dòng (MTi)  
Hình 5.2. Sơ đồ khối mạng tính dòng  
5.1.2. Khối điều chỉnh dòng isd và isq  
Hình 5.3. Sơ đồ khối điều chỉnh dòng isd và isq  
13  
5.1.3. Khối mạng tính áp (MTu)  
Hình 5.4. Sơ đồ khối mạng tính áp  
5.1.4. Khối chuyển tọa độ áp (CTDu)  
Hình 5.5. Sơ đồ khối chuyển tọa độ điện áp từ dq sang abc  
Hình 5.6. Sơ đồ khối chuyển tọa độ điện áp từ dq sang αβ  
14  
Hình 5.7. Sơ đồ khối chuyển tọa độ điện áp từ αβ sang abc  
5.1.5. Khối động cơ không đồng bộ ba pha  
Hình 5.8. Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ  
Hình 5.9. Sơ đồ khối chuyển tọa độ điện áp từ abc sang αβ  
15  
Hình 5.10. Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ 3 pha  
trong hệ tọa độ αβ  
5.1.6. Khối chuyển tọa độ dòng điện (CTDi)  
Hình 5.11. Sơ đồ khối chuyển tọa độ dòng điện từ abc sang αβ  
16  
Hình 5.12. Sơ đồ khối chuyển tọa độ dòng điện từ αβ sang dq  
5.1.7. Khối ƣớc lƣợng từ thông rotor  
Hình 5.13. Sơ đồ khối ước lượng từ thông rotor  
5.2. SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG FOC VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PI  
Hình 5.14. Mô hình FOC với bộ điều khiển PI  
17  
CHƢƠNG 6  
NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG  
6.1. THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA  
Bảng 6.1. Thông số động cơ KĐB 3 pha[2]  
Tên thông số  
Tần số  
Ký hiệu  
Giá trị  
50  
Đơn vị  
f
Hz  
Điện trở stator  
Điện trở rotor  
Điện cảm stator  
Điện cảm rotor  
Hỗ cảm  
Rs  
Rr  
Ls  
Lr  
Lm  
1.177  
1.382  
0.118  
0.113  
0.113  
H
H
H
Moment quán  
tính  
Jm  
0.00126  
Kg.m2  
Nm  
Moment tải  
Số đôi cực  
mM  
zp  
3.5  
2
6.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG FOC DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI  
6.2.1. Thông số bộ điều khiển PI  
Thông số khâu điều chỉnh từ thông:  
KP = 0,45* Kgh =0,45*301=135.45  
KD  
TI  
KD  
0,83Tgh 0,83*1,217  
135,45  
KI  
34,1  
18  
Thông số khâu điều chỉnh moment:  
KP =0,45* Kgh = 0,45*252,75=113,7375  
KD  
TI  
KD  
0,83Tgh 0,83*1,901  
113,7375  
.
KI  
71,74  
Thông số khâu điều chỉnh tốc độ:  
KP =0,45* Kgh = 0,45*342,44=154,098  
KD  
TI  
KD  
154,098  
.
KI  
283,8841  
0,83Tgh 0,83*0,654  
6.2.2. Động cơ hoạt động không tải mW = 0 Nm  
Tốc độ đặt cho động cơ là: Wref = 150,72 rad/s, sau 2s giảm tốc  
độ xuống còn ½ giá trị đặt.  
Thời gian mô phỏng: 4s  
Tu thong dat  
Tu thong dap ung  
1
0.8  
0.6  
0.4  
0.2  
0
0
0.5  
1
1.5  
2
2.5  
3
3.5  
4
time (s)  
Hình 6.1. Dạng sóng đáp ứng từ thông khi mở máy không tải  
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 27 trang yennguyen 28/03/2022 11240
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdftom_tat_luan_van_nghien_cuu_thiet_ke_bo_dieu_khien_pid_dieu.pdf