.Đề cương môn Truyền động điện - Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.

ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa Khoa Điện PGS. TS. Lê Tiến Dũng 1 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG Khái niệm chung Cấu trúc và phân loại
Phương pháp hàm chuẩn để tổng hợp các mạch vòng điều khiển
Một số vấn đề trong điều khiển truyền động điện
Phương pháp mô hình không gian trạng thái
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink để mô phỏng các hệ thống truyền động điện 2 2 1 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
1.1. Giới thiệu chung
Có rất nhiều các hệ thống cơ điện trong đó vấn đề điều khiển chính xác mô-men, tốc độ và vị trí
đóng một vai trò quan trọng và cần thiết: CNC, Robot, xe điện, thang máy,…
Trong những ứng dụng thông thường của điều khiển truyền động điện, ví dụ như các hệ thống bơm
và nén khí, điều chỉnh tốc độ truyền động điện theo cách để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.
Một cách tổng quan, điều khiển truyền động điện nhằm mục đích:
Làm phù hợp vị trí hoặc tốc độ của hệ truyền động điện theo các giá trị yêu cầu (mong muốn)
Làm phù hợp mô-men của hệ truyền động điện theo các giá trị yêu cầu (mong muốn).
Tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạt động. 3 3 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 4 4 2 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 5 5 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 6 6 3 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 7 7 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 8 8 4 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 9 9 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 10 10 5 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 11 11 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 12 12 6 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
1.2. Cấu trúc và phân loại hệ thống điều khiển truyền động điện PHẦN ĐIỆN PHẦN CƠ U0, f0 U, f BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TẢI NGUỒN ĐIỆN 𝝎, 𝒊 U*, f* CẢM BIẾN Động lực 𝝎 ^ , 7̂ Giá trị BỘ ĐIỀU phản Điều khiển KHIỂN hồi 𝜔∗ 13
Giá trị đặt/mong muốn 13 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng Ví dụ minh họa: hệ truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ để truyền động cho xe điện
Source: Gasbaoui, Brahim, et al. "The efficiency of direct torque control for electric vehicle behavior 14
improvement." Serbian Journal of Electrical Engineering 8.2 (2011): 127-146. 14 7 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng Sensors Ví dụ minh họa: hệ truyền động điện sử
dụng động cơ xoay chiều
3 pha không đồng bộ để
truyền động cho xe điện
Source: Gasbaoui, Brahim, et al. "The efficiency of direct torque control for electric vehicle behavior
improvement." Serbian Journal of Electrical Engineering 8.2 (2011): 127-146. 15 15 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng Ví dụ minh họa: hệ truyền động điện sử
dụng động cơ xoay chiều
3 pha không đồng bộ để
truyền động cho xe điện (tiếp theo) Source: Gasbaoui, Brahim, et al. "The efficiency of direct torque control for electric vehicle behavior improvement." Serbian Journal of Electrical Engineering 8.2 (2011): 127-146. 16 16 8 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng Ví dụ minh họa: hệ truyền động điện sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ để truyền động cho xe điện (tiếp theo)
Source: Gasbaoui, Brahim, et al. "The efficiency of direct torque control for electric vehicle behavior 17
improvement." Serbian Journal of Electrical Engineering 8.2 (2011): 127-146. 17 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Hệ truyền động điện trong thực tế rất đa dạng và nhiều loại thiết kế cho các mục đích, ứng dụng truyền
động khác nhau. Vì vậy khá khó khăn để phân loại các hệ truyền động điện theo các tiêu chí cụ thể. Việc
phân loại cũng tùy theo quan điểm. Trong bài này giới thiệu việc phân loại các hệ thống truyền động điện
theo các nhóm tiêu chí sau: I.
Phân loại theo khả năng điều chỉnh tốc độ (adjustability of the speed)
II. Phân loại theo loại động cơ sử dụng và loại điều khiển (motor type and drive control er)
III. Phân loại theo thông số kỹ thuật (technical data) 18 18 9 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng I.
Phân loại theo khả năng điều chỉnh tốc độ (adjustability of the speed) 19 19 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Phân loại theo khả năng điều chỉnh tốc độ, có 3 loại hệ truyền động điện:
1) Hệ truyền động điện không điều chỉnh tốc độ, hay hoạt động với một tốc độ cố định (fixed-speed drives)
Động cơ chỉ chạy với một tốc độc cố định, khi đó phần điều khiển cho hệ này chỉ điều khiển đóng hoặc cắt
nguồn cấp cho động cơ, cùng với các chức năng hạn chế dòng điện lúc khởi động, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ
quá tải,.. Ứng dụng của hệ truyền động này thường là các máy bơm, quạt thông gió, quạt thổi,… Loại động cơ
thường sử dụng cho hệ này là động cơ xoay chiều không đồng bộ.
2) Hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc độ (Variable-speed drives)
Động cơ điều chỉnh được tốc độ để hoạt động với ít nhất 2 cấp tốc độ. Phần điều khiển của hệ truyền động
loại này có 3 loại tùy theo yêu cầu về dải điều chỉnh, độ chính xác, độ trơn điều chỉnh và số cấp điều chỉnh của
tải: Thay đổi tốc độ bằng chuyển mạch (Switchable-speed drives), Điều chỉnh tốc độ với cấu trúc vòng hở
(Open-loop variable-speed drives), Điều chỉnh tốc độ với cấu trúc vòng kín (Closed-loop variable-speed drives).
3) Hệ truyền động điện servo
Đây là loại hệ truyền động điện chất lượng cao. Được sử dụng cho các loại tải yêu cầu chuyển động với tốc
độ nhanh, quán tính bé, độ chính xác cao, độ trơn điều chỉnh tốt, đáp ứng các tác vụ phức tạp Các ứng dụng
của hệ truyền động điện servo ví dụ như truyền động cho tay máy robot công nghiệp, máy CNC, máy cắt may tự động,… 20 20 10 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
II. Phân loại theo loại động cơ
sử dụng và loại bộ điều khiển
(motor type and drive control er) 21 21 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 22 22 11 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 23 23 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
III. Phân loại theo thông số kỹ thuật (technical data)
Động cơ điện là phần tử trung tâm của hệ truyền động điện. Các thông số kỹ thuật của động cơ là cơ sở và
tiêu chí quan trọng để lựa chọn các thành phần của hệ truyền động điện khi thực hiện việc thiết kế, xây dựng
hệ. Vì vậy, thông số kỹ thuật của động cơ cũng là một tiêu chí quan trọng để phân loại hệ truyền động điện. 24 24 12 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 25 25 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 26 26 13 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng 27 27 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Đặc điểm đa ngành của
điều khiển truyền động điện 28 28 14 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
1.3. Phương pháp hàm chuẩn để tổng hợp các mạch vòng điều khiển
Thông thường các hệ thống tự động Điều khiển truyền động điện thường có cấu trúc nối cấp (Cascade)
Hệ có bao nhiêu bộ điều khiển thì có bấy nhiêu mạch vòng bao nhau.
Tín hiệu ra của bộ ĐC vòng ngoài sẽ là tín hiệu đặt trước của vòng trong tiếp theo. 29 29 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống truyền động điện có đầy đủ cả 3 loại mạch vòng điều khiển: U control Position Speed Current PPU controller controller controller d/dt Current Sensor Encoder
+ Mạch vòng điều khiển dòng điện/mô-men.
+ Mạch vòng điều khiển tốc độ.
+ Mạch vòng điều khiển vị trí. 30 30 15 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Với một hệ thống điều khiển truyền động điện có đầy đủ cả 3 loại mạch vòng điều khiển thì có thể đặt các lệnh
điều khiển vị trí (Position command), tốc độ (Speed command) và mô-men (Torque command), hoặc phối hợp giữa các lệnh đặt.
Tương ứng có các chế độ điều khiển:
+ Chế độ điều khiển vị trí (Position control mode).
+ Chế độ điều khiển tốc độ (Speed control mode).
+ Chế độ điều khiển mô-men (Torque control mode).
+ Phối hợp giữa các chế độ điều khiển (Dual mode)
Vai trò của từng Bộ điều khiển:
+ Bộ điều khiển vị trí (Position controller):…………………
+ Bộ điều khiển tốc độ (Speed controller): …………………
+ Bộ điều khiển dòng điện/mô-men (Current/Torque controller): ………… 31 31 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Sơ đồ cấu trúc điều khiển tốc độ của hệ truyền động điện một chiều kích từ độc lập: Transformer 32 32 16 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện:
Tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện là công việc thiết kế hệ thống, trong đó chú
trọng vào phần công việc thiết kế phần điều khiển của hệ thống bao gồm: Cấu trúc điều
khiển, luật/thuật toán điều khiển và tham số của các luật/thuật toán điều khiển.
Việc tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện nhằm mục đích điều khiển các đại
lượng đầu ra của hệ bám theo giá trị đặt (hay còn gọi là giá trị mong muốn):
 Làm phù hợp vị trí hoặc tốc độ của hệ truyền động điện theo các giá trị yêu cầu (mong muốn)
 Làm phù hợp mô-men của hệ truyền động điện theo các giá trị yêu cầu (mong muốn).
 Tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạt động. 33 33 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Để thực hiện bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện, thường có các bước sau đây:
+ Phân tích cấu trúc phần mạch động lực. Thu thập tất cả các tham số của phần động lực, những
tham số chưa biết có thể phải thực hiện tính toán, nhận dạng tham số.
+ Mô hình hóa, hay nói cách khác là xây dựng mô tả toán học của hệ. Đưa mô hình toán học về
dạng phù hợp trên miền thời gian hoặc tần số (trong môn học này sử dụng 2 dạng mô hình toán học:
Mô hình hàm truyền đạt và Mô hình không gian trạng thái).
Dựa trên mô tả toán học của hệ thống để thực hiện các bước tiếp theo:
+ Xác định cấu trúc của phần điều khiển.
+ Xác định, lựa chọn thuật toán điều khiển thích hợp
+ Tính toán, xác định các tham số của thuật toán điều khiển/luật điều khiển.
+ Kiểm nghiệm lại hệ thống bằng mô phỏng hoặc thực nghiệm. 34 34 17 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Trình tự tổng hợp các bộ ĐC của hệ được thực hiện từ vòng trong cùng trở ra. Sau khi đã tổng hợp xong
vòng trong cùng thì ta hoàn toàn có thể thay nó bằng khâu có hàm truyền tương ứng với FMC hoặc FDX (tuỳ theo
sự lựa chọn tiêu chuẩn để tổng hợp), mà trong đó hằng số thời gian τσ và các thông số khác đã được xác định.
Đến đây ta lại tổng hợp mạch vòng tiếp theo, cứ như thế một cách tương tự cho đến hết.
Để tổng hợp các bộ Điều chỉnh của hệ thống điều khiển truyền động điện ta thường dùng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu:
+ Hàm theo tiêu chuẩn module tối ưu.
+ Hàm theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng.
Kết quả của việc tổng hợp mạch vòng điều chỉnh là tìm ra luật điều khiển của bộ
Điều khiển (thường có dạng PID) và các thông số của nó.
Nếu hệ được tổng hợp theo tiêu chuẩn nào thì hàm truyền hệ kín sau tổng hợp sẽ có dạng hàm truyền của tiêu chuẩn đó. 35 35 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
a) Tổng hợp bộ điều khiển theo chuẩn module tối ưu
Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn module tối ưu là hàm có dạng:
Tiêu chuẩn module tối ưu hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tần số thấp và trung bình, không đảm bảo
trước được tính ổn định của hệ thống. Do đó, sau khi ứng dụng tiêu chuẩn module tối ưu cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ.
Dạng đặc tính tần số đối với hệ kín thì: Khi thì F(jx) 0. 36 36 18 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Các bước áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu:
1. Tính hàm truyền của hệ hở S0(p)
2. Đưa vào hệ khâu điều khiển R(p) có hàm truyền chưa biết
3. Tính hàm truyền của hệ kín và gán bằng vế phải của FMC(p)
4. Suy ra dạng hàm truyền của bộ điều khiển R(p):
5. Tính các tham số của bộ điều khiển theo các thông số của S0(p) 37 37 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Áp dụng tiêu chuẩn module tối ưu tổng hợp bộ điều khiển cho hệ hữu sai có hàm truyền: (T2 > T1)
Để hệ kín có hàm truyền F(p) = FMC(p) thì: X X đ R(p) S0(p)
Nếu chọn bộ điều khiển kiểu PI:
=> Ta chỉ bù được hằng số thời gian lớn T2 38 38 19 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
Hàm truyền của hệ hở:
Hàm truyền của hệ kín: Để F(p) = FMC(p) thì:
=> Các tham số của bộ điều khiển PI: 39 39 KHOA ĐIỆN
PGS. TS. Lê Tiến Dũng
b) Tổng hợp bộ điều khiển theo chuẩn tối ưu đối xứng
Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng:
Đảm bảo trước được tính ổn định của hệ khi sử dụng tiêu chuẩn này. Nhờ đó mà tiêu chuẩn này được áp dụng
để tổng hợp bộ điều khiển cho hệ có yêu cầu vô sai cấp cao, cũng như bộ điều khiển theo quan điểm nhiễu loạn.
Vì có mặt của khâu vi phân 4τσ trên tử số của FDX(p) đã gây ra độ quá chỉnh
lớn cho hệ. Để giảm độ quá chỉnh ta có thể đưa thêm khâu quán tính bậc nhất với hằng số thời gian đúng bằng
4τσ đặt trước mạch so sánh. Khi đó đặc tính quá độ được cải thiện. 40 40 20