Bộ Môn Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa: Hướng Dẫn Thực Hiện Đồ Án Tự Động Hóa 2

Đồ án nghiên cứu đồ án tự động hóa 2, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Trường học: Bộ Môn Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Hướng Dẫn Thực Hiện Đồ Án Tự Động Hóa 2: Phương Pháp Điều Khiển Vector Và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: Đồ Án

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR (ROTOR FIELD ORIENTED CONTROL)
• 1.1. Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor
• 1.2. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ, dòng điện
• 1.2.1. Thiết kế các bộ điều khiển cho ĐCĐXC ba pha rotor lồng sóc
• 1.2.2. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ
• 1.2.3. Thiết kế bộ điều khiển từ thông
• 1.2.4. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
• 1.2.5. Bộ điều khiển động cơ khi có thêm bộ hạn chế dòng
• 1.2.6. So sánh tốc độ động cơ khi có bù và khi không có thành phần bù
• 1.3. ƯỚC LƯỢNG
• 1.4. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN
• 1.4.1. Space-Vector Pulse Width Modulation
• 1.4.2. Nguyên lý làm việc
• 1.4.3. Mô phỏng và tính toán phương pháp điều chế vector không gian SVPWM trong MATLAB và SIMULINK

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Thực Hiện Đồ Án Tự Động Hóa 2 Chi Tiết

Đồ án tự động hóa 2 là một phần quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Nội dung đồ án này không chỉ giúp sinh viên nắm vững lý thuyết mà còn thực hành các phương pháp điều khiển hiện đại. Đặc biệt, phương pháp điều khiển vector là một trong những kỹ thuật tiên tiến được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.

1.1. Tổng Quan Về Đồ Án Tự Động Hóa

Đồ án tự động hóa 2 bao gồm các nhiệm vụ như điều khiển hệ truyền động điện xoay chiều và áp dụng các công nghệ mới. Sinh viên sẽ được giao nhiệm vụ cụ thể để thực hiện và hoàn thành đồ án.

1.2. Mục Tiêu Của Đồ Án Tự Động Hóa

Mục tiêu chính của đồ án là giúp sinh viên hiểu rõ về các phương pháp điều khiển vector và ứng dụng của chúng trong thực tế. Điều này sẽ trang bị cho sinh viên những kỹ năng cần thiết để làm việc trong lĩnh vực tự động hóa.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Đồ Án Tự Động Hóa 2

Trong quá trình thực hiện đồ án tự động hóa 2, sinh viên sẽ gặp phải nhiều thách thức. Những vấn đề này có thể liên quan đến việc áp dụng lý thuyết vào thực tiễn, cũng như việc sử dụng các phần mềm mô phỏng như MATLAB/SIMULINK.

2.1. Những Thách Thức Khi Sử Dụng Phương Pháp Điều Khiển Vector

Phương pháp điều khiển vector đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức vững về lý thuyết điện từ và điều khiển. Việc áp dụng các công thức phức tạp có thể gây khó khăn cho nhiều sinh viên.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Mô Phỏng và Thực Nghiệm

Mô phỏng hệ thống điều khiển trong MATLAB/SIMULINK có thể gặp khó khăn do yêu cầu về kỹ thuật và sự chính xác trong việc thiết lập mô hình. Sinh viên cần phải nắm vững cách sử dụng phần mềm này để đạt được kết quả tốt.

III. Phương Pháp Điều Khiển Vector Trong Đồ Án Tự Động Hóa 2

Phương pháp điều khiển vector, hay còn gọi là điều khiển theo từ thông rotor, là một trong những phương pháp chính được áp dụng trong đồ án tự động hóa 2. Phương pháp này giúp điều khiển động cơ điện xoay chiều một cách hiệu quả.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Phương Pháp FOC

Phương pháp FOC cho phép điều khiển động cơ bằng cách phân tách các thành phần dòng điện stator thành hai thành phần độc lập. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển.

3.2. Ứng Dụng Của Phương Pháp Điều Khiển Vector

Phương pháp điều khiển vector được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động điện, từ điều khiển băng tải đến điều khiển chuyển động trong các dây chuyền sản xuất tự động.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Đồ Án Tự Động Hóa 2

Đồ án tự động hóa 2 không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển vector trong thực tế giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống tự động.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Các hệ thống điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển vector đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, chế biến thực phẩm và tự động hóa nhà máy.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Từ Đồ Án

Kết quả từ các đồ án thực hiện cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển động cơ, từ đó khẳng định tính hiệu quả của phương pháp điều khiển vector.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Đồ Án Tự Động Hóa 2

Đồ án tự động hóa 2 là một bước quan trọng trong quá trình học tập và nghiên cứu của sinh viên. Việc nắm vững các phương pháp điều khiển hiện đại sẽ mở ra nhiều cơ hội nghề nghiệp trong tương lai.

5.1. Tương Lai Của Ngành Tự Động Hóa

Ngành tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ với nhiều công nghệ mới. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu chi phí.

5.2. Khuyến Khích Nghiên Cứu và Phát Triển

Sinh viên nên tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển mới, từ đó đóng góp vào sự phát triển của ngành tự động hóa trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HƢỚNG DẪN THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA 2 Nội dung đồ án Tự động hóa 2 1. Giảng viên giao cho sinh viên, nhóm sinh viên tên đồ án, nhiệm vụ đồ án môn học 2. Nội dung đồ án sẽ xoay quanh a. Điều khiển hệ truyền động điện xoay chiều sử dụng phương pháp FOC b.

Điều khiển hệ truyền động điện xoay chiều sử dụng phương phap DTC c. Điều khiển hệ năng lượng gió d. Áp dụng hệ truyền động vào các lĩnh vực truyền động trong thực tế như điều khiển bang tải, điều khiển chuyển động<. Sử dụng hệ truyền động PLC- biến tần- động cơ thực tế 3.

Mô phỏng- sử dụng MATLAB/SIMULINK 5. Thực nghiệm tại phòng thí nghiệm 6. Đồ án mẫu tự động hóa 2 Lý thuyết CHƢƠNG 1: PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR (ROTOR FIELD ORIENTED CONTROL Phương pháp điều khiển tựa từ thông (Field Oriented Control- FOC) hay điều khiển vector là phương pháp điều khiển dùng cho ĐCKĐB 3 pha, dựa vào hệ trục tọa độ từ thông rotor, điều khiển động cơ KĐB có thể thực hiện thông qua điều khiển các thành phần dòng điện stator isd (từ thông) và isq (momen) Hình 1: Điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC Phƣơng pháp FOC 3.1 Phƣơng pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor Ta có: Hình 3.1: Hệ tọa độ từ thông rotor quay với tốc độ Trước hết ta xét mô hình động cơ khi mà hệ trục tọa độ quay có trục d trùng với từ thông rotor, lúc này thành phần từ thông roto trên trục q có giá trị là 0  Xét phương trình điện áp rotor trên trục d:  ( ) Mà  Nên  Mặt khác:  Nên ta có: ( ) Phương trình trên chính là phương trình vi phân bậc nhất của với đầu vào là Xét ở chế độ xác lập, ta có ; suy ra nên  Như vậy sẽ được sử dụng để điều khiển từ thông  ( bằng giá trị định mức) Phương trình momen có dạng sau: (  ) Như phân tích ở trên  Dẫn đến: ( ) Mặc khác:  Nên: (3.1) ( ) Nếu ta giữ từ thông  là giá trị đặt không đổi thì ( ) sẽ là hằng số và khi đó sẽ điều khiển Như vậy chiến lược điều khiển của động cơ sẽ như sau:  sẽ điều khiển  để giữ  bằng giá trị định mức  sẽ điều khiển Để xây dựng mô hình điều khiển theo phương pháp FOC, trước hết ta đảm bảo vector từ thông rotor luôn trùng với trục d Lmisq  rq  Lr irq  Lmisq  0 hay irq   Lr *Xác định tốc tốc độ quay cảu từ thông rotor gr  g  r với r  pmech ; ta có urd  ird  d  rd  0 1  rd  u   Rr            r    irq  dt  rq  1 0   rq  g  rq  0  Rr irq   g  r  rd Rr irq Từ đó ta có  g  r    rd Lmisq Rr Lmisq Với irq   ta tính được  g  r  đây chính là tốc độ quay của từ thông rotor Lr  rd Lr Góc của từ thông rotor  g  t    g  0    g  dt *Tính từ thông  rd d rd Rr ird  0 dt Lr d rd  rd  Lr ird  Lmisd    Lmisd Rr dt  rd d rd Lm   isd Tr dt Tr *Tính từ thông Tem 3 3 Li Tem   p rd irq  p rd m sq 2 2 Lr *Mô phỏng đông cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ gắn với từ thông rotor và đảm bảo từ thông rotor trùng trục d Để tránh phép chia 0, ta đặt điều kiện ban đầu cho từ thông  rd bằng 0. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ, DÒNG ĐIỆN 3.2 Thiết kế các bộ điều khiển cho ĐCĐXC ba pha rotor lồng sóc 3.1 Sơ đồ nối tầng tổng quan điều khiển động cơ điện xoay chiều Sơ đồ nối tầng gồm hai vòng điều khiển chính:  Điều khiển từ thông gồm 2 vòng.

Vòng ngoài cùng điều khiển từ thông  , vòng trong điều khiển dòng  Điều khiển tốc độ gồm 2 vòng. Vòng ngoài cùng điều khiển tốc độ động cơ ( ), vòng trong điều khiển dòng 3.2 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ Từ phương trình (2.25) có quan hệ sau: ( ) Thực hiện Laplace hóa 2 vế ta được: ( ) Do đó, ta thu được: ( ) (3.2) Từ phương trình (3.1) ta có: ( )  được lấy bằng giá trị đặt  , đặt ( ) Từ phương trình (3.2), ta xây dựng sơ đồ vòng điều khiển tốc độ như sau - PI Chọn bộ điều khiển là PI có dạng: Hàm truyền đối tượng có dạng: Hàm truyền vòng hở sẽ là: K  T s 1 G p Kp  i  Js  Ti s  Tiêu chuẩn thiết kế: - độ dự trữ pha (ít nhất là bằng 60) - độ rộng băng tần Sử dụng MATLAB để tính các thông số bộ PID. Lệnh: C = pidtune(sys,type) thiết kế bộ điều khiển PID; sys: mô tả đối tượng cần thiết kế bộ điều khiển; type: loại bộ điều khiển (p, i, pi, pid) Ví dụ: Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng có hàm truyền đạt như sau 1 sys   s  1 3 Tạo mô hình đối tượng như sau >>sys = zpk([],[-1 -1 -1],1); >>[C_pi,info] = pidtune(sys,'PI') C_pi = 1 Kp + Ki * --- s with Kp = 1.454 Continuous-time PI controller in parallel form. info = struct with fields: Stable: 1 CrossoverFrequency: 0.3 Thiết kế bộ điều khiển từ thông  Từ phương trình (2.26) ta có quan hệ sau:  ở chế độ xác lập  Ta xây dựng sơ đồ điều khiển như sau: Hình 3.2: Bộ điều khiển từ thông Hàm truyền đối tượng có dạng: 3.4 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện Hình 3.3: Sơ đồ nối tầng bộ điều khiển dòng điện ĐCKĐB Từ phương trình điện áp stator (2.16) ta có:     Từ phương trình từ thông (2.22) ta có:      Đặt mặt khác ta có: do  nên  Thay vào phương trình  và  ta được:  ; với   ( )   Thế vào phương trình và :    (3.3) Tương tự,   Như vậy, ta có phương trình điện áp thành phần (  )  Từ 2 phương trình trên, ta thấy rằng để điều khiển và ta phải thông qua mối quan hệ với và Đặt: Thành phần bù  Tương tự, đặt Thành phần bù  Coi các thành phần và là nhiễu ta thành lập được sơ đồ bộ điều khiển như sau: Hàm truyền đối tượng có dạng: Chƣơng trình MATLAB, áp dụng vào tìm bộ thông số bộ điều khiển PI clear; %%%%%%%%%%%%%%% Tim thong so bo dieu khien PI %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% clc clear; %% Thong so dong co % Induction Motor Parameters Rs=1.6444/2; %% dong dien isd isdRated=2.678; % Calculation of machine inductances Ls = (Xls + Xm) / (2*pi*f); Lm = Xm / (2*pi*f); Lr = (Xlr + Xm) / (2*pi*f); %% phird, tu thong dinh muc truc d phird=isdRated*Lm; % hang so thoi gian Tr= Lr/Rr; %% Tim thong so bo dieu khien su dung MATLAB K= (3/2)*(p/2)*(Lm/Lr)* phird; % he so Te-TL= Jeq*dw/dt; K1= 1/Jeq; % thiet lap mo hinh G = K*K1*tf(1,[1 0]); % plant model K/s % Design a PI controller in parallel form % Bandwidth wc=25 rad/s [Cw Info] = pidtune(G,'pi', 25) % Gan ket qua kpw=Cw.Kp; kiw=Cw.Ki; % kiem tra T_pi = feedback(Cw*G, 1); step(T_pi) hold; %% %%%% Flux d component controller Gf=tf(Lm,[Tr 1]); % Bandwidth wc=25 rad/s [Cf Info] = pidtune(Gf,'pi', 25) kpf=Cf.Kp; kif=Cf.Ki; % kiem tra T_pif = feedback(Cf*Gf, 1); step(T_pif) %% Bo dieu khien Dong dien sigma= Ls- Lm*Lm/Lr; GC=tf(1,[sigma*Ls Rs]); % Bandwidth wc=250 rad/s [Cc Info] = pidtune(GC,'pi', 250) % kiem tra T_piC = feedback(Cc*GC, 1); step(T_piC) kpc=Cc.Kp; kic=Cc.Ki; /////////////////////////// ket qua thu duoc //////////////////////////// Bộ điều khiển tốc độ Cw = 1 Kp + Ki * --- s with Kp = 0.72 Continuous-time PI controller in parallel form.

Info = struct with fields: Stable: 1 CrossoverFrequency: 25 PhaseMargin: 60.0000 Bộ điều khiển từ thông Cf = 1 Kp + Ki * --- s with Kp = 15.3, Ki = 300 Continuous-time PI controller in parallel form. Info = struct with fields: Stable: 1 CrossoverFrequency: 25 PhaseMargin: 60.0000 Bộ điều khiển dòng điện Cc = 1 Kp + Ki * --- s with Kp = 1.24, Ki = 690 Continuous-time PI controller in parallel form. Info = struct with fields: Stable: 1 CrossoverFrequency: 250 PhaseMargin: 60.3 Xây dựng mô hình điều khiển trên SIMULINK Các thông số mô phỏng được cho trong bảng 2.1 Kết quả mô phỏng Hình 3.4: Đồ thị momen Nhận xét:  Trong thời gian quá độ momen có giá trị rất lớn do lúc khởi động động cơ có dòng rất lớn, sau thời gian quá độ này nếu không có tải giá trị của momen sẽ về 0, tuy nhiên do có có tải tại 10 (s) nên momen sẽ tăng lên Dòng điện và thu được trên hình 3. Ta thấy rằng sau tại 1 (s) thì dòng điện và đều tăng lên rất lớn sau 2 (s) thì về 0, khi có tải thì và tăng lên và ổn định tại 20.5: Dòng điện đặt Hình 3.6: Dòng đo về Nhận xét:  Dòng trong động cơ bám theo giá trị của dòng đặt như vậy bộ điều khiển dòng thiết kế đã đạt được mục tiêu như mong muốn  Khi không có tải thì sau thời gian quá độ dòng về 0 khi có tải thì tăng lên sau 1 (s) đạt giá trị xác lập là 20, sở dĩ có điều này do có mối quan hệ với momen tại 10 (s) momen tăng lên thì dòng cũng phải tăng theo  Tuy nhiên dòng khởi động lúc đầu hơi cao Dòng điện và thu được trên hình 3.

Sau thời gian quá độ từ 0 tới 2 (s) thì và ổn định tại 13.6 khi có tải tại 10 (s) sau 2 (s) quá độ thì và tiếp tục ổn định tại 13.7: Dòng điện đặt Hình 3.8: Dòng đo về Nhận xét:  Dòng trong động cơ bám theo giá trị của dòng đặt như vậy bộ điều khiển dòng thiết kế đã đạt được mục tiêu như mong muốn  Sau thời gian quá độ thì dòng điện ổn định tại giá trị 13.6 khi có tải dòng tăng lên rồi lại trở về giá trị 13.6 sau khoảng 2 (s) sở dĩ có điều này do có mối quan hệ giữa dòng và từ thông khi từ thông được ổn định thì dòng cũng sẽ đạt ổn định  Tuy nhiên dòng khởi động lúc đầu hơi cao 3.