Khóa Luận Tốt Nghiệp: Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ AC Servo Với Tải Thay Đổi

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ AC Servo Sử Dụng Thuật Toán PID
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ON
• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu chung và lý do chọn đề tài
• 1.2. Giới thiệu động cơ AC Servo
• 1.3. Nguyên lý hoạt động
• 1.4. Ưu và nhược điểm khi sử dụng AC Servo
• 1.5. Ứng dụng thực tiễn
• 1.6. Ứng dụng Matlab/Simulink
• 1.7. C2000 Delfino MCUs F28379D LaunchPad
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Động cơ không đồng bộ
• 2.1.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ KDB ba pha
• 2.1.2. Hệ phương trình trong hệ tọa độ cố định trên stator
• 2.1.3. Các thông số định mức
• 2.2. Bộ điều khiển PID
• 2.3. Bộ điều khiển PI 2DOF
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI
• 4. CHƯƠNG IV: BỘ ĐIỀU KHIỂN PI 2DOF
• 5. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám phá nền tảng điều khiển động cơ AC Servo bằng PID

Nghiên cứu về điều khiển tốc độ động cơ AC Servo sử dụng thuật toán PID đóng vai trò trung tâm trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp hiện đại. Động cơ AC Servo, đặc biệt là loại động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), được ưa chuộng nhờ hiệu suất cao, momen lớn và khả năng điều khiển chính xác. Chúng là trái tim của nhiều hệ thống đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối như robot công nghiệp, máy CNC và các dây chuyền sản xuất tự động. Tuy nhiên, để khai thác hết tiềm năng của động cơ, cần có một thuật toán điều khiển mạnh mẽ và ổn định. Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) chính là giải pháp kinh điển và hiệu quả nhất cho bài toán này. Thuật toán PID đã chứng minh được sự tin cậy qua nhiều thập kỷ, với ưu điểm là cấu trúc đơn giản, dễ triển khai và khả năng đáp ứng tốt với nhiều loại hệ thống khác nhau. Sự kết hợp giữa động cơ AC Servo và thuật toán PID tạo ra một hệ thống điều khiển vòng kín, nơi tín hiệu phản hồi từ encoder liên tục được so sánh với giá trị đặt. Dựa trên sai số này, bộ điều khiển sẽ tính toán và xuất tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) phù hợp đến servo driver để điều chỉnh tốc độ động cơ, đảm bảo hệ thống hoạt động với sai số xác lập ở mức tối thiểu và ổn định tốc độ cao.

1.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM

Động cơ AC Servo loại PMSM hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác từ trường giữa rotor nam châm vĩnh cửu và từ trường quay do dòng điện ba pha trong cuộn dây stator tạo ra. Cấu trúc này loại bỏ chổi than, giúp giảm thiểu bảo trì, tăng hiệu suất và giảm tiếng ồn. Để điều khiển chính xác, một mô hình toán học động cơ servo là cần thiết, mô tả mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện, từ thông và momen. Mô hình này là cơ sở để thiết kế các thuật toán điều khiển như điều khiển vector (FOC), giúp điều khiển độc lập thành phần dòng điện sinh momen và từ thông, tương tự như động cơ DC.

1.2. Vai trò và cấu trúc của bộ điều khiển PID kinh điển

Một bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần chính. Thành phần Tỷ lệ (Proportional - P) tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai số tức thời. Thành phần Tích phân (Integral - I) giúp loại bỏ sai số xác lập bằng cách tích lũy sai số theo thời gian. Thành phần Vi phân (Derivative - D) dự đoán xu hướng của sai số, giúp cải thiện đáp ứng tốc độ và giảm độ vọt lố. Bằng cách kết hợp và tinh chỉnh thông số PID (Kp, Ki, Kd) một cách phù hợp, hệ thống có thể đạt được sự cân bằng tối ưu giữa tốc độ đáp ứng, độ ổn định và độ chính xác.

II. Thách thức cốt lõi khi điều khiển Servo với tải thay đổi

Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ AC Servo là xử lý sự thay đổi đột ngột của tải. Trong các ứng dụng thực tế như cánh tay robot nâng vật nặng hay máy phay CNC cắt vật liệu không đồng đều, momen tải tác động lên trục động cơ không bao giờ là hằng số. Sự thay đổi này gây ra các nhiễu loạn, làm ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ quay của động cơ. Nếu bộ điều khiển PID không được thiết kế và tinh chỉnh tốt, hệ thống sẽ gặp phải các vấn đề nghiêm trọng. Tốc độ thực tế sẽ dao động quanh giá trị đặt, đáp ứng tốc độ trở nên chậm chạp, và sai số xác lập tăng lên, làm giảm độ chính xác của toàn bộ hệ thống. Đặc biệt, độ vọt lố (overshoot) lớn khi khởi động hoặc thay đổi tốc độ có thể gây ra hư hỏng cơ khí hoặc làm hỏng sản phẩm. Nghiên cứu trong khóa luận của Trần Công Phúc và cộng sự (2023) đã chỉ rõ: 'Việc thay đổi tốc độ đặt động cơ sẽ không thay đổi nhiều về biên độ nhưng sẽ ảnh hưởng đến độ vọt lố của Momen'. Điều này cho thấy sự cần thiết của một phương pháp điều khiển nâng cao, có khả năng kháng nhiễu tốt và giảm thiểu tác động tiêu cực của tải biến thiên.

2.1. Phân tích ảnh hưởng của tải đến sai số xác lập

Khi momen tải tăng đột ngột, tốc độ động cơ có xu hướng giảm xuống. Bộ điều khiển PID sẽ phát hiện sai số này và tăng tín hiệu điều khiển để bù lại. Tuy nhiên, luôn có một độ trễ nhất định trong quá trình này. Nếu thành phần tích phân (Ki) không đủ lớn, hệ thống sẽ không thể triệt tiêu hoàn toàn sai số, dẫn đến một sai số xác lập tồn tại dai dẳng. Ngược lại, nếu Ki quá lớn, hệ thống có thể trở nên mất ổn định và dao động. Việc tìm ra điểm cân bằng này là một thách thức lớn, đặc biệt khi tải liên tục thay đổi.

2.2. Vấn đề về độ vọt lố và thời gian đáp ứng hệ thống

Độ vọt lố là hiện tượng tốc độ động cơ vượt quá giá trị đặt trước khi ổn định. Vấn đề này thường xảy ra khi thành phần tỷ lệ (Kp) quá lớn. Mặc dù Kp lớn giúp hệ thống có đáp ứng tốc độ nhanh, nó cũng làm tăng nguy cơ mất ổn định. Trong các hệ thống cơ khí chính xác, độ vọt lố có thể gây ra va chạm hoặc sai lệch vị trí nghiêm trọng. Việc giảm độ vọt lố trong khi vẫn duy trì thời gian đáp ứng nhanh là mục tiêu quan trọng của việc tinh chỉnh thông số PID.

III. Hướng dẫn thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển PID cơ bản

Việc thiết kế một hệ thống điều khiển tốc độ động cơ AC Servo sử dụng thuật toán PID bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình và sau đó là mô phỏng. Mô phỏng Matlab Simulink là công cụ không thể thiếu trong giai đoạn này. Nó cho phép các kỹ sư kiểm tra và đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trước khi triển khai trên phần cứng thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Quy trình bắt đầu với việc xây dựng mô hình toán học động cơ servo, thường dựa trên các phép biến đổi hệ tọa độ (abc sang dq) để áp dụng phương pháp điều khiển vector (FOC). Tiếp theo, khối bộ điều khiển PID được thêm vào vòng điều khiển tốc độ. Giai đoạn quan trọng nhất là tinh chỉnh thông số PID. Một trong những phương pháp kinh điển là Ziegler-Nichols, giúp tìm ra một bộ thông số ban đầu hợp lý. Sau khi có bộ thông số, toàn bộ hệ thống được mô phỏng. Các kỹ sư sẽ phân tích các tín hiệu đầu ra như đáp ứng tốc độ, dòng điện pha, momen để đánh giá hiệu suất. Quá trình tinh chỉnh và mô phỏng được lặp lại nhiều lần cho đến khi hệ thống đạt được các chỉ tiêu về độ vọt lố, thời gian xác lập và sai số xác lập mong muốn.

3.1. Xây dựng mô hình hệ thống trên Matlab Simulink

Mô hình mô phỏng Matlab Simulink bao gồm các khối chính: khối động cơ PMSM, khối biến đổi tọa độ (Clarke và Park), hai bộ điều khiển PI (một cho dòng điện trục d, một cho trục q), và khối điều chế độ rộng xung (PWM) kết hợp với khối nghịch lưu 3 pha. Việc mô hình hóa chính xác các thành phần này, đặc biệt là các thông số của động cơ, là yếu tố quyết định sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng và thực tế.

3.2. Phương pháp tinh chỉnh thông số PID Ziegler Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là một kỹ thuật thực nghiệm để tinh chỉnh thông số PID. Với phương pháp vòng kín, các khâu I và D được vô hiệu hóa, và hệ số Kp được tăng dần cho đến khi hệ thống bắt đầu dao động ổn định. Dựa trên giá trị Kp tới hạn (Kcr) và chu kỳ dao động (Pcr), các thông số Kp, Ki, Kd sẽ được tính toán theo các công thức đã được chuẩn hóa. Đây là một điểm khởi đầu tốt để tinh chỉnh thêm nhằm đạt hiệu suất tối ưu.

IV. Phương pháp cải tiến điều khiển tốc độ bằng bộ PI 2DOF

Để giải quyết các hạn chế của bộ điều khiển PID truyền thống khi đối mặt với tải thay đổi, các phương pháp cải tiến đã được nghiên cứu. Một trong những giải pháp hiệu quả được đề cập trong tài liệu nghiên cứu là sử dụng bộ điều khiển PI hai bậc tự do (PI-2DOF). Khác với PID thông thường chỉ có một đầu vào (sai số), bộ điều khiển PI-2DOF có hai đầu vào: tín hiệu đặt (reference) và tín hiệu phản hồi (feedback). Cấu trúc này cho phép tách biệt giữa việc xử lý đáp ứng theo tín hiệu đặt và việc khử nhiễu. Nhờ đó, bộ điều khiển có thể được thiết kế để có đáp ứng tốc độ nhanh với sự thay đổi của giá trị đặt mà không làm tăng đáng kể độ vọt lố. Đồng thời, nó vẫn duy trì khả năng kháng nhiễu mạnh mẽ do tải gây ra. Theo kết quả thực nghiệm trong khóa luận tham khảo: 'Thông qua momen ta thấy được biên độ vọt lố PI 2DOF (~72Nm) giảm rõ rệt so với bộ điều khiển PI (~82Nm)'. Điều này chứng tỏ bộ điều khiển PI 2DOF mang lại sự cải thiện đáng kể về hiệu suất, giúp ổn định tốc độ tốt hơn và giảm hao mòn cơ khí cho động cơ AC Servo trong quá trình vận hành.

4.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PI 2DOF

Bộ điều khiển PI-2DOF có hàm truyền phức tạp hơn, với các trọng số (b và c) được áp dụng cho tín hiệu đặt trên các khâu tỷ lệ và vi phân. Bằng cách điều chỉnh các trọng số này, kỹ sư có thể tinh chỉnh độc lập giữa đáp ứng bám (tracking) và đáp ứng điều hòa (regulation). Điều này mang lại sự linh hoạt vượt trội so với bộ điều khiển PID tiêu chuẩn, đặc biệt hữu ích cho các hệ thống yêu cầu cả tốc độ và sự êm dịu.

4.2. So sánh hiệu quả thực nghiệm giữa PI và PI 2DOF

Các kết quả mô phỏng Matlab Simulink và thí nghiệm trên phần cứng với vi điều khiển DSP (C2000 F28379D) đã cho thấy sự vượt trội của PI-2DOF. Khi tải thay đổi từ 25Nm lên 50Nm, bộ điều khiển PI-2DOF duy trì ổn định tốc độ tốt hơn, với dao động momen và dòng điện nhỏ hơn. Quan trọng nhất, độ vọt lố khi khởi động giảm khoảng 12%, một con số có ý nghĩa lớn trong các ứng dụng chính xác cao.

V. Kết luận và định hướng phát triển thuật toán điều khiển

Nghiên cứu đã khẳng định vai trò không thể thiếu của thuật toán PID trong bài toán điều khiển tốc độ động cơ AC Servo. Bằng việc áp dụng các phương pháp thiết kế và mô phỏng bài bản, một bộ điều khiển PID cơ bản có thể đáp ứng được các yêu cầu vận hành thông thường. Tuy nhiên, đối với các hệ thống có tải thay đổi phức tạp, việc sử dụng các cấu trúc điều khiển cải tiến như PI-2DOF mang lại hiệu quả vượt trội, đặc biệt trong việc giảm độ vọt lố và tăng cường độ ổn định. Kết quả từ mô phỏng Matlab Simulink và triển khai trên phần cứng đã chứng minh điều này một cách rõ ràng. Hướng phát triển trong tương lai cho lĩnh vực này rất rộng mở. Việc kết hợp PID với các thuật toán thông minh đang là một xu hướng mạnh mẽ. Bộ điều khiển mờ-PID (Fuzzy-PID) là một ví dụ điển hình, nơi logic mờ được sử dụng để tự động tinh chỉnh thông số PID theo thời gian thực, giúp hệ thống thích ứng tốt hơn với mọi điều kiện vận hành. Ngoài ra, việc ứng dụng các giải thuật tối ưu hóa như giải thuật di truyền (GA) hay tối ưu bầy đàn (PSO) để tìm ra bộ thông số PID tối ưu toàn cục cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

5.1. Tóm tắt kết quả và đóng góp chính của nghiên cứu

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế, mô phỏng và so sánh hai giải pháp điều khiển cho động cơ AC Servo: PI kinh điển và PI-2DOF. Kết quả đã chỉ ra rằng PI-2DOF giảm đáng kể độ vọt lố của momen khi khởi động và thay đổi tải, góp phần tăng độ bền và độ chính xác cho hệ thống. Quy trình từ xây dựng mô hình toán học động cơ servo đến triển khai trên vi điều khiển DSP đã được trình bày chi tiết, cung cấp một tài liệu tham khảo giá trị.

5.2. Hướng phát triển với bộ điều khiển mờ PID Fuzzy PID

Một bộ điều khiển mờ-PID sẽ sử dụng các luật mờ (Fuzzy Rules) dựa trên sai số (e) và đạo hàm của sai số (de/dt) để điều chỉnh các thông số Kp, Ki, Kd một cách linh hoạt. Khi sai số lớn, bộ điều khiển có thể tăng Kp để tăng tốc độ đáp ứng. Khi hệ thống gần đến điểm đặt, nó sẽ giảm Kp và tăng Kd để tránh vọt lố. Khả năng thích ứng này làm cho bộ điều khiển mờ-PID trở thành một giải pháp tối ưu hơn cho các hệ thống phi tuyến và có điều kiện hoạt động không chắc chắn.