TỔNG QUAN
Các nghiên cứu có liên quan
Một số đơn vị nước ngoài đã nghiên cứu các hệ thống sử dụng bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng (DSP), mang lại độ chính xác cao, tuy nhiên chi phí đầu tư lại khá lớn.
Qua việc khảo sát các tạp chí, hội nghị nghiên cứu trong nước và tìm kiếm thông tin trên internet, tác giả nhận thấy một số đề tài liên quan đến ứng dụng công nghệ FPGA trong việc điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu mà không sử dụng cảm biến, như thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng và thiết kế vi điều khiển Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn chưa đạt được độ ổn định tốc độ cao Đặc biệt, tác giả chưa tìm thấy nghiên cứu nào về "thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cảm biến" được công bố tại Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cảm biến
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Động cơ xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- Phương pháp điều chế véc tơ không gian
- Phương pháp điều khiển mờ thích nghi
- Phương pháp lọc Kalman mở rộng
Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
- Thiết kế mô hình mô phỏng và thuật toán điều khiển cho động cơ PMSM
- Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
- Thiết kế bộ lọc Kalman mở rộng
- Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cảm biến
Phương pháp thực hiện
Xây dựng mô hình mô phỏng, thuật toán điều khiển và kiểm chứng kết quả bằng phần mềm Matlab-Simulink và Modelsim.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)
2.1.1 Mở đầu Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motors - PMSM) là một dạng đặc biệt của máy điện đồng bộ PMSM có cấu tạo gồm các cuộn dây ba pha thông thường trong stato và nam châm vĩnh cửu trong rôto Động cơ điện đồng bộ thông thường cần nguồn AC và DC trong đó nguồn
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) khắc phục nhược điểm của máy điện đồng bộ truyền thống bằng cách thay thế dây quấn rotor, chổi than và vành trượt bằng nam châm vĩnh cửu, chỉ cần nguồn AC để hoạt động Điều này giúp giảm tổn hao trên rotor, giảm mòn chổi than và cổ góp, từ đó nâng cao tuổi thọ động cơ PMSM mang lại nhiều lợi thế trong hệ thống truyền động, tiết kiệm năng lượng với sức điện động cảm ứng hình sin, tạo ra mô men điện từ không đổi So với động cơ không đồng bộ, PMSM không cần cấp dòng điện kích từ qua stator, chỉ sử dụng dòng stator để tạo mô men, giúp cải thiện hệ số cos và nâng cao hiệu suất động cơ.
Ngoài động cơ PMSM, còn có động cơ một chiều không có cổ góp (BLDC), hai loại động cơ này khác nhau về dạng suất điện động cảm ứng Cuộn dây stator của động cơ BLDC có hình thang, trong khi cuộn dây stator của động cơ đồng bộ PMSM có hình sin Sự khác biệt trong cấu tạo cuộn dây stator giữa hai loại động cơ đã quyết định đến dạng sức phản điện động của chúng.
2.1.2 Cấu tạo của động cơ PMSM Động cơ PMSM (hay còn gọi là động cơ sóng sin vĩnh cửu không chổi than) có cấu tạo cơ bản giống động cơ đồng bộ thông thường bao gồm stato là phần cố định và roto là phần quay
Stato của động cơ PMSM được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại nhằm giảm thiểu dòng điện xoáy Bên trong các lá thép có rãnh để lắp đặt bộ dây quấn, tạo thành các nhóm bối dây được nối với nhau Tùy vào thiết kế, cuộn dây trên stato động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có thể được phân bổ theo dạng phân tán hoặc tập trung Các cuộn dây stato được cấp điện áp xoay chiều, từ thông sinh ra trong khe hở giữa stato và roto có dạng hình sin, tương tự như dòng điện trong cuộn dây.
Rotor của động cơ PMSM nổi bật với việc sử dụng nam châm vĩnh cửu thay vì cuộn dây, chổi than và vành trượt như các loại động cơ khác Các nam châm trong roto được chế tạo từ vật liệu đất hiếm như Samarium Cobalt (SmCo) và Neodymium Iron Boride (NdFeB) Tùy thuộc vào vị trí gắn, nam châm có thể là cực ẩn (gắn bên trong lõi thép) hoặc cực lồi (gắn bên ngoài lõi thép) Khi hoạt động ở tốc độ cao, khe hở không khí giữa các nam châm có thể được lấp đầy bằng vật liệu từ tính và bọc bằng vật liệu bền như sợi thủy tinh, hoặc được cố định bằng vít Việc không cần nguồn một chiều riêng biệt cho roto giúp cấu trúc động cơ trở nên đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn so với các động cơ truyền thống.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) có thể được phân loại theo kết cấu thành hai loại chính: động cơ cực ẩn và động cơ cực lồi Trong đó, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi (SPMSM) bao gồm hai phần chính là stato và roto, tương tự như các loại động cơ đồng bộ khác.
Stato của động cơ bao gồm lõi thép, dây quấn, vỏ và lắp máy Lõi thép được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại, tạo thành khối với các rãnh để đặt bộ dây quấn Stato được bảo vệ bởi vỏ động cơ, với khoảng hở thông gió giúp tản nhiệt hiệu quả khi động cơ hoạt động Dây quấn stato thường là dây đồng hoặc dây nhôm, có tiết diện tròn hoặc dẹt, tùy thuộc vào công suất động cơ, và được phủ lớp cách điện để đảm bảo an toàn Bộ dây quấn được thực hiện theo từng bối dây, lồng vào rãnh động cơ theo pha và sơ đồ dây quấn, cho phép đấu cuộn dây theo các sơ đồ khác nhau tùy theo yêu cầu sử dụng.
Rotor động cơ nam châm vĩnh cửu cực lồi thường có tốc độ quay thấp, với đường kính lớn và chiều dài nhỏ Chúng thường được chế tạo từ đĩa nhôm nhẹ nhưng bền, trong đó các thanh nam châm được gắn chìm Loại rotor này được gọi là từ trường hướng trục và thường được ứng dụng trong kỹ thuật robot với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Hình 2.1: Động cơ PMSM cực lồi
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPMSM) bao gồm hai phần chính: lõi thép stato và rotor, cùng với nam châm vĩnh cửu Cấu trúc này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Stato của động cơ cực ẩn có cấu tạo tương tự như động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi
Rotor của động cơ nam châm vĩnh cửu cực ẩn được chế tạo từ hợp kim thép chất lượng cao, có dạng trụ với các rãnh phay để lắp đặt thanh nam châm, tạo nên cấu trúc cơ học bền vững Để giảm thiểu lực ly tâm, rotor thường có hình dạng trống với tỷ lệ chiều dài trên đường kính lớn Loại động cơ này, còn được gọi là động cơ từ trường hướng kính, thường được ứng dụng trong các máy công cụ và trạm gia công cơ khí, đặc biệt là trong các động cơ có tốc độ cao.
Máy không có khe hở không khí đều do các nam châm vĩnh cửu được đặt chìm trong roto, khiến bề mặt hình học của nam châm không thay đổi Các thanh nam châm được lắp bên trong lõi thép rotor, trong khi mảng cực thép bao bọc quanh nam châm sẽ làm thay đổi mạnh mạch từ của roto Mảng cực thép tạo ra các đường dẫn từ, giúp từ thông cắt ngang các cực và vuông góc với từ thông của nam châm, từ đó có thể thay đổi cơ chế sản sinh mô men của động cơ.
Hình 2.2: Động cơ PMSM cực ẩn
Để đảm bảo hệ truyền động hoạt động êm và ổn định, động cơ cần hạn chế mô men răng và mô men đập mạch do sóng hài Việc thay đổi hình dạng của các thanh nam châm trong rotor bằng cách uốn các nam châm lượn chéo và điều chỉnh rãnh cùng dây quấn stator giúp giảm thiểu các mô men này Tuy nhiên, việc tạo ra các rotor xiên sẽ làm tăng chi phí và độ phức tạp Sử dụng bộ biến đổi chất lượng cao và bộ điều khiển có khả năng xác định chính xác các thông số như tốc độ và vị trí động cơ là giải pháp hiệu quả để hạn chế mô men răng trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu.
Động cơ nam châm vĩnh cửu hiện nay đã được cải tiến với thiết kế stato không có răng, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Dây quấn stato được chế tạo từ bên ngoài và lồng vào, giúp giảm tổn thất và không gặp hiện tượng đập mạch ở tốc độ thấp Thiết kế này cũng tạo ra không gian cho dây quấn lớn hơn, cho phép tăng dòng điện định mức và công suất của động cơ Tuy nhiên, khe hở không khí lớn có thể gây bất lợi cho từ thông, do đó rotor cần có đường kính và bề mặt nam châm lớn hơn Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn có nhiều kiểu rotor đa dạng, đáp ứng nhu cầu sử dụng.
Dưới đây là ba kiểu rotor thường gặp trong thực tế
Hình 2.3: Rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn
2.1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nguyên lý làm việc giống như các động cơ đồng bộ khác Tuy nhiên ta chỉ cần cấp nguồn cho cuộn dây stato mà không cần cấp nguồn cho cuộn kích từ cho roto vì cuộn dây của roto đã được thay thế bằng nam châm vĩnh cửu
Phương pháp nghịch lưu
Phương pháp nghịch lưu sử dụng bộ nghịch lưu để chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang năng lượng điện xoay chiều, phục vụ cho các tải xoay chiều Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ điều khiển các đại lượng ngõ ra, bao gồm điện áp hoặc dòng điện Khi ngõ ra là dòng điện, nó được gọi là bộ nghịch lưu dòng điện, trong khi khi ngõ ra là điện áp, nó được gọi là bộ nghịch lưu áp.
Nguồn điện một chiều đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho các bộ nghịch lưu Cụ thể, bộ nghịch lưu dòng được cấp nguồn từ nguồn điện một chiều với tính chất nguồn dòng, trong khi bộ nghịch lưu áp nhận nguồn từ nguồn điện một chiều với đặc điểm nguồn áp.
Trong bộ nghịch lưu, có thể xảy ra tình trạng các đại lượng ngõ vào và ngõ ra không giống nhau Cụ thể, bộ nghịch lưu có khả năng cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một chiều, thường được gọi là bộ nghịch lưu dòng nguồn áp.
Bộ nghịch lưu là thành phần chính trong cấu tạo của biến tần, đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền động điện cho động cơ điện xoay chiều với độ chính xác cao Biến tần không chỉ điều khiển động cơ mà còn được ứng dụng trong các thiết bị yêu cầu tần số cao như lò nhiệt, lò cảm ứng trung tần và thiết bị hàn trung tần Trong gia dụng, bộ nghịch lưu cung cấp nguồn điện xoay chiều cho các thiết bị, làm nguồn UPS và bù công suất phản kháng Đối với các tải xoay chiều, đặc biệt là động cơ điện và lò cảm ứng, việc ngắt dòng điện qua các linh kiện là một thách thức, vì vậy bộ nghịch lưu được thiết kế với các linh kiện tự kích ngắt để kiểm soát quá trình này.
Khi đối mặt với các tải đặc biệt như tải có tính chất dung kháng và tải cộng hưởng, dòng điện qua các linh kiện có thể bị ngắt do quá trình chuyển mạch tự nhiên Hiện tượng này phụ thuộc vào điện áp mạch tải hoặc điện áp nguồn.
Phương pháp điều chế vector không gian [20]
2.3.1 Giới thiệu Điều chế vector không gian là phương pháp bắt nguồn từ những ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều một pha sau đó được mở rộng và triển khai cho hệ thống điện ba pha Giải thuật của phương pháp này dựa vào kỹ thuật số Hiện nay các phương pháp điều chế vector không gian và các dạng cải biến của nó được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử công suất và tập trung vào điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha nhất là các úng dụng điều khiển truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện
Các đại lượng ba pha Va, Vb, Vc cân bằng có vector không gian và phép biến hình vector thỏa mãn điều kiện sau: va + vb+ vc = 0 (2.13)
Phép biến hình của các đại lượng ba pha va , vb, vc chuyển sang các đại lượng vector v theo hệ thức sau:
Vector không gian của đại lượng bap ha là phép biến hình giữa vector không gian và đại lượng vector v Giá trị của hằng số k có thể được điều chỉnh với các giá trị khác nhau tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể.
Với hằng số k = 2/3 cho thấy phép biến hình không bảo toàn công suất
Với hằng số 2 k = 3 cho thấy phép biến hình bảo toàn công suất
2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian
Trước khi áp dụng phương pháp điều chế vector không gian, hai phương pháp trước đó là điều khiển sáu bước và điều chế độ rộng xung đã được sử dụng nhưng vẫn tồn tại những hạn chế Phương pháp điều khiển sáu bước gây ra sự dịch chuyển nhảy cấp của vector không gian, dẫn đến điện áp pha tải nghịch lưu chứa nhiều thành phần sóng hài không mong muốn, làm biến đổi pha của quỹ đạo vector không gian Trong khi đó, phương pháp điều chế độ rộng xung gần như tạo ra điện áp pha tải dạng sine, nhưng lại bị giới hạn ở biên độ Vd/2 Để khắc phục những nhược điểm này, phương pháp điều chế vector không gian đã được phát triển, cho phép dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương với vector điện áp bộ nghịch lưu trên quỹ đạo tròn, tương tự như vector không gian của tín hiệu sine ba pha Nhờ vào cách tiếp cận này, sự dịch chuyển đều của vector không gian giúp loại bỏ các sóng hài bậc cao, làm cho tín hiệu điều khiển và biên độ điện áp trở nên tuyến tính hơn Vector tương đương chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu điện áp.
Ta xét góc một phần sáu thứ nhất của hình lục giác được tạo thành từ các vector
1, 2 v v và v 0 các vector đỉnh v v 1 , 2 và v 0 tạo ra các vector cơ bản của góc phần sáu
Trong quá trình lấy mẫu Ts, nếu ta áp dụng vector v1 trong thời gian T1, vector v2 trong thời gian T2, và vector v0 trong khoảng thời gian còn lại (Ts – T1 – T2), thì vector tương đương sẽ được tính bằng vector trung bình của các tác động liên tiếp này.
Hệ thức vector có thể biểu diễn dưới dạng đồ thị vector với:
= = = = Để đánh giá phạm vi hoạt động của vector V , ta có thể biểu diễn nó trên hai trục đọa độ vuông góc xy dưới dạng:
Hình 2.4: Dẫn giải hệ thức tính τ 1, τ 2, τ 0
Vector V gồm : các thành phần theo trục X với độ lớn tỉ lệ với tổng thời gian tác động 1+ 2và thành phần theo trục Y tỉ lệ với hiệu 1 − 2
Từ các hệ thức trên ta nhận xét thấy rằng:
- Nếu thời gian tác động τ1 của vector v 1 bằng 0, thì vector trung bình V có đỉnh nằm trên đoạn thẳng nối giữa hai đỉnh của vector không v 0 và vector v 2
- Nếu thời gian tác động τ2 của vector v 2 bằng 0, thì vector trung bình V có đỉnh nằm trên đoạn thẳng nối giữa hai đỉnh của hai vector không v 0 và vector v 1
- Nếu thời gian tác động τ0 của vector v 0 bằng 0, thì vector trung bình V có đỉnh nằm trên đoạn thẳng nối giữa hai đỉnh của vector không v 1 và vector v 2
- Nếu thời gian tác động của mỗi vector đều lớn hơn không (τ0>0), (τ 1
Vector V nằm trong mặt phẳng giới hạn bởi ba đỉnh của các vector v0, v1 và v2 Bán kính của đường tròn quỹ đạo lớn nhất nội tiếp trong hình lục giác tương ứng với độ lớn V d / 3 Tùy thuộc vào dấu của biểu thức (τ1 – τ2), vị trí của vector V sẽ nằm trước hoặc sau pha so với trục X.
Trong thực tế, chúng ta thường gặp các bài toán điều khiển vector không gian, ví dụ như xác định thời gian đóng cắt của linh kiện để đạt được vector V với độ lớn V và góc lệch pha γ đã cho Hệ thức tính toán các giá trị τ1, τ2 và τ0 có thể được dẫn giải một cách cụ thể để giải quyết vấn đề này.
Để tính toán thời gian tác động τ1, τ2, τ0 của các vector trong bộ nghịch lưu điện áp, cần quy đổi vector vi về góc phần sáu thứ nhất Cụ thể, nếu vector vi (vα,i, vβ,i) nằm ở góc phần sáu thứ i so với góc phần sáu thứ nhất, ta sẽ thực hiện quy đổi với các vector cơ bản vv i,1, i,2 và v0.
Để tạo ra vector có tính tuyến tính, cần điều khiển vector trung bình theo quỹ đạo đường tròn, từ đó vector trung bình sẽ đồng pha với vector yêu cầu.
Đường tròn nội tiếp hình lục giác đại diện cho quỹ đạo tối đa của vector không gian mà phương pháp điều chế vector không gian của bộ nghịch lưu áp hai bậc có thể đạt được trong điều kiện điều khiển tuyến tính.
Bán kính đường tròn chính là bằng biên độ thành phần điện áp cơ bản pha tải
Vt(1)m như đã thấy ở trên ta có:
Chỉ số điều chế tương ứng là:
2.3.3 Kỹ thuật thực hiện điều chế vector không gian
Trong góc phần tư thứ nhất, các vector cơ bản V, V1, V2 và các vector không điều khiển được sử dụng để điều khiển vector trung bình di chuyển đều trên quỹ đạo đường tròn bên trong hình lục giác tại các vị trí 1, 2, 3, 4 Thứ tự trạng thái của các vector cơ bản v0, v1, v2, v7 được thể hiện trong hình minh họa Trong một chu kỳ lấy mẫu Ts, thời gian tồn tại của các trạng thái T1, T2 và T0 được xác định từ module và pha của vector theo các công thức đã nêu, trong đó thời gian T0 bao gồm tổng thời gian xuất hiện của vector V7 (T02).
Để tối ưu hóa quá trình điều khiển tuyến tính của SVPWM, việc lựa chọn giản đồ kích đóng linh kiện là rất quan trọng Một trong những tiêu chí hàng đầu là hạn chế số lần chuyển mạch của linh kiện, nhằm giảm thiểu tổn hao trong quá trình đóng ngắt Số lần chuyển mạch sẽ đạt mức tối thiểu khi thực hiện trình tự điều khiển các véc tơ không gian một cách hợp lý.
Và trong nữa chu kỳ lấy mẫu còn lại:
Mạch điều chế vector điện áp trung bình tạo xung kích cho linh kiện bộ nghịch lưu, sử dụng tín hiệu ngõ vào là véc tơ điện áp theo nguyên lý điều chế véc tơ không gian Mạch này di chuyển theo quỹ đạo tròn của véc tơ điện áp, có thể điều khiển theo nguyên lý từ thông, phù hợp cho tải là động cơ không đồng bộ.
Hình 2.5 minh họa nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển vận tốc động cơ Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể, khối chức năng sẽ chọn một trong các vector điện áp cơ bản để điều khiển bộ nghịch lưu.
Thuật toán điều khiển theo nguyên lý từ thông sử dụng điện áp vector theo thời gian để theo dõi quỹ đạo đường tròn Để hiểu rõ nguyên lý này, ta áp dụng phương trình của máy điện không đồng bộ, đồng thời giả định rằng ảnh hưởng của điện trở dây quấn stator có thể bỏ qua.
V K - Là vector điện áp bộ nghịch lưu trên cuộn stator
S - Là vector từ thông stator
Trong trường hợp tại thời điểm t = 0, vector từ thông bằng 0 (0) thì tại thời điểm t xác định ta có:
Tại thời điểm t = 0, vector V1 (S1S2S6) tác động và vector từ thông V1 sẽ di chuyển theo quỹ đạo đường 1 Trong góc phần sáu được khảo sát trên H.2.5, vector từ thông không vượt ra ngoài quỹ đạo giới hạn bởi hai đường tròn đồng tâm Do đó, vector điện áp sẽ thay đổi giữa các trạng thái V1 (đường 1), V2 (đường 2) và V0 (điểm 0).
Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID, hay bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ, là một công cụ quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, nổi bật với cơ chế phản hồi theo vòng điều khiển PID là bộ điều khiển phổ biến nhất cho tín hiệu phản hồi, hoạt động bằng cách tính toán sai số giữa giá trị đo và giá trị đặt mong muốn Để giảm thiểu sai số, bộ PID điều chỉnh các thông số đầu vào điều khiển, đồng thời cần điều chỉnh phù hợp với tính chất của từng hệ thống để đảm bảo độ chính xác Các thông số này sẽ thay đổi tùy thuộc vào đặc trưng riêng của mỗi quá trình điều khiển.
Bộ điều khiển PID sử dụng ba thông số chính: P (giá trị tỉ lệ), I (giá trị tích phân) và D (giá trị đạo hàm) để điều chỉnh quá trình Giá trị tỉ lệ P phản ánh tác động của sai số hiện tại, trong khi I xác định ảnh hưởng của các sai số tích lũy trong quá khứ, và D dự đoán sai số tương lai dựa trên sự thay đổi tốc độ hiện tại Tổng hợp các tác động này sẽ điều chỉnh các phần tử như van điều khiển hoặc bộ nguồn gia nhiệt, tạo ra sự tương tác hiệu quả trong quá trình điều khiển.
Bộ điều khiển PID sử dụng các hằng số để điều chỉnh trong các thiết kế phức tạp, với đáp ứng được mô tả qua độ nhạy sai số, giá trị vọt lố và dao động của hệ thống Mặc dù bộ điều khiển PID có thể không đảm bảo tính tối ưu và ổn định cho hệ thống, người dùng có thể lựa chọn sử dụng một, hai hoặc ba khâu điều khiển tùy theo yêu cầu thực tế Việc kết hợp linh hoạt các khâu này cho phép tạo ra các bộ điều khiển nhỏ hơn như PI, PD, hoặc chỉ sử dụng một khâu như P hoặc I để đạt được hiệu quả điều khiển mong muốn.
Bộ điều khiển PI là một trong những bộ điều khiển phổ biến nhất, nhờ vào khả năng đáp ứng nhạy bén với các loại nhiễu đo lường thông qua khâu vi phân Tuy nhiên, nếu thiếu các giá trị tích phân, hệ thống điều khiển có thể không đạt được các giá trị mong muốn.
Hình 2.7: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Để duy trì nhiệt độ nước vòi theo mong muốn, ta có thể trộn nước nóng và lạnh, hoặc sử dụng nhiệt kế để kiểm tra nhiệt độ Tuy nhiên, phương pháp điều chỉnh này vẫn chưa tối ưu do mất nhiều thời gian và khó đạt được nhiệt độ chính xác.
Chúng ta có thể sử dụng cảm biến nhiệt độ để kiểm soát đầu ra của vòi nước, với giá trị cảm biến là giá trị tương tự (analog) để đo lường và xác định giá trị cần xử lý (giá trị đặt) Trong đó, biến quá trình là PV, điểm đặt là nhiệt độ mong muốn (SP), và biến điều khiển (đầu vào chu trình) là vị trí van nước (MV) Hiệu số giữa nhiệt độ đo được và điểm đặt gọi là sai số (e), giúp xác định khi nào nước quá nóng hoặc quá lạnh.
Khi đo nhiệt độ và tính toán sai số, bộ điều khiển xác định thời điểm và mức độ thay đổi vị trí van nước dựa trên điều kiện vận hành Khi mở van lần đầu, nếu cần nước ấm, van sẽ mở nhỏ hoặc mở hết nếu cần nước nóng tối đa Đây là một ví dụ về điều khiển tỷ lệ đơn giản, nhưng còn nhiều trường hợp khác Nếu nước nóng không cung cấp kịp thời, bộ điều khiển sẽ tăng tốc độ chu trình bằng cách mở van nóng nhiều hơn theo thời gian, sử dụng khâu điều khiển vi phân Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng hai khâu tỷ lệ và tích phân, có thể xảy ra dao động giữa độ nóng và lạnh do điều khiển van diễn ra nhanh, dẫn đến hiện tượng vọt lố so với nhiệt độ yêu cầu Phương pháp điều khiển vi phân giúp đạt được sự hội tụ dần đến nhiệt độ mong muốn và giảm thiểu dao động dự đoán trong tương lai.
Trong quá trình hoạt động, giá trị có thể thay đổi lớn trong khi sai số tương ứng lại nhỏ, dẫn đến hiện tượng vọt lố ở bộ điều khiển có độ lợi lớn Nếu bộ điều khiển lặp lại nhiều lần, hiện tượng này có thể gây ra sự mất ổn định quanh điểm đặt, với dao động tăng theo thời gian dẫn đến sự không ổn định của hệ thống Ngược lại, nếu dao động giảm theo thời gian và bám sát hình sin cố định, hệ thống sẽ ổn định Đối với các bộ điều khiển PID, việc điều chỉnh độ lợi là cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả, và một bộ điều khiển ổn định sẽ có sai số bằng không Tuy nhiên, khi có sự thay đổi trong tín hiệu đầu vào, dù có thể đo được hay không, sẽ ảnh hưởng đến đầu ra của hệ thống Các biến tác động khác với giá trị điều khiển được gọi là nhiễu, và nhiễu này có thể làm giảm độ chính xác của bộ điều khiển Do đó, trong các hệ thống điều khiển thông thường, cần áp dụng biện pháp loại trừ nhiễu hoặc điều chỉnh điểm đặt, ví dụ như sự thay đổi nhiệt độ nước từ nhà cung cấp có thể được xem là nhiễu trong quá trình điều khiển nhiệt độ vòi nước.
2.4.2 Lý thuyết điều khiển PID
Bộ điều khiển có thể áp dụng cho bất kỳ quá trình nào có đầu ra đo được (PV), giá trị đặt trước (SP) và đầu vào cho chu trình (MV) để tác động vào đầu ra Trong công nghiệp, các bộ điều khiển thường được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu sản xuất như điều chỉnh nhiệt độ, áp suất và tốc độ dòng chảy Ví dụ thực tế về việc điều khiển bao gồm quản lý nhiệt độ nước trong bồn, điều chỉnh áp suất trong máy nén khí và điều khiển hành trình cho xe điện.
Bộ điều khiển PID được ưa chuộng trong nhiều ứng dụng nhờ vào độ tin cậy lý thuyết và thực tiễn đã được kiểm chứng qua thời gian Ngoài ra, bộ điều khiển này còn nổi bật với tính đơn giản, dễ sử dụng, cài đặt và bảo trì.
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên dựa trên ba khâu chính của nó, và sự tổng hợp của các khâu này được hình thành từ các biến điều khiển MV.
Trong đó: Pout, Iout và Dout là các đầu ra từ các khâu trông bộ điều khiển PID được xác định như sau:
Khâu tỉ lệ, hay còn gọi là độ lợi, ảnh hưởng đến đầu ra và tỷ lệ dựa trên giá trị sai số hiện tại Để đáp ứng tỷ lệ này, người ta điều chỉnh bằng cách nhân sai số với độ lợi tỷ lệ, trong đó độ lợi được coi là một hằng số Kp.
Hình 2.8: Đồ thị đầu ra theo thời gian, các giá trị K p, K i và K d là các hằng số
Khâu tỉ lệ được viết:
Trong đó P out : Thừa số tỉ lệ đầu ra
K p : Là độ lợi tỉ lệ e = SP-PV Là sai số t: Là thời gian tại thời điểm xet
Khi có sự thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi tương đối nhỏ, điều này xảy ra do độ lợi của khâu tỉ lệ lớn, nhưng nếu độ lợi này quá cao, hệ thống sẽ hoạt động không ổn định Ngược lại, nếu độ lợi nhỏ trong khi đầu ra cũng nhỏ nhưng sai số đầu vào lại lớn, bộ điều khiển sẽ kém nhạy hoặc đáp ứng chậm Để hệ thống hoạt động ổn định, cần có độ lợi phù hợp Độ trượt xảy ra khi bộ điều khiển tỉ lệ thuần túy không xác lập tại các giá trị đặt, dẫn đến sai số ổn định trạng thái phụ thuộc vào độ lợi tỉ lệ và độ lợi quá trình Khi độ lợi quá trình giảm trong thời gian dài, ví dụ như khi làm mát một lò nung, độ trượt sẽ xuất hiện khi có độ lợi không đổi, dẫn đến trạng thái dừng nằm dưới điểm đặt, thường gọi là droop.
Hình 2.9: Đồ thị ngõ ra theo thời gian, tương ứng với ba giá trị K i ,
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ trượt bao gồm các thành phần dịch chuyển của độ lợi Khi có sự xuất hiện của dao động ngẫu nhiên hoặc dao động đều, các thành phần dịch chuyển này sẽ bị triệt tiêu.
Độ trượt trong hệ thống điều khiển tỷ lệ thuần túy tỷ lệ thuận với độ lợi quá trình và tỷ lệ nghịch với độ lợi tỷ lệ, đây là nhược điểm phổ biến của các bộ điều khiển này Để giảm độ trượt, có thể áp dụng nhiều biện pháp như thêm một thừa số độ lệch trên điểm đặt hoặc tích hợp khâu tích phân trong bộ điều khiển Những phương pháp này giúp cải thiện hiệu quả giảm độ trượt Mặc dù vẫn tồn tại hạn chế về độ trượt, khâu tỷ lệ vẫn được chứng minh là cần thiết và quan trọng trong quá trình điều khiển, cả về lý thuyết và thực tiễn.
Phương pháp điều khiển mờ
Trong kỹ thuật điều khiển hiện đại, phương pháp điều khiển mờ đóng vai trò quan trọng nhờ những đóng góp lớn cho hệ thống điều khiển Kỹ thuật này không chỉ thay đổi quan điểm trong điều khiển mà còn mang lại kết quả ấn tượng, giúp quá trình điều khiển trở nên dễ dàng và thông minh hơn Điều khiển mờ thể hiện độ chính xác cao, phản ứng nhanh và khả năng thực hiện hiệu quả Mặc dù ra đời sau, nhưng ứng dụng của điều khiển mờ trong công nghiệp rất phổ biến, đặc biệt trong các lĩnh vực như điều khiển động cơ, điều khiển nhiệt độ, và giao thông vận tải.
Trong sản xuất, yêu cầu về hệ thống điều khiển ngày càng cao, khiến các hệ thống điều khiển tổng hợp gặp khó khăn với các bài toán phức tạp, phi tuyến và thường xuyên thay đổi Mặc dù đã có những tiến bộ lý thuyết trong việc phát triển các bộ điều khiển, nhưng thực tế vẫn gặp phải vấn đề về chi phí sản phẩm và độ tin cậy Do đó, các giải pháp điều khiển tổng hợp không đáp ứng được hoàn toàn nhu cầu thực tế Trước tình hình này, bộ điều khiển logic mờ đã ra đời, mang lại giải pháp cho những thách thức trong điều khiển hiện đại.
Phương pháp tổng hợp hệ thống bằng bộ điều khiển mờ có những ưu điểm nổi bật so với những phương pháp trước đây cụ thể:
Sử dụng bộ điều khiển mờ giúp giảm thời gian và khối lượng công việc cho các yêu cầu thiết kế phức tạp, từ đó giảm thiểu khối lượng tính toán và chi phí sản phẩm.
- Dễ thay đổi, dễ điều khiển hơn các bộ điều khiển khác;
- Làm việc chính xác, ổn định, chất lượng điều khiển cao;
2.5.2 Bộ điều khiển mờ cơ bản ([3], ([10],)
Bộ điều khiển mờ cơ bản gồm có ba thành phần cơ bản như sau: Khâu Fuzzy hóa, thiết bị thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ
Bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ xử lý các giá trị tín hiệu hiện tại, thuộc nhóm bộ điều khiển tĩnh Để giải quyết các bài toán điều khiển động, cần mở rộng ứng dụng của nó, biến nó thành bộ điều khiển mờ động Các khâu động được kết nối với bộ điều khiển mờ cơ bản nhằm cung cấp các giá trị tích phân hoặc đạo hàm của tín hiệu Sự kết hợp này tạo thành một bộ điều khiển mờ hoàn chỉnh.
Hình 2.14 Bộ điều khiển mờ động
2.5.3 Nguyên lý điều khiển mờ
Hệ thống điều khiển mờ tương tự như các hệ thống điều khiển tự động khác, nhưng nổi bật với khả năng làm việc như một bộ não thông qua trí tuệ nhân tạo Nó hoạt động như một mạng neuron thần kinh, cho phép điều khiển mà không cần biết trước mô hình của đối tượng Bộ điều khiển mờ đã giải quyết nhiều vấn đề khó khăn trong thực tiễn, tuy nhiên, hiệu quả tối ưu còn phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận dựa trên tư duy con người, sau đó được cài đặt và vận hành trên máy tính theo logic mờ.
Thiết bị hợp thành và giải mờ
Hình 2.15: Hệ kín phản hồi âm với sự tham gia của bộ điều khiển mờ
Một hệ thống điều khiển mờ được thiết kế như hình 2.15 bao gồm:
- Phần giao diện đầu vào bao gồm khâu Fuzzy hóa và các khâu phụ trợ để thực hiện các bài toán động như vi phân, tích nhân…
- Thiết bị thực hiện luật hợp thành là sự triển khai luật thực hiện hợp thành
R được xây dựng trên cơ sở các luật điều khiển
- Giao diện đầu ra là sự kết hợp của khâu giải mờ và các khâu khác giao diện trực tiếp với các đối tượng điều khiển
Bộ điều khiển mờ hoạt động dựa trên nguyên tắc tổng hợp thông qua các phương pháp toán học, định nghĩa các biến đầu vào và đầu ra, cùng với việc lựa chọn luật điều khiển phù hợp Với khả năng xử lý giá trị vào/ra dưới dạng số thực với độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh, bộ điều khiển mờ có thể đáp ứng chính xác các yêu cầu phức tạp trong bài toán điều khiển Đặc trưng của nó được thể hiện qua các luật điều khiển mờ, được cấu trúc theo dạng mệnh đề hợp thành với quy tắc Nếu- Thì Nguyên tắc Max-Min và Sum-Min là những nguyên tắc cơ bản được sử dụng để triển khai các mệnh đề này.
Luật hợp thành là nguyên tắc chính để xây dựng mô hình R của luật điều khiển, trong đó luật điều khiển đóng vai trò như nguồn cung cấp năng lượng cho động cơ Để thực hiện luật hợp thành hiệu quả, thiết bị cần được lựa chọn các biến ngôn ngữ hợp lý, giúp biểu diễn chính xác các đại lượng vào-ra phù hợp với luật điều khiển Kết quả chính xác của các luật điều khiển mờ được hình thành thông qua quá trình luyện tập và kinh nghiệm thiết kế.
2.5.4 Bộ điều khiển mờ thích nghi
Trước đây, các bộ điều khiển PI thường được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ PMSM, nhưng chúng không thể thích nghi với sự thay đổi tải Để khắc phục điều này, bộ điều khiển mờ thích nghi đã ra đời, kết hợp giữa hai bộ điều khiển fuzzy và PI Bộ điều khiển này có khả năng phát hiện sự thay đổi của tải và đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp, giúp ổn định tốc độ động cơ trong các điều kiện tải khác nhau Khi hoạt động, bộ xử lý mờ sẽ phối hợp với bộ điều khiển để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
PI tự động điều chỉnh các hệ số Kp và Ki khi tải thay đổi, ngay cả khi động cơ đang hoạt động Phương pháp này được khuyến nghị để thiết kế bộ điều khiển cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu một cách hiệu quả.
Phương pháp lọc Kalman mở rộng
Bộ lọc là thuật toán tối ưu để ước lượng trạng thái của một quá trình thông qua phương pháp tính toán đệ quy Đối với động cơ PMSM, bộ lọc được thiết kế dựa trên chuỗi trạng thái, trong đó đầu vào là điện áp stator, đầu ra là dòng điện stator, và các ẩn số như tốc độ và góc từ thông rotor Vì PMSM là động cơ phi tuyến, bộ lọc Kalman mở rộng là giải pháp tối ưu cho việc ước lượng trạng thái Phương trình toán học phi tuyến ngẫu nhiên của PMSM có thể được diễn đạt như sau: x(t) = f[x(t)] + Bu(t) + σ(t) và y(t) = h[x(t)] + à(t).
Trong hệ thống, x(t), u(t), y(t) đại diện cho các trạng thái, đầu vào và đầu ra riêng biệt, trong khi σ(t) và à(t) là nhiễu quá trình và nhiễu đo lường tương ứng với hiệp phương sai Q(t) và r(t) Hàm f[x(t)] và h[x(t)] thể hiện ma trận hàm chuyển vị phi tuyến và ma trận hàm đo lường phi tuyến, thay đổi theo thời gian Bộ lọc Kalman giảm bậc dựa trên ý tưởng tuyến tính hóa mô hình trạng thái của phương trình tại thời điểm tức thời xung quanh giá trị ước lượng hiện tại, tùy thuộc vào hàm đang được xem xét Khi mô hình tuyến tính được xác định, phương trình chuẩn của bộ lọc Kalman sẽ được áp dụng.
Phương trình tuyến tính đảo như sau: δx(t) = F(x(t)) δx(t) + Bδu(t) + σ(t) (2.32) δy(t) = h(x(t)) δx + à (t) (2.33)
Ma trận Jacobian được xác định như sau:
Với thời gian lấy mẫu t thì (2.37) trở thành
Với ( , t t n n − 1 , ( x t n − 1 ))là ma trận hàm số mũ nó có thể được tính đơn giản như sau:
Do đó mô hình rời rạc của (2.30 và 2.31) trở thành:
Bộ lọc Kalman mở rộng là ước lượng tối ưu với hàm dò tìm = 2
Với x n 2 ( ) là độ lệch ước lượng của trạng thái x n ˆ( )với x(n) bởi
2 ˆ( ) ( ) x = x n − x n Thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng được mô tả qua hai bước phương trình đệ quy dưới đây:
Từ (2.36) và sử dụng tích phân vuông đơn giản
Hiệp phương sai được cập nhật bởi
Bước 2: (Bước đổi mới, hay còn gọi bước đo lường, bước cập nhật)
Hệ số kalman được tính bởi :
Bộ lọc Kalman giảm bậc thực hiện hai bước chính: đầu tiên là cập nhật dựa trên các phép đo, sau đó là điều chỉnh để cập nhật theo thời gian.
Hình 2.16: Tổng hợp phép toán của bộ lọc Kalman
