Nghiên cứu đáp ứng động học và điểu khiển động cơ một chiều không chổi than tuyến tính sử dụng giải thuật điều khiển PI PID

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã mang lại nhiều thành tựu lớn, trong đó ngành cơ điện tử đóng vai trò quan trọng Một vấn đề then chốt trong công nghiệp là truyền động và năng lượng, với động cơ điện là thiết bị không thể thiếu, tiêu tốn nhiều năng lượng nhất Động cơ điện chuyển đổi điện năng thành cơ năng, được sử dụng để quay bánh công tác của bơm, quạt, máy nén và nâng vật liệu Động cơ điện hiện diện cả trong dân dụng lẫn công nghiệp, và công suất của chúng được coi là "sức ngựa" của ngành công nghiệp, ước tính chiếm khoảng 70% tổng tải điện Do đó, việc điều khiển động cơ để đáp ứng hiệu quả nhu cầu truyền động và tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng, dẫn đến sự lựa chọn nghiên cứu về điều khiển động cơ điện.

Các loại động cơ được phân loại dựa trên nguồn năng lượng, cấu trúc và cơ chế hoạt động Động cơ điện chủ yếu chia thành hai loại: động cơ điện một chiều (DC) và động cơ điện xoay chiều (AC).

DC được chia thành bốn loại chính dựa trên cách kích từ: kích từ độc lập, kích từ nối tiếp, kích từ song song và kích từ hỗn hợp Động cơ AC bao gồm hai loại chính là động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ Động cơ cảm ứng có hai loại chính: động cơ điện một pha và động cơ điện ba pha Trong khi đó, động cơ đồng bộ gồm động cơ từ trường vĩnh cửu và động cơ từ trở Động cơ một chiều được cấu thành từ ba thành phần chính như hình 1.1.

Cực từ trong động cơ một chiều tạo ra sự quay nhờ vào tương tác giữa hai từ trường Động cơ này có các cực từ cố định và phần ứng quay trên các ổ đỡ, nằm giữa các cực từ Một động cơ một chiều cơ bản gồm hai cực: cực bắc và cực nam, với các đường sức từ chạy từ cực bắc đến cực nam Đối với các động cơ phức tạp hơn, có thể sử dụng một hoặc nhiều nam châm điện, được cấp điện từ bên ngoài để tạo ra cấu trúc từ trường cần thiết.

Hình 1.1: Động cơ DC thường

Phần ứng trong động cơ điện một chiều nhỏ hoạt động như một nam châm điện khi có dòng điện đi qua Hình dạng trụ của phần ứng được kết nối với trục ra để kéo tải Khi phần ứng quay trong từ trường do các cực tạo ra, cực bắc và cực nam của nam châm sẽ hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay Khi quá trình hoán đổi hoàn tất, dòng điện sẽ đảo chiều, làm cho các cực bắc và nam của phần ứng xoay chiều.

Cổ góp là bộ phận quan trọng trong động cơ một chiều, giúp đảo chiều dòng điện trong phần ứng và hỗ trợ truyền điện giữa phần ứng và nguồn điện Động cơ một chiều có ưu điểm là khả năng điều khiển tốc độ mà không ảnh hưởng đến chất lượng điện cung cấp Tốc độ có thể điều chỉnh thông qua điện áp phần ứng hoặc dòng kích thích Động cơ một chiều kích từ độc lập có dòng kích từ từ nguồn riêng, trong khi động cơ kích từ song song có cuộn kích từ nối song song với cuộn dây phần ứng, cho phép dòng điện toàn phần là tổng của dòng kích từ và dòng điện phần ứng Động cơ kích từ song song thường có tốc độ không đổi, thích hợp cho ứng dụng với mômen khởi động thấp Tốc độ có thể điều chỉnh bằng cách lắp thêm điện trở vào mạch phần ứng hoặc mạch kích từ Đối với động cơ kích từ nối tiếp, cuộn kích từ được nối tiếp với cuộn dây phần ứng, dẫn đến dòng kích từ bằng dòng phần ứng, với tốc độ giới hạn khoảng 5000 vòng/phút, cần tránh vận hành quá mức.

Động cơ kích từ hỗn hợp một chiều kết hợp giữa động cơ nối tiếp và động cơ kích từ song song, với cuộn kích từ được nối cả song song và nối tiếp với cuộn dây phần ứng, mang lại mômen khởi động tốt và tốc độ ổn định Tỷ lệ phần trăm đấu hỗn hợp cuộn kích từ càng cao thì mô men khởi động càng lớn Một trong những ưu điểm nổi bật của động cơ một chiều là khả năng điều khiển tốc độ dễ dàng hơn so với động cơ xoay chiều Mặc dù động cơ xoay chiều có thể được trang bị bộ điều khiển biến đổi tần số để cải thiện điều khiển tốc độ, nhưng điều này lại làm giảm chất lượng điện.

Động cơ điện xoay chiều ba pha, như hình 1.2, hoạt động bằng dòng điện xoay chiều và được chia thành hai loại chính: đồng bộ và không đồng bộ Động cơ không đồng bộ là loại phổ biến nhất trong công nghiệp nhờ thiết kế đơn giản, chi phí thấp và dễ bảo trì, có thể kết nối trực tiếp với nguồn điện xoay chiều Cấu tạo của động cơ không đồng bộ bao gồm hai phần chính: rôto và stato Rôto có hai loại: rôto lồng sóc với các thanh dẫn được nối vào vòng đoản mạch, và rôto dây quấn với ba pha và hai lớp cuộn dây quấn Stato được tạo thành từ các vòng dập định hình với các rãnh chứa cuộn dây ba pha, được quấn cho một số cực nhất định, với bố trí lệch nhau 120 độ trong không gian.

Động cơ không đồng bộ được chia thành hai nhóm chính: động cơ không đồng bộ một pha và ba pha Động cơ một pha có cuộn dây stato duy nhất, hoạt động bằng nguồn điện một pha và thường được sử dụng trong các thiết bị gia đình như quạt và máy giặt với công suất 3-4 mã lực Ngược lại, động cơ ba pha có từ trường quay do nguồn cung cấp ba pha cân bằng, cho công suất cao hơn và có khả năng tự khởi động Động cơ đồng bộ, không chổi than, có tốc độ quay bằng với tốc độ biến thiên của từ trường, bao gồm động cơ đồng bộ từ trường vĩnh cửu (PMSM) và động cơ từ trở đồng bộ (SRM) PMSM không có cuộn dây kích từ trên rôto và hoạt động dựa trên nguyên lý dòng điện kín, trong khi SRM tạo mômen quay bằng khái niệm từ trở Động cơ AC có nhiều ưu điểm như hiệu năng cao, độ bền và ít bảo trì hơn so với động cơ DC, trong khi động cơ DC lại phù hợp cho các yêu cầu đòi hỏi độ chính xác cao về tốc độ và mômen.

Động cơ một chiều (DC) rất dễ điều khiển và được sử dụng phổ biến trong cả dân dụng lẫn công nghiệp cho ứng dụng công suất thấp Mặc dù động cơ DC thông thường có nhiều ưu điểm về điều chỉnh tốc độ, nhưng nhược điểm lớn nhất là cần có bộ chuyển mạch cơ khí như cổ góp và chổi than, điều này hạn chế ứng dụng của nó trong các truyền động yêu cầu tốc độ cao Để khắc phục nhược điểm này, động cơ một chiều không chổi than (BLDC) với bộ cổ góp điện tử đã ra đời, kết hợp ưu điểm của động cơ DC và động cơ đồng bộ AC, mở ra nhiều hướng ứng dụng mới và là xu hướng phát triển trong tương lai.

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Trước khi xuất hiện động cơ BLDC, động cơ DC chổi than đã được phát minh vào năm 1856 bởi Siemens, người có nhiều đóng góp quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điện Sau khi rời quân đội, Siemens đã học kỹ thuật điện và phát minh ra thang máy điện đầu tiên vào năm 1880 Động cơ DC chổi than đầu tiên của ông khá thô sơ và sau đó đã được Leonard cải tiến, người đã hoàn thành hệ thống điều khiển động cơ đầu tiên hiệu quả vào cuối thế kỷ 19.

Hệ thống này sử dụng biến trở để điều khiển dòng điện trong từ trường cuộn dây,

Hệ thống điều chỉnh điện áp đầu ra của máy phát DC đã cải thiện tốc độ động cơ DC, với hệ thống của Leonard vẫn hiệu quả cho đến năm 1960 Tuy nhiên, sự xuất hiện của bộ điều khiển trạng thái rắn từ công ty Electronic Regulator đã thay thế hệ thống của Leonard nhờ khả năng chuyển đổi trực tiếp điện AC thành điện DC, mang lại tính đơn giản và hiệu quả cao hơn.

Công ty Electronic Regulator đã tối đa hóa hiệu quả động cơ DC, mở ra cánh cửa cho động cơ BLDC (động cơ DC không chổi than), được giới thiệu lần đầu năm 1962 bởi Wilson và Trickey BLDC khác biệt với động cơ DC truyền thống ở chỗ không có bộ chuyển đổi cổ góp chổi than vật lý Nhờ vào sự phát triển và tinh chế, BLDC đã trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng như ổ đĩa cứng máy tính, lĩnh vực rôbốt và không gian, và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay Động cơ này mang lại hiệu suất cao, đặc biệt trong những ứng dụng khó khăn mà động cơ DC thông thường gặp phải vấn đề với chổi than Mặc dù BLDC đại diện cho một bước nhảy vọt công nghệ, nhưng vẫn tồn tại một số vấn đề như độ tin cậy và khả năng tạo ra công suất lớn trong các phiên bản ban đầu.

Sự thay đổi bắt đầu vào năm 1980 khi vật liệu nam châm vĩnh cửu được phát triển và ứng dụng trong sản xuất Việc kết hợp nam châm vĩnh cửu với các transistor cao áp đã cho phép động cơ BLDC tạo ra công suất lớn tương tự như động cơ DC chổi than truyền thống Đến cuối những năm 1980, Lordo thuộc tập đoàn Powertec Industrial đã giới thiệu động cơ BLDC đầu tiên với công suất gấp gần 10 lần so với động cơ DC chổi than thông thường.

Hiện nay, hầu hết các công ty sản xuất động cơ đều cung cấp động cơ BLDC công suất cao, với đường kính từ 15 mm đến 65 mm và công suất đầu ra từ 0.7 W đến 329.9 W Nếu bạn đang khởi động một dự án mới yêu cầu động cơ, hãy cân nhắc lựa chọn động cơ BLDC Ngành công nghiệp đã phụ thuộc vào động cơ BLDC trong suốt 50 năm qua, cho thấy tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong các thập niên tới.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu BLDC trên thế giới

Nghiên cứu về điều khiển động cơ BLDC đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu, với sự phát triển nhanh chóng của các giải thuật và phương pháp nâng cao chất lượng điều khiển Các đề tài nghiên cứu và ứng dụng liên quan đến động cơ BLDC ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm từ các viện nghiên cứu và trường đại học Đặc biệt, một nghiên cứu so sánh các loại động cơ điện trong xe điện đã được trình bày tại hội thảo năm 2008 do Nasser và Behzad từ đại học Tehran, Iran thực hiện.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có năm loại động cơ điện, bao gồm DC thông thường, động cơ cảm ứng, động cơ đồng bộ, động cơ từ trở và động cơ BLDC Trong số này, động cơ BLDC được xác định là loại động cơ phù hợp nhất cho ứng dụng xe điện nhờ vào những lợi ích vượt trội như ít ô nhiễm, tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả hơn và công suất cao hơn so với kích thước động cơ.

Nghiên cứu của Lee và Lemley tại trường đại học Berks Campus tập trung vào ba phương pháp chuyển đổi động cơ BLDC ba pha, bao gồm chuyển đổi dạng hình thang (6 bước), dạng hình sin và hướng từ trường (FOC) Bài viết giới thiệu và thảo luận về đặc tính của từng phương pháp, đồng thời so sánh ưu nhược điểm của chúng với các phương pháp khác Đặc biệt, động cơ BLDC có thể được điều khiển thông qua phương pháp chuyển đổi dạng hình thang kết hợp với cảm biến vị trí Hall.

Bộ chuyển đổi dạng hình sin với cảm biến vị trí encoder và FOC sử dụng cảm biến Hall hoặc encoder đã được nghiên cứu và so sánh, cho thấy bộ chuyển đổi hình thang có mômen gợn sóng tại tốc độ thấp nhưng hiệu quả hơn ở tốc độ cao Nghiên cứu của Dal và Jae tại viện Drivetech, Polytechnic Virginia, phân tích nhiều nguyên lý chuyển đổi và điều khiển dòng điện cho động cơ BLDC, bao gồm chuyển mạch sáu bước không điều khiển dòng điện, điều khiển dòng trên bus, chuyển đổi dạng sin, điều khiển dòng pha và hiệu chỉnh đồng bộ Nguyên lý điều khiển và kỹ thuật chuyển đổi ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống và mômen đầu ra Mặc dù phương pháp điều khiển sáu bước không điều khiển dòng có thể hiệu quả trong một số ứng dụng đơn giản, việc đáp ứng yêu cầu chất lượng cao đòi hỏi sử dụng bộ chuyển đổi phức tạp và điều khiển dòng điện Phương pháp điều khiển dòng điện bus không hiệu chỉnh độ trễ pha dẫn đến mômen gợn sóng, trong khi bộ hiệu chỉnh dòng pha và dạng sin giúp giảm độ trễ pha, mang lại mômen cao và ổn định hơn ở tốc độ cao.

Nghiên cứu của Patel và Pandey tại trường cao đẳng kỹ thuật tập trung vào mô hình hóa và phân tích chất lượng động cơ BLDC với bộ điều khiển PID và nguyên lý PWM Sử dụng MATLAB/SIMULINK, họ đã mô hình hóa các tham số hoạt động của động cơ BLDC thông qua phương pháp hiệu chỉnh để phát triển mô phỏng tuần tự Kết quả cho thấy bộ điều khiển PID hiệu quả trong việc điều khiển tốc độ và mô men, được kiểm tra từ vòng hở đến vòng kín thông qua các biểu đồ đáp ứng bước, quỹ đạo nghiệm số, biểu đồ Nyquist và biểu đồ Bode.

Đề tài thiết kế bộ điều khiển Fuzzy logic cho mạch chuyển đổi động cơ BLDC sử dụng MATLAB/SIMULINK được thực hiện bởi Mehmet và Omer tại đại học Selcuk, Thổ Nhĩ Kỳ, nhằm mô phỏng hiệu quả của bộ điều khiển này so với bộ điều khiển PID Nghiên cứu cho thấy đặc tính động học của động cơ, bao gồm tốc độ và mômen, có thể dễ dàng quan sát và phân tích, với kết quả cho thấy bộ điều khiển Fuzzy logic đạt được tốc độ và mômen trong thời gian ngắn Một nghiên cứu khác do Rao, Obulesh và Sai Babu thực hiện tại Andra Pradesh, Ấn Độ, đã mô hình hóa động cơ BLDC với các tham số kỹ thuật thay đổi trong MATLAB/SIMULINK, cho thấy động cơ hoạt động ổn định ở chế độ 120 độ điện Kết quả cho thấy chất lượng của động cơ BLDC là chấp nhận được, và bộ điều khiển PID vòng kín có khả năng điều khiển tốc độ hiệu quả trong điều kiện tải thay đổi Tác giả cũng chỉ ra rằng động cơ BLDC có hiệu năng cao, mômen lớn, tầm tốc độ rộng, mật độ công suất cao, bảo trì thấp và ít nhiễu hơn so với các loại động cơ khác, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của mô hình hóa trong việc nghiên cứu chất lượng động cơ trước khi thiết kế Cuối cùng, đề tài cũng đề cập đến việc giảm dao động điều hòa và độ gợn mômen của động cơ BLDC thông qua mạch cầu.

Nghiên cứu của A Sneha tại Học viện Anurag, Ấn Độ đã chỉ ra rằng việc sử dụng kỹ thuật điều khiển tốc độ và dòng điện nhiều mức cho mạch công suất BLDC mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các mạch công suất khác, nhờ vào việc cải thiện chất lượng nghịch lưu Công nghệ nghịch lưu nhiều mức giúp giảm độ gợn sóng mômen và dao động điều hòa méo trong hệ thống ba pha ba mức Đồng thời, nghiên cứu thạc sĩ của Stefan Baldursson tại Đại học Chalmers, Thụy Điển, đã phát triển mô hình hóa và điều khiển động cơ BLDC trong MATLAB/SIMULINK, tập trung vào cấu trúc và hoạt động của động cơ DC và BLDC Các chiến lược điều khiển như điều khiển trễ, PWM và biến đổi nguồn điện DC-Link đã được thử nghiệm và đánh giá, cho thấy hiệu quả tốt nhưng vẫn tồn tại nhược điểm riêng Đặc biệt, phổ tần số của dòng điện DC-link cho thấy điều khiển trễ không phù hợp với tải biến.

Phương pháp điều khiển áp DC-link được xem là giải pháp tối ưu cho ứng dụng giảm độ gợn mômen trong hệ thống điều khiển động cơ BLDC Nghiên cứu của Omar Mohammed tại trường đại học Toledo vào năm 2014 cho thấy động cơ BLDC được điều khiển bằng vi điều khiển cấp nguồn ba pha qua cầu bán dẫn, với nguồn cung cấp cho cuộn dây stator dựa trên thuật toán điều khiển Kỹ thuật điều khiển này có thể sử dụng bộ chuyển mạch xác định vị trí rôto bằng cảm biến hoặc không có cảm biến, trong đó phương pháp không có cảm biến có thể thực hiện qua suất điện động trực tiếp hoặc gián tiếp và FOC Để đảm bảo chất lượng điều khiển tốc độ khi tải thay đổi, cần áp dụng vòng lặp điều khiển thích hợp, với bộ điều khiển PI kinh điển được sử dụng trong nghiên cứu So sánh các kỹ thuật cho thấy phương pháp FOC đạt mômen đỉnh cao nhất so với các phương pháp không có cảm biến Ngoài ra, nghiên cứu của S Rambabu tại học viện công nghệ quốc gia Roukela năm 2007 đã ứng dụng bộ điều khiển fuzzy logic để cải thiện chất lượng động học của động cơ BLDC.

Bộ điều khiển fuzzy logic được triển khai trên vi xử lý PIC giúp cải thiện tốc độ đáp ứng so với bộ điều khiển PI truyền thống Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá chất lượng đáp ứng của bộ chuyển mạch BLDC Đề tài thạc sĩ của RAJA SIT1NUR ADIIMAH BINTI RAJA ARIS tại trường đại học Tun Hussein Onn, Malaysia vào năm 2011 đã mô phỏng biến đổi tốc độ động cơ BLDC bằng bộ điều khiển mạng nơron Nghiên cứu trình bày nguyên lý điều khiển mạng nơron cho động cơ BLDC, cùng với mô hình toán học và giải thuật mạng nơron Bộ điều khiển được thiết kế để theo dõi tốc độ đặt khi tải thay đổi liên tục Mặc dù động cơ BLDC có nhiều ưu điểm, nhưng đặc tính chuyển mạch không tuyến tính gây khó khăn cho việc sử dụng PID truyền thống Để khắc phục vấn đề này, bộ điều khiển mạng nơron với kỹ thuật học online dựa trên giải thuật lan truyền ngược đã được phát triển, cho thấy sự cải thiện đáng kể trong chất lượng điều khiển so với PID khi tốc độ và tải thay đổi liên tục.

1.2.3 Tình hình nghiên cứu BLDC trong nước

Nghiên cứu hệ truyền động và điều khiển động cơ BLDC tại Việt Nam vẫn còn mới mẻ, nhưng đây là một hướng phát triển tất yếu với nhiều ứng dụng thực tế trong tương lai Những năm gần đây, lĩnh vực này đang dần thu hút sự quan tâm và đầu tư, mở ra cơ hội lớn cho sự phát triển công nghệ tại nước ta.

Tính cấp thiết đề tài

Động cơ BLDC ngày càng trở nên phổ biến nhờ ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa thiết bị điện, hàng không, y tế, dân dụng và phương tiện vận tải Với những ưu điểm vượt trội, động cơ không chổi than đang dần thay thế động cơ một chiều sử dụng chổi than.

- Đặc tính tốc độ và mô men tốt hơn

- Đáp ứng động học nhanh do quán tính nhỏ

- Hiệu suất sử dụng cao do sử dụng nam châm vĩnh cửu thay dây đồng

- Tuổi thọ động cơ cao do không có chuyển mạch cơ khí

- Động cơ chạy êm, tiếng ồn nhỏ

- Không gây nhiễu khi hoạt động

Để điều khiển động cơ BLDC, có hai phương pháp chính: sử dụng cảm biến vị trí rôto và không sử dụng cảm biến Phương pháp không có cảm biến đã được nghiên cứu và cải tiến nhiều nhằm giảm chi phí và đơn giản hóa lắp đặt, nhưng vẫn còn hạn chế về độ chính xác và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu Ngược lại, phương pháp có cảm biến xác định vị trí rôto mang lại độ chính xác cao hơn, nhưng gặp khó khăn trong việc lắp đặt cảm biến Hall và chi phí cao Hiện nay, những vấn đề này đang dần được khắc phục.

Các nghiên cứu gần đây về điều khiển động cơ BLDC chủ yếu sử dụng cảm biến Hall và phương pháp PID cổ điển, với một số nghiên cứu áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại như fuzzy và ANN để nâng cao chất lượng và cải thiện đáp ứng động học Hầu hết các phương pháp điều chỉnh PID hiện nay dựa trên các kỹ thuật cổ điển như Zigler-Nichols, Cohen-Coon, và Tyreus-Luyben, trong khi một số nghiên cứu khác sử dụng thuật toán tối ưu như PSO và GA để xác định tham số PID Phương pháp điều chỉnh PID dựa trên mô hình nội đối tượng (IMC) do Rivera giới thiệu năm 1986 cũng đã được áp dụng để đảm bảo tính bền vững cho hệ thống Tuy nhiên, các phương pháp điều khiển vòng kín trong điều khiển tốc độ thường gặp phải vấn đề về nhiễu tác động đầu ra, dẫn đến mất ổn định Để giải quyết vấn đề này, một số nghiên cứu đã triển khai hai vòng điều khiển, với vòng tốc độ bên ngoài và vòng dòng điện bên trong, mặc dù việc áp dụng phương pháp này đòi hỏi thêm thiết bị đo và phức tạp trong thiết kế.

Nghiên cứu này tập trung vào việc triển khai hai vòng yêu cầu với bộ điều khiển IMC-PI/PID nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho các hệ thống phức tạp với tiêu chuẩn cao.

Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của bài viết là đáp ứng động học của hệ thống điều khiển, tập trung vào động cơ một chiều không chổi than Mục tiêu chính là phân tích và đánh giá chất lượng điều khiển của loại động cơ này.

Bộ điều khiển IMC-PI/PID hai vòng tốc độ và dòng điện được sử dụng trong hệ thống một chiều không chổi than, giúp nâng cao chất lượng điều khiển cho các ứng dụng yêu cầu cao.

Nghiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài

Đề tài nghiên cứu về điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ một chiều không chổi than đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học, cả trên thế giới và trong nước Mục tiêu chính là cải thiện đáp ứng động học trong các hệ thống điều khiển, nhằm nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong ứng dụng thực tiễn Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào các phương pháp điều khiển tiên tiến và công nghệ mới để tối ưu hóa hoạt động của động cơ, từ đó đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các lĩnh vực công nghiệp và tự động hóa.

- Tìm hiểu sơ lƣợc cấu tạo, nguyên lí hoạt động, ứng dụng các loại động cơ

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phương pháp điều khiển động cơ một chiều không chổi than loại có ba cuộn dây nối chung điểm trung tính

- Tìm hiểu bộ điều khiển PID, các phương pháp hiệu chỉnh tham số PID, điều khiển hai vòng lặp

- Tìm hiểu mô hình tuyến tính động cơ một chiều không chổi than, đặc tính tốc độ, mômen

- Mô phỏng, thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống trong Matlab/Simulink

- Nhận dạng hệ thống, triển khai mô hình thực nghiệm, đánh giá so sánh kết quả nghiên cứu và mô phỏng

Do nhiều yếu tố chủ quan và khách quan, việc nghiên cứu mô phỏng và triển khai mô hình thực nghiệm dựa trên phần cứng có sẵn trên thị trường là cần thiết Tuy nhiên, điều này cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống.

Nội dung nghiên cứu trong đề tài

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết điều khiển IMC-PID động cơ BLDC

Chọn lựa phần cứng cho động cơ BLDC, bao gồm mạch công suất và vi điều khiển, là bước quan trọng Tiếp theo, tiến hành thử nghiệm để nhận dạng hệ thống và xác định hàm truyền của động cơ BLDC.

Sử dụng bộ tham số đã xác định, chúng tôi thiết kế bộ điều khiển IMC-PI/PID nhiều vòng Quá trình mô phỏng các bộ điều khiển được thực hiện trong MATLAB/Simulink, từ đó đánh giá chất lượng kết quả mô phỏng.

Viết chương trình triển khai giải thuật IMC-PID cho nhiều vòng điều khiển dòng điện, tốc độ trên phần cứng

Sau đó, so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm với các nghiên cứu trước đây Đánh giá kết quả đạt đƣợc và kết luận.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu động học và điều khiển động cơ BLDC áp dụng thuật toán PI/PID dựa trên tính toán mô hình lý thuyết, kết hợp với mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá và nhận xét hiệu quả.

- Phương pháp thu thập thông tin nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp xử lí thông tin định tính và định lượng, sàn lọc thông tin

- Phương pháp thực nghiệm, hiệu chỉnh, đo đạc, vẽ đồ thị theo thời gian thực

- Phương pháp phân tích, thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Động cơ BLDC

2.1.1 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động

Động cơ một chiều không chổi than có cấu tạo tương tự như động cơ xoay chiều đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu Hình 2.1 minh họa cấu trúc của một động cơ một chiều không chổi than ba pha điển hình.

Hình 2.1: Thành phần cơ bản của động cơ BLDC

Dây quấn stator của động cơ một chiều không chổi than tương tự như dây quấn của động cơ xoay chiều ba pha, trong khi rôto bao gồm một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu Sự khác biệt chính giữa động cơ một chiều không chổi than và động cơ xoay chiều đồng bộ là động cơ một chiều sử dụng các phương tiện để xác định vị trí cực từ của rôto, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển cho bộ chuyển mạch điện tử Như hình 2.1 minh họa, động cơ một chiều không chổi than là sự kết hợp giữa động cơ xoay chiều đồng bộ kích thích vĩnh cửu và bộ đổi chiều điện tử theo vị trí rôto.

Việc xác định vị trí rôto trong động cơ một chiều không chổi than chủ yếu được thực hiện thông qua cảm biến vị trí, trong đó cảm biến Hall là phổ biến nhất Ngoài ra, một số động cơ còn sử dụng cảm biến quang học hoặc mạch ước lượng mà không cần cảm biến Mặc dù động cơ ba pha thường được ưa chuộng vì hiệu suất cao, động cơ một chiều không chổi than hai pha cũng rất phổ biến nhờ vào cấu tạo đơn giản và mạch truyền động dễ dàng Cấu tạo chính của động cơ một chiều không chổi than bao gồm stator, rôto, bộ phận đổi chiều điện tử và hệ thống xác định vị trí rôto.

Khác với động cơ một chiều thông thường, động cơ một chiều không chổi than có stator không chứa dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng của loại động cơ này có thể là hai pha, ba pha hoặc nhiều pha, nhưng phổ biến nhất là dây quấn ba pha.

Hình 2.2: Stator của động cơ một chiều không chổi than [22]

Stator của động cơ BLDC được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện, với các cuộn dây đặt trong các khe cắt xung quanh chu vi bên trong Mặc dù cấu trúc của stator tương tự như các động cơ cảm ứng khác, nhưng cách phân bố các bối dây lại khác biệt Hầu hết các động cơ một chiều không chổi than có ba cuộn dây được kết nối theo hình sao hoặc hình tam giác, mỗi cuộn dây được tạo thành từ nhiều bối dây liên kết với nhau Các bối dây này được đặt trong các khe và nối liền để hình thành cuộn dây hoàn chỉnh Sự phân bố của các cuộn dây trên chu vi stator theo trình tự thích hợp tạo ra một số chẵn các cực, và cách bố trí cùng số rãnh của stator sẽ ảnh hưởng đến số lượng cực của động cơ.

Sự khác nhau trong cách nối các bối dây trong cuộn dây stator dẫn đến sự khác biệt về hình dáng sức phản điện động của động cơ BLDC, bao gồm hai dạng chính là hình sin và hình thang Điều này phân loại động cơ thành BLDC hình sin và BLDC hình thang, với dòng điện pha tương ứng cũng có hình dạng tương tự Động cơ hình sin có mômen phẳng hơn nhưng chi phí cao hơn do yêu cầu về bối dây mắc liên tục, trong khi động cơ hình thang có giá thành rẻ hơn nhưng đặc tính mômen lại không ổn định do sự thay đổi điện áp lớn hơn.

Động cơ một chiều không chổi than (BLDC) có các cấu hình một pha, hai pha và ba pha, tương ứng với số cuộn dây trong stator Việc lựa chọn động cơ phụ thuộc vào khả năng cấp công suất điều khiển và tỷ lệ điện áp Động cơ với điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 48V thường được sử dụng trong máy tự động, robot và các chuyển động nhỏ, trong khi động cơ trên 100V thích hợp cho thiết bị công nghiệp, tự động hóa và các ứng dụng công nghiệp.

Rôto được gắn vào trục động cơ và có các thanh nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt Đối với các động cơ yêu cầu quán tính nhỏ, trục động cơ thường có dạng hình trụ rỗng Chất liệu nam châm được chọn dựa trên yêu cầu về mật độ từ trường trong rôto, trong đó nam châm ferrite là lựa chọn phổ biến Mặc dù nam châm ferrite có giá thành rẻ, nhưng mật độ thông lượng trên đơn vị thể tích của nó thấp Ngược lại, nam châm làm từ hợp kim ngày càng được ưa chuộng nhờ mật độ từ cao hơn, cho phép thu nhỏ kích thước rôto mà vẫn duy trì mômen tương tự Vì vậy, với cùng thể tích, mômen của rôto sử dụng nam châm hợp kim luôn lớn hơn so với rôto sử dụng nam châm ferrite.

Hình 2.4: Các dạng rôto của BLDC

Động cơ một chiều không chổi than hoạt động dựa trên việc chuyển mạch điện tử, trong đó cuộn dây stator được cấp điện nhờ các van bán dẫn công suất Để động cơ hoạt động hiệu quả, việc cấp điện cho cuộn dây phải được thực hiện theo thứ tự chính xác, phụ thuộc vào vị trí của rôto Do đó, việc xác định vị trí của rôto là rất quan trọng, có thể thực hiện thông qua cảm biến Hall, encoder, resolver hoặc ước lượng mà không cần cảm biến Hầu hết động cơ không chổi than đều trang bị ba cảm biến Hall bên trong stator, giúp phát hiện vị trí của các cực nam châm rôto khi chúng đi qua Tín hiệu từ các cảm biến Hall, dựa trên hiệu ứng Hall, cho phép xác định thứ tự chuyển mạch chính xác Hiệu ứng Hall xảy ra khi dòng điện chạy qua vật dẫn trong từ trường, tạo ra một hiệu điện thế giữa hai mặt của vật dẫn, được phát hiện và sử dụng để điều khiển động cơ.

Hình 2.5: Hướng và chiều tác dụng trong hiệu ứng Hall

Hình 2.6: Mặt cắt ngang BLDC

Hình 2.6 minh họa mặt cắt ngang của động cơ một chiều không chổi than với rôto sử dụng nam châm vĩnh cửu, trong khi cảm biến Hall được lắp đặt trong phần đứng yên của động cơ Tùy thuộc vào vị trí vật lý của cảm biến Hall, có hai phương pháp lắp đặt, với các cảm biến có thể được đặt lệch pha nhau 60 độ hoặc 120 độ, tùy thuộc vào số đôi cực của động cơ Dựa trên điều này, các nhà sản xuất động cơ xác định các chu trình chuyển mạch cần thiết cho quá trình điều khiển động cơ hiệu quả.

Cảm biến Hall yêu cầu nguồn điện từ 4 đến 24V và dòng điện từ 5 đến 15mA Khi thiết kế bộ điều khiển, cần chú ý đến thông số kỹ thuật của từng loại động cơ để xác định chính xác điện áp và dòng điện của cảm biến Hall Đầu ra của cảm biến Hall thường là loại cực thu hở, do đó cần có điện trở kéo lên ở phía bộ điều khiển; nếu không, tín hiệu thu được sẽ không phải là tín hiệu xung vuông mà là tín hiệu nhiễu Đối với động cơ một chiều không chổi than, dây quấn phần ứng được bố trí trên stator đứng yên, cho phép bộ phận đổi chiều dễ dàng thay thế bằng bộ đổi chiều điện tử sử dụng transistor công suất theo vị trí rôto Trong cấu trúc động cơ một chiều không chổi than, cảm biến vị trí rôto là cần thiết để bộ đổi chiều điện tử có thể điều chỉnh dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rôto quay, tương tự như vành góp và chổi than của động cơ một chiều thông thường.

Mặc dù động cơ BLDC và động cơ DC thông thường có đặc tính tĩnh tương tự nhau, nhưng chúng lại có những khác biệt đáng kể về công nghệ Khi so sánh hai loại động cơ này, chúng ta thường nhấn mạnh vào sự khác biệt hơn là sự tương đồng Bảng 2.1 trình bày các ưu nhược điểm của hai loại động cơ này Ngoài ra, khi bàn về chức năng của động cơ điện, cần chú ý đến vai trò của dây quấn và quá trình đổi chiều, đặc biệt là ở động cơ DC thông thường, nơi sự đổi chiều được thực hiện một cách rõ ràng.

Động cơ một chiều không chổi than sử dụng các thiết bị bán dẫn như transistor, MOSFET, GTO và IGBT để thực hiện việc đổi chiều, thay vì sử dụng cổ góp và chổi than như trong động cơ có chổi than.

Bảng 2.1: So sánh động cơ DC và BLDC

Nội dung Động cơ DC Động cơ BLDC

Cấu trúc cơ khí của máy điện bao gồm mạch kích từ trên stator và rôto Mạch kích từ trên stator có đặc tính đáp ứng nhanh và dễ điều khiển, trong khi mạch trên rôto đáp ứng chậm và không cần bảo trì Việc đổi chiều lực từ được thực hiện thông qua tiếp xúc chổi than và cổ góp, hoặc bằng cách sử dụng chuyển mạch điện tử.

Xác định vị trí rôto Tự động bằng chổi than Sử dụng cảm biến Hall Đảo chiều Đảo chiều điện áp nguồn Sắp xếp thứ tự kích tín hiệu

BLDC có hai loại mạch truyền động: đảo chiều và không đảo chiều, trong đó mạch đảo chiều được sử dụng phổ biến hơn Hệ thống truyền động đảo chiều sử dụng sáu khóa điện tử để điều khiển quá trình đảo chiều và tốc độ của động cơ.

Hình 2.7: Chuyển mạch hai cực tính BLDC

Mô hình toán học BLDC

Mô hình toán học của đối tượng là các mối quan hệ toán học nhằm mô tả lại đối tượng thực tế dưới dạng biểu thức toán học, giúp thuận lợi cho phân tích và thiết kế Đối với động cơ, mô tả toán học rất quan trọng vì mọi khảo sát và tính toán lý thuyết đều dựa vào mô hình này, làm cho nó trở thành chìa khóa cho quá trình thiết kế động cơ Để xây dựng mô hình toán học, cần ước lượng động cơ qua các phần tử điện cơ bản Mô hình mạch điện trong động cơ BLDC bao gồm ba cuộn dây stator được ước lượng bởi điện trở R và điện cảm L, với hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn dây thể hiện qua đại lượng Lm Khi rôto, là nam châm vĩnh cửu, quay, nó sẽ tương tác với cuộn dây stator, tạo ra sự tương tác giữa hai từ trường, với các đại lượng ea, eb, ec phản ánh điều này Biên độ của các sức phản điện động này là bằng nhau và đều bằng e, trong khi dòng cảm ứng rôto có thể bỏ qua do các nam châm được làm từ vật liệu có điện trở suất cao.

Hình 2.14: Mô hình mạch điện động cơ BLDC

Từ mô hình mạch điện của động cơ ta có phương trình điện áp của 3 pha: a b c a m a a m di di di

Trong đó, L là điện cảm của các cuộn dây động cơ L m là hỗ cảm giữa các cuộn dây tương ứng

Nên phương trình 3 pha BLDC thành dạng:

Nếu các cuộn dây đấu sao nhƣ hình 2.14 thì: a b c 0 i    i i (2.4) Suy ra: m a L i m b m c

L i    L i (2.5)Kết hợp công thức (2.2) và (2.5) ta đƣợc:

(2.6) Viết dưới dạng toán tử Laplace ta được : a a 1 a a b b b b m m c c c c i i V e i R i V e

Mômen điện từ của động cơ BLDC được xác định thông qua công suất cơ và công suất điện Trong động cơ BLDC, lực ma sát chủ yếu phát sinh giữa trục động cơ và ổ đỡ, do đó lực ma sát này tương đối nhỏ Hơn nữa, vật liệu chế tạo động cơ có điện trở suất cao, cho phép bỏ qua các tổn hao sắt và đồng Vì vậy, công suất điện cung cấp cho động cơ tương đương với công suất cơ tại đầu trục Công suất cơ được tính theo công thức với  m là tốc độ của động cơ.

P  T  (2.8) Công suât điện đƣợc tính theo biểu thức sau : e a a b b c c

P  i e  i e  i e (2.9) Suy ra, mômen đƣợc tính nhƣ sau: e a a b b c c m i e i e i e

 (2.10) Phương trình cân bằng mômen tổng quát của động cơ có dạng như sau:

    ( 2.11) Đặt J = J m + J c , biến đổi phương trình (2.11) sẽ được động học động cơ như sau: d m T e B m T l dt J

Mômen quán tính rôto (Jm) và mômen quán tính của tải (Jc) là các yếu tố quan trọng trong thiết kế động cơ BLDC Tốc độ góc (ωm) và mômen điện từ (Te) cũng đóng vai trò thiết yếu Mômen ma sát (Mc) tỷ lệ với tốc độ và được biểu diễn qua hệ số nhớt (B), cụ thể là Mc = B.ωm Mômen tải của động cơ (Tl) cần được tính toán chính xác để tối ưu hóa hiệu suất Động cơ BLDC sử dụng ba cuộn dây stator và rôto được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu, do đó việc thiết kế bộ điều khiển cần chú ý đến mối quan hệ điện giữa các thành phần này.

Việc tính toán khối lượng công việc giữa các pha của stator và giữa stator với rôto rất phức tạp và khó khăn nếu thực hiện bằng tay Do đó, mô hình động cơ thường được đơn giản hóa thông qua phân tích mô hình tương đương một pha Đây là bước quan trọng để phát triển mô hình bộ điều khiển, với các thông số có thể được điều chỉnh sau khi kết nối với toàn bộ hệ thống.

Mạch tương đương một pha động cơ BLDC được trình bày hình 2.15 như sau:

Hình 2.15: Mạch tương đương một pha đông cơ BLDC

Phương trình cân bằng điện áp (bỏ qua thành phần hỗ cảm) sẽ là: e m

Do từ trường của nam châm vĩnh cửu là không đổi nên mômen điện từ T e sẽ tỷ lệ với dòng điện, K t là hệ số mômen : e t

Chuyển (2.13) sang dạng toán tử Laplace ta có:

Từ (2.11) và (2.14) khi chuyển sang miến Laplace ta có : m ( ) t ( ) l

Từ (2.16),( 2.17) ta có mô hình BLDC một pha tương đương như hình 2.16 sau:

Hình 2.16: Mô hình tương đương động cơ BLDC một pha

Từ (2.15), (2.17) và xét T l nhƣ nhiễu đầu ra dòng điện, ta có hàm truyền từ điện áp vào tới dòng điện nhƣ sau:

Từ (2.17) và xét T l nhƣ nhiễu đầu vào dòng điện, ta có hàm truyền từ dòng điện tới tốc độ nhƣ sau:

Bộ điều khiển PID và PID ghép tầng

Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần chính: khâu khuếch đại P, khâu tích phân I và khâu vi phân D Khi áp dụng thuật toán PID, cần lựa chọn chế độ làm việc là P, I hoặc D và thiết lập các tham số tương ứng Tóm lại, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID.

Hình 2.17: Cấu trúc bộ điều khiển PID dạng chuẩn

Bộ điều khiển PID với cấu trúc đơn giản và dễ sử dụng được áp dụng rộng rãi trong điều khiển các hệ thống SISO theo nguyên lý hồi tiếp Nhiệm vụ chính của bộ PID là đưa sai lệch e(t) của hệ thống về giá trị zero, đảm bảo quá trình quá độ đạt yêu cầu về chất lượng Khi sai lệch tĩnh e(t) lớn, tín hiệu điều chỉnh u(t) sẽ tăng lên thông qua thành phần khuếch đại K Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0, thành phần I sẽ tiếp tục tạo tín hiệu điều chỉnh để đưa sai lệch về zero Trong trường hợp sai lệch e(t) thay đổi lớn gây mất ổn định, thành phần D sẽ giúp làm chậm phản ứng của u(t) để duy trì sự ổn định của hệ thống.

Hình 2.18: Điều khiển hồi tiếp PID dạng chuẩn

Bộ điều khiển PID đƣợc mô tả bằng mô hình vào-ra:

Trong đó: e(t) – tín hiệu lỗi đầu vào, u(t) – tín hiệu điều khiển đầu ra,

Từ mô hình vào-ra trên, ta có đƣợc hàm truyền đạt dạng chuẩn của bộ điều khiển PID trong miền Laplace nhƣ sau:

Bộ điều khiển PID hoạt động trong hệ thống vòng kín bằng cách nhận tín hiệu sai số e(t), được tính toán từ sự chênh lệch giữa tín hiệu đầu vào r(t) và tín hiệu thực y(t) Tín hiệu sai số này là đầu vào cho bộ điều khiển PID, nơi nó sẽ thực hiện các phép toán tỉ lệ, vi phân và tích phân để tạo ra tín hiệu điều khiển u(t) cho hệ thống.

K c lần biên độ tín hiệu sai số e(t) cộng Ki lần độ lợi tích phân và cộng K d lần độ lợi vi phân e(t)

Hàm truyền bộ điều khiển PID trong miền Laplace thường được biểu diễn như sau:

So sánh với dạng song song ta có quan hệ: i c i

 T , K d K T c d Với K c là độ lợi tỉ lệ, K i là độ lợi tích phân, K d là độ lợi vi phân

Chúng ta sẽ phân tích ảnh hưởng của các thành phần Kc, Ki và Kd đến hệ thống Thành phần Kc giúp giảm thời gian lên và giảm sai số xác lập, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn sai số Trong khi đó, Ki có khả năng loại bỏ sai số để đầu ra khớp với giá trị đầu vào, tuy nhiên, điều này có thể làm chậm phản ứng tức thời Cuối cùng, Kd tăng cường độ ổn định của hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện khả năng đáp ứng tức thời Ảnh hưởng của các tham số này được tóm tắt trong bảng dưới đây.

Bảng 2.3: Đặc tính các tham số PID

Tham số Thời gian lên Độ vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập

K c Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm

K i Giảm Tăng Tăng Loại bỏ

K d Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Không thay đổi

Các hệ số Kp, Ki, Kd có thể ảnh hưởng khác nhau tùy thuộc vào từng hệ thống cụ thể Thực tế cho thấy, việc điều chỉnh một trong các biến này có thể tác động đến hai thành phần còn lại.

Sau đây là thứ tự các bước thiết kế bộ điều khiển PID chung :

 Phân tích đáp ứng vòng hở đối tƣợng, xác định hệ thống cần cải thiện

 Thêm vào thành phần tỉ lệ để cải thiện thời gian lên

 Thêm vào thành phần tích phân để loại bỏ sai số xác lập

 Thêm vào thành phần vi phân để giảm độ vọt lố

Điều chỉnh các tham số Kp, Ki, và Kd là cần thiết để đạt được phản ứng mong muốn trong hệ thống điều khiển Một bộ điều khiển có thể thiếu một số thành phần, miễn là các yêu cầu thiết kế vẫn được đáp ứng đầy đủ.

Một ưu điểm nổi bật của bộ điều khiển PID là khả năng kết hợp hai bộ điều khiển PID để cải thiện hiệu suất động học, được gọi là điều khiển PID ghép tầng Trong cấu trúc điều khiển ghép tầng, bộ PID vòng ngoài được nối tiếp với bộ PID vòng trong, từ đó xuất giá trị điểm đặt cho bộ điều khiển.

Bộ điều khiển vòng trong và vòng ngoài trong hệ thống điều khiển PID ghép tầng giúp tối ưu hóa các thông số vật lý như vị trí và vận tốc Bộ điều khiển vòng trong nhanh chóng điều chỉnh dòng điện dựa trên đầu ra của bộ điều khiển vòng ngoài, từ đó cải thiện hiệu suất điều khiển Việc sử dụng bộ điều khiển PID ghép tầng cho phép tăng tần số làm việc và giảm hằng số thời gian của đối tượng, đồng thời nhanh chóng xử lý nhiễu ở biến điều khiển đầu ra, bảo đảm chất lượng điều khiển cho vòng ngoài Đối với động cơ BLDC, thiết kế hai vòng điều khiển dòng điện và tốc độ với bộ điều khiển PID/PI nối tiếp là cần thiết Qua việc tính toán hàm truyền và mô phỏng đáp ứng trên matlab/simulink, ta có thể phát triển bộ điều khiển hiệu quả nhất.

So sánh kết quả với một bộ điều khiển PID thông thường Sau đó thực hiện mô hình thực nghiệm để đánh giá kết quả

Khi thiết kế bộ điều khiển ghép tầng PID, cần thực hiện từ vòng trong ra ngoài, đảm bảo mỗi vòng được thiết kế chính xác và đáp ứng động học độc lập để tránh ảnh hưởng lẫn nhau Đặc biệt, đáp ứng của vòng trong phải nhanh hơn ít nhất năm lần so với vòng ngoài Các tiêu chí thiết kế cho từng vòng được trình bày trong Bảng 2.4.

Bảng 2.4 : Chỉ tiêu điều khiển

Chỉ tiêu Vòng điều khiển

Dòng điện Tốc độ Vị trí

Thời gian đáp ứng 3ms 10ms 50ms

Sai số xác lập 0 0 0 Độ vọt lố 10 5 0

Trong hệ thống điều chỉnh tốc độ mạch vòng kín đơn sử dụng phản hồi âm tốc độ và bộ điều chỉnh PID, việc duy trì ổn định mà không có sai số tĩnh là điều khả thi Tuy nhiên, với yêu cầu chất lượng động học cao, hệ thống này có thể gặp khó khăn trong việc đáp ứng Điều này xuất phát từ việc hệ thống mạch vòng kín đơn không thể hoàn toàn kiểm soát dao động và mô men của quá trình động Đặc biệt trong các ứng dụng như máy bào hay máy cán đảo chiều, việc rút ngắn thời gian khởi động là yếu tố quan trọng để nâng cao năng suất Do đó, trong điều kiện dòng điện của động cơ bị hạn chế, cần tối ưu hóa khả năng quá tải của động cơ bằng cách giữ dòng điện ở mức tối đa cho phép trong suốt quá trình quá độ Hệ thống truyền động điện tận dụng gia tốc tối đa để khởi động, và khi đạt được vận tốc ổn định, dòng điện sẽ giảm ngay để mômen cân bằng với phụ tải.

Chúng ta sử dụng hệ thống điều khiển tốc độ với hai mạch vòng kín, cho phép điều khiển dòng điện ngay lập tức, giúp loại bỏ nhiễu một cách nhanh chóng mà không ảnh hưởng đến tốc độ Mô hình tổng quát của cấu trúc bộ điều khiển sẽ được xem xét như sau:

Hình 2.19: Cấu trúc bộ điều khiển ghép tầng tổng quát

Giải thuật thực hiện bộ điều khiển nhiều vòng theo thứ tự các bước sau:

 Đầu tiên, đƣa các bộ điều khiển bên trong và bên ngoài về chế độ man

Đặt giá trị và chuyển bộ điều chỉnh nội bộ sang chế độ tự động, đồng thời hiệu chỉnh để tìm các tham số bộ điều khiển phù hợp với yêu cầu thiết kế.

 Với giá trị tham số vừa tìm đƣợc, đặt vòng điều khiển bên trong ở chế độ tự động trong vòng điều khiển tốc độ

Đặt giá trị cho bộ điều khiển bên ngoài và chuyển sang chế độ tự động Tiến hành hiệu chỉnh để tìm các tham số của bộ điều khiển bên ngoài đáp ứng yêu cầu thiết kế.

 Cƣối cùng trả các bộ điều khiển về chế độ tự động Kiểm tra đáp ứng hai bộ điều khiển bên ngoài và bên trong.

Phương pháp hiệu chỉnh tham số PID và IMC-PID

2.4.1 Các phương pháp hiệu chỉnh tham số PID [27]

Phương pháp Ziegler-Nichols là một kỹ thuật thực nghiệm được sử dụng để xác định các tham số cho bộ điều khiển P, PI hoặc PID dựa trên đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Tùy thuộc vào đặc điểm của từng đối tượng, Ziegler và Nichols đã phát triển hai phương pháp để lựa chọn các tham số của bộ điều khiển.

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất được sử dụng cho các hệ thống có phản ứng với tín hiệu đầu vào dạng hàm nấc, như nhiệt độ lò nhiệt và tốc độ động cơ.

Hình 2.20: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

Thông số của các bộ điều khiển đƣợc chọn theo bảng 2.5 sau:

Bảng 2.5 : Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai được áp dụng cho các hệ thống có khâu tích phân lý tưởng, chẳng hạn như mực chất lỏng trong bồn chứa hoặc vị trí của hệ truyền động dùng động cơ Phương pháp này cho phép đáp ứng quá độ của hệ hở của đối tượng tăng đến vô cùng, giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.

Hình 2.21: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại nhƣ hình 2.22

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ T th của dao động

Hình 2.22: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th Thông số của các bộ điều khiển đƣợc chọn theo bảng 2.6 sau:

Bảng 2.6 : Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (C-H-R) được áp dụng cho các đối tượng có phản ứng với tín hiệu vào dạng hàm nấc hình chữ S, với điều kiện quan trọng là tỉ lệ b/a phải lớn hơn 3.

Hình 2.23: Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp C-H-R

Phương pháp C-H-R đưa ra bốn cách xác định tham số bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lƣợng khác nhau

Yêu cầu tối ƣu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh bảng 2.7 :

Bảng 2.7 : Các tham số PID theo phương pháp C-H-R 1

Yêu cầu tối ƣu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vƣợt quá 20% so với h ∞ = lim t->∞ h(t) bảng 2.8 sau:

Bảng 2.8 : Các tham số PID theo phương pháp C-H-R 2

Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá độ điều chỉnh nhƣ bảng 2.9 sau:

Bảng 2.9 : Các tham số PID theo phương pháp C-H-R 3

Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vƣợt quá 20% so với h∞ = lim t->∞ h(t) bảng 2.10 sau:

Bảng 2.10 : Các tham số PID theo phương pháp C-H-R 4

Phương pháp Cohen-Coon: Phương pháp này đầu tiên ta tìm đáp ứng vòng hở nhƣ hình 2.24 sau:

Hình 2.24: Ƣớc lƣợng tham số dựa mô hình bậc nhất và độ trễ

36 Đáp ứng động học mô hình xấp xỉ mô hình bậc nhất và độ trễ với tham số sau:

Với t 1 khoảng thời gian khi ∆C = 0.283∆C s , t 2 khoảng thời gian khi

∆C = 0.632∆Cs, C g là đầu ra của hệ thống

Sau khi xác định các tham số k m , τ m , d tham số bộ điều khiển có thể đƣợc lấy theo phương pháp Cohen-Coon như bảng 2.11 sau:

Bảng 2.11: Xác định tham số dựa phương pháp Cohen-Coon

Phương pháp này phát triển dựa trên kinh nghiệm để cung cấp đáp ứng vòng kín với một phần tƣ hệ số phân rã

Phương pháp tối thiểu tích phân lỗi là một kỹ thuật hiệu chỉnh hệ thống, đặc biệt trước khi điều chỉnh hệ số phân rã để giảm thiểu đáp ứng dao động Tiêu chuẩn này tập trung vào việc cải thiện vòng kín thông qua hai điểm đỉnh đầu tiên của đáp ứng Một cách tiếp cận khác là phát triển bộ điều khiển dựa trên mối quan hệ giữa các chỉ số chất lượng, được đánh giá qua đáp ứng tổng thể của hệ thống Một số chỉ số chất lượng quan trọng bao gồm

- Tiêu chuẩn tích phân tuyệt đối giá trị lỗi(IAE):

- Tiêu chuẩn tích phân bình phương giá trị lỗi (ISE):

- Tiêu chuẩn tích phân tuyệt đối giá trị lỗi theo thời gian (ITAE):

- Tiêu chuẩn tích phân tuyệt đối giá trị lỗi theo thời gian (ITAE):

Lopez đã phát triển một công thức hiệu chỉnh tối thiểu cho tiêu chuẩn lỗi, dựa trên xấp xỉ hàm truyền bậc nhất và độ trễ Mối quan hệ hiệu chỉnh nhiễu đầu vào được trình bày trong bảng dưới đây, tương ứng với mô hình xấp xỉ hệ thống.

Bảng 2.12: Công thúc hiệu chỉnh tối thiểu tích phân lỗi với nhiễu đầu vào

Tích phân lỗi ISE IAE ITAE

Các công thức này phát triển dựa trên thực nghiệm nên nó không đƣợc áp dụng ngoài giới hạn d/τmgiữa 0.1 và 1

IMC, một phương pháp thiết kế mô hình toàn diện hơn, được phát triển bởi Morari và các cộng sự (Garcia và Morari, 1982; Rivera et al., 1986) Phương pháp này dựa trên một mô hình giả định và cung cấp biểu thức giải tích cho các thiết lập.

Cách tiếp cận IMC trong 38 bộ điều khiển mang lại lợi ích vượt trội nhờ khả năng áp dụng cho các mô hình bất định, đồng thời xem xét một cách hệ thống sự cân bằng giữa hiệu quả và độ ổn định bền vững.

Hình 2.25: Sơ đồ cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển IMC

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các tham số quan trọng trong hệ thống điều khiển IMC, bao gồm: q là bộ điều khiển IMC, p là hệ thống thực, p~ là mô hình của hệ thống thực, r là tín hiệu đặt, r’ là tín hiệu lỗi mô hình và nhiễu, u là biến điều khiển hệ thống, d là nhiễu, d~ là ước lượng nhiễu, y là đầu ra hệ thống và y~ là đầu ra mô hình hệ thống Những tham số này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điều khiển.

Các tính hiệu hồi tiếp đƣợc tính toán nhƣ sau:

Mô hình điều khiển hoàn hảo nếu p = p ~ và nhiễu d = 0 thì đầu ra y  rqp (2.30)

Quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống tương tự như thiết kế vòng hở; nếu q và p ổn định, thì đáp ứng vòng kín cũng sẽ ổn định Tuy nhiên, trong thực tế, sự tồn tại của nhiễu và sai số trong quá trình mô hình hóa yêu cầu phải có chiến lược phát triển bộ điều khiển ổn định bền vững Trong hình 2.28, thành phần d thể hiện nhiễu không biết ảnh hưởng đến hệ thống Biến điều khiển đầu vào u được áp dụng cho cả hệ thống và mô hình hệ thống, trong khi đầu ra của hệ thống y được so sánh với đầu ra của mô hình để tạo ra tín hiệu hồi tiếp d ~ (2.29).

Khi tín hiệu d bằng không, tín hiệu hồi tiếp chỉ phụ thuộc vào sai lệch giữa hệ thống và mô hình hệ thống Nếu hai hệ thống giống nhau (p = p ~), tín hiệu này trở thành nhiễu không xác định ảnh hưởng đến hệ thống Do đó, tín hiệu hồi tiếp d ~ liên quan đến thông tin lỗi của hệ thống, góp phần cải thiện quá trình điều khiển Đầu vào tín hiệu của bộ điều khiển r’ được tính theo công thức (2.29), trong khi đầu ra của bộ điều khiển u sẽ điều khiển cả hai hệ thống dựa trên các tính toán tương ứng.

  (2.31) Đầu ra đƣợc tính nhƣ sau : y pu d  

Nếu q là nghịch đảo của mô hình hệ thống và p = p ~, hệ thống có thể đạt điểm đặt hoàn hảo và loại bỏ nhiễu Để cải thiện độ ổn định bền vững của hệ thống, việc giảm thiểu lỗi mô hình hóa là cần thiết Do lỗi hệ thống thực và mô hình hóa thường xảy ra ở tần số cao, bộ lọc thông thấp f(s) được thêm vào để giảm thiểu ảnh hưởng của lỗi mô hình Do đó, bộ điều khiển IMC thường được thiết kế như phần nghịch đảo của mô hình hệ thống, kết hợp với bộ lọc thông thấp.

Bậc bộ lọc thường được lựa chọn sao cho hàm truyền vòng kín có bậc mẫu số lớn hơn hoặc bằng bậc tử số Kết quả của quá trình này là một vòng lặp kín hiệu quả.

Quy trình thiết kế bộ điều khiển IMC tương tự như thiết kế vòng điều khiển hở, nhưng khác biệt ở chỗ IMC có khả năng hiệu chỉnh nhiễu và mô hình không chắc chắn Mặc dù thiết kế IMC tập trung vào việc cải thiện đáp ứng theo điểm đặt, điều này không đảm bảo loại bỏ nhiễu hiệu quả, đặc biệt là khi nhiễu xuất hiện ở đầu vào và đầu ra của hệ thống Ngoài ra, bộ điều khiển IMC không xử lý được các hệ thống không ổn định trong cấu trúc hở.

Cấu trúc IMC có thể được tổ chức lại thành một hệ thống điều khiển hồi tiếp chuẩn, giúp xử lý hiệu quả các hệ thống không ổn định Quy trình thiết kế IMC được phát triển nhằm cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu đầu vào Cấu trúc IMC-PID hoạt động như một hệ thống hồi tiếp chuẩn, sử dụng mô hình hệ thống không rõ ràng và tham số PID.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN, MÔ PHỎNG MATLAB

THỰC NGHIÊM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ