62 CHƯƠNG 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ..... Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không
TỔNG QUAN
Các phương pháp điều khiển
1.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)
Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng phương pháp truyền động đặc tính thấp, cho phép điều chỉnh đồng thời biên độ và tần số của dòng điện và điện áp nguồn cung cấp Phương pháp này giúp kiểm soát tốc độ hoặc mô-men của động cơ đạt trạng thái ổn định mà vẫn duy trì từ thông động cơ ổn định Điều khiển vô hướng, dựa trên giả thiết điện áp hoặc dòng điện có dạng sin, là kỹ thuật điều khiển phổ biến và đơn giản hơn so với điều khiển vector Trong thực tế, kỹ thuật vô hướng chủ yếu là phương pháp điều khiển chung nhất được sử dụng trong các ứng dụng truyền động động cơ không đồng bộ.
Viết lại, hệ thống điều khiển Volt không đổi (CVH) điều chỉnh biên độ điện áp stator tỷ lệ thuận với tần số để duy trì từ thông stator ổn định, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của máy Phương pháp này thực hiện bằng cách điều khiển tốc độ từ trường quay của stator thông qua thay đổi tần số nguồn điện cung cấp, từ đó cải thiện mô-men dựa trên sự chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ yêu cầu phản hồi tốc độ thật ω M, so sánh với tốc độ chuẩn ω M *, điều chỉnh sai số qua bộ điều khiển trượt (slip controller) để tạo tín hiệu tốc độ trượt chuẩn ω sl * Tín hiệu này cộng với tốc độ thật tạo ra tín hiệu đồng bộ, sau đó qua khối tỷ lệ p/2 sẽ tạo ra tần số góc chính xác cho biến tần Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) sẽ sinh ra tín hiệu điện áp stator phù hợp để cung cấp cho bộ biến tần, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định của hệ thống.
Hình 1.2 Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng
Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen (Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, giúp kiểm soát mô-men xoắn trong khi duy trì từ trường không đổi Trong kỹ thuật này, hồi tiếp tốc độ đóng vai trò phụ, vì việc hồi tiếp dòng điện phức tạp hơn so với phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH).
Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng
1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian
Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) là một trong những thiết bị điện tử công suất phổ biến và được nghiên cứu rộng rãi trong ba thập kỷ qua, đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của các thiết bị bán dẫn công suất cùng kỹ thuật điều chế đơn giản và chính xác Các kỹ thuật điều chế như dao động phụ và điều chế vectơ không gian đã được phát triển, trong đó phương pháp điều chế vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ ứng dụng của vectơ không gian trong máy điện xoay chiều và đã được mở rộng để áp dụng trong hệ thống điện ba pha, đặc biệt trong các hệ truyền động đã số hóa dùng để điều khiển biến tần sử dụng van bán dẫn như IGBT và MOSFET Phương pháp này thường dựa trên xử lý vi điều khiển để điều khiển các đôi van nhằm tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ, tần số và góc pha theo yêu cầu, cung cấp năng lượng cho động cơ Biến tần hoạt động theo chế độ cắt xung với tần số điều chỉnh cao, giúp điều chỉnh nhanh và chính xác các thông số của hệ thống điện động.
Phương pháp điều chế vector không gian tạo ra sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương của điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo hình đường tròn Việc dịch chuyển đều đặn này giúp loại bỏ các sóng hài bậc cao và làm cho mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính Trong đó, vector tương đương được hiểu là vector trung bình trong khoảng thời gian một chu kỳ mẫu T s của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp, đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu của hệ thống.
Hình 1.4 Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian
1.2.3 Điều khiển định hướng trường Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng Tuy nhiên, trong những ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiển vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữa momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và momen tương tự như động cơ DC kích từ độc lập Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều khiển momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của động cơ không đồng bộ
Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp trong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa vào đo lường vị trí rotor
1.2.4 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp
Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từ thông chuẩn được đo hoặc ước lượng chính xác từ điện áp và dòng điện stator, nhờ vào bộ quan sát từ thông (flux observer) Để xác định chính xác vector từ thông hỗ cảm, cảm biến được đặt ở khe hở không khí của động cơ trong trục dq Việc này giúp cải thiện hiệu suất vận hành của hệ thống điều khiển, đảm bảo độ chính xác cao trong định hướng từ trường của máy điện.
* i cs bs i i cs s λ qm s λ dm λ r θ r
Hình 1.5 Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản
1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa trên việc tính toán chính xác tốc độ trượt ω r *, giúp đảm bảo kiểm soát dòng từ hiệu quả Việc áp đặt tốc độ trượt này lên động cơ là yếu tố then chốt để điều khiển định hướng trường chính xác, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống Tham khảo các kỹ thuật điều khiển tiên tiến, phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và giảm thiểu tổn thất năng lượng.
* i cs i bs i cs rotor Inverter
Bộ điều khiển Momen đặt
Hình 1.6 Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định hướng từ thông rotor gián tiếp
1.2.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn, người ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của máy điện Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài bậc cao theo hướng từ thông rotor Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo thành momen động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ tác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên momen động cơ) Việc lựa chọn vector đóng ngắt sẽ thực hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ nhất và việc đóng ngắt theo trục d của dòng điện có thể được hạn chế do khả năng mở rộng đường bao của nó Các sóng hài momen giảm xuống nhưng các sóng hài dòng điện sẽ tăng lên (theo trục d)
Hiện nay, các phương pháp điều khiển động cơ đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật, giúp nâng cao hiệu suất vận hành và độ chính xác Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm nổi bật như khả năng kiểm soát chính xác và ổn định, các phương pháp này vẫn tồn tại một số khuyết điểm như chi phí cao, độ phức tạp trong thiết kế và yêu cầu kỹ thuật cao Do đó, việc nghiên cứu và cải tiến các phương pháp điều khiển vẫn là hướng đi quan trọng để nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng trong thực tiễn.
- Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây sóng hài bậc cao
- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp
Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế, như nhạy cảm với sự thay đổi thông số của động cơ, chẳng hạn như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chính xác ở tốc độ thấp Những yếu tố này dẫn đến giảm hiệu suất điều khiển và khiến các bộ điều khiển phổ biến như PID khó duy trì yêu cầu kiểm soát dưới các điều kiện thay đổi.
Việc kết hợp giữa điều khiển trí tuệ nhân tạo và kỹ thuật điều khiển truyền thống đã mang lại nhiều cải tiến quan trọng trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha Phương pháp này giúp khắc phục những hạn chế của các kỹ thuật truyền thống, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển các hệ thống điện xoay chiều Nhờ đó, sự phát triển của công nghệ điều khiển tự động trở nên linh hoạt và tối ưu hơn, đáp ứng hiệu quả các yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao.
Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay
Truyền động động cơ gồm ba thành phần chính là động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tử công suất Khi thêm yếu tố thông minh vào bất kỳ phần nào trong số này, truyền động đó trở thành truyền động thông minh Bộ điều khiển thông minh, còn gọi là trung tâm ra quyết định, bao gồm phần mềm và phần cứng; trong đó phần cứng đã phát triển mạnh mẽ trong hai thập kỷ gần đây, còn phần mềm chứa các kỹ thuật điều khiển được lập trình phù hợp Điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo, hay còn gọi là điều khiển thông minh, bao gồm các phương pháp thích nghi và tự tổ chức, giúp hệ thống tự xử lý và tự điều chỉnh hiệu quả hơn Trong những thập niên gần đây, sự phát triển nhanh chóng của mạch điện tử và vi xử lý đã đưa điều khiển thông minh vào ứng dụng rộng rãi trong truyền động điện, mang lại khả năng tính toán cao và khả năng thích nghi tối ưu.
Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo gồm hai nhóm chính là tính toán cứng và tính toán mềm, trong đó hệ chuyên gia thuộc về tính toán cứng là kỹ thuật AI đầu tiên Trong hai thập kỷ gần đây, tính toán mềm đã trở thành phần quan trọng trong truyền động điện, đặc biệt qua những cải tiến cấu trúc vi xử lý Các thành phần chính của trí tuệ nhân tạo mềm bao gồm mạng neural nhân tạo, tập logic mờ, mạng neural – mờ và hệ thống dựa trên thuật toán gen, giúp nâng cao hiệu quả và khả năng thích nghi của các hệ thống tự động.
Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được chú ý như một loại bộ điều khiển cấu trúc biến đổi nhằm ổn định hệ thống và nâng cao độ bền cơ học Ngôn ngữ mô tả cho FLC thường dùng luật If-then, giúp dễ dàng thiết lập các quy tắc điều khiển linh hoạt và hiệu quả.
Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì những đặc tính đặc biệt sau:
- Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều khiển tự động
- Khả năng của ANN có thể học mẫu
- Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc
Các ưu điểm của mạng neural đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển động cơ, gồm có bộ ước lượng neural giúp dự đoán chính xác tốc độ động cơ, và bộ điều khiển neural được sử dụng để tạo ra các tín hiệu điều khiển phù hợp cho bộ biến tần, từ đó nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong hệ thống điều khiển động cơ.
Kết quả mô phỏng sẽ được trình bày để chứng minh hiệu quả của mạng neural trong lĩnh vực điều khiển động cơ Các bài kiểm tra so sánh cho thấy hệ thống sử dụng mạng neural vượt trội hơn so với hệ thống thông thường, chẳng hạn như bộ điều khiển PI không có sự hỗ trợ của mạng neural Điều này cho thấy mạng neural có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất và độ chính xác trong điều khiển động cơ Các kết quả này xác nhận tiềm năng ứng dụng của mạng neural trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển công nghiệp.
Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là chi phí cao của thiết bị biến đổi, cùng với sự phức tạp trong xử lý tín hiệu và độ chính xác kém Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ trong kỹ thuật điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt hơn trong các ứng dụng điều khiển động cơ Trong nhiều trường hợp, cảm biến tốc độ là thiết yếu cho điều khiển vòng kín, nhưng lại gặp phải những hạn chế về giá thành, độ tin cậy và khả năng chống nhiễu Để khắc phục, nhiều phương pháp ước lượng tốc độ đã được đề xuất dựa trên các thông số điện như dòng điện, điện áp, tần số và từ thông, dựa trên lý thuyết ước lượng trạng thái kết hợp với điều khiển vector, nhằm điều khiển động cơ không cần cảm biến tốc độ.
Các giá trị của thông số điện có thể bị lệch so với thiết kế ban đầu do sự ảnh hưởng của môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải trọng và tiếng ồn Những yếu tố này gây ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện, làm thay đổi các chỉ số điện cần thiết để duy trì hoạt động ổn định Việc điều chỉnh và kiểm soát các yếu tố môi trường này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của hệ thống điện trong quá trình vận hành.
Các phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng thường không phù hợp vì những lý do nhất định, dẫn đến việc phát triển các mô hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra mà không cần phải dựa vào phương trình chuyển động Nhiệm vụ chính của các mô hình này là nhận dạng dạng của hệ thống, sử dụng các bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển tuyến tính (Schouken, 1990), ước lượng tham số vật lý (Moons và Moor, 1995), và hệ số hàm chuyển tuyến tính dựa trên đo lường lực từ và tốc độ (Gahler và Herzog, 1994) Ngoài ra, kỹ thuật NARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) cũng được áp dụng để mô hình hóa mối quan hệ giữa tốc độ và điện áp của động cơ không đồng bộ một cách hiệu quả.
Khi ước lượng từ thông, nguyên tắc áp dụng tương tự như việc điều khiển và đo tốc độ, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường Tuy nhiên, cảm biến từ thông thường gặp nhiều khó khăn trong việc chế tạo và lắp đặt, đòi hỏi kỹ thuật cao và sự chính xác để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Việc chế tạo bộ ước lượng từ thông dựa trên các thông số điện có sẵn hoặc sử dụng các kỹ thuật tiên tiến là một trong những yếu tố quan trọng hàng đầu cho những ai quan tâm đến lĩnh vực điều khiển động cơ Các phương pháp này giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định từ thông, từ đó cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển Áp dụng các kỹ thuật hiện đại trong ước lượng từ thông đóng vai trò thiết yếu trong quá trình tối ưu hóa điều khiển động cơ điện.
Trình tự mô phỏng động cơ không đồng bộ
Thông thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hành theo những bước chính sau:
1.4.1 Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển
Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ thường bao gồm phương trình vector tổng quát, mô hình mạch điện dưới dạng 2 pha và phương trình trạng thái, giúp phân tích chính xác hoạt động của động cơ Thông số của động cơ được xác định thông qua phương pháp thực nghiệm, trong đó điện trở stator đo bằng kiểm tra DC, điện trở rotor và điện cảm tiêu tán đo khi rotor bị ghìm để đảm bảo độ chính xác Ngoài ra, điện cảm từ hóa còn được đo khi kiểm tra không tải, giúp hiệu chỉnh thông số mô phỏng phù hợp với điều kiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức và tải định mức, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ không đồng bộ.
1.4.2 Bộ biến tần điều khiển
Bộ biến tần có tụ DC sử dụng trong truyền động động cơ không đồng bộ bao gồm bộ biến tần nguồn áp (VSI) và bộ biến tần nguồn dòng (CSI), điều khiển bằng phương pháp PWM để điều chỉnh điện áp và dòng điện hiệu quả Ngoài ra, còn có hệ thống biến tần kết hợp bộ CSI công suất cao với bộ VSI công suất thấp hoạt động song song, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền động và đáp ứng linh hoạt các yêu cầu công nghiệp.
1.4.3 Kiểm tra thiết bị truyền động AC
Phòng thí nghiệm được xây dựng với hệ thống kiểm tra động cơ không đồng bộ hoạt động như tải cơ, kéo bởi máy phát điện đồng bộ Mỗi máy điện trong phòng thí nghiệm được cấp nguồn từ bộ biến tần để đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định Quá trình điều khiển và giám sát hệ thống được thực hiện thông qua bộ điều khiển card kết nối với PC, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong quá trình kiểm tra.
1.4.4 Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm
Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp dựa trên tính chất, mục đích sử dụng và tài nguyên hiện có là rất quan trọng Các phương pháp điều khiển phổ biến gồm có điều khiển vô hướng, điều chế vector không gian và định hướng trường Chọn phương pháp thích hợp giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống điều khiển, đảm bảo đáp ứng chính xác và ổn định.
Định hướng
Trong luận văn thạc sĩ này, tác giả kết hợp các phương pháp điều khiển tiên tiến như bộ điều khiển PID mờ lai để nâng cao hiệu quả điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha Mục tiêu của nghiên cứu là khám phá sâu hơn về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều, nhằm tối ưu hóa hiệu suất vận hành và giảm thiểu các lỗi kỹ thuật Phương pháp này đã thể hiện tính ưu việt của các kỹ thuật điều khiển hiện đại, góp phần nâng cao độ chính xác và ổn định trong điều khiển động cơ điện.
-Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường, là phương pháp điều khiển tốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện
- Từ thông rotor để sử dụng trong hệ thống điều khiển định hướng trường được ước lượng dựa trên cơ sở của hàm Lyapunov
Hệ thống điều khiển động cơ được xây dựng sử dụng bộ điều khiển PID mờ lai nhằm tối ưu hóa kiểm soát tốc độ Các luật mờ trong tập hợp điều khiển được phát triển dựa trên các suy luận của nhà thiết kế và kinh nghiệm của các chuyên gia, giúp nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống Phương pháp này kết hợp giữa PID truyền thống và logic mờ để thích nghi tốt hơn với các biến đổi bất thường trong quá trình vận hành động cơ Việc áp dụng bộ điều khiển PID mờ lai mang lại hiệu quả kiểm soát tốc độ động cơ linh hoạt, chính xác và tin cậy hơn, phù hợp với các yêu cầu của tự động hóa hiện đại.
1.7 PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường sử dụng bộ điều khiển PID mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ Việc ước lượng từ thông rotor nhằm ổn định và điều khiển động cơ không đồng bộ theo định hướng trường được thực hiện dựa vào tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov
Luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG-FOC
Chương 4 DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Chương 5 KẾT LUẬN – HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
1.9 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI: Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điều khiển mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường điều khiển động cơ không đồng bộ, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox
Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường sử dụng bộ điều khiển PID mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ Việc ước lượng từ thông rotor nhằm đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình điều khiển động cơ, dựa trên tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov Phương pháp này giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển trường, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao.
Luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG-FOC
Chương 4 DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Chương 5 KẾT LUẬN – HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
1.9 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI: Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điều khiển mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường điều khiển động cơ không đồng bộ, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox
Ý nghĩa đề tài
Đề tài cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điều khiển mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường điều khiển động cơ không đồng bộ Nội dung tập trung vào cách thiết kế, mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox để nâng cao hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển Đây là tài liệu quan trọng giúp hiểu rõ hơn về ứng dụng của các kỹ thuật điều khiển nâng cao trong công nghiệp và tự động hóa.
MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA13 2.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha
Vector không gian của các đại lượng ba pha
2.2.1 Xây dựng vector không gian Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí không gian tổng quát như hình 2.1
Trong hình trên, không quan tâm đến cách đấu hình sao hay tam giác của động cơ Ba dòng điện isu, isv, isw đại diện cho dòng chảy từ lưới điện qua các đầu nối vào động cơ điện Khi động cơ hoạt động sử dụng biến tần, ba dòng này chính là các dòng điện ở phía đầu ra của biến tần Việc hiểu rõ cách phân phối dòng điện này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và nâng cao hiệu quả cho hệ thống động cơ điện.
Hình 2.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha
Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình: i su (t) + i sv (t) + i sw (t) = 0 (2.1) Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau: i su (t)= i s cos(ω s t) (2.2)
Động cơ xoay chiều ba pha có ba cuộn dây lệch nhau 120 độ trên mặt phẳng cơ học, tạo thành mặt cắt ngang của máy Khi thiết lập hệ tọa độ phức trên mặt phẳng này, với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian mô tả các trạng thái của động cơ Các vector này bao gồm γ, j, s, sw, sv, su, s, t, i, e, thể hiện các thành phần khác nhau của dòng điện và từ trường trong động cơ, được biểu diễn dưới dạng các hàm số phức theo từng góc lệch.
Theo công thức (2.5), vector i_s(t) là một vector có môđun không đổi, quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ω_s = 2πf_s, trong đó f_s là tần số mạch stator Vectors i_s(t) tạo với trục thực (đi qua cuộn dây pha u) một góc γ = ω_s t, tạo điều kiện thuận lợi để mô tả quá trình cảm ứng từ trong máy điện Việc xây dựng vector i_s(t) giúp hiểu rõ hơn về hành thái dòng điện trong mạch stator, được thể hiện rõ trong hình 2.2.
Hình 2.2 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha
Theo hình vẽ trên, dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng stator i s mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng
Trong mặt phẳng phức, trục thực được gọi là trục α và trục ảo là trục β Khi chiếu vector i s lên hai trục này, ta thu được hai hình chiếu là i s α và i s β Hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ cố định (hệ tọa độ stator), cung cấp một phương pháp rõ ràng để xác định vị trí của vector trong không gian phức.
Hình 2.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ αβ
Dựa trên phương trình i su(t) + i sv(t) + i sw(t) = 0 và hình 2.3, chỉ cần xác định hai trong ba dòng điện stator để có đủ thông tin về vectori s Việc này giúp giảm thiểu công việc đo đạc mà vẫn đảm bảo tính chính xác trong việc xác định vectơ dòng điện stator Phương pháp này tối ưu hóa quá trình phân tích hệ thống điện trong các hệ thống truyền động và điều khiển máy điện.
Tương tự như đối với vector dòng stator, các vector điện áp stator u s , dòng rotor i s , từ thông stator ϕ s , hoặc từ thông rotor ϕ r cũng được biểu diễn tương tự
2.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian
Ta xây dựng một hệ tọa độ mới dq chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ, nhưng lệch đi một góc θ s, nhằm mở rộng khả năng phân tích không gian Một vector trong không gian có thể được biểu diễn bằng hai hệ tọa độ khác nhau, phù hợp với hai hệ tọa độ này Mối liên hệ giữa chúng được thể hiện rõ ràng qua hình vẽ 2.4, giúp dễ dàng chuyển đổi và khai thác dữ liệu trong các ứng dụng kỹ thuật và nghiên cứu.
Hình 2.4 Chuyển hệ tọa độ giữa αβ và dq
Dễ dàng chuyển tọa độ αβ sang tọa độ dq: s s s s sq s s s s sd i i i i i i θ θ θ θ α β α β sin cos cos sin
2.2.3 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
Hình 2.5 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
Trong bài viết này, chúng tôi giả thiết động cơ không đồng bộ hoạt động với tốc độ quay là ω = dθ/dt, trong đó θ đại diện cho góc giữa trục rotor và trục chuẩn Hiện tượng từ thông rotor ψr cũng quay với tốc độ góc dθ/dt, qua đó, tốc độ quay của từ thông rotor được xác định theo công thức ωs = 2πf_s, trong đó f_s là tần số của mạch điện stator.
Sự chênh lệch giữa ω và ω s sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số f r , dòng điện đó có thể được biểu diễn dưới dạng vector i r quay với tốc độ ω r =2πf r
Trong bài viết này, chúng tôi trình bày phương pháp xây dựng hệ tọa độ mới, trong đó trục thực hướng trùng với hướng của vector ψ r, giúp đơn giản hóa các phép biến đổi liên quan đến vectơ này Gốc tọa độ của hệ mới được đặt trùng với gốc của hệ αβ, tạo thành hệ trục tọa độ dq thuận tiện cho các phân tích kỹ thuật Việc thiết lập hệ tọa độ dq giúp cải thiện khả năng tính toán và dễ dàng áp dụng trong các bài toán liên quan đến hệ thống điện và điều khiển.
Gọi i s s là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ αβ i s f là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq
Ta có: i s s = i s α + ji s β (2.10) i s f = i sd + ji sq (2.11) i s f = i s s e j θ s (2.12)
Chuyển tọa độ từ 3 pha uvw qua tọa độ αβ :
Chuyển tọa độ αβ sang tọa độ dq: s s s s sq s s s s sd i i i i i i θ θ θ θ α β α β sin cos cos sin
Toàn bộ quá trình trên được diễn tả theo sơ đồ khối sau:
Hình 2.6 Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq)
Việc tính toán i_sd và i_sq gặp nhiều khó khăn do việc xác định góc θ_s Trong động cơ không đồng bộ, góc θ_s được xác định bởi tốc độ góc ω_s = ω_r + ω, trong đó ω là tốc độ góc đo được và ω_r là tần số của mạch rotor chưa được biết Phương pháp mô tả hệ thống trên hệ tọa độ dq đòi hỏi phải xây dựng chính xác phương pháp tính ω_r, đây là cơ sở quan trọng để phát triển hệ thống điều khiển dựa trên từ thông rotor.
Trong mô hình tính toán trong hệ tọa độ dq, ψ rq bằng 0 do trục q vuông góc với vector ψ r, giúp đảm bảo tính khách quan trong quá trình quan sát Việc giữ lại biểu diễn ψ rq là cần thiết vì không thể xác định chính xác góc θ s, từ đó nâng cao độ tin cậy của mô hình phân tích điện.
Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha
2.3.1 Lý do xây dựng mô hình Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả đối tượng điều chỉnh Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là mô hình đơn giản của động cơ trong hình 2.7
Hình 2.7 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc
Mô hình toán học cần phản ánh rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh để thuận lợi cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Các giả thiết về điều kiện trong khi lập mô hình giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế nhưng cũng có thể gây ra sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối tượng thực tế và mô hình, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của hệ thống điều chỉnh.
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bằng hệ phương trình vi phân bậc cao, phản ánh đặc điểm động lực của thiết bị Do cấu trúc phức tạp về mặt không gian của các cuộn dây và các mạch từ móc vòng, nhiều điều kiện giả định được đặt ra để đơn giản hóa quá trình mô hình hóa Những điều kiện này giúp phân tích và thiết kế động cơ hiệu quả hơn, đồng thời đảm bảo mô hình phản ánh đúng các đặc tính vận hành của motor.
- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian
- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua
- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ
- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi
Trục chuẩn của mọi quan sát trong mô hình động cơ được định nghĩa là trục đi qua tâm của cuộn dây pha U, giúp chuẩn hóa quá trình quan sát và phân tích hệ thống Việc sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái là phương pháp hiệu quả để mô tả chính xác động cơ, đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất vận hành và điều khiển Các mô hình này cung cấp cái nhìn toàn diện về hoạt động của động cơ, từ đó hỗ trợ trong việc thiết kế hệ thống điều khiển chính xác và ổn định hơn.
2.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator: dt t t d i R t u dt t t d i R t u dt t t d i R t u sw sw s sw sv sv s sv su su s su
Với: R s : điện trở cuộn dây pha stator ψ su ,ψ sv ,ψ sw : từ thông stator của cuộn dây pha u, v, w Áp dụng công thức ta thu được điện áp:
Thay 3 phương trình (2.17, 2.18, 2.19) vào phương trình (2.20), thu được phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau: dt i d R u S S S S
Trong hệ thống điện, điện trở của cuộn dây pha Stator được ký hiệu là R_S, trong khi ψ_S đại diện cho vector từ thông của Stator Phương trình mô tả mối quan hệ này dựa trên các quan sát từ hệ thống gồm ba cuộn dây Stator, dẫn đến việc áp dụng hệ tọa độ αβ để phân tích, giúp thuận tiện trong việc xác định các đặc tính điện từ của máy.
Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) dt i d R r r r r r
Trong đó r ψ r : vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor
R r : điện trở rotor đã quy đổi về phía stator
Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator: k k S k k S
Phương trình tổng quát trên có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc
Trong hệ tọa độ cố định Stator αβ, góc quay ω_k bằng 0, dẫn đến công thức (2.22) được áp dụng Khi thay đổi hệ tọa độ sang hệ tọa độ từ thông rotor (dq), ta cần tính toán động lượng bằng cách thay “k” thành “s” trong các công thức liên quan Điều này giúp mô tả chính xác hơn quá trình biến đổi của từ thông và góc quay trong máy điện, nâng cao hiệu quả phân tích hệ thống điện rotor và stator.
S k ω θ ω = = với θ s là góc lệch giữa trục q với trục thực Thay “k” =”f”
Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor: k k r k k r r r j dt i d
Với k ψ r : vector từ thông ở hệ tọa độ “k” bất kỳ so với rotor
2.3.3 Các tham số của động cơ
L m hỗ cảm giữa rotor và stator
L σ s điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
L σ r điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator) s m s L L
T s = L s /R s hằng số thời gian stator
T r = L r /R r hằng số thời gian rotor r s m L L
1− 2 σ = hệ số tiêu tán tổng
Phương trình từ thông stator và từ thông rotor: r r s m r r m s s s
Phương trình chuyển động: dt d p m J m c
Với: m T là mômen tải, J là mômen quán tính cơ, ω là tốc độ góc của rotor
2.3.4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator
Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:
Với: L m :hỗ cảm giữa stator va rotor
Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator bằng cách rút vector i s r từ phương trình (2.32) , ta được:
Thế i s r ở phương trình (2.33) vào phương trình (2.31), ta được:
Thay i s r và s ψ s vào (2.29, 2.30) đồng thời sử dụng các tham số σ,T s ,T r ta thu được hệ phương trình (2.35) sau: dt j d T T i L dt d L
Ta chuẩn hóa ψ r α và ψ r β như sau:
/ là các phần tử của vectơ dòng từ hóa m s
Trong quá trình chuyển đổi, các vector dòng từ hóa được đưa vào hệ phương trình (2.35) và chuyển sang dạng các phần tử của vector, giúp mô tả đầy đủ phần hệ thống điện của một ĐCKĐB Việc này giúp tối ưu hóa quá trình phân tích và thiết kế hệ thống, đồng thời nâng cao độ chính xác trong mô phỏng các biến động điện áp và dòng điện Các phần tử của vector mới phản ánh chính xác tương tác giữa các thành phần hệ thống điện, đảm bảo tính toàn diện và khả năng dự đoán các hiện tượng trong hệ thống điện của ĐCKĐB.
Trong đó: σ =1−L m 2 /(L s L r ): hệ số tiêu tán tổng
Ta cũng có phương trình mômen:
Từ phương trình: s s s m s r r r = i L + i L ψ ta rút s r i − rồi thế vào phương trình mômen:
Thay các vector bằng các phần tử tương ứng, ta được:
2.3.5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor r f m r f s f r m f r s f s f s f r r f f r r r f s s f f s s s f s
Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vectơ từ thông stator
Thay phương trình (2.47), 2.48) vào (2.43, 2.44) trên và biến đổi:
Vì trong trường hợp định hướng chính xác từ thông rotor ta có ψ rq / =0
Cuối cùng thu được hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ sau:
1 rq r rd s sq r rq rq s rd r sd r rd sq s rq r rd sq r S sd s sq sd s rq rd r sq s sd r S sd i T T dt d i T T dt d
Trong đó: σ =1−L m 2 /(L s L r ): hệ số tiêu tán tổng
Phương trình momen: rd sq r m C
Phương trình từ thông rotor: sd r m rd i pT
2.3.6 Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor
Trong hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq), các vector dòng stator i_s_f và vector từ thông rotor ψ_r_f được đồng bộ quay với tốc độ ω_s quanh điểm gốc, giúp các phần tử của chúng (isd, isq, ψ_rd) trở thành các đại lượng một chiều Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi, còn trong quá trình quá độ, chúng có thể biến đổi theo thuật toán điều khiển đã được lập trình trước Ngoài ra, trong hệ tọa độ dq, rq = 0 dẫn đến việc ψ_r_f bằng ψ_rd, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân tích và điều khiển máy điện.
2.3.7 Bộ điều chế độ rộng xung PWM
Với sự phát triển của công nghệ điện tử, các bộ biến tần tĩnh ngày càng được chế tạo từ các van bán dẫn công suất Chức năng chính của chúng là điều chỉnh nguồn cung cấp năng lượng điện có tần số thay đổi, giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện Các biến tần tĩnh không chỉ cải thiện hiệu quả vận hành mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, công nghiệp và tự động hóa Nhờ vào công nghệ bán dẫn công suất, các thiết bị này có khả năng hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng vượt trội.
Phương pháp thực hiện dựa trên kỹ thuật analog, sử dụng giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu, dựa trên hai tín hiệu cơ bản là sóng mang có tần số cao và sóng điều khiển dạng sin Đây là nguyên lý nền tảng giúp điều khiển và điều chỉnh công suất của bộ nghịch lưu một cách chính xác Kỹ thuật này phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển mạch điện tử với độ chính xác cao và hiệu quả tối ưu.
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ PWM
Cơ chế đóng ngắt hoạt động dựa trên so sánh giữa sóng mang và sóng điều khiển Khi sóng mang nhỏ hơn hoặc bằng sóng điều khiển, ngõ ra logic sẽ bằng 1, thể hiện trạng thái hoạt động của mạch Ngược lại, nếu sóng mang lớn hơn hoặc bằng sóng điều khiển, ngõ ra sẽ chuyển về trạng thái bằng 0, đảm bảo chức năng điều khiển chính xác trong các ứng dụng điện tử.
Hình 2.9 Cơ chế đóng ngắt của PWM (pha U)
Hình 2.10 Dạng sóng 3 pha khi được điều chế PWM
Sóng mang có thể ở dạng tam giác, với tần số càng cao thì lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều hơn Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao gây ra tổn hao tăng do quá trình đóng ngắt các công tắc, đồng thời các linh kiện cần thời gian đóng ngắt xác định, làm hạn chế lựa chọn tần số sóng mang Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra, giúp điều chỉnh tín hiệu chính xác Để đơn giản mạch kích hơn nữa, có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để kích đóng, tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống.
2.3.8 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab
2.3.8.1 Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha
Hệ phương trình biểu diễn đầy đủ trạng thái của động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ tọa độ stator: α β α α α ωψ σ σ σ σ σ ψ σ σ σ s s r r r r s r s s u
Ta thu được giá trị dòng điện 3 pha i su , i sv , i sw từ i s α , i s β thông qua biến đổi tọa độ từ αβ ->uvw
Momen điện từ của động cơ:
Tốc độ của động cơ:
Mô đun dòng từ hóa m s r
L ψ từ các thành phần ψ r / α , ψ r / β thông qua công thức:
2.3.8.2 Mô hình động cơ trong simulink
Các giá trị liên quan: Tr = Lr/Rr;
SS = 1 - Lm*Lm/(Ls*Lr); a1 = 1/(SS*Ts) + (1-SS)/(SS*Tr); a2 = (1-SS)/(SS*Tr); a3 = (1-SS)/SS; a4 = 1/(SS*Ls); a5 = 1/Tr; a6 = 3*P*Lm*Lm/(2*Lr*J); a7 = 1/J;
Trong đó ss=σ: là hệ số tiêu tán tổng
Tr: hằng số thời gian rotor Ts: hằng số thời gian stator
Lr, Ls: điện cảm rotor, stator
Rr, Rs: điện trở rotor, stator
Hình 2.11 Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha
2.3.8.3 Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ
Hình 2.12 Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM Động cơ không đồng bộ có các thông số sau:
Công suất của động cơ: 10Hp
Số đôi cực p = 2 Điện trở stator R s =1.177Ω Điện trở rotor R r =1.382Ω Điện cảm stator Ls=0.118Ω Điện cảm rotor L s =0.113Ω
Thông số của bộ PWM
Tần số sóng mang F = 1800Hz Điện áp DC cung cấp cho bộ nghịch lưu U dc = 220*sqrt(2)
10 Mo dun dong tu hoa (Ampe)
Hình 2.15 Tốc độ động cơ
Nhận xét
Khi khởi động trực tiếp qua PWM, dòng khởi động của động cơ có thể lên tới khoảng 80A, gây ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của máy Do đó, việc áp dụng các phương pháp hạn chế dòng khởi động là rất cần thiết để bảo vệ động cơ, giúp duy trì độ bền và ổn định trong quá trình vận hành.
Phương pháp điều khiển định hướng trường ra đời giúp khắc phục nhược điểm khởi động dòng quá lớn, nâng cao hiệu quả vận hành của động cơ không đồng bộ Đây là bước đột phá kỹ thuật mang lại những thành tựu vượt trội trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ, đảm bảo tính ổn định và tiết kiệm năng lượng.
ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG
Đại cương về phương pháp FOC
Phương pháp điều khiển vectơ được nghiên cứu lần đầu tiên vào đầu những năm
Vào thế kỷ trước, phương pháp điều khiển này đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn nhờ những ưu điểm vượt trội so với phương pháp điều khiển vô hướng (điều khiển V/f = cố định).
Phương pháp điều khiển vectơ FOC dựa trên mô hình hai pha của động cơ không đồng bộ giúp phân tích và điều khiển dòng điện stator một cách chính xác trong hệ trục tọa độ quay rotor (d, q) Vectơ dòng điện stator có thể được chia thành hai thành phần chính: thành phần tạo từ thông (isd) và thành phần tạo moment (isq), cho phép tách rời và kiểm soát độc lập như trong máy điện một chiều Điều này giúp tối ưu hiệu suất vận hành của động cơ không đồng bộ và cung cấp khả năng điều khiển chính xác, ổn định.
Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) sử dụng hai thành phần của dòng điện liên quan đến hệ trục tọa độ rotor, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành của các motor điện Phương pháp này còn được gọi là điều khiển theo từ trường rotor (RFOC – Rotor Field Oriented Control), nhờ vào khả năng điều chỉnh dòng điện dựa trên hướng của từ trường rotor để nâng cao độ chính xác và ổn định trong kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn.
Có 2 phương pháp trong việc điều khiển định hướng tựa theo vector từ thông thường được sử dụng là:
+ Phương pháp điều khiển trực tiếp
Trong sơ đồ điều khiển vector trực tiếp, biên độ và vị trí góc (pha) của vector từ thông được đo hoặc ước lượng dựa trên các giá trị điện áp hoặc dòng điện stator Cảm biến Hall có thể sử dụng để đo từ trường bằng cách lắp đặt trong khe hở không khí của động cơ, nhưng việc này làm tăng chi phí và giảm độ tin cậy của hệ thống truyền động.
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường trực tiếp được trình bày trong hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp
+ Phương pháp điều khiển gián tiếp
Trong phương pháp điều khiển gián tiếp, góc θ được tính toán dựa trên tốc độ trượt ω_sl* và thông tin về tốc độ động cơ ω, giúp kiểm soát chính xác hệ thống Đặc tính của hệ thống phụ thuộc nhiều vào việc xác định chính xác các tham số động cơ, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản hơn so với phương pháp trực tiếp, tuy nhiên vẫn gặp phải nhược điểm về độ chính xác của đặc tính sơ đồ nếu không áp dụng các giải pháp đặc biệt.
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường gián tiếp được trình bày trong hình 3.2
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp.
Cấu trúc nội dung phương pháp FOC
3.2.1 Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC
Hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong động cơ không đồng bộ ba pha được trình bày rõ trong hình 3.3, mô tả các thành phần chính của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor (d, q) Vector dòng stator i_s chia thành hai thành phần chính là isd và isq, trong đó isd điều khiển từ thông rotor còn isq điều khiển moment quay của động cơ Động cơ được cấp nguồn từ biến tần nguồn áp, trong đó điện áp là đại lượng điều khiển chính đặt vào cuộn dây stator để điều chỉnh hoạt động của hệ thống.
Nguyên tắc điều khiển của phương pháp Field-Oriented Control (FOC) dựa trên việc điều khiển độc lập các thành phần của động cơ một chiều kích từ Trong đó, từ thông rotor được giữ ổn định nhờ dòng i_sd, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ Đồng thời, mô men và tốc độ của động cơ được điều khiển thông qua dòng tạo mô men i_sq, mang lại khả năng điều chỉnh chính xác và linh hoạt Phương pháp này đảm bảo kiểm soát chính xác các đặc tính của động cơ một chiều kích từ, nâng cao hiệu suất vận hành và độ ổn định trong các ứng dụng công nghiệp.
Hình 3.3 Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC 3.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển
Các đại lượng đầu ra của bộ ĐCid và bộ ĐCiq là \( y_d \) và \( y_q \), có kích thước và đơn vị giống như dòng điện Để kết nối các tín hiệu này với \( u_{sd} \) và \( u_{sq} \), cần sử dụng một mạng tính áp (MTu) Ngoài ra, để tính các dòng \( i_{sd}^* \) và \( i_{sq}^* \) từ các đại lượng từ thông rotor \( \psi_r^* \) và tốc độ vượt trước \( \omega_r^* \) của từ thông rotor so với trục rotor, ta phải sử dụng thêm một mạng dòng (MTi).
(3.2) Mạng tính áp (MTu): q s s s d s sd y sT y L R u σ ω
Ta nhận thấy yd, yq đồng nhất với các dòng isd, isq sau thời gian trễ T σs Các đại lượng yd và y q là đầu vào của mạng tính áp (MTu)
T σ = L σ = − : hằng số thời gian từ thông tiêu tán phía stator s s L
L σ =σ : điện cảm tiêu tán phía stator
Hình 3.4 Vector dòng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q)
Tính góc θ r , ta dùng khâu tích phân
Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CĐTi):
= s s s s sq s s s s sd i i i i i i θ θ θ θ β α β α cos sin sin cos (3.8)
Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp:
Khâu điều chế tốc độ quay (ĐCω) là khâu PI:
Các khâu điều chế dòng (ĐCiq) và (ĐCiq):
3.2.3 Cấu trúc hiện đại của FOC
Khi quan sát dòng stator gồm hai thành phần isd và isq, ta nhận thấy rằng nếu hai thành phần này hoàn toàn độc lập thì cấu trúc cơ bản hoạt động hiệu quả ở chế độ xác lập Tuy nhiên, trong chế độ quá độ, do hai thành phần này phụ thuộc lẫn nhau, cấu trúc ban đầu đã bộc lộ nhiều nhược điểm Vì vậy, người ta đã phát triển một cấu trúc FOC kiểu gián tiếp mới, gọi là cấu trúc hiện đại, giúp khắc phục hạn chế của các cấu trúc truyền thống.
Trong cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC, các khối mới như "Ước lượng", "Ổn định từ thông", khâu "Giới hạn dòng" và "Điều chỉnh từ thông" (khâu PI) đã được giới thiệu để nâng cao hiệu quả điều khiển Đồng thời, công nghệ này loại bỏ các khâu tính áp (MTu) và tính dòng (MTi), giúp đơn giản hóa hệ thống và tăng độ chính xác trong điều chỉnh.
Trong hệ tọa độ (d, q), dòng i s_d được xem là đại lượng điều khiển từ thông rotor, đóng vai trò quan trọng trong điều khiển máy Tuy nhiên, giữa hai đại lượng này tồn tại khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr, gây ảnh hưởng đến phản hồi hệ thống Hiểu rõ đặc điểm của khâu trễ giúp nâng cao hiệu quả điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất của máy móc.
Khâu “Điều chỉnh từ thông” (khâu PI) là yếu tố quan trọng giúp cải thiện khả năng truyền đạt của động cơ bằng cách gia tốc quá trình từ hóa Để đạt được điều này, cần điều chỉnh giá trị thực của từ thông, mặc dù việc đo chính xác giá trị này rất khó khăn Phương pháp điều khiển FOC gián tiếp sử dụng mô hình từ thông để ước lượng giá trị từ thông dựa trên các đại lượng đo được như ISD, I SQ, và ω, từ đó tính toán góc θ một cách chính xác.
Ngoài ra, khối “Ổn định từ thông” có tác dụng ổn định giá trị từ thông đặt và khâu
“Giới hạn dòng” làm cho dòng điện không vượt quá giá trị đặt.
Mô phỏng phương pháp foc bằng simulink/matlab
3.3.1 Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC trong Simulink/Matlab
Hình 3.5 Sơ đồ khối điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC
3.3.2 Giải thích nguyên lí hoạt động
- Sai lệch tốc độ (giữa tốc độ đặt và tốc độ hồi tiếp của động cơ) được đưa vào bộ
Bộ PID được sử dụng để hiệu chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh tín hiệu dòng điện đặt trục q (isq*) Tín hiệu này sau đó được đưa qua bộ “Giới hạn dòng” để đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống Sai lệch giữa tín hiệu dòng isq* và dòng thực tế của động cơ (isq) được truyền vào bộ “Điều chỉnh dòng” (bộ PID) để tính toán tín hiệu điều khiển phù hợp Kết quả của bộ PID là tín hiệu điện áp đặt trục q (u sq*), giúp điều chỉnh tốc độ và công suất của động cơ một cách chính xác và hiệu quả.
Sai lệch từ thông, được đưa vào bộ “Điều chỉnh từ thông” (bộ PID) để hiệu chỉnh dựa trên tín hiệu ngõ ra của bộ “Ổn định từ thông” và giá trị ước lượng từ bộ “Ước lượng”, là yếu tố chính trong quá trình điều chỉnh Tín hiệu ngõ ra của bộ PID là dòng điện đặt trục d (i_sd*), sau đó được đưa qua bộ “Giới hạn dòng 1” để kiểm soát dòng điện động cơ Sai lệch giữa tín hiệu dòng i_sd* và dòng i_sd thực tế của động cơ được đưa vào bộ “Điều chỉnh dòng i_sd” (bộ PID), nhằm điều chỉnh chính xác hoạt động của hệ thống Kết quả của bộ PID là tín hiệu điện áp đặt trục d (u_sd*), giúp duy trì sự ổn định và hiệu quả của hệ thống điều khiển.
Từ các tín hiệu điện áp stator trong hệ trục tọa độ quay (d, q) u sq* và u sd* được chuyển đổi sang hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) thông qua khối chuyển đổi tọa độ Các điện áp usalfa và usbeta này là các tín hiệu quan trọng giúp điều khiển chính xác hoạt động của động cơ Quá trình chuyển đổi này tối ưu hóa việc điều khiển từ xa, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong vận hành của hệ thống.
Mô hình động cơ được xây dựng trong hệ trục tọa độ (α, β)
- Khối “Ước lượng” có nhiệm vụ tính toán các đại lượng:
+ Góc lệch (Teta) giữa trục d và trục α (góc giữa hệ trục tọa độ quay (d, q) và hệ trục tọa độ đứng yên (α, β))
+ Tín hiệu đầu vào của “Bộ ước lượng” là các dòng điện Isd, Isq và tốc độ (ω) của động cơ
- Tín hiệu ngõ ra của động cơ không đồng bộ cần quan sát là từ thông (Fi), tốc độ (ω), moment (T) và dòng điện ba pha (Iuvw)
Tổng kết lại, khả năng điều chỉnh độc lập dòng thông (i_sd) và moment (is_q) được thực hiện thông qua các hệ số hiệu chỉnh của hai bộ PID Điều này giúp tối ưu hóa kiểm soát và nâng cao hiệu suất hệ thống, đáp ứng tốt các yêu cầu trong quá trình vận hành.
- Khối mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) (được xây dựng ở Chương 2)
Hình 3.6 Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β)
- Khối chuyển điện áp từ (d, q) sang (α, β)
- Khối chuyển dòng điện từ (u, v, w) sang (d, q)
Khối “Ước lượng” được xây dựng trên các phương trình sau:
) ( rq sd m rd r r m sq r sTri L dt d Tr
Phương trình moment: rd sq r m p i
Dựa vào các phương trình trên, ta xây dựng sơ đồ khối “Ước lượng” như sau:
+ Isd: dòng điện stator được chiếu lên trục d
+ Isq: dòng điện stator được chiếu lên trục q
+ w: tốc độ góc của động cơ
Các tín hiệu ngõ ra:
+ Fi1: từ thông rotor (từ thông ước lượng)
+ Teta: góc tạo bởi trục từ thông rotor với trục pha u
Thông số của các khâu Gain và Transfer Fcn:
Ngoài ra còn có các khâu phụ sau:
+ Unit Delay: khâu tạo trễ
+ Divide: khâu thực hiện phép chia
- Các tín hiệu đặt: Firef (từ thông rotor đặt-Wb); Wref (tốc độ góc đặt của động cơ-rad/s), TL (moment tải đặt-N.m), như sau:
Các tín hiệu quan sát quan trọng trong điều khiển động cơ bao gồm tốc độ góc của động cơ (w, đo bằng rad/s), mô-men xoắn của động cơ (Torque, đơn vị N.m), từ thông rotor (Fi, đo bằng Wb), và dòng điện stator trên 3 pha u, v, w (Iuvw, đơn vị A) Những thông số này giúp theo dõi và điều chỉnh hiệu quả hoạt động của hệ thống động cơ, đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu và đáp ứng chính xác các yêu cầu điều khiển.
Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC
Bảng 3.1 Tham số mô phỏng động cơ (phương pháp FOC)
Thông số của động cơ không đồng bộ Thông số Giá trị
Công suất của động cơ P = 10HP
Sốđôi cực p c = 2 Điện trở stator R s = 1.177 Ω Điện trở rotor R r = 1.382 Ω Điện cảm stator L s = 0.118 Ω Điện cảm rotor R s = 0.113 Ω
Tốc độđặt Wref = 1420 (vòng/phút) = 148,7 (rad/s)
Từ thông đặt Firef = 1 (Weber)
- Thời gian của quá trình mô phỏng là 4 giây (Tsim = 4)
- Giá trị của từ thông đặt là 1 Wb trong suốt quá trình mô phỏng
Trong những giây đầu tiên của quá trình mô phỏng, tốc độ đặt của động cơ đạt 148,7 rad/s Sau 2 giây, tốc độ của động cơ giảm một nửa còn 74,35 rad/s và duy trì ở mức này đến hết thời gian mô phỏng, cho thấy sự giảm tốc nhanh chóng theo đặc điểm của hệ thống.
Hình 3.7 Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng
+ Khi mô phỏng đảo chiều quay động cơ, tốc độ đặt như sau:
Hình 3.8 Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng đảo chiều động cơ
Trong quá trình mô phỏng, moment tải đặt của động cơ được thiết lập để hoạt động trong khoảng thời gian ngắn, cụ thể sau khi khởi động 1,5 giây, động cơ sẽ đóng tải với giá trị moment tải đặt là TL = 3,5 N.m Tải sẽ được cắt sau 3 giây, qua đó, động cơ duy trì hoạt động có tải trong khoảng thời gian từ 1,5 đến 3 giây, giúp đánh giá hiệu suất làm việc của hệ thống dưới tải trọng phù hợp.
Hình 3.9 Moment đặt cho quá trình mô phỏng
- Tóm lại, diễn tiến quá trình mô phỏng như sau:
[Toc do dat (Dao chieu dong co)]
- Tín hiệu quan sát là từ thông (Fi), tốc độ (w), moment (T) và dòng điện ba pha (Iuvw) của động cơ trong quá trình mô phỏng
3.4.3 Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong Simulink/Matlab
3.4.3.1 Từ thông của động cơ
Hình 3.10- Từ thông thật của động cơ
[Tu thong uoc luong-FOC]
Hình 3.11 Từ thông ước lượng của động cơ 3.4.3.2 Tốc độ của động cơ
Hình 3.12 Tốc độ thật của động cơ
Hình 3.13 Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt 3.4.3.3 Moment của động cơ
[Toc do thuc, toc do dat-FOC]
Hình 3.14 Moment thực của động cơ
Hình 3.15 Moment của động cơ được ước lượng
3.4.3.4 Dòng điện các pha của động cơ
Hình 3.16 Dòng điện pha U của động cơ
Hình 3.17 Dòng điện ba pha của động cơ 3.4.3.5 Khi đảo chiều quay động cơ
Hình 3.18 Từ thông thật của động cơ (khi đảo chiều quay)
Hình 3.19 Từ thông của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay)
Hình 3.20 Tốc độ thật của động cơ (khi đảo chiều quay)
F i (W b ) t (s) t (s) [Tu thong that (dao chieu dong co)-FOC]
[Tu thong uoc luong (Dao chieu dong co)-FOC]
[Toc do thuc (dao chieu dong co)-FOC]
Hình 3.21 Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi đảo chiều động cơ)
Hình 3.22 Moment thật của động cơ (khi đảo chiều quay)
Hình 3.23 Moment của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay)
[Toc do thuc, toc do dat (Dao chieu dong co)-FOC]
[Moment thuc (Dao chieu dong co)-FOC]
[Moment uoc luong (Dao chieu dong co)-FOC]
3.4.3.6 Khi tăng moment tải (TL = 10,5 N.m)
Hình 3.24 Từ thông thật của động cơ (khi tăng moment tải)
Hình 3.25 Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải)
Hình 3.26 Tốc độ thật của động cơ (khi tăng moment tải)
F i (W b ) t (s) [Tu thong thuc (Tang tai)-FOC]
[Tu thong uoc luong (Tang tai)-FOC]
160 t (s) w ( ra d /s ) t (s)[Toc do thuc (Tang tai)-FOC]
Hình 3.27 Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi tăng moment tải)
Hình 3.28 Moment thực của động cơ (khi tăng moment tải)
Hình 3.29 Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải)
[Toc do thuc, toc do dat (Tang tai)-FOC]
[Moment thuc (Tang tai)-FOC]
T ( N m ) t (s)[Moment uoc luong (Tang tai)-FOC]
Hình 3.30 Dòng điện pha U của động cơ (khi tăng moment tải)
Hình 3.31 Dòng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment tải)
[Dong dien pha U (Tang tai)-FOC]
I (A ) t (s)[Dong dien ba pha (Tang tai)-FOC]
3.4.3.7 Khi tăng moment quán tính (J =0,0256 kg.m )
Hình 3.32 Từ thông thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.33 Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.34 Tốc độ thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)
[Tu thong thuc (Tang moment quan tinh)-FOC]
[Tu thong uoc luong (Tang moment quan tinh)-FOC]
160 t (s) w ( ra d /s ) t (s)[Toc do thuc (Tang moment quan tinh)-FOC]
Hình 3.35 Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.36 Moment thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.37 Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính)
160 t (s) w ( ra d /s ) t (s) [Toc do thuc, toc do dat (Tang moment quan tinh)-FOC]
[Moment thuc (Tang moment quan tinh)-FOC]
[Moment uoc luong (Tang moment quan tinh)-FOC]
Hình 3.38 Dòng điện pha U của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.39 Dòng điện pha V của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.40 Dòng điện pha W của động cơ (khi tăng moment quán tính)
[Dong dien pha U (Tang moment quan tinh)-FOC]
[Dong dien pha V (Tang moment quan tinh)-FOC
I (A ) t (s)[Dong dien pha W (Tang moment quan tinh)-FOC]
Hình 3.41 Dòng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment quán tính)
3.4.4 Nhận xét kết quả mô phỏng điều khiển FOC
- Trong giai đoạn khởi động động cơ (2 giây đầu của quá trình mô phỏng)
Động cơ đạt được từ thông gần sát với giá trị đặt (1 Wb) nhờ khả năng bám rất tốt, đảm bảo đáp ứng yêu cầu về từ thông Thời gian gia tốc của từ thông khá nhanh, chỉ khoảng 0,5 giây, giúp hệ thống phản hồi kịp thời và chính xác Nhờ đó, từ thông không vượt quá giới hạn, tránh hiện tượng vọt lố, đồng thời không xảy ra sai số tĩnh, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của hệ thống.
Động cơ đạt tốc độ gần như chính xác với giá trị đặt (148,7 rad/s), thể hiện khả năng kiểm soát chính xác trong quá trình vận hành Thời gian gia tốc nhanh chỉ khoảng 0,1 giây giúp hệ thống phản ứng tức thì, đảm bảo đáp ứng nhanh chóng theo yêu cầu Nhờ đó, tốc độ đạt được ổn định, không vượt quá giới hạn và không gặp phải sai số tĩnh, nâng cao độ chính xác vàtin cậy của hệ thống.
Khi khởi động động cơ, moment tăng nhanh đạt khoảng 6 N.m trong vòng 0,1 giây, sau đó duy trì sát với giá trị đặt mà không vượt quá Tuy nhiên, tại thời điểm đóng tải (1,5 giây), moment gặp phải nhiễu động lớn (vọt lố) Sau khi tải đã đóng vào, moment của động cơ tăng theo tải đến mức 3,5 N.m, đạt đúng giá trị đặt và trong phạm vi vọt lố cho phép.
Dòng điện ba pha của động cơ tăng lên đến 12A trong vòng 0,1 giây khi khởi động, sau đó ổn định ở mức 8A Điều này cho thấy dòng khởi động gấp 1,5 lần dòng xác lập, phản ánh quá trình khởi động của động cơ một cách an toàn và hiệu quả.
I (A ) t (s) t (s) t (s)[Dong dien ba pha (Tang moment quan tinh)-FOC]
+ Tại thời điểm đóng tải, từ thông, tốc độ và dòng điện ba pha của động cơ không bị ảnh hưởng
- Trong giai đoạn hãm động cơ (2 giây sau của quá trình mô phỏng)
+ Từ thông của động cơ không bị ảnh hưởng và bám rất sát giá trị đặt (1 Wb) cho đến hết thời gian mô phỏng
Trong quá trình thử nghiệm, tốc độ của động cơ giảm 50%, từ 148,7 rad/s xuống còn 74,35 rad/s đúng vào thời điểm hãm động cơ tại 2 giây Quá trình giảm tốc nhanh chóng và ổn định này cho thấy hệ thống đáp ứng tốc độ rất tốt, đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu.
Trong quá trình bắt đầu hãm động cơ trong 2 giây, mô-men xoắn của động cơ có sự dao động đáng kể Tuy nhiên, các dao động này diễn ra trong thời gian rất ngắn, không gây ảnh hưởng đến hệ thống Khi cắt tải, mô-men xoắn của động cơ giảm về 0 vào khoảng 3 giây, đi kèm với độ vọt nối tiếp cho phép, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của hệ thống.
Giá trị xác lập của dòng điện ba pha trong động cơ được duy trì liên tục trong suốt thời gian mô phỏng, đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống Trong giai đoạn hãm động cơ, dòng điện ba pha vẫn giữ mức ảnh hưởng không đáng kể, góp phần tối ưu hóa hiệu suất vận hành và giảm thiểu tổn thất năng lượng.
+ Tại thời điểm cắt tải (3 giây), từ thông, tốc độ và dòng điện ba pha của động cơ không bị ảnh hưởng
- Khi đảo chiều quay động cơ
+ Đáp ứng của từ thông, dòng điện các pha của động cơ không đổi so với chế độ quay thuận
+ Moment của động cơ thay đổi không đáng kể
- Khi tăng moment tải (TL = 10,5 N.m)
+ Đáp ứng từ thông, tốc độ, moment thay đổi không đáng kể và bám theo giá trị đặt
+ Dòng điện các pha tăng lên (khoảng 1 A) so với dòng không tải trong thời gian đóng tải
- Khi tăng moment quán tính (J = 0,0252 kg.m 2 )
+ Từ thông động cơ thay đổi không đáng kể và bám theo giá trị đặt
+ Tốc độ của động cơ gần với thực tế khi xuất hiện thời gian trễ tại thời điểm hãm động cơ
+ Moment động cơ dao động đáng kể tại thời điểm khởi động động cơ và khi hãm động cơ nhưng vẫn bám sát giá trị đặt
+ Dòng điện ba pha của động cơ tăng gần bằng dòng khởi động tại thời điểm hãm động cơ
Tóm lại: điều khiển động cơ bằng phương pháp định hướng trường có các đặc điểm sau:
- Đáp ứng từ thông và tốc độ của động cơ rất tốt, không vọt lố, không có sai số tĩnh Tốc độ động cơ tăng rất nhanh
- Đáp ứng moment động cơ đạt yêu cầu về độ vọt lố nhưng còn nhiễu động
- Dòng điện khởi động bằng khoảng 1,5 lần dòng xác lập
- Từ thông, moment được ước lượng tương tự như các đại lượng thực
- Khi đảo chiều quay thì các thông số từ thông, tốc độ, moment của động cơ thay đổi không đáng kể
- Khi tăng moment tải cũng như khi tăng moment quán tính cho thấy đặc tính động của phương điều khiển định hướng trường (FOC):
+ Khi tăng moment tải: dòng điện ba pha động cơ tăng
+ Khi tăng moment quán tính: moment động cơ dao động tại thời điểm khởi động động cơ và thời điểm hãm động cơ.
DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Tổng quan về phương pháp đề xuất
Trong những năm gần đây, các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ và mạng neural ngày càng được ứng dụng rộng rãi, dựa trên suy luận của con người hoặc hoạt động của não bộ Những phương pháp này bổ sung cho các kỹ thuật điều khiển cổ điển và hiện đại, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình điều khiển hệ thống Xu hướng này thể hiện sự phát triển đáng kể trong lĩnh vực tự động hóa, hướng tới tích hợp trí tuệ nhân tạo vào các hệ thống điều khiển phức tạp.
Trong chương này, chúng ta tập trung vào kỹ thuật điều khiển phổ biến là điều khiển định hướng trường (FOC), kết hợp với logic mờ bằng bộ điều khiển PI mờ lai để nâng cao hiệu quả điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Việc kết hợp này mang lại hiệu quả thực tiễn, giúp tối ưu hóa hiệu suất và ổn định trong quá trình điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ.
Bộ điều khiển mờ pi
Bộ điều khiển PID có cấu trúc như sau:
Hình 4.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID thông thường
P: là khối tỷ lệ với ngõ ra Pout = K P e (t )
I: là khối tích phân với ngõ ra I out = K i ∫ e ( t ) dt
D: là khối đạo hàm với ngõ ra D out dt t
K d de( ) e là sai số giữa giá trị cần và giá trị thực
Tín hiệu sai lệch e được qua bộ điều khiển PID cho tín hiệu điều khiển đối tượng:
Hệ thống điều khiển MV(t) bao gồm các thành phần P out, I out và D out, được xây dựng dựa trên cấu trúc điều khiển của bộ PID Phương pháp điều hướng trường đã sử dụng 3 bộ điều khiển PI để điều chỉnh tốc độ, mô men quay và từ thông của động cơ điện không đồng bộ ba pha Để kết hợp phương pháp điều khiển phổ biến với các phương pháp điều khiển thông minh như logic mờ và mạng neural, đã thiết kế ba bộ điều khiển PI mờ thay thế cho các bộ điều khiển PI truyền thống Chất lượng của bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào hệ quả của quá trình suy luận, dựa trên kinh nghiệm chủ quan của chuyên gia, và không yêu cầu mô hình toán học của đối tượng, rất phù hợp với các hệ thống phức tạp Thuật toán điều chỉnh tự động các thông số Kp, KI của bộ điều khiển mờ giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, trong đó nếu giá trị Kp, KI vượt quá mức quy định, bộ điều khiển sẽ tự động giảm giá trị để duy trì hiệu quả vận hành.
Việc xây dựng bộ điều khiển mờ dựa vào cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển mờsau:
Hình 4.2 Hệ thống điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ PID Đối tượng
Tín hi ệ u thật e: sai số
Hình 4.3 Hệ thống điều khiển mờ theo sai lệch e và đạo hàm sai lệch
Trong chương này, khối mờ hóa hệ số KP, KI sẽ được thay thế cho bộ điều khiển PI: bộ PI điều khiển tốc độ
4.2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ
Hình 4.4 Sơ đồ khối Bộ điều khiển PID mờ
Hình 4.5 Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ xây dựng trong SIMULINK/MATLAB
Hình 4.6 Sơ đồ khối điều khiển PI MỜ xây dựng trên Simulink/Matlab
4.2.3 Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ lai:
Hình 4.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI mờ lai
Hình 4.8 Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ lai trong SIMULINK/MATLAB
Hình 4.9 Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai xây dựng trên Matlab
4.2.4 Xây dựng các bộ điều khiển PI mờ Đố i v ớ i b ộ đ i ề u khi ể n t ố c độ PI m ờ , ta có s ơ đồ kh ố i nh ư sau:
Hình 4.10.Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PI mờ
Từ sơ đồ khối cho thấy, bộ điều khiển mờ PI thực chất là kết hợp hai bộ điều khiển mờ P (Kp) và I (K I ) riêng lẽ
Trong hệ thống điều khiển, sai số tốc độ giữa tốc độ mong muốn (wref) và tốc độ động cơ hồi tiếp (w) đóng vai trò là tín hiệu đầu vào của các khối mờ Kp và Ki Các khối này sẽ tạo ra sự điều chỉnh tác động điều khiển, qua đó điều chỉnh hoạt động của động cơ không đồng bộ Hàm liên thuộc Trapmf được sử dụng để mô hình hóa các tập mờ cho cả ngõ vào và ngõ ra, giúp xử lý các tín hiệu không chính xác một cách linh hoạt Đối với bộ Kp mờ, tín hiệu sai lệch ngõ vào được chia thành ba tập mờ NL (Negative Large), S (Small), và PL (Positive Large), với các giá trị mờ cụ thể như hình 7.4, nhằm tối ưu hóa quá trình điều khiển động cơ.
Hình 4.11 Tập mờ sai số tốc độ
Tín hiệu ngõ ra cũng bao gồm 3 tập mờ NL,S,PL (negative large, small - nhỏ, possitive large) với các tập giá trị mờ như hình 7.5
Hình 4.12 Tập mờ ngõ ra của bộ K p mờ
Hệ số KP điều chỉnh đáp ứng tốc độ của hệ thống, với KP lớn hơn thì phản hồi nhanh hơn nhưng dễ gây quá tải hoặc quá đà Để kiểm soát việc điều chỉnh này một cách linh hoạt và chính xác, bộ luật suy diễn mờ (fuzzy inference system) If then được sử dụng nhằm tối ưu hóa quá trình điều chỉnh hệ số KP một cách linh hoạt và hiệu quả.
- If sai số tốc độ là nhỏ (S) then KP bé (S)
- If sai số tốc độ là lớn mang giá trị âm (NL) then KP lớn (NL)
- If sai số tốc độ là lớn mang giá trị dương (PL )then K P lớn (PL)
Bộ giải mờ sử dụng kỹ thuật giải mờ centroid
Hình 4.13 Quy luật thay đổi K p
Tương tự đối với bộ điều khiển K I mờ, sai số tốc độ sẽ qua khâu tích phân trở thành tập mờ ngõ vào của bộ điều khiển KI mờ
Hình 4.14 Tập mờ sai số ngõ vào
Hình 4.15 Tập mờ ngõ racủa bộ K I mờ
Hệ số KI điều chỉnh sai số xác lập, nếu KI lớn thì sai số xác lập bé, dễ mất ổn định
Vì vậy, bộ luật suy diễn mờ If…then được sử dụng để giải quyết điều chỉnh linh hoạt hệ số K I theo quy luật sau:
- If sai số là nhỏ (S) then KI bé (S)
- If sai số là lớn mang giá trị âm (NL) then K I lớn (NL)
- If sai số là lớn mang giá trị dương (PL) then KI lớn (PL)
Bộ giải mờ sử dụng kỹ thuật giải mờ centroid
Hình 4.16 Quy luật thay đổi K I Đố i v ớ i b ộ đ i ề u khi ể n t ừ thông PI m ờ , ta có s ơ đồ kh ố i nh ư sau:
Hình 4.17.Sơ đồ khối điều khiển động cơ có bộ điều khiển từ thông PI mờ
Bộ điều khiển từ thông PI mờ hoạt động tương tự như bộ điều khiển tốc độ PI mờ, nhưng khác biệt chính nằm ở các giá trị của 3 tập mờ đầu vào và 3 tập mờ đầu ra Phương pháp này sử dụng luật hợp thành IF…THEN nhằm quản lý quá trình điều khiển một cách linh hoạt hơn Kỹ thuật giải mờ centroid được áp dụng để xác định giá trị chính xác của tín hiệu đầu ra dựa trên các tập mờ, giúp tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống điều khiển từ thông.
Hình 4.18 Tập ngõ vào của bộ K p mờ
Hình 4.19 Tập ngõ ra của bộ K p mờ
Hình 4.20 Quy luật thay đổi K p
Bộ điều khiển KI mờ:
Hình 4.21 Tập ngõ vào của bộ K I mờ
Hình 4.22 Tập ngõ ra của bộ K I mờ
Hình 4.23 Quy luật thay đổi K I Đố i v ớ i b ộ đ i ề u khi ể n momen PI m ờ , ta có s ơ đồ kh ố i nh ư sau:
Hình 4.24 Sơ đồ khối điều khiển moment có PI mờ
Bộ điều khiển moment PI mờ tương tự như bộ điều khiển tốc độ PI mờ, nhưng có sự khác biệt ở các giá trị của 3 tập mờ đầu vào và 3 tập mờ đầu ra Công nghệ này sử dụng luật hợp thành IF…THEN để xác định các quyết định điều khiển, kết hợp với kỹ thuật giải mờ centroid để xác định giá trị kết quả chính xác Đây là giải pháp điều khiển mờ hiệu quả, phù hợp cho các hệ thống cần điều chỉnh linh hoạt và chính xác.
Bộ điều khiển Kp mờ:
Hình 4.25 Tập ngõ vào của bộ K P mờ
Hình 4.26 Tập ngõ ra K P mờ
Hình 4.27 Quy luật thay đổi K p Đối với bộ điều khiển KI mờ:
Hình 4.28 Tập ngõ vào bộ K I mờ
Hình 4.29 Tập ngõ ra của bộ K I mờ
Hình 4.30 Quy luật thay đổi K I
Kết hợp 3 bộ điều khiển PI mờ, ta có sơ đồ mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ:
Hình 4.31 Mô hình 3 bộ điều khiển mờ từ thông- moment và tốc độ
Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào ước lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ pi để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
ĐỒNG BỘ DỰA VÀO ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR CÓ BỘ ĐIỀU KHIỂN
MỜ PI ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Hình 4.32 Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI thông thường
Hình 4.33 Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI mờ lai
Bộ điều khiển PID mờ Bộ điều khiển PID thông thường
Hình 4.34 So sánh kết quả mô phỏng giữa Bộ điều khiển PID mờ & PID thông thường
Hình 4.35 Kết quả Bộ điều khiển PID mờ lai
Hình 4.36 Kết quả Bộ điều khiển PID thông thường a) Khi momen quán tính tăng gấp 5 lần
Hình 4.37 So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Từ thông khi có PI mờ
Từ thông khi có PI thông thường
Tốc độ khi có PI mờ
Hình 4.38 So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Hình 4.39 So sánh mômen khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Tốc độ khi có PI thông thường
Mômen khi có PI mờ
Mômen khi có PI thông thường
Hình 4.40 So sánh dòng điệnkhi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
PI thông thường b) Khi momen quán tính tăng gấp 5 lần, điện trở stator tăng 20%
Hình 4.41 So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Từ thông có bộ PI thông thường
Từ thông có bộ PI mờ
Hình 4.42 So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Tốc độ có bộ điều khiển
PI thông thường Tốc độ có bộ điều khiển
Hình 4.43 So sánh mô men khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Momen có bộ điều khiển PI thông thường Momen có bộ điều khiển PI mờ
Hình 4.44 So sánh dòng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Nhận xét
Trong các trường hợp trên, dòng điện khởi động của động cơ sử dụng 3 bộ PI mờ nhỏ hơn so với dòng khởi động của động cơ khi sử dụng 3 bộ PI thông thường, cho thấy khả năng kiểm soát tốt hơn và giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ thống điện Sử dụng bộ PI mờ giúp tối ưu hóa hiệu suất khởi động của động cơ, đồng thời giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và bảo vệ thiết bị Điều này chứng tỏ rằng công nghệ PI mờ đem lại lợi ích vượt trội trong việc điều khiển động cơ so với các bộ PI truyền thống.
Trong điều khiển động cơ điện, momen điện từ của động cơ khi sử dụng PI mờ và PI thông thường có giá trị gần như tương tự và không bị nhiễu, đảm bảo độ chính xác cao Kỹ thuật điều khiển định hướng trường kết hợp với bộ ước lượng từ thông và bộ điều khiển mờ PI đã cho kết quả mô phỏng phù hợp, kể cả khi các thông số của động cơ thay đổi, tương tự như phương pháp điều khiển PI truyền thống.
Dòng điện có PI thông thường
Dòng điện có PI mờ
Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất sử dụng bộ điều khiển PI mờ lai mang lại hiệu suất vận hành tối ưu, giúp cải thiện đáng kể đáp ứng hệ thống so với bộ điều khiển PI truyền thống Phương pháp này đã chứng tỏ khả năng nâng cao chất lượng kiểm soát và ổn định hệ thống, phù hợp với yêu cầu của các bài toán điều khiển hiện đại Các kết quả này xác thực tính khả thi và hiệu quả của việc áp dụng bộ điều khiển PI mờ lai trong các ứng dụng thực tế, góp phần nâng cao hiệu suất vận hành của hệ thống điều khiển tự động.