Điều khiển vector phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha trong điều kiện thời gian thực (tóm tắt)

Ta có th xác.

B GIÁO D C VÀ ÀO T O

Ph m Tâm Thành

I U KHI N VECTOR PHI TUY N CHO MÁY I N XOAY CHI U

BA PHA TRONG I U KI N TH I GIAN TH C

Chuyên ngành: K thu t đi u khi n và t đ ng hóa

Mã s : 62520216

Hà N i-2014

M U Tính c p thi t c a đ tài:

Các công trình nghiên c u áp d ng các ph ng pháp thi t k đi u khi n phi tuy n cho máy đi n xoay chi u ba pha đ c th c hi n c trong và ngoài n c Tuy nhiên các công trình đó ch y u thi t k trên mi n th i gian liên t c, ho c d ng l i vi c mô ph ng v i

ph n c ng HIL (Hardware In Loop), v n đ thi t k đi u khi n trên mi n th i gian gián

đo n và cài đ t th i gian th c các c u trúc đi u khi n phi tuy n cho máy đi n xoay chi u ba pha ch a đ c đ c p đ n Vì v y, tác gi l a ch n đ tài: “ i u khi n vector phi tuy n cho

máy đi n xoay chi u ba pha trong đi u ki n th i gian th c”

i t ng nghiên c u:

Máy đi n xoay chi u ba pha lo i không đ ng b rotor l ng sóc, không đ ng b ngu n kép và đ ng b kích thích v nh c u

M c đích nghiên c u:

Bài toán gi i quy t v n đ cài đ t th i gian th c các c u trúc đi u khi n phi tuy n cho l p

đ i t ng máy đi n xoay chi u ba pha

ph ng trình mô t mô hình dòng c a máy đi n xoay chi u ba pha

 Trên c s mô hình thu đ c, ti n hành t ng h p các c u trúc đi u khi n phi tuy n cho máy đi n xoay chi u ba pha

 Sau đó ti n hành ki m ch ng các c u trúc thu K đ c nh mô ph ng off-line trên

n n Matlab/Simulink và PLECS

 Cu i cùng là b c ki m ch ng b ng th c nghi m trên mô hình th t c a máy đi n xoay chi u ba pha trên mi n th i gian gián đo n

Nghiên c u làm ch các công c và ph ng pháp khác nhau c a lý thuy t đi u khi n

hi n đ i Ph ng pháp nghiên c u k t h p gi a lý thuy t, mô ph ng và th c nghi m

Ý ngh a c a đ tài:

Vi c thi t k các c u trúc đi u khi n ( K) phi tuy n nh m nâng cao ch t l ng K máy

đi n xoay chi u 3 pha (XC3P) đã đ c ti n hành trong su t 10 n m qua t i tr ng HBK

Hà N i nói riêng và trên th gi i nói chung Tuy nhiên, các k t qu thu đ c trên mi n th i gian, mi n t n s ch a phù h p v i th c ti n k thu t, ch a thu n l i cho vi c cài đ t trên

n n t ng k thu t s (đi u ki n th i gian th c, s d ng vi đi u khi n) Khi cài đ t ta s ph i chuy n x p x g n đúng lu t K thu đ c sang thu t toán K

Lu n án đ t m c tiêu ch ra con đ ng th c hi n các c u trúc K phi tuy n thích h p h n

v i th c ti n, ph i xu t phát t mô hình gián đo n mô t đ i t ng phi tuy n đ chính xác

t i các th i đi m gián đo n cách đ u, t đó thi t k tr c ti p K phi tuy n h n ch nh

h ng c a quá trình x p x g n đúng lu t K sang thu t toán K

T các m c tiêu đ t ra ta s d dàng kh ng đ nh đ c:

 Ý ngh a KH c a đ tài: Kh ng đ nh s t n t i/không t n t i nghi m c a mô hình bilinear c a đ i t ng máy đi n XC3P T đó ch n ph ng pháp thu th p mô hình gián đo n thích h p v i l p đ i t ng này Cu i cùng, s d ng các ph ng pháp thi t

k K phi tuy n, thi t k c u trúc K và ki m ch ng chúng thông qua mô ph ng và

th c nghi m

 Ý ngh a th c ti n c a đ tài: V i k t qu m i c a lu n án, ta s có đ c chi c chìa khóa m cánh c a đi vào các ng d ng c a th c ti n công nghi p, góp ph n xác minh tính kh thi c a các c u trúc K phi tuy n cho l p đ i t ng máy đi n XC3P

Nh ng k t qu m i c a lu n án:

Góp ph n hoàn thi n các c u trúc đi u khi n phi tuy n cho máy đi n xoay chi u ba pha Xây d ng mô hình tr ng thái gián đo n c a máy đi n xoay chi u ba pha theo ph ng pháp Taylor, mô hình này có đ c đi m bilinear và phù h p v i thi t k đi u khi n th i gian th c

s d ng các ph ng pháp đi u khi n phi tuy n

T các mô hình v a xây d ng đ c ti n hành áp d ng các ph ng pháp đi u khi n phi tuy n cho máy đi n xoay chi u ba pha tr c ti p trên mi n th i gian gián đo n

Ch ng minh tính kh thi c a các b đi u khi n thi t theo ph ng pháp tuy n tính hóa chính xác, nguyên lý h ph ng, ph ng pháp cu n chi u backstepping trong đi u ki n th i gian th c thông qua mô ph ng và th c nghi m

N i dung c a lu n án:

Lu n án g m 5 ch ng

Ch ng 1 trình bày t ng quan các v n đ trong đi u khi n máy đi n xoay chi u ba pha

nh các lo i máy đi n xoay chi u ba pha,

Ch ng 2 trình bày chi ti t v mô hình bilinear c a máy đi n xoay chi u ba pha, đ a ra các gi i pháp xây d ng mô hình tr ng thái gián đo n thích h p v i đi u khi n phi tuy n trong đi u ki n th i gian th c

Ch ng 3, trình bày khái quát ý t ng c a các ph ng pháp thi t k đi u khi n phi tuy n: ph ng pháp tuy n tính hóa chính xác, ph ng pháp d a trên nguyên lý h ph ng,

ph ng pháp thi t k cu n chi u (backstepping), t đó đ a ra các c u trúc đi u khi n cho máy đi n xoay chi u ba pha

Ch ng 4 s d ng các k t qu thu đ c ch ng 2 là mô hình hóa c a máy đi n xoay chi u ba pha Th c hi n thi t k đi u khi n phi tuy n tr c ti p trên mi n th i gian gián đo n cho máy đi n xoay chi u ba pha

Ch ng 5 tác gi t p trung vào mô ph ng trên Matlab/Simulink và th c nghi m s d ng

DSP h C2000 c a hãng Texas Instruments nh m kh ng đ nh k t qu nghiên c u ây là

b c ti n đ đ ch t o bi n t n th ng m i có tích h p các thu t toán đi u khi n phi tuy n phù h p v i ch đ v n hành phi tuy n c a máy đi n xoay chi u ba pha

Máy đi n xoay chi u ba pha g m 3 lo i: máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc, máy

đi n đ ng b kích thích v nh c u, máy đi n không đ ng b ngu n kép cho t p trung và tránh r m rà trong các ch ng ch trình bày các k t qu nghiên c u cho m t lo i máy đi n

đi n hình: máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc, các k t qu nghiên c u cho hai lo i máy

1.2 T ng quan các ph ng pháp đi u khi n máy đi n xoay chi u ba pha

V các ph ng pháp đi u khi n phi tuy n là h ng nghiên c u, v n đ quan tâm c a lu n

án Ta ch xét đ n các ph ng pháp đi u khi n phi tuy n d a trên nguyên lý đi u khi n vector RFO: ph ng pháp tuy n tính hóa chính xác, nguyên lý h ph ng, ph ng pháp cu n chi u backstepping

1.3 i u khi n th i gian th c (realtime control, digital control) cho máy đi n xoay chi u ba pha

V th c hi n đi u khi n s cho l p đ i t ng máy đi n xoay chi u ba pha, khi s d ng các ph ng pháp thi t k đi u khi n tuy n tính và khi s d ng ph ng pháp thi t k đi u khi n phi tuy n đ c đ a ra r t nhi u các công trình Các thu t toán đi u khi n thi t k theo

ph ng pháp tuy n tính đã đ c tri n khai thành công trong các thi t b th ng m i

1.4 Tình hình và đ nh h ng nghiên c u c a lu n án

H u h t các công trình kh o sát còn ch a xét t i vi c áp d ng trong th c t , đó là vi c chuy n các lu t đi u khi n sang thành thu t toán đi u khi n cài đ t trong đi u ki n th i gian

th c, các công trình đó đ u thi t k thu t toán đi u khi n trên mi n th i gian x p x liên t c Qua t ng k t các công trình nghiên c u áp d ng ph ng pháp thi t k đi u khi n phi tuy n cho đ i t ng máy đi n xoay chi u ba pha, các công trình đó ch y u thi t k lu t

đi u khi n trong mi n liên t c (continous-time), ch a xét đ n vi c tri n khai các h th ng đó trên mi n gián đo n (discrete-time) Lu n án s xem xét và t p trung vào v n đ còn b ng

đó, lu n án ti n hành thi t k và cài đ t các thu t toán đi u khi n phi tuy n cho máy đi n xoay chi u ba pha trên mi n th i gian gián đo n ó c ng chính là lý do tác gi ch n đ

tài:” i u khi n vector phi tuy n cho máy đi n xoay chi u ba pha trong đi u ki n th i gian

- Ch ra đ c ph ng pháp gián đo n hóa mô hình c a đ i t ng phi tuy n, c th là các

lo i máy đi n xoay chi u ba pha

- Áp d ng các ph ng pháp thi t k đi u khi n phi tuy n tr c ti p t mô hình gián đo n c a máy đi n xoay chi u ba pha đ thi t k các c u trúc đi u khi n

- Cài đ t thu t toán đi u khi n cho máy đi n xoay chi u ba pha

2 MÔ HÌNH MÁY I N XOAY CHI U BA PHA THÍCH H P CHO THI T K

I U KHI N

2.1 Mô hình toán h c c a máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc

Theo [62] mô hình tr ng thái cho máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc trên h t a đ

t a t thông rotor đã đ c đ a ra:

( )t = IM ( )t + IM s( )t + IM ( )t w s( )t



(2.1) Trong (2.1) đ c đi m phi tuy n bilinear th hi n thành ph n th 3 v ph i, đó là tích gi a

vector tr ng thái x và bi n vào w s

T mô hình c th (2.1) c a máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc đã đ c trình bày và t

mô hình c a máy đi n đ ng b kích thích v nh c u, máy đi n không đ ng b ngu n kép

(trích d n trong ph n Ph l c) ta có mô hình t ng quát c a máy đi n xoay chi u ba pha

T các ph ng trình (2.9), và t mô hình dòng c a máy đi n đ ng b kích thích v nh c u,

mô hình dòng c a máy đi n không đ ng b ngu n kép (ph n Ph l c) ta c ng t ng quát

2.2 Mô hình dòng phi tuy n d ng affine c a máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc

Mô hình dòng t ng quát c a máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc hay c ng chính là mô

hình dòng c a máy đi n xoay chi u ba pha có d ng affine:

2.3 Mô hình gián đo n bilinear c a máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc thích h p

v i đi u khi n th i gian th c

th ng truy n đ ng đi n ch t l ng cao, chu k trích m u c a m ch vòng dòng đi n r t nh

do v y các thành ph n b c cao ( )T có th đ c b qua Thay (2.48) vào (2.49) ta đ c:

(k 1) ( )k T ( ( ))k T ( ( )) ( )k k ( )T

x  x  f x  H x u   (2.51)

T đó ta có th áp d ng (2.51) cho mô hình c a máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc ta

có mô hình tr ng thái gián đo n:

Ch ng 2 đã ch ra các ph ng pháp tìm mô hình tr ng thái gián đo n c a máy đi n xoay

chi u ba pha thích h p v i đi u khi n th i gian th c Mô hình tr ng thái gián đo n thu đ c

khi gián đo n b ng ph ng pháp Taylor là c s đ thi t k đi u khi n tr c ti p trong mi n

th i gian gián đo n

XOAY CHI U BA PHA

3.1 C u trúc đi u khi n phi tuy n cho máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc s d ng

ph ng pháp tuy n tính hóa chính xác

Ph n này đã trình bày khái quát v ph ng pháp tuy n tính hóa chính xác và c u trúc đi u

khi n phi tuy n cho máy đi n K B-RLS khi thi t k theo ph ng pháp này, c ng nh đ a

M t s công trình đ a ra c u trúc đi u khi n máy đi n K B-RLS thi t k theo nguyên lý h

ph ng, đi n hình là công trình [19] đ a ra c u trúc Hình 3.5, trong c u trúc này ch a đ c p

đ n khâu thi t l p qu đ o ph ng cho m ch vòng dòng đi n

s j

e

s j

đi n K B-RLS thi t k theo nguyên lý h

ph ng[19]

s j

*

sq i

*

sd fb i

*

sq fb i

*



*

sd ff i

*

sq ff i s



W m

*

sd ref i

*

sq ref i

w

ref

w

B-RLS thi t k theo nguyên lý h ph ng( có b sung thêm khâu thi t l p qu đ o ph ng cho m ch vòng dòng)

Lu n án đ a ra c u trúc đi u khi n có b sung khâu thi t l p qu đ o ph ng cho m ch vòng

ò

      (3.20)

đ a ra hàm c a khâu thi t l p qu đ o này, ta s đi tìm hàm th hi n quan h gi a tín

hi u đi u khi n đ u vào và đ u ra ph ng c a m ch vòng đó

sq sd

3.3.1 Khái quát v ph ng pháp backstepping

Ph ng pháp backstepping là l a ch n đ quy m t vài hàm thích h p c a bi n tr ng thái

nh là bi n đi u khi n o cho các h th ng con t ng ng Th t c hoàn thành m t thi t k

ph n h i cho đi u khi n đ u vào đ c th c hi n t d ng hàm Lyapunov cu i cùng b ng

cách t ng các hàm Lyapunov thành ph n m i t ng thi t k riêng

3.3.2 C u trúc đi u khi n

Các công trình đ a ra các c u trúc đi u khi n khác nhau Công trình [20] v n d ng ph ng pháp backstepping thi t k b đi u ch nh phi tuy n cho bài toán đi u ch nh t thông và đi u

ch nh mô-men c a máy đi n (Hình 3.8) Trong lu n án này, b đi u ch nh phi tuy n s

d ng backstepping đ c thi t k v i m c tiêu đi u ch nh t thông và đi u ch nh t c đ theo

c u trúc nh Hình 3.9 Và ta s s d ng c u trúc này đ thi t k đi u khi n phi tuy n cho máy đi n K B-RLS s d ng ph ng pháp backstepping tr c ti p t mô hình tr ng thái gián

thi t k theo ph ng pháp backstepping (đi u

ch nh t thông và đi u ch nh mô-men)

rd ref

y

w

k theo ph ng pháp backstepping(đi u ch nh t thông

và đi u ch nh t c đ )

3.4 K t lu n ch ng 3

Ch ng 3 đã th c hi n các v n đ bao g m:

 Khái quát và làm n i b t ý t ng c a các ph ng pháp thi t k đi u khi n phi tuy n:

ph ng pháp tuy n tính hóa chính xác, ph ng pháp thi t k theo nguyên lý h ph ng,

ph ng pháp thi t k cu n chi u backstepping

 Góp ph n hoàn thi n c u trúc đi u khi n máy đi n xoay chi u ba pha d a trên nguyên lý

4.1 C u trúc đi u khi n máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc thi t k theo ph ng pháp tuy n tính hóa chính xác

Xu t phát t mô hình tr ng thái gián đo n (2.57) c a máy đi n K B-RLS đã xây d ng trong ch ng 2, ta vi t l i nh (4.1):

Chuy n sang không gian tr ng thái m i v i các bi n đ u vào:

aT Tx T

s J

 '

rd y

đi n K B-RLS thi t k theo ph ng pháp tuy n

w

ref

w

B-RLS thi t k theo nguyên lý h ph ng

4.2 C u trúc đi u khi n máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc thi t k theo nguyên lý

T ng t nh v y, ta tính toán m ch vòng đi u ch nh t thông T mô hình máy đi n ta có:

K t h p v i b đi u khi n feedback:

rd ref

y w

Trong tr ng h p này ta v n d ng ph ng pháp backstepping đ thi t k b đi u khi n phi

tuy n cho bài toán đi u ch nh t c đ và đi u ch nh t thông c a máy đi n K B-RLS, khi

mô men t i m Wlà h ng s bi t tr c Tr c khi thi t k ta b sung ph ng trình chuy n

đ ng c a máy đi n K B-RLS trên mi n th i gian gián đo n:

Mô hình dòng gián đo n c a máy đi n K B-RLS đã đ c đ a ra trong (2.57) Và đ phù

h p v i t t ng thi t k backstepping trên mi n th i gian gián đo n ta vi t d i d ng toán

t d, trong đó đ nh ngh a toán t d nh sau:

'

' '

( )1

( )( ) ( )1

2 '

'

' '

Quá trình thi t k backstepping g m các b c sau:

B c 1: Xu t phát t m c tiêu đi u ch nh t c đ , và đi u ch nh t thông ta đ nh ngh a đ i

l ng sai l ch t c đ e k w( )và sai l ch t thông e k y( )

'

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) f W ( ) ( )

xy đóng vai trò là bi n đi u khi n

o cho h (4.51), còn h i sd( )k đóng vai trò là bi n đi u khi n o cho h (4.52) Ta có th xác

Theo [85] h s n đ nh m khi đi u ki n (4.57) thõa mãn

Có th th y r ng, đi m cân b ng (e e w, y)=( )0, 0 là đi m mà t i đó h th ng con n đ nh m

k =æçç - ÷ö÷

÷

çè ø

4.4 K t lu n ch ng 4

Trong ch ng 4 đã t p trung vào thi t k đi u khi n phi tuy n tr c ti p trên mi n th i gian

gián đo n ó là xu t phát t mô hình gián đo n c a đ i t ng, th c hi n thi t k đi u khi n

phi tuy n tr c ti p t các mô hình đó ây c ng chính là đi m m i đ xu t c a lu n án:

5 K T QU MÔ PH NG VÀ THÍ NGHI M

5.1 K t qu mô ph ng cho máy đi n không đ ng b rotor l ng sóc

5.1.1 Mô ph ng c u trúc đi u khi n thi t k theo ph ng pháp tuy n tính hóa chính

xác

C u trúc trúc đi u khi n phi tuy n máy đi n K B-RLS thi t k theo ph ng pháp tuy n

tính hóa chính xác (Hình 4.1) đ c mô ph ng d a trên ph n m m Matlab&Simulink-Plecs

(Hình 5.1)

Flux Model

Omega, Psi'rd, Isd, Is q

e_q usq w 2

is q PI Controller

usd w 1isd PI Controller

U_dc1

Te-isq

w 3 isd Psird' w U_dc

usqr usd usq State Feeback Controller

e isq*r Speed Controller

usq thetaS U_dc pulses pulses1 Space Vector Modulation

Scope5 Scope4

Scope3

Scope2 Scope1

Scope

PWM_Pulses

Omega_ref

Omega Load Torque

1 1/16

Flux, Isd

isd isq omega

omegaS Psird' thetaSu thetaSi

Flux Controller Field Weakening

Dong i_s

isu isw thetaS isd isq 540

Tm

pulses

Udc Theta

Omega

Te

PLECS Circuit Circuit1

chính xác

Ta ti n hành mô ph ng theo các đi u ki n:T i th i đi m: t=0,03(s): kh i đ ng, đ t t c đ

đ t cho đ ng c T i th i đi m t=0.3 (s): t ng t c đ ng c t 157.1 rad/s lên 314.2 rad/s T i

th i đi m t=0,5 (s): đóng t i 100% T i th i đi m t=0,7(s): gi m t c đ ng c t 314.2 rad/s

xu ng 157.1 rad/s M t s k t qu mô ph ng nh sau:

Omega Omega*

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

time[s]

i sd ,i sq

isd isq Psird' Omega

i sq Psird'

Omega isd

, , ,

sd sq rd

i i y w

T i th i đi m t=0,03(s) t thông rotor đã đ l n đ cho phép t o mô-men Lúc này giá tr

đ t c a t c đ đ c đ t, dòng i sq nhanh chóng t ng đ n giá tr l n nh t, đi u này làm thúc

đ y v n t c nhanh đ t giá tr đ t Khi v n t c đ t giá tr đ t, dòng i sq c ng đ ng th i gi m v

0, kéo theo mô-men đi n t m M gi m v không Khi đóng t i t i th i đi m t=0,5 (s) yêu c u mô-men l n h n, dòng i sq t ng nhanh đ n m t giá tr m i và do đó mô-men đi n t c ng

t ng theo