nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động sử dụng động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (passivity - based)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VÀ ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN: Lý thuyết điều khiển kinh đi

TUYẾN TỰA THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based)

MAI VƯƠNG SONG

TN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI

TUYẾN TỰA THEO THỤ ĐỘNG (Passivity - Based)

Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA

Học Viên: MAI VƯƠNG SONG

Người HD Khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

THÁI NGUYÊN – 2011

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa  3 

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : Mai Vương Song

Ngày tháng năm sinh : Ngày 03 tháng 08 năm 1976

Nơi sinh : Thị xã Phú Thọ - Tỉnh Phú Thọ

Nơi công tác : Trường Cao đẳng nghề Công nghệ và Nông lâm Phú Thọ

Cơ sở đào tạo : Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Chuyên ngành : Tự động hóa

Ngày giao đề tài :

Ngày hoàn thành đề tài :

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH TỪ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS Nguyễn Như Hiển

HỌC VIÊN

Mai Vương Song

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

MỞ ĐẦU

Năng lượng là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong xã hội chúng ta Ở bất kỳ quốc gia nào, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng luôn luôn được coi là ngành công nghiệp mang tính chất xương sống cho sự phát trển của nền kinh

tế Việc sản xuất và sử dụng điện năng một cách hiệu quả luôn được coi trọng một cách đặc biệt Ý nghĩa quan trọng và cũng là mục tiêu cao cả nhất của ngành công nghiệp then chốt này là nhằm nâng cao đời sống của mỗi người dân

Xã hội không ngừng phát triển, sinh hoạt của nhân dân không ngừng được nâng cao nên cần phải phát triển nhiều loại máy điện mới Tốc độ phát triển của nền sản xuất công nông nghiệp của một nước đòi hỏi sự phát triển tương ứng của ngành công nghiệp điện lực Do đó yêu cầu ngành chế tạo máy điện có những yêu cầu cao hơn

Do nhu cầu năng lượng trên thế giới và nước ta ngày càng tăng Việc nâng cao hiệu suất năng lượng trong các hệ truyền động sử dụng động cơ điện trở nên quan trọng hơn bao giờ hết Với mục đích bảo tồn năng lượng trong các hệ truyền động, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ hiệu suất cao mới có những đặc điểm mômen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện cảm ứng AC thông thường Động cơ đồng bộ IPM mới sử dụng nam châm vĩnh cửu bên trong được gắn với rôto (khối quay) nhằm tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mômen quay tốt hơn

Trong những ứng dụng mômen quay lớn, IPM đem lại rất nhiều lợi ích Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy công cụ

Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu các phương pháp ứng dụng khoa học kỹ thuật hiện đại vào việc đ iều khiển động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu viết tắt là KTVC) sao cho có hiệu suất và chất lượng cao Từ đó góp phần xây dựng đất nước ngày càng văn minh, giàu đẹp và hiện đại

Trong thời gian qua đã có một số công trì nh nghiên cứu tổng hợp kỹ thuật , thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ KTVC nhằm khai thác tốt những tính năng vượt trội vô cùng quý giá này Trong khuôn khổ đề tài này, tôi đưa ra các thuật toán thiết kế bộ điều khiển phi tuyến dựa trên thụ động

(Passivity – Based) nhằm thấy được tính khả thi của việc áp dụng phương pháp này

để tạo ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mômen quay tốt hơn, từ đó cải thiện chất lượng của hệ thống điều khiển Sau đó được kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán trên hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ KTVC bằng mô phỏng Matlab-Simulink.- Plecs

Nội dung của đề tài được chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống điều khiển phi tuyến và áp dụng cho động cơ

động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (hay kích thích vĩnh cửu)

Chương 2: Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống

Chương 3: Áp dụng phương điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động cho hệ thống

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển

Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của

thầy giáo hướng đẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân em cũng cố gắng tìm hiểu,

nghiên cứu tài liệu và các công trình đã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi được các thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn

Em xin trân thành cảm ơn sâu sắc tới sự hướng dẫn tận tình và chu đáo của

thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng các thầy , cô giáo khác như

thầy Đặng Danh Hoằng và các Thầy , Cô giáo khác đã giúp đỡ về chuyên môn và các tài liệu làm cho em có được một luận văn hoàn chỉnh, sâu sắc

Em xin trân thành cảm ơn Khoa Sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại học

kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt

để em hoàn thành khóa học

Em xin trân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Người thực hiện

Mai Vương Song

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN

VÀ ÁP DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN:

Lý thuyết điều khiển kinh điển ra đời rất sớm và có nhiều đóng góp trong các lĩnh vực của điều khiển học kỹ thuật như: Trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc phòng,

an ninh, hàng hải, hàng không, Việc tổng hợp các hệ điều khiển kinh điển có thể chia thành hai loại: Tổng hợp hệ điều khiển tuyến tính và hệ điều khiển phi tuyến

Mọi hệ thống điều khiển phải đảm bảo trước hết độ ổn định của trạng thái vòng kín Trong các hệ thống tuyến tính, điều này có thể đạt được bằng cách thay thế trực tiếp các cực Các hệ điều khiển phi tuyến sử dụng các lý thuyết đặc biệt (thường dựa trên học thuyết của Aleksandr Lyapunov) để đảm bảo độ ổn định mà không cần phải quan tâm đến các quá trình động học bên trong hệ thống Khả năng đáp ứng các biến đổi chức năng khác nhau từ việc nhận dạng mô hình và việc chọn phương thức điều khiển

Khi khảo sát các hệ tuyến tính, đại đa số phần tử của nó là phần tử tuyến tính, cho nên việc phân tích và tổng hợp theo phương pháp tuyến tính chỉ đúng trong những điều kiện nhất định Chỉ cần có một phần tử trong hệ là phi tuyến thì hệ phải được xem là phi tuyến Hệ phi tuyến tồn tại dưới hai hình thức: Một là các khâu phi tuyến có sẵn trong hệ điều khiển đã được xem như là phần tử tuyến tính; Một khuếch đại điện tử hay bán dẫn được xem là phần tử tuyến tính vẫn có vùng kém nhạy và bão hòa, nên xét cho cùng cũng là một phần tử phi tuyến Hai là các khâu phi tuyến được người thiết kế đưa vào nhằm đạt được một chế độ hay một kết quả mong muốn trong điều khiển

Do đó việc tổng hợp bộ điều khiển cho một đối tượng tuyến tính đã có đủ công cụ lý thuyết để thực hiện, công việc còn lại chỉ là chọn một phương pháp điều khiển phù hợp cho từng đối tượng cần điều khiển cụ thể mà thôi Khi mà lý thuyết điều khiển phi tuyến chưa phát triển thì việc tổng hợp một bộ điều khiển phi tuyến

là rất khó khăn Do đó, cách giải quyết trong đa số các trường hợp đối tượng phi tuyến là qua các bước, đầu tiên mô hình của đối tượng phi tuyến sẽ được tuyến tính

hoá, sau đó mô hình xấp xỉ tuyến tính đó sẽ được sử dụng để quyết định luật điều khiển bằng lý thuyết điều khiển tuyến tính Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, đặc biệt khi yêu cầu về tối ưu trong hệ thống được đặt ra thì việc sử dụng lý thuyết điều khiển tuyến tính để thiết kế một bộ điều khiển cho đối tượng phi tuyến là rất khó Bởi vì nếu sử dụng mô hình xấp xỉ tuyến tính của đối tượng thì có nghĩa là ta đã phá

vỡ đi cấu trúc vật lý của đối tượng Vì vậy, xuất phát từ các nhu cầu thực tế, việc phát triển một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến là hết sức cần thiết và thiết thực Nhiều năm trở lại đây đã có nhiều tác giả xây dựng một cách có hệ thống các công cụ và lý thuyết để giải quyết các bài toán điều khiển áp dụng cho các đối tượng phi tuyến Tuy nhiên, không giống như hệ tuyến tính, các hệ phi tuyến rất phức tạp và đa dạng, nên việc xây dựng một hệ thống lý thuyết điều khiển phi tuyến cho mọi hệ phi tuyến là không thể Vì thế nhiều tác giả thấy rằng để lý thuyết điều khiển phi tuyến có thể ứng dụng một cách thiết thực trong thực tế thì cần phải phân loại ra thành các hệ phi tuyến riêng biệt có những tính chất nhất định, đặc trưng cơ bản cho lớp các đối tượng thuộc một hệ phi tuyến cụ thể, để rồi từ đó đi xây dựng một hệ thống lý thuyết có khả năng ứng dụng cho hệ thống phi tuyến đó Để có thể phát triển lý thuyết điều khiển phi tuyến một cách thực dụng, thì đầu tiên ta phải xem xét những đối tượng có ý nghĩa thực tế mà cấu trúc vật lý của nó phải được tính đến từ đầu trong quá trình thiết kế

Các phương pháp điều khiển phi tuyến trong hệ thống tự động hóa đã được hình thành, phát triển và đạt được nhiều kết quả rất quan trọng Đặt nền móng ban đầu phải nói đến các phương pháp điều khiển phi tuyến kinh điển như phân tích tính ổn định tuyệt đối, mặt phẳng pha, cân bằng điều hòa, điều khiển trượt, … Sau đến là các phương pháp điều khiển tuyến tính hóa xấp xỉ, phân tích hệ thống nhờ đa tạp trung tâm, điều khiển tuyến tính hình thức, kỹ thuật Gain scheduling … và sau này do công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển tốt, giải quyết được bài toán về tốc độ xử lý và thời gian tính toán Do kỹ thuật máy tính, kỹ thuật vi xử lý phát triển vượt bậc, con người có khả năng tính được nhiều các phép tính phức tạp và nhanh hơn gấp hàng triệu lần so với trước kia thi các phương pháp điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh ra đời

như điều khiển cuốn chiếu (Backstepping), điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, điều khiển thụ động (Passitivy-based), … Đây là mảng lý thuyết điều khiển mới và được ứng dụng trong những năm gần đây được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển thông minh có thể kể đến là các thuyết điều khiển logic mờ, lý thuyết mạng Nơron, thuật toán

di truyền, vector không gian, …

Để giải các phương trình phi tuyến, ngoài các phương pháp giải tích và đồ thị ngày nay dùng phương pháp phổ biến dùng máy tính số để mô hình hóa và tìm đáp số của bài toán dựa vào các phần mềm ngày càng hoàn thiện như MATLAB Sau đây chúng ta có thể phân tích khái quát một số phương pháp điều khiển

1.1.1 Điều khiển tuyến tính hóa chính xác

Khi phân tích, khảo sát một đối tượng phi tuyến người ta thường tìm cách tuyến tính hoá đối tượng đó bởi vì đối tượng tuyến tính do thoả mãn nguyên lý xếp chồng nên việc phân tích và khảo sát nói chung rất tiện lợi Hơn nữa ta có thể áp dụng các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính vốn rất phong phú và sẵn

có như hiện nay Tuy nhiên các phương pháp tuyến tính hoá mà chúng ta đang sử dụng vẫn còn nhiều bất cập và hạn chế

Nội dung của phương pháp tuyến tính hoá chính xác là thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái (ĐKPHTT) cho đối tượng phi tuyến (ĐTPT) sao cho hệ kín trở thành tuyến tính Khác với việc tuyến tính hoá xấp xỉ trong lân cận điểm làm việc,

bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác đảm bảo tính chất tuyến tính cho hệ thống trong toàn bộ không gian trạng thái

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá chính xác hệ phi tuyến, hệ mới có đặc

điểm vào-ra tuyến tính trong toàn bộ không gian trạng thái.

Bộ điều khiển được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa hứa hẹn mang lại chất lượng cao trong các phương pháp điều khiển phi tuyến Điều khiển hệ phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính tuyến tính hóa là dựa trên cơ sở “hình học vi phân” Theo phương pháp này ta phải thiết kế bổ điều khiển phản hồi trạng thái thông qua phép đổi trục tọa độ thích hợp để đưa đối tượng phi tuyến về dạng tuyến tính trong toàn bộ không gian trạng thái mới (trong hệ tọa độ mới) Ở phương pháp này ta phải xác định được giá trị của các biến trạng thái cần phản hồi có thể đo trực tiếp nhờ các thiết bị cảm biến hoặc

có thể đo gián tiếp thông qua bộ quan sát trạng thái, quan sát trong một khoảng thời gian

đủ lớn Phương pháp này có triển vọng rất lớn song cũng không phải là không có nhược điểm Nhược điểm ở đây là phải xác định được chính xác giá trị của các biến trạng thái của đối tượng (thông thường đo trực tiếp bằng các sensor) để phản hồi về bộ điều khiển, nhưng trong thực tế không phải lúc nào các biến trạng thái có thể đo trực tiếp được mà phải thông qua bộ quan sát trạng thái Điều này làm khó khăn trong quá trình thiết kề bộ điều khiển, do thông qua bộ quan sát có sai số trong quá trình tính toán, do vậy khi thiết

kế bộ điều khiển theo phương pháp này sẽ rất khó khăn trong quá trình tính toán trong việc tính toán thiết kế bộ quan sát trạng thái

1.1.2 Kỹ thuật Gain scheduling

Kỹ thuật gain scheduling là một dạng đặc biệt của phản hồi phi tuyến Tuy nó chưa có một định nghĩa chặt chẽ nào hoàn hảo về thuật ngữ gain scheduling nhưng ta có thể hiểu đó là một bộ điều chỉnh tuyến tính mà các tham

số của nó được thay đổi như là một hàm của các điểm làm việc theo một cách đã được lập trình trước Toàn bộ kỹ thuật Gain scheduling đã được [1] trình bày trong nhiều trường hợp, các động học của quá trình thay đổi theo các điều kiện của quá trình đó, các tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi bằng cách quan sát các điều kiện làm việc của quá trình đó Toàn bộ kỹ thuật Gain scheduling được thể hiện bằng sơ đồ khối sau:

Hình 1.2 Kỹ thuật Gain scheduling

1.1.3 Phương pháp điều khiển phân tích mặt phẳng pha

Dùng cho các hệ phi tuyến bậc 2, phương pháp này dựa trên các thông tin cần

thiết của hệ thống từ mô hình hoặc sơ đồ khối như là “điểm cân bằng hoặc điểm

dừng của hệ thống”, “tính ổn định và xác định miền ổn định tương ứng của hệ” và

khả năng tồn tại dao động để phân tích hệ thống từ đó rút ra những những kết luận cơ bản về tính chất động học của hệ thống Bằng việc phân tích các đường quỹ đạo trạng thái khép kín để rút ra kết luận về chất lượng phi tuyến Phương pháp này tưởng như đơn giản, song việc phân tích chất lượng động học của hệ thống trên cơ sở phân tích dạng các đường quỹ đạo trạng thái Do đó nó sẽ có hạn chế là chỉ áp dụng được cho những hệ thống có tối đa là hai biến trạng thái vì chúng ta chỉ có thể xây dựng được

đồ thị đường cong trong mặt phẳng một cách tương đối chính xác Cụ thể cách phân tích, đánh giá và xây dựng phương pháp điều khiển được [1] thể hiện rất rõ

1.1.4 Phương pháp backstepping

Xuất hiện vào những năm cuối của thập kỷ 80, Phương pháp backstepping (hay còn được gọi là phương pháp cuốn chiếu) được đánh giá là công cụ thiết kế đầy triển vọng cho một số lớp hệ thống phi tuyến Dựa trên cách tính toán đệ qui, phương pháp cho phép tính dần hàm điều khiển Lyapunov (clf-control Lyapunov function) Theo P.Kokotovíc và M.Arcak (tài liệu [7]), tư tưởng về thiết kế theo kiểu cuốn chiếu tích phân đã xuất hiện trong các công trình của Tsinias (1989), Sontag và Sussmann (1988) Tuy nhiên, tư tưởng này thực sự thể hiện sức mạnh của

nó khi được áp dụng cho hệ thống có những thành phần không chắc chắn (uncertaintly) Với phương pháp cuốn chiếu bền vững (robust backstepping), Kanellakopoulos đã hực hiện xây dựng bộ điều khiển ổn định cho đối tượng với tham số mô hình không rõ (unknown parameters) Với hệ có nhiễu loạn (disturbance), Freeman và Kokotovíc đưa ra phương pháp xây dựng bộ điều khiển phản hồi bằng cuốn chiếu thích nghi (adaptive backstepping) Với mô hình đối tượng có tham số không chắc chắn (uncertainty), phương pháp cuốn chiếu tích phân (integral backstepping) được áp dụng kết hợp với biện pháp tắt dần phi tuyến (nonlinear damping)

1.1.5 Tổng quan phương pháp điều khiển Passivity-Based

1.1.5.1 Hệ Euler – Lagrange

Một thụ động dựa trên bộ điều khiển, được phát triển để cung cấp theo dõi chặt chẽ tốc độ thời gian khác nhau và quỹ đạo thông lượng trong từ vùng bão hòa cao Thụ động điều khiển dựa trên đề xuất thực nghiệm xác minh

Thụ động là gì? Vì sao lại gọi hệ Euler-Lagrange là thụ động? Trước khi trả lời câu hỏi này ta sẽ định nghĩa thế nào là hệ thụ động

“Hệ thụ động là một lớp các hệ động học, mà sự trao đổi năng lượng của hệ thống đóng vai trò chủ đạo Cụ thể là, hệ thụ động không thể phát ra năng lượng lớn hơn năng lượng mà nó được cung cấp từ bên ngoài Hoặc hiểu theo một cách trực quan hơn là: Hệ thụ động không tự sinh ra năng lượng mà nó chỉ đóng vai trò biến đổi năng lượng mà nó được cung cấp thành năng lượng ở dạng này hoặc dạng khác”

Từ định nghĩa trên ta thấy hệ thụ động có liên quan mật thiết đến bản chất vật lý của hệ thống, đặc biệt là đặc tính ổn định Theo quan điểm ổn định vào - ra thì hệ thụ động là hệ ổn định, bởi vì năng lượng nội tại của hệ không thể lớn hơn năng lương do nguồn ngoài cung cấp

Vậy Hệ Euler-Lagrange thụ động là hệ mà động học của chúng được mô tả bởi các phương trình Euler-Lagrange (EL) và bản thân hệ thống không tự sinh ra năng lượng Như vậy, từ nay trở về sau khi nhắc đến hệ Euler-Lagrange ta hiểu ngay rằng đó là hệ có bản chất thụ động

Trước khi đi vào chi tiết các đặc điểm của hệ Euler-Lagrange và những phát biểu về mặt toán học các đặc điểm đó thì dưới đây sẽ đưa ra một cách vắn tắt những tính chất cơ bản của hệ EL sau:

- Hệ EL xác định một quan hệ thụ động (quan hệ vào-ra) qua hàm lưu giữ tổng năng lượng của hệ thống

- Khi nối các hệ EL theo kiểu phản hồi âm thì hệ thay thế vẫn là hệ EL

- Dưới những giả thiết hợp lý, thì có thể phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động được nối theo kiểu phản hồi âm

Tất cả những tính chất trên sẽ là cơ sở để xây dựng một nguyên lý điều khiển, gọi là

điều khiển dựa trên thụ động

1.1.5.2 Nguyên lý điều khiển dựa trên thụ động (PBC)

Điều khiển dựa trên thụ động (Passivity Based Control) là thuật điều khiển

mà nguyên lý của nó dựa trên đặc điểm thụ động của hệ với mục tiêu làm cho hệ kín cũng là một hệ thụ động với hàm lưu giữ năng lượng mong muốn Nguyên lý

PBC được xem như là mở rộng của kỹ thuật chọn hàm năng lượng (Energy shaping) và kỹ thuật phun tín hiệu suy giảm (Damping injection) Kỹ thuật chọn

hàm năng lượng là quá trình thay đổi thế năng của hệ thống để sao cho hàm thế

năng mới là nhỏ nhất và duy nhất tại trạng thái cân bằng Tiếp theo là quá trình

phun tín hiệu duy giảm, đó là giai đoạn làm thay đổi năng lượng tiêu thụ

(dissipation energy) để đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ thống

Khi mở rộng kỹ thuật trên cho nguyên lý PBC thì có thể hiểu một cách đơn

giản như sau: Giai đoạn chọn hàm năng lượng là quá trình thiết lập một quan hệ

thụ động giữa đầu vào và đầu ra cần điều khiển để đạt được hàm lưu giữ năng lượng mong muốn Hàm này bao gồm động năng ban đầu và thế năng mong muốn của hệ

thống Còn phun tín hiệu suy giảm là quá trình củng cố thêm đặc điểm thụ động đối

với đầu ra (Output strictly pasivity) Và ngoài sự kế thừa các kỹ thuật trên thì để xây dựng một nguyên lý điều khiển PBC hoàn chỉnh thì cần phải bổ xung thêm những nhận thức rất quan trọng sau và có thể xem như đó là các nguyên tắc trong quá trình xây dựng bộ điều kiển PBC sau này:

* Khi trạng thái của hệ thống không có khả năng đo thì tín hiệu suy giảm phải được “phun” vào hệ thông qua việc mở rộng động học của hệ thống

* Đối với hệ thống thiếu tác động điều khiển (underactuated system), trong điều khiển robot thường gọi là hệ hụt cơ cấu chấp hành, thì thế năng của hệ thống không được bỏ qua, mà nó sẽ đóng một vai trò quyết định trong việc xây dựng bộ điều khiển PBC Nếu như cần phải thay đổi động năng, thì đầu tiên, bộ điều khiển được xây dựng ở dạng không tường minh (chưa có quan hệ tường minh giữa tín hiệu điều khiền và tín hiệu ra của hệ cần điều khiển) và sau đó qua bước “đảo” động học của hệ thống để đạt được dạng tường minh

* Vì trong hầu hết các trường hợp, động năng có tham gia vào việc xây dựng

bộ điều khiển, nên nó cũng phải được thay đổi (shaped) Như đã nói ở trên, nguyên lý điều khiển PBC là gán cho hệ kín một hàm lưu giữ năng lượng mong muốn (desired storage function) Tuy nhiên hàm này không đơn thuần là tổng động năng

và thế năng mới của hệ thống mà ở đây hàm này sẽ được chọn từ việc phân tích động học sai số (error dynamic) của hệ kín thông qua việc chọn hệ số phù hợp đối với lực (workless force) của hệ thống để có được quan hệ tuyến tính đối với tín hiệu sai lệch

Tất nhiên nguyên lý PBC không chỉ gói gọn vào nội dung phát biểu ở trên,

mà đó chỉ là những phát biểu có tính chất tổng quan Nguyên lý này sẽ được trình bày một cách cụ thể và có hệ thống trong các công việc sau của luận văn, đặc biệt khi áp dụng cho một đối tượng cụ thể là thống hệ truyền động điện sử dụng động cơ đồng bộ KTVC

1.1.5.3 Phương trình Euler-Lagrange

Đầu tiên phương trình EL được sử dụng chủ yếu để mô tả động học của các

hệ thống cơ Về sau này nó cũng được sử dụng để mô tả các hệ vật lý, ví dụ như hệ

cơ - điện Ưu điểm khi sử dụng phương trình EL để mô tả động học của hệ thống là các công thức của chúng độc lập với hệ tọa độ được sử dụng Phương trình EL có thể được xác định bằng cách sử dụng các định luật về lực-gọi là luật D’Alembert’s,

ví dụ như ta có thể sử dụng định luật Newton hai đối với hệ thống cơ và luật Kirchhoff đối với hệ điện hoặc có thể sử dụng phương pháp biến phân

Ta biết rằng, một hệ thống có thể xem như gồm các hệ thống con nối với nhau theo một cấu trúc nhất định và các hệ thống con này sẽ tác động qua lại lẫn nhau thông qua việc trao đổi năng lượng giữa chúng Như vậy một cách suy nghĩ rất

tự nhiên là, ta hoàn toàn có thể mô tả hệ thống bằng các đặc tính năng lượng Xuất phát từ ý tưởng này mà việc mô tả toán học của một hệ có thể bắt đầu từ việc định nghĩa một hàm năng lượng với các biến trạng thái tổng quát (các biến trạng thái này

hàm Lagrangran được xác định là hiệu giữa động năng và thế năng Sau đó sử dụng

các phương pháp phân tích động học để dẫn ra các phương trình mô tả hệ thống, ví

dụ, có thể sử dụng luật Hamilton

Trong khuôn khổ luận văn này không trình bày các dẫn giải để có được

phương trình EL, mà chỉ đưa ra các mô tả tổng quát về phương trình EL

Xét một hệ động học có n bậc tự do, động học của hệ có thể được mô tả bởi phương

Lagrangian được định nghĩa như sau:

* Tác động do sự tiêu thụ năng lượng nội tại của hệ, tác động này được đặc trưng

Ví dụ như trong một mạch điện có thành phần trở r thì hàm này sẽ bằng 2

)(2

1

r q

 , với q là điện tích

Vậy lực tác động lên hệ thống có thể viết dưới dạng tổng quát sau:

Đến đây ta có thể hiểu xuất xứ của tên gọi hệ EL, chỉ đơn giản là động học của

hệ được mô tả bởi các phương trình EL

Ma trận đầu vào B có cấu trúc phụ thuộc vào quan hệ giữa tác động đầu vào

hệ thống và các biến trạng thái Dựa vào cấu trúc của ma trận B mà có thể phân hệ

EL thành hai lớp sau:

+ Hệ EL hụt cơ cấu chấp hành (Underactuated EL system) Một hệ EL được

gọi là đủ cơ cấu chấp hành (fully-actuated) nếu như số bậc tự do của hệ bằng số tác động đầu vào, nghĩa là các tác động đầu vào bằng đúng số trạng thái của hệ hay

u

n

Với hệ này thì các biến trạng thái có thể chia thành biến trạng thái được tác động

của ma trận B Ví dụ như trong động cơ xoay chiều ba pha dị bộ thì các thành phần

dòng có thể tác động điều khiển một cách trực tiếp, còn thành phần từ thông không thể điều khiển trực tiếp được

Ngoài ra ta còn có khái niệm sau về hệ thống:

+ Hệ suy giảm toàn phần và hệ suy giảm riêng (Fully-damped and underdamped system) Hệ EL được gọi là suy giảm toàn phần nếu như hàm tiêu thụ

i i i

1.1.5.4 Các đặc tính của hệ EL

* Đặc điểm thụ động của hệ EL

Phần mở đầu ta đã nhắc đến đặc điểm thụ động của hệ EL, dưới đây ta sẽ đi khảo sát kỹ hơn đặc điểm này bằng các công cụ toán học Trước tiên ta cần định nghĩa một hệ có đặc điểm thụ động bằng phát biểu về mặt toán học

tín hiệu điều khiển u, y là vector tín hiệu đầu ra và coi như hệ thống không chịu tác

Ngoài ra nếu hệ thống được nhận năng lượng từ bên ngoài với tốc độ cung cấp

strictly passive-OSP) và công thức (1.7) ứng với trường hợp này sẽ có dạng:

x x H T

x T x H y

udt y

.

hàm tổng năng lượng của hệ thống Do đó tích phân phương trình (1.10) trong

khoảng thời gian [0, T] ta được phương trình cân bằng năng lượng sau:

Budt x dt x

x F x H

T H

)(]

0[]

dt x

x F x

0

0)(







0)0()

Vậy theo định nghĩa, hệ Euler-Lagrange là hệ thụ động Từ (1.11) ta dễ dàng nhận thấy, sự khác nhau giữa năng lượng của hệ thống (Hàm lưu giữ tổng năng lượng - storage function the system total energy) với năng lượng do nguồn bên ngoài cung cấp cho hệ thống chính là năng lượng tiêu thụ (Hàm tiêu thụ-dissipation function) Từ phương trình trên ta có một số nhận xét sau:

* Nếu u = 0 thì năng lượng của hệ không tăng, vì vậy hệ sẽ ổn định tại trạng thái

cân bằng “Tầm thường”

thống được gọi là pha cực tiểu (minimum phase), tức là hệ ổn định Lyapunov

* Ta thấy rằng tín hiệu suy giảm có thể được phun vào một cách dễ dàng qua các trạng thái được tác động trực tiếp bởi tín hiệu điều khiển nếu như các trạng thái đó

có thể đo được

* Khả năng phân tích hệ EL thành các hệ thụ động con

hai hệ thụ động được nối theo kiểu phản hồi âm như hình 1.3 Ta gọi các hệ con đó

H x x H m(x m,xm)

Năng lượng lưu giữ

Năng lượng tiêu hao

Năng lượng cung cấp

Thật vậy, từ (1.1) và (1.12) ta có thể viết được các phương trình EL sau cho

d dt

T m

* Đặc điểm bảo toàn hệ EL khi nối các hệ con với nhau

Như đã nói ở phần đầu, mục tiêu khi thiết kế bộ điều khiển PBC là làm cho

hệ ổn định bằng cách thay đổi năng lượng của hệ thống và năng lượng tiêu thụ sao cho hệ kín vẫn xác định một quan hệ thụ động với hàm năng lượng mong muốn Như vậy khi lắp bộ điều khiển vào hệ thống thì hệ kín vẫn phải là hệ thụ động và

vì vậy vẫn giữ nguyên các đặc điểm của hệ EL Do đó yêu cầu khi thiết kế bộ điều khiển PBC là hệ kín vẫn phải là một hệ EL và hàm lưu giữ năng lượng cũng như hàm tiêu thụ mới sẽ là tổng các hàm tương ứng của đối tượng và bộ điều khiển

* Đặc điểm thụ động của hệ kín

Trong các bài toán điều khiển những đối tượng có tính động học cao, ví dụ trong các hệ thống điện hoặc cơ điện thì việc thiết kế bộ điều khiển PBC chỉ đơn thuần là thay đổi thế năng hoặc năng lượng tiêu thụ nhiều khi không đem lại đáp ứng đầu ra mong muốn Vì thế để đạt được đáp ứng mong muốn thì cần tác động đến cả động năng của hệ thống, do đó trong công thức điều khiển phải có thành

làm cho hệ kín vẫn là một hệ thụ động Do đó động học của hệ kín được mô tả bằng phương trình sai số phải xác định một quan hệ thụ động Theo [4] thì với phương pháp thiết kế PBC động học của hệ kín được đưa về dạng

Việc đưa động học của hệ kín như (1.18) dựa trên chứng minh rằng, với hệ thống

Với việc đặt các phần tử của ma trận C có dạng như trên thì phương trình EL

có thể được viết dưới dạng sau:

các phần tử của ma trân C một cách phù hợp thì phương trình sai số của hệ kín sẽ có

quan hệ tuyến tính, như phương trình (1.18)

1.1.5.5 Đặc tính ổn định của hệ EL

* Hệ suy giảm toàn phần

Để đơn giản ta xét hệ thống không có tác động đầu vào (unforced EL system)

( , ) x x   ( ,0) x và điểm cân bằng này sẽ ổn

là nghiệm duy nhất

* Hệ suy giảm riêng

Nếu như hệ EL không phải là hệ có đặc điểm suy giảm toàn phần, thì sự ổn

chéo Xét hệ suy giảm riêng với vector biến trạng thái x, ta có thể chia vector trạng

trạng thái suy giảm (damped) và x p là vector trạng thái không suy giảm

(undamped) Ở đây chỉ số c và p là ký hiệu cho bộ điều khiển và đối tượng điều

khiển tương ứng Sở dĩ ta chia vector trạng thái như vậy là do đối tượng điều khiển

có thể xem như là hệ suy giảm riêng, còn bộ điều khiển là suy giảm toàn phần

Với giả thiết trên thì một hệ suy giảm riêng có điểm cân bằng *

1.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU

1.2.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Ngày nay nhu cầu về điện năng ở nước ta nói riêng cũng như trên toàn cầu nói chung ngày càng tăng Do kinh tế phát triển nhanh chóng và cạnh tranh gay gắt, trước tình trạng các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các nguồn năng lượng mới được các nước quan tâm rộng rãi Đòi hỏi con người sử dụng năng lượng điện phải biết tiết kiệm và biết ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất nhằm tăng năng suất sản phẩm nhưng chi phí điện năng ít

Động cơ điện là một bộ phận không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta,

do đó tính năng của chúng không ngừng được nâng cao Trước tình hình thay đổi nhanh chóng của khí hậu, vấn đề hiệu suất năng lượng trở nên quan trọng hơn bao giờ hết

Động cơ điện đã trải qua một chặng đường phát triển dài bắt đầu từ những thí nghiệm của Michael Faraday và ngày nay là những sản phẩm có thiết kế tinh tế do các kĩ sư tài giỏi chế tạo theo nhiều cách thức khác nhau với mục đích làm cho động

cơ nhỏ hơn, mạnh mẽ, mang tính động học và có hiệu suất hơn

Với mục đích bảo tồn năng lượng, Yaskawa Electric đã phát triển một loại động cơ hiệu suất cao mới có những đặc điểm mômen quay tăng cường và kích cỡ nhỏ hơn so với các động cơ điện cảm ứng AC thông thường Động cơ đồng bộ IPM mới sử dụng nam châm vĩnh cửu bên trong được gắn với rôto (khối quay) nhằm tạo

ra mật độ thông lượng và khả năng phân phối mạnh hơn góp phần làm cho mật độ mômen quay tốt hơn

Ứng dụng điển hình sẽ là những ứng dụng có mômen quay cao, như thang máy, cần trục, trục quay Tuy nhiên, động cơ IPM mới cũng tạo ra những ưu thế cho những ứng dụng tiêu thụ năng lượng lớn, như trong quạt, bơm và máy nén công suất lớn

Trong những ứng dụng mômen quay lớn, IPM đem lại rất nhiều lợi ích Chẳng hạn đối với máy công cụ, nó giảm thiểu lượng nhiệt thất thoát, do đó không chỉ góp phần tiết kiệm năng lượng mà còn giúp duy trì độ chính xác của máy công cụ

Đối với thang máy, động cơ IPM giúp tiết kiệm không gian nhờ được lắp trong trục thang máy Điều khiển tốc độ cũng được tăng cường, điều này rất có lợi cho những ứng dụng cần trục

So với một động cơ cảm ứng AC chuẩn, kích thước vật lí của động cơ IPM chỉ bằng 1/3 Và một trong những ưu điểm của công nghệ IPM là nó cho phép thiết

kế những cấu hình cơ bản Ví dụ, Yaskawa Electric đã tạo ra một động cơ “dẹt” để

lắp đặt trong những ứng dụng có không gian chật hẹp như thang máy và cần trục Động cơ IPM có công suất danh định từ 0.4kW, 200V - 160kW, 400V

Bên cạnh Yaskawa Electric, Omron cũng đã tung ra thị trường seri động cơ trợ động SGMBH cho những ứng dụng công suất lớn Động cơ trợ động SGMBH có công suất danh định từ 22kW - 55kW với tốc độ 1.500rpm Mômen quay tối đa có thể duy trì trong vòng 5 giây Ngoài ra, IPM còn được ứng dụng trong công nghiệp ôtô IPM chuyển đổi 97.5% nguồn điện sẵn có thành năng lượng động ở chế độ trợ giúp (so với 64.6% trước đây)

Với một dải ứng dụng đa dạng như vậy dành cho động cơ IPM, những kĩ sư của Yaskawa Electric hoàn toàn có lý khi cho rằng trong tương lai, có lẽ tất cả động cơ

AC sẽ tích hợp nam châm vĩnh cửu bên trong

Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có thể chia làm hai loại chính:

- Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí mặt ngoài (SPM: Sinusoidal Surface Magnet Machine) (xem hình 1.5)

- Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ

bố trí chìm bên trong (IPM: Sinusoidal Interior Magnet Machine) (xem hình 1.6)

Hình 1.6: Động cơ đồng bộ kích nam châm vĩnh cửu

loại IPM

Rô to Stato

Hình 1.5: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM

(Sơ đồ cắt ngang của một động cơ 4-cực, không chổi than với bề mặt được gắn nam châm vĩnh cửu)

IPM có đặc tính sau:

- Độ bền vững về cơ cao, cho phép chạy tốc độ cao, gia tốc lớn

tự như động cơ đồng bộ cực lồi

- Tồn tại từ thông phần ứng

đồng bộ cực ẩn từ trường phản ứng phần ứng rất nhỏ thường bỏ qua Tuy vậy khi vận hành với tốc độ cao cần quan tâm độ bền cơ Ở đây chúng ta chọn động cơ đồng

bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM

Máy điện đồng bộ là các máy điện xoay chiều có tốc độ của rôto bằng với tốc độ của từ trường quay Dây quấn stato được nối với lưới điện xoay chiều, dây quấn rôto được kích thích (kích từ ) bằng dòng điện một chiều Ở chế độ xác lập, máy điện đồng bộ

có tốc độ quay của rôto luôn không đổi khi tải thay đổi

Động cơ đồng bộ được sử dụng khi cần công suất truyền động lớn, có thể đến hàng chục MW Ngoài ra, động cơ đồng bộ còn được dùng làm các máy bù đồng bộ (có khả năng phát ra công suất phản kháng), dùng để cải thiện hệ số công suất và ổn định điện áp cho lưới điện Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có khả năng phát ra công suất phản kháng bằng công suất tác dụng

Trong động cơ điện xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thường là loại cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi) Mỗi loại động cơ đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất và các phương pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn giống nhau

Ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ là ổn định tốc độ cao, các chỉ tiêu năng lượng như hiệu suất, hệ số cosφ tốt, độ tin cậy cao

Với những phân tích lợi ích trên, ta thấy việc cần phát triển về qui mô cũng như khoa học kỹ thuật để áp dụng vào hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ, nhằm mục tiêu xây dựng một ngành khoa học tiên tiến cho chế tạo hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ đạt hiệu suất cao và ngày càng được hoàn thiện

Trong thời gian qua đã có một số đề tài , công trình nghiên cứu tổng hợp kỹ thuật, thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ và đã mang lại những kết quả nhất định

Đề tài này nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động tốc độ động cơ đồng bộ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu bằng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa theo thụ động (Passivity – Based) và áp dụng vào hệ thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ , đề tài này cùng với một số công trình nghiên cứu khác về điều khiển hệ thống động cơ điện đồng bộ ba pha nhằm tạo ra các kỹ thuật điều khiển mới, công nghệ hiện đại để ứng dụng rộng rãi vào quá trình chế tạo, vận hành, điều khiển và quản lý các hệ thống thiết bị động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu khiến cho việc điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ có được trình độ kỹ thuật hoàn hảo, có quy mô phát triển hợp lý và có triển vọng thương mại hóa cao , có hiệu quả kinh tế thiết thực, có thể sử dụng rộng rãi để mang lại lợi ích kinh tế cho xã hội

1.2.2 Mô hình toán học, cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ ba pha

Động cơ đồng bộ ba pha KTVC có kết cấu phía Stator giống động cơ không đồng bộ, đó là hệ thống cuộn dây nhận nguồn cung cấp điện ba pha Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây Stator sẽ tạo ra dòng điện Stator và gây nên điện áp cảm ứng phía rotor và xuất hiện dòng rotor Dòng phía Stator có tác dụng tạo nên từ thông Stator, rotor và chính là tạo ra mô men quay của động cơ

Mô hình động cơ đồng bộ ba pha KTVC được minh họa:

d



Trục chuẩn

Cuộn dây pha W

Sự khác nhau cơ bản giữa ĐCKĐB và ĐCĐB là sự khác nhau trong phương thức sản ra từ thông rotor Từ thông rotor của ĐCKĐB được nên bởi dòng kích từ

kích thích biệt lập với các cuộn dây stator hoặc được tạo bởi các phiến nam châm vĩnh cửu được bố trí đều đặn trên bề mặt rotor

Qua mô hình ĐCĐB KTVC ta thấy: từ thông rotor luôn phân cực, có hướng nhất quán và cố định Tính định hướng nhất quán ấy chỉ phụ thuộc vào cấu trúc cơ học của máy điện và làm đơn giản đi rất nhiều việc xây dựng mô hình điều khiển/điều chỉnh động cơ

Ở ĐCKĐB ta phải tìm cách ước lượng biên độ từ thông rotor thì ở ĐCĐB biên độ đó đã được biết trước

Ở ĐCKĐB ta phải tìm cách tính góc pha của từ thông rotor để có thể điều chỉnh, điều khiển theo nó, thì ở ĐCĐB góc pha ban đầu đã được biết trước Do đó

có thể liên tục được theo dõi chính xác bằng máy đo tốc độ quay rotor Hình 1.7 và hình 1.8 cho phép áp dụng ngay một cách thuận lợi các phương pháp điều chỉnh trên tọa độ dq mà không cần quan tâm đến tọa độ αβ nữa Hệ thống kích thích bởi cuộn kích và dòng kích tương ứng nào đó, điều đó cho phép ta chỉ cần xét đến loại ĐCĐB KTVC kiểu cực tròn là đầy đủ

d

ω



Trục chuẩn Cuộn dây pha U

usw

isw

isu

Hình 1.8: Mô hình ĐCĐB KTVC có rotor cực tròn

1.2.3 Phương trình của ĐCĐB KTVC trong hệ tọa độ (d, q)

rotor và stator trong các hệ tọa độ cố định (d, q), (x, y) như hình vẽ 1.9

Góc giữa từ thông rotor và từ thông stator là góc tải khi không tâm đến điện trở stator Ở trạng thái ổn định góc tải là hằng số tương ứng với một mô men tải và

stator, rotor tỷ lệ với các tốc độ khác nhau Vì hằng số thời gian về điện từ thông thường nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời gian cơ học, tốc độ quay của stator có quan hệ với từ thông rotor có thể thay đổi dễ dàng Nó được chứng minh trong phần

đổi tốc độ quay của từ thông rotor

Các phương trình từ thông stator, điện áp, mô men trong hệ tọa độ (d, q) như sau:

f d d d

i L

i L







2 2

q d

d d

i L

i L

q r d d s d

P i R U

P i R U

Trong đó: fr, Ld , Lq là hằng số sức điện động cảm ứng và các điện cảm phần ứng Khi sức điện động cảm ứng và sự thay đổi của các điện cảm stator là hình sin Biến đổi thành tọa độ (x, y) một cách tổng quát:

y

x

F

F F

sincos

q

d

F

F F

sincos

Ở đây F: thể hiện điện áp, dòng điện và từ thông

* Phương trình trong hệ tọa độ từ thông stator (x, y)

U

dt

d i R

U

dt

d i R

U

cs cs

s cs

bs bs

s bs

as as

s as

y x

q d x s

d y s

q d

* Phương trình từ thông trong hệ tọa độ (x, y)

Phương trình từ thông có thể viết dưới dạng ma trận sau:

q d

q d

q

d

i

i L

sin

sincos

0

0cos

sin

sincos

y

f s

q d

y

x

i

i L

cossin

sinsin

sin

sincos

sincos

2 2

2 2

2 2

f y

x

d d

c d

c d

d d

d y

x

i

i L

L L

L

L L

0

f q d

q d

q

d

i

i L

fr x s x

i L

i L

i i i

r r r

U U U

cs bs as

cs bs as

s s s

cs bs as







00

00

00

2

3

r P L

1.2.4 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển

* Xây dựng vector không gian

ĐCXCBP - dù là ĐCKĐB hay ĐCĐB - đều có ba cuộn dây Stator với dòng điện ba pha, bố trí không gian như hình vẽ:

rotor

stator

Ta không cần quan tâm đến việc động cơ được đấu theo hình sao hay tam giác,

chạy động cơ bằng biến tần, đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần Ba dòng điện đó thoả mãn phương trình:

trên mặt cắt ngang Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ trục toạ độ phức với

trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta có thể dựng vector không gian sau đây:



j s

j sw

j su

) ( )

( [

Theo công thức (1.39), vector i s (t) là vector có modul không đổi, quay trên

u ) một góc  = s (t) (f s là tần số mạch Stator) Việc xây dựng vector i S (t) được mô

tả như sau:

Qua hình 1.11 ta thấy rằng các dòng điện pha chính là hình chiếu của vector mới thu được lên trục cuộn dây pha đó Đối với các đại lượng khác của động cơ điện áp Stator, dòng Rotor, từ thông Stator hoăc Rotor ta đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với dòng điện kể trên Ta đặt tên cho trục thực

1

Im0

2

t

) ( 3

su t e i

0

240

)(3

sw t e i

Hình 1.11 Thiết lập các vector không gian từ các đại lượng pha

Hình 1.12 Biểu diễn dòng điện Stator dưới dạng vector không gian với các phần

tử i s và i s thuộc hệ toạ độ Stator cố định

Hai dòng điện kể trên là hai dòng hình sin Ta có thể hình dung ra một động

Trên cơ sở công thức (1.37) kèm theo điều kiện điểm trung tính của 3 cuộn dây Stator không nối đất, ta chỉ cần đo 2 trong 3 dòng điện Stator là ta đã có đầy đủ

chỉ đúng khi trục của cuộn dây pha u được chọn làm trục quy chiếu chuẩn như trong

hình (1.12) Điều này có ý nghĩa trong toàn bộ quá trình xây dựng hệ thống điều

khiển/ điều chỉnh sau này:

) i i

Tương tự đối với vector dòng Stator, các vector điện áp Stator, dòng Rotor, từ

thông Stator và Rotor đều được biểu diễn bởi các phần tử thuộc hệ toạ độ Stator

* Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian

Mục đích của ta ở đây là đưa cách quan sát các đại lượng vector trên hệ tọa độ Stator cố định về quan sát trên hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông Stator

= d*

/dt Trong trường hợp đó hệ toạ độ x * y * là hệ toạ độ quay tròn với tốc độ góc

*

xung quanh điểm gốc của hê toạ độ xy

Ta thấy ở hình dưới đây sự chênh lệch giữa  và s sẽ tạo nên dòng Rotor với

r = 2f r

Cuén d©y pha W

Cuén d©y pha U

Cuén d©y pha V

Trôc tõ th«ng rotor

Trôc rotor

Mô hình của máy điện đồng bộ-kích thích vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) cũng được xây dựng xuất phát từ giả thiết coi máy điện có kết cấu tròn đối xứng Các đại lượng xoay chiều ba pha đã được biểu diễn dưới dạng véc tơ và chuyển sang hệ tọa

độ từ thông dq, đồng thời cũng là hệ tọa cố định trên Rotor Vì vậy có thể xuất phát

từ sơ đồ thay thế một pha ở hình 1.15 dưới đây

Hình 1.14 Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ

từ thông Rotor, còn gọi là hệ toạ độ dq

Từ sơ đồ thay thế ta viết được các phương trình sau:

- Phương trình điện áp Stator

f s s

f s f

s s

f

dt

d i R

- Phương trình từ thông

f p

f s s

sq sq

sd sq

sd s sq

sd sd

sq sd

sq s sd sd sd

L

u L

i T

i L

L dt

di

u L

i L

L i

T dt

1 1

P sd sd sd

i L

i L

+

s

sd sd

R

L

Phương trình mô men của MĐĐB-KTVC có dạng sau đây:

 p sq sd sq sd sq 

p sd

sq sq sd p

2

3 ) (

Đối với động cơ đồng bộ KTVC khi thiết kế bộ điều khiển PBC, ta có các giả thiết sau:

* Các tham số của động cơ coi đã biết

bậc hai bị chặn

Các giả thiết hoàn toàn phù hợp với thực tế, ta đưa ra các giả thiết trên để đảm bảo tính chặt chẽ về mặt toán học khi xây dựng bộ điều khiển Tất nhiên động cơ là một đối tượng điều khiển phức tạp, nó phức tạp không chỉ ở cấu trúc phi tuyến mà các tham số cũng có đặc điểm phi tuyến, ví dụ như hiện tượng bão hoà từ, tham số động cơ thay đổi theo nhiệt độ, nhiễu (tải) không biết trước Nhưng trong khuôn khổ luận văn chưa đề cập nhiều đến các yếu tố đó trong mô hình động cơ, mà mục đích chính của luận văn là đi xây dựng và một bộ điều khiển phi tuyến được gọi là điều khiển tựa theo thụ động và xem xét triển vọng của hướng nghiên cứu đó khi áp dụng cho đối tượng là động cơ đồng bộ KTVC

Trong kỹ thuật điều khiển phi tuyến dùng để điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, ta có các phương pháp thiết kế như phương pháp tuyến tính, backsteping và phương pháp Passivity – Based …

Trong đề tài này đưa ra phương pháp điều khiển đó là phương pháp

Passivity – Based vào để điều khiển hệ truyền động động cơ đồng bộ - KTVC