Bài báo đưa ra phương pháp thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến cho động cơ không đồng bộ sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác (cấu trúc tách kênh trực tiếp) một cách bài bản. Xuất phát từ ý tưởng của phương pháp, đưa ra cấu trúc điều khiển cho động cơ không đồng bộ, tiến hành mô phỏng và cuối cùng là phần triển khai thực nghiệm. Bài báo tập trung đi sâu phần cài đặt các thuật toán điều khiển phi tuyến này cho động cơ không đồng bộ, đây là bước khởi đầu cần thiết cho việc chế tạo biến tần thương mại có tích hợp thuật toán điều khiển phi tuyến để đáp ứng chế độ vận hành phi tuyến của máy điện xoay chiều ba pha Abstract: The paper proposes controlbased exact linearization structure for Induction Motor (IM) . From the idea of exact linearization, authours present directdecoupling for IM, simulation and experiment. The paper concentrates setting nonlinear control algorithms for IM. This is the initial step necessary for manufacture productivity inverter integrated those algorithms control to respond nonliner operating of Threephase AC Machines Key words: Nonlinear control, exact linearization, Induction Motor, realtime control, directdecoupling
Trang 1Điều khiển động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ Rotor
lồng sóc dựa trên cấu trúc tách kênh trực tiếp Implementation of structure nonlinear controller based on
direct-decouling for Induction Motor
Phạm Tâm Thành**, Nguyễn Phùng Quang*
*Trường ĐHBK Hà Nội, e-Mail: quangnp-ac@mail.hut.edu.vn
**Trường ĐH Hàng Hải Việt Nam, e-Mail: phamtamthanh@vimaru.vn
Tóm tắt
Bài báo đưa ra phương pháp thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến cho động cơ không đồng bộ sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác (cấu trúc tách kênh trực tiếp) một cách bài bản Xuất phát từ ý tưởng của phương pháp, đưa ra cấu trúc điều khiển cho động cơ không đồng bộ, tiến hành mô phỏng và cuối cùng là phần triển khai thực nghiệm Bài báo tập trung đi sâu phần cài đặt các thuật toán điều khiển phi tuyến này cho động cơ không đồng bộ, đây là bước khởi đầu cần thiết cho việc chế tạo biến tần thương mại có tích hợp thuật toán điều khiển phi tuyến để đáp ứng chế độ vận hành phi tuyến của máy điện xoay chiều ba pha
Abstract:
The paper proposes control-based exact linearization structure for Induction Motor (IM) From the idea of exact linearization, authours present direct-decoupling for IM, simulation and experiment The paper concentrates setting nonlinear control algorithms for IM This is the initial step necessary for manufacture productivity inverter integrated those algorithms control to respond nonliner operating of Three-phase AC Machines
Key words: Nonlinear control, exact linearization, Induction Motor, real-time control, direct-decoupling
Ký hiệu
A, B, N,
dọc theo quỹ đạo f
stator, rotor
stator trên hệ tọa độ dq
stator trên hệ tọa độ dq
stator, rotor
ngang trục của stator
tốc góc rotor
s
thông rotor
Vs
thành phần dọc và ngang trục của từ thông rotor
Chữ viết tắt
ĐCKĐB-RLS
Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc
1 Phần mở đầu
Kỹ thuật điều khiển truyền động điện xoay chiều
ba pha ngày nay đã phát triển ở mức cao, nhiều hệ truyền động điện hiện đại đã được đưa vào sử dụng trong thực tiễn công nghiệp Phương pháp
Trang 2thiết kế điều khiển tuyến tính cho máy điện xoay
chiều ba pha nói chung hay động cơ không đồng
bộ rotor lồng sóc nói riêng đã chín muồi, gần như
hoàn hảo về tính năng và chất lượng [10] Tuy
nhiên mô hình động cơ không đồng bộ Rotor lồng
sóc có đặc điểm phi tuyến cấu trúc bilinear (gây ra
bởi tích giữa các biến trạng thái và biến đầu vào)
Tính phi tuyến này chỉ có thể khắc phục bằng các
phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến như
cuốn chiếu (backstepping), tuyến tính hóa chính
xác, tựa thụ động, nguyên lý hệ phẳng tuy nhiên
nổi trội là phương pháp tuyến tính hóa chính xác
(exact linearization)
Có rất nhiều công trình thiết kế điều khiển theo
phương pháp tuyến tính hóa chính xác cho
ĐCKĐB-RLS [1-3,5-7,9-12], tuy nhiên các công
trình [1,3,5,6,7,9,10] chỉ dừng lại ở mức độ mô
phỏng, [11,12] đã tiến hành mô phỏng Hardware
in loop sử dụng card dspace 1103, [2] đã tiến hành
thực nghiệm Tuy nhiên, chưa có công trình nào
chỉ ra phương pháp cài đặt thuật toán điều khiển
phi tuyến dựa trên phương pháp tuyến tính hóa
chính xác một cách bài bản Bài báo tập trung giải
quyết vấn đề này một cách triệt để
Bố cục bài báo gồm các phần: phần mở đầu giới
thiệu tổng quan và nội dung chính của bài báo,
phần cấu trúc điều khiển, phần mô phỏng và cuối
cùng là phần thực nghiệm với cấu trúc điều khiển,
các bước cài đặt thử nghiệm, kết quả thực nghiệm
2 Cấu trúc điều khiển tách kênh trực tiếp
cho ĐCKĐB-RLS
2.1 Mô hình phi tuyến của ĐCKĐB-RLS
Theo [7,10] ta có mô hình dạng affine của
ĐCKĐB-RLS:
•
1 1 2 2 3 3
x f (x) h h h
y g(x)
(1)
Với các biến trạng thái, biến đầu vào, biến đầu ra
cho mô hình:
Biến trạng thái
1 sd; 2 sq; 3 s
Biến đầu vào
1 sd; 2 sq; 3 s
Trong đó:
' 1
' 2
2
( )
0 0
( )
rd
dx c
x a
(2)
với các tham số:
2.2 Bộ điều khiển phi tuyến dựa trên nguyên lý tuyến tính hóa chính xác
Tài liệu [4,8] trình bày cụ thể 04 bước thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái dựa trên nguyên lý TTHCX, khi đó hệ kín được đưa về hệ có tính chất tuyến tính trên toàn bộ không gian trạng thái Áp dụng cho mô hình (1) ta tìm được luật điều khiển PHTT
'
1 0 1
rd
r rd
c
cT
(3)
'
'
1
1
rd
a
a
(4)
Với bộ điều khiển PHTT (3) mô hình dòng điện phi tuyến trở thành mô hình tuyến tính và có hệ phương trình trạng thái mới (3) chỉ bao gồm các phép toán đại số mà không có bất kỳ phép tính giải tích (vi phân/tích phân nào), điều này nâng cao độ chính xác của phương pháp điều khiển, tránh được những bất lợi về sai số khi cài đặt
z =Az+Bw,y=Cz
x
Đối tượng ĐK phi tuyến
Trang 32.3 Cấu trúc tách kênh trực tiếp cho
ĐCKĐB-RLS
Theo [7,10], kết hợp bộ điều khiển PHTT và mô
hình dòng điện phi tuyến của động cơ ta thu được
mô hình TTHCX Việc thiết kế bộ điều khiển sẽ
dựa trên các biến trạng thái mới Từ đó thay thế
bộ điều khiển dòng hai chiều truyền thống bằng
một khối chuyển hệ trục toạ độ và hai bộ điều
khiển dòng riêng biệt cho 2 trục d và q.Hai bộ điều
khiển dòng riêng biệt Risd và Risq ở đây sử dụng
thuật toán điều khiển kinh điển PI theo [10] Sự áp
đặt nhanh và chính xác mômen quay của động cơ
có thể đạt được mà không phá vỡ bất kỳ điều kiện
tuyến tính hóa nào Cấu trúc điều khiển tách kênh
trực tiếp được mô tả như hình 2
2.4 Mô phỏng kiểm chứng trên
Matlab/Simulink
Sử dụng động cơ Marathon GE 5K33GN2A có
thông số:
Thông số
Giá trị
0,180 kW
Sau khi xây dựng mô hình mô phỏng ta thu được
một số kết quả Các kết quả này ứng với giá trị đặt
là định mức, ứng với thông số động cơ đã chọn
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
t[s]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
t[s]
3
2
αβ
dq
MHTT
t u
t v
t w
αβ
dq
Chuyển
hệ trục tọa độ
Điều chỉnh
từ thông
Điều chỉnh tốc độ
*
rd
-
sq
i
w 1
w 2
sd u sq u
s u
s u
'
rd
i sα
i sq
i sv
i sw
M 3~
* sd
i
s
i
Bộ điều chỉnh dòng
Bộ điều chỉnh dòng
s
s
*
Trang 40 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
t[s]
Response Speed Reference Speed
-3
-2
-1
0
1
2
3
t[s]
isa isb isc
Nhận xét:
Hệ thống đều đạt giá trị tốc độ định mức chỉ sau
1s Các đáp ứng của tốc độ, mômen, isq, isd rất
(thành phần sinh mômen) rất nhỏ chỉ gần 0.8A
Như vậy, với kết quả trên ta thấy rằng các kết quả
tính toán cho các bộ điều chỉnh là hoàn toàn đúng
đắn
3 Triển khai thực nghiệm Cài đặt thuật
toán điều khiển và các kết quả thực
nghiệm
3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống
chiều ba pha
Hệ thống điều khiển động cơ xoay chiều ba pha
được mô tả trong H.7 Động cơ xoay chiều ba pha
được cung cấp nguồn bởi nghịch lưu nguồn áp
TMS320F28035 được sử dụng để tạo ra 6 tín hiệu
xung chiều chế (PWM) bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế không gian vector, cho sáu van công suất trong nghịch lưu Hai dòng đầu vào của động cơ (ia, ib) được đo lường từ nghịch lưu và được gửi đến TMS320F28035 thông qua bộ chuyển đổi ADC, điện áp DC bus của nghịch lưu cũng được đo và gửi đến TMS320F28035 qua ADC Điện áp DC bus này là cần thiết để tính toán điện áp ba pha của động cơ
Vi xử lý tín hiệu DSP C2000 của hãng Taxes Instruments sử dụng có thể là TMS320F28035 (vi
xử lý dấu phẩy tĩnh) hoặc TMS320F28335 (vi xử
lý dấu phẩy động)
3.2 Các lưu ý trước khi cài đặt thuật toán
- Chuẩn hoá:
Đây cũng chính là lưu ý trong [10], các thuật toán đều được xây dựng với các biến và các tham số ở dạng đại luợng vật lý nguyên thuỷ của chúng Ở dạng đó ta sẽ chưa thể cài đặt hay viết chương trình sử dụng thuật toán Trước khi bắt tay vào lập trình, mọi thuật toán sẽ phải trải qua giai đoạn chuẩn hóa Nhiệm vụ của chuẩn hóa là chuyển tất
cả các biến và tham số sang dạng không có thứ nguyên (không còn đơn vị), tạo điều kiện cho công tác lập trình mà không hề làm sai ý nghĩa vật lý ban đầu của thuật toán chương trình
- Sử dụng thư viện toán + Đối với vi xử lý dấu phẩy tĩnh: sử dụng thư viện Iqmath-đây là thư viện hàm toán tối ưu cho lập trình C/C++ để chuyển thuật toán dấu phẩy động sang mã dấu phẩy tĩnh cho TMS320F28xx Khi lập trình bằng assembly thì khi sử dụng vi xử lý dấu phẩy tĩnh thì phải trượt vị trí của dấu phẩy tới
vị trí thích hợp, việc trượt vị trí của dấu phẩy sang trái trước hết nhằm tăng độ chính xác của phép tính
Khi sử dụng vi xử lý dấu phẩy tĩnh, ta cũng có thể
sử dụng thư viện CLAmath để gia tăng tốc độ tính toán CLAmath là tập hợp các hàm toán dấu phẩy động tối ưu cho vi xử lý có CLA
+ Đối với vi xử lý dấu phẩy động: sử dụng thư viện FPUfastRTS
- Sử dụng thư viện phục vụ để xây dựng cấu trúc điều khiển động cơ, thư viện gồm các hàm thể hiện bằng các khối, thư viện được viết tối ưu bằng assembly dưới dạng các macro Để có thể triển khai các thuật toán điều khiển phức tạp và thuận lợi cho việc phát triển các cấu trúc điều khiển ta có thể sử dụng thư viện này Về cơ sở lý thuyết cũng như thuật toán điều chế không gian vector không gian được thể hiện rất cụ thể trong [10]
Đối với cấu trúc điều khiển tách kênh trực tiếp cho ĐCKĐB-RLS đã đưa ra ở trên, ta thấy rằng cần
Trang 5phải bổ sung khối TKTT (DECOUPLING
MACRO), trong bài báo này các tác giả đã xây
dựng thành công các khối này
- Cài đặt các thuật toán điều khiển: sử dụng các
module phần mềm (các macro), khi chạy chương
trình các macro được gọi tuần tự, nên xây dựng hệ
thống theo từng bước, xây dựng mạch vòng từ hở
đến kín, điều này rất quan trọng đối với ứng dụng
điều khiển thời gian thực, nơi các biến khác nhau
có thể ảnh hưởng đến hệ thống, cũng như các
thông số của động cơ cần phải được chỉnh định
Với cách viết chương trình, cài đặt thuật toán điều
khiển dưới dạng cấu trúc như vậy rất trực quan và
thích hợp đối với các kỹ sư điều khiển-tự động hóa
3.3 Các bước cài đặt thuật toán điều khiển
ĐCKĐB-RLS dựa trên phương pháp tuyến tính
hóa chính xác
Cài đặt macro DECOUPLE
Xuất phát từ (3) ta tiến hành xây dựng module
DECOUPLE MACRO như hình dưới đây
Vì DECOUPLE MACRO cần có đầu vào là từ
thông và tốc độ từ trường do đó ta cần xây dựng
thêm một khâu mô hình từ thông để tính toán các
đại lượng này
Theo [10] ta có phương trình của mô hình từ thông
trên hệ tọa độ dq
'
r
T
T
(5)
Đối với cấu trúc điều khiển TKTT ta có thể thực hiện theo các bước:
Khi sử dụng increament encorder để đo tốc độ thì cấu trúc trở nên đơn giản hơn Và trong quá trình cài đặt ta chỉ cần 5 bước:
- Bước 1: Kiểm tra module chuyển đổi hệ tọa độ dq/αβ IPARK MACRO, kiểm tra dạng sóng đầu ra
Ta, Tb, Tc của module điều chế không gian vector SVGEN MACRO, kiểm tra tín hiệu PWM trước khi đưa đến mạch công suất
- Bước 2: Thực hiện đo dòng, kiểm tra tín hiệu dòng đưa tới ADC, khâu chuyển đổi abc/αβ, và khâu chuyển đổi tọa độ αβ/dq
- Bước 3: Kết nối module tách kênh trực tiếp DECOUPLING MACRO, chỉnh định 2 bộ điều
- Bước 4: Kiểm tra mô hình dòng để tính góc Theta
- Bước 5: Thực hiện điều khiển vòng kín tốc độ theo FOC
Cấu trúc phần mềm khi các module maro được liên kết với nhau như sau:
Trang 6Khi không sử dụng cảm biến tốc độ (sensorless)
thì quá trình thực hiện cấu trúc điều khiển theo 6
bước và phải bổ sung thêm khâu ước lượng tốc độ
ACI_SE
- Bước 1: Kiểm tra module chuyển đổi hệ tọa độ
dq/αβ IPARK MACRO, kiểm tra dạng sóng đầu ra
Ta, Tb, Tc của module điều chế không gian vector
SVGEN MACRO, kiểm tra tín hiệu PWM trước
khi đưa đến mạch công suất
- Bước 2: Thực hiện đo dòng, kiểm tra tín hiệu
dòng đưa tới ADC, khâu chuyển đổi abc/αβ, và
khâu chuyển đổi tọa độ αβ/dq
- Bước 3: Kết nối module tách kênh trực tiếp DECOUPLING MACRO, chỉnh định 2 bộ điều
- Bước 4: Kiểm tra tốc độ và từ thông ước lượng
- Bước 5: Chỉnh định bộ điều chỉnh tốc độ, thực hiện mạch vòng kín tốc độ (có cảm biến tốc độ)
- Bước 6: Thực hiện hệ thống điều khiển TKTT không sử dụng cảm biến tốc độ
Cấu trúc phần mềm khi các module macro được liên kết với nhau
3.4 Một số kết quả thực nghiệm
Tb-Tc
Tb-Tc quan sát bởi oscilloscope
Thời gian đóng ngắt có khoảng giá trị thậm chí gần bằng không
PWM1H-PWM2H
Trang 7H 15 Thành phần từ thông trục d, q, góc Theta
ước lượng và dòng điện pha A
vòng/phút
bậc từ 1050÷1500 vòng/phút
đặt 1500 vòng/phút
Nhận xét kết quả: Các kết quả thu được khi debug
và chạy real-time chương trình, cũng như các kết quả đo được sử dụng máy hiện sóng là hoàn toàn chính xác, thể hiện sự đúng đắn của thuật toán điều khiển và cũng như phương pháp cài đặt các thuật toán điều khiển
4 Kết luận
Bài báo đã cài đặt thành công thuật toán điều khiển động cơ KĐB-RLS dựa trên phương pháp tuyến tính hóa chính xác Từ quá trình thiết kế phần cứng thử nghiệm cũng như thực nghiệm cài đặt thuật toán điều khiển, các tác giả đã đề xuất một số giải pháp (lưu ý), cũng như tổng quát hóa các bước tiến hành cài đặt thuật toán Hy vọng bài báo là tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư, các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu phát triển các cấu trúc điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha
Tài liệu tham khảo
[1] Bentaallah A, Meroufel A, Bendaoud Abdelber, Massoum Ahmed, Fellah M.K, Exact Linearization of an Induction Machine with Rotoric Flux Orientation, Serbian Journal of
Electrical Engineering, Vol.5,No.2, November 2008,217-227
[2] Boukas T.K, Habetler T.G, High-performance
induction motor speed control using exact feedback linearization with state and state derivative feedback, IEEE Transactions on
Power Electronics, July 2004, Vol.19(4), pp.1022-1028
[3] Chiasson John, A New Approach to Dynamic
Feedback Linearization Control of an Induction Motor, Proceeding of the 34th Conference on Decision & Control New Orleans, LA-December 1995
[4] Isidori A, Nonlinear Control Systems 3rd
Edition, Springer-Verlag, London Berlin Heidelberg, 1995
[5] Kuroe Y, Yoneda Y, Design of a new controller
for induction motors based on exact linearization, Proceeding International Conference on Industrial Electronics Control and Instrumentation, 1991, page.621-626 vol.1 [6] Morici R, Discrete-time nonlinear controller for
Induction Motor, Proceedings of the ICON’93,
pp 1134-1139, vol.2 [7] Nam DH (2004), A Nonlinear Control Strategy
based on Exact Lineariztion for the 3-Phase AC Drive Using VSI-fed Induction Motor Master
Thesis (in Vietnamese), Hanoi University of Technology
[8] Phuoc ND, Minh PX, Trung HT, Nonlinear
control theory, Publishing House of Sicence and
Technique, Hanoi (in Vietnamese),2006
Trang 8[9] Phuoc ND, Combining exact linearization and
model reference techniques for design of
adaptive global asymtotic stabilizer and
application to adaptive control of induction
motor, European Conference on Power
Electronics ans Application, pp.9
[10] Quang NP, Dittrich JA, Vector Control of
Three-Phase AC Machines – System
Development in the Practice Spinger, 2008
[11] Raumer T.V, Dion J.M, Dugard L, Applied
nonlinear control of an induction motor using
digital signal processing, IEEE Transactions on
Control Systems Technology, 1994,
Vol.2(4),pp.327-335
[12] Tuan DA, Quang NP, Duc LM, A new and
effective controller for Induction Motor drives
using Direct-Decoupling Methodology based on
exact linearization algorithm and adaptive
backstepping teachnology, International
conference Control Automation and Systems,
Oct.2010, KINTEX, Gyeonggi-do,
Korea,pp.1941-1945
BIOGRAPHY
Sau khi tốt nghiệp phổ thông Chu Văn An năm
1970, đi du học tại Đức (TU Dresden, viết tắt: TUD) Tháng 9/1975 tốt nghiệp Dipl.-Ing
(Uni.) tại TUD về truyền động điện tự động Tháng 11/1991 bảo vệ luận án Dr.-Ing với đề
tài về “Áp nhanh mômen quay
cho động cơ xoay chiều ba pha nuôi bởi biến tần nguồn áp”
Trong 4 năm 1992-1995 làm việc tại công ty
REFU Elektronik Metzingen với nhiệm vụ phát
triển thế hệ biến tần mới điều khiển trên cơ sở
phương pháp tựa theo từ thông rotor, tháng 4/1994
bảo vệ và nhận bằng Dr.-Ing habil thuộc lĩnh vực
“Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều
ba pha” Firmware điều khiển đã được cài đặt
trong các biến tần REFU 402 Vectovar, RD500
(REFU Elektronik), Simovert 6SE42, Master
Drive MC (Siemens)
Ba năm 1996-1998 là giảng viên tại TUD và
tháng 10/1997 được TUD công nhận là
Privatdozent Tháng 1/1999 quay về Việt Nam và
là giảng viên của ĐHBK Hà Nội từ đó đến nay
Tháng 2/2004 được TUD phong Honorarprofessor,
tháng 11/2004 nhận chức danh Phó Giáo sư và
11/2009 Giáo sư về Tự động hóa của ĐHBK Hà
Nội
Trong hơn 10 năm ĐHBK Hà Nội đã hướng dẫn 70 kỹ sư, 45 thạc sĩ, hướng dẫn 9 NCS (1 NCS người Đức của TUD), trong số đó 5 NCS đã bảo
vệ thành công Là tác giả / đồng tác giả của hơn
110 bài báo, báo cáo hội nghị trong và ngoài nước
Là tác giả / đồng tác giả của 7 đầu sách chuyên khảo và tham khảo, trong đó có 3 quyển bằng
tiếng Đức và 1 quyển tiếng Anh “Vector Control
of Three-Phase AC Machines – System Development in the Practice” xuất bản 2008 tại
nhà xuất bản Springer
Các lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển truyền động điện, điều khiển chuyển động và robot, điều khiển vector cho các loại máy điện, điều khiển điện tử công suất, điều khiển các hệ thống năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời), hệ thống điều khiển số, mô hình hóa và mô phỏng
Phạm Tâm Thành tốt nghiệp
Kỹ sư ngành Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội (HUST) tháng 6/2003
Từ 6/2003-6/2004 tham gia thiết kế, quản lý các dự án của công ty Kurihara (Nhật Bản) với một số dự án điện cơ: nhà máy Toto, nhà máy Ryonan,
nhà máy Yasufuku,
trạm xử lý nước sạch tại Khu Công Nghiệp Bắc Thăng Long - Hà Nội, nhà máy SumiRubber - Khu công nghiệp Nomura Hải Phòng
Từ 6/2004 là Giảng viên Bộ môn Điện tự động công nghiệp-Khoa Điện-Điện tử tàu biển-Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam (VIMARU) Nhận bằng Thạc sỹ khoa học ngành Tự động hóa năm
2008 của Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam
Là thành viên của Viện Kỹ nghệ Điện-Điện tử (Institute of Electrical and Electronics
Engineers-IEEE)
Hiện đang là nghiên cứu sinh tại Viện Kỹ thuật Điều khiển&Tự động hóa-Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Lĩnh vực nghiên cứu chính: điều khiển truyền động điện, điều khiển vector cho các loại máy điện, hệ thống điều khiển số, hệ thống điều khiển lôgic, mô hình hóa và mô phỏng hệ thống
