Điều khiển chuyển động cho động cơ xoay chiều sử dụng lý luận SMC

Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ trục tọa độ quay đồng bộ dq .... DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CTĐu Chuyển tọa độ điện áp CTĐi Chuyển tọa độ dòng điện ĐCD Điều chỉnh dòng Đ

NGUYỄN TRỌNG CHÍNH

ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU SỬ DỤNG LÝ LUẬN SMC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản đồ luận văn tốt nghiệp:“ Điều khiển chuyển động cho động cơ xoay chiều sử dụng lý luận SMC’’ (Động cơ không đồng bộ)

do tôi tự hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn

Liễn

Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu nào khác mà không

được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Hà Nội, ngày tháng năm2011

Học viên thực hiện

Nguyễn Trọng Chính

MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bỡa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục cỏc ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục cỏc hỡnh vẽ, đồ thị

LỜI NểI ĐẦU……… 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHễNG ĐỒNG BỘ 10

1.1 Vài nột sơ lược về động cơ khụng đồng bộ 10

1 2 Khỏi niệm chung về động cơ khụng đồng bộ 10

1.2.1 Cỏc phương trỡnh mụ tả động cơ khụng đồng bộ 10

1.2.2 Vộc tơ khụng gian của đại lượng 3 pha 144 1.2.3 Hệ tọa độ quay chuẩn 17 1.3 Mụ hỡnh liờn tục của động cơ khụng đồng bộ 188

1.3.1 Cỏc phương trỡnh cơ bản của động cơ khụng đồng bộ 188

1.3.2 Mụ hỡnh trạng thỏi của động cơ trờn hệ tọa độ stator (αβ) 19

1.3.3 Mụ hỡnh của động cơ khụng đồng bộ trờn hệ tọa độ quay đồng bộ dq)……… 24

1.4 Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ trục tọa độ quay đồng bộ dq 28

1.4.1 Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ trục tọa Stato αβ 29

1.5 Tổng quan về hệ thống điều khiển điều khiển véctơ 35 1.5.1 Sơ l-ợc về ph-ơng pháp điều khiển véctơ 35

1.5.2 Ph-ơng pháp điều khiển vectơ trực tiếp 38

1.5.3 Ph-ơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp 40

1.6 Các cấu trúc cơ bản của hệ truyền động ĐCKĐB điều khiển kiểu T 4 R 41

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 46

2.1 Tổng quan về các ph-ơng pháp điều khiển phi tuyến nói chung 46

2.1.1 Ph-ơng pháp tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc 46

2.1.2 Điều khiển tuyến tính hình thức 48

2.1.3 Điều khiển bù phi tuyến 50

2.2 Hệ điều khiển thích nghi 52

2.2.1 Gain Scheduling 52

2.2.2 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh 54

2.2.3 Bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) 61

2.3 Tổng quan về điều khiển vị trớ 62

2.4 Hệ điều chỉnh vị trớ tuyến tớnh 60

2.5 Điều khiển chế độ trượt 70

2.5.1 Nguyờn tắc điều khiển 62

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG SMC ĐIỀU KHIỂN VECTOR 75

3.1 Thiết kế sơ đồ điều khiển dựng SMC cho động cơ khụng đồng bộ 75

3.2 Thiết kế mụ phỏng 70

KẾT LUẬN …….83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CTĐu Chuyển tọa độ điện áp

CTĐi Chuyển tọa độ dòng điện

ĐCD Điều chỉnh dòng

ĐC, ĐK Điều chỉnh, điều khiển

ĐCVTKG Điều chế vectơ không gian

ĐCXCBP Động cơ xoay chiều ba pha

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ .10

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của ĐCKĐB 3 pha ……….12

Hình 1.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian với các thành phần isα và isβ 14

Hình 1.4 Hệ tọa độ chuẩn 17

Hình 1.5 Mô hình trạng thái của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ 23

Hình 1.6 Mô hình của ĐCKĐB trên hệ trục tọa độ dq 26

Hình 1.7 Mô hình biểu diễn trạng thái của động cơ trong mô hình gián đoạn trên hệ tọa độ dq 29

Hình 1.8 Mô hình trạng thái gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ tọa độ αβ 31

Hình 1.9 Sự tương tự giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vector ĐCKĐB 33

Hình 1.10 Biểu đồ pha trong điều khiển vector 34

Hình 1.11 Sơ đồ khối cơ bản của hệ điều khiển vector ĐCKĐB 34

Hình 1.12 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vector trực tiếp 35

Hình 1.13 Biểu đồ pha trong điều khiển vector gián tiếp 36

Hình 1.14 Sơ đồ cấu trúc tính toán góc quay từ trường 37

Hình 1.15 Cấu trúc kinh điển của một hệ truyền động dùng ĐCKĐB nuôi bởi biến tần nguồn áp và điều chỉnh tựa theo từ thông rotor 38

Hình 1.16 a) Mạng MTu: tính điện áp usd và usq từ đầu vào yd và yq của khâu điều chỉnh dòng, b) Mạng MTi: tính các dòng cần i*sd,i*sq từ các giá trị cần ψ’*rd,m*M 39

Hình 1.17 Cấu trúc hiện đại của một hệ truyền động dùng ĐCKĐB nuôi bởi biến tần nguồn áp và điều chỉnh tựa theo từ thông rotor 40

Hình 2.1 Ổn định hệ phi tuyến 42

Hình 2.2 Điều khiển tuyến tính hình thức bằng bộ điều khiển phản hồi trạng thái 44

Hình 2.3 Thiết kế bộ điều khiển bù phi tuyến 45

Hình 2.4 Bộ bù phi tuyến 46

Hình 2.5 Ghép nhiều bộ điều khiển lại thành một bộ điều khiển thống nhất nhờ khóa chuyển đổi 47

Hình 2.6 Cấu trúc bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh 49

Hình 2.7.(a): Hệ thích nghi tín hiệu 54

(b): Hệ thích nghi tham số ….…… …… …… 55

Hình 2.8 Lượng điều khiển dùng φw(t).(a): Hàm nhẩy cấp 55

(b): Hàm tuyến tính 55

(c): Hàm Parabol 55

Hình 2.9.(a): Lượng điều khiển φw(t) 57

(b): φ(t), ω(t), ε(t) .57

(c): Quỹ đạo pha chuyển động 57

Hình 2.10.Giản đồ φw(t), M(t), ω(t), φ(t), ∆φ(t) và quỹ đạo pha chuyển động 58

Hình 2.11.Giản đồ φw(t), ω(t), φ(t), và quỹ đạo pha chuyển động 59

Hình 2.12.Cấu trúc điều khiển biến trạng thái 59

Hình 2.13.Cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính 60

Hình 2.14.Diễn biến thời gian của điều chỉnh vị trí tuyến tính 61

Hình 2.15.Cấu trúc điều khiển thay đổi cảu hệ thống bậc 2 63

Hình 2.16.Sự mô tả mặt phẳng pha khi cấu trúc tại hình 2.15 có khóa ở vị trí 1 64

Hình 2.17.Sự mô tả mặt phẳng pha khi cấu trúc tại hình 2.15 có khóa ở vị trí 2 65

Hình 2.18.Quỹ đạo trượt trên mặt phẳng pha x1 –x2 66

Hình 2.19.Thời gian đáp ứng phụ thuộc vào hệ số c 66

Hình 3.1.Sơ đồ điều khiển dùng SMC 67

Hình 3.2.Quá trình dich chuyển x1 về gốc tọa độ theo 03 bước 69

Hình 3.3.Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 71

Hình 3.4 Mạch nghịch lưu nuôi động cơ KĐB 73

Hình 3.5 Khâu xác định từ thông d

r m

L

ψ

ψ′ = và tốc độ đồng bộ w s của động cơ KĐB 74

Hình 3.6 Mạch Vòng điều chỉnh vị trí được thiết kế theo nguyên lý trượt 75

Hình 3.7 Cấu trúc khâu điều khiển Phản hồi trang thái 76

Hình 3.8 Cấu trúc mô hình vào – ra tuyến tính của động cơ KĐB 76

Hình 3.9 Sơ đồ 2 vòng điều chỉnh thay thế tương đương 77

Hình 3.10.Đáp ứng vị trí, tốc độ 80

Hình 3.11.Quỹ đạo trạng thái 80

Hình 3.12.Đáp ứng isq 81

Hình 3.13.Đáp ứng isd 81

Hình 3.14.Đáp ứng từ thông 82

LỜI NÓI ĐẦU

Nước ta đang từng bước công nghiệp hoá, hiện đại hoá để dần theo kịp tiến bộ của thế giới nói chung và tự động hoá đóng một vai trò quan trọng trong quá trình hội nhập đó Các dây chuyền sản xuất với các thiết bị tự động hoá xuất hiện ngày một nhiều đã và đang đáp ứng nhu cầu phát triển của đất nước

Trong mỗi dây chuyền sản xuất, truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện công đoạn cuối cùng của quá trình công nghệ Nó được sử dụng rộng rãi ở vai trò là một khâu chấp hành với nhiệm vụ chuyển hoá điện năng thành cơ năng Hiện nay việc nâng cao chất lượng điều khiển cho động cơ không đồng bộ là một vấn đề quan tâm nghiên cứu ở trong và ngoài nước Đề tài luận văn của tôi tập trung tìm hiểu, nghiên cứu về điều khiển vị trí cho động cơ không đồng bộ dựa trên nguyên lý điều khiển trượt

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ tận tình của thầy giáo, PGS TS Nguyễn Văn Liễn Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn và gửi tới thầy lời cảm ơn chân thành, sâu sắc nhất Tôi cũng xin được gửi lời cám ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hoá – Xí nghiệp công nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài này Lời cảm ơn cuối cùng của tôi dành gửi tới toàn thể bạn bè và gia đình đã giúp đỡ, động viên tôi thực hiện nhiệm vụ của mình

Hà nội ngày tháng năm 2011

Học viên

Nguyễn Trọng Chính

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ

1.1 Vài nét sơ lược về động cơ không đồng bộ

Theo [1,2,3] Động cơ không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hai dây quấn trong đó dây quấn stator (dây quấn sơ cấp) nhận điện từ lưới với tần số fs, dây quấn rotor (dây quấn thứ cấp) được nối ngắn mạch (hoặc được khép kín qua điện trở) Dòng điện trong dây quấn rotor được lấy từ cảm ứng từ phía dây quấn stator, có tần số fr và

là hàm của tốc độ góc rotor ωr So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có

ưu điểm về mặt cấu tạo và giá thành, làm việc tin cậy và chắc chắn Khuyết điểm chính của động cơ không đồng bộ là đặc tính mở máy xấu và khống chế các quá trình quá độ khó khăn hơn so với động cơ một chiều Trong thời gian gần đây, với sự hỗ trợ của một

số nghành khoa học khác như: Điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý… Đã làm tăng khả năng sử dụng đối với động cơ không đồng bộ

1.2 Khái niệm chung về động cơ không đồng bộ

1.2.1 Các phương trình mô tả động cơ không đồng bộ

Theo [1,2,3], động cơ không đồng bộ có thể coi như một hệ phi tuyến nhiều thông số như hình vẽ mô tả sau

s

( p Q

Hình 1.1: sơ đồ khối động cơ không đồng bộ

Các đại lượng vào là:

u1,i1,f1: Là điện áp, dòng điện, tần số điện áp của stator

u2,i2,f2 : Là điện áp, dòng điện, tần số điện áp của rotor

R1, R2: Là điện trở của dây quấn stator và rotor

Ta thấy rằng động cơ không đồng bộ có thể xem như là một hệ thống điện cơ,

ta có phương trình cân bằng điện áp của mỗi dây quấn như sau:

dt

d i R

k k k

ψ+

= (1.1) Trong đó:

uk, ik : Là điện áp và dòng điện chậy trong cuộn dây thứ k

R

k : Là điện trở của dây pha thứ k

Ψk : Là từ thông móc vòng qua dây quấn thứ k, được xác định:

Ψk =L kj i j (1.2) Trong đó j, k : là tên thứ tự của dây quấn pha

Nếu k = j thì ta có Lkk là điện cảm của dây quấn k Nếu k ≠ j thì ta có Lkj là hỗ cảm giữa dây quấn k và dây quấn j

Phần cơ được mô tả bởi phương trình chuyển động của rotor động cơ:

ω Bω

dt

d J M

M = C+ + (1.3) Trong đó:

dt

d i

1

(1.5)

Hình 1.2 là sơ đồ nguyên lý của động cơ không đồng bộ Trong đó các chỉ số a, b, c là

chỉ các dây quấn stator Các chỉ số A, B, C là chỉ các pha của rotor

θ : Là góc lệch giữa dây quấn stator và dây quấn rotor Để đơn giản hóa trong cách viết ta coi động cơ có hai cực (p = 1)

Theo sơ đồ trên ta có thể tính được từ thông của cả 6 cuộn dây

Hình 1.2: sơ đồ nguyên lý dây quấn của ĐCKĐB 3 pha

Ví dụ dây quấn pha a stator:

Ms, Mr : Là hỗ cảm giữa các dây quấn stator và giữa các dây quấn rotor

Hỗ cảm giữa các dây quấn stator và giữa các dây quấn rotor phụ thuộc vào vị trí không gian giữa các dây quấn này và chúng được tính như sau:

LaA = LAa = LBb = LbB = LcC = LCc = Mcosθ M: là hỗ cảm giữa các dây quấn rotor và giữa các dây quấn stator khi các trục của hai dây quấn này trùng nhau

Hỗ cảm giữa hai dây quấn khác nhau ở rotor và stator được tính đến khi các dây quấn 3 pha này lệch nhau một góc 2π/3

LaB = LBa = LbC = LCb = LcA = MAc = Mcos(θ + 2π/3)

LAb = LbA = LBc = LcB = LCa = LaC = Mcos(θ + 2π/3)

Các phương trình mô tả toán học trên của động cơ không đồng bộ là phi tuyến và có

hệ số biến thiên theo thời gian vì điện cảm phu thuộc vào góc quay

dt t

∫

+

=θ0 ω( )θ

Trong đó:

θ0: Là vị trí ban đầu của rotor

ω : Là hằng số thì hỗ cảm giữa rotor và stator cũng biến thiên có tính chất chu

kỳ

1.2.2 Véc tơ không gian của đại lượng 3 pha

Theo [4], trong động cơ không đồng bộ ba pha có dây quấn bap ha đối xứng,

có thể coi dòng điện trong các pha là các véc tơ, với độ lớn là các thành phần dòng điện các pha (isa, isb, isc) và hướng trùng với trục của cuộn dây pha tương ứng Trong mặt phẳng ngang của máy điện ta đặt một hệ tọa độ vuông góc ( Trục thực α và trục ảo β)

với trục thực trùng với trục pha a (hình 1.3)

Hình 1.3: Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng véc tơ không gian với các thành phần

i sα và i sβ thuộc hệ trục tọa độ cố định

αTrục pha a

sb = 120=

(1.7)

i i e isca

j sc sc

2 120

Với giả thiết dòng điện 3 pha đối, tức là thành phần thứ tự không bằng không,

các thành phần dòng điện stator trên hai trục thực và ảo được tính theo các thành phần

α

s

si

1 0

3

1 3

1 3

sc sb

sa

(1.10)

Các phép biến đổi ngược biểu diễn quan hệ các thành phần dòng điện các pha

(a, b, c) và các thành phần dòng điện trên hai trục tọa độ cố định:

sc sb

α

s

si

i

(1.11) Tương tự ta có véc tơ từ thông móc vòng stator và điện áp móc vòng stator

cũng được định nghĩa như sau:

2 sb

3

2 ψ + ψ + ψ (1.12)

us = ( 2 sc)

sb

u 3

2

+ + (1.13)

Trong đó:

ψsa, ψsb, ψsc: Là các thành phần từ thông móc vòng của các pha a, b, c

usa, usb, usc : Là các thành phần điện áp của các pha

Các véc tơ không gian dòng điện, điện áp và từ thông móc vòng rotor có thể

được định nghĩa như sau:

ir = ( rc)

2 rb

i 3

2 + + (1.14)

ur = ( rc)

2 rb

u 3

2 + + (1.15)

ψ (1.16)

17

Trong đó:

ira, irb, irc, : Là các thành phần dòng điện của các pha a, b, c rô to

ura, urb, urc : Là các thành phần điện áp của các pha a, b, c rô to

ψra, ψrb, ψrc : Là các thành phần từ thông móc vòng của các pha a, b, c rô to

1.2.3 Hệ tọa độ quay chuẩn

Để nghiên cứu quá trình điên từ của động cơ không đồng bộ có số đôi cực là p, thì hệ quy chiếu của điện được dùng để thay thế hệ quy chiếu cơ khí, một đôi cực hay một chu kỳ của từ thông sẽ tương đương với 360 điện (2π/rad) Do đó góc quy điện được tính bằng:

θe = p.θm (1.17) Tương tự tốc độ rotor điện được tính từ tốc độ rotor cơ khí:

ω = p ωm (1.18) Trong đó:

θe, θm, và ω, ωm : Là góc rotor và tốc độ rotor tương ứng với hệ quy chiếu điện

và cơ khí

Đặt một hệ trục tọa độ dq quay với tốc độ ωk bất kỳ như (hình 1.4)

Góc giữa trục thực của hệ tọa độ này và trục thực của hệ tọa độ stator và rotor tương ứng là k

r

k

s θ

θ , Véc tơ dòng điện stator biểu diễn trong hệ tọa độ quay sẽ là:

k s

j s

k

i = − θ (1.19) Tương tự véc tơ dòng điện rotor biểu diễn ở hệ tọa độ quay có dạng

k r

j r

θ

m

θ

Hình 1.4: Hệ tọa độ chuẩn

Tốc độ quay ωk của hệ tọa độ quay có thể lựa chọn một trong hai vị trí sau:

ωk = 0 : Ta có hệ tọa độ tĩnh với stator ( hệ tọa độ αβ)

ωk = ωs: Ta có hệ tọa độ quay đồng bộ với từ trường quay stator ( hệ tọa độ dq)

ωk = ω : Ta có hệ tọa độ cố định với rotor (hệ tọa độ αβ)

1.3 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ

Theo [1,2,3], do cấu trúc phức tạp của động cơ không đồng bộ ( chúng được mô

tả bởi các phương trình vi phân bậc cao ) cho nên để xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ta có các giả thiết sau:

- Các cuộn dây của stator được bố trí đối xứng về mặt không gian

- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe hở

- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

- Các tổn hao sắt từ và bão hòa có thể bỏ qua

1.3.1 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ

Các phương trình điện áp trên cuộn dây stator là:

dt

t d t i R t

sa s sa

)()

()

dt

t d t i R t

sb s sa

)()

()

(1.21)

dt

t d t i R t

sc s sc

)()

()

Các phương trình này được thiết lập khi ta quan sát trên hệ trục tọa độ gắn với rotor ( hệ trục dq ), nên khi thiết lập điện áp của rôto trên hệ tọa độ khác ta cần chú ý tới tốc độ quay của rôto Chẳng hạn như khi ta quan sát trên hệ tọa độ lấy stator làm gốc khi đó do rôto quay với tốc độ góc là ω nên ta có phương trình sau:

= + ψ − ωψ

r

r r

ψs=isLs+irLm (1.25)

ψr=isLm+irLr (1.26) Trong đó:

Ls, Lr : Là các giá trị điện cảm trên rôto và stato

Lm : Là giá trị hỗ cảm stato và rôto

Phương trình mô men của động cơ là:

( )

2

3)(2

3

M= pc ψsis =− pc ψrir (1.27) Phương trình chuyển động của động cơ là:

M = Mc +

dt

d p

Jc

ω

(1.28)

Trong đó:

Mc : Là mô men cản của động cơ

J : Là mô men quán tính của động cơ

ω : Là tốc độ góc của rôto

Từ các phương trình cơ bản trên ta tìm cách xây dựng mô hình động cơ trên các

hệ tọa độ stator (αβ) và hệ tọa độ rôto ( dq )

1.3.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator (αβ)

Từ các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ta có hệ phương trình

của động cơ trên hệ tọa độ αβ [4] có dạng như sau:

Từ hai biểu thức tính từ thông của ( 1.29 ), có thể rút ra được giá trị của dòng

điện và từ thông của stator theo dòng stator và từ thông của rôto như sau:

s

s

rL

1

(

s r

s

i Lm) (1.30)

(

s r

s

i Lm) Thay các giá trị trên vào hai biểu thức đầu của phương trình (1.29) có:

L dt

r

ψ

(1.31)

0 = - s

s

ir

mT

L

+

s r

rT

Trong đó:

Tr : Là hằng số thời gian của rôto

Ts : Là hằng số thời gian của stator

σ : Là hệ số tiêu tán, được tính theo công thức:

σ = 1 -

r s

2 mL L L

Chiếu hệ ( 1.31) nên hai trục αβ của hệ tọa độ stator có:

LT

iTT

di

sa s

' r

' r r

s r s

dt σ σ σ ψ σ ωψ + σ

σ

− + σ

− +

σ

− + ψ σ

σ

−

− σ

σ

− + σ

s

' r

' r r

s r s

u L

1 1

T

1 i ) T

1 T

T

1

β α

α − ψ − ωψ (1.32)

ψβ= β −ψβ +ωψ'α

r

' r s r

' r

) (

1

dt i

Td

Trong đó:

ψ'rα =

m

rLα

Khi đú phương trỡnh của mụ men cú dạng sau:

2

3

i L

L

s

s r r

' r r

2 m c

2

3

α β β

ψ −

(1.33)

Như vậy mụ hỡnh liờn tục của động cơ khụng đồng bộ trờn hệ tọa độ stator ( αβ )

được mụ tả bởi hệ phương trỡnh sau:

LT

iTT

di

sa s

' r

' r r

s r s

dt σ σ σ ψ σ ωψ + σ

σ

− + σ

− +

σ

− + ψ σ

σ

−

− σ

σ

− + σ

s

' r

' r r

s r s

u L

1 1

T

1 i ) T

1 T

1 (

T

1

β α

α − ψ − ωψ (1.34)

ωψψ

ψ

α β

β

r

' r s r

' r

) (

1

dt iT

' r r

2 m c

2

3

α β β

s

u B x A dt

x

d = + (1.35) Trong đú:

uss : Là vectơ các đại l-ợng đầu vào

s 21

s 12

s 11A A

s 1B B

Trong đó:

s

11A

−

r s

r s

T

1 T

1 0

0 T

1 T 1

σ

−

−

ωσ

σ

−σ

11

0 T

0 L

1

; s 1

0 0

Ta có sơ đồ minh họa mô hình của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ stator như sau:

1.3.3 Mô hình của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay đồng bộ (dq)

Theo [4], do hệ tọa độ từ thông rôto dq quay so với hệ tọa độ tĩnh αβ với tốc độ

là ωs, nên trong phương trình điện áp của stator và rôto ta phải thêm các thành phần

+ jωs f

s

ψ (1.36)

)t(x

d s

∫

H×nh 1.5 M« h×nh tr¹ng th¸i cña §CK§B trªn hÖ

Tương tự như phần 1.3.2 ta rút gọn các giá trị của ir, và ψs, từ hai phương trình

và thay vào các phương trình điện áp của stator và rôto Chiếu nên hai trục tọa độ dq ta thu được hệ phương trình:

' rd r sq

s sd r s

u L

1 1

T

1 i i

) T

1 T

1 (

σ + ωψ σ

σ

− + ψ σ

σ

− + ω + σ

σ

− + σ

iTT

s

' rd

' rq r

sq r s sd

s

1 1

1 1

1

σψψ

σσ

− +

' rd sd r

)(

)(

ψ

rd s

' rq r

sq r

) (

T

1 i

T

1

ψ ω

− ω

− ψ

' rd r sq

s sd r s

u L

1 1

T

1 i i

) T

1 T

1 (

σ + ωψ σ

σ

− + ψ σ

σ

− + ω + σ

σ

− + σ

iTT

s

' rd

' rq r

sq r s sd

s

1 1

1 1

1

σψψ

σσ

− +

' rd sd r

)(

)(

1

i

T (1.40)

0 =

' rd s

' rq r

sq

r

) (

− ω

− ψ

r

2 m

L

L p 2

Ta có thể viết gọn dưới dạng ma trận như sau:

s f f f

f

x N u B x A dt

x d

ω +

+

= (1.41) Trong đó:

f 21

f 12

f 11A A

A A

f 1B B

−

r s

r s

T

1 T

1 0

0 T

1 T

σ

−

−

ωσ

σ

−σ

11

0 T

1

; f 22

1

; f 1

0 L

0 0

1 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

Ta có mô hình minh họa cho tr-ờng hợp này nh- sau :

Nhận xét :

Khác với hệ ph-ơng trình trên hệ tọa độ αβ, hệ ph-ơng trình của động cơ không đồng bộ trên hệ trục dq có thêm biến ωs , nh-ng thực chất trong hệ ph-ơng trình trên hệ tọa độ αβ các giá trị usα và u

s β đã bao gồm giá trị ωs ẩn trong đó

Trong chế độ xác lập giá trị dòng điện isd và isq , từ thông rôto ψd có giá trị không đổi, chúng chỉ thay đổi

A f

N

dtx

trong quá trình quá độ Do vậy mà mô hình này rất thuận lợi trong việc lập các thuật toán điều khiển cho động cơ

đồng bộ dq

Đối với mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ, việc mô tả động cơ đơn giản và dễ tính toán, nh-ng do tính chất phi tuyến của động cơ không đồng bộ có nhiều thông số thay đổi ảnh h-ởng đến các ph-ơng trình của mô hình Do vậy trong mô hình liện tục ta phải dùng phép tuyến tính hoá và bỏ qua nhiều thông số ảnh h-ởng Điều này gây sai

số trong quá trình tính toán của hệ thống

Để khắc phục nh-ợc điểm trên trong việc mô tả động cơ không đồng bộ ta cần phải chia quá trình hoạt động của

động cơ thành các khoảng thời gian nhỏ Trong mỗi khoảng thời gian này ta đ-ợc phép tuyến tính hoá các tham số của

động cơ và loại bỏ các thông số ảnh h-ởng

Nh- vậy nếu khoảng thời gian gián đoạn càng nhỏ thì việc tính toán hệ thống càng chính xác, nh-ng để thực hiện

đ-ợc việc này ta phải có các bộ tính toán và xử lý có tốc

độ cao Với tốc độ phát triển nhanh nh- hiện nay của kỹ thuật điện tử, tin học, vi xử lý ta hoàn toàn có thể áp dụng đ-ợc mô hình gián đoạn của động cơ vào trong thực

tế, nhằm nâng cao chất l-ợng điều khiển của động cơ không

đồng bộ

T-ợng tự việc mô tả động cơ bằng mô hình liên tục, việc mô tả động cơ không đồng bộ trên mô hình gián đoạn cũng đ-ợc xây dựng trên hai hệ tọa độ αβ và dq

T-ơng tự nh- trên dựa vào hệ ph-ơng trình liên tục mô tả động cơ trên hệ tọa độ dq ta thiết lập đ-ợc mô hình gián đoạn của động cơ nh- sau :

x (k 1) ( , ,T).x (k) H ( , ,T).u f(k)

s s f f

s f

Φ : Là ma trận quá độ trạng thái nó phụ thuộc vào

tốc độ rôto ω và chu kỳ lấy mẫu T

T K

s

f s

f

B d ) N A ( exp )

T-ơng tự nh- phần trên, trong tr-ờng hợp này nếu

ta xây dựng hệ thống có chu kỳ lấy mẫu càng nhỏ (nhỏ hơn

φ φ

= ω

ω

φ

f 22

f 21

f 12

f 11 s

H

H )

=

r s s

s r

s f

11

T

1 T

1 T 1 T

.

T T

1 T

1 T 1

σσ

ω

ω

σσ

12

T

T

1T.1

T

1T

T

1

σ

σω

σ

σ

ωσ

σσ

r

r f

21

T

T 0

0 T

−ω

−

ω

−ω

−

=φ

r s

s r

f 22

T

T1T(

T(

T

T1

0 L

0 0

)1k(

s

f 1 f

/ r

f 12

f s

f 11

f

s + =φ +φ ψ +

) k ( )

k ( i.

f s

f 21

Hình 1.7 : Mô hình biểu diễn trạng thái của động cơ trong

mô hình gián đoạn trên hệ tọa độ dq

1.4.1 Mô hình gián đoạn của động cơ trên hệ trục tọa

Theo [4], từ mô hình liên tục của động cơ trên hệ trục

tọa độ αβ ta thiết lập đ-ợc ph-ơng trình của mô hình gián

đoạn có dạng sau:

x ( k 1 ) ( , T ) x ( k ) H ( , T ) uss ( k )

s s

s s

ω + ω

i f

) 1 k (

f

ψ

=ω

=ωΦ

0

s s

s

!

TAT

)(Aexp)T,

(1.47)

T ) 1 k (

1 s s

s s

BT

!

)A(B

d),()

T,(

ma trận Φs và Hs ta chỉ cần khai triển bậc nhất là đủ Kết

quả xấp xỉ bậc nhất của ma trận Φs và Hs có dạng nh- sau:

ΦΦ

=ω

22

s 21

s 12

s 11 s

)T,

= Φ

r s

r s s

11

T

1 T

1 1 1 0

0 T

1 T

1 1 1

σ

−σ

12

T

T1T1

T

1T

T1

r

r s

21

T

T0

0T

TT

1

L

T0

0L

0 0

Hs2

Ta nhận thấy Hs

2 là một tập con rỗng, do vậy có thể viết lại hệ ph-ơng trình mô tả mô hình gián đoạn ĐCKĐB

trên hệ trục tọa độ αβ nh- sau:

=+ψ

+ψΦ+Φ

=+

)k()

k(i)

1k(

)k(uH)k()

k(i)

1k(i

s r

s 22

s s

s 21

s s

s s

s 1

s r

s 12

s s

s 11

s s

(1.49)

Ta có thể biểu diễn hệ ph-ơng trình trên bởi mô hình sau:

Hình 1.8: Mô hình trạng thái gián đoạn của ĐCKĐB trên hệ

tọa độ αβ

Căn cứ vào hai mô hình trên ta có thể lập đ-ợc hai mô hình dòng điện và từ thông riêng biệt, nhờ đó mà ta có thể thiết lập đ-ợc các khâu điều chỉnh dòng điện và khâu -ớc l-ợng từ thông:

- Mô hình dòng điện là nửa trên của sơ đồ, nó có hai tín hiệu vào là điện áp và từ thông Trong đó tớn hiệu từ thông đ-ợc coi là đại l-ợng biến thiên chậm và nó sẽ đ-ợc

bù san bằng ngay ở đầu vào của khâu điều chỉnh dòng

- Mô hình từ thông là mô hình nửa d-ới, ý nghĩa của mô hình này là ta có thể tính gián tiếp giá trị từ thông rôto qua giá trị dòng điện stator và tốc độ góc rôto Từ

) k (

uss iss ( k + 1 )

) 1 k (

s

ψ

) k (

s r

ψ

) k (

iss

s 11

Φ

I

Z− 1

s 21

Φ

s 12

Φ

I

Z− 1

s 22

Φ

s 1

H

s 2

HNửa mô hình Nửa mô hình

đó ta có thể tính gần chính xác giá trị từ thông tại mọi

giải tần số công tác

Nhận xét:

Mô hình gián đoạn của động cơ trên hai hệ trục tọa độ

có hình thức cơ bản giống nhau, điều này cho phép ta thống

nhất về ph-ơng pháp xây dựng các khâu điều chỉnh cho động

cơ

Các thành phần vectơ đầu vào và vectơ trạng

thái của mô hình mô tả trên hệ tọa độ dq là thành phần một

chiều có trị số không đổi trong quá trình tĩnh, nó chỉ

chúng là những đại l-ợng biến thiên hình sin Đây là điều

cơ bản ảnh h-ởng đến chất l-ợng truyền động giữa hai

ph-ơng án điều chỉnh

1.5 Tổng quan về hệ thống điều khiển điều khiển véctơ

1.5.1 Sơ l-ợc về ph-ơng pháp điều khiển véctơ

Theo [4], nguyên lý điều khiển véctơ dựa trên ý t-ởng

điều khiển động cơ không đồng bộ t-ơng tự nh- điều khiển

động cơ một chiều

Hình 1.9 mô tả sự t-ơng tự này: ở động cơ điện một

chiều nếu ta bỏ qua phản ứng phần ứng, coi mạch từ ch-a

bão hoà khi đó mômen của động cơ một chiều đ-ợc tính bởi

công thức sau:

M = kΦI

-=k’Ikt Iư (1.50)

Trong đó:

Ikt , I- : Là dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng của động cơ

Φ : Là từ thông của động cơ

ở đây dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ không phụ thuộc vào nhau, do đó ta có thể điều khiển độc lập dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ để đạt đ-ợc mômen mong muốn Nếu ta duy trì dòng điện kích từ không đổi thì mômen đ-ợc điều khiển bởi dòng điện phần ứng

Cách điều khiển này có thể áp dụng cho động cơ không

đồng bộ nếu ta sử dụng lý thuyết vectơ không gian để mô tả các trạng thái của động cơ không đồng bộ Với ý t-ởng

định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ và mô tả

động cơ trên hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ với từ tr-ờng stator (ωs) Véctơ dòng điện stator Is đ-ợc phân tích thành hai thành phần trên hai trục dq vuông góc với nhau: Isq , Isd Nếu chọn trục d trùng với trục của từ thông rôto thì ph-ơng trình mômen của động cơ đ-ợc biểu diễn nh- sau:

Đk và NL

M = K ψrIsq = K’IsdIsq

ĐC

Hình 1.9 : Sự t-ơng tự giữa ph-ơng pháp điều khiển

động cơ một chiều và điều khiển vectơ

ĐCKĐB

37

M = K ψrI

sq = K’I

sdI

Nh- vậy nếu ta điều khiển độc lập các thành phần của dòng điện Stator trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với từ tr-ờng quay (hệ dq) thì việc điều khiển động cơ không đồng bộ t-ơng đ-ơng với việc điều khiển động cơ một chiều Trong tr-ờng hợp này thành phần

Isd đóng vai trò t-ơng tự nh- thành phần dòng kích từ, còn thành phần Isq đóng vai trò nh- dòng điện phần ứng I-

Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ đ-ợc mô ta ở hình 1.11 Trên hình 1.11 ta không vẽ bộ nghịch l-u và coi thành phần dòng điện ba pha chuẩn nhận đ-ợc từ hệ thống điều khiển Bằng hai phép biến

đổi tọa độ (abc/αβ) và (αβ/dq) cộng với việc xác định đ-ợc góc quay của từ tr-ờng θs ta nhận đ-ợc hai thành phần: Isd,

Isq, hai thành phần này đ-ợc đặt vào mô hình của động cơ nh- hình 1.11

Dựa vào nguyên tắc xác định góc θs của từ tr-ờng quay

ta có thể chia ra thành 2 ph-ơng pháp điều khiển vectơ

dq

αβ abcαβ

αβ

dq abc

1.5.2 Ph-ơng pháp điều khiển vectơ trực tiếp

Ph-ơng pháp này đ-ợc đề xuất bởi F Blashke, nó dựa trên nguyên lý xác định trực tiếp góc quay của từ tr-ờng θs

từ các thành phần từ thông khe hở hoặc từ thông rôto trên hai

trục d và q của hệ tọa độ dq Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vectơ trực tiếp sử dụng cảm biến từ thông đ-ợc trình

αβ

abc

ĐK

Tính : cosθs,

d s

Ψ

Ψ θ

0

d s

(1.53)

Víi ψ0d, ψ0q lµ c¸c thµnh phÇn tõ th«ng khe hë däc trôc

vµ ngang trôc