Nghiên cứu hệ thống điều khiển vecto động cơ không đồng bộ dùng cảm biến tốc độ

Với ý tưởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ và mô tả động cơ ở hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ ωs hệ trục dq, các đại lượng dòng điện, điện áp, từ thông là các đại lư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN HOÀNG MINH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

Hà Nội – Năm 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN HOÀNG MINH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

TS NGUYỄN MẠNH TIẾN

Hà Nội - Năm 2016

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của

L ỜI CẢM ƠN

Tôi chân thành cảm ơn TS Nguyễn Mạnh Tiến – Bộ môn Tự Động Hóa XNCN –

Viện Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành

bản luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo ở bộ môn Tự Động Hóa XNCN

- Viện Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tại trường

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Một số quy ước

Chỉ số viết trên cao bên phải

- f: là đại lượng mô tả trên hệ tọa độ tựa theo từ thông (hệ tọa độ dq quay đồng

bộ với vecto từ thông)

- s: đại lượng mô tả trên hệ tọa độ 𝛼𝛽 cố định với stator

- r: đại lượng mô tả trên hệ tọa độ cố định với roto

Chỉ số phía dưới bên phải

- Chữ cái thứ nhất: d, q các thành phần thuộc hệ tọa độ dq

𝛼𝛽 các thành phần thuộc hệ tọa độ 𝛼𝛽

- Chứ cái thứ hai: s đại lượng mạch stator

r: đại lượng mạch rotor

Lm: Hỗ cảm giữa rotor và stator

L𝛿s: Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stato

L𝛿r: Điện cảm tiêu tán phía cuộn dây roto đã quy đổi về stator

Ls = Lm + L𝛿s: Điện cảm stator

Lr = Lm + L𝛿r: Điện cảm roto

Ts = Ls/Rs : Hằng số thời gian mạch stato

Tr = Lr/Rr : Hằng số thời gian mạch roto

𝛿 = 1 − 𝐿2𝑚

𝐿𝑠.𝐿𝑟 : Hệ số tiêu tán tổng

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Tên hình v ẽ Trang

Hình 1.5 Mô hình động cơ không đồng bộ roto lồng sóc trên hệ tọa độ (𝛼𝛽) 12

Hình 1.7 Sự tương tự giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều và điều

Hình 1.13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vecto động cơ không đồng bộ

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo mô hình quan sát từ

Hình 2.4 Xác định từ thông roto bằng Sensor Hall 34 Hình 2.5 Tính toán từ thông roto từ đại lượng điện áp và dòng điện stato 35 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc mô hình quan sát từ thông roto từ dòng điện và từ

Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống mô phỏng điều khiển vecto động cơ không đồng bộ

Hình 4.10 Đồ thị sai lệch giữa tốc độ thực của động cơ và tốc độ tính toán 55 Hình 4.11 Đồ thị từ thông quan sát trong hệ thống điều khiển động cơ không

Hình 4.12 Đồ thị sai lệch giữa từ thông thực của động cơ và từ thông tính toán 56 Hình 4.13 Đồ thị dòng điện 𝐼𝑑 trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 57 Hình 4.14 Đồ thị sai lệch giữa dòng 𝐼𝑑 thực của động cơ và dòng 𝐼𝑑 tính toán 57 Hình 4.15 Đồ thị dòng điện 𝐼𝑞 trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 58 Hình 4.16 Đồ thị sai lệch giữa dòng 𝐼𝑞 thực của động cơ và dòng 𝐼𝑞 tính toán 58 Hình 4.17 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển vecto động cơ không đồng bộ

Hình 4.18 Đồ thị tốc độ trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 61 Hình 4.19 Đồ thị sai lệch tốc độ giữa hai hệ thống điều khiển vecto

Hình 4.20 Đồ thị từ thông quan sát trong hệ thống điều khiển động cơ không

Hình 4.21 Đồ thị sai lệch từ thông giữa hai hệ thống điều khiển vecto

Hình 4.22 Đồ thị dòng điện 𝐼𝑑 trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 63 Hình 4.23 Đồ thị sai lệch dòng điện 𝐼𝑑 giữa hai hệ thống điều khiển vecto

Hình 4.24 Đồ thị dòng điện 𝐼𝑞 trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 64 Hình 4.25 Đồ thị sai lệch dòng điện 𝐼𝑞 giữa hai hệ thống điều khiển vecto

Hình 4.26 Đồ thị mômen động cơ trong hệ thống điều khiển vecto động cơ

MỤC LỤC

TRONG HỆ KHÔNG GIAN VECTƠ Error! Bookmark not defined

1.1 Tổng quan động cơ không đồng bộ dưới dạng không gian vectơError! Bookmark

not defined

1.1.1 Vectơ không gian Error! Bookmark not defined 1.1.2 Chuyển hệ tọa độ cho các vectơ không gian Error! Bookmark not defined

1.2 Mô hình toán học động cơ khồng đồng bộ Error! Bookmark not defined

1.2.1 Hệ phương trình cơ bản Error! Bookmark not defined 1.2.2 Các phương trình và mô hình trạng thái liên tục của động cơ trên hệ tọa độ 𝛼𝛽

Error! Bookmark not defined 1.2.3 Các phương trình và mô hình trạng thái liên tục trên hệ tọa độ dq Error!

Bookmark not defined

1.3.Tổng quan về hệ thống điều khiển vecto động cơ không đồng bộError! Bookmark

TỪ THÔNG ROTO Error! Bookmark not defined

2.1 Tổng quan về điều khiển không dùng cảm biến tốc độError! Bookmark not defined

2.2 Các phương pháp ước lượng tốc độ Error! Bookmark not defined

2.2.1 Tính toán độ trượt Error! Bookmark not defined

2.2.2 Tính toán tốc độ theo phương trình mô tả động cơ trên hệ tọa độ dq Error!

Bookmark not defined

2.2.3 Mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ Error! Bookmark not

defined

2.2.4 Tính toán trực tiếp tốc độ Error! Bookmark not defined

2.2.5 Tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn Error! Bookmark not defined

2.3 Các phương pháp tính từ thông roto Error! Bookmark not defined

2.3.1 Phương pháp dùng sensor từ thông (Hall Sensor) Error! Bookmark not

Error! Bookmark not defined

3.1 Khái niệm siêu ổn định của Popov Error! Bookmark not defined

3.1.1 Hệ thống phản hồi dạng chuẩn Error! Bookmark not defined 3.1.2 Các định nghĩa ổn định Popov Error! Bookmark not defined 3.1.3 Định lý ổn định Popov Error! Bookmark not defined 3.2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ dq Error! Bookmark not defined

3.3 Thuật toán tính toán tốc độ Error! Bookmark not defined 3.4 Mô hình quan sát Error! Bookmark not defined

ĐỘ Error! Bookmark not defined

4.1 Hệ thống điều khiển vecto không dùng cảm biến tốc độ Error! Bookmark not

defined

4.2 Mô phỏng thuật toán tính toán tốc độ Error! Bookmark not defined

4.2.1 Các sơ đồ mô phỏng Error! Bookmark not defined

4.2.2 Kết quả mô phỏng kiểm nghiệm thuật toán ước lượng tốc độError! Bookmark

not defined

4.3 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển vecto không dùng cảm biến tốc độError!

Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

PHỤ LỤC A Error! Bookmark not defined

PHỤ LỤC B Error! Bookmark not defined.6

Chương 1

T ỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ TRONG HỆ KHÔNG GIAN VECTƠ

1.1 Tổng quan động cơ không đồng bộ dưới dạng không gian vectơ

1.1.1 Vectơ không gian

Động cơ KĐB 3 pha có 3 cuộn dây stator giống nhau đặt lệch nhau 1200 được cấp điện từ nguồn 3 pha đối xứng Có thể coi các đại lượng dòng điện là các vectơ, với độ lớn

là các thành phần dòng điện các pha (ias, ibs, ics) và hướng trùng với trục của cuộn dây ba pha tương ứng

Hình 1.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng điện

Ba dòng điện ias, ibs, ics thỏa mãn phương trình:

Trong đó từng dòng điện 3 pha được viết ở dạng như sau (1.2):

Hình 1.2 Thiết lập vectơ không gian từ các đại lượng 3 pha

Vậy vectơ dòng điện không gian của stator được định nghĩa như sau:

Trong đó ı̅slà 1 vectơ có modul không thay đổi, quay trên mặt phẳng phức với tốc

độ góc ωe=2πfs và tạo với trục thực 1 góc γ = ωe(t) Dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vectơ mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng Đặt hệ tọa độ (αβ) trong hệ không gian động cơ Hai hình chiếu của vecto dòng điện được đặt tên là hai dòng điện iαs và iβs Vectơ dòng điện stato có thể viết ở dạng:

Với giả thiết dòng điện 3 pha là đối xứng, các thành phần thứ tự không bằng không, hai thành phần iαs và iβs là thành phần dòng điện hình sin Được tính từ các thành

Hình 1.3 Biểu diễn dòng stato dưới dạng vectơ không gian

Tương tự đối với các đại lượng khác của động cơ: Điện áp stato ūs, dòng điện roto ı̅r, từ thông stato và từ thông roto đều có thể biểu diễn trên hệ tọa độ stato (αβ)

Trục pha B

Trục pha C

Trục pha A (trục α)β

𝑢�𝑠 = 𝑢𝛼𝑠+ 𝑗𝑢𝛽𝑠𝚤̅𝑟 = 𝑖𝛼𝑟+ 𝑗𝑖𝛽𝑟Ѱ�𝑠 = Ѱ𝛼𝑠+ Ѱ𝛽𝑠Ѱ�𝑟 = Ѱ𝛼𝑟+ Ѱ𝛽𝑟

1.1.2 Chuyển hệ tọa độ cho các vectơ không gian

Xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của vectơ từ thông roto Ѱ�𝑟 , quay v ới tốc độ từ trường quay và gốc trùng với gốc của hệ tọa độ stato

Đặt tên cho trục mới của hệ tọa độ mới là d và q (d – có hướng trùng với vectơ từ thông roto) Giả sử quan sát một động cơ đang quay với tốc độ góc 𝜔𝑟 = 𝑑𝜃𝑟

𝑑𝑡

� Với θr là góc tạo bởi trục của roto và trục α (hình 1.4)

Hình 1.4 Biểu diễn vecto không gian trên hệ tọa độ dq

Hình 1.4 biểu diễn cả 2 vecto dòng điện stator 𝚤̅𝑠 và vecto từ thông rotor Ѱ�𝑟 quay

với tốc độ góc 𝜔𝑠 = 2𝜋𝑓𝑠 = 𝑑𝜃𝑠

𝑑𝑡

�

(1.7)

Hệ trục tọa độ dương trong hình 1.4 có trục thực trùng với trục của vecto từ thông rotor hệ trục này quay xung quanh điểm gốc chung với tốc độ 𝜔𝑠

Hình chiếu của 𝚤̅𝑠 lên hệ trục mới này là Ids và Iqs

Với quy ước như sau:

𝚤̅𝑠𝑠: Vecto dòng điện stator quan sát trên hệ tọa độ cố định stator (hệ 𝛼𝛽)

𝚤̅𝑠𝑓: Vecto dòng điện stator quan sát trên hệ tọa độ từ thông roto (hệ dq)

Quy ước này được dùng cho các đại lượng khác một cách tương tự

1.2 Mô hình toán h ọc động cơ khồng đồng bộ

1.2.1 Hệ phương trình cơ bản

Sử dụng khái niệm vecto không gian viết các phương trình cân bằng điện áp stato

và roto của động cơ KĐB:

Trong đó: Rs, Rrlà điện trở pha của roto và stato

Sử dụng khái niệm vecto không gian (1.3) các phương trình điện áp stato và roto

có thể viết dưới dạng vecto:

Trong đó:

𝜑𝑠: là góc giữa Ѱ�𝑠 và 𝚤̅𝑠

𝜑𝑟: là góc giữa Ѱ�𝑟 và 𝚤̅𝑟 Phương trình chuyển động:

1.2.2 Các phương trình và mô hình trạng thái liên tục của động cơ trên hệ tọa độ 𝜶𝜷

Hệ phương trình vecto mô tả động cơ KĐB trên hệ tọa độ (𝛼, 𝛽) gắn trên stato của động cơ nhận được từ (1.15 – 1.18) có dạng:

(1.22)

Đặt biến trạng thái của động cơ là [𝚤̅𝑠𝑠 Ѱ�𝑠𝑠]𝑇

Có hệ phương trình trạng thái ở dạng tổng quát mô tả động cơ không đồng bộ roto

(1.23)

Từ phương trình cuối của (1.21) suy ra: 𝚤̅𝑟𝑠 =Ѱ�𝑟 −𝐿𝑚𝚤̅𝑠

𝐿𝑟 thay vào phương trình (1.18) được biểu thức mômen động cơ:

1.2.3 Các phương trình và mô hình trạng thái liên tục trên hệ tọa độ dq

Quy đổi hệ phương trình (1.15-1.18) về hệ tọa độ (d,q), nhận được hệ phương trình:

𝑢�𝑠𝑓 = 𝑅𝑠𝚤̅𝑠𝑓+𝑑Ѱ�𝑠𝑓

𝑑𝑡 + 𝑗𝜔𝑠Ѱ�𝑠𝑓

0 = 𝑅𝑟𝚤̅𝑟𝑓+𝑑Ѱ�𝑟𝑓

𝑑𝑡 + 𝑗(𝜔𝑠− 𝜔𝑟)Ѱ�𝑟𝑓 Ѱ�𝑠𝑓 = 𝐿𝑠𝚤̅𝑠𝑓+ 𝐿𝑚𝚤̅𝑟𝑓

Ѱ�𝑟𝑓 = 𝐿𝑚𝚤̅𝑠𝑓+ 𝐿𝑟𝚤̅𝑟𝑓Tương tự trường hợp hệ tọa độ stato, ta tìm cách khử dòng roto cũng như từ thông stato khỏi hệ phương trình và ta thu được hệ phương trình mô tả động cơ trên hệ tọa độ dq:

𝐼 = �1 00 1�; 𝐽 = �0 −11 0 �Cũng có thể viết ở dạng sau:

Từ (1.28) ta rút 𝚤̅𝑟𝑓 thay vào (1.18) thu được công thức tính mômen từ các thành

phần với điều kiện: trục d trùng với trục của từ thông roto (có thể đặt Ѱ𝑞𝑟 = 0)

𝑀 = 32𝑝𝑐𝐿𝑚

𝐿𝑟 Ѱ𝑑𝑟𝐼𝑞𝑠 =32𝑝𝑐(1 − 𝜎) 𝐿𝑠

Hai phương trình (1.31) và (1.32) được kết hợp với nhau được mô hình trọn vẹn

của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc trên hệ tọa độ dq (hình 1.7)

Hình 1.6 Mô hình động cơ trên hệ tọa độ dq

1.3 Tổng quan về hệ thống điều khiển vecto động cơ không đồng bộ

1.3.1 Nguyên lý điều khiển vectơ

Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng

bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều Sự tương tự của các phương pháp điều khiển đó được trình bày trên hình 1.7

Ở động cơ một chiều, bỏ qua phản ứng phần ứng và giả thiết mạch từ không bão hoà, momen động cơ một chiều được tính như sau:

Iư: Dòng điện phần ứng

Ikt: Dòng điện kích từ

K, K’: Các hằng số

Hình 1.7 Sự tương tự giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều

và điều khiển vecto động cơ không đồng bộ

b Điều khiển xoay chiều

a Điều khiển một chiều

Nhận thấy rằng dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ (hoặc từ thông) không phụ thuộc vào nhau Vậy có thể điều khiển độc lập dòng kích từ và dòng phần ứng để đạt được đặc tính mômen tối ưu Duy trì dòng điện kích từ là không đổi (Ikt = const), mômen được điều chỉnh bằng điều chỉnh dòng điện phần ứng

Phương pháp điều khiển này có thể áp dụng cho động cơ không đồng bộ nếu sử

dụng khái niệm vectơ không gian Với ý tưởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ và mô tả động cơ ở hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ ωs (hệ trục dq), các đại lượng dòng điện, điện áp, từ thông là các đại lượng một chiều Vectơ dòng điện có thể tách ra làm hai thành phần trên hai trục vuông góc d và q: Ids và Iqs Mômen động cơ không đồng bộ là hàm của từ thông và dòng điện stato (1.32) Bằng cách chọn trục d trùng với từ thông roto, phương trình từ thông, mômen sẽ viết lại như sau:

Ѱ𝑑𝑟: Hình chiếu của vecto từ thông roto trên trục d

𝐼𝑑𝑠, 𝐼𝑞𝑠: Hình chiếu của vecto dòng điện stato trên hai trục d và q

𝐿𝑟, 𝐿𝑚: Điện cảm roto, hỗ cảm giữa stato và roto

động cơ, từ thông đã giữ ổn định, khi đó quan hệ (1.346b) cho thấy rằng mômen M có thể được điều khiển thông qua việc điều khiển 𝐼𝑞𝑠 Do đó 𝐼𝑞𝑠 còn được gọi là dòng tạo mômen quay và nó tương ứng với dòng phần ứng 𝐼ư trong động cơ một chiều kích từ độc

lập Phương pháp điều khiển tách rời hai thành phần dòng điện stato có thể được minh

Các thành phần dòng điện trên hai trục có thể thay đổi một cách độc lập nhau Với

đồ thị hình 1.8a, thành phần dòng điện 𝐼𝑑𝑠 duy trì không đổi tương ứng với từ thông roto được duy trì không đổi, mômen động cơ thay đổi khi thay đổi thành phần 𝐼𝑞𝑠 (từ 𝐼𝑞𝑠1 đến

𝐼𝑞𝑠2) Kết quả vecto dòng điện stato thay đổi từ 𝐼𝑠1 đến 𝐼𝑠2 Rõ ràng trong trường hợp này

cả biên độ và góc pha của vecto dòng điện stato thay đổi

Hình 1.8 Đồ thị pha của phương pháp điều khiển vecto

Tương tự như vậy hình 1.8b thành phần 𝐼𝑞𝑠 được duy trì không đổi, thay đổi thành

phần 𝐼𝑑𝑠 sẽ làm thay đổi độ lớn và góc pha của vecto dòng điện stato

Xây dựng được sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vecto của động cơ không đồng

bộ trình bày trên hình 1.9

Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ điều khiển vecto động cơ không đồng bộ

1.3.2 Các phương pháp điều khiển vecto cơ bản

Theo nguyên lý xác định góc quay và từ trường chia làm hai phương pháp điều khiển vecto:

- Phương pháp điều khiển trực tiếp, đề xuất bởi F.Blashke

- Phương pháp điều khiển gián tiếp, đề xuất bởi K.Hasse

a Phương pháp điều khiển trực tiếp

Nguyên lý điều khiển vecto trực tiếp là một phương pháp điều khiển vecto dựa trên phương pháp xác định trực tiếp góc quay từ trường 𝜃𝑠 từ các thành phần từ thông khe hở

hoặc từ thông roto trên hai trục của hệ tọa độ vuông góc (𝛼𝛽)

𝛼𝛽

𝑢𝑠𝑑

𝑢𝑠𝑞

𝛼𝛽

Hình 1.10 Xác định từ thông roto trên hệ tọa độ vuông góc (𝛼𝛽)

b Phương pháp điều khiển vecto gián tiếp

Đối với phương pháp điều khiển vecto trực tiếp, các thành phần quay sin 𝜃𝑠 và

cos 𝜃𝑠 được tính toán dựa vào các điều kiện đầu cực động cơ thì ở phương pháp điều khiển vecto gián tiếp góc 𝜃𝑠 được tính toán dựa vào dòng điện và tốc độ roto

Hình 1.11 Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển vecto gián tiếp

𝛼

𝛽 𝚤̅𝑠

Nguyên lý được trình bày thông qua đồ thị góc pha hình 1.11 Trục d của hệ trục

tọa độ quay đồng bộ (dq) lệch với trục 𝛼 của hệ trục tọa độ tĩnh (𝛼𝛽) một góc 𝜃𝑠:

(1.39)

Mômen động cơ được tính như sau:

𝑀 = 32𝑝𝑐𝐿𝑚

Hình 1.12 biểu diễn sơ đồ cấu trúc tính toán góc quay 𝜃𝑠

Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc tính toán góc quay từ trường

Hệ truyền động điều khiển vecto gián tiếp có thể làm việc ở bốn góc phần tư và tốc

độ có thể điều khiển được từ 0 đến định mức Hệ thống điều khiển vecto gián tiếp cần

phải có tín hiệu vị trí roto và chất lượng điều chỉnh phụ thuộc vào thông số máy điện Để đảm bảo điều khiển độc lập các tham số, bộ điều khiển cần phải điều chỉnh phù hợp với các tham số động cơ Tham số ảnh hưởng đến các đặc tính của hệ thống cần phải tính toán trong quá trình làm việc là điện trở roto

1.3.3 Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông roto

Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông roto động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ được trình bày trên hình 1.13 Trong hệ thống này, máy phát tốc độ

ở các hệ thống trước đây được thay thế bằng “mô hình động cơ” Khối này sẽ tính tốc độ roto, từ thông roto và nhận dạng tham số Góc quay của vecto từ thông 𝜃𝑠 được xác định

từ các thành phần từ thông roto tính toán trên hai trục của hệ tọa độ cố định (𝛼, 𝛽)

Hệ thống gồm hai kênh độc lập: mômen và từ thông Kênh điều khiển mômen gồm

bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh thành phần dòng điện mômen Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh tốc độ là tính hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện tạo mômen 𝐼𝑞𝑠 Kênh điều chỉnh từ thông có bộ điều chỉnh thành phần dòng điện tạo từ thông

𝐼𝑞𝑠 với tín hiệu đặt thành phần dòng điện từ thông là định mức

Tốc độ tính toán 𝜔�𝑟 được xác định bởi khối tính toán tốc độ, được sử dụng làm tín

hiệu phản hồi của bộ điều chỉnh tốc độ 𝑅𝜔 Các tín hiệu ra của 2 mạch vòng điều chỉnh dòng điện 𝑈𝑑𝑠∗ và 𝑈𝑞𝑠∗ được biến đổi thành các thành phần điện áp chuẩn 3 pha đầu ra vào

bộ biến tần PWM (𝑢𝑎∗, 𝑢𝑏∗, 𝑢𝑐∗) nhờ các phép biến đổi tọa độ (dq)/(𝛼, 𝛽) và (𝛼, 𝛽)/(abc)

Hình 1.13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vecto động cơ

không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ

Các thành phần tín hiệu phản hồi dòng điện 𝐼𝑑𝑠 và 𝐼𝑞𝑠 được tính từ dòng điên 3 pha

bằng các khối biến đổi tọa độ (abc)/(𝛼, 𝛽) và (𝛼, 𝛽)/(dq) Góc quay từ trường 𝜃𝑠 được sử

dụng cho các phép biến đổi tọa độ (dq)/(𝛼, 𝛽) và (𝛼, 𝛽)/(dq):

ĐK PWM

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TỐC ĐỘ

VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỪ THÔNG ROTO

2.1 Tổng quan về điều khiển không dùng cảm biến tốc độ

Hệ thống truyền động điện không sử dụng cảm biến tốc độ là khuynh hướng mới phát triển mới do có nhiều ưu điểm so với hệ thống truyền động điện kinh điển dùng tín hiệu phản hồi tốc độ từ cảm biến tốc độ gắn trên trục động cơ Phương pháp mới này làm

giảm giá thành và tăng độ tin cậy của hệ thống (vì loại bỏ được đầu đo và giao diện thiết

tốc độ 10/1 Nhưng do chính xác tính toán độ trượt Các kết quả kiểm nghiệm lại cũng đã

chỉ ra rằng thuật toán chỉ cho độ chính xác ở quá trình xác lập và quá trình quá độ mang tải của động cơ trong khi đó sai số sẽ lớn trong quá trình khởi động động cơ

Giống tương tự như nguyên tắc của [8], Joetten [9] đã phát triển thuật toán trên cho động cơ làm việc ở các hệ thống khác nhau bằng sử dụng sức điện động roto thay cho sức điện động stato Tác giả đã đưa ra giả thiết rằng từ thông roto thay đổi chậm nên giá trị các thành phần từ thông roto trên 2 trục của hệ tọa độ cố định stato có thể coi gần đúng bằng đạo hàm của chúng Khi đó tốc độ trượt được xác định theo biểu thức:

𝜔𝑠𝑙 ≈ 𝜔𝑠 𝑅𝑟𝐿𝑚

𝐿𝑟

𝐸𝛼𝑠𝑖𝛼𝑠+𝐸𝛽𝑠𝑖𝛽𝑠

Do sử dụng sức điện động roto nên thuật toán (2.3) không chứa các khâu tích phân

hở và đã tránh được vấn đề trôi điểm không Nhưng phương pháp này còn một số hạn

chế: Độ trượt phụ thuộc vào tốc độ góc stato (2.3) nên ở vùng tần số thấp, sai số tính toán

có thể lớn Mặt khác, giả thiết từ thông roto biến đổi chậm chỉ đúng ở quá trình xác lập, trong các quá trình quá độ sẽ không thỏa mãn, nên thuật toán chỉ cho kết quả tốt ở quá trình xác lập

Những hạn chế của thuật toán của Abbondanti do khâu tích phân hở và của Joetten

ở quá trình quá độ đã được các nhà khoa học giải quyết với thuật toán tính toán độ trượt mới

Tác giả cho rằng độ trượt của động cơ ở trạng thái xác lập có thể xác định từ hai đại lượng độc lập của máy điện là tần số (điện áp stato và hệ số công suất) và năm tham

số động cơ Dựa trên mạch điện thay thế của động cơ ở chế độ xác lập, hệ số công suất được xác định từ các thành phần điện áp và dòng điện ba pha

phục được các hạn chế của hai phương pháp trước Nhưng thuật toán chỉ có hiệu lực ở vùng độ trượt nhỏ hơn độ trượt ứng với hệ số công suất tối ưu Điều đó có thể gây ra sự gián đoạn tại điểm độ trượt giới hạn khi độ trượt thay đổi từ thấp đến cao qua điểm đó Vì vậy, để đạt được chất lượng tính toán độ trượt cao, cần thiết phải có phương pháp hiệu

chỉnh thích nghi ở điểm độ trượt giới hạn

2.2.2 Tính toán tốc độ theo phương trình mô tả động cơ trên hệ tọa độ dq [7]

Xác định được tốc độ của động cơ sử dụng phương trình (1.29) Phương trình đó

biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ roto, dòng điện stato, điện áp stato, từ thông roto và tốc

độ từ trường quay trong hệ tọa độ quay (dq) Viết lại bỏ chữ f ở phía trên các vecto

và góc quay từ trường xác định bằng phương pháp gián tiếp Như vậy tốc độ động cơ được xác định như (2.9), trong đó dùng ký hiệu “^” để biểu thị các đại lượng tính toán

𝜔� =Ѱ�𝑟

𝑇 𝐽.��𝑅𝑠+𝑅𝑟𝐿𝑚2

Từ (2.10) ta có sơ đồ cấu trúc tính toán tốc độ roto động cơ hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ

2.2.3 Mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ [10]

Phương pháp sử dụng mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ đã giải quyết triệt để vấn đề tồn tại của các phương pháp trên Phương trình trạng thái mô tả động

cơ biểu diễn hai biến trạng thái là dòng điện stato và từ thông roto Dựa trên lý thuyết quan sát, hai trạng thái của động cơ có thể tính toán bằng một mô hình quan sát đủ bậc:

𝑑

𝑑𝑡�𝚤̂̅𝑠Ѱ��𝑟� = �𝐴

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo

mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ

2.2.4 Tính toán trực tiếp tốc độ

Phương pháp tính toán tốc độ được trình bày trên [12] không sử dụng thuật toán

phức tạp như các phương pháp trên mà phương pháp này tính toán trực tiếp tốc độ dựa trên phương trình động học mô tả động cơ Phương pháp này được rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng

Phương trình mô tả động cơ viết ở tọa độ cố định stato có dạng:

G

A

C 1/p

Ѱ��𝑠

𝚤̅𝑠𝑢�𝑠

−+

+

+

𝜔�𝑟

một số hạn chế Từ thông được tính toán bằng mạch tích phân hở nên giá trị tính toán sẽ

phụ thuộc vào sơ kiện của mạch tích phân và do hiện tượng trôi điểm không nên khó đạt được độ chính xác ở vùng tốc độ thấp Hạn chế thứ hai đó là tốc độ được tính toán bằng chia hai đa thức, đa thức mẫu số có thể bằng không trong khi tử số khác không Điều đó

sẽ làm phức tạp cho thực hiện trong thực tế

Một dạng thuật toán khác được Shirsava [11] giới thiệu Với giả thiết mômen của động cơ không biến đổi nhanh, tốc độ roto được xác định từ các thành phần điện áp và dòng điện stato và trị số đặt của độ trượt trong hệ thống điều chỉnh của hệ thống điều khiển vecto gián tiếp 𝜔𝑠𝑙∗:

2.2.5 Tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn [13]

Thuật toán tính toán tốc độ dựa theo mô hình chuẩn được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình trạng thái mô tả động cơ trong hệ tọa độ cố định stato sử dụng khái niệm số

Dựa trên hai mô hình đó, thuật toán tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn đã được

đề xuất trong [13] Về nguyên lý, mô hình điện áp không liên quan đến tốc độ nên được coi là “mô hình chuẩn”, mô hình dòng điện có tốc độ là tham số và được coi là “mô hình chỉnh định” Sai số biểu thị độ lệch từ thông của 2 mô hình sẽ là tín hiệu đầu vào khâu

chỉnh định thích nghi với tín hiệu ra của nó là tốc độ động cơ Hình 2.3 là sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo nguyên tác mô hình chuẩn Cấu trúc khâu chỉnh định thích nghi được thiết kế theo tiêu chuẩn siêu ổn định của Popov

Tiêu chuẩn Popov:

∫ 𝜀̅0𝑡1 𝑇𝜔𝑑𝑡 ≥ −𝛾02 với 𝑡1 ≥ 0 và 𝛾02 > 0 (2.18) Ứng dụng sự phát triển của Landau cho mô hình MRAC, đã chọn khâu chỉnh định thích nghi có cấu trúc PI:

𝜔�𝑟 = �𝐾𝑝 +𝐾𝐼

Trong đó:

ê = Ѱ�𝛼𝑟𝑖Ѱ�𝛽𝑟𝑣 − Ѱ�𝛼𝑟𝑣Ѱ�𝛽𝑟𝑖: Là độ lệch của hai mô hình

𝐾𝑝 và 𝐾𝐼 là hệ số khuếch đại và hệ số tích phân của khâu chỉnh định thích nghi

Phương pháp tính toán tốc độ theo nguyên lý mô hình chuẩn có thể đạt độ chính xác cao ở cả quá trình xác lập và quá trình quá độ bằng cách lựa chọn thích hợp các tham

số của khâu chỉnh định thích nghi

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn

2.3 Các phương pháp tính từ thông roto

2.3 1 Phương pháp dùng sensor từ thông (Hall Sensor)

Theo [14], Blaschke đã chứng minh 2 phương trình sau:

Động cơ

Mô hình điện áp

Mô hình dòng điện

Cơ cấu chỉnh định thích nghi