Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao không cảm biến

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao: cấu tạo, nguyên tắc hoạt động  Các phương pháp điều khiển tối ưu và điều khiển không cảm biến..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



HOÀNG BÁ ĐẠI NGHĨA

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG CẢM BIẾN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và từ động hóa

Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đà Nẵng – Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: 1 TS Nguyễn Anh Duy

2 TS Nguyễn Đức Quận

Phản biện 1: TS Lê Tiến Dũng

Phản biện 2: TS Giáp Quang Huy

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại

Trường Đại học Bách khoa vào ngày 7 tháng 7 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Động cơ từ trở đồng bộ (ĐCTTĐB) bắt đầu được nghiên cứu vào đầu những năm 1920 với sự khám phá ra khái niệm mô men từ trở Các nghiên cứu đầu tiên về loại động cơ này được thực hiện bởi

J K Kostko vào năm 1923

Động cơ đồng bộ từ trở có cấu trúc đơn giản và vững chắc, có stator giống hệt stator của động cơ không đồng bộ hay động cơ đồng

bộ truyền thống, rôto dạng cực lồi và đặc, không có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu, phù hơp cho các ứng dụng tốc độ cao và làm việc trong môi trường nhiệt độ cao Do có cấu trúc đơn giản nên dễ dàng chế tạo, không có tổn thất ở rôto, giá thành rẻ hơn nhiều so với các loại động

cơ khác có cùng công suất Do những ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ từ trở, trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị bán dẫn công suất và điều khiển số, động cơ đồng bộ từ trở đã thu hút sự chú ý và quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao

2 Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao và điều khiển không cảm biến

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao: cấu tạo, nguyên tắc hoạt động

 Các phương pháp điều khiển tối ưu và điều khiển không cảm biến

 Đề xuất giải pháp mới nhằm tối ưu hóa mô hình động cơ trong điều khiển không cảm biến ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa, mô phỏng và phân tích kết quả mô phỏng bằng Matlab – Simulink

- Nghiên cứu thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài nghiên cứu thành công sẽ góp phần kiểm chứng và phát triển phương pháp điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở Đây là một phương pháp điều khiển đối tượng động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao

6 Dự kiến kết quả đạt được

Phương pháp véctơ dòng điện được điều khiển trực tiếp sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu mômen/dòng điện (M/I), sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu mômen/từ thông (M/Ψ)

Phương pháp điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ sử dung một bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng vị trí và tốc độ của động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao

7 Dàn ý nội dung

Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của đề tài được

tổ chức thành 3 chương Bố cục của nội dung chính của luận văn như sau:

Chương 1: Tổng quan về động cơ động bộ từ trở

1.1 Tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở

1.2 Động học động cơ động cơ đồng bộ từ trở

1.3 Các phép biến đổi hệ tọa độ

1.4 Phương trình động cở đồng bộ từ trở trong các hệ tọa độ 1.5 Các sơ đồ điều khiển

1.6 Động học động cơ động cơ đồng bộ từ trở

Chương 2: Mô hình hóa, mô phỏng điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở

2.1 Mô hình động cơ đồng bộ từ trở

2.2 Cấu trúc điều khiển

2.3 Phương pháp điều khiển

2.4 Kết quả mô phỏng

Chương 3: Điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ động cơ động bộ từ trở tốc độ cao sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng

3.1 Giới thiệu chung về bộ lọc Kalman

- TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ

TRỞ (ĐCĐBTT) Tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở

Động cơ đồng bộ từ trở (Synchronous reluctance motor) bắt đầu được nghiên cứu vào đầu những năm 1920 với sự khám phá ra khái niệm mô men từ trở Các nghiên cứu đầu tiên về loại động cơ này được thực hiện bởi J K Kostko vào năm 1923

Động cơ đồng bộ từ trở (ĐCĐBTT) có nhiều ưu điểm do cấu trúc đơn giản và vững chắc Stator của ĐCĐBTT giống hệt stator của động cơ không đồng bộ hay động cơ đồng bộ truyền thống, rotor dạng cực lồi và đặc, không có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu, phù hợp cho các ứng dụng tốc độ cao và môi trường nhiệt độ cao Do cấu trúc đơn giản nên dễ dàng chế tạo, giá thành rẻ hơn so với các loại động cơ khác cùng công suất Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự bất đối xứng từ

Động học động cơ đồng bộ từ trở

Hình 1.1 Cấu trúc động cơ đồng bộ từ trở

Qua mô hình động cơ đồng bộ từ trở 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

Phép biến đổi trục tọa độ

Hệ tọa độ cố định stator

Hệ quy chiếu quay

Phương trình của động cơ trong các hệ tọa độ

Phương trình điện áp trong hệ tọa tọa (a, b, c)

Trong đó các từ thông 𝛹as, 𝛹bs, 𝛹cs là từ thông

Phương trình của động cơ trong hệ tọa độ (α,β)

Phương trình điện áp động cơ trong hệ tọa độ αβ

Trong trường hợp Vα, Vβ, iα, iβ, ψα và ψβ là điện áp, dòng điện

và từ thông trong hệ tọa độ

Phương trình từ thông trong hệ quy chiếu (α, β) có thể được tính như sau:

    (0.4)

Với P là số cực của động cơ

Công thức chuyển đổi hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngược lại

Phương trình trong hệ tọa độ quay d-q

Phương trình điện áp và Moment trong hệ quy chiếu dq được viết lại như sau:

Hình 1.2 Động cơ đồng bộ từ trở trên Simulink

Các sơ đồ điều khiển động cơ từ trở

Vấn đề chung về điều khiển vectơ

Vấn đề chung về điều khiển trực tiếp moment

Kết luận chương 1

Trong chương 1 đã giới thiệu những vấn đề chung và phương pháp luận điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ từ trở từ đó đưa ra hướng nghiên cứu điều khiển trực tiếp nhằm áp nhanh moment trong hệ truyền động động cơ đồng bộ từ trở, ít ảnh hưởng bởi các

tham số động cơ kết cấu mạnh đơn giản, không cần xác định vị trí rotor là một hướng tiếp cận mới

Tuy nhiên trong DTC hiện nay còn gặp một số hạn chế ở vùng tốc độ thấp không điều khiển được moment, gây tổn thất cho động cơ Đây là vấn đề được đặt ra và luận văn nghiên cứu

- MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ

Điều khiển từ thông stator

Vectơ điện áp Vs, được xác định bởi biểu thức sau:

Lựa chọn vectơ điện áp

Hình 2.2 Lựa chọn vectơ điện áp

Nếu Vi+1 được chọn thì biên độ từ thông tăng và moment tăng Nếu Vi+2 được chọn thì biên độ từ thông giảm và moment tăng Nếu Vi-1 được chọn thì biên độ từ thông tăng và moment giảm Nếu i-2 được chọn thì biên độ từ thông giảm và moment giảm Nếu V0 hoặc V7 được chọn thì vectơ từ thông dừng và moment giảm nếu tốc độ dương và moment tăng lên nếu tốc độ âm

Ước luợng từ thông stator, moment điện từ

Phương pháp tính tích phân kiểu vòng kín được Hu và Wu đưa

ra năm 1998, nội dung chính của phương pháp tín tích phân mới là:

Hình 2.3 Thuật toán tích phân của Hu và Wu

Thiết lập bộ máy hiệu chỉnh từ thông, moment

Dòng điện và điện áp trên trục dq là để xác định vectơ từ thông bởi công thức sau:

Ảnh hưởng của điện trở stator trong phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC)

Mô phỏng điều khiển DTC

Mô phỏng điều khiển trực tiếp DTC trên simulink

Hình 2.4 Mô hình điều khiển DTC

Kết quả mô phỏng điều khiển DTC

Điều khiển trực tiếp moment động cơ đồng bộ từ trở tối

ưu dòng điện

Giới hạn dòng điện và điện áp

Trước khi giới thiệu các chiến lược điều khiển khác nhau, chúng

ta cần xét đến các giới hạn của dòng điện và điện áp

Giới hạn của véc tơ dòng điện:

Xác định quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu moment/ dòng điện (MTPA- maximun torque-per-ampere)

Xuất phát từ mỗi cặp giá trị (id, iq) có thể tính được moment, biên độ từ thông stator và góc tải tương ứng, từ đó xác định được quy luật MTPA

Biểu thức mô men điện từ của động cơ được viết như sau:

Te i

Xác định Moment hằng số và công suất không đổi

Xây dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dòng điện (MTPA)

Hình 2.5 Mô hình điều khiển theo phương pháp MTPA

Biểu thức mô men điện từ của động cơ có thể được viết lại như sau:

Với q q q

d d d

1tan( ) L i tan( )

Trong chương này tác giả mô phỏng điều khiển động cở đồng

bộ từ trở sử dụng phương pháp tối ưu moment và dòng điện (MTPA) đối với động cơ tốc độ thấp và phương pháp tối ưu moment và từ thông (MTPW) đối với động cơ tốc độ cao

- ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG

Giới thiệu chung về bộ lọc Kalman

Quy trình ước lượng

1.Các phương tr̀nh cập nhật thời gian

2 Phương tr̀nh đo cập nhật

Hình 3.1 Thuật toán bộ lọc kalman tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng

Một số giả thiết của bộ lọc Kalman thời gian rời rạc là:

1 Các trạng thái động là tuyến tính và thời gian bất biến

2 Các phương trình đo là tuyến tính và thời gian bất biến

3 Các số liệu thống kê nhiễu là tĩnh

Hình 3.2 Thuật toán bộ lọc kalman mở rộng

Điều khiển không cảm biến động cơ động bộ từ trở

Xét hệ thống rời rạc phi tuyến trong không gian trạng thái có

mô hình như sau:

ứng dụng bộ lọc kalman mở rộng để ước lượng vị trí và tốc độ ĐCĐBTT

Mô hình ĐCĐBTT trong không gian trạng thái có thể được viết lại như sau với giả thiết tốc độ là hằng số trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu

1

1

Áp dụng công thức Error! Reference source not found để

tuyến tính hóa mô hình này quanh điểm làm việc x k , chúng ta thu được

mô hình tuyến tính hóa với các ma trận trạng thái như sau:

,

, k

Q=Q0=A(a,a,b,c) P0=B(e,e,f,g) R=C(m,m)

Các thuật toán EKF rời rạc; Điều chỉnh

Ước tính trạng thái được thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Khởi tạo các ma trận vecto trạng thái và ma trận hiệp phương sai Khởi đầu của vector trạng thái x0 = x (t0) và các giá trị khởi đầu của ma trận hiệp phương sai số Q và R

Bước 2: Dự đoán vector trạng thái khi lấy mẫu với thời gian (k+1)

đã hiệu chỉnh', 'lọc') tại thời điểm (k + I) được thực hiện như sau

Hình 3.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển không cảm biến tốc độ

sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng

Kết luận chương 3

Trong chương tác giả giới thiệu về bộ lọc Kalman và Kalman

mở rộng Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng là phương pháp điều khiển không cảm biến tốc độ ĐCĐBTT.Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng

để ước lượng tốc độ và vị trí của động cơ

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong luận văn này tác giả đã mô phỏng thành công động học của động cơ đồng bộ từ trở trên phần mềm Matlab Simulink

Mô phỏng phương pháp điều khiển trực tiếp mô ment và từ thông (DTC) Phương pháp điều khiển tối ưu MTPA và MTPW Kết hợp phương pháp điều khiển không cảm biến ứng dụng bộ lọc Kalnam