Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen DTC dựa trên ước lượng thông số điện trở

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Tấn Nó MSHV: 12393011

Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1988 Nơi sinh: Long Thuận – Đồng Tháp Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số :

I TÊN ĐỀ TÀI:

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) dựa trên ước lượng thông số điện trở stator và tốc độ rotor

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Trương Nguyễn Vũ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ “Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

ba pha rotor lồng sóc” là thiết kế và chế tạo phần cứng và phần mềm điều khiển tốc độ

cho động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có công suất 2HP dựa trên phương pháp DTC, sử dụng các thuật toán điều khiển ước lượng thông số cơ điện (điện trở stator

và tốc độ rotor) của động cơ

Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù tác giả đã gặp nhiều khó khăn, nhưng

đã nhận được nhiều sự giúp đỡ về mặt tin thần và vật chất từ: Cán bộ hướng dẫn, Thầy

Cô, Gia đình, Bạn bè

Đầu tiên xin cám ơn gia đình đã động viên giúp đỡ tác giả khi thực hiện luận văn Tác giả xin cám ơn TS.Trương Nguyễn Vũ, TS.Lê Duy Thạc, phòng Tự Động Hóa & Robot đã định hướng và vạch ra hướng nghiên cứu cho tác giả, tư vấn và giúp

đỡ giải quyết khó khăn về mặt chuyên môn trong quá trình thực hiện đề tài Xin cám ơn đến toàn thể anh, em, cô, chú cán bộ thuộc Viện Cơ Học & Tin Học Ứng Dụng, Viện Hàn Lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam, đã hỗ trợ thiết bị, kinh phí cho tác giả hoàn thành luận văn này

Xin cám ơn đến toàn thể Thầy Cô thuộc Bộ môn Cơ Điện Tử, trường ĐH Bách Khoa TP.HCM đã giúp đỡ, giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên môn, giúp tác giả hoàn thành luận văn

Cuối cùng xin cám ơn đến Thầy Cô phòng thí nghiệm Điện – điện tử, phòng thí nghiệm Truyền động điện, Bộ môn Cơ Điện Tử trường ĐH SPKT TP.HCM đã hỗ trợ thiết bị, xin cám ơn PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương, PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh đã sắp xếp công việc hợp lý cho tác giả có thời gian hoàn thành luận văn

Luận văn “Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng

sóc” mô tả việc thiết kế phần cứng và phần mềm cho bộ điều khiển tốc độ động cơ,

phần cứng bao gồm động cơ không đồng bộ có công suất 2HP kết nối đồng trục với động cơ DC có gắng encoder (2400xung/vòng), bộ chuyển đổi điện áp sử dụng 6 MOSFET và tín hiệu điều khiển được truyền từ máy tính thông qua card NI6024E Phần mềm được thiết kế dựa trên công cụ xPC target trong simulink của Matlab cho phép có thể thay đổi nhanh chóng các thuật toán điều khiển và điều khiển thời gian thực Điều khiển tốc độ dựa trên bộ điều khiển PI, sử dụng phương pháp điều khiển DTC có ước lượng giá trị điện trở cuộn dây stator Để hiểu rõ về luận văn và các công trình nghiên cứu liên quan, tình hình nghiên cứu trong và ngòai nước sẽ được thực hiện ở chương I,

cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, hệ tọa độ, phương trình mạch điện tương đương động cơ IM sẽ được trình bày trong chương II, chương III là mô hình điều khiển tốc độ động cơ sử dụng phương pháp DTC, được xây dựng trên simulink của matlab, và xpcTarget điều khiển phần cứng thực tế Chương IV trình bày việc ước lượng các thông số cơ điện của động cơ (điện trở stator và tốc độ rotor) phục vụ cho việc điều khiển có hồi tiếp, kết quả mô phỏng và thực nghiệm của hệ thống được trình bày trong chương V, chương VI là kết luận và hướng phát triển của đề tài

ABSTRACT

Thesis "Design speed controller for three-phase squirrel-cage induction motor" describes the design of hardware and software Hardware including 2HP induction motor connectors with DC servo motor, the voltage converter with 6 MOSFET (25A – 600V) and receives signal control from the computer through NI6024E card Software design tool based on xPCtarget of simulink, which can quickly change control algorithms and real-time control Speed controller based on PI rule, using the Direct Torque Control method, which has estimated the value of the stator winding resistance

To understand the dissertation and related research, the introductions will be presented

in chapter I, the theoretical basis of the asynchronous motor, system coordinate, the electrical system will be presented in chapter II, chapter III presents the method of speed control using DTC method, built on simulink of matlab, and xPCTarget in hardware Chapter IV presents the estimation of the machenical - electrical parameters (stator resistance and rotor speed) served for feedback control, the results of simulation and experiment of the system is presented in chapter V, chapter VI is conclusion and development of the thesis

Tôi là học viên Nguyễn Tấn Nó, MSHV: 12393011, tác giả luận văn “Thiết kế bộ

điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc” Tôi xin cam đoan

những gì được thực hiện và trình bày trong luận văn là hoàn toàn đúng sự thật, và tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực của luận văn

Tác giả

Nguyễn Tấn Nó

- AC: Alternating Current

- DC: Direct Current

- HP: HorsePower

- IM: Induction Motor

- IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor

- MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

- DTC: Direct Torque Control

- FOC: Field Oriented Control

- DTC – DSC: Direct Torque Control - Direct Self Control

- DTC – SVM: Direct Torque Control - Space vector modulation

- V/F: Volt/Hertz

- CNC:Computer Numerical Control

- IC : Integrated Circurt

- PMSM : Permanent Magnet Synchronous Machine

- BLDC: Brushless DC Electric Motor

- SLM : Sliding Mode

- ST: Switch Table

- I/O: Input/Output

- MRAC: Modeling Reference Adaptive Control

- LPF: Low Pass Filter

Chương I: TỔNG QUAN 1

1 Ý nghĩa, tầm quan trọng của việc nghiên cứu luận văn 1

2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

2.1 Ngoài nước 2

2.2 Trong nước 8

3.Một số bài báo nghiên cứu liên quan 10

4 Hướng nghiên cứu chính của luận văn 15

4.1 Mục tiêu 15

4.2 Hướng giải quyết 15

Chương II: CƠ SƠ LÝ THUYẾT 17

1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha 17

1.1 Khái niệm 17

1.2 Cấu tạo 17

1.3 Nguyên lý hoạt động 18

1.4 Hệ tọa độ toán học được sử dụng trong động cơ IM 20

1.4.1 Chuyển đổi hệ tọa độ 20

1.4.2 Hàm truyền Clarke 21

1.4.3 Hàm truyền Park 22

1.5 Mô hình toán trong động cơ không đồng bộ 22

1.6 Các phương pháp điều khiển 24

Chương III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ IM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP DTC 26

1.Lý thuyết phương pháp điều khiển DTC 26

2 Xây dựng mô hình DTC trên Simulink của Matlab 29

3 Cơ sơ lý thuyết về công cụ xPC Target 33

Chương IV: THIẾT KẾ BỘ ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ CƠ ĐIỆN 35

1 Ước lượng tốc độ dựa trên bộ điều khiển thích nghi 35

2 Ước lượng tốc độ rotor sử dụng mô hình trượt kết hợp thích nghi 41

3 Ước lượng tham số điện trở stator dựa trên bộ điều khiển trượt 46

Chương V: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 49

1.Kết quả mô phỏng 49

khiển là giá trị đo trực tiếp từ cảm biến 49

1.2 Ước lượng giá trị tốc độ và điều khiển DTC với các tham số đầu vào của bộ điều khiển(tham số Rs) được lấy từ bộ ước lượng 54

1.3 Kết hợp hai bộ ước lượng cho phương pháp điều khiển DTC 57

2 Kết quả thực nghiệm 63

2.1 Phần cứng 63

2.2 Kết quả đáp ứng thực nghiệm 67

Chương VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 71

1 Kết luận 71

2 Hướng phát triển đề tài 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Chương I: TỔNG QUAN

1 Ý nghĩa, tầm quan trọng của việc nghiên cứu luận văn

Được sử dụng ngày càng rộng rãi trong và ngoài nước, động cơ IM được coi như

là sức kéo của cả nền công nghiệp (ví dụ như động cơ kéo cho dây chuyền, băng truyền công nghiệp, động cơ cắt cho các loại máy phay CNC đa trục,…)[1][2][3], động cơ IM ngày càng thu hút được nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển chuyển động Một phần là do động cơ này có cấu trúc khá đơn giản, dãy tốc độ chậm, giá thành chế tạo thấp (tính trên từng KW), do vậy giảm thiểu chi phí bảo trì trong suốt vòng đời sử dụng Theo khảo sát, thì 65% năng lượng điện được sử dụng cho động cơ điện Trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng, 76% được sử dụng bởi động cơ, và trên 90% là động cơ IM Động cơ IM được đánh giá là có tính hiệu quả cao về tốc độ và khả năng kéo tải Tuy nhiên nếu tải nhẹ, tổn hao sắt từ tăng, làm giảm hiệu suất đáng kể, ví

dụ đối với động cơ có công suất 500Hp được kiểm soát công suất phù hợp, sẽ tiết kiệm được $7000 ở mức giá điện là $0.05/KwHr[4][42] Do đó, ta thấy việc nâng cao hiệu suất động cơ là vấn đề cần được nghiên cứu

Tuy nhiên động cơ IM là đối tượng phi tuyến, có nhiều thông số thay đổi trong quá trình hoạt động (điện trở stator và rotor thay đổi bởi nhiệt sinh ra trong động cơ, ma sát nhớt, mômen quán tính và đặc biệt là tải thay đổi…)[5][16], do đó việc điều khiển chính xác tốc độ động cơ là vấn đề đã được nghiên cứu từ nhiều thập kỷ nay, trong nhiều phương pháp điều khiển hiện nay như phương pháp điều khiển vô hướng (Scalar control), điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control), phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control)…thì phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) ra đời trễ nhất, có ưu điểm hơn so với phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) là ít lệ thuộc vào thông số điện của động cơ, ngoại trừ giá trị điện trở stator, do đó để cải thiện chất lượng điều khiển thì giá trị điện trở stator cần được xác định chính xác trong quá trình điều khiển[6]

Với những phương pháp điều khiển tốc độ được kể trên, để tốc độ được đảm bảo chắc chắc chính xác và ổn định, thì yêu cầu có cảm biến tốc độ cho việc điều khiển vòng kín Tuy nhiên sử dụng cảm biến tốc độ có một vài bất lợi về chi phí, tín ổn định, khả năng chống nhiễu, và ảnh hưởng đến kết cấu cơ khí hệ thống Việc ước lượng tốc độ

động cơ không cần cảm biến tốc độ đã được quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm gần đây Nhưng bởi vì động cơ mô hình IM có nhiều biến, cộng với có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, nên việc ước lượng tốc độ rotor và từ thông không dùng cảm biến vẫn là một vấn đề cần được nghiên cứu[7][9] Và những phương pháp điều khiển khác

đã dần hoàn thiện và mang lại hiệu quả Việc điều khiển tốc độ động cơ không dùng cảm biến tốc độ đã được nghiên cứu ngày càng phổ biến hiện nay với mục đích làm giảm chi phí, và tránh được những khó khăn trong việc lắp cảm biến tốc độ lên trên động cơ, vì hầu hết phần cơ khí của động cơ không đồng bộ không hỗ trợ cho việc lắp đặt cảm biến tốc độ

Điều khiển tốc độ động cơ IM được ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao như: băng tải trong dây chuyền đóng gói sản phẩm, máy cắt các phôi vật liệu không đồng chất…

Ngoài ra việc ứng dụng xPC target điều khiển thời gian thực cho tốc độ động cơ

IM có thể ứng dụng trong giáo dục, giúp mô phỏng, kiểm tra, phân tích, so sánh các lý thuyết điều khiển một cách thuận lợi và nhanh chóng[10][12][18][19][20]

2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

2.1 Ngoài nước

Xuất phát từ sự phát hiện ra nguyên lý từ trường xoay của nhà vật lý người Pháp François Arago năm 1824, qua hàng trăm năm tồn tại nhưng động cơ IM vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế vì: giá thành rẽ, ổn định, tính kinh tế cao Tuy nhiên bởi được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau, với những yêu cầu khác nhau về môi trường, tốc độ, điện áp…Nên có nhiều phương pháp điều khiển ra đời nhằm đáp ứng những yêu cầu đó

Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ, đơn giản nhất là sử dụng phương pháp điều khiển vô hướng, phương pháp này điều khiển tỉ số giữa điện áp và tần số không đổi, từ đó thay đổi tốc độ động cơ IM, phương pháp này điều khiển đơn giản, được ứng dụng cho các nhu cầu không cần độ chính xác cao như: bơm, quạt… [2][13][15] Nhiều hãng sản xuất như: Siemens, Mishubishi, ABB, Hitachi, Omron, TOSHIBA, Panasonic, Powtrant… Đã chế tạo thành công bộ điều khiển tốc độ động

cơ và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay[3]

Hình 1.1: Biến tần Siemens[3] Hình 1.2: Biến tần Hitachi[12]

Hình 1.3: Biến tần Powtrant[13] Hình 1.4: Biến tần Toshiba[14]

Tháng 04/1998, trong báo cáo “Giải pháp xử lý tín hiệu số” của Zhenyu Yu and David Figoli mang số hiệu: SPRA284A, thuộc công ty Texas Instrument, đã đề cập việc ứng dụng chip DSP để điều khiển tốc độ động cơ IM sử dụng phương pháp V/F, báo cáo phân tích cụ thể phương pháp điều khiển V/F, khảo sát quang phổ và dòng điện ở từng tốc độ và tần số khác nhau: F=25Hz, F=55Hz, F=30Hz57, F=60Hz

Năm 2004, 2005 công ty Microchip công bố dòng chíp dùng điều khiển tốc độ động cơ IM sử dụng phương pháp V/F control là PIC16F7X7, PIC18F4431, dsPIC30F

ở hai bảng báo cáo mang kí hiệu: AN900, AN984.[6][17] Kết quả báo cáo cho thấy bộ điều khiển ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ cho máy bơm, tốc độ giảm tới 20% và tiết kiệm được 50% năng lượng

Tháng 07/2013, trong biên bản báo cáo mang số hiệu SPRABQ8 của Bilal Akin and Nishant Garg, thuộc công ty Texas Instrument, đã đề cập việc ứng dụng IC TMS320F2803x trong phương pháp điều khiển V/F

Hình 1.5: Sơ đồ điều khiển IM bằng phương pháp V/F trong nghiên cứu AN900[17]

Do đòi hỏi việc điều khiển kỹ thuật cao cho động cơ động cơ IM, năm 1971 Blaschke’s đã tìm ra phương pháp điều khiển tốc độ động cơ dựa vào việc điều khiển tách biệt từ thông và mômen được gọi là phương pháp điều khiển tựa trường (FOC), và

từ đó đã có nhiều công việc nghiên cứu nhằm cải thiện động học và giảm thiểu tính phức tạp của phương pháp này

Trong báo cáo luận văn tiến sĩ mang tên “adaptive sliding mode observer and loss minimization for sensorless filed orientation control of induction machine” năm 2005 của Jingchuan Li, thuộc khoa điện và máy tính, đại học bang Ohio (The Ohio state University), tác giả đã đề cập phương pháp điều khiển tốc độ động cơ IM, có hồi tiếp tốc độ rotor không dùng cảm biến, khi tốc độ được ước lượng từ bộ điều khiển trượt kết hợp với bộ điều khiển thích nghi Mô phỏng được thực hiện trên Matlab Simulink, và phần cứng thực tế được điều khiển bằng TMS320F2812 DSP

Hình 1.6: Mô hình điều khiển trong nghiên cứu của Jingchuan Li[42]

Tháng 03 năm 2013, Doan Phuc Thinh, Nguyen Tan Tien, Sang Kwun Jeong, Sea June Oh, và Sang Bong Kim thuộc trường đại học quốc gia Pukyong, Busan, Hàn quốc, thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ IM sử dụng bộ điều khiển trượt để quan sát tốc

độ rotor, điều khiển dựa trên DSP TMS320F28355 [9]

Kết quả cho thời gian đáp ứng khoảng 0.7(s), dòng điện stator không dao động đột ngột giống như chưa áp dụng luật điều khiển

Hình 1.7: Mô hình điều khiển động cơ IM của nhóm nghiên cứu ở Pukyong[9]

Thông số động cơ IM: momen quán tính 0.007(Kgm2), điện trở Stator 0.01(Ohm), điện trở Rotor 0.01(Ohm), độ tự cảm Stator 3.1(Ohm), độ tự cảm rotor 3.1(Ohm), độ tự cảm tương hỗ 3.1(H)

Những phương pháp để ước lượng được tốc độ rotor, điện trở rotor của động cơ

IM cho việc điều khiển đã được thực hiện trong phương pháp điều khiển tựa trường đã được nghiên cứu như:

- Dựa trên sự thay đổi từ thông (Magnetic - saliency): phương pháp dựa trên sự thay đổi từ thông gặp khó khăn trong khi động cơ hoạt động với vận tốc thấp Những cách tiếp cận dựa trên các phản ứng động cơ cho phép kiểm tra tương đối tín hiệu tần

số cao, mà việc nghiên cứu sự thay đổi từ của động cơ do độ bão hòa hoặc mô hình Chúng cần phải có dụng cụ đo có độ chính xác cao, phần cứng và phần mềm điều khiển phức tạp đối vơi việc điều khiển véctơ tiêu chuẩn Khi hoạt động với tần số cao, phương pháp này là nguyên nhân gây ra các hiện tượng như: mômen dao động, rung, nhiễu Hơn nữa, đặc tính này thấp không có phản hồi phù hợp, nhưng nếu tăng cường hệ thống đòi hỏi phải thiết kế máy phù hợp, do đó không thể áp dụng cho một động cơ khác phù hợp[42]

- Ước lượng tốc độ và từ thông dựa vào mô hình dòng điện và điện áp: Việc ước lượng từ thông dựa vào mô hình điện áp gặp nhiều vấn đề khi hoạt động trong miền có tần số thấp, bởi vì tín hiệu nhiễu của điện áp đo được rất thấp, và rơi áp trên điện trở stator nhiều hơn Mô hình điện áp cũng có thể cảm ứng được từ thông Việc xem xét từ thông dựa vào mô hình dòng điện cho kết quả khả thi hơn khi hoạt động với tốc độ thấp Ngoài ra, độ chính xác của nó không bị ảnh hưởng bởi sự rò rỉ điện cảm trong mọi điều kiện hoạt động Tuy nhiên nó không làm việc tốt ở tốc độ cao, bởi vì điện trở rotor thay đổi Do đó, để đạt được đáp ứng tốt, thì nên điều khiển quan sát mô hình dòng điện ở tốc độ thấp, và quan sát mô hình điện áp ở tốc độ cao[42]

- Phương pháp thích nghi dựa trên mô hình tham khảo: Là phương pháp ước lượng

từ thông dựa trên mô hình tham khảo của hệ thống, và sử dụng các chiến lược thích nghi khác Ước lượng dựa trên sự so sánh giữa ngõ ra của hai giá trị ước lượng, và sai

số ngõ ra được sử dụng để điều khiển mô hình cho phù hợp tốc độ ước lượng Phương pháp này yêu cầu tích hợp hai mô hình Tuy nhiên, phương pháp này vẫn bị giới hạn bởi sự thay đổi thông số mô hình và vấn đề ước lượng từ thông chính xác[42]

Hình 1.8: Ước lượng tốc độ dựa vào mô hình MRAC[30]

- Phương pháp tiếp cận dựa trên quan sát thích nghi: Có thể nói đây là phương pháp hoàn thiện khi dùng phương pháp điều khiển tối ưu tính toán các vần đề đơn giản Tuy nhiên tính bền vững của thông số không được đảm bảo Sự điều chỉnh sau đó được

áp dụng bằng cách sử dụng các sai số giữa các véctơ điện áp stator thực tế và những ước tính Tuy nhiên, điều này đòi hỏi phải có thêm cảm biến điện áp cho hệ thống[42]

- Sử dụng Kalman filter mở rộng: Sử dụng Kalman Filter mở rộng là giải pháp tiềm năng cho việc ước lượng từ thông tốt hơn Không may, cách tiếp cận này có chứa một số nhược điểm cố hữu chẳng hạn như hàm lượng tính toán và không có thiết kế và điều chỉnh tiêu chí cụ thể[42]

Hình 1.9: Ước lượng tốc độ dựa vào Kalman filter mở rộng[43]

- Quan sát sử dụng bộ trượt: Quan sát sử dụng bộ điều khiển trượt được xem là có lợi thế về tín bền vững và sự thay đổi thông số và là phương pháp điều khiển tiềm năng cho động cơ điện Việc quan sát từ thông sử dụng bộ điều khiển trượt đã được thực hiện

trong việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, không dùng cảm biến tốc độ Các thuật toán này sử dụng một mô hình quan sát từ thông hiện tại và áp dụng giới hạn điều chỉnh dựa trên các sai số tính toán hiện hành Quan sát tốc độ rotor, thời hằng rotor dựa vào dòng điện và từ thông ước lượng.Vì thế, sai số tốc độ rotor và thời hằng rotor không đổi sẽ ảnh hưởng đến dòng và từ thông ước lượng, do đó làm giảm độ chính xác khi quan sát[37][38][42]

- Điều khiển không dùng cảm biến tốc độ dựa trên giải thuật di truyền và mạng thần kinh nhân tạo: Các thuật toán điều khiển thông minh được ứng dụng vào việc điều khiển tốc độ động cơ không dủng cảm biến, cho kết quả tốt, và ổn định, tuy nhiên cần phải đòi hỏi hàm lượng tính toán lớn, do đó cần phải có bộ điều khiển có cấu hình mạnh, tốc độ cao[35][42]

Hình 1.10: Ước lượng tốc độ dựa vào mạng thần kinh nhân tạo[35]

Đến năm 1984, nghiên cứu của Takahashi được nhiều sự quan tâm khi tìm ra phương pháp điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control )[1], do phải tính toán một khối lượng công việc lớn trong thời gian ngắn (khoảng 10us), nên hạn chế của phương pháp DTC là cần phải có một bộ điều khiển tốc độ cao, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, máy tính, hệ thống nhúng ra đời, tạo điều kiện cho các nhà khoa học nghiên cứu điều khiển động cơ IM bằng phương pháp DTC

Năm 1988, công ty ABB đã nghiên cứu ứng dụng DTC vào việc điều khiển tốc độ động cơ IM.[4]

Hình 1.11: Module điều khiển IM sử dụng phương pháp DTC của ABB[4]

Năm 1992 Thomas G.Habetler cùng với sinh viên trường kỹ thuật điện thuộc viện nghiên cứu kỹ thuật Geogria, Atlanta nghiên cứu phương pháp điều khiển DTC cho IM

sử dụng phương pháp véctơ không gian[5]

Năm 2005, Murat Barut, bộ môn kỹ thuật điện – điện tử, khoa điện, thuộc trường đại học kỹ thuật Istanbul, Thổ Nhĩ Kỳ, nhiên cứu điều khiển tốc độ động cơ IM sử dụng phương pháp DTC với sự ước lượng điện trở rotor.[1]

Kỹ thuật điều khiển thông minh (Fuzzy, Neural network) được ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ IM được Toufouti, thuộc đại học Constantine Algeria ứng dụng trong năm 2007[8], nghiên cứu trình bài phương pháp điều khiển fuzzy và Neural Network, và so sánh kết quả đáp ứng dựa trên phần mềm mô phỏng[8]

Ngày 25 tháng 02 năm 2013, nhóm nghiên cứu công ty ABB, thuộc ABB Switzerland tổ chức buổi báo cáo về phương pháp điều khiển tốc độ động cơ và các hướng cải thiện khắc phục[4]

2.2 Trong nước

Tháng 01/2007, sinh viên Nguyễn Huỳnh Quang, dưới sự hướng dẫn của TS Phan Quốc Dũng, thuộc trường đại học Bách Khoa TP.HCM thực hiện đề tài tốt nghiệp đại học điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng vi điều khiển PIC18F4431 theo phương pháp điều khiển vô hướng.[7]

Hình 1.12: Mạch động lực bộ điều khiển tốc độ động cơ IM[7]

Tháng 01/2007, sinh viên Lê Trung Nam, khoa điện – điện tử, trường đại học Bách Khoa, thực hiện đề tài tốt nghiệp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theo phương pháp SINPWM sử dụng dsPIC30F6010, dưới sự hướng dẫn của TS Lê Minh Phương.[10]

Hai đề tài trên sử dụng chip điều khiển chuyên dụng của Microchip, lập trình điều khiển tốc độ động cơ IM, tuy nhiên chỉ sử dụng theo phương pháp điều khiển vô hướng,

do đó thời gian đáp ứng lớn (> 5s), và không đạt độ chính xác cao khi có tải

Trên tạp chí khoa học & công nghệ các trường đại học kỹ thuật, số 74 – 2009, các tác giả: Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Văn Nhờ, Nguyễn Xuân Bắc, thuộc trường đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM đã trình bày phương pháp điều khiển tốc độ động cơ IM bằng bộ nghịch lưu ba mức kết hợp với bộ điều khiển trượt Phần cứng được thực hiện trên card điều khiển dsPace DS1104, kết quả cho thấy động cơ có thể hoạt động trong điều kiện tải trọng thay đổi và tốc độ tăng giảm đột ngột

Hình 1.13: Mô hình của nhóm nhóm nghiên cứu ĐH Bách Khoa HCM[44]

Tại hội nghị toàn quốc về điều khiển và tự động hóa (VCCA – 2011), nhóm nghiên cứu: Nguyễn Phương Duy, Huỳnh Trung Nam, Huỳnh Thái Hoàng, Nguyễn Văn Nhờ, thuộc khoa Điện – Điện tử, Đại học Bách Khoa TP.HCM báo cáo nghiên cứu “Ứng dụng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen cho bộ biến đổi ma trận điều khiển động

cơ không đồng bộ dùng logic mờ”, vận dụng những ưu điểm của phương pháp DTC và

bộ biến đổi ma trận để tạo ra đáp ứng hệ thống Tuy nhiên đáp ứng hệ thống có độ vọt

lố, tồn tại sai số xác lập lớn (16%), và thời gian đáp ứng khoảng 5s[11] Thông số động cơ: 380V/50Hz, số cực: 2, công suất 2.2KW, điện trở stator 3(Ohm)

Hình 1.14: Mô hình của nhóm nghiên cứu trường ĐH Bách Khoa HCM[11]

3.Một số bài báo nghiên cứu liên quan

A Stator Resistance Estimation Scheme for Speed Sensorless Rotor Flux Oriented

Induction Motor - Drives-Veran Vasic´, Slobodan N Vukosavic,Emil Levi

Bài báo trình bày điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng phương pháp điều khiển tựa trường, tốc độ động cơ và điện trở cuộn dây stator được ước lượng song song trực tiếp bằng bộ điều khiển thích nghi, tính ổn định dựa vào tiêu chuẩn ổn Popov Kết quả của hệ thống cho thấy đáp ứng được trong những trường hợp động cơ hoạt động với tốc độ cao và tốc độ thấp, mômen ổn định, bài báo cho chứng minh rằng

có thể ứng dụng bộ điều khiển thích nghi ước lượng giá trị điện trở stator và tốc độ cho phương pháp điều khiển tựa trường nếu chọn các hệ số điều chỉnh sai số hợp lý

Lyapunov’s Stability Theory-Based Model Reference Adaptive Control for

Permanent Magnet Linear Motor Drives - Yuan-Rui Chen Jie Wu Norbert C Cheung

Bài báo trình bày việc điều khiển động cơ tuyến tính nam châm vĩnh cửu sử dụng

bộ điều khiển thích nghi, dựa trên tiêu chí ổn định Lyaponov Kết quả mô phỏng chứng minh rằng, hệ thống dưới sự điều khiển của bộ điều khiển thích nghi sẽ ổn định mặc dù

hệ thống có những thông số bị thay đổi và chịu sự ảnh hưởng của nhiễu Bài báo là tiền

đề tham khảo cho nghiên cứu bộ điều khiển thích nghi dựa vào tiêu chuẩn Lyaponov

Direct Torque Control of Sensorless Induction Motor Drives: A

Sliding-Mode Approach - Cristian Lascu, Ion Boldea, Frede Blaabjerg

Bài báo trình bày việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen, dựa trên ước lượng tốc độ rotor và mômen

sử dụng bộ điều khiển trượt Ưu điểm của bộ điều khiển trực tiếp mômen là phản hồi nhanh và đáp ứng tốc độ tốt Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy động cơ hoạt động ổn định, phản hồi động học nhanh Việc ứng dụng bộ điều khiển tực tiếp mômen,

và ước lượng dựa trên bộ điều khiển trượt là nội dung tham khảo cho đề tài

Hình 1.15: Mô hình điều khiển động cơ IM của nhóm nghiên cứu [32]

Fuzzy Estimators for Tuning the Stator Resistance in Direct Torque Control

by using three levels Inverters - Masoud Soleimani pour, Hamed Sadeghi Goughari,

Sanaz Kozeh Kanani

Bài báo trình bày phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

sử dụng bộ điều khiển mờ ước lượng trực tiếp điện trở cuộn dây stator, đồng thời cải thiện phương pháp điều khiển trực tiếp mômen, bằng việc sử dụng bộ chuyển đổi điện

áp ba cấp, kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng điều khiển đáp ứng yêu cầu đề ra, có thể hoạt động với tốc độ thấp, cho dòng điện ổn định, không có hiện tượng dao động mômen xảy ra, điện trở cuộn dây stator được xác định trực tiếp từ bộ điều khiển và tự động cập nhật trong quá trình điều khiển, do đó tránh được hiện tượng thay đổi điện trở stator do nhiệt độ động cơ tăng lên, hay bị ảnh hưởng bởi nhiễu Bài báo minh chứng được rằng có thể ứng dụng bộ điều khiển mờ trong việc ước lượng giá trị điện trở cuộn dây stator trong phương pháp điều khiển trực tiếp mômen

Hardware-in-the-Loop Approach to Controller Design and Testing of Motion

Control Systems Using xPC Target – Truong Nguyen Vu

Bài báo trình bài phương pháp điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng xPC Target, cho phép kiểm tra và điểu khiển, cũng như thay đổi các giải thuật điều khiển nhanh chóng sử dụng công cụ simulink trong matlab, bài báo là cơ sở tham khảo cho đề tài trong lĩnh vực nghiên cứu xây dựng phần cứng và cài đặt phần mềm điều khiển cho hệ thống

A High-Speed Sliding-Mode Observer for the Sensorless Speed Control of a

PMSM - Hongryel Kim, Jubum Son, and Jangmyung Lee

Bài báo trình bày phương pháp điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có hồi tiếp không dùng cảm biến tốc độ dựa trên phương pháp điều khiển trượt mới, kết quả sẽ được so sánh với phương pháp điều khiển trượt cổ điển vốn có nhiều khuyết điểm trong việc ước lượng tốc độ động cơ do giá trị ước lượng chịu ảnh hưởng bởi thời gian trể của bộ lộc nhiễu tần số cao, bài báo cũng trình bày phương pháp ước lượng trực tiếp giá trị điện trở cuộn dây stator, kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh được những ưu điểm của bộ điều khiển trượt cải tiến Bài báo cũng minh chứng rằng có thể

sử dụng bộ điều khiển trượt trong việc ước lượng giá trị điện trở stator, và khuyết điểm

của bộ điều khiển trượt trong thiết kế quan sát là hiện tượng trễ của bộ lộc nhiễu cũng được khắc phục trong bộ điều khiển trượt có cải tiến

Hình 1.16: Bộ điều khiển PMSM sử dụng high – speed SLM [34]

Online Stator Resistance Estimation Using Artificial Neural Network for

Direct Torque Controlled Induction Motor Drive - C.M.F.S.Reza, Saad Mekhilef

Bài báo trình bày phương pháp điều khiển tốc độ động cơ IM sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen, ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo uớc lượng trực tiếp giá trị điện trở cuộn dây stator, việc thay đổi thông số mạng thần kinh nhận tạo được thực hiện bằng sai số giữa giá trị dòng điện ước lượng và giá trị dòng điện thực

tế Kết quả mô phỏng từ matlab/simulink chứng minh rằng có thể quan sát giá trị điện trở cuộn dây stator với thời gian cập nhật là 40ms Bài báo đưa ra kết luận rằng có thể ứng dụng phương pháp điều khiển thông minh trong việc ước lượng giá trị điện trở cuộn dây stator, tuy nhiên thời gian tính toán và cập nhật lớn, do đó áp dụng cho phương pháp điều khiển trực tiếp mômen vốn đòi hỏi thời gian lấy mẫu nhanh gặp nhiều vấn đề cần giải quyết

Sliding Mode Load torque Observer based effective disturbance rejection

for a 3-Phase BLDC drive - Jagat Jyoti Rath

Bài báo trình bày phương pháp điều khiển tốc độ và mômen của động cơ BLDC,

sử dụng bộ điều khiển trượt, tính ổn định dựa trên tiêu chuẩn Lyaponov Kết quả mô phỏng được thực hiện trên matlab/simulink và so sánh với phương pháp điều khiển PI, cho thấy tính ưu việc của bộ điều khiển khi động cơ hoạt động trong môi trường có tải thường xuyên thay đổi, đáp ứng tốc độ, mômen và dòng điện ổn định, ít dao động khi

chịu sự ảnh hưởng của yếu tố môi trường bên ngoài Bài báo chứng minh rằng có thể ứng dụng bộ điều khiển trượt vào việc ước lượng và điều khiển mômen động cơ BLDC

Sliding Mode Control on Electro – Mechanical Syatems – VADIM I UTKIN,

HAO – CHI CHANG

Ứng dụng bộ điều khiển trượt trong việc ước lượng thông số và điều khiển hệ thống cơ điện được thực hiện trong bài báo, trong mục 3 của bài báo có đề cập việc sử dụng bộ điều khiển trượt điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có hồi tiếp không dùng cảm biến tốc độ, tốc độ rotor và hằng số điện trở rotor được ước lượng song song, kết quả mô phỏng chứng minh rằng hệ thống hoạt động ổn định với tải thay đổi

và hoạt động tốt cả chế độ hoạt động với tốc độ cao và tốc độ thấp, minh chứng rằng có thể ứng dụng bộ điều khiển trượt cho phương pháp điều khiển tốc độ có hồi tiếp không dùng cảm biến, trong phương pháp điều khiển tựa hướng trường (Field Oriented Control)

Speed Sensorless Field-Oriented Control of Induction Motor with Rotor

Resistance Adaptation - Hisao Kubota, Kouki Matsuse

Bài báo trình bày phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha dựa trên ước lượng song song giá trị điện trở và tốc độ rotor bằng phương pháp định hướng trường, việc ước lượng giá trị dựa trên sự thay đổi dòng điện stator sử dụng bộ điều khiển thích nghi, kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh rằng hệ thống hoạt động tốt hơn khi áp dụng phương pháp điều khiển định hướng trường cổ điển

Hình 1.17: Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ động cơ IM[39]

Stator Resistance and Speed Estimation for Induction Motor Drives As

Influenced by Saturation - A M El-Sawy, Yehia S Mohamed and A A Zaki

Bài báo trình bày phương pháp ước lượng chính xác cùng lúc giá trị điện trở cuộn dây stator và tốc độ rotor sử dụng bộ điều khiển thích nghi Mô hình toán học động cơ

không đồng bộ ba pha cũng được trình bày trong bài báo, minh chứng sự ảnh hưởng của từ thông tới chất lượng điều khiển của hệ thống, do đó việc ước lượng giá trị từ thông cũng được thực hiện và sử dụng để ước lượng tốc độ rotor của động cơ Kết quả

mô phỏng cho thấy hệ thống có phản hồi tốt và tốc độ động cơ có thể hoạt động trong một dãy rộng Bài báo là tiền đề cơ sở cho đề tài trong việc ứng dụng bộ điều khiển thích nghi để ước lượng thông số cơ điện của động cơ

Direct Torque Control Methods for Voltage Source Inverter – Fed Induction

Motors – A Review - Giuseppe BUJA, Marian P KAŹMIERKOWSKI

Bài báo trình bày tóm tắt tất cả các phương pháp điều khiển trực tiếp mômen và

từ thông, nêu lên sự khác biệt và so sánh ưu khuyết điểm giữa các phương pháp điều khiển trực tiếp mômen với nhau như: phương pháp điều khiển trực tiếp mômen dựa vào bảng đóng ngắt các vectơ (DTC), điều khiển tự kiểm soát trực tiếp (DSC), tần số đóng ngắt cố định với các vectơ không gian (DTC-SVM), và cách ứng dụng bộ điều khiển thông minh vào phương pháp DTC-SVM, kết quả mô phỏng chứng minh những lý thuyết đã đề ra Bài báo là cơ sở để đề tài ứng dụng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen vào mô hình

Direct Torque Control of Induction Motor Drives – Giuseppe Buja, Domenico

Casadei, Gionanni Serra

Bài báo trình bày tổng quan các nguyên tắc hoạt động cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha và lý thuyết về vectơ không gian trong trong bộ chuyển đổi điện áp, các phương pháp điều khiển trực tiếp mômen dựa vào bảng đóng ngắt (ST), điều khiển tự kiểm soát trực tiếp (DSC), tần số đóng ngắt cố định với các véctơ không gian (DTC-SVM) được mô tả trong bài báo Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen dựa vào bảng đóng ngắt dược trình bày chi tiết, kết quả mô phỏng sẽ chứng minh sự ảnh hưởng của độ trễ từ thông va mômen tới chất lượng điều khiển, kết quả sẽ được so sánh với phương pháp điều khiển tựa trường

Simulation of Direct Torque Controller Permanent Magnet Synchrous

Motor Drive - Selin Özçıra, Nur Bekiroğlu, Engin Ayçiçek

Bài báo trình bày cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ nam châm vĩnh cửu, sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp mômen điều khiển tốc độ động cơ, kết quả mô phỏng chứng minh mômen động cơ ảnh hưởng trực tiếp tới góc từ thông stator và rotor

Sensorless Vector Control of AC Induction Motor Using Sliding-Mode

Observer - Phuc Thinh Doan, Tan Tien Nguyen, Sang Kwun Jeong, Sea June Oh, Sang

Bong Kim

Bài báo trình bày phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

có hồi tiếp không dùng cảm biến tốc độ, tốc độ rotor được ước lượng bằng bộ điều khiển trượt, tính ổn định được thực hiện dựa trên lý thuyết Lyaponov, phần cứng và phần mềm của mô phỏng và kết quả thực nghiệm chứng minh rằng đáp ứng của hệ thống ước lượng

sử dụng bộ điều khiển trượt tốt hơn so với bộ ước lượng thông thường, bài báo là cơ sở cho luận văn trong việc ứng dụng bộ điều khiển trượt ước lượng các giá trị thông số cơ điện của động cơ, tính ổn định được thực hiện dựa trên lý thuyết Lyaponov

4 Hướng nghiên cứu chính của luận văn

4.1 Mục tiêu

Trong luận văn này tác giả tập trung giải quyết mục tiêu: ước lượng tốc độ rotor

và điện trở stator phục vụ cho phương pháp điều khiển DTC

Mục tiêu cụ thể:

1 Xây dựng mô hình điều khiển DTC trên Matlab

2 Xây dựng bài toán quan sát tốc độ rotor

3 Xây dựng bài toán quan sát điện trở stator

4.2 Hướng giải quyết

Để giải quyết các mục tiêu, tác giả sẽ tiến hành tìm hiểu những nghiên cứu về phương pháp điều khiển động cơ IM trước đó, cũng như những nghiên cứu liên quan trong việc ước lượng tốc độ rotor và điện trở stator Từ đó phân tích ưu khuyết điểm đề xuất ra phương pháp hợp lý, so sánh kết quả nghiên cứu đạt được với kết quả tham khảo

Hướng giải quyết mục tiêu 1: Tác giả dự định sẽ sử dụng công cụ simulink/Matlab xây dựng phương pháp điều khiển DTC, mô phỏng trên máy tính và điều khiển mô hình thực nghiệm thông qua xPC Target

Hướng giải quyết mục tiêu 2: Tác giả dự định sẽ kết hợp hai bộ điều khiển trượt

và thích nghi trong việc ước lượng tốc độ rotor, bởi vì ở một số phương pháp ước lượng

sử dụng bộ thích nghi thuần túy chịu sự lệ thuộc nhiều vào thông số của động cơ, tuy nhiên thông số động cơ thường xuyên thay đổi do môi trường và điều kiện làm việc, hoặc nếu sử dụng bộ điều khiển trượt thuần túy để ước lượng giá trị, thì rất khó để tìm

ra được giá trị tín hiệu điều khiển khi hệ thống ở vị trí mặt trượt có đạo hàm bằng không, bởi vì không xác định chính xác được tần số cắt của bộ LPF

Hướng giải quyết mục tiêu 3: Việc ước lượng giá trị điện trở Rs đã được nghiên cứu trong bài báo đã trình bày ở phần trên, tuy nhiên do tác giả sử dụng mạng thần kinh nhân tạo, do đó thời gian tính toán lâu, không phù hợp cho việc hồi tiếp giá trị vào phương pháp điều khiển DTC, tác giả dự định sử dụng bộ điều khiển trượt quan sát dòng điện stator và từ thông rotor, dựa tiêu chuẩn ổn định Lyaponov, tìm ra giá trị điện trở Rs

Mục tiêu mong muốn của luận văn: thiết kế thành công bộ điều khiển tốc độ động

cơ IM sử dụng phương pháp DTC, dựa trên ước lượng giá trị điện trở stator và tốc độ rotor (không dùng cảm biến tốc độ)

Tính toán từ thông, góc từ thông, và momen tham chiếu

Bảng đóng ngắt IGBT

Rs

ψ

* S

-

Chương II: CƠ SƠ LÝ THUYẾT

1 Cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha

1.1 Khái niệm

Động cơ không đồng bộ là kiểu động cơ mà trong đó tốc độ quay của rotor khác hơn tốc độ của từ trường quay, năng lượng điện được truyền từ cuộn dây stator đến cuộn dây rotor (rotor dây quấn), hoặc vòng ngắn mạch (rotor lồng sốc)[2] Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi vì có công suất cao, rẻ tiền và độ tin cậy cao.[1]

IM là một động cơ không đồng bộ sử dụng điện xoay chiều AC, năng lượng được cung cấp cho trục quay bằng hiện tượng cảm ứng điện từ Loại thường sử dụng là rotor lồng sóc Các IM được thiết kế sử dụng nguồn điện ba pha Đối với việc điều khiển tốc

độ quay thay đổi thì nguồn thường được điều chế là bộ biến tần được thiết kế bằng các linh kiện bán dẫn (IGBT, MOSFET…) để tạo ra điện áp, dòng hình sin có thể được thay đổi và kiểm soát được.[2]

Hình 2.1: Động cơ không đồng bộ ba pha[3]

1.2 Cấu tạo

Stator là thành phần chính tạo ra từ tường quay trong IM, và là bộ phận nối trực

tiếp với nguồn điện cung cấp cho IM, được tạo thành từ nhiều tấm thép kỹ thuật điện mỏng ghép lại với nhau thành một hình trụ rỗng (lõi stator ), trong lõi stator có 3 cuộn dây cách điện đặt lệch nhau 1200, mỗi nhóm cuộn dây, cùng với lõi thép của nó tạo thành một nam châm (một cặp cực), tùy theo số lần lặp lại của số cuộn dây mà ta có motor có số cặp cực khác nhau Khi có dòng điện qua các cuộn dây stator thì từ trường quay được tạo ra[3]

Hình 2.2: Cấu tạo stator[3]

Rotor được tạo thành từ nhiều tấm thép hình trụ được ghép và cách điều nhau

bằng nhôm hoặc đồng cùng vật liệu với stator, trong hầu hết các động cơ thì rotor lồng sóc được sử dụng phổ biến hơn rotor dây quấn, khoảng 90% động cơ được sử dụng là rotor lồng sóc, bởi vì chúng có cấu trúc đơn giản và chắc chắn Mỗi một khe trong rotor mang một thanh nhôm làm bằng vật liệu đồng hoặt thép, và các thanh được nối ngắn mạch ở hai đầu bằng một vành tròn, nhìn tổng quan toàn bộ rotor có các thanh ghép song song với nhau giống như lồng sóc, nên ta gọi là rotor lồng sóc Các khe không song song với trục, mà đặt nghiêng một góc vì có những lí do sau:

- Làm cho motor chạy không bị ồn bởi vì tạo ra từ trường không ồn[3]

- Làm giảm xu hướng khóa rotor, số răng rotor còn lại bị khóa bởi số răng stator

do lực hút giữa hai đối tượng này, vấn đề xảy ra khi số răng stator bằng số răng rotor[3]

Hình 2.3: Cấu tạo rotor[3]

1.3 Nguyên lý hoạt động

Khi cung cấp một điện áp xoay chiều ba pha cho cuộn dây stator, dòng điện đi qua cuộn dây, tạo ra từ trường được sinh ra trong cuộn dây phụ thuộc vào chiều dòng điện trong cuộn dây, dễ dàng xác định được ở tại thời điểm mà thành phần điện áp hình sin bằng không thì sẽ không có dòng điện qua một cuộn dây, thành phần điện áp có giá trị dương sẽ tạo ra dòng điện ngược chiều với thành phần có giá trị điện áp âm Để thấy rõ được điều đó, ta xét tại thời điểm như hình 2.4:

Hình 2.4: Nguyên lý tạo ra từ tường bên trong Stator[3]

Ta thấy pha A không có dòng, pha B có dòng theo chiều âm, và pha C có dòng theo chiều dương, do đó B1, C2 là cực nam của nam châm điện, B2 và C1 là cực bắc, như vậy sẽ xuất hiện từ trường có hướng đi từ B2, C1 sang C2, B1(theo chiều mũi tên)[2]

Cứ như vậy mà khi cấp đầy đủ một chu kỳ dòng điện thì hoạt động của từ trường trong lòng stator (hay từ trường ảnh hưởng lên rotor ) được mô tả như hình 2.5

Hình 2.5: Các vị trí của động cơ trong một chu kì dòng điện cấp cho Stator[3]

Sự khác biệt cơ bản của IM và động cơ đồng bộ AC là dòng điện cung cấp tới rotor, dòng điện này tạo ra từ trường, thông qua sự tương tác từ, làm phát sinh một từ trường xoay trong rotor, là nguyên nhân làm cho rotor xoay, được gọi là động cơ đồng

bộ bởi vì tốc độ xoay của rotor chính bằng tốc độ xoay của từ trường trong stator Trái ngược với điều đó, IM không có dòng cung cấp trực tiếp tới rotor, mà một dòng điện thứ hai được tạo ra ở rotor, để đạt được điều này thì các cuộn dây trên stator phải được sắp xếp quanh rotor vì thế năng lượng cung cấp tạo ra một từ trường mẫu quét qua rotor,

sự thay đổi từ trường mẫu dẫn đến xuất hiện một dòng điện trong các thanh nhôm của rotor, dòng điện này tương tác với từ trường xoay được tạo ra bởi stator trên rotor và ảnh hưởng đến chuyển động xoay của rotor Tuy nhiên, do dòng điện được tạo ra có tốc

độ thực sự của rotor khác với tốc độ của từ trường xoay trong stator, hoặc nếu từ trường không chuyển động tương đối với rotor thì cũng không có dòng điện chạy qua Sự khác biệt giữa tốc độ quay của rotor và từ trường xoay trong stator được gọi là hệ số trượt

Nó là tỉ lệ tương đối giữa tốc độ rotor và tốc độ từ trường quay trên stator Vì thế IM còn được gọi là máy điện không đồng bộ[4]

Hình 2.6: Dòng điện xuất hiện trong rotor[3]

1.4 Hệ tọa độ toán học được sử dụng trong động cơ IM

Động cơ điện có thể được xem như một bộ nguồn điều khiển mômen Mômen được tạo ra trong động cơ điện là kết quả của sự tương tác giữa dòng điện rotor và từ trường của động cơ Điều khiển độc lập từ trường và dòng điện rotor có thể thực hiện được trong điều khiển tách biệt động cơ DC, trong đó dòng điện trong cuộn dây stator tạo ra từ trường trong động cơ, thì dòng điện trong cuộn rotor trực tiếp tạo ra mômen điều khiển Tương tự điều khiển động cơ DC, việc điều khiển động cơ IM cũng có thể được thực hiện bằng việc tách biệt điều khiển từ thông và mômen Để hiểu cơ bản về điều khiển tách biệt từ thông và mômen trong phương pháp điều khiển DTC, chúng ta phải xét đến hệ tọa độ α-β của động cơ không đồng bộ, đó chính là hệ tọa độ cố định lấy phần stator của động cơ làm hệ tham chiếu

1.4.1 Chuyển đổi hệ tọa độ

Điện áp, dòng điện và từ thông ba pha của động cơ không đồng bộ ba pha có thể được biểu diễn thành một véctơ không gian trong hệ tọa độ phức

Giả sử i i isa, ,sb sc là dòng điện tức thời cân bằng trên stator thì ta có:

Véctơ dòng điện i được biễu diễn trong hệ tọa độ 3 pha đối xứng (a,b,c) rất khó s

trong việc tính toán và điều khiển, do đó véctơ dòng điện có thể biểu diễn trong hệ tọa

độ cố định α - β là: i s i s j i.s với phần thực is của véctơ bằng với giá trị dòng điện tức thời isa, phần ảo i slà tổng bình phương hai véctơ isb,isc

trên hệ tọa độ cố định α – β, và hệ tọa độ 3 pha đối xứng được xây dựng lại theo công thức sau:

Hình 2.8: Mối liên hệ giựa hệ tọa độ α – β và d – q

Thành phần is,i s trong hệ tọa độ cố định stator α – β được tính toán từ hàm Clarke, trong các phương pháp điều khiển véctơ thì các tham số phải trên cùng một hệ quy chiếu Ở một số phương pháp điều khiển véctơ như phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC), thì hệ tọa độ stator cố định α – β không phù hợp để điều khiển, vì tốc độ rotor không đồng nhất với tốc độ từ trường, do đó cần chuyển véctơ dòng điện tới hệ tọa độ di động rotor d – q sử dụng hàm truyền Park

Thành phần i sd,i sq của véctơ dòng điện trên hệ tọa độ d – q được xác định bằng phương trình sau:

Trong đó là góc lệch giữa từ trường stator và rotor

1.5 Mô hình toán trong động cơ không đồng bộ

Động cơ IM được biểu diễn trong hệ tọa độ cố định không gian phức    bằng

sơ đồ mạch điện tương đương như sau[27]:

Hình 2.9: Sơ đồ mạch điện tương đương IM

Từ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ ba pha ta có thể tính toán được các thông số dựa trên hệ tọa độ cố định stator α – β như sau:

a.Phương trình vi phân điện áp stator:

Ta có phương trình mô tả các đặc tính động cơ trong tọa độ d-q

1.6 Các phương pháp điều khiển

Động cơ không đồng bộ tương đối rẻ tiền và chắc chắn, do đó chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, việc điều khiển động cơ không đồng bộ được chú ý nhiều Điều khiển vòng hở động cơ không đồng bộ với việc điều khiển tần số thay đổi có thể làm thay đổi tốc độ động cơ khi hoạt động ở những ứng dụng có mômen cố định mà không yêu cầu chính xác về điều chỉnh tốc độ Khi bộ điều khiển yêu cầu bao gồm phản hồi động học nhanh, tốc độ chính xác hoặc điều khiển mômen, thì phương pháp điều khiển vòng hở không thỏa mãn được yêu cầu Vì vậy việc điều khiển vòng kín là rất cần thiết Hoạt động động học của động cơ không đồng bộ là rất cần thiết và ảnh hưởng đến toàn bộ hoạt động của hệ thống Việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là vấn đề thách thức bởi vì nó là hệ thống phi tuyến, rotor thay đổi trong phạm vi dài, và thông số động cơ thay đổi tùy theo điều kiện môi trường hoạt động[16][17]

Có một vài phương pháp để điểu khiển động cơ không đồng bộ và được chia thành hai loại chính:

Hình 2.10: Các phương pháp điều khiển IM[15]

- Điều khiển vô hướng (Scalar control): là một trong những phương pháp đầu tiên điều khiển tốc độ động cơ, bằng việc điều khiển tỉ lệ điện áp trên tần số (Volt/Herzt) không đổi Phương pháp này đơn giản nhưng không thể điều khiển được những hoạt động yêu cầu mang tính hiệu quả cao Điều này chính là do trong phương pháp điều khiển vô hướng luôn tồn tại khớp nối giữa mômen và từ thông cổ góp, là nguyên nhân của việc dẫn đến phản hồi chậm của máy

- Phương pháp điều khiển tựa trường (Field Oriented Control) được sử dụng để điều khiển động cơ IM và động cơ đồng bộ AC Nó được phát triển cho các ứng dụng động cơ hiệu suất cao và được yêu cầu để hoạt động trơn tru, tạo ra mô-men xoắn và tốc độ có hiệu suất cao, linh hoạt trong việc điều khiển tăng tốc và giảm tốc động cơ Phương pháp này ngày càng trở nên hấp dẫn đối với các ứng dụng hiệu suất thấp hơn cũng do kích thước động cơ, chi phí và giảm tiêu thụ điện năng của phương pháp FOC Ngày nay với sự phát triển ngày càng tăng về tốc độ xử lý thì phương pháp FOC một ngày sẽ thay thế hoàn toàn phương pháp điều khiển V/F

- Điều khiển trực tiếp mômen (Direct Torque Control): để cải tiến hạn chế của phương pháp điều khiển vô hướng, phương pháp điều khiển trực tiếp mômen được phát triển.Trong phương pháp điều khiển trực tiếp mômen, các biến là hàm truyền tới hệ quy chiếu tọa độ cố định stator, có đặc tính động học giống như điện áp DC Tách biệt điều khiển giữa mômen và từ thông cho phép động cơ không đồng bộ đạt được phản hồi nhanh, có thể sử dụng cho những ứng dụng chất lượng cao, nơi có những động cơ DC được sử dụng trước đó

Chương III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ IM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP DTC

1.Lý thuyết phương pháp điều khiển DTC

Phương pháp điều khiển DTC được sử dụng trong các bộ điều khiển động cơ IM dùng để điều khiển mômen (cuối cùng là điều khiển tốc độ) Phương pháp bao gồm việc tính toán ước lượng từ thông cuộn dây stator và mômen dựa trên việc hồi tiếp giá trị điện áp và dòng điện stator

Từ thông stator được ước lượng bằng tích phân điện áp stator, mômen được ước lượng bởi từ thông stator và dòng qua motor Từ thông ước lượng và mômen ước lượng được so sánh với giá trị tham chiếu Nếu giá trị từ thông hoặc mômen ước lượng bị lệch

so với giá trị tham chiếu một khoảng lớn hơn giá trị cho phép, thì bộ đóng ngắt điện áp

sẽ hoạt động để đưa hệ thống trở về vị trí ổn định trong thời gian nhanh nhất có thể Vì thế có thể coi phương pháp điều khiển trực tiếp mômen như là phương pháp điều khiển on/off hoặc điều khiển dựa vào độ trễ

Hình 3.1: Sơ đồ phương pháp điều khiển trực tiếp mômen DTC[23]

Giá trị từ thông tham chiếu và mômen tham chiếu mc sẽ được so sánh với giá

trị từ thông và mômen me ước lượng được từ dòng điện và điện áp stator, trong độ

giới hạn cho phép đặt trước cho ra ba giá trị trạng thái của mômen và hai giá trị trạng thái của từ thông[5]

SC



S



Tín hiệu ngõ ra của từ thông sau khi so sánh là:

Từ hai giá trị của: , và góc của véctơ: ta có bảng trạng thái đóng ngắt các khóa công suất bán dẫn như sau:

Hình 3.2: Bảng đóng ngắt các khóa IGBT dựa vào mômen và góc từ thông[5]

Hình 3.3: Quy trình chọn véctơ điều khiển tương ứng với Sector[5]

Phương pháp điểu khiển DTC có một số đặc điểm sau[15]:

- Mômen và từ thông có thể thay đổi rất nhanh bằng việc thay đổi giá trị tham chiếu

- Hiệu suất cao và tổn hao thấp – Tổn hao đóng ngắt là thấp nhất bởi vì các IC đóng ngắt điện áp duy nhất khi cần thiết giữ cho mômen và từ thông trong khoảng sai

số cho phép

- Phản hồi nhanh và không vọt lố

- Không cần chuyển đổi hệ thống sang hệ tọa độ rotor d – q , mà chỉ cần đứng trên tọa độ stator α - β để điều khiển

- Điều khiển độ trễ được thực hiện bằng các tính hiệu đóng ngắt trực tiếp các khóa IGBT

- Tần số đóng ngắt của các IGBT không cố định Tuy nhiền bằng cách kiểm soát

độ rộng của dãy dung sai, thì tần số chuyển mạch trung bình có thể được giữ quanh giá trị tham khảo của nó Điều này giúp cho sự sai số nhấp nhô của mômen và từ thông nhỏ

- Bởi vì độ trể điều khiển của quá trình đóng ngắt được chọn ngẫu nhiên Vì thế không có đỉnh của dòng quang phổ Điều này có nghĩa là nhiễu âm của máy thấp

- Các phương pháp biến đổi điện áp DC được đưa và trong phương pháp điều khiển, do đó không có tồn tại sự gợn sóng điện áp và quá độ điện áp

- Thiết bị điều khiển phải có tốc độ cao để ngăn ngừa từ thông và mômen đi xa giá trị cho phép Thuật toán điều khiển có thể trong khoảng 10 – 30 micro giây hoặc ngắn hơn

- Thiết bị đo dòng điện stator phải có chất lượng cao vả khả năng chống nhiễu tốt bởi vì nhiễu đột biến xảy ra có thể dẫn đến điều khiển sai toàn bộ hệ thống, mặc khác nếu cho tín hiệu qua bộ lọc tần số cao để loại bỏ nhiễu, thì tín hiệu sẽ có hiện tượng trễ

so với giá trị thực

- Việc đo điện áp stator nên có một khoảng sai số nhỏ có thể để luôn giữ cho từ thông ước lượng có khoảng sai số luôn bé hơn giá trị thực một khoảng nhỏ, đo là lý do tại sao điện áp stator thường được ước lượng từ việc đo trực tiếp điện áp nguồn DC kết hợp với các tín hiệu đóng ngắt IGBT

- Ở việc điều khiển tốc độ cao thì không cần cảm biến để xác định chính xác các thông số động cơ, tuy nhiên nếu hoạt động tốc độ thấp thì cần xác định chính xác giá trị điện trở cuộn dây stator

Bảng so sánh giữa phương pháp điều khiển trực tiếp mômen (DTC) và phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)[15]

Hệ tọa độ tham chiếu điều

khiển

Hệ tọa độ cố định Stator (α – β )

Hệ tọa độ động rotor ( d – q )

Dao động mômen, dòng

và từ thông

Thấp (nếu cảm biến có

Thông số cần đo đạc Điện trở stator Độ tự cảm Lm, Lr, Ls và điện trở rotor

Chuyển đổi hệ tọa độ

Tân số đóng ngắt Thay đổi rộng quanh giá

trị tần số trung bình Tần số Hao hụt đóng ngắt

Thấp hơn (yêu cầu cảm biến đóng ngắt có độ chính xác cao)

Thấp

rotor(PI), dòng Id, Iq (PI) Thời gian lấy mẫu đặc

2 Xây dựng mô hình DTC trên Simulink của Matlab

Dòng điện stator từ hệ tọa độ ba pha đối xứng (a,b,c) chuyển thành hệ tọa độ cố định stator (α – β ) được tính theo công thức (2.4)

Hình 3.4: Chuyển đổi dòng stator từ hệ tọa độ ba pha sang hệ tọa độ α – β

Điện áp stator từ hệ tọa độ ba pha đối xứng (a,b,c) chuyển thành hệ tọa độ cố định stator (α – β ) được tính theo công thức (2.5)

Hình 32: Chuyển đổi điện áp stator từ hệ tọa độ ba pha sang hệ tọa độ α – β

Từ thông stator ước lượng: = ; = (3.1)

Mômen ước lượng:

(3.2) Hoặc công thức:

3 sin 2

với  là góc lệch giữa từ thông stator và từ thông rotor

Góc từ thông ước lượng: (3.4)

Hình 3.5: Tính toán mômen, từ thông, và góc từ thông

s

Ψ (u sR i s s) Ψ s (u sR i s s)3