Điều khiển thích nghi vị trí động cơ không đồng bộ

Tuy nhiên, các kỹ thuật điều khiển vector dựa trên định hướng trường được áp dụng cho các ĐCKĐB, việc tách mô-men xoắn và thông lượng một cách tương tự như các máy điện DC.. Vì vậy, để g

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: 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

Họ tên học viên: ĐẶNG THANH THƯƠNG MSHV: 10150055

Ngày, tháng, năm sinh: 25/08/1986 Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số : 605260

I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- Tìm hiểu phương pháp điều khiển động cơ theo phương pháp tựa theo từ thông rotor (FOC)

- Tìm hiểu về điều khiển nghịch lưu theo phương pháp điều chế vector không

gian

- Tìm hiểu bộ điều khiển trượt áp dụng cho động cơ không đồng bộ

- Ứng dụng điều khiển PI và trượt vào điều khiển tốc độ và vị trí động cơ không đồng bộ

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cùng các cô trong khoa Điện – Điện Tử

đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian em học tập tại trường

Con cũng xin gửi lời tạ ơn chân thành nhất đến Ba Mẹ - những người đã có công sinh thành, nuôi nấng, dạy dỗ và luôn luôn khích lệ mỗi bước con đi

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các anh chị em gần xa, các bạn cùng khóa đã động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài

Tp HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2013.

Đặng Thanh Thương

TÓM TẮT

Điều khiển vị trí chế độ trượt cho những ứng dụng thời gian thực chất lượng cao của động cơ không đồng bộ được phát triển trong đề tài này Thiết kế này cũng kết hợp một bộ ước lượng từ thông đơn giản để tránh sử dụng các cảm biến từ thông Do đó, một sơ đồ điều khiển được đề xuất đưa ra một chi phí tính toán thấp

và do đó có thể được thực hiện dễ dàng trong một ứng dụng thời gian thực bằng cách sử dụng bộ xử lý DSP chi phí thấp Phân tích sự ổn định của bộ điều khiển dưới những sự không chắc chắn về tham số và nhiễu phụ tải được cung cấp sử dụng

lý thuyết ổn định Lyapunov Cuối cùng, kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng bộ điều khiển đề xuất bám theo quỹ đạo tốt và sơ đồ này bền vững với những

sự thay đổi tham số đối tượng và những nhiễu phụ tải bên ngoài

Abstract

An adaptive sliding mode position control for high-performance time aplications of induction motors is developed in this work The design also incorporates a simple flux estimator in order to avoid the flux sensors Then, the proposed control scheme presents a low computational cost and therefore can be implemented easily in a real-time applications using a low cost DSP-processor The stability analysis of the controller under parameter uncertainties and load disturbances is provided using lyapunov stability theory Finally, simulated and experimental results show that the proposed controller with the proposed observer provides a good trajectory tracking and that this scheme is robust with respect to plant parameter variations and external load disturbances

real-LỜI CAM ĐOAN

Tôi: Đặng Thanh Thương

Sinh ngày 25 tháng 08 năm 1986

Học viên lớp cao học Tự động hóa 2010, khoa Điện – Điện Tử, trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Xin cam đoan: Đề tài ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ do thầy TS Nguyễn Đức Thành hướng dẫn là công trình

nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Tác giả xin cam đoan tất cả nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong

đề cương và yêu cầu của thầy hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và Pháp luật

Tp HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2013

Đặng Thanh Thương

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Tóm tắt luận văn ii

Abstract iii

Lời cam đoan iv

Mục lục v

Danh sách bảng và hình ảnh ix

Ký hiệu và chữ viết tắt xii

MỞ ĐẦU 1 Giới thiệu đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Khái quát chung 3

1.2 Mô hình liên tục của ĐCKĐB 3

1.2.1 Mô hình liên tục của ĐCKĐB trong hệ tọa độ αβ 4

1.2.2 Mô hình liên tục của ĐCKĐB trong hệ tọa độ dq 6

1.3 Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB 9

1.3.1 Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trong hệ tọa độ αβ 10

1.3.2 Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trong hệ tọa độ dq 11

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1 Khái quát cấu trúc hệ 14

2.1.1 Vector không gian và hệ tọa độ từ thông 14

2.2 Điều khiển nghịch lưu theo phương pháp ĐCVTKG 20

2.2.1 Nguyên lý điều chế 22

2.2.2 Cách tính và xuất thời gian đóng ngắt ra van 28

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ DSP F28335 VÀ THƯ VIỆN SỐ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3.1 Tổng quan về DSP F28335 32

3.2 Module PWM 34

3.2.1 Module con Time-Base 35

3.2.2 Module con Counter-Compare 38

3.2.3 Module con Action Aqualifier 39

3.2.4 Module con Dead Band 39

3.2.5 Module con kích hoạt sự kiện Event Trigger 41

3.2.6 Tính toán chu kỳ 42

3.3 Module ADC 42

3.4 Module Encoder 46

3.5 Xung clock 49

3.5.1 Bộ PLL và tần số dao động 50

3.5.2 Khối Watchdog 51

3.6 General Purpose IO (GPIO) 52

3.6.1 Tổng quan về Module GPIO 52

3.6.2 Tổng quan về các thiết lập cấu hình 52

3.7 Module mở rộng ngắt ngoại vi (PIE) 55

3.7.1 Tổng quan về PIE 55

3.7.2 Ngắt cấp ngoại vi (peripheral level) 56

3.7.3 Ngắt cấp PIE 57

3.7.4 Ngắt cấp CPU 57

3.7.5 Bản đồ vector ngắt 58

3.7.6 Nguồn ngắt 58

3.8 Timer CPU 0/1/2 32-bit 59

3.9 Thư viện số - Lập trình theo kết cấu (Modular) 60

3.9.1 Cấu trúc lập trình theo kết cấu 60

3.9.2 Toán hạng trong lập trình theo kết cấu 62

3.9.3 Sử dụng và ứng dụng lập trình theo kết cấu 62

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ TRƯỢT VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 4.1 Khái quát hệ phi tuyến 65

4.1.1 Khái niệm 65

4.1.2 Mô hình và quỹ đạo trạng thái của hệ phi tuyến 65

4.1.3 Điểm cân bằng và điểm dừng của hệ thống 68

4.1.4 Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 70

4.2 Bậc tương đối của hệ phi tuyến 75

4.3 Tính động học không 77

4.4 Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho ĐCKĐB 80

4.4.1 Điều khiển trượt 80

4.4.2 Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho điều khiển tốc độ ĐCKĐB 83

4.4.3 Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho điều khiển vị trí ĐCKĐB 85

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 5.1 Kết quả mô phỏng 88

5.1.1 Mô phỏng điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB 88

5.1.2 Mô phỏng điều khiển trượt tốc độ ĐCKĐB 95

5.1.3 Mô phỏng điều khiển PI vị trí ĐCKĐB 100

5.1.4 Nhận xét kết quả mô phỏng 106

5.2 Kết quả thực nghiệm 107

5.2.1 Mô hình phần cứng và giải thuật điều khiển ĐCKĐB 107

5.2.2 Kết quả thực nghiệm điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB 114

5.2.3 Kết quả thực nghiệm điều khiển PI vị trí ĐCKĐB 118

5.2.4 Nhận xét kết quả thực nghiệm 120

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận 121

6.2 Hướng phát triển đề tài 121

LÝ LỊCH NGANG 124

DANH SÁCH BẢNG VÀ HÌNH

Bảng 2.1: Trạng thái logic của các vector điện áp chuẩn 22

Bảng 2.2: Trạng thái logic của góc phần sáu S1 25

Bảng 2.3: Giá trị của vector biên u p, u tphụ thuộc vị trí của vector điện áp u s 31

Bảng 3.1: Các kênh đầu vào tương tự và các MUX địa chỉ tương ứng 21

Bảng 3.2: Tác động của tín hiệu vào đến module Encoder 25

Bảng 3.3: Các thanh ghi điều khiển các bộ PLL, clocking và watchdog 31

Bảng 5.1: Thông số động cơ không đồng bộ ¼ HP 88

DANH SÁCH HÌNH TRANG Hình 1.1: Mô hình liên tục ĐCDB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ αβ 5

Hình 1.2: Mô hình trạng thái với hệ số hàm của ĐCDB trên hệ tọa độ αβ 6

Hình 1.3: Mô hình liên tục ĐCDB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq 7

Hình 1.4: Mô hình trạng thái dạng phi tuyến yếu của ĐCDB trên hệ tọa độ dq 9

Hình 1.5: Cấu trúc mô hình trạng thái gián đoạn ĐCDB trên hệ tọa độ stator 11

Hình 1.6: Cấu trúc mô hình trạng thái gián đoạn ĐCDB trên hệ tọa độ từ thông rotor 12

Hình 2.1: Xây dựng vector dòng stator từ ba dòng pha 15

Hình 2.2: Vector dòng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq 16

Hình 2.3: Thu thập giá trị thực của các thành phần dòng i sd , i sq 18

Hình 2.4: Cấu trúc hệ điều khiển tựa từ thông rotor 20

Hình 2.5: Sơ đồ mạch nghịch lưu nuôi ĐCXCBP 21

Hình 2.6: Các vector điện áp chuẩn tạo bởi 3 nhánh van IGBT 22

Hình 2.7: Thực hiện vector điện áp từ hai vector biên 24

Hình 2.8: Mẫu xung của vector điện áp thuộc góc phần sáuS1 26

Hình 2.9: Vector điện áp và mẫu xung khiển van thuộc các góc S 2 S6 28

Hình 3.1: Sơ đồ khối chức năng của F28335 33

Hình 3.2: Sơ đồ kết nối các module con của mỗi module ePWM 35

Hình 3.3: Cấu trúc module con Time-Base của mỗi module ePWM 36

Hình 3.4: Sự kiện CC, chế độ đếm lên-xuống, điều xung trên ePWMxA 38

Hình 3.5: Sơ đồ khối module con Dead Band ePWM 40

Hình 3.6: Dạng sóng PWM trong chế độ AHC với Dead Band 41

Hình 3.7: Sơ đồ khối của module ADC 43

Hình 3.8: Cấu hình của module ADC 45

Hình 3.9: Sơ đồ khối đơn giản của mô-đun eQEP 47

Hình 3.10: Dạng sóng điển hình eQEP 48

Hình 3.11: Sơ đồ kết nối xung clock 49

Hình 3.12: Sơ đồ khối OSC và PLL 50

Hình 3.13: Sơ đồ khối hệ thống PIE 56

Hình 3.14: Tín hiệu ngắt Timer CPU 60

Hình 4.1: Họ các quỹ đạo trạng thái của hệ có 2 biến trạng thái 67

Hình 4.2: Quỹ đạo trạng thái của hệ có 3 biến trạng thái 68

Hình 4.3: Điểm cân bằng ổn định và không ổn định 69

Hình 4.4: Minh họa khái niệm ổn định Lyapunov 72

Hình 4.5: Một gợi ý về việc kiểm tra tính ổn định của hệ tại O 72

Hình 4.6: Ứng dụng tiêu chuẩn Lyapunov để thiết kế bộ điều khiển 75

Hình 4.7: Quỹ đạo trạng thái của hệ phi tuyến, khi đang ở chế độ Động học không, luôn nằm trong đa tạp K 80

Hình 4.8: Sơ đồ khối chế độ trượt tổng quát 81

Hình 5.1: Sơ đồ simulink điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB 89

Hình 5.2: Sơ đồ khối điều khiển tốc độ ĐCKĐB 89

Hình 5.3: Mô phỏng PI tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[0 0.5] 92

Hình 5.4: Mô phỏng PI tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 1.5] 93

Hình 5.5: Mô phỏng PI tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 0.5] 94

Hình 5.6: Mô phỏng PI tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 3.0] 95

Hình 5.7: Sơ đồ simulink điều khiển trượt tốc độ ĐCKĐB 95

Hình 5.8: Mô phỏng trượt tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[0 0.5] 97

Hình 5.9: Mô phỏng trượt tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 1.5] 98

Hình 5.10: Mô phỏng trượt tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 0.5] 99

Hình 5.11: Mô phỏng trượt tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 3.0] 100

Hình 5.12: Sơ đồ Simulink điều khiển PI vị trí ĐCKĐB 100

Hình 5.13: Mô phỏng PI vị trí với Time=[0 0.75], TL=[0 0.5] 102

Hình 5.14: Mô phỏng PI vị trí với Time=[0 0.75], TL=[1.0 1.5] 103

Hình 5.15: Mô phỏng PI vị trí với Time=[0 0.75], TL=[1.0 0.5] 105

Hình 5.16: Mô phỏng PI vị trí với Time=[0 0.75], TL=[1.0 3.0] 106

Hình 5.17: Mô hình thực hiện điều khiển ĐCKĐB 108

Hình 5.18: Cấu trúc phần cứng 109

Hình 5.19: Sơ đồ khối điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB 110

Hình 5.20: Sơ đồ khối điều khiển PI vị trí ĐCKĐB 111

Hình 5.21: Giao diện điều khiển ĐCKĐB 111

Hình 5.22: Lưu đồ giải thuật điều khiển ĐCKĐB 112

Hình 5.23: Thực nghiệm điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB, có tải khi khởi động 115

Hình 5.24: Thực nghiệm điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB, không tải khi khởi động 117 Hình 5.25: Thực nghiệm điều khiển PI vị trí ĐCKĐB 120

CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital Converter

DSP Digital Signal Processor

IGBT Insulated Gate Bipolar Transitor

ĐCVTKG Điều chế vector không gian

ĐCXCBP Động cơ xoay chiều ba pha

CÁC CHỈ SỐ

f Viết trên cao, bên phải : đại lượng biểu diễn trên hệ tọa độ dq

s Viết trên cao, bên phải : đại lượng biểu diễn trên hệ tọa độ 

* Viết trên cao, bên phải : Giá trị đặt (giá trị chủ đạo, giá trị cần, setpoint)

MA TRẬN, VECTOR VÀ KÝ HIỆU KHÁC

A,  Ma trận hệ thống : liên tục , gián đoạn

B, H Ma trận đầu vào: liên tục , gián đoạn

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

1 Giới thiệu đề tài:

Với sự tiện dụng, kết cấu vững chắc của ĐCKĐB rotor lồng sóc và sự hấp dẫn về giá thành sản phẩm này, ĐCKĐB rotor lồng sóc được sử dụng ngày càng rộng rãi Mặt khác, nhu cầu về việc điều khiển chính xác để đưa đến hệ truyền động có chất lượng cao đã đòi hỏi việc xây dựng hệ điều khiển truyền động đáp ứng được yêu cầu thực tiễn

Trong những năm gần đây, ĐCKĐB thay thế động cơ DC ngày càng tăng trong truyền động chất lượng cao Ưu điểm chính của động cơ DC là tốc độ của chúng có thể được kiểm soát một cách đơn giản, bởi vì mô-men xoắn và thông lượng được tách riêng Tuy nhiên, các kỹ thuật điều khiển vector dựa trên định hướng trường được áp dụng cho các ĐCKĐB, việc tách mô-men xoắn và thông lượng một cách tương tự như các máy điện DC Vì vậy, với sự tiến bộ của điện tử công suất và sự xuất hiện của bộ vi xử lý chi phí thấp và rất nhanh, các truyền động ĐCKĐB đã đạt đến một vị thế cạnh tranh so với các máy điện DC Tuy nhiên, hiệu quả điều khiển của hệ thống tuyến tính vẫn bị ảnh hưởng bởi những sự không chắc chắn, thường bao gồm các sự thay đổi tham số không thể đoán trước, nhiễu phụ tải bên ngoài, động học không thể được MHH và động học phi tuyến

Điều khiển chế độ trượt cung cấp nhiều đặc tính tốt, chẳng hạn như hiệu suất tốt chống lại động lực không thể MHH, nhạy với sự thay đổi tham số, loại bỏ nhiễu bên ngoài và đáp ứng động nhanh Những lợi thế của điều khiển chế độ trượt có thể được sử dụng ở điều khiển vị trí và tốc độ một hệ thống AC servo Tuy nhiên, sơ đồ điều khiển chế độ trượt truyền thống đòi hỏi phải có kiến thức về giới hạn trên cho các biến không chắc chắn, sử dụng giới hạn trên này cho tính toán hệ số switching Giới hạn này xác định càng chính xác càng tốt Vì vậy, để giảm đòi hỏi về giới hạn của sự không chắc chắn, một sơ đồ điều khiển chế độ trượt với hệ số chuyển đổi (switching) thích nghi được đề xuất để điều khiển ĐCKĐB

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

2 Mục đích nghiên cứu:

Xây dựng bộ điều khiển ĐCKĐB thích nghi với nhiễu tải bên ngoài và sự thay đổi thông số động cơ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu là ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc

- Phạm vi nghiên cứu chính của đề tài này là xây dựng được hệ thống thích nghi với nhiễu tải bên ngoài và sự thay đổi thông số động cơ

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu, xây dựng các phương án và thiết kế trên lý thuyết và mô phỏng

-Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra kết quả trên lý thuyết và mô phỏng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau vì hiện nay rất nhiều hệ truyền động, dây chuyền sản xuất sử dụng ĐCKĐB rotor lồng sóc vì sự hấp dẫn về kết cấu và giá thành của động cơ nhưng lại đòi hỏi độ chính xác cao

6 Cấu trúc luận văn:

Cấu trúc luận văn gồm phần Mở đầu và 6 Chương:

Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ

Chương 2: Điều khiển vector tựa theo từ thông rotor động cơ không đồng bộ Chương 3: Tổng quan về DSP F28335 và Thư viện số điều khiển động cơ

Chương 4: Điều khiển thích nghi chế độ trượt động cơ không đồng bộ

Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và Hướng phát triển đề tài

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

BỘ

1.1 Khái quát chung:

Ngày nay, kỹ thuật điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha đã phát triển đến mức gần như hoàn thiện Cấu trúc điều khiển theo nguyên lý điều khiển T4R thường được sử dụng là điều khiển dòng điện riêng rẽ cũng như áp đặt nhanh mômen quay Hai mạch vòng điều khiển tốc độ và từ trường quay được tổng hợp riêng biệt

1.2 Mô hình liên tục của ĐCKĐB:

Giả thiết ĐCKĐB rotor lồng sóc có 3 pha đối xứng, khe hở không khí là đều và phân bố từ thông theo khe hở không khí là sin

Hệ phương trình của ĐCKĐB rotor lồng sóc viết trong hệ toạ độ 3 pha dạng thu gọn như sau:

• Phương trình điện áp stator (trên hệ thống cuộn dây stator)

1.2.1 Mô hình liên tục của ĐCKĐB trong hệ tọa độ αβ

Hệ phương trình của động cơ trong hệ tọa độ αβ:

0 0

0 0

s s

s

L B

L

σσ

Công thức (1.9) và (1.10) minh họa rất rõ: đối tượng ĐCDB (mô tả trên hệ tọa

độ αβ) có mô hình trạng thái với ω trong ma trận hệ thống s

A được coi như là một tham số hàm (biến thiên theo thời gian) có thể đo được Mô hình trạng thái đó (hình

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

1.2) là cơ sở để thiết kế các khâu ĐC, khâu quan sát trên hệ tọa độ αβ Trên hệ αβ các thành phần của vector trạng thái x scó dạng hình sin

Hình 1.2 Mô hình trạng thái với hệ số hàm của ĐCDB trên hệ tọa độ αβ

1.2.2 Mô hình liên tục của ĐCKĐB trong hệ tọa độ dq

Hệ phương trình của động cơ trong hệ tọa độ dq:

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

Hình 1.3 Mô hình liên của ĐCDB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq

Các thành phần d và q của điện áp stator, dòng stator và từ thông rotor có thể viết dưới dạng vector với thành phần thực như sau:

Với vector trạng thái x mới định nghĩa, ta thu được từ (1.11) mô hình trạng

thái liên tục của ĐCDB rotor lồng sóc

Tại đây ta sẽ nhận thấy sự khác biệt cơ bản giữa mô hình trên hệ tọa độ αβ và

mô hình trên hệ tọa độ dq: đó là sự xuất hiện của thành phần tương tác phi tuyến N

Để hiểu rõ hơn ta phải xem xét bản chất vấn đề, đối tượng ĐCXCBP được nuôi bởi điện áp stator là một đại lượng vector đặc trưng bởi: module u , góc pha ban đầu s

0

ϑ và vận tốc góc ω Có thể tạm thời bỏ qua góc pha ban đầu s ϑ , ta kết luận: khi 0

biểu diễn các thành phần của vector đại lượng vào, ngoài module còn phải cóω s

Khi xét cụ thể ta nhận thấy:

u =ω , ứng với trường hợp phi tuyến yếu

Tham số cụ thể của hai ma trận s

0 0

0 0

s s

s

L B

L

σσ

cả hai hệ đó

1.3 Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB:

Về nguyên tắc, việc gián đoạn hóa mô hình liên tục của đối tượng của các đối

tượng tuyến tính với hệ số hằng tương đối đơn giản Nếu xét tới đặc điểm của một

hệ truyền động điện, quá trình quá độ của các đại lượng điện bao giờ củng xảy ra

nhanh hơn quá trình quá độ của các đại lượng cơ, ta sẽ thấy mô hình của ĐCDB

trên hệ tọa độ stator αβ có thể được coi là tuyến tính hệ số hằng

Điều kiện trên sẽ không còn được thỏa mãn khi xét đối tượng trên hệ tọa độ từ thông Hệ có đặc điểm phi tuyến yếu, thêm vào đó: vận tốc góc ω (bao gồm tốc độ s

quay ω và phụ tải ω ) đã làm cho mô hình mang đặc điểm của một đối tượng hệ số rhàm Điều này gây khó dể cho việc tìm mô hình gián đoạn Tuy nhiên, dưới điều kiện: nếu các đại lượng vào u sd, u sqvà ω có thể được coi là hằng trong phạm vi chu s

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

kỳ trích mẫu, ta vẫn có thể tiến hành gián đoạn hóa mô hình phi tuyến yếu với hệ số

hàm nói trên

1.3.1 Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trong hệ tọa độ αβ

Mô hình gián đoạn ĐCKĐB:

00

0 0

0 0

s

s s

s s

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

nhìn rõ hơn quan hệ vật lý nội tại của ĐCDB

Hình 1.5 Cấu trúc mô hình trạng thái gián đoạn của ĐCDB trên hệ tọa độ

stator

1.3.2 Mô hình gián đoạn của ĐCKĐB trong hệ tọa độ dq

Mô hình gián đoạn ĐCKĐB:

v n

A N k T

s v

A N k

s v

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

1 2

00

0 0

0 0

s

f f

f s

Việc biểu diễn mô hình trạng thái gián đoạn bằng các ma trận con cho phép

ta nhìn rõ hơn quan hệ vật lý nội tại của ĐCDB

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

2.1 Khái quát cấu trúc hệ :

2.1.1 Vector không gian và hệ tọa độ từ thông

Ba dòng pha hình sin phía stator i su, i svvà i swcủa ĐCXCBP không nối điểm trung tính:

2( ) ( ) ( )3

Nếu bây giờ ta hình dung ra một hệ tọa độ với hai trục d và q, quay đồng bộ với vector ở hình 2.1, ta có thể biểu diễn tất cả các vector dưới dạng thành phần như sau:

(2.3)

Nếu trục d (trục thực) của hệ tọa độ mới (hình 2.2) trùng với trục của vector

từ thông rotor r(động cơ dị bộ rotor lồng sóc) hoặc của từ thông cực p(động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu), khi ấy thành phần trục q của từ thông rotor sẽ mất đi và

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

ta thu được một bức tranh rất rõ ràng về quan hệ vật lý giữa mômen quay, từ thông

rotor và các thành phần dòng Có thể viết ngay các quan hệ đó như sau:

Hình 2.1 Xây dựng vector dòng stator từ ba dòng pha

Quan hệ tuyến tính giữa mômen và thành phần dòng i sqđược thể hiện rất rõ ở

cả hai loại động cơ Nếu từ thông rotor là hằng (điều này là chắc chắn đối với

ĐCĐB), dòng i sqsẽ đặc trưng cho mômen quay và vì vậy ta có thể sử dụng đại

lượng đầu ra của khâu ĐC tốc độ quay làm giá trị chủ đạo *

sq

i cho thành phần dòng trục q Đối với trường hợp ĐCDB, vì từ thông rotor là đại lượng biến thiên chậm, ta

có thể coi nó là hằng trong phạm vi chu kỳ trích mẫu của khâu ĐC dòng Trong

thực tiễn, bằng các biện pháp ĐC, ta hoàn toàn có thể giữ cho từ thông rotor không

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

đổi Điều này được thể hiện rất rõ trong công thức (2.4) Theo công thức đó, từ thông rotor chỉ có thể thay đổi bởi thành phần dòng i sd (gọi là dòng tạo từ thông) với một quán tính nhất định, đặc trưng bởi hằng số thời gian rotor T rcó kích cỡ lớn gấp nhiều lần so với chu kỳ trích mẫu của khâu ĐC dòng stator Vậy là, giá trị chủ đạo

Hình 2.2 Vector dòng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq

Nếu hình dung ra hệ tọa độ dq đứng yên tại một vị trí, sao cho trục thực d

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

trùng với trục của một trong ba cuộn dây pha (ví dụ: cuộn dây pha U), và ta đổi tên cho hệ tọa độ thành αβ, khi ấy ta thu được một hệ tọa độ cố định với stator Hệ thống cuộn dây ba pha vốn là hệ thống cố định Vì vậy, ta có thể hình dung ra một phép tính chuyển, thay thế hệ thống ba cuộn dây pha U, V và W của máy điện bởi một hệ hai cuộn dây α và β Dòng chảy qua hai cuộn dây mới là i s và i s

Hình 2.3 Thu thập giá trị thực của các thành phần dòng i sd , i sq

Trong (2.8) u là vector bất kỳ Áp dụng (2.8) cho vector dòng stator i s, phép chuyển hệ tọa độ đưa tới hai thành phần dòng i sd, i sq, là hai thành phần một chiều

có tác dụng tạo từ thông, tạo mômen quay mà công thức (2.4), (2.5) đã mô tả

2.1.2 Cấu trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor

Trên cơ sở lý thuyết ở mục 2.1 ta có thể xem xét kỹ lưỡng hơn cấu trúc kinh điển (hình 2.4) của hệ truyền động điện xoay chiều ba pha điều khiển kiểu

4

T R

Nếu tạm thời bỏ qua không quan tâm đến khối 8, ta sẽ thấy rằng hình 2.4 có

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

cấu trúc giống như hệ truyền động điện một chiều, đó là vòng ĐC bên ngoài với: khâu ĐC từ thông (khối 1) và khâu ĐC tốc độ quay (khối 9) Khâu ĐC cấp dưới (vòng trong cùng) bao gồm hai khâu ĐC độc lập theo luật PI (khối 2), điều chỉnh hai thành phần dòng một chiều i sd (có tác dụng tương đương với dòng kích từ ĐCMC) và i sq (có tác dụng tương đương với dòng phần ứng ĐCMC) Mạch tính áp (khối 3: DN) có nhiệm vụ tính các thành phần điện áp u sdvà u sqtừ đại lượng đầu ra của hai khâu ĐC dòng Khi tính, DN sử dụng các đại lượng biến thiên chậm là từ thông rotor rdvà tốc độ quay Nếu biết góc pha scủa vector từ thông, góc xen giữa trục d của vector từ thông rotor và trục chuẩn cố định, ta có thể chuyển hai thành phần điện áp u sd, u sq sang hệ tọa độ stator (khối 4) Điện áp được đặt lên cực của động cơ theo phương pháp ĐCVTKG (khối 5), cho phép tạo điện áp với biên

độ, góc pha và tần số mà khâu ĐC dòng đòi hỏi Khâu ĐCVTKG có nhiệm vụ tính thời gian đóng ngắt các van bán dẫn của nghịch lưu từ hai thành phần điện áp u s ,

s

u Mô hình từ thông (khối 8) có chức năng tính toán giá trị thực của từ thông rotor

và góc pha stừ dòng điện stator và tốc độ quay

Giả sử hai thành phần dòng i sd , i sq hoàn toàn không phụ thuộc lẫn nhau (tức tuyệt đối cách ly), khi ấy phương án kinh điển sử dụng hai khâu ĐC dòng theo luật

PI sẽ hoàn hảo Trong thực tế, hai thành phần dòng có tác dụng ảnh hưởng lẫn nhau phụ thuộc vào s Vậy mà, khâu DN lại chỉ là mạch tính thông thường, được xây dựng cho chế độ xác lập, không có khả năng cách ly theo đúng nghĩa của tự động điều khiển Chính vì vậy, bấy lâu nay phương pháp kinh điển chỉ hoạt động tốt ở chế độ tĩnh, chưa tốt ở chế độ động Điều này thể hiện rõ khi hệ làm việc ở vùng suy giảm từ thông (tốc độ quay lớn hơn tốc độ danh định) là vùng thường xuyên xảy ra tương tác giữa i sd, i sq

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

Hình 2.4 Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor

2.2 Điều khiển nghịch lưu theo phương pháp ĐCVTKG:

Trong cấu trúc của hệ thống TĐĐXCBP, khâu điều khiển nghịch lưu là khâu

trung gian giữa khâu ĐC dòng stator và nghịch lưu Xét về phương diện thiết bị, khâu giữ vai trò giao diện giữa phần cứng và mạch nghịch lưu Xét về cấu trúc ĐC,

khâu giữ vai trò của một khâu truyền đạt 1/1, nghĩa là đại lượng đầu ra đảm bảo bảo trung thành với đầu vào cả về module, tần số và pha Vì vậy, khi tổng hợp hệ, có thể

bỏ qua khâu trong sơ đồ cấu trúc Xét về chức năng, khâu giữ vai trò của một khâu

biến đổi số - tương tự, có nhiệm vụ chuyển các chuỗi điện áp (do khâu ĐC dòng tính) thành điện áp xoay chiều ba pha

Sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu nuôi động cơ XCBP với ba cuộn dây pha u, v và w được minh họa ở hình 2.5 Vi xử lý có nhiệm vụ tính toán, tạo ra các chùm xung kích thích, điều khiển các cặp van v u /v u , v v /v v và vw /vw sao cho

ba điện áp pha (ở dạng xung băm) có biên độ, tần số và góc pha đúng như yêu cầu được đặt lên ba cực của động cơ Mạch nghịch lưu được nuôi bởi điện áp một chiều trung gian U MC

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

Hình 2.6 minh họa vị trí tương đối trên không gian vector giữa hệ tọa độ αβ và

ba cuộn dây pha u, v, w Mức lôgich của ba cực của các cuộn dây pha quy ước như sau:

0, nếu cực của cuộn dây nối với thế năng âm hoặc

1, nếu cực của cuộn dây nối với thế năng dương

Hình 2.5 Sơ đồ mạch nghịch lưu nuôi ĐCXCBP

Bằng 3 nhánh van ta có thể tạo ra 8 trạng thái lôgic, ứng với 8 vector điện áp chuẩn u0, u1, u2…u7 Trong đó, hai vector u0- cả ba cuộn dây nối với cực âm – và

7

u - cả ba cuộn dây nối với cực dương – là các vector có module bằng không Vị trí

tương đối của các vector chuẩn so với các trục α, β được minh họa ở hình 2.6 Vector chuẩn chia không gian vector thành các góc phần sáu S1…S6 và các góc

Hình 2.6 Các vector điện áp chuẩn tạo bởi 3 nhánh van IGBT

phần tư Q0 Q4 Trạng thái lôgich của các nhánh van được tập hợp trong bảng