Hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ làm việc ở vùng tốc độ thấp

Theo công thức 1-40 có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto.. Những quan

đặng thị quỳnh trang

Hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ làm việc ở vùng tốc độ thấp

Lời cam đoan………

Lời cảm ơn………

Mục lục………

Mở đầu……… 1

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ……… 4

1.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha………4

1.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ….13 Chương 2:Các phương pháp tính toán tốc độ……… 20

2.1 Khái quát……… 20

2.2 Tính toán tốc độ theo độ trượt……….21

2.3 Tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn(MRAS)………24

2.4 Mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ……… 26

2.5 Tính toán trực tiếp tốc độ………27

2.6 Mô hình quan sát bậc giảm……….28

Chương 3:Xây dựng thuật toán nhận dạng tốc độ……… 30

3.1 Đặt vấn đề 30

3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ không dùng cảm biến tốc độ…… 30

3.3 Mô hình quan sát từ thông rotor……… 31

3.4 Xây dựng thuật toán nhận dạng tốc độ……… 37

Chương 4: Mô phỏng đánh giá chất lượng bằng phần mềm Matlab-Simulink……… 40

4.1Hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ không…………40

dùng cảm biến tốc độ………

4.4 Kết quả mô phỏng……… 59 Kết luận……… Tài liệu tham khảo………

Chương i: tổng quan về hệ thống điều khiển véc tơ

động cơ không đồng bộ

1.1 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ ba pha:

1.1.1 Véc tơ không gian

Trong động cơ không đồng bộ 3 pha dây quấn có dây quấn 3 pha đối xứng

cung cấp từ nguồn điện 3 pha đối xứng, có thể coi các dòng điện trong các pha là các vectơ, với độ lớn là các thành phần dòng điện các pha (i as,

bs

i , i cs) và hướng trùng với trục của cuộn dây tương ứng Trong mặt phẳng cắt ngang của máy điện,

đặt một hệ trục toạ độ có 2 trục vuông góc ( trục thực α và trục ảo β) với trục thực trùng với pha ảo Khi đó các vectơ dòng 3 pha được viết dưới dạng sau:

e cs i cs i

a bs i j

e bs i bs i

as i as i

i = + + (1-2) Trong hệ trục toạ 2 trục, vectơ dòng điện stator có thể viết dưới dạng:

s ji s i s

i = α + β (1-3)

Với giả thiết dòng điện 3 pha đối xứng, tức là thành phần thứ tự không bằng không, các thành phần của dòng điện stator trên 2 trục thực và trục ảo được tính từ các thành phần dòng điện ở các pha a, b, c:

i s i

3

1 3

1 3 2

3

1 3

1 0

β

α (1-4)

Và phép biến đổi ngược biểu diễn quan hệ các thành phần dòng điện các pha (a.b.c) và các thành phần dòng điện trên 2 trục của hệ toạ độ cố định:

cs i bs i as i

β α

2

1 2

3 2

1 2

3

1 0

(1-5)

Hình 1-1 Biểu diễn véctơ không gian

Tương tự vectơ không gian từ thông móc vòng stator và điện áp stator cũng

as

u = + + (1-7) Trong đó: ψas, ψbs, ψcs- các thành phần từ thông móc vòng của các pha a,

b, c stator

u as,

bs

u , u cs- các thành phần từ thông móc vòng của các pha a, b, c stator

β

α

cs i

Trục pha a

Trục pha c Trục pha b

bs i

as i

s i

Các vectơ không gian dòng điện, điện áp và từ thông móc vòng rôto có thể

ar

ψ = + + (1-10) Trong đó: i ar,

dt bs d bs i s R bs u

dt as d as i s R as u

ψ ψ ψ

(1-11)

dt br d br i s R br u

dt ar d ar i s R ar u

ψ ψ

ψ

(1-12)

Trong đó: R s và R r là điện trở stator và rôto

Sử dụng khái niệm vectơ không gian dòng điện, từ thông móc vòng

và điện áp ta có các phương trình điện áp stator và rôto ở dạng vectơ:

dt

d i R

s s s

ψ +

= (1-13)

dt r d r i s R r

+

= (1-14)

b Hệ toạ độ quay chuẩn

Để nghiên cứu quá trình điện từ trong động cơ không đồng bộ có số

đôi cực pp, hệ qui chiếu điện được dùng để thay thế cho hệ qui chiếu cơ khí Một

đôi cực hay một chu kỳ của từ thông sẽ tương đương 3600 điện Do đó góc quay

Đặt một hệ trục toạ độ 2 trục vuông góc quay với tốc độ ωk bất kỳ như hình

1-2 Góc giữa trục thực của hệ toạ độ quay này và trục thực của hệ toạ độ stator

ω θ

θ (1-17)

= +t∫ − r dt

k ro

k r

Tốc độ quay ωk của hệ toạ độ quay có

s k j dt s d s i s R

s

U = + ψ + ω ψ (1-19)

r r k j dt r d r i r R

r

U = + ψ + ( ω − ω ) ψ (1-20)

Véc tơ từ thông móc vòng stator và rotor ở hệ toạ độ quay được xác định theo công thức (1-21),(1-22):

r i m L s i s L

s= +

ψ (1-21)

r i r L s i m L

ψ (1-22) Trong đó : Ls, Lr- điện cảm mạch stato và roto

Lm- điện cảm mạch từ hoá

Kết hợp các phương trình (1-21) và (1-22), dòng điện roto và từ thông móc vòng stato được biểu diễn thông qua dòng điện stato và từ thông móc vòng roto bằng các phương trình sau:

r L s

i m L r r

r m r s

m s

s r r

m

L

L L L

L i

L L

L

σ ψ

ψ

1 (

2

(

r s

m L L

L

1

L s i s L k j r L

m

L r R s R

j dt r d s i m L r L r R r r

Sau một số phép biến đổi ta nhận được hệ phương trình trạng thái tổng quát mô tả động cơ không đồng bộ ở hệ toạ độ quay với tốc độ là ωk là:

s u B

B r

s i k A k A

k A k A r

12 11

ψ

ψ (1-27)

Trong đó các hệ số ma trận được tính theo các biểu thức:

J k I s

L r L m L r R s R k

2 (

11

);

1 (

r

T s L m L k

1 0

; 1 0

0 1

; 0 0

0 0 2

;

1

s L

2

3 )

* Im(

2

3

s i r Lr

Lm p P s

i s p

Hệ phương trình trạng thái mô tả động cơ được viết ở hệ toạ độ cố định stator nhận được bằng cách thay ωk=0 vào phương trình (1-27):

s u B

B r

s i A A

A A r

12 11

ψ

ψ (1-30)

s L r L

m L r R s R A

σ

) 2

2 (

A =

22 1 I r J;

r T

1 0

; 1 0

0 1

; 0 0

0 0 2

;

1

s L

+

−

=

+ +

+ +

=

r r k r

s r

r r

s s r k

s s r s

s s

j dt

d Lr

i Lm R

U

i L Lr

Lm j

dt

di L dt

d Lr

Lm i R U

ψ ω ω ψ

ψ

σ ψ

ω σ

ψ

) (

) (

.

(1-31 )

Biến đổi Laplace:

−

=

+ +

+ +

=

r r k r

s r

r r

r

r r

r k

r s

s k s s s s

j p I

T

R Lm L

R U

Lr

Lm j Lr

Lm p p I L j I p L R p U

ψ ω ω ψ

ψ

ψ ω

ψ σ

ω σ

) (

) ( )

( ) (

−

=

−

− +

−

=

+ +

+ +

=

− +

− +

=

ur r k vr

vs r

r vr

r r

vr r k ur

us r

r ur

r r

ur k

vr us

s k vs s s vs

vr k

ur vs

s k us s s us

p I

T

R Lm L

R

p I

L

R Lm L

R

Lr

Lm p

Lr

Lm I

L I

p L R U

Lr

Lm p

Lr

Lm I

L I

p L R U

ψ ω ω ψ

ψ

ψ ω ω ψ

ψ

ψ ω

ψ σ

ω σ

ψ ω

ψ σ

ω σ

) (

0

) (

0

) (

) (

− +

=

−

−

− +

=

+ +

+ +

=

− +

− +

=

ur r k vs r vr r r

vr r k us r ur r r

ur k

vr us

s k vs s s vs

vr k

ur vs

s k us s s us

I T

Lm p

T T

I T

Lm p

T T

Lr

Lm p

Lr

Lm I

L I

p T R U

Lr

Lm p

Lr

Lm I

L I

p T R U

ψ ω ω ψ

ψ ω ω ψ

ψ ω

ψ σ

ω σ

ψ ω

ψ σ

ω σ

) (

) 1 (

1 0

) (

) 1 (

1 0

) 1

(

) 1

−

=

− +

=

+ +

+

=

+

− +

=

r r s qs r m

ds r

m r r r

r r

m s ds s s qs s s qs

r r

m qs s s ds s s ds

I T L

I T

L p

T T

L

L I

L I

p T R U

p L

L I L I

p T R U

ψ ω ω ψ

ψ ω σ ω σ

ψ σ

ω σ

) (

0

) 1 (

1 0

) 1

(

) 1

(

(1-35)

Từ 2 phương trình trên ta có:

sd r

sq r r

r

ds m r s sl

r

ds m r

I T

I p T T

I L

p T

I L

) 1 ( )

ω ω

* Im(

2

3

s r p

s s

Lr

Lm P i

1.2 Tổng quan về hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ

Một số hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh động cao thì các phương pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng được Hệ thống điều khiển định hướng theo từ trường còn gọi là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh

1 p

trong chế độ tĩnh và động.Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều Phương pháp này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu mômen Việc điều khiển vectơ dựa trên định hướng vectơ từ thông rôto có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen động cơ Kênh điều khiển mômen thường gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mômen Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông Do đó hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo được các đặc tính tĩnh

và động cao, có thể so sánh được với động cơ một chiều

1.2.1 Nguyên lý điều khiển véc tơ

Dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển độngcơ một chiều Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng phần ứng để đạt được mômen tối ưu theo công thức tính mômen :

M=KΦIư = KIktIư (1-39) Trong đó : Ikt, Iư - dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng

Φ - từ thông động cơ

Hình 1-4: Sự tương tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vectơ

Bằng mô tả động cơ không đồng bộ trong hệ toạ độ d,q với trục d chọn trùng với véc tơ từ thông rotor mô men động cơ có dạng:

M = KmψrIqs = KmIdsIqs (1-40)

Mạch

điều khiển và nghịch lưu

Theo công thức (1-40) có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tương

tự điều khiển động cơ điện một chiều ở đây thành phần dòng điện Ids đóng vai trò tương tự như dòng điện kích từ động cơ một chiều (Ikt) và thành phần dòng Iqs

tương tự như dòng phần ứng động cơ một chiều (Iư) Các thành phần có thể tính

được nhờ sử dụng khái niệm vectơ không gian Với ý tưởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ được mô tả ở hệ tọa độ quay với tốc độ ωs, các

đại lượng dòng điện điện áp, từ thông sẽ là các đại lượng một chiều

Hình 1-5:Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: mômen và kích từ

Thành phần dòng điện trên trục q (Iqs) là thành phần sinh mô men và tương ứng công suất tác dụng truyền qua khe hở Uqs, Iqs Thành phần dòng điện trên trục

d (Ids) là thành phần sinh từ thông và tương ứng với công suất phản kháng truyền qua khe hở Uds,Ids

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

đồ thị 1-5, thành phần Ids được duy trì không đổi tương ứng là từ thông rotor được duy trì không đổi, mô men động cơ thay đổi khi thay đổi thành phần Iqs (từ Iqs1

đến Iqs2) Kết quả là véc tơ is thay đổi từ is1 đến is2 Như vậy cả biên độ và góc của véctơ dòng stator được thay đổi

Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển véc tơ với mô hình động cơ không đồng bộ được trình bày như trên hình 1-6

Hình 1-6 Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển véc tơ với mô hình động cơ

1.2.2 Các phương pháp điều khiển véc tơ

a Điều khiển vectơ gián tiếp

Hình 1-7: Đồ thị góc pha của phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp

ở phương pháp này , góc θs được tính toán dựa vào các đại lượng đầu cực của động cơ từ đó tính ra các phần tử quay cosθ, sinθ

Theo đồ thị trên, góc pha được tính như sau:

θs =∫ωsdt +θo (1-41)

a+1(α)

ωs: tốc độ quay của vectơ dòng điện stato, từ thông rôto và là tốc độ quay của hệ trục toạ độ dq

Từ phương trình cân bằng điện áp rôto (1-20)

f r r

f rs f

r

dt

d i

= 0

(1-42) Xét trên hai trục d và q tương ứng ta được:

)431(

)431(0

0

b

a

rd r rq rq

r

rq r rd rd

r

dt

d i R

dt

d i R

−

−+

+

=

− +

=

ψ ω ψ

ψ ω ψ

Từ công thức ψr =L r i r +L m i s suy ra :

m

sq m rq rq

m

sd m rd rd

L

i L i

L

i L i

0

0

= +

− +

=

−

− +

dq sl sq r r

m rq r

r rq

rq sl sd r r

m rd r

r rd

I R L

L L

R dt

d

I R L

L L

R dt

d

ψ ω ψ

ψ

ψ ω ψ

d

r rd

rq rq

r r

sq m sl

i L dt

d

T

T

i L

= +

=

ψ ψ

ψ ω

(1-47)

Từ công thức (1-41) và (1-47) sơ đồ cấu trúc tính toán góc quay θs được trình bày trên hình 1-8

Hình 1-8: Sơ đồ tính toán góc quay từ trường theo phương pháp gián tiếp

b Điều khiển vectơ trực tiếp

Phương pháp này xác định trực tiếp góc quay từ trường θs từ từ thông rôto

r

ψ hoặc từ thông khe hở ψ0 trên hai trục của hệ toạ độ vuông góc Sơ đồ khối cơ bản hệ thống điều khiển véc tơ trực tiếp sử dụng cảm biến từ thông được trình bày trên hình 1-9

Sơ đồ gồm hai kênh điều khiển : mômen và từ thông khe hở Các thành phần dòng điện điều khiển Iqs* và Ids* tương ứng là các tín hiệu ra của các bộ điều chỉnh mômen và từ thông khe hở Các thành phần dòng điện này được biến đổi thành các đại lượng hình sin trong hệ toạ độ tĩnh nhờ phép biến đổi dq/αβ Các thành phần dòng điện hình sin ias*, ibs*, ics* là tín hiệu điều khiển của bộ nghịch lưu biến điệu độ rộng xung PWM

Thành phần sinθs, cosθs tính từ các thành phần của từ thông khe hở trên hai trục toạ độ tĩnh đo được bằng các cảm biến từ thông :

0 0

0 0

2 0 2 0 0

sin

;cos

ψ

ψθψ

ψθ

ψψψ

β α

β α

với ψ0 α, ψ0 β : các thành phần từ thông khe hở dọc trục và ngang trục

Hình 1-9: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vectơ trực tiếp

Như vậy góc quay từ trường θs hay sinθs, cosθs được tính trực tiếp từ các thành phần từ thông khe hở Các thành phần ψ0 được đo bằng các cảm biến từ thông Biên độ ψ0 được sử dụng làm phản hồi của mạch vòng điều chỉnh ψ0

R ψ

R M

cosθ s -sinθ s sinθ s cosθ s

1/2- /3-

1 0

22

Nghịch lưu PWM

Tính sinθ s , cosθ s

2 2

Có rất nhiều rất nhiều cách giải quyết khác nhau về điều khiển động cơ không dùng cảm biến tốc độ đã được đề xuất trong những năm vừa qua Những quan điểm của họ và giới hạn của nó được trình bày như ở hình 2.1

Hình 2.1 đưa ra sơ đồ tổng quát của phương pháp điều khiển không dùng cảm biến tốc độ Điều quan trọng nhất là xây dựng thuật toán nhận dạng tốc độ để không cần sử dụng đến cảm biến tốc độ Nguyên tắc điều chỉnh giữ U/f là hằng số bằng cách sử dụng phản hồi sẽ đảm bảo duy trì từ thông trong máy điện duy trì ở mức mong muốn Phương pháp điều khiển này thoả mãn tốt các yêu cầu chất lượng tĩnh của hệ thống động học Chất lượng động của hệ thống đạt được nhờ điều khiển

định hướng từ trường hoặc gọi là điều khiển véctơ Vị trí từ trường trong không gian, góc pha của từ trường rất khó xác định Có rất nhiều mô hình và thuật toán

được sử dụng để ước lượng tốc độ động cơ được trình bày như ở hình 2.1

Như vậy để điều khiển động cơ không đồng bộ mà không cần dùng đến cảm biến tốc độ để đo tốc độ quay của rôto cần phải xây dựng các thuật toán để nhận dạng tốc độ

Các phương pháp nhận dạng tốc độ đã được trình bày tóm tắt trong [5].ở [5] tác giả đã trình bày các phương pháp tính toán tốc độ như : tính toán tốc độ theo

độ trượt, tính toán tốc độ dựa trên mô hình chuẩn, tính toán từ thông thích nghi theo tốc độ và tính toán trực tiếp tốc độ động cơ Trong chương này sẽ tóm tắt lại các phương pháp tính toán tốc độ như ở [5], phân tích ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng, ngoài ra chương này cũng sẽ trình bày mô hình quan sát giảm bậc theo [7]

2.2 Tính toán tốc độ theo độ trượt

Tinh thần cơ bản của phương pháp tính toán tốc độ theo độ trượt là tốc độ

động cơ được tính từ tốc độ góc stator (ωs) và độ trượt (ωsl) theo biểu thức sau:

Định hướng trường stator

Hình 2-1 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không dùng cảm biến tốc

Độ trượt có thể xác định từ điện áp và dòng điện stator dựa theo phương trình cân bằng áp ở trạng thái xác lập như ở công thức (1-47)

r r T sq i m L

s T k r R

2

2 ω

ω (2-2)

Trong đó: E s i s jE s i s

k

T s

s E D

N biểu thị công suất truyền sang mạch rotor, D biểu thị mối quan hệ giữa sức

điện động khe hở và tần số stator

Thuật toán do Abbondanti đề xuất có thể sử dụng để tính tốc độ động cơ làm việc ở hệ thống điều khiển độ trượt Kết quả mô phỏng và thực nghiệm của thuật toán với hệ truyền động điện biến tần 15HP với phụ tải 200% định mức cho thấy thuật toán đã cho độ chính xác ở dải tốc độ 10/1 Tuy nhiên, do có 2 mạch tích phân trong công thức (2-1) nên phương pháp này khó đạt độ chính xác ở vùng tốc độ thấp

và giá trị ban đầu của mạch tích phân sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác tính toán độ trượt Các kết quả kiểm nghiệm lại thuật toán trên cũng cho thấy rằng thuật toán chỉ cho độ chính xác ở quá trình xác lập quá trình quá độ mang tải của động cơ còn trong quá trình khởi động cơ sẽ gặp sai số lớn

Trong [5] cũng đã trình bày thuật toán tính toán tốc độ do Joetten đề xuất Tương tự như nguyên tắc của Abbondanti, Joetten đã phát triển thuật toán trên cho động cơ làm việc ở các chế độ khác nhau bằng cách sử dụng sức điện động rotor thay cho sức điện động stator Tác giả đưa ra giả thiết rằng từ thông rotor thay

đổi chậm nên giá trị các thành phần từ thông rotor trên 2 trục cuả hệ toạ độ cố định stator có thể coi gần đúng bằng đạo hàm của chúng Khi đó tốc độ trượt được xác

định theo biểu thức sau:

Do sử dụng sức điện động rotor nên thuật toán (2-3) không chứa các khâu tích phân hở và đã tránh được vấn đề trôi điểm không Tuy nhiên phương pháp còn một số hạn chế Độ trượt phụ thuộc vào tốc độ góc stator, nên ở vùng tần số thấp, sai số tính toán có thể lớn Mặt khác, giả thiết từ thông rotor thay đổi chậm chỉ đúng

ở quá trình xác lập, mà trong quá trình quá độ sẽ không thoả mãn, nên thuật toán chỉ cho kết quả tốt ở quá trình xác lập

ở [5] đã mô tả thuật toán tính độ trượt mới để khắc phục những hạn chế của thuật toán (2-1) do khâu tích phân hở và của (2-3) ở quá trình quá độ do Rubin, Haley và Dianna đề xuất

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 stator và hệ số công suất) và năm tham số của động cơ Dựa trên mạch điện thay thế 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

)

( 3

) 2 (

) 2

(

sa u sb i sb u sa i

sb u sa u sb i sb u sa u sa

i

−

+ +

) 5 2

; 2 2

s r L s R m

L r R s

r R s

r L m L r L s L r

R s

đổi từ thấp đến cao qua điểm đó Vì vậy để đạt chất lượng tính toán độ trượt cao, cần thiết phải có phương pháp hiệu chỉnh thích nghi ở điểm độ trượt giới hạn

2.3 Tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn(MRAS)

Phương pháp tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn dựa trên phương trình trạng thái mô tả động cơ trong hệ toạ độ cố định với stator sử dụng khái niệm số phức

dt s i d s L dt r d r L m L s i s R s

u = + ψ + σ (2-7a)

r r j r L r R dt r d s

i r R r L m

L

ψ ω

ψ

) (

0 = − + + − ( 2-7b)

Các phương trình (2-7) có thể viết lại dưới dạng đạo hàm của từ thông rotor như sau:

) (

dt s i d s L s i s R s u r L m L dt

r

dψ = − − σ (2-8a)

s i r T m

L r r j r T dt

r

dψ = ( − 1 + ω ) ψ + (2-8b)

Các phương trình (2-8) cho thấy rằng từ thông rotor có thể xác định bằng hai mô hình hở: mô hình điện áp (2-8a) và mô hình dòng điện (2-8b), trong đó mô hình

điện áp không phụ thuộc tốc độ, còn mô hình dòng điện có liên quan tới tốc độ

Dựa trên 2 mô hình đó, thuật toán tính toán tốc độ theo mô hình chuẩn đã

được đề xuất Về nguyên lý mô hình điện áp không liên quan tới tốc độ được coi là

“mô hình chuẩn”, mô hình dòng điện có tốc độ là tham số coi là “mô hình chỉnh

định” Sai số biểu thị độ lệch từ thông của 2 mô hình sẽ là tín hiệu đầu vào của khâu chỉnh định thích nghi với tín hiệu ra của nó là tốc độ động cơ Hình (2-2) là sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo nguyên tắc mô hình chuẩn Cấu trúc khâu chỉnh định thích nghi được thiết kế có cấu trúc PI:

e p I

K p K

ω (2-9) Trong đó: eˆ =ψˆ αriψˆ βrv−ψˆαrvψˆ βri là độ sai lệch của hai mô hình

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

hợp tham số của khâu chỉnh định thích nghi Tuy nhiên, tương tự như thuật toán của (2-1), sự có mặt hai khâu tích phân trong các mô hình tính toán từ thông là nguyên nhân của hiện tượng trôi điểm không và sai số lớn ở vùng tốc độ thấp Kết quả thực nghiệm của thuật toán trên cho thấy độ chính xác cao đạt được cả trong quá trình xác lập và quá trình quá độ ở vùng tần số lớn hơn 2Hz

Để loại trừ hiện tượng trôi điểm không của phương pháp trên ở [5] đã mô tả thuật toán tính toán tốc độ dựa trên nguyên lý mô hình chuẩn với việc sử dụng sức

điện động thay cho từ thông rotor do Peng F.Z đề xuất Sức điện động và đại lượng tính toán của nó (eˆ m) được tính toán từ hai mô hình tự như (2-8):

) (

dt s i d s L s i s R s u

m

e = − + σ (2-10a)

) 1 1

( 2 2

r T m i r T m i r r L m L dt m i d r L

Mô hình (2-10) biểu diễn trên hình 2-3 sẽ không chứa khâu tích phân Do đó

sẽ tránh được trôi điểm không và ảnh hưởng của sơ kiện đầu đến giá trị tính toán

Động cơ

Mô hình

điện áp (2-8a)

Mô hình dòng điện (2-8b)

Cơ cấu chỉnh định thích nghi

Thuật toán này áp dụng cho hệ điều khiển véc tơ gián tiếp đã tạo ra đặc tính tốt nhất trong dải tốc độ rộng (200/1) Tuy nhiên mô hình chỉnh định mất khả năng chỉnh

định trong một số chế độ làm việc khi sức điện động bằng không

2.4 Mô hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ

Theo [5] phương pháp này được trình bày bởi Kubota, Matsuse, Nakano, Yang, Chin, Yamoda, Sasagawa , Fratta,Vagati và Villata đã giải quyết triệt để tồn tại của các phương pháp trên bằng cách sử dụng mô hình quan sát từ thông rotor đủ bậc Như đã trình bày ở 1-1, phương trình trạng thái mô tả động cơ (1-27) biểu diễn hai trạng thái là dòng điện và từ thông rotor Dựa trên lý thuyết quan sát, hai trạng thái của động cơ có thể tính toán bằng một mô hình quan sát đủ bậc:

) ˆ 2

1 ˆ

ˆ

22 21

12 11 ˆ

ˆ

s i s i G s u B B r

s i A A

A A r

là tín hiệu chỉnh định mô hình quan sát Trên quan điểm mô hình chuẩn, động cơ

được coi là mô hình chuẩn, mô hình quan sát (2-11) có thể coi là mô hình chỉnh

định

Mô hình

điện áp (2-8a)

Mô hình dòng điện (2-8b)

Cơ cấu chỉnh định thích nghi

m eˆ

m e

m iˆ

ổn định và hội tụ của mô hình quan sát

Ưu điểm của thuật toán là mức độ hội tụ của từ thông rotor không phụ thuộc vao giá trị ban đầu của mạch tích phân và hoàn toàn loại trừ hiện tượng trôi điểm không Do vậy hệ thống điều khiển không dùng cảm biến tốc độ có thể làm việc ở mọi trạng thái và điều kiện đầu của máy điện Tuy nhiên, tốc độ là tín hiệu đầu ra của cơ cấu chỉnh định thích nghi, nên mức độ chính xác tính toán tốc độ ở cả chế độ xác lập lẫn quá độ phụ thuộc vào cấu trúc và tham số của khâu hiệu chỉnh

2.5 Tính toán trực tiếp tốc độ

Phương pháp này không sử dụng các thuật toán phức tạp như các phương pháp trên mà tính toán trực tiếp tốc độ dựa trên phương trình động học mô tả động cơ

+

=

r i r i s i s i

r pL r R r L r m

pL m L r

r L r r pL r R m L r m

pL

m pL s

pL s R

m pL s

pL s R s

u s

u

β α β α

ω ω

ω ω

β

α

* 0

0

0 0

0

Giải phương trình (2-12), tốc độ rotor có thể tính theo biểu thức sau:

r s i s L s r

s i s L s

r p s i s L s r

p s i s L s r

α ψ β β

ψ β ψ α α

ψ

α ψ β β

ψ β ψ α α

ψ

ω

) (

) (

) (

) (

− +

Hình 2-4 Sơ đồ cấu trúc thuật toán tính toán tốc độ theo mô

hình quan sát từ thông thích nghi theo tốc độ

Cơ cấu chỉnh định thích nghi

r

ψˆ

s i

+ + +

-

Trong đó véc tơ từ thông rotor và stator được tính toán trực tiếp từ điện áp và dòng điện stator:

r L

ψ = − (2-15)

Thuật toán rất đơn giản vì tốc độ được tính trực tiếp từ các thành phần điện

áp và dòng điện là những đại lượng dễ dàng đo được Tuy nhiên phương pháp này

có một số hạn chế Từ thông được tính toán bằng mạch tích phân hở nên giá trị tính toán sẽ phụ thuộc sơ kiện của mạch tích phân và do hiện tượng trôi điểm không nên khó đạt độ chính xác ở vùng tốc độ thấp Hạn chế thứ hai là tốc độ được tính bằng chia đa thức, đa thức mẫu số có thể bằng không khi tử số khác không Điều đó làm phức tạp cho việc thực hiện nó trong thực tế

Trong [5] cũng đã mô tả 1 dạng khác của thuật toán trên do Shirsavar, McCulloch và Guy đề xuất với giả thiết mô men của động cơ không biến đổi nhanh, tốc độ rotor được xác định từ các thành phần điện áp và dòng điện stator và trị số

đặt của độ trượt trong hệ thống điều chỉnh của hệ thống điều khiển véc tơ gián tiếp

*

sl

ω

* )

2 2 2 (

sl BZ

sl r L r R P

Nhận xét: Phương pháp này không chứa khâu vi phân hay tích phân nên có thể đạt độ chính xác cao cả ở tốc độ thấp Tuy nhiên thuật toán chỉ áp dụng cho những hệ thống điều khiển có sẵn tín hiệu độ trượt như của hệ thống điều khiển véc tơ gián tiếp Đồng thời, ở những hệ thống mà mô men biến đổi nhanh thì kết quả của phương pháp tính toán không chính xác

Phương trình (2-16) được biểu diễn bởi khâu bên phải của hình 2-5 sẽ cho phép xác định véc tơ từ thông rotor ψˆr, góc δ =ˆ arg( ψ ˆr) Các đại lượng đó được sử dụng trong hệ điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc

độ Véc tơ dòng stator là một tín hiệu đầu vào của mô hình 2-5 Bộ phận bù sai lệch (phía trái hình2-5) tạo ra tín hiệu cộng thêm vào mô hình

−

− + +

=

∆

) ˆ ) ˆ 1 ( (

ˆ 1 ' ( ˆ

) (

r r T j r T r k s u s l r T

s i s

T

r T dt s i d s T r G s

i

ψ ω σ

Hệ số khuếch đại phức G r(ω ) được lựa chọn theo phương pháp đặt nghiêm sẽ đáp ứng đặc tính động mong muốn của mô hình quan sát Mô hình quan sát giảm bậc sử dụng mô hình chuẩn thích nghi (MRAS) ở hình 2-2 như là một hệ thống con để ước lượng tốc độ rotor Tốc độ rotor ước lượng được sử dụng như một

đầu vào của mô hình ước lượng từ thông rotor

Hình 2-5 Sơ đồ cấu trúc mô hình quan sát bậc giảm, k d =T r /T r ’ +(1-σ)/σ

Bù sai lệch

r T

Chương 3: xây dựng thuật toán tính toán tốc độ

3.1 Đặt vấn đề

Như đã trình bày trong chương 2 có rất nhiều thuật toán đã được đưa ra để tính toán tốc độ động cơ không đồng bộ từ điện áp và dòng điện đo được mà không cần dùng đến cảm biến tốc độ Mỗi thuật toán đã được trình bày đều có những ưu, nhược điểm riêng, tuy nhiên chúng đều có thể sử dụng để tính toán toán tốc độ động cơ không những hệ điều chỉnh véc tơ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ Thực tế trong những năm gần đây hệ thống điều khiển véc tơ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ đã làm việc rất tốt ở vùng tốc độ cao và trung bình, tuy nhiên ở vùng tốc độ thấp thì vẫn còn là một vấn đề phải quan tâm ở vùng tốc độ thấp tốc độ động cơ không đồng bộ phụ thuộc rất lớn vào mô men tải và các tham số máy điện trong vùng này rất khó quan sát Vì vậy việc xây dựng một thuật toán tính toán tốc độ động cơ không đồng bộ cho phù hợp để nó làm việc ổn định và đạt chất lượng tốt ở vùng tốc độ thấp là rất cần thiết

3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ không dùng cảm biến tốc độ

Mô hình hệ thống khi không sử dụng cảm biến tốc độ ở dạng véc tơ như hình 3.1

Cơ cấu chỉnh định thích nghi

r

ψˆ

s i

+ + +

-

Trên sơ đồ trên chúng ta thấy để ước lượng được tốc độ động cơ cấn phải tính toán được dòng stator và từ thông rotor Vì vậy cần phải xây dựng thuật toán nhận dạng dòng stator và từ thông stator ở đây để nhận dạng dòng stator và từ thông rotor sử dụng mô hình quan sát đủ bậc vì ở mô hình này mức độ hội tụ của

từ thông rotor không phụ thuộc vào giá trị đầu của mạch tích phân và loại bỏ

được hiện tượng trôi điểm không

22 21

12 11 _

0

r s r

A A

A A i

s

i

Bu AX

1 1

1 1

u ,

,

1 1

122 22

22

21 21

112 12

12

11 11

I b I L B

J a I a J I

T A

I a I T

L A

J a I a J

I T L

A

I a T

T A

u

u i

i i

s

r r

r

r r

m

r r

r m

r r

s

s s r

r r

s

s s

σ

ω

ωσ

β

α β

α β

α

122 22

21

12 122

11

112 12

11

22 21

12 11

0 0 0 0

r r

r r

r r

r r

a a a

a a

a

a a

a

a a

a

A A

A A A

1 0

1 0

0 1

J I

Mô hình quan sát đủ bậc trong đó tính toán cả dòng stato và từ thông rôto

được xây dựng theo phương trình (3-3):

) ( 0

.

) (

^ 2 1

1 _

^

^

22 21

12 11 _

r s r

s

s s s

i i G

G u B i

A A

A A i

dt

d

i i G u B X A

=

ψ ψ

(3-3)

Trong đó ^ nghĩa là giá trị tính toán được

Chất lượng tính toán từ thông rôto bao gồm độ chính xác tĩnh và thời gian hội tụ từ thông tính toán về giá trị thực (chế độ động) Chất lượng này sẽ góp phần quan trọng vào việc ước lượng tốc độ động cơ Mô hình quan sát được thiết

kế thoả mãn hai chỉ tiêu: độ chính xác tĩnh cao và thời gian hội tụ đủ bé Chỉ tiêu thứ hai có nghĩa là các thông số sẽhội tụ về giá trị thực của động cơ trong thời gian đủ nhỏ mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng động của toàn hệ thống

Trong phương trình (3-3), có G là một ma trận trọng số dùng để bù sai lệch giữa các thông số thực của động cơ và các thông số trong mô hình quan sát sao cho mô hình quan sát mô tả các thông số động cơ giống thực tế nhất

Phương pháp lựa chọn G: vì động cơ là đối tượng ổn định, nghiệm cực của phương trình mô tả động cơ luôn nằm ở phía trái mặt phẳng phức nên để mô hình quan sát hoạt động ổn định ta phải lựa chọn G như sau: chọn G sao cho nghiệm cực của phương trình quan sát tỷ lệ với nghiệm cực của phương trình trạng thái mô tả động cơ theo một hệ số dương Nếu mô hình quan sát có nghiệm cực tỷ lệ

như vậy với nghiệm cực của động cơ thì có nghĩa là mô hình quan sát có nghiệm cực cũng nằm ở phía bên trái trục ảo của mặt phẳng phức (phần thực của nghiệm

có giá trị âm) Như vậy mô hình quan sát làm việc ổn định

Các bước tính toán để xác định các phần tử của ma trận G:

• Tìm các nghiệm cực của phương trình trạng thái biểu diễn động cơ

• Giải phương trình trạng thái của khâu quan sát để tìm nghiệm cực của mô hình, trong đó có chứa các phần tử của ma trận G như là các

động là nhỏ nhất Việc tìm hệ số tỷ lệ k sao cho phù hợp nhất sẽ được thực hiện ở chương 4 khi sử dụng phần mềm mô phỏng MATLAB-Simulink

Mô hình quan sát đã nêu ở trên có cấu trúc như hình 3-2 trong đó G đóng vai trò ma trận hiệu chỉnh:

Hình 3-2: Mô hình tổng quát bộ quan sát từ thông rôto

Nếu tách riêng mô hình quan sát thành hai khâu: khâu quan sát dòng điện

và khâu quan sát từ thông thì bộ quan sát sẽ có cấu trúc như hình 3-3:

H×nh 3-3: M« h×nh dßng ®iÖn stato vµ tõ th«ng r«to trong bé quan s¸t

7 3

6 2

5 1

g g

g g

g g

g g

22 11 (

2

0 21 12 ) 22 )(

11 (

0 22 21

12 11

0 22 21

12 11 0

0

=

− +

A A A

p A

p

A p A

A A

p

A A

A A p