CảI thiện chất lượng truyền động điện động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở vùng trên tốc độ đồng bộ bằng phương pháp điều khiển phi tuyến

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Khái quát về các phương pháp thiết kế ĐK vector dòng i s 19 Hình 1.2 Khái quát về các công trình nghiên cứu sử dụng mô hình có bão hòa từ tham số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

 ∗ 

ĐINH ANH TUẤN

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC Ở VÙNG TRÊN TỐC ĐỘ ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

 ∗ 

ĐINH ANH TUẤN

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC Ở VÙNG TRÊN TỐC ĐỘ ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN

Chuyên ngành: Thiết bị và hệ thống điều khiển tự động

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG PGS.TS PHẠM NGỌC TIỆP

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành và lòng kính trọng đối với các thầy hướng dẫn: GS TSKH Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS Phạm Ngọc Tiệp bởi những chỉ dẫn quý báu về phương pháp luận và định hướng nghiên cứu để luận án được hoàn thành Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn đối với Trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ cao – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và thời gian để tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học và các đồng nghiệp đã phản biện, lý luận, đóng góp các ý kiến xây dựng và trao đổi về các vấn đề lý thuyết cũng như thực tiễn

để luận án được hoàn thiện

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình và người thân đã luôn chia sẻ, gánh đỡ những khó khăn cũng như dành những tình cảm và là nguồn cổ vũ, động viên tinh thần không thể thiếu đối với tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án này

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác Các số liệu trình bày trong luận án đã được kiểm tra kỹ và phản ánh hoàn toàn trung thực Các kết quả nghiên cứu do tác giả đề xuất chưa từng được công bố trên bất kỳ tạp chí nào đến thời điểm này ngoài những công trình của tác giả

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2012

Tác giả luận án

Đinh Anh Tuấn

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN

ÁN

[1] Đinh Anh Tuấn, Nguyễn Phùng Quang (2010), Cải thiện chất lượng truyền động

không đồng bộ bằng cấu trúc tách kênh trực tiếp, sử dụng Kalman Filter để quan sát từ thông, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, tr.56-61, Các Trường ĐH Kỹ Thuật

[2] Đinh Anh Tuấn, Nguyễn Phùng Quang, Phạm Ngọc Tiệp (2010), Cải thiện chất

lượng truyền động không đồng bộ trong các cơ cấu chấp hành có hiện tượng bão hòa từ, Hội nghị cơ điện tử 2010, 24-25/10/2010, ĐH Bách Khoa TP HCM

[3] Tuan D.A, Quang N.P and Duc L.M (2010), A New and Effective Controller for

Induction Motors applying Direct-Decoupling Methodology based on Exact Linearization Algorithm and Adaptive Backstepping Technology, International

Conference on Control, Automation and Systems 2010, pp.1941-1945, Oct 27-30,

2010 in KINTEX, Gyeonggi-do, Korea

[4] Tuan D.A, Quang N.P and Quan D.M (2011), A New and Effective Controller for

Induction Motors applying Direct-Decoupling Methodology based on Exact Linearization Algorithm and Kalman Filter, Ship Power Plants: Sc.-Tech Col -

2011.- No 28 Odessa National Maritime Academy

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN

ÁN

[1] Cải thiện chất lượng truyền động không đồng bộ bằng cấu trúc tách kênh trực tiếp,

sử dụng Kalman Filter để quan sát từ thông, Tạp chí Khoa học và Công nghệ,

tr.56-61, Các Trường ĐH Kỹ Thuật, 2010

[2] Cải thiện chất lượng truyền động không đồng bộ trong các cơ cấu chấp hành có

hiện tượng bão hòa từ, Hội nghị cơ điện tử 2010, 24-25/10/2010, ĐH Bách Khoa

TP HCM

[3] A New and Effective Controller for Induction Motors applying Direct-Decoupling

Methodology based on Exact Linearization Algorithm and Adaptive Backstepping Technology, International Conference on Control, Automation and Systems 2010,

pp.1941-1945, Oct 27-30, 2010 in KINTEX, Gyeonggi-do, Korea

[4] A New and Effective Controller for Induction Motors applying Direct-Decoupling

Methodology based on Exact Linearization Algorithm and Kalman Filter, Ship

Power Plants: Sc.-Tech Col - 2011.- No 28 Odessa National Maritime Academy

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 10

1 TỔNG QUAN 14

1.1 Đặt vấn đề 14

1.2 Tổng quan các phương pháp điều khiển động cơ KĐB, các vấn đề còn tồn tại và cần tiếp tục nghiên cứu 16

2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC 23

2.1 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ không xét đến hiện tượng bão hòa từ thông 23

2.2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ có xét đến hiện tượng bão hòa từ thông 26

2.2.1 Thành lập các phương trình từ thông stator và rotor 28

2.2.2 Định nghĩa tham số đặc trưng cho hiện tượng bão hòa từ của động cơ 29

2.2.3 Thành lập mô hình điều khiển cho động cơ không đồng bộ có xét đến hiện tượng bão hòa từ thông 30

3 TUYẾN TÍNH HÓA CHÍNH XÁC VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ADAPTIVE BACKSTEPPING 36

3.1 Tổng quan về phương pháp tuyến tính hóa chính xác hệ phi tuyến 36

3.1.1 Ý tưởng tuyến tính hoá chính xác 36

3.1.2 Vector bậc tương đối của hệ thống phi tuyến MIMO vuông 37

3.1.3 Tuyến tính hoá chính xác quan hệ vào/ra đối tượng phi tuyến MIMO 37

3.1.4 Tuyến tính hóa chính xác và gán điểm cực 40

3.2 Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp cuốn chiếu - Backstepping 41

3.2.1 Khái quát về lý thuyết ổn định Lyapunov 41

3.2.2 Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh cuốn chiếu - Backstepping 43

3.3 Khả năng tách kênh trực tiếp mô hình dòng động cơ KĐB 45

3.3.1 Khả năng tuyến tính hoá chính xác mô hình dòng động cơ KĐB có xét đến hiện tượng bão hòa từ thông 45

3.3.2 Tách kênh trực tiếp và thực hiện điều khiển gán điểm cực mô hình dòng động cơ KĐB 50

3.4 Tuyến tính hóa chính xác thích nghi 52

3.4.1 Tuyến tính hóa chính xác thích nghi bằng bộ điều khiển bù thành phần bất định 52

3.4.2 Tuyến tính hóa chính xác thích nghi mô hình dòng động cơ KĐB 54

4 THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO DÒNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 57

4.1 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng Lyapunov iµd, iµq miền liên tục 58

4.2 Đưa thêm thành phần tích phân vào bộ điều khiển dòng Lyapunov để khử sai lệch tĩnh 59

4.3 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho thành phần iµd, iµq 61

4.4 Quan sát từ thông rotor 68

4.4.1 Vai trò của tính toán chính xác giá trị từ thông rotor 68

4.4.2 Quan sát từ thông rotor động cơ KĐB sử dụng bộ lọc Kalman 68

4.5 Thiết kế các bộ điều chỉnh vòng ngoài 71

5 HỆ THỐNG MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 74

5.1 Hệ thống mô phỏng 74

5.2 Hệ thống thí nghiệm 75

5.3 Kết quả mô phỏng và thí nghiệm 76

5.3.1 Khởi động, đảo chiều động cơ với tải thay đổi 76

5.3.2 Mômen tối đa và từ thông tối ưu 86

5.3.3 Các kết quả thí nghiệm 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 105

PHỤ LỤC 106

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

,

s r

ω ω Tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator, rotor

ω Tốc độ góc cơ học của rotor

m m Mômen quay của động cơ, mômen tải

FRT Finite respone time

RTI Real time interface

GAS Globally asymptotically stable

MIMO Multi-Input – Multi-Output

ISA Integrated Systems Architecture

DSP Digital signal processor

IGBT Insulated gate bipolar transistor

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 6.1 Các chân nối incremental encoder được sử dụng trên card

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Trang Hình 1.1 Khái quát về các phương pháp thiết kế ĐK vector dòng i s 19 Hình 1.2 Khái quát về các công trình nghiên cứu sử dụng mô hình có bão

hòa từ (tham số phi tuyến)

gián tiếp (a) và tách kênh trực tiếp (b)

57

Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping cho mô

hình có xét tới hiện tượng bão hòa từ thông của động cơ KĐB

65

Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping cho mô

hình kinh điển của động cơ KĐB

67

Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc truyền động động cơ KĐB sử dụng bộ điều chỉnh

dòng Adaptive Backstepping thiết kế trên cơ sở mô hình động cơ

có xét tới bão hòa từ thông

67

Hình 4.5 Cấu trúc bộ lọc Kalman trong hệ thống quan sát từ thông rotor 69

Hình 5.2 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi không

tải

77

Hình 5.3 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi tải 30%

78

Hình 5.4 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh 78

Adaptive Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi tải 60%

Hình 5.5 Đặc tính mômen điện từ của động cơ với mô hình từ thông bão

hòa trường hợp đóng và ngắt tải 100% sau khi khởi động không

tải

79

Hình 5.6 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi đóng tải

100% tại thời điểm 0,6s và ngắt tải tại thời điểm 1,2s

79

Hình 5.7 Đáp ứng từ thông ψ với bộ điều chỉnh dòng Adaptive rd

Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi không tải (a), khi

tải 30% (b), khi tải 60% (c) và khi đóng tải 100% tại thời điểm

0,6s và ngắt tải tại thời điểm 1,2s (d)

80

Hình 5.8 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi không tải

81

Hình 5.9 Đáp ứng dòng iµ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi không tải

81

Hình 5.10 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi tải 60%

82

Hình 5.11 Đáp ứng dòng iµ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi tải 60%

82

Hình 5.12 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi tải 100%

83

Hình 5.13 Đáp ứng dòng iµ của hệ thống trong trường hợpbộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi tải 100%

83

Hình 5.14 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi đóng tải 100% tại thời điểm 0,6s và

ngắt tải tại thời điểm 1s

84

Hình 5.15 Đáp ứng dòng iµ của hệ thống trong trường hợpbộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi đóng tải 100% tại thời điểm 0,6s và

ngắt tải tại thời điểm 1s

84

Hình 5.16 Đáp ứng từ thông ψ với bộ điều chỉnh dòng Adaptive rd

Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi không tải (a), khi

tải 60% (b), khi tải 100% (c) và khi đóng tải 100% tại thời điểm

0,6s và ngắt tải tại thời điểm 1s (d)

Hình 5.20 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh 88

Adaptive Backstepping

Hình 5.21 Đáp ứng từ thông ψ với bộ điều chỉnh dòng Adaptive rd

Backstepping

89

Hình 5.23 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh FRT 90 Hình 5.24 Đáp ứng từ thông ψ với bộ điều chỉnh dòng FRT khi có xung rd

nhiễu tác động ở giây thứ 0,6 ÷ 0,65

90

Hình 5.25 Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi có xung nhiễu tác động ở giây thứ 0,6

÷ 0,65

91

Hình 5.26 Đáp ứng từ thông ψ với bộ điều chỉnh dòng Adaptive rd

Backstepping khi có xung nhiễu tác động ở giây thứ 0,6 ÷ 0,65

91

Hình 5.27 Đáp ứng dòng stator của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

Adaptive Backstepping khi có xung nhiễu tác động ở giây thứ 0,6

÷ 0,65

92

Hình 5.28 Một số panel thiết bị trên phần mềm Control Desk để cấu hình cho

các trường hợp thí nghiệm của hệ thống, a) trường hợp gia tốc; b)

trường hợp hãm và đảo chiều

93

Hình 5.29 Kết quả thực nghiệm của đáp ứng tốc độ với bộ điều chỉnh dòng

Adaptive Backstepping

94

Hình 5.31 Kết quả thực nghiệm của đáp ứng tốc độ với bộ điều chỉnh dòng

Adaptive Backstepping thiết kế trên mô hình cấu trúc mới

95

Hình 5.33 Kết quả thực nghiệm của đáp ứng dòng từ hóa 96 Hình 6.1 Động cơ KĐB của Siemens, Model: 1PH7103-2HF00-0BA0 106 Hình 6.2 Mặt ngoài của đầu nối incremental encoder 6FX2003-0CE12 106 Hình 6.3 Mô hình tổng thể của hệ thống trên Matlab/Simulink/Plecs 107 Hình 6.4 Mô hình động cơ KĐB có bão hòa từ thông trên

Matlab/Simulink/Plecs

108

Hình 6.5 Bộ điều chỉnh vòng ngoài từ thông và tố độ trên Matlab/Simulink 108 Hình 6.6 Mô hình bộ quan sát từ thông trên Matlab/Simulink 109 Hình 6.7 Bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping và mô hình tác kênh

trực tiếp cho động cơ không bão hòa từ thông trên

Matlab/Simulink

109

Hình 6.8 Bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping và mô hình tác kênh

trực tiếp cho động cơ có bão hòa từ thông trên Matlab/Simulink

110

Hình 6.9 Bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping trên Matlab/Simulink 110

Hình 6.10 Mô hình tính toán các tham số của hiện tượng bão hòa từ thông

Induction motor 5.5 KW, 1450 rpm; (2) PC/Matlab/Simulink +

Card DS1103; (3) Mạch công suất: Baumüller BUS623; (4) Tải:

Drive REFU500 + Synchronous motor 5.5 KW, 1500 rpm

115

Hình 6.15 Module giao diện giữa DS1103 với thiết bị ngoại vi 115 Hình 6.16 Phần động lực và khối điện tử công suất Baumüller BUS623 115

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài:

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong các lĩnh vực công nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu mới và công nghệ thông tin là sự lớn mạnh của các ngành công nghiệp nhằm khai thác và cung cấp các sản phẩm, dịch vụ có chất lượng tốt nhất với giá thành hạ tới người sử dụng Kinh nghiệm của các nước phát triển cho thấy việc áp dụng khoa học và công nghệ trong cải tiến, tạo ra các sản phẩm mới cũng như việc nâng cao chất lượng, giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm, dịch vụ có ý nghĩa sống còn đối với mỗi nhà sản xuất nhưng ngược lại cũng đòi hỏi khoa học và công nghệ phải luôn đi trước một bước, đáp ứng được yêu cầu phát triển của nhà sản xuất nói riêng và của xã hội nói chung

Cho đến nay, lĩnh vực điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha đã đi qua một chặng đường dài Các kết quả nghiên cứu rất đa dạng, phong phú và dần đi đến mức

độ hoàn thiện cao Tuy nhiên, điều đó cũng không làm xu hướng tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực này giảm sút bởi các lý do sau đây: các công cụ toán học mới liên tục được ra đời; các thiết bị phần cứng hỗ trợ cho điều khiển ngày một nâng cao về dung lượng bộ nhớ, tốc

độ xử lý, số lượng cổng giao tiếp vào/ra và nhu cầu đòi hỏi công việc thiết kế hệ thống tối giản nhưng hiệu quả và chất lượng cao của các kỹ sư điều khiển tự động đặt ra Theo trào lưu đó, đề tài này được thực hiện nhằm tìm tòi, đóng góp một phương pháp mới khắc phục một số những thiếu sót và hạn chế còn lại trong thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha nhất là các hạn chế khi động cơ xảy ra hiện tượng bão hòa từ thông Ψ , vận hành ở chế độ làm việc phi tuyến với điều kiện gia tốc nhanh, trên tốc độ đồng bộ và bị giới hạn các giá trị dòng/áp Trong đó, vấn đề điều khiển ổn định, nâng cao chất lượng động học của động cơ không đồng bộ có phương trình động học chuyển được

về dạng tuyến tính hóa phản hồi trong các chế độ vận hành trên nhằm bám theo các hàm mục tiêu cho trước với sai số tối ưu là một yêu cầu được đặt ra Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Cải thiện chất lượng truyền động điện động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở vùng trên tốc độ đồng bộ bằng phương pháp điều khiển phi tuyến”

Đối tượng nghiên cứu:

Động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có các mối quan hệ cơ - điện - từ rất phức tạp làm việc với bộ biến tần để điều chỉnh tốc độ

tốc độ đồng bộ trong các chế độ vận hành phi tuyến chính là mục đích nghiên cứu chính của đề tài

Phạm vi nghiên cứu:

Xây dựng mô hình động cơ KĐB có xét đến bão hòa từ thông và tổng hợp bộ điều khiển theo phương pháp phi tuyến để cải thiện chất lượng của hệ thống ở vùng trên tốc độ đồng

bộ

P hương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu của luận án thể hiện qua trình tự tiến hành công việc như sau:

1 Phân tích và xây dựng mô hình toán của động cơ KĐB có đầy đủ hai đặc điểm cấu trúc phi tuyến và tham số phi tuyến

2 Trên cơ sở mô hình thu được, tiến hành tổng hợp cấu trúc điều khiển phi tuyến phù hợp hơn với chế độ vận hành phi tuyến

3 Sau đó tiến hành kiểm chứng các cấu trúc thu ĐK được nhờ mô phỏng off-line trên nền Matlab/Simulink và PLECS

4 Cuối cùng là bước kiểm chứng bằng thực nghiệm trên mô hình thật của động cơ bằng Matlab/dSPACE/Baumüller

Ý nghĩa của đề tài:

Đã xây dựng được mô hình toán học của động cơ KĐB có cấu trúc phù hợp hơn với trạng thái bão hòa từ thông trong toàn dải công tác

Đã tổng hợp bộ điều khiển dòng backstepping thích nghi trên cơ sở cấu trúc có tách kênh trực tiếp (bộ điều khiển phi tuyến) của mô hình mới khi có xét đến hiện tượng bão hòa từ thông Cho phép thiết kế các bộ điều chỉnh vòng ngoài là tốc độ, từ thông có chất lượng tốt trong chế độ làm việc phi tuyến ở vùng tốc độ cao

Đã thực hiện điều khiển động cơ KĐB có khả năng thích nghi tốt với nhiễu trên cơ sở

mô hình đã tuyến tính và tách kênh

Ngoài ra, luận án đã giải quyết một số vấn đề khác liên quan đến việc hoàn thiện hệ thống điều chỉnh trên cơ sở bộ điều chỉnh dòng mới của động cơ như các bộ điều chỉnh tốc

độ, từ thông có chức năng antireset wind-up; quan sát từ thông rotor bằng bộ lọc Kalman

Những kết quả mới của luận án:

Đã xây dựng thành công mô hình toán học của động cơ KĐB mang đầy đủ hai đặc điểm

cấu trúc phi tuyến và tham số phi tuyến trên quan điểm sử dụng các biến trạng thái mới để

xét tới hiện tượng bão hòa từ thông

Tác giả trình bày một phương pháp tổng hợp mới dựa trên ý tưởng tuyến tính hóa chính xác và tách kênh trong các trường hợp bù tĩnh (luật điều khiển phản hồi tĩnh) và trường hợp bù động (luật điều khiển thích nghi) mô hình phi tuyến của động cơ, từ đó xây dựng các bộ điều chỉnh có chất lượng cao

Đã áp dụng thành công các bộ điều khiển dòng Lyapunov, bộ điều khiển dòng adaptive backstepping cho mô hình toán học mới Trong khi đó các phương pháp điều khiển tuyến tính hay phi tuyến cho đến nay mới chỉ xét đến đặc điểm “cấu trúc phi tuyến” mà chưa xét đến đặc điểm “tham số phi tuyến” Ngoài ra, trong quá trình thiết kế các bộ điều khiển còn khảo sát đến cả các yếu tố nhiễu từ đó hình thành các giải pháp cải thiện chất lượng truyền động của động cơ

Đã vận dụng linh hoạt khâu quan sát từ thông rotor bằng bộ lọc Kalman trong cấu trúc tách kênh mới của động cơ KĐB

Bố cục của luận án được chia thành 5 chương:

Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề trong điều khiển động cơ KĐB như các

phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến và các cách thức xử lý các yếu tố phi tuyến ảnh hưởng đến hệ thống, từ đó tổng hợp lại các vấn đề còn tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu trong

phương án mô hình hóa động cơ, phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh dòng, từ thông và tốc độ động cơ KĐB khi xét tới hiện tượng bão hòa từ thông

Chương 2 trình bày chi tiết vấn đề mô hình hóa động cơ KĐB, các bài toán nảy sinh

cần giải quyết, nghiên cứu khi bỏ qua một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình mô tả toán học Mô hình hóa của động cơ được đề xuất là mô hình có xét tới hiện tượng bão hòa từ thông với hai biến trạng thái mới iµd,iµq thay cho i sd,i sq Không như nhiều công trình khác ở đó xuất phát điểm là mô hình chuẩn điều khiển không bão hòa, trong luận án này vấn đề bão hòa từ thông được xem xét ngay từ ban đầu và được coi như một yếu tố hiển nhiên tồn tại trong động cơ để từ đó thiết lập lên mô hình động học có cấu trúc mới, nhưng đáp ứng được yêu cầu về điều khiển tách kênh từ thông và mômen

C hương 3, dựa trên phương pháp thiết kế tách kênh trực tiếp bao gồm cả tĩnh và động

khi xét tới yếu tố bất định, luận án đề xuất một số cơ sở toán học để hình thành phương pháp mới theo hướng đơn giản và có khả năng ứng dụng – làm tiền đề phát triển các bộ điều khiển ổn định tĩnh và động Tác giả lần lượt giới thiệu phương pháp thiết kế phi tuyến tách kênh trực tiếp có gán điểm cực, thích nghi; phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh backstepping trên cơ sở tiêu chuẩn ổn định Lyapunov Ngoài ra, chương 3 còn tiếp tục mở rộng phương pháp thiết kế phi tuyến bộ điều khiển phản hồi trạng thái (tách kênh) cho đối tượng động cơ KĐB trên cơ sở mô hình mới có xét tới hiện tượng bão hòa từ ở chương 2 Trên cơ sở mô hình phi tuyến đã được tuyến tính hóa chính xác, tác giả tập trung vào giải quyết một số vấn đề khác nhằm chứng minh tính khả thi của phương pháp trong phát triển

bộ điều khiển với thành phần bù tĩnh, bù động trong thuật toán tuyến tính hóa

Chương 4 sử dụng các kết quả thu được ở chương 3 là đối tượng động cơ KĐB bão hòa

từ thông đã được tuyến tính hóa chính xác và tách kênh, tác giả đã vận dụng phương pháp thiết kế backstepping để tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng ,iµd iµq có tính đến bù sai lệch tĩnh và thích nghi với nhiễu dao động phi tuyến Bên cạnh đó để hoàn thiện hệ thống điều chỉnh tác giả đã giải quyết các công việc còn lại bao gồm thiết kế các bộ điều chỉnh vòng

ngoài là từ thông và tốc độ đồng thời thực hiện quan sát từ thông rotor trên cơ sở bộ lọc Kalman

Chương 5 tác giả tập trung vào mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm trên

card DSP1103/BUS623 nhằm khẳng định kết quả nghiên cứu Các phương án và tình huống mô phỏng, thực nghiệm tập trung vào các chế độ làm việc ở vùng trên tốc độ đồng

bộ, các quá trình quá độ và chế độ làm việc phi tuyến của động cơ, để đánh giá khả năng thích nghi và điều khiển bám của cấu trúc mới đề xuất Bên cạnh đó các mô phỏng và thực nghiệm cũng tập trung vào khảo sát các ảnh hưởng do nhiễu tác động Phần cuối là kết luận và kiến nghị của luận án, tiếp theo sau là Phụ lục bao gồm một số chứng minh, hình

vẽ, mô phỏng, hình ảnh mô hình thực nghiệm

1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, chúng ta đều biết đến hiệu quả kinh tế cao và tiện lợi về kỹ thuật trong sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha trong cả ứng dụng công nghiệp lẫn dân dụng Do những ưu điểm quan trọng của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha mà việc ứng dụng động cơ này vào thay thế dần các bài toán sử dụng động cơ điện một chiều là vấn đề cấp thiết đặt ra Chính vì lý do đó, mà hiện nay vấn đề xem xét khả năng sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha trong hệ thống điều khiển đang sử dụng động cơ một chiều rất phổ biến Ví dụ: với bài toán điều khiển ổn định sức căng sử dụng động cơ điện một chiều thì đã được ứng dụng rộng rãi và cho kết quả là rất tốt trong thực tế chính vì khả năng điều khiển cách ly hoàn toàn hai thành phần tạo từ thông và mômen quay thông qua điều chỉnh dòng kích từ và điện áp phần ứng Đối với động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha thì việc điều chỉnh tách biệt hai thành phần từ thông và mômen cũng còn gặp một số hạn chế Tuy nhiên, bằng những công cụ mới như phương pháp tách kênh trực tiếp, bộ quan sát Kalman… ta có thể sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha thực hiện nhiệm vụ điều khiển trở nên dễ dàng hơn

Bài toán giải quyết hoàn hảo việc điều khiển động cơ KĐB vẫn không dừng lại mà nó dần chuyển sang một hình thái khác, đó là xem xét động cơ trong những trường hợp đặc biệt, khảo sát chất lượng trong các chế độ vận hành đặc thù và tìm ra những phẩm chất mới trong điều khiển… Tuy nhiên, đối với động cơ KĐB thì trọng tâm của vấn đề điều khiển nằm ở ba thách thức chính như sau:

• Mô hình động học của động cơ là phi tuyến trong đó: mô hình động cơ có đặc điểm là phi tuyến cấu trúc và mô hình động cơ có đặc điểm phi tuyến cả tham số lẫn cấu trúc do bão hòa từ gây nên

• Hai biến trạng thái (các thành phần dòng rotor hoặc từ thông) không phải trong mọi trường hợp ứng dụng đều có thể đo được bằng thiết bị vật lý;

• Điện trở rotor thay đổi theo nhiệt độ trong quá trình vận hành làm ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển tựa theo từ thông rotor

Chính các yếu tố thử thách này làm cho động cơ KĐB trở thành sự lựa chọn thú vị và được quan tâm đặc biệt trong vấn đề điều khiển Hiện nay, cũng như nhiều đối tượng công nghiệp khác động cơ điện xoay chiều ba pha nói chung và động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc nói riêng đã có mô hình tương đối chính xác và tường minh Song phương pháp mô hình hoá đối tượng trong hệ toạ độ nào? chọn biến trạng thái ra sao? ,i sα i sβ;

,

sd sq

i i hay iµd,iµq và xem xét đến yếu tố ảnh hưởng phi tuyến như thế nào? lại là một vấn

đề cần phải đặt ra và rất cần thiết cho nhiệm vụ thiết kế bộ điều khiển Nếu chúng ta mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ toạ độ stator cố định thì sẽ khó phát huy được khả năng điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng mạch điện kích từ) và dòng tạo mômen quay (dòng mạch điện phần ứng) như đối với động cơ điện một chiều nhưng nó lại là mô hình tuyến tính rất thuận lợi cho tổng hợp bộ điều khiển Mặt khác, nếu

mô tả phương trình động học của động cơ trên hệ toạ độ quay cùng vector từ thông rotor (hệ tọa độ từ thông rotor) thì cho phép điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông

và dòng tạo mômen quay, hay nói cách khác khi ta giữ cho từ thông không đổi thì sẽ được mối quan hệ tuyến tính giữa biến điều khiển và tốc độ của động cơ, do đó có thể chủ động trong việc điều khiển động cơ với các loại hình phụ tải khác nhau nhưng hệ phương trình

mô tả thu được lại là hệ phi tuyến Tuy nhiên, hạn chế đó đã dần được giải quyết sáng tỏ, bằng chứng là phương pháp mô tả hệ trên hệ toạ độ từ thông rotor đã đạt được tỷ trọng lớn

và đa số trong các thiết bị thương mại trên thị trường Khi ứng dụng phương pháp này người ta đã giả thiết các tham số ωskhông đổi trong một chu kỳ trích mẫu và tuyến tính hoá gần đúng trong một chu kỳ cho mô hình gián đoạn nghĩa là có hệ số hằng trong một chu kỳ trích mẫu và hệ số hàm trong toàn dải Nhưng trong chế độ vận hành phi tuyến của động cơ, giả thiết như vậy không còn phù hợp nữa Bên cạnh đó, vấn đề bão hòa từ thông cũng rất quan trọng trong toàn dải công tác của động cơ Khi tăng giá trị dòng điện thì vật liệu sắt từ sinh ra từ thông chính trong động cơ sẽ bắt đầu bão hòa, điều này có thể dẫn đến làm suy giảm khả năng đạt được giá trị mômen tối đa Và như vậy, nếu chúng ta không bổ sung hiện tượng bão hòa từ thông vào trong nhiệm vụ thiết kế bộ điều chỉnh thì sẽ không cải thiện được tối đa chất lượng và hiệu suất vốn có của nó Do đó, chúng ta cần có một mô hình động cơ thích hợp và phương pháp điều khiển thỏa đáng để nâng cao chất lượng truyền động

Chế độ vận hành phi tuyến là chế độ mà tại đó các biến điều khiển và/hoặc biến trạng thái bị giới hạn dẫn đến trạng thái bão hòa Chế độ vận hành phi tuyến của động cơ KĐB khi điều khiển tối ưu mômen xảy ra khi cần gia tốc hoặc hãm động cơ với tốc độ đáp ứng cao trong cả ba vùng làm việc danh định, suy giảm từ thông phía thấp và phía cao (ở vùng trên tốc độ đồng bộ) Để tận dụng tối đa hiệu quả của mạch từ thì điểm làm việc định mức của động cơ (ứng với từ thông định mức) trên đường đặc tính từ hóa thường được chọn rất gần với vùng bão hòa, điểm làm việc này cũng nằm trong phạm vi chuyển tiếp giữa hai vùng làm việc danh định và suy giảm từ thông phía thấp trên đường đặc tính từ thông Tại vùng làm việc danh định và suy giảm từ thông phía thấp thì ngoài biến điều khiển là điện

áp bị giới hạn (vùng suy giảm từ thông phía thấp) còn có biến trạng thái dòng điện cũng đi vào trạng thái bão hòa Bên cạnh đó, có thể xảy ra một hiện tượng đặc biệt quan trọng đó là vấn đề bão hòa từ thông Trong chế độ xác lập, bản thân vùng làm việc thường xuyên của

từ thông đã không phải là tuyến tính Ngoài ra, xét trong vùng điều khiển từ thông không đổi nếu bỏ qua hiện tượng bão hòa từ thông rất có thể dẫn đến mô hình từ thông không chính xác bởi sự gia tăng quá độ của giá trị từ thông vào vùng bão hòa do nhiễu loạn tác động, do gia tốc, hãm, đảo chiều động cơ hoặc sự thay đổi của tải… trong điều kiện không

còn dự trữ điện áp để đảm bảo quá trình động học mômen diễn ra nhanh sẽ dẫn đến nguy

cơ suy giảm chất lượng điều khiển và tính ổn định của hệ trong những khoảng thời gian ngắn hạn và tức thời Tại vùng suy giảm từ thông phía cao thì chỉ còn duy nhất yếu tố biến điều khiển bị chặn (đi vào bão hòa)

Bên cạnh đó, trên hệ trục dq ta thấy khi biến điều khiển bị bão hòa sẽ dẫn đến hiện tượng mất khả năng điều khiển dòng tạo mômen i sq và do đó làm cho tần số góc stator ω s

không còn khả năng kiểm soát và như vậy các giả thiết cho phép ω s là hằng số trong một chu kỳ trích mẫu không còn thỏa mãn các điều kiện giả thiết cho các phương án xây dựng

thuật toán của bộ điều chỉnh dòng tuyến tính Ngoài ra, để áp đặt nhanh mômen quay trên

cơ sở điều chỉnh dòng stator ta phải thực hiện giải pháp tách kênh gián tiếp nhờ các bộ điều chỉnh dòng Chính vì các lý luận trên đây mà yêu cầu cấp thiết đặt ra là cần xây dựng cho được mô hình này đầy đủ cả hai đặc điểm cấu trúc phi tuyến và tham số phi tuyến của động

cơ, trên cơ sở đó tiếp cận một phương pháp tuyến tính hoá cho đối tượng trong toàn bộ

không gian trạng thái, đồng thời qua đó cho phép tách kênh điều khiển giữa hai trục d và q

để thực hiện tổng hợp các bộ điều chỉnh, hai điều đó cũng chính là thể hiện bản chất của phương pháp tách kênh trực tiếp

vấn đề còn tồn tại và cần tiếp tục nghiên cứu

Tình h ình nghiên cứu hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam

Trước sự phát triển của khoa học và công nghệ, lý thuyết điều khiển tự động có vai trò hết sức quan trọng để giải quyết nhiều vấn đề như nâng cao chất lượng điều khiển, độ ổn định của hệ thống, tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng điều khiển phức tạp hoặc đặc biệt Hàng loạt các công trình nghiên cứu về điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu hay điều khiển mờ, mạng nơron và tuyến tính hóa phản hồi… để tổng hợp các bộ điều khiển cho động cơ KĐB được công bố trong những năm gần đây cho thấy

sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên khắp thế giới và những vấn đề, các hướng nghiên cứu phát triển trong điều khiển phi tuyến truyền động không đồng bộ Như chúng ta

đã biết, khi xem xét đầy đủ các mối liên hệ cơ – điện – từ thì động cơ là một mô hình phi tuyến hết sức phức tạp nên các phương pháp thiết kế kinh điển dựa trên điều khiển tuyến tính trong nhiều trường hợp không đảm bảo được yêu cầu nâng cao chất lượng do đặc tính phi tuyến của động học đối tượng điều khiển Ngoài ra, các yếu tố khác như đặc tuyến đầu

đo hoặc cơ cấu chấp hành cũng như tính chất không đầy đủ, chính xác của các mô hình thay thế (động học chưa biết, nhiễu, điều kiện ban đầu) cũng là những ví dụ rõ nhất về tính phi tuyến trong cả hệ Tuy nhiên, đặc tính phi tuyến thể hiện rõ nhất trong trong động cơ KĐB khi xét đến hiện tượng bão hòa từ thông (phi tuyến tham số)

Bên cạnh đó, một nội dung cũng cần phải quan tâm là khi áp dụng các phương pháp điều khiển mới thì những vấn đề đã được giải quyết tương đối hoàn chỉnh trên cơ sở các

mô hình kinh điển của động cơ như: quan sát từ thông rotor, thích nghi hằng số thời gian rotor, điều khiển sensorless… phải đáp ứng như thế nào

Có nhiều giai đoạn phát triển của phương pháp thiết kế điều khiển vector, trong đó bộ

điều chỉnh từ thông và tốc độ đều là khâu PI và thực hiện ở hệ tọa độ dq, sự phát triển của

phương pháp gần như hoàn toàn nằm ở khâu điều chỉnh dòng Khâu điều chỉnh dòng đặt ở

hệ tọa độ nào dq hay αβ? Vấn đề tách kênh 2 dòng điện i , sd i ra sao sq đó là những nội dung chủ yếu trong các giai đoạn phát triển của phương pháp

Các phương pháp điều khiển tuyến tính rất phong phú và đa dạng, về cơ bản bao gồm: các phương pháp có cấu trúc điều chỉnh kinh điển trong đó khâu điều chỉnh dòng là PI, FRT, các bộ điều chỉnh trạng thái… [12] ở hệ tọa độ dq, khâu tách kênh sử dụng khối gọi

là mạng tính áp Các phương pháp điều chỉnh dòng là khâu điều chỉnh đa thông số trong hệ

tọa độ dq thực hiện cả nhiệm vụ tách kênh, kết hợp với sách lược điều khiển tố ưu mômen

để suy giảm module từ thông khi xảy ra giới hạn điện áp trong các công trình trong [11], [12] Tuy nhiên, với các phương pháp trên thì phương án tách kênh đáp ứng rất tốt khi biên

độ từ thông được giữ không đổi, nhưng nó lại không nâng cao được chất lượng sẽ dẫn đến suy giảm nhất định chất lượng động học của mômen nếu từ thông biến thiên và không đảm bảo là hằng như quá trình suy giảm từ thông (thay đổi từ thông) để động cơ công tác trong dải tốc độ cao trong điều kiện giới hạn của điện áp một chiều U DC khi điều chỉnh từ thông

để đạt được mômen tối ưu và hiệu suất vận hành động cơ tối đa như trong công trình [20] Trong khi đó, nhằm góp phần giải quyết các vấn đề phức tạp trên, lý thuyết điều khiển phi tuyến được xem là công cụ hữu hiệu Khoảng vài thập kỷ trở lại đây trên thế giới bên cạnh các phương pháp kinh điển, các phương pháp nghiên cứu hệ phi tuyến đang được xem xét và áp dụng mạnh mẽ cho điều chỉnh tự động động cơ xoay chiều ba pha như: tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc; phương pháp adaptive backstepping trong [29, 51]; tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization, input-output linearization), điều khiển tựa phẳng (flatness based control), điều chỉnh thụ động (passivity based control) [25], phương pháp backstepping, phương pháp điều khiển trượt (sliding mode) trong [27]; tuyến tính hoá chính xác; kỹ thuật điều khiển bù phi tuyến như trong các công trình [3, 4]

là các phương pháp chủ đạo hiện nay theo như các công trình [21], [23], [25] khẳng định Những phương pháp này đều có một số điểm chung, đó là sự cố gắng áp dụng các kết quả

đã có của kỹ thuật điều khiển tuyến tính sang cho hệ phi tuyến

Tuy nhiên, việc thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến cho động cơ KĐB là không đơn giản và đặt ra hàng loạt vấn đề cần giải quyết như vấn đề về ổn định hệ vòng kín, vấn đề điều khiển bám theo tín hiệu giá trị đặt, vấn đề áp đặt nhanh mômen để gia tốc, vấn đề chống nhiễu hoặc làm suy giảm nhiễu do tải, bản chất nguồn năng lượng sử dụng hoặc do tham số động cơ cũng như khi kết hợp các vấn đề trên với nhau Hoàn toàn tương tự như trong điều khiển tuyến tính, điều khiển phản hồi trạng thái vẫn là chìa khóa để thiết kế các

bộ điều khiển phi tuyến nói chung Về mặt lý thuyết, do toàn bộ các trạng thái của động cơ

có thể quan sát được khi đó ta có thể áp dụng phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái

Vấn đề về thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi nói chung và động cơ KĐB có động học phi tuyến nói riêng cũng thu hút được nhiều nhà khoa học tham gia nghiên cứu Đã có nhiều bước tiến, kết quả đạt được cả về mặt lý thuyết và thực tiễn ứng dụng như trong [21], đặc biệt theo hướng sử dụng hệ mờ và/hoặc mạng nơron để xấp xỉ các thành phần phi tuyến hoặc không rõ và dùng các phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái trong [28], để thiết kế bộ điều khiển ổn định tĩnh và động Để

bộ điều khiển động cơ KĐB có đặc tính thích nghi với những sai lệch không rõ khi vận hành dưới các điều kiện khác nhau, đã có nhiều các bộ điều khiển được nhiều tác giả thiết

kế sử dụng cấu trúc mạng nơron hoặc logic mờ với các luật để chỉnh định các trọng số trong quá trình làm việc như trong [32, 38] Đây cũng là phương pháp thường dùng hiện nay để thiết kế các bộ điều khiển động (thích nghi) cho các đối tượng công nghiệp khác Tuy nhiên, với điều khiển động cơ KĐB hiệu quả thật sự của các phương này cũng chưa thật thuyết phục bằng chứng là tỷ trọng của nó trên thị trường thương mại chưa cao

Ở trong nước, các nghiên cứu về điều khiển mờ, mạng nơron nhân tạo và hệ thống mờ nơron trong điều khiển truyền động điện cũng đã được nhiều cơ sở, trung tâm khoa học công nghệ tập trung nghiên cứu và đã có không ít công trình được công bố Một số cơ sở như Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh là những đơn vị đã có nhiều năm nghiên cứu về điều khiển mờ nơron và đã đạt được nhiều kết quả khả quan trong lĩnh vực truyền động điện Tuy nhiên, do tính chất phức tạp trong bài toán điều khển phi tuyến và đa dạng của vấn đề nên các công trình đó cũng chưa xem xét chất lượng của hệ trong chế độ vận hành phi tuyến, do đó việc tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các tồn tại và áp dụng trong một số lĩnh vực đặc thù vẫn là một vấn đề cấp thiết hiện nay Ngoài ra, chỉ trong các công trình [1], [2], [3], [4], [5], [13], [14], [15], [16], [44], [45] các tác giả mới đặt vấn đề để đưa ra một giải pháp giải quyết triệt để hệ phi tuyến động cơ KĐB trong toàn dải công tác bằng phương pháp tuyến tính hoá chính xác (tách kênh trực tiếp) Phương pháp tuyến tính hoá chính xác là khả năng chuyển hệ tọa độ trạng thái cho đối tượng phi tuyến sao cho hệ kín trở thành tuyến tính Các tác giả sử dụng phương pháp này cho các đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát điện không đồng bộ nguồn kép đặc biệt trong công trình [1], [2], [3], [4], [5], [44] tác giả nghiên cứu sử dụng cho động cơ không đồng bộ Ở đó, tác giả chỉ giới hạn tuyến tính hoá mô hình dòng cho động cơ, sau khi tuyến tính thì mô hình nhận được lại có ngay đặc tính tách kênh Đa số các công trình trên mới chỉ dừng lại ở thiết kế các bộ tuyến tính hóa phản hồi tĩnh mà chưa xét tới yếu tố động khi mà các tham số của động cơ thay đổi trong quá trình làm việc Trong [2], [5] và [15] các công trình đã ứng dụng thành công khâu quan sát từ thông rotor Kalman trong cấu trúc tách kênh và cho kết quả rất tốt Hình 1.1 dưới đây cho phép khái quát về các phương pháp thiết kế ĐK vector dòng stator hiện nay

Hình 1.1 Khái quát về các phương pháp thiết kế ĐK vector dòng i s

Tuy nhiên, phần lớn các công trình chỉ khảo sát đối tượng động cơ KĐB trên cơ sở mô hình chuẩn điều khiển không có bão hòa từ thông và xem yếu tố bão hòa như là vấn đề cần

bổ sung sau khi đã hoàn thiện công việc thiết kế bộ điều chỉnh Nổi bật trong đó là các phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào/ra, điều khiển trượt và passivity based đã đem lại nhiều hiệu quả trong điều khiển phi tuyến máy điện nói chung và động cơ KĐB nói riêng trong các công trình [18], [23], [26], [35], [36] Trong đó phương pháp passivity based được đề xuất trên cơ sở mô hình có bão hòa từ thông trong [48]

Rất nhiều công trình tập trung phát triển mô hình toán thích hợp cho hiện tượng bão hòa

từ thông như: mô hình Hamiltonian trong [26], mô hình tín hiệu nhỏ “small-signal” trong [39], các mô hình này có thế mạnh trong việc phân tích và so sánh kết quả khi khảo sát hiện tượng bão hòa… nhưng lại gặp nhiều hạn chế và không có ý nghĩa nhiều trong thiết

kế bộ điều chỉnh đặc biệt là các bộ điều chỉnh phi tuyến như tuyến tính hóa phản hồi trạng

thái trên hệ trục dq

Các công trình gần đây nhất nghiên cứu về đề tài này được công bố trong [50], ở đó phương án tiếp cận duy nhất tới mô hình bão hòa là sử dụng mô hình chữ π cho mạch từ

Xuất phát từ mô hình

có cấu trúc phi tuyến Xuất phát từ mô hình có cấu trúc phi tuyến

và tham số phi tuyến

Các phương pháp ĐK động cơ KĐB rotor lồng sóc

ĐK phi tuyến:

- ĐK backstepping [29]

ĐK tuyến tính:

- ĐK PI [41, 47, 48]

hơn là mô hình chuẩn chữ T của động cơ như thường lệ Tuy nhiên, để thực hiện được đường cong từ hóa cho mô hình này thì yêu cầu phải đo được dòng điện rotor mà điều này không thể thực hiện đối với động cơ lồng sóc

Công trình [31] đề xuất một phương pháp tiếp cận vấn đề bão hòa từ thông mới, trong

đó mô hình bão hòa sử dụng một biến mới gọi là kích cỡ khe hở giữa rotor và stator mà biến này có giá trị thay đổi như là hàm của cả vị trí và độ lớn của từ thông khe hở giữa rotor và stator Đồng thời bằng việc thêm vào một số cuộn dây giả định được tạo ra từ các thành phần sóng hài bậc ba Các kết quả thực nghiệm có độ chính xác tương đối tốt đã chỉ

ra những ảnh hưởng của bão hòa sắt từ trong khe khí Tuy nhiên, mô hình này lại gây nhiều khó khăn và phức tạp trong thiết kế các bộ điều chỉnh tách kênh

Từ một cách nhìn khác để tăng hiệu quả thiết kế có thể đạt được, ở các công trình [27], [47] có xuất phát điểm từ mô hình không bão hòa (mô hình chuẩn), đây là cách tiếp cận đơn giản vì tính chất động học của dòng điện (giảm số bậc) Tuy nhiên, trong [27] lại coi

từ thông rotor bão hòa ψ chỉ là hàm của dòng rd i sd nhưng trên thực tế lại không phải hoàn toàn như vậy bởi vì còn có hiện tượng bão hòa ngang trục do đó ψ còn là hàm của cả rd

dòng stator (i sd,i sq) và dòng rotor (i rd,i rq) như trong [43] Cũng với cách tư duy này, trong [43] bằng cách bổ sung các khâu thích nghi, khâu tính toán từ thông trên cơ sở mô

hình không bão hòa bằng mô hình bão hòa và/hoặc khâu bổ sung điện cảm phi tuyến L m,sat

vào mô hình trạng thái kinh điển nhằm loại bỏ ảnh hưởng của yếu tố này trong khi gia tốc

m

ψ là hàm của dòng từ hóa i m và phụ thuộc vào cả bốn thành phần dòng điện

(i sd,i sq) và (i rd, i rq) Tuy nhiên, mô hình bão hòa này chỉ được sử dụng làm nhiệm vụ tính

ra từ thông rotor Ψ và điện cảm r L m phục vụ cho mô hình chuẩn điều khiển không bão hòa, hiệu quả thấy được tương đối rõ trong vùng từ thông suy giảm hoặc khi lựa chọn giá trị L m thích hợp, trong đó giá trị từ thông tính toán được có sai khác với giá trị từ thông mong muốn không lớn như trong trường hợp mô hình không có bão hòa

Đối với trong nước, chưa có nhiều công trình nghiên cứu, khảo sát một cách triệt để vấn đề bão hòa từ thông cũng như chế độ vận hành phi tuyến của động cơ với các tác động tiêu cực nhất trên cơ sở các bộ điều chỉnh phi tuyến Hình 1.2 dưới đây cho phép khái quát về các công trình nghiên cứu sử dụng mô hình có bão hòa từ (tham số phi tuyến) hiện nay

Hình 1.2 Khái quát về các công trình nghiên cứu sử dụng

mô hình có bão hòa từ (tham số phi tuyến)

Các v ấn đề còn tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu

Như đã đề cấp đến ở mục 1.1, khi động cơ vận hành ở chế độ tốc độ cao trong khuôn khổ của giới hạn giá trị dòng/áp, để đạt được yêu cầu mômen tối ưu nó sẽ làm việc trong vùng suy giảm từ thông, do tính chất phi tuyến của đối tượng như hiện tượng bão hòa từ thông kết hợp với sự bão hòa của biến điều khiển và biến trạng thái nên dẫn đến các giả thiết cho thiết kế một bộ điều chỉnh dòng không thể thực hiện được Do đó, các bộ điều chỉnh dòng tuyến tính hoặc phi tuyến đang sử cho động cơ KĐB cho đến hiện nay mới xét đặc điểm cấu trúc phi tuyến chưa xét đến đặc điểm tham số phi tuyến, đều ít nhiều ảnh hưởng đến chất lượng và tính ổn định của hệ thống điều khiển động cơ khi nhất thời đưa động cơ vào vận hành trong chế độ phi tuyến này

Ngoài ra, phương án tiếp cận để thiết kế các bộ điều khiển cho động cơ KĐB nhất là các

bộ điều khiển phi tuyến gần đây hầu hết đều coi động cơ không có hiện tượng bão hòa từ thông (phi tuyến tham số) và do đó xuất phát điểm là mô hình chỉ mang đặc điểm phi tuyến cấu trúc Tuy nhiên, trên thực tế điều này không hoàn toàn đúng Để tránh các tác động không tốt của hiện tượng này thì đa số các bộ điều khiển thường chọn giá trị đặt của từ thông thấp và giới hạn nó bởi tốc độ quay của động cơ hoặc bổ sung thêm các thành phần bão hòa bằng các khâu thích nghi, mờ và nơron dẫn đến hoặc là không phát huy hết khả năng khai thác có thể đạt được của động cơ trong các ứng dụng công nghiệp hoặc là còn khá phức tạp và chưa chỉ rõ hiệu quả, khả năng và mô hình áp dụng cụ thể Do đó, vấn đề

mô hình hóa bão hòa từ thông không có nghĩa là đã rõ ràng, rành mạch mà vẫn là vùng tích cực hoạt động nghiên cứu và hiển nhiên mong muốn có được một mô hình có xét tới hiện tượng bão hòa từ thông chính xác để phục vụ cho công tác thiết kế bộ điều khiển

Như vậy, cả về mặt lý thuyết và thực tiễn ứng dụng thì những vấn đề còn tồn tại hiện

nay trong điều khiển động cơ KĐB trên hệ trục dq là giải quyết triệt để nhằm nâng cao chất

N hằm mục đích phân tích, khảo sát:

lượng của hệ trong các chế độ vận hành phi tuyến và xuất hiện hiện tượng bão hòa từ thông Đây là một trong các bài toán không có nhiều các công trình nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước giải quyết đầy đủ và trọn vẹn Tóm lại, các vấn đề còn tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu nhằm tối ưu hóa các phương pháp điều khiển động cơ KĐB là:

+ Vấn đề chất lượng truyền động trong chế độ vận hành phi tuyến khi bị giới hạn đại

lượng điều chỉnh (biến điều khiển) là giá trị điện áp một chiều trung gian và giới hạn dòng điện (biến trạng thái) của động cơ ở vùng trên tốc độ đồng bộ hoặc các giai đoạn làm việc quá độ;

+ Vấn đề thiết kế các bộ điều chỉnh dòng phi tuyến kết hợp với tách kênh trực tiếp mô hình dòng của động cơ trên quan điểm áp dụng các phương pháp phản hồi trạng thái để thực hiện cách ly hoàn toàn dòng tạo từ thông và dòng tạo mômen quay trong toàn dải làm việc để chế ngự động cơ một cách dễ dàng;

+ Vấn đề tăng cường khả năng xử lý chính xác và triệt để các ảnh hưởng khi đối tượng điều khiển làm việc trong vùng bão hòa từ thông hoặc khi điều kiện làm việc thay đổi đặc biệt là nhiệt độ dẫn đến thay đổi giá trị điện trở rotor

Trong khuôn khổ của luận án, tác giả chọn hướng nghiên cứu áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến cho bộ điều khiển dòng động cơ KĐB đồng thời khảo sát, thành lập

và tìm cách đưa mô hình phi tuyến thực sự của hiện tượng bão hòa từ thông của động cơ vào trong nhiệm vụ thiết kế bộ điều khiển Mô hình toán mới của động cơ là hệ phi tuyến

đã mang cả đặc điểm phi tuyến cấu trúc lẫn tham số, có phương trình động học chuyển được về dạng tuyến tính hóa phản hồi

2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC

Do những ưu điểm nổi bật của phương pháp biểu diễn tựa theo từ thông rotor [12] Vì vậy, trong toàn bộ luận án ta sẽ chỉ sử dụng phương pháp này để tổng hợp mô hình, phân tích và làm cơ sở cho công tác thiết kế các bộ điều khiển Động cơ KĐB rotor lồng sóc được cấu tạo từ hai phần chính: phần cố định stator và phần quay rotor Trên stator người

ta bố trí ba cuộn dây stator u, v, w đặt lệch nhau trong không gian một góc 1200 với các thành phần điện áp tương ứng Trên rotor thường là các thanh dẫn bằng đồng đặt dọc theo trục quay và được nối ngắn mạch hai đầu bởi các vòng ngắn mạch Tiếp theo ta sẽ nghiên cứu mô hình hóa động cơ KĐB trong cả hai trường hợp là không và có xét đến hiện tượng

bão hòa từ thông trên hệ trục dq

tượng bão hòa từ thông

Để mô hình hóa động cơ KĐB nói chung khi không xét đến hiện tượng bão hòa từ thông theo [12] thì ta phải chấp nhận các điều kiện sau đây:

• Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian động cơ;

• Bỏ qua tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ;

• Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặt khe từ;

• Các giá trị điện trở và điện cảm tạm thời được coi như không đổi

α

j β jq

s i

sd i

sq i

Để xây dựng mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ dq, trước tiên chúng ta khảo

sát các phương trình chuyển đổi tọa độ cần thiết Chuyển đổi tọa độ dòng từ 3 → 2 và

chuyển hệ tọa độ áp từ 2 → 3 Trong hệ tọa độ dq hình 2.1, hệ tọa độ từ thông rotor quay

quanh gốc tọa độ với tốc độ góc ωs bằng tốc độ góc của nguồn cấp cho động cơ KĐB chúng ta có hệ phương trình điện áp và từ thông có trong rất nhiều các công trình [2], [3], [4], [5], [10], [11], [12] ], [19], [44] như sau:

s s

R

L T R

ψ = nên ta có hệ phương trình mô tả động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq (2.1) được

viết lại như sau:

Vector đầu vào: u s = u sd,u sq T

Tham số của các ma trận hệ thống Α, ma trận đầu vào Β và ma trận tương tác phi tuyến Ν như sau:

0 1 0

−+

2.2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ có xét đến hiện tượng bão hòa từ thông

Như đã đề cập đến ở phần tổng quan, khi xét đến hiện tượng bão hòa từ thông về cơ bản, người ta thường sử dụng các phương án sau:

• Sử dụng phương pháp tra bảng với biến vào là tín hiệu dòng từ hóa '

rd

ψ biến ra của bảng là L s, còn giá trị hằng số thời gian rotor T r được tính toán thông qua thuật toán nhận dạng Bảng tra ( ' )

án trên còn mặc định coi từ thông '

rd

ψ trong động cơ chỉ do dòng i sd sinh ra nhưng trên thực tế lại không phải như vậy Chính vì thế các phương pháp tiếp cận vấn đề phi tuyến này đều chưa đưa tính chất bão hòa vào mô hình toán của động cơ và xem xét nó dưới giác

độ là một mô hình phi tuyến thực sự đồng thời chưa thật sự xem xét sự phụ thuộc của từ thông rotor vào cả bốn đại lượng i sd;i i sq; rd;i rq như công trình [29] đã chỉ ra Trong mọi trường hợp, đối với mô hình có bão hòa từ thông ta đều phải biết được đường đặc tính từ hóa Do đó tốt nhất là đường đặc tính được cho dưới dạng hàm xấp xỉ, trong luận án này ta xây dựng được đường đặc tính từ hóa hình 2.2 có dạng 1( )

L là giá trị điện cảm vùng bão hòa, ψ là từ thông ứng với điểm giao giữa 2 đường T

điện cảm tuyến tính và phi tuyến, f T là hệ số đặc trưng cho độ cong chuyển tiếp của đường đặc tính từ hóa tại vùng bão hòa

arctg t M

T m T

T m sat

f L t

Q và dòng/áp đo được

a) b)

Hình 2.2 a) Sơ đồ thay thế tương đương dạng chữ T của động cơ KĐB

b) Dạng hàm xấp xỉ của đường đặc tính từ hóa

Để hình thành mô hình toán của động cơ KĐB có xét tới hiện tượng bão hòa từ thông

mà khắc phục được các giải pháp còn hạn chế ở trên thì vấn đề quan trọng đầu tiên là xem

xét cấu trúc biểu thức của dòng điện từ hóa iµ, dòng từ hóa này sẽ tạo nên từ thông móc vòng chính Ψ trong động cơ và ta phải tìm cách bổ xung các yếu tố bão hòa từ vào trong

mô hình Theo [29] biểu thức của dòng điện từ hóa có dạng:

điện từ hóa dọc theo trục dq của dòng iµ hình 2.3, khi đó ta có các biểu thức thành phần

của iµ như sau:

Hình 2.3 Biểu diễn vector dòng từ hóa iµ trên hệ tọa độ βα và dq

Các biểu thức (2.11) sẽ là những đề xuất quan trọng để từng bước hình thành nên mô hình toán mà có xét tới hiện tượng bão hòa từ thông ở mục sau

2.2.1 Thành lập các phương trình từ thông stator và rotor

Trong tài liệu [31] chỉ ra biểu thức của từ thông stator và rotor Ψ Ψ s, s có dạng:

( ) ( )

dòng từ hóa của hai trục như sau:

M iµ là thành phần từ thông trên trục d của stator được tạo ra bởi các thành phần dòng

từ hóa trên trục d của stator và rotor

dq q

M iµ là thành phần từ thông tương hỗ trên trục d của stator được tạo ra bởi các thành phần dòng từ hóa trên trục q của stator và rotor tương hỗ với thành phần trục d

Với ψ được định nghĩa là thành phần từ thông ban đầu được thêm vào Trong đó các 0

Tương tự như (2.13) đối với thành phần từ thông stator trục ngang trục ψ ta có đối với sq

thành phần ngang trục như sau:

Trong đó Lσr là điện cảm tản phía rotor

2.2.2 Định nghĩa tham số đặc trưng cho hiện tượng bão hòa từ của động cơ

Trước tiên ta định nghĩa tham số từ trường tĩnh như sau: m

iµ

Ψ

= , tham số này đặc trưng cho điểm làm việc của động cơ trên đặc tính từ hóa Từ biểu thức trên suy ra:

ta có thể sử dụng phương pháp tra bảng được tính toán sẵn

và cất giữ trong bộ nhớ khi đã biết giá trị của iµ và L m ,0,L m ,sat ,ψT , f T từ (2.9), (2.18) hoặc dựa trên các biến có thể đo được sử dụng phép biến đổi:

sq s sq s

L i m

L i

σ σ

d

d

i m

dq

q

i i m

2.2.3 Thành lập mô hình điều khiển cho động cơ không đồng bộ có xét đến hiện tượng bão hòa từ thông

Trước tiên, để tiện cho quá trình thành lập mô hình toán ta chọn vector trạng thái mới của động cơ là iµd iµq ψrd ψrq thay cho vector trạng thái cũ là ' '

sd sq rd rq

Tuy vậy, giữa vector trạng thái cũ và mới có mối liên hệ với nhau và từ các giá trị đo i , sd sq

i của vector trạng thái cũ hoàn toàn có thể tính ra các giá trị iµd, iµq của vector trạng thái mới

Hình 2.4 Sơ đồ thay thế tương đương dạng chữ T của động cơ KĐB minh họa

hiện tượng bão hòa từ thông

Xét sơ đồ tương đương chữ T của động cơ KĐB hình 2.4, ta có phương trình điện áp

mạch rotor trên hệ tọa độ dq như sau:

µ σ

1 1

σ µ

Hình 2.5 Mô hình tính iµd,iµq trong Matlab/Simulink từ i sd,i sq và ψrd với ψrq =0

Kết hợp (2.22) với (2.23) cuối cùng thu được phương trình từ thông mạch rotor như sau:

Bão hòa từ thông

q d

q d

di di

di di

µ µ

µ µ

L f L

σ σ

0 0 1 2

g =b −a a ; ω ω ωs− = rĐưa (2.26) về dạng chính tắc ta được mô hình dòng của động cơ như sau:

0 2 0 0 0 0 0 2 0 2 0 0 0 0 0 2

0 2

Vector đầu vào: u s = u sd,u sq T

Biểu thức của các ma trận hệ thống Α , ma trận đầu vào Β và ma trận tương tác phi tuyến Ν như sau:

Từ (2.3) và (2.30) ta có chung mô hình động cơ KĐB cho hai trường hợp không và có

xét tới hiện tượng bão hòa từ thông trên hệ tọa độ dq hình 2.6 như sau:

Hình 2.6 Đặc điểm phi tuyến của mô hình động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq (nguồn: [11])

Ngoài ra, phương trình mômen của động cơ có dạng: 3 ( )

µ

σ

ψ ψ

s

ω

x

Phần phi tuyến