Điều khiển động cơ kđb 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai

- Không cần phải sử dụng các cảm biến đo từ thông trực tiếp - Không phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ - Khả năng bám tốc độ đặt cao, ngay cả khi tải thay đổi  Ưu điểm của phương pháp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Bùi Mạnh Hà

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này, tôi xin chân thành cảm ơn Qúy thầy cô Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP HCM đã tận tình truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tôi trong suốt quá trình học cao học tại trường

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy TS Nguyễn Thanh Phương người

đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt kinh nghiệm để tôi hoàn thành đề tài này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã động viên giúp đỡ tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này

TP HCM, Ngày 21 tháng 12 năm 2012 Học viên thực hiện

Bùi Mạnh Hà

TÓM TẮT

Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị chủ lực trong truyền động điện xoay chiều vì các ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì, sửa chữa, giá thành hạ , hiệu suất cao so với động cơ khác Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn , phức tạp vì động cơ không đồng bộ là một hệ phi tuyến mạnh và cần một thuật toán điều khiển hết sức chặt chẽ

Phương pháp đ iều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control - DTC), từ thông stator và momen có thể được điều khiển trực tiếp bằng cách lựa chọn véc tơ

điện áp thích hợp, đang được sử dụng phổ biến để điều khiển động cơ Tác giả kết

hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau và cũng như với mong muốn tìm hiểu sâu về l ĩnh vực truyền động điện xoay chiều Trong luận văn này, đề

tài “ Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều

khiển PI mờ lai” được thực hiện

Với mục đích cải tiến phương pháp điều khiển PI thông thường (với thông số

Kp và Ki cố định ) bằng cách đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ lai (với sự

thay đổi động các thông số Kp và Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động cơ) Các kết quả mô phỏng sẽ cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất

ABSTRACT

Induction motor is the most widely used in the traditional of the alternating current The advantages of induction motor such as simple construction, reliable operation, performance high the price is cheaper than other types of motors, as well as easy maintenance However, the induction motor control is a difficult problem, complicated because induction motor is a strong nonlinear systems and requires control algorithm very closely

Direct Torque Control method (Direct Torque Control - DTC), flux stator and moment can be controlled directly by selecting an appropriate inverter state, is in using widely to control motor Author combined advantages of the method different together with high expectation of wide & deep study of induction motor drivers In

this thesis, the theme: “Control three-phase induction motor with DTC method

using the hybrid fuzzy PI controller” are presented

With an aim of improving the PI normal control method (with parameter point

of Kp and Ki) by proposed the Hybrid Fuzzy PI control method (with variable parameter of Kp and Ki) Simulative results show the effectiveness of the proposed method

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH xi

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.2.1 Mục tiêu của đề tài 2

1.2.2 Nội dung nghiên cứu 3

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 3

1.3.1 Giới thiệu tổng quan về phương pháp điều khiển DTC 3

1.3.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 4

1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 7

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 ĐIỀU KHIỂN MỜ 8

2.1.1 Giới thiệu chung 8

2.1.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ 8

2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ 11

2.1.4 Điều khiển PID mờ [1] 11

2.1.4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ 12

2.1.4.2 Luật chỉnh định PID 12

2.1.4.3 Điều khiển PD mờ 13

2.1.4.4 Điều khiển PI mờ 13

2.1.4.5 Điều khiển PID mờ 14

2.1.5 Hệ mờ lai 15

2.1.5.1 Hệ mờ lai không thích nghi 15

2.1.5.2 Hệ mờ lai cascade 16

2.1.5.3 Công tắc mờ 16

2.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC) 16

2.2.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 18

2.2.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 20

2.2.3 Ưu, nhược điểm của phương pháp điều khiển định hướng trường 21

2.3 ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC) 21

2.3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển trực tiếp momen 21

2.3.2 Sự biến thiên các đại lượng của phương pháp DTC 23

2.3.2.1 Sự biến thiên của từ thông stator 23

2.3.2.2 Sự biến thiên của từ thông rotor 24

2.3.2.3 Sự biến thiên của điện áp stator 27

2.3.2.4 Sự biến thiên của momen 27

2.3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) 29

2.3.3.1 Kỹ thuật đóng ngắt các khóa để điều khiển từ thông và momen 30

2.3.3.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen-DTC 36

2.3.3.3 Phân tích các khối trong sơ đồ nguyên lý 37

2.3.3.3.1 Bộ so sánh từ thông 37

2.3.3.3.2 Bộ so sánh momen 39

2.3.3.3.3 Bảng đóng cắt 41

2.3.3.3.4 Bộ nghịch lưu 44

2.3.3.3.5 Khâu ước lượng momen và từ thông 45

2.3.3.4 Mô hình mô phỏng phương pháp DTC trong Matlab/simulink 46

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 47

3.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 47

3.2 VECTOR KHÔNG GIAN VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA 48

3.2.1 Xây dựng vector không gian 48

3.2.2 Hệ tọa độ cố định stator (α-β) 49

3.2.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d-q) 51

3.3 MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 53

3.3.1 Lý do xây dựng mô hình 53

3.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ 54

3.3.3 Các tham số của động cơ 56

3.3.4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator (α-β) 56

3.3.5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (d-q) 59

3.3.6 Mô hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab 60

3.3.6.1 Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha 60

3.3.6.2 Mô hình động cơ trong simulink 61

3.3.6.3 Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ 61

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA THEO PHƯƠNG PHÁP DTC 64

4.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ 64

4.2 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA THEO PHƯƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ PI MỜ LAI 67

4.2.1 Bộ điều khiển PI mờ lai 67

4.2.2 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai .72

4.2.3 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI thường 72

Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 74

5.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI

MỜ LAI VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI THƯỜNG 74

5.1.1 Động cơ chạy không tải với tốc độ đặt định mức: 74

5.1.2 Động cơ chạy không tải với tốc độ đặt thay đổi: 75

5.1.3 Động chạy không tải sau đó đóng tải: 77

5.1.4 Động cơ chạy với tải định mức, tốc độ đặt thay đổi : 77

5.1.5 Động cơ chạy không tải sau đó đảo chiều quay : 79

5.1.6 Động cơ chạy với tải thay đổi, tốc độ đặt định mức : 80

5.2 NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 81

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82

6.1 KẾT LUẬN 82

6.2 HẠN CHẾ 82

6.3 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DTC Direct Torque Control FOC Field Oriented Control

PI Proportional Integrator PID Proportional Integral Derivative PWM Pulse Width Modulation

ĐC KĐB Động cơ không đồng bộ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector I 34

Bảng 2.2: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector II 34

Bảng 2.3: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector III 34

Bảng 2.4: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector IV 34

Bảng 2.5: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector V 35

Bảng 2.6: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector VI 35

Bảng 2.7: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector K bất kỳ 35

Bảng 2.8: Bảng đóng cắt tối ƣu khi từ thông ở sector K 42

Bảng 2.9: Bảng đóng cắt vector điện áp theo yêu cầu điều khiển 42

Bảng 2.10: Giá trị thông số điều khiển quy đổi 43

Bảng 3.1: Các thông số của ĐCKĐB dùng để mô phỏng 62

Bảng 4.1: Luật mờ của Kp 65

Bảng 4.2: Luật mờ của Ki 65

Bảng 4.3: Các thông số của ĐCKĐB dùng để mô phỏng 73

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản 8

Hình 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 9

Hình 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản 9

Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ 12

Hình 2.5: Luật chỉnh định PID 12

Hình 2.6: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 13

Hình 2.7: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 13

Hình 2.8: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 14

Hình 2.9: Cấu trúc hệ mờ lai không thích nghi 15

Hình 2.10: Cấu trúc hệ mờ lai cascade 16

Hình 2.11: Công tắc mờ 16

Hình 2.12: Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường 18

Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 19

Hình 2.14: Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 20

Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển DTC động cơ KĐB 22

Hình 2.16: Các vector điện áp trong không gian 27

Hình 2.17: Minh họa góc lệch pha giữa từ thông stator và rotor 29

Hình 2.18: Sáu sector trên mặt phẳng phức 30

Hình 2.19: Minh họa cho từ thông ở sector I 31

Hình 2.20: Lựa chọn vector điện áp thích hợp cho từ thông stator và momen 31

Hình 2.21: Minh họa cho cho từ thông ở sector K bất kỳ 35

Hình 2.22: Sơ đồ nguyên lý điều khiển từ thông và momen 37

Hình 2.23: Hình minh họa cho bộ so sánh từ thông hai bậc 38

Hình 2.24: Mô phỏng bộ so sánh từ thông hai bậc trong Matlab-Simulink 39

Hình 2.25: Điều khiển vector không gian từ thông stator 39

Hình 2.26: Hình minh hoạ cho bộ so sánh từ thông ba bậc 40

Hình 2.27: Bộ so sánh momen ba bậc trong Matlab-Simulink 41

Hình 2.28: Mô hình xác định vị trí từ thông stator trong mặt phẳng phức 43

Hình 2.29: Mô hình bộ so sánh từ thông và momen trong Matlab/simulink 44

Hình 2.30: Mô hình bảng đóng cắt trong Matlab/simulink 44

Hình 2.31: Mô hình bộ nghịch lưu trong Matlab/simulink 45

Hình 2.32: Mô hình khâu ước lượng momen và từ thông trong Matlab/simulink 46

Hình 2.33: Mô hình mô phỏng phương pháp DTC trong Matlab/simulink 46

Hình 3.1: Vị trí không gian các pha 48

Hình 3.2: Xây dựng vector không gian từ các đại lượng pha 49

Hình 3.3: Hệ tọa độ stator ( - ) 50

Hình 3.4: Mỗi liên hệ giữa tọa độ ( - ) và tọa độ(d-q) 51

Hình 3.5: Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ (d-q) 52

Hình 3.6: Mô hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha có rotor lồng sóc 53

Hình 3.7: Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha 61

Hình 3.8: Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ KĐB 3 pha 61

Hình 3.9: Kết quả mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ KĐB 3 pha 63

Hình 4.1: sơ đồ bộ điều khiển PI mờ điều khiển ĐC KĐB theo pp DTC 67

Hình 4.2: Mô hình mô phỏng khối PI mờ lai 67

Hình 4.3: Mô hình khối Fuzzy logic 68

Hình 4.4: Giao diện soạn thảo Fuzzy logic trên Matlab/simulink 68

Hình 4.5: Hàm thành viên sai số tốc độ E 68

Hình 4.6: Hàm thành viên của độ dốc sai số tốc độ DE 69

Hình 4.7: Hàm thành viên Kp 69

Hình 4.8: Hàm thành viên Ki 69

Hình 4.9: Giao diện soạn thảo luật mờ trên Matlab/simulink 70

Hình 4.10: Luật mờ trong Matlab/simulink 70

Hình 4.11: Chỉnh định Kp trong không gian 71

Hình 4.12: Chỉnh định Ki trong không gian 71

Hình 4.13: Mô hình điều khiển ĐC KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai 72

Hình 4.14: Mô hình điều khiển ĐC KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ

điều khiển PI thường 72

Hình 5.1: Kết quả mô phỏng động cơ chạy không tải với tốc độ định mức 75

Hình 5.2: Kết quả mô phỏng động cơ chạy không tải với tốc độ thay đổi 76

Hình 5.3: Kết quả mô phỏng động cơ chạy không tải sau đó đóng tải 77

Hình 5.4: Kết quả mô phỏng động cơ chạy với tải định mức, tốc độ thay đổi 78

Hình 5.5: Kết quả mô phỏng động cơ chạy không tải sau đó đảo chiều quay 79

Hình 5.6: Kết quả mô phỏng động cơ chạy với tải thay đổi, tốc độ định mức 80

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU

1.1.1 Đặt vấn đề

Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành đơn giản, cạnh tranh về giá thành so với loại động cơ khác , làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống Tuy nhiên việc điều khi ển hoạt động của động cơ không đồng bộ là tương đối khó do đặc tính phi tuyến của động cơ

Ngày nay cùng với sự phát triển của thiết bị điện tử công suất và các bộ vi xử

lý thì việc điều khiển ĐC KĐB trở nên dễ dàng hơn Đặc biệt là các hệ thống xử lý tín hiệu số đã cho phép thực hiện các giải thuật phức tạp để điều khiển động cơ không đồng bộ Nhiều giải thuật điều khiển động cơ không đồng bộ đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩn h vực truyền động điện như phương pháp momen trực tiếp , phương pháp điều khiển phi tuyến , phương pháp định hướng trường , phương pháp điều khiển vector không gian ,…Trong đó, phương pháp sử dụng mạng neural, fuzzy logic kết hợp với các phương pháp điều khiển thông thường đang là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng trong điều khiển máy điện không đồng bộ

Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều

Chính vì vậy đề tài “ Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC

dùng bộ điều khiển PI mờ lai” được thực hiện

1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, phương pháp DTC cũng là một lựa chọn mới trong các kỹ thuật điều khiển ĐC KĐB với những ưu điểm sau:

- Đơn giản, không cần đến các khối chuyển đổi tương quan

- Tính linh hoạt cao

- Khả năng điều khiển bền bỉ và chính xác

- Không cần phải sử dụng các cảm biến đo từ thông trực tiếp

- Không phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ

- Khả năng bám tốc độ đặt cao, ngay cả khi tải thay đổi

 Ưu điểm của phương pháp DTC so với phương pháp V/F

- Tốc độ động cơ bám tốt do momen điện từ của động cơ được điều khiển trực tiếp

- Đáp ứng tốc độ vẫn đảm bảo trong các điều kiện tải thay đổi hoặc thông số động cơ thay đổi trong quá trình làm việc

- Cho đáp ứng nhanh, chất lượng truyền động tốt, hiệu suất cao

- Từ thông của động cơ luôn được giữ tối ưu

 Ưu điểm của phương pháp DTC so với phương pháp FOC

- Ít phụ thuộc vào thông số động cơ

- Không cần phải sử dụng các khối chuyển đổi tương quan

- Cho đáp ứng momen nhanh hơn

 Tuy nhiên, trong hướng nghiên cứu đề tài này kết hợp phương pháp DTC với bộ điều khiển PI mờ lai nhằm cải thiện chất lượng hệ thống khi hoạt động tốc độ thấp cũng như thay đổi momen yêu cầu

1.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

Đề tài này tập trung nghiên cứu bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều khiển mờ lai trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ Việc thiết kế sẽ được

mô phỏng trên Matlab/simulink

1.2.2 Nội dung nghiên cứu

- Các phương pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha

- Đặc tính của máy điện không đồng bộ

- Xây dựng mô hình máy điện động cơ KĐB

- Xây dựng phương pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB

- Xây dựng bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phương pháp DTC

- Xây dựng bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phương pháp DTC

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tham khảo tài liệu: Bằng cách thu thập thông tin từ các tài liệu, bài báo liên quan, và truy cập mạng internet

- Phương pháp quan sát: Khảo sát một số mô hình mô phỏng thực tế đang có từ các luận văn trước và các bài báo trên mạng internet, từ đó mô phỏng lại bằng phần mềm Matlab/simulink để so sánh với kết quả đã có nhằm rút ra những kinh nghiệm trong việc mô phỏng

- Phương pháp mô phỏng: Phần nghiên cứu được kiểm chứng bằng việc thực hiện

mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab/simulink

1.3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.3.1 Giới thiệu tổng quan về phương pháp điều khiển DTC

- Kỹ thuật DTC điều khiển ĐC KĐB 3 pha được đưa ra đầu tiên bởi Takahashi vào

1986 và được xem như là giải thuật điều khiển động cơ cho đáp ứng momen nhanh

và hiệu suất điều khiển cao Kỹ thuật này cho phép điều khiển độc lập và cùng lúc

từ thông động cơ và momen điện từ

- Nếu từ thông stator đƣợc chọn là giá trị tham chiếu, giá trị ƣớc lƣợng của từ thông

và momen đƣợc tính toán chỉ dựa vào dòng điện và điện áp stator Nhƣ vậy điện trở stator là thông số động cơ duy nhất cần đến Đây chính là yếu tố tạo nên tính ƣu việt cho kỹ thuật DTC

Những năm gần đây, các giải pháp đƣợc đề nghị cho các hệ thống điều khiển trực tiếp momen đƣợc cải tiến nhƣ sau:

- Sử dụng các bảng đóng cắt cải tiến

- Sử dụng các bộ so sánh trễ hoặc không có trễ, hai ba bậc

- Ứng dụng các sơ đồ DTC với tần số đóng ngắt không đổi, vận hành với kỹ thuật PWM hoặc điều chế véctơ không gian

- Ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ hoặc mạng nơron mờ

- Sử dụng các bộ ƣớc tính từ thông phức tạp để cải tiến đặc tính ở vận tốc thấp

1.3.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu

 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trong thập kỷ qua, có rất nhiều cải tiến trong sơ đồ điều khiển trực tiếp momen cổ điển (Takahashi & Noguchi, 1986) đã đƣợc thực hiện bởi:

Romeral L., et al (2003) Novel Direct Torque Control (DTC) Scheme With Fuzzy Adaptive Torque-Ripple Reduction, IEEE Trans Ind Electron., vol.50, pp.487–492,Jun

Chen L., et al., (2005) A scheme of fuzzy direct torque control for induction machine, IEEE Proceedings of the Fourth International Conference

on Machine Learning and Cybernetics, Guangzhou, 18-21 Aug

Reddy T B., at al (2006) Sensorless Direct Torque Control of Induction Motor based on Hybrid Space Vector Pulsewidth Modulation to Reduce Ripples and Switching Losses – A Variable Structure Controller Approach, IEEE Power India Conference

Các mục tiêu của những cải tiến là nhằm để cải thiện việc khởi động của động cơ, các hoạt động trong điều kiện quá tải và trong miền tốc độ thấp Các thay đổi cũng nhằm mục đích để giảm momen và dòng điện hài, giảm mức độ tiếng ồn và để tránh biến điệu tần số bằng cách sử dụng các phương pháp chuyển mạch với tần số đóng cắt không đổi

Những nhược điểm cơ bản của sơ đồ DTC sử dụng các bộ điều khiển trễ chuyển đổi tần số là xuất hiện dòng và momen gọn sóng Sự chuyển động của vector từ thông stator trong quá trình thay đổi vòng quay các thanh dẫn tạo các sườn dao động đáng

kể của momen điện từ Một vấn đề khác là việc thực hiện các bộ điều khiển trễ đòi hỏi một tần số lấy mẫu cao Khi một bộ điều khiển trễ được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) hoạt động hoàn toàn khác với bộ tương tự

Trong bộ tương tự, hoạt động các giá trị của momen điện từ và độ lớn từ thông stator được giới hạn trong giải trễ mong muốn Điều đó có nghĩa, biến tần có thể thay đổi trạng thái mỗi lần độ lớn từ thông hoặc momen đi qua một giới hạn nhất định

Nói cách khác, việc thực hiện kỹ thuật số sử dụng thời gian mẫu cụ thể mà trên đó momen và từ thông được kiểm tra nằm trong giới hạn mong muốn Điều đó có nghĩa là momen và từ thông có thể vượt ra khỏi giới hạn mong muốn rất thường xuyên cho đến khi thời gian lấy mẫu kế tiếp Đối với lý do này, gợn song momen và

từ thông không mong muốn xuất hiện

Nhiều nhà nghiên cứu được định hướng kết hợp các nguyên tắc của DTC với một phương pháp tần số đóng cắt không đổi để điều khiển bộ biến tần bằng cách sử dụng điều chế vector không gian Điều này đòi hỏi tính toán trong các sơ đồ điều khiển vector điện áp tham chiếu mà cần phải có điều chế trong đầu ra bộ biến tần

Vì vậy, điều khiển trực tiếp momen với phương pháp điều chế không gian vector (DTC-SVM) được áp dụng

Koutsogiannis Z &, Adamidis G., (2007) Direct Torque Control using Space Vector Modulation and dynamic performance of the drive via a Fuzzy logic controller for speed regulation, in: proceedings of EPE

Ngoài ra, DTC-SVM có thể được áp dụng bằng cách sử dụng điều khiển momen vòng kín để giảm gợn sóng momen Rất nhiều bài báo nói về điều khiển tốc độ của truyền động điện, trong đó sử dụng các chiến lược khác nhau dựa trên trí tuệ nhân tạo như mạng lưới thần kinh nhân tạo và bộ điều khiển logic mờ đã trình bày Đối với các bộ điều khiển tốc độ PI mờ có khả năng loại bỏ nhiễu và bền vững được chứng minh:

Gadoue S M at al., (2009) Artificial intelligence-based speed control

of DTC induction motor drives-A comparative study, J Electric Power Syst Res

 Tình hình nghiên cứu trong nước

Những năm gần đây, hướng nghiên cứu điện tử công suất ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ KĐB, trong đó kết hợp phương pháp DTC và biến tần ma trận đang được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm Có nhiều nhiều công trình công bố những kết quả nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm Một số công trình đáng chú ý do nhóm tác giả trong nước như:

Direct torque control for matrix converter fed three-phase induction motor using an artificial neural network model TS Phan Quốc Dũng, Lê Minh Phương, Nguyễn Hoàng Vũ

Direct torque control for matrix converter fed induction motor drive using fuzzy logic controller.Nguyễn Phương Duy, Huỳnh Trung Nam, Huỳnh Thái Hoàng, Nguyễn Văn Nhờ

Direct torque control of induction motor drive fed by three-level NPC inverter with common mode voltage elimination.Phan Thành Minh, Nguyễn Văn Nhờ

Tuy nhiên, các nghiên cứu trên hầu hết chỉ dừng ở mức đưa ra giải thuật hoặc mô phỏng với Matlab/Simulink Rất ít nghiên cứu đề cập đến kết quả thực nghiệm

Đề tài này luận văn này sẽ đưa ra các giải thuật của bộ điều khiển PI mờ lai cho vòng hồi tiếp tốc độ ứng dụng vào phương pháp điều khiển trực tiếp momen động

cơ KĐB 3 pha Tất cả lý thuyết, kết quả mô phỏng sẽ được trình bày trong phần sau

1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Nội dung chính của luận văn gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Mô hình toán động cơ không đổng bộ 3 pha

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo

phương pháp DTC

Chương 5: Kết quả mô phỏng

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 ĐIỀU KHIỂN MỜ

2.1.1 Giới thiệu chung

Điều khiển mờ được thực hiện dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là điều khiển mờ

Hệ điều khiển mờ cho phép đưa các kinh nghiệm điều khiển của các chuyên gia vào thuật toán điều khiển

Chất lượng điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế Điều khiển mờ có thế mạnh trong các hệ thống sau:

 Hệ thống điều khiển phi tuyến

 Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào và đầu ra không đủ hoặc không xác định

 Hệ thống điều khiển khó xác định hoặc không xác định được mô hình đối tượng

Sơ đồ điều khiển có nhiều dạng khác nhau Dưới dây là một sơ đồ điều khiển đơn giản thường gặp, trong đó bộ điều khiển mờ được dùng thay thế cho bộ điều khiển kinh điển

Hinh 2.1: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản

2.1.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành, giải

mờ Khi ghép bộ điều khiển mờ vào hệ thống, thường thêm vào hai khối tiền xử lý

và hậu xử lý

Hinh 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ [1]

Bộ điều khiển mờ cơ bản:

Hinh 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản [1]

 Bộ điều khiển mờ bao gồm :

 Mờ hóa: Biến giá trị rõ đầu vào thành giá trị mờ

 Hệ luật mờ: Tập các luật “if-then” Đây là “bộ não” của bộ điều khiển mờ Luật mờ “if-then” có 2 dạng: Luật mờ Mamdani và luật mờ Sugeno

 Thiết bị hợp thành: Biến đổi các giá trị đã được mờ hóa ở đầu vào thành các giá trị đầu ra theo các luật hợp thành nào đó

 Giải mờ: Biến giá trị đầu ra của khối của thiết bị hợp thành thành giá trị rõ

 Thiết bị ghép nối:

 Tiền xử lý: Xử lý tín hiệu trước khi đi vào bộ điều khiển mờ cơ bản

 Lượng tử hóa hoặc làm tròn giá trị đo

 Chuẩn hóa hoặc chuyển tỷ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn

 Lọc nhiễu

 Lấy vi phân hay tích phân

 Hậu xử lý: Xử lý tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản

 Chuyển tỷ lệ giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản thành giá trị vật lý

 Đôi khi có khâu tích phân

 Bộ điều khiển Mamdani :

Bộ điều khiển Mamdani là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Mamdani

If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = B Trong đó Ai , B là các tập mờ

 Bộ điều khiển Sugeno :

Bộ điều khiển mờ Sugeno là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Sugeno :

If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = f (x1, x2,….,xn)

Trong đó :

Ai : là các tập mờ

f(.) là hàm của các tín hiệu vào (hàm rõ)

Phương pháp giải mờ dùng trong bộ diều khiển mờ Sugeno là tổng có trọng số

Trong đó: βi : Độ cao của tập mờ kết quả trong mệnh đề điều kiện của luật i

Bộ điều khiển mờ Mamdani có phần kết luận trong hệ luật là các tập mờ dạng singleton cũng chính là bộ điều khiển mờ Sugeno có hệ luật mà phần kết luận là hằng số

2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ

 ‘ Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia

 ‘ Thiết kế dựa trên lý thuyết Lyapunov

 ‘ Thiết kế bộ điều khiển PID mờ

 ‘ Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng giải thuật di truyền

2.1.4 Điều khiển PID mờ [1]

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển Analog cũng như Digital Theo một nghiên cứu cho thấy có khoảng hơn 90% các bộ điều khiển được sử dụng hiện nay là bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID nếu được thiết kế tốt có khả năng điều khiển hệ thống với chất lượng quá độ tốt (đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp) và triệt tiêu được sai số xác lập

Việc thiết kế bộ PID kinh điển thường dựa trên phương pháp Zeigler-Nichols, Offerein, Reinish … Tuy nhiên nếu đối tượng điều khiển là phi tuyến thì bộ điều khiển PID kinh điển không thể đảm bảo chất lượng điều khiển tại mọi điểm làm việc Do đó để điều khiển các đối tượng phi tuyến ngày nay người ta thường dùng

kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phầm mềm), đây chính là cơ sở của thiết kế PID mờ hay PID thích nghi

2.1.4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ

Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ [1]

Mô hình toán của bộ PID [1]:

u(t) =

dt

t de K d e K t e

t I P

)()

()

P I

K

K T K

K

D

I T

K K

2.1.4.2 Luật chỉnh định PID

Hình 2.5: Luật chỉnh định PID [1]

+ Lân cận a1 ta cần luật ĐK mạnh để rút ngắn thời gian lên, do vậy chọn: KP lớn, KD

nhỏ và  nhỏ

+ Lân cận b1 ta tránh vọt lố lớn nên chọn: KP nhỏ, KD lớn,  lớn

+ Lân cận c1 và d1 giống như lân cận a1 và b1

+ Khi giá trị tuyệt đối của sai lệch lớn, ta cần có tín hiệu điều khiển mạnh để đưa nhanh sai lệch về 0 Dựa theo nguyên tắc này ta có quan hệ chỉnh định Kp, KI, α đều

có dạng đối xứng qua đường chéo chính hoặc phụ

2.1.4.3 Điều khiển PD mờ

Hình 2.6: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Bộ điều khiển ở hình 2.6 là bộ điều khiển PD mờ vì tín hiệu ra của bộ điều khiển

mờ cơ bản phụ thuộc vào tín hiệu vào và vi phân của tín hiệu vào Bộ điều khiển PD

mờ có thể điều khiển vô sai trong các trường hợp sau đây:

- Đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, hoặc

- Ổn định hóa trạng thái của đối tượng xung quanh điểm cân bằng , trong đó ( ū, 𝑥 ), trong đó ū = 0

Nếu đối tượng không có khâu tích phân lý tưởng ( như lò nhiệt, bồn chứa chất lỏng,…) thì sử dụng bộ điều khiển PD mờ không thể triệt tiêu sai số xác lập

2.1.4.4 Điều khiển PI mờ

Hình 2.7a: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Hình 2.7b: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Có hai cách để thực hiện bộ điều khiển PI mờ như trình bày ở hình 2.7, dễ dàng thấy rằng trong hai sơ đồ trên tín hiệu ra của bộ điều khiển có quan hệ phi tuyến với tín hiệu vào và tích phân tín hiệu vào Tuy nhiên, sơ đồ ở hình 2.7a rất khó thực hiện vì kinh nghiệm chuyên gia hầu như không thể đưa ra được các quy tắc điều khiển dựa vào tích phân của sai số Do đó chỉ có sơ đồ điều khiển PI mờ ở hình 2.7b mới được sử dụng trong thực tế

 Bộ điều khiển PI mờ nếu thiết kế tốt có thể điều khiển điều khiển đối tượng trong miền làm việc rộng với sai số xác lập bằng 0

 Tuy nhiên cũng cần để ý rằng bộ điều khiển PI làm chậm đáp ứng của hệ thống và trong nhiều trường hợp làm cho quá trình quá độ có dao động

2.1.4.5 Điều khiển PID mờ

Hình 2.8a: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Hình 2.8b: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2]

Bộ điều khiển PID mờ có các ƣu điểm của bộ điều khiển PI mờ và PD mờ, tức là có thể điều khiển vô sai, thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lỗ thấp Sơ đồ bộ điều khiển PID mờ đƣợc trình bày ở hình 2.8 trong đó sơ đồ PID mờ ở hình 2.8b đƣợc sử dụng phổ biến hơn sơ đồ hình 2.8a Thực tế, việc đƣa ra các quy tắc Mamdani mô tả quan hệ giữa vi phân của tín hiệu ra theo tín hiệu vào, vi phân bậc 1 và vi phân bậc

2 của tín hiệu vào (hình 2.8b) dựa vào kinh nghiệm chuyên gia cũng không dễ dàng

Do đó chỉ nên sử dụng bộ điều khiển PID mờ khi bộ điều khiển PI mờ hoặc PD mờ không thể điều khiển đối tƣợng với chất lƣợng nhƣ mong muốn

2.1.5 Hệ mờ lai

Hệ mờ lai (Fuzzy Hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị điều khiển bao gồm: phần điều khiển kinh điển và phần hệ mờ

Các dạng hệ mờ lai phổ biến:

2.1.5.1 Hệ mờ lai không thích nghi

Hình 2.9: Cấu trúc hệ mờ lai không thích nghi [1]

2.1.5.2 Hệ mờ lai cascade

Hình 2.10: Cấu trúc hệ mờ lai cascade [1]

2.1.5.3 Công tắc mờ

Điều khiển hệ thống theo kiểu chuyển đổi khâu điều khiển có tham số đòi hỏi thiết

bị điều khiển phải chứa đựng tất cả các cấu trúc và tham số khác nhau cho từng trường hợp Hệ thống sẽ tự chọn khâu điều khiển có tham số phù hợp với đối tượng

Hình 2.11: Công tắc mờ [1]

2.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC)

Tổng quát một động cơ điện tương tự như một nguồn momen điều khiển được Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị momen tức thời của động cơ được đặt ra trong hệ truyền động có đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị trí trục rotor

Momen sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng

và từ thông sinh ra trong hệ thống kích từ của động cơ Từ thông phải được giữ tối

ưu nhằm đảm bảo momen sinh ra tối đa và giảm tối thiểu độ bão hòa của mạch từ Với từ thông có giá trị không đổi, momen sẽ tỉ lệ thuận với dòng ứng Trong động

cơ không đồng bộ, dòng ứng là dòng rotor và từ thông được sinh ra bởi dòng stator

Tuy nhiên, dòng rotor không được trực tiếp điều khiển bởi nguồn ngoài mà là hệ quả do sức điện động cảm ứng sinh ra do kết quả chuyển động của rotor so với từ trường stator Do đó, dòng stator là nguồn của từ thông và dòng ứng

Trong động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, chỉ có dòng stator được điều khiển trực tiếp, do đó việc điều khiển momen tối ưu khó thực hiện vì không thể bố trí cố định về mặt vật lý giữa từ thông stator và rotor được và phương trình momen

là phi tuyến

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa ra nguyên lý định hướng theo trường (FOC) Nguyên lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và momen, nó dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng trong điều khiển các hệ thống phi tuyến Bản chất của phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0 Điều này làm cho mô hình toán trở nên đơn giản hơn rất nhiều vì có thể loại bỏ một số nhánh trong mô hình tổng quát

Phương pháp điều khiển định hướng theo trường bao gồm:

+ Điều khiển định hướng theo vector từ thông stator (trực tiếp, gián tiếp)

+ Điều khiển định hướng theo vector từ thông rotor (trực tiếp, gián tiếp)

+ Điều khiển định hướng theo vector từ thông khe hở không khí (trực tiếp, gián tiếp)

Hệ thống định hướng trường (từ thông) tổng quát được cho như trong hình bên dưới, tạo ra các tín hiệu điện áp đặt ở ngõ ra * * *

Bộ nghịch lưu PWM 3 pha

Hệ thống định hướng trường

Tín hiệu hồi tiếp

Hình 2.12: Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng trường

Trong phần này, ta chỉ đề cập đến phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor do nó có thể điều khiển độc lập từ thông và momen Còn phương pháp điều khiển định hướng từ thông stator và từ thông khe hở không khí không thể điều khiển độc lập hai thành phần này

Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor, mô hình động cơ không đồng bộ được biểu diễn trên hệ tọa độ d-q bởi nó những ưu điểm sau:

 Trong hệ từ thông rotor (d-q), các vector dòng stator ifs

và vector từ thông

rotor f

r

 , cùng với hệ tọa độ (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ s

quanh điểm gốc, do đó các phần tử của vector ifs

(i ,isd sq) là các đại lượng một chiều

 Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như không đổi; trong quá trình quá

độ, các giá trị này có thể biến thiên theo một thuật toán đã được định trước

2.2.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp

Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp, biên độ

và vị trí góc của từ thông rotor được đo hoặc ước lượng Cảm biến Hall có thể được

sử dụng để đo từ trường bằng cách đặt các cảm biến này vào trong khe hở không

khí của động cơ Tuy nhiên, phương pháp này làm cho giá thành của hệ thống cao, giảm độ tin cậy của hệ truyền động và việc thi công rất khó khăn Phương pháp ước lượng từ thông thường được sử dụng vì nó có những ưu điểm là thực hiện dễ dàng

và sai số có thể chấp nhận được Sai số là do phương pháp ước lượng phụ thuộc rất nhiều vào thông số của động cơ Có ba phương pháp ước lượng là : ước lượng từ dòng và áp hồi tiếp; ước lượng từ tốc độ và dòng hồi tiếp; ước lượng từ dòng, áp và tốc độ hồi tiếp

Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp

Sơ đồ định hướng từ thông rotor trực tiếp được trình bày trên hình 2.14, bao gồm hai vòng kín: một cho isd (điều khiển từ thông) và một cho isq(điều khiển tốc

độ hay momen)

Tín hiệu ngõ vào là từ thông rotor *

r

 và tốc độ  *sẽ được chuyển thành tín hiệu dòng đặt tương ứng *

sq

*

sd i

i , thông qua khâu so sánh (với từ thông rotor và tốc

độ hồi tiếp) và khâu hiệu chỉnh PI Hai tín hiệu dòng đặt *

sq

*

sd i

i tiếp tục được so sánh với tín hiệu dòng hồi tiếp id iqvà qua khâu hiệu chỉnh PI sẽ chuyển thành tín hiệu điện áp đặt mong muốn *

độ α-β và qua khâu điều chế vector không gian, tạo ra giản đồ đóng ngắt cho 6 khóa của bộ nghịch lưu áp ba pha, điện áp ở ngõ ra của bộ nghịch lưu được cấp cho động

cơ

2.2.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

Trong phương pháp điều khiển gián tiếp thì góc θ được tính toán dựa trên tốc độ trượt

ωsl* và từ thông tin về tốc độ động cơ ω Theo sơ đồ ta thấy đặc tính của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào việc xác định chính xác các thông số động cơ Phương pháp này nhìn chung đơn giản hơn phương pháp trực tiếp, tuy nhiên cũng có một số nhược điểm nên đặc tính của sơ đồ sẽ kém nếu không sử dụng các giải pháp đặc biệt khác

Hình 2.14 Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

Sơ đồ điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp được trình bày trong hình 2.15 chỉ có một vòng lặp cho isq Trong phương pháp điều khiển gián tiếp, vị trí góc của vector từ thông rotor được tính dựa trên tốc độ trượt *

sl

 và thông tin về tốc độ động cơ 

Trong phương pháp điều khiển gián tiếp, có sử dụng một số khâu chuyền trục được trình bày trong phương pháp điều khiển trực tiếp ở trên

Ưu điểm của hệ thống điều khiển gián tiếp là có thể sử dụng cho các loại động cơ thường gặp với vị trí rotor có thể đo được dễ dàng bằng một cảm biến gắn ngoài

2.2.3 Ưu, nhược điểm của phương pháp điều khiển định hướng trường

 Ưu điểm:

 Đáp ứng vận tốc động cơ tốt

 Đáp ứng momen tốt

 Điều khiển từ thông và momen một cách độc lập

 Dòng khởi động thay đổi có thể chấp nhận

 Nhược điểm:

 Cấu trúc mạch phức tạp, đòi hỏi bộ vi xử lý mạnh

 Bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của các thông số động cơ trong quá trình hoạt động thực tế của máy

2.3 ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC)

2.3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển trực tiếp momen

Phương pháp điều khiển DTC (Direct Torque Control) bắt đầu được phát triển vào giũa những năm 80 của thế kỷ trước bởi Takahashi I , và nó nhanh chóng được ứng dụng trong công nghiệp nhờ những tính năng rất tốt Phương pháp điều khiển dựa trên mô hình của động cơ không đồng bộ với các vectơ không gian

Đây là một kỹ thuật điều khiển momen động cơ KĐB với một bộ nghịch lưu áp

Kỹ thuật mới này ưu thế là đơn giản vì không cần gắn cảm biến vào trục động cơ, giá thành và độ tin cậy, điều khiển hiệu quả và tính ổn định nội cao Do đó DTC thuộc loại kỹ thuật điều khiển không dùng cảm biến

Nguyên tắc điều khiển trực tiếp momen là điều khiển trực tiếp từ thông stator và momen không thông qua bộ điều khiển dòng stator Điều khiển được thực hiện bằng việc bằng việc điều khiển trực tiếp khóa sử dụng đầu ra của bộ so sánh trễ từ thông,

bộ trễ momen và lựa chọn vector điện áp phù hợp từ bảng chuyển mạch được định nghĩa trước

Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển DTC ĐC KĐB [14]

 Khâu 1 (đo điện áp và dòng điện): Dòng điện 2 pha A và B được đo, điện áp một chiều của biến tần và trạng thái chyển mạch của nghịch lưu

 Khâu 2 (mô hình động cơ): Các thông số trên được đưa vào Từ mô hình động cơ này có thể dự báo chính xác các thông số yêu cấu ở ngõ ra là độ lớn momen, biên độ từ thông và vị trí sector Còn có thể gọi đây là khâu ước lượng từ thông, momen động cơ

 Khâu 3 (bộ so sánh từ thông và momen): Giá trị đặt của độ lớn từ thông stator và momen được so sánh với giá trị thực và sai số thu được sẽ là đầu vào cho hai khối trễ 2 và 3 vị trí tương ứng

Đầu ra của hai khối này cùng với vị trí của từ thông stator được sử dụng làm đầu vào của bảng chọn Vị trí của từ thông stator được chia làm 6 sector riêng biệt Sai số độ lớn từ thông stator và momen được hạn chế trong các giải trễ tương ứng Người ta chứng minh được dải trễ từ thông tác động mạnh đến sự méo

dòng điện stator trong vùng sóng hài thấp còn dải trễ momen tác động mạnh đến tần số chuyển mạch

 Khâu 4 (khối bảng chọn các vector điện áp tối ưu): Bao gồm bộ xử lý tín hiệu số (DSP) với bo mạch sẽ đóng vai trò đóng mở các van Tần số đóng cắt quyết định thành công của DTC DTC không cần encoder nhưng có thể đạt

độ chính xác ±5% và thời gian quá độ nhỏ hơn 2 ms

Phương pháp điều khiển DTC có những tính chất thật sự tốt, đạt được hiệu quả như điều khiển vector nhưng cấu trúc lại đơn giản hơn Phương pháp điều khiển DTC có thể điều khiển chính xác được từ thông stat or và momen động cơ Khi sai số của từ thông hoặc momen vượt qua giới hạn sai

số cho phép, hệ thống sẽ phát tín hiệu cho bộ nghịch lưu, điều khiển đóng ngắt các tổ hợp khóa để từ thông và momen đạt giá trị mong muốn

 Các ưu và khuyết điểm của phương pháp DTC:

- Điều khiển trực tiếp từ thông và momen động cơ

- Điều khiển gián tiếp điện áp và dòng điện stator

- Dòng điện stator và từ thông stator gần sin

- Cho hiệu suất tốt với các hệ có đặc tính động học cao, có thể điều khiển tần số 0,5Hz mà vẫn cho momen định mức

- Tuy nhiên phương pháp DTC cơ bản có một số mặt hạn chế sau:

- Khó điều khiển momen và từ thông ở vận tốc thấp

- Độ nhấp nhô dòng và momen khá lớn

- Tần số đóng ngắt khóa thường biến thiên

- Độ ồn cơ cao ở vận tốc thấp

2.3.2 Sự biến thiên các đại lượng của phương pháp DTC

2.3.2.1 Sự biến thiên của từ thông stator

s s

s s

s r

s r s

r r

s s s

s s

s s

L i L i

j dt

d i R

dt

d i R u

s s s

s s s s

Từ biểu thức (2.4) ta thấy với một giá trị từ thông ban đầu cho trước,

từ thông stator phụ thuộc phần lớn vào vector điện áp stator s

s

u , Tốc độ thay đổi từ thông gần như phụ thuộc vào biên độ của vector điện áp Ta có:

s s

s

s u dt

d 

(2.4a)

Như vậy với việc đóng cắt các vector điện áp khác nhau, ta có thể điều khiển tăng hoặc giảm biên độ, góc pha của từ thông theo yêu cầu điều khiển

2.3.2.2 Sự biến thiên của từ thông rotor

Phương trình vector của điện áp, từ thông stator, rotor trong hệ tọa độ stator:

(2.5a)

(2.5b) (2.5c)

s s

s r r

dt

d L i L

T

i T

r r

s s r

s

T

i T

L dt

s s

s

L

L L

m

L

L i L L L

m L L

s s

s s

L

L L

 r s

r

s r r

m s s s r m

s r

j T L

L L

T

L dt

s r r

m s s s r

m s

T L

L L

m s

s s r

m s

T L

L T

L L

s r

m r

s r

L

L T

j L

L

L s

s r

m r

s r

L

L T

j L

L

L s

r

s r

L

L T

j s

s r

m L L

s

m s

r

T j s





Ts s

G ), biến thiên theo từ thông stator

s

s

 nhƣng chậm hơn Với chu kỳ lấy mẫu bé, trong khoảng thời gian ngắn

từ thông stator thay đổi, có thể xem từ thông rotor là không đổi

2.3.2.3 Sự biến thiên của điện áp stator

Sự biến thiên điện áp của stator phụ thuộc vào điện áp cung cấp cho các cuộn dây Trong phương pháp DTC, điện áp stator được cung cấp bởi một

bộ nghịch lưu 3 pha với 6 khóa bán dẫn Các khóa này được điều khiển đóng ngắt, tạo nên 8 vector không gian trong đó có 2 vector 0 Tùy theo yêu cầu của việc điều khiển mà ta chọn tổ hợp đóng cắt cho ra điện áp stator phù hợp

Hình 2.16: Các vector điện áp trong không gian

2.3.2.4 Sự biến thiên của momen

Phương trình momen điện từ viết trên hệ trục tọa độ αβ:

)(

2

3)(

2

s s s s s s s s

s s s

T           (2.11)

Trong biểu thức (2.11), các giá trị dòng điện i , s i s ta có thể tính được nhờ đo dòng điện các pha và thực hiện phép chuyển đổi sang hệ tọa

độ (α-β) Các giá trị s,s cũng có thể ước lượng từ dòng điện, điện áp

và điện trở stator theo phương trình (2.5a) Như vậy trong phương pháp DTC, ta có thể dùng biểu thức (2.11) để ước lượng momen động cơ