Điều khiển moment động cơ không đồng bộ bằng phương pháp trượt trong hệ trục tọa độ tĩnh stator

Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN HOÀNG MINH TUẤN ĐIỀU KHIỂN MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT TRONG HỆ TRỤC TỌA ĐỘ TĨNH STATOR Chuyên ngành : thiết bị

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN HOÀNG MINH TUẤN

ĐIỀU KHIỂN MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT TRONG HỆ TRỤC TỌA ĐỘ TĨNH STATOR

Chuyên ngành : thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2008

Động cơ không đồng bộ ba pha ra đời cách đây hơn một trăm năm [20] được sử dụng rộng rãi trong nghành công nghiệp do các ưu điểm như có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và bảo trì, giá thành thấp, độ tin cậy cao Tuy nhiên, dòng điện khởi động của động cơ không đồng bộ lớn, gấp sáu đến tám lần so với dòng điện định mức [5] Tốc độ của nó không điều khiển dễ dàng như động cơ DC Điều đó có thể giải thích bằng tính phức tạp của mô hình toán học của động cơ không đồng bộ và bộ biến đổi công suất cấp nguồn cho động cơ này [8]

Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý đã cho phép áp dụng các giải thuật điều khiển phức tạp trong thời gian thực.Dẫn đến việc nhiều tác giả đã nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ khác nhau như phương pháp điều khiển tựa trường (FOC) [11] và phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơ (DTC) [9] Chỉ trong 15 năm gần đây, điều khiển phi tuyến đã có những buớc nhảy vọt về chất lượng, cả trong lý thuyết lẫn ứng dụng [15] Phương pháp điều khiển trượt (SMC) là một trong những phương pháp điều khiển phi tuyến được áp dụng để điều khiển động cơ không đồng bộ

Luận văn này chủ yếu nghiên cứu và áp dụng phương pháp trượt vào việc điều khiển động cơ không đồng bộ Bộ điều khiển gồm hai vòng được thiết kế như sau:

- Vòng trong: điều khiển từ thông và moment dùng phương pháp trượt

- Vòng ngoài: điều khiển tốc độ dùng phương pháp PID

Nội dung của luận văn

Luận văn bao gồm các nội dung chính:

- Nguyên lý điều khiển trượt của hệ phi tuyến

bộ ba pha dùng công cụ toán học Matlab/ Simulink

- Kết luận

Luận văn bao gồm các chương sau:

- Chương 1: Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha

- Chương 2: Giới thiệu tổng quan các phương pháp điều khiển

- Chương 3: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp trượt

- Chương 4: Ước lượng từ thông rotor và moment động cơ không đồng

bộ

- Chương 5: Kết quả mô phỏng

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

- Phụ lục: Tài liệu tham khảo

Chương1 1

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1

1.1 VECTƠ KHÔNG GIAN 1

1.2 HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TRONG HỆ TỌA ĐỘ α β 3

1.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ BẰNG MATLAB .10

Chương 2 15

GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 15

2.1 GIỚI THIỆUCHUNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN: 15

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC) [19] 16

2.3 ĐIỀU KHIỂN MOMENT TRỰC TIẾP (DTC) 22

2.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ THEO PHƯƠNG PHÁP DTC VÀ FOC 25

Chương 3 30

ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT 30

3.1 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 30

3.2 ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT .32

Chương 4 48

ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 48

4.1 ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG VÀ MOMENT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT 48

4.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG TỪ THÔNG BẰNG MATLAB 55

Chương 5 63

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 63

5.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG .63

5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 64

Chương 6 91

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91

6.1 KẾT LUẬN : 91

6.2 ĐỀ NGHỊ HƯỚNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 91

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGUYỄN HOÀNG MINH TUẤN Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 20/10/1980 Nơi sinh : Quảng Nam

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển moment động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp trượt trong hệ trục tọa độ tĩnh stator

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN - Tìm hiểu lý thuyết về phương pháp điều khiển trượt - Tìm hiểu các phần mềm Matlab/Simulink - Xây dựng bộ ước lượng từ thông rotor bằng phương pháp trượt - Xây dựng luật điều khiển trượt moment và từ thông rotor của động cơ không đồng bộ - Mô phỏng trên Matlab/Simulink 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2008

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/6/2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):

.PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Trong thời gian tham gia học tập và nghiên cứu tại trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của quý thầy cô, phòng quản lý sau Đại học, phòng đọc và thư viện của trường đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khóa học của mình

Xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện - Điện Tử, đặc biệt gửi tới thầy Dương Hoài Nghĩa - người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này - lời biết ơn sâu sắc

Xin cảm ơn gia đình, các bạn học cùng khóa cũng đã giúp đỡ, góp ý xây dựng trong thời gian nghiên cứu, học tập và thực hiện luận văn

Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn!

truyền động điện Giải quyết việc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng kỹ thuật điều khiển phi tuyến Xem động cơ không đồng bộ ba pha là một đối tượng phi tuyến và điều khiển đối tượng này bằng phương pháp trượt

Luận văn bao gồm các vấn đề chính:

• Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha ở hệ tọa độ không gian ba pha và hệ tọa độ α β

• - Phương trình điện áp, dòng điện, từ thông, moment, tốc độ

• Cơ sở phương pháp trượt

• - Thiết kế hệ thống điều khiển trượt moment và từ thông động cơ

không đồng bộ ba pha

• - Thiết kế bộ ước lượng từ thông rotor dùng phương pháp trượt

- Thiết kế bộ ước lượng moment

• Xây dựng bộ nghịch lưu áp ba bậc

• Hình thành các sơ đồ mô phỏng

- Sơ đồ mô phỏng động cơ không đồng bộ, luật điều khiển trượt, mặt trượt, ước lượng từ thông rotor và moment Hình thành bộ điều khiển trượt cho động cơ không đồng bộ ba pha có ước lượng từ thông rotor

- Khảo sát đáp ứng danh định và tính bền vững của hệ thống điều khiển

• Kết luận

Chương 1

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

1.1 VECTƠ KHÔNG GIAN

Khái niệm vectơ không gian và phép biến hình vectơ không gian:

Cho đại lượng ba pha cân bằng: na, nb, nc

N t

N n

j

e e

N t

N n

j

e e N t N

n

t j t

j m m

c

t j t

j m m

b

t j t j m m

a

2)

240sin(

2)

120sin(

2sin

) 240 ( ) 240 ( 0

) 120 ( ) 120 ( 0

0 0

0 0

ω ω

ω ω

ωω

c b

c b

a

j c

j b a

e j

N k

n n

jk n

n n k

e n e

n n k N

ω

2 3

) 240 sin(

) 120 sin(

) 240 cos(

) 120 cos(

.

0 0

0 0

240

=

+ +

+ +

=

+ +

Phép biến đổi hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ với phép biến hình bảo toàn biên

độ được xác định như sau:

n n

n n

n

11

32

30

2

12

11

3

20

12

32

1

2

12

32

101

β

α

n n n

n

n

c b

a

(1.1.4)

1.1.2 Vectơ không gian trong hệ tọa độ quay dq

Xét vectơ không gian N trong hệ tọa độ α β:

β

α jn

n

Vectơ không gian N trong hệ tọa độ α β chính là vectơ không gian N e trong hệ tọa

quay dq (hệ tọa độ này quay một góc θe so với tọa độ αβ), có:

q d

Ta lại có:

e e

q

e e

d

n n

n

n n

n

θθ

θθ

β α

β α

cos sin

sin cos

Thay vào công thức ta được:

e

j e

e

e e

e e

e e

e

e N j

jn n

n n

j jn

n jn

n N

θ β

α

α β

β α

β α

θθ

θθ

θθ

−

=

−+

=

−+

+

=+

=

.)sin)(cos

(

)sincos

()sincos

j e

e N

N

e N

N

θ

θ

1.2.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha

Khi xây dựng các phương trình mô tả động cơ chúng ta giả thuyết các điều kiện

sau:

• Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

• Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bảo hòa

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

• Các giá trị điện trở và điện cảm không đổi

Phương trình cân bằng điện áp cho ba cuộn dây quấn stator được biểu diễn như

dt

d t i R t u

dt

d t i R t u

sc sc

s sc

sb sb

s sb

sa sa

s sa

ψψψ

Rs: là điện trở của một bộ dây pha stator

Động cơ không đồng bộ ba pha có ba cuộn dây pha stator đặt lệch nhau lần lượt

một góc1200, ta thiết lập hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây pha a của động

cơ

Định nghĩa các vectơ Us, Is, Ψs :là các vectơ không gian điện áp, dòng điện, từ

thông của dây quấn stator

0 0

240 120

240 120

240 120

.

3 2

.

3 2

.

3 2

j sc

j sb sa

s

j sc

j sb sa s

j sc

j sb sa

s

e e

t t

e i e t i t i I

e u e

t u t u U

ψψ

ψ

+ +

=

+ +

s s s

=

dt

d I R

r r r

ψ

(1.2.4) Trong đó Ur, Ir, Ψr :là các vectơ không gian điện áp, dòng điện, từ thông của dây

quấn rotor

Rr: điện trở của một bộ dây pha rotor sau khi quy đổi về phía stator

Các vectơ không gian từ thông stator và rotor được xác định như sau:

Gọi:

Lm: hệ số hỗ cảm giữa dây quấn stator và rotor

Lσs: điện kháng tản của dây quấn stator

Lσr: điện kháng tản của dây quấn rotor

Lr=Lm+Lσr: hệ số tự cảm của dây quấn rotor

Ta được:

r m s s

s =L I +L I

s m r r

3

(1.2.7) Trong đó:

Me: moment điện từ của động cơ

J M

e j e s

e j e s

Trong đó Ues, Ies, Ψes là vectơ không gian của điện áp, dòng điện, từ thông dây

quấn stator trong hệ tọa độ quay bất kỳ

e

θ : là góc giữa trục thực của hệ tọa độ bất kỳ quay với trục α của hệ tọa độ stator

Đạo hàm công thức (1.2.11) ta được:

s k j

e s

dt

d dt

e s e s s

e

dt

d I R

Đối với hệ tọa độ cố định trên stator, ta có: ωe=0, Ues=Us, Ies=Is, Ψes=Ψs

dt

d I R

s s

Tương tự ta có phương trình tổng quát cho điện áp rotor trên hệ tọa độ k bất kỳ

quay quanh điểm gốc với tốc độ góc ωe so với rotor

0

=+

+

r e

e r e r r

e

dt

d I R

Trong đó Uer, Ier, Ψer là các vectơ không gian của điện áp, dòng điện và từ thông

rotor dây quấn trong hệ tọa độ quay dq bất kỳ

Hệ tọa độ α β - nằm cố định trên stator – chuyển động tương đối so với rotor một

tốc độ góc –ωr, vậy để thu được phương trình điện áp rotor trên hệ tọa độ α β ta phải

thay ωe= -ωr vào phương trình (1.2.15) ta được:

e r e

r

dt

d I

Tập hợp các phương trình ta được:

dt

d I R

s s

e r e r

dt

d I

r m s s

s =L I +L I

Từ phương trình (1.2.19) và (1.2.20) ta được:

s m

e r r

e r r

m e s s

e

L

L I

L dt

dI L I R

U

e r r m

e s s

e s s

T T

L I

e r r

r

e r r

m e r

ψω

ψ − ++

m

L L

R

L

T = : hằng số thời gian của rotor

Từ phương trình (1.2.23a) và (1.2.24a), ta có:

e s s

e r r r r

m s

e s r r

m s s s

e

L

j T L

L L

I T L

L L L

R dt

dI

σψωσ

σσ

1 1

−

e r r r

e s r m

e

T

I T

L dt

β α

β α

ψψ

ψe r r

r

s s s

e

s

s s

e

s

j

ju u U U

jI I I

β α

β β

β α

α α

β σ β α

β β

α σ β α

α α

ψψ

ωψ

ψωψψ

ψσ

σψ

ωσ

σσ

σσ

ψωσ

σψ

σ

σσ

σσ

r r r r s r

m r

r r r r

s r

m r

s r

m r r

r m

s r s s

s r

r m

r m r

s r s s

T

I T

L dt

d

T

I T

L dt

d

u L L

T L

I T T dt

dI

u L L

L T

I T T dt

dI

11

11

11

1

11

11

1

−+

−+

3 2 4

5 4 3 1

3

4 5

3 2

2

5 4 3

1 1

11

11

11

1

11

11

1

x T x Px x T

L

x

x Px x T

x T

L

x

u L

x L T x Px L

x T T x

u L x Px L

x L T

x T T x

r r

m

r r

m

s m

r m

r s

s m

m r r

s

−+

−+

α σ

σ

σσ

σσ

σσ

σ

σσ

σσ

σσ

(1.2.26)

Trong đó:

r r s s

x

x

I x

I x

β α β α

4 5

3 2 4

5 4 3 1

3

4 5

3 2

2

5 4 3

1 1

1

1

x T x Px x T

L

x

x Px x T

x T

L

x

u x T

K x Kpx x

x

u x Kpx x

T

K x x

r r

m

r r

m

s r

s r

−+

−

−

=

++

αγ

m s r r

L

L p L

L I p

i L

L J

p dt

s r s r r

i dt

s r s

Từ phương trình (1.2.18) và (1.2.24) ta có phương trình tổng quát của động cơ

trong hệ tọa độ α β:

( )

J

M x x x x x

x T x Px x T

L

x

x Px x T

x T

L

x

u x T

K x Kpx x

x

u x Kpx x

T

K x x

L

r r

m

r r

m

s r

s r

−

−

=

−+

−

−

=

++

+

−

=

4 1 3 2 5

4 5

3 2 4

5 4 3 1

3

4 5

3 2

2

5 4 3

1 1

11

μ

αγ

αγ

β α

e s m

e

r

e r m

e s s

e

s

I L I L

I L I L

Áp dụng công thức (1.1.9) vào phương trình (1.2.25), ta chuyển hệ phương trình

động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ quay dq như sau:

e rq r

e rd e

e sq r m

e

rq

e rq e

e rd r

e sd r m

e

dr

e sq

e rq m r

e rd m

e sd e

e sq r s

e

sq

e sd

e rd m

e rd m r

e sq e

e sd r s

e

sd

T P

I T

L dt

d

P T

I T

L dt

d

u L L

T

P L I

I T T dt

dI

u L

P L L

T I I

T T dt

dI

ψψ

ωωψ

ψωωψψ

ψσ

σωψ

σ

σω

σ

σσ

ωψσ

σψ

σ

σω

σ

σσ

σ σ

1)

(

)(

1

11

11

1

11

11

1

−

−+

−++

1.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ BẰNG MATLAB

1.3.1 Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh Stator

Từ phương trình (1.2.25) ta xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

trong hệ tọa độ tĩnh Stator

Hình 1.3.1 Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh Stator

1.3.2 Xây dựng bộ chuyển trục tọa độ abc Æ αβ và αβ Æ abc

Hình 1.3.2: Khối chuyển trục αβ Æ abc

Hình 1.3.3: Khối chuyển trục abc Æ αβ

1.3.3 Mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha

Kết quả mô phỏng :

Hình 1.3.4: Dòng điện I a , I b , I c

Hình 1.3.5: Moment và tốc độ

Hình 1.3.6: Từ thông rotor

Nhận xét :

- Thời gian quá độ của động cơ là 0.23s

- Dòng điện quá độ gấp 6 lần dòng điện định mức

- Quá trình quá độ của tốc độ không có sự vọt lố

- Từ thông dao động lớn trong quá trình quá độ

Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

2.1 GIỚI THIỆUCHUNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN:

Điều khiển động cơ không đồng bộ phức tạp hơn nhiều so với động cơ DC, đặt

biệt khi cần đạt được đặt tính động và độ chính xác cao Điều đó có thể được giải thích

bằng tính phức tạp của mô hình toán học của động cơ không đồng bộ và bộ biến đổi

công suất cấp nguồn cho các động cơ này

Để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, đã có nhiều phương pháp cổ điển

và hiện đại được áp dụng như:

• Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ dựa theo nguyên lý

định hướng trường như đã trình bày trong tài liệu [2]

• Lý thuyết điều khiển phi tuyến được phát triển trong[4,12]

• Trong [1] dùng phương pháp điểu khiển trượt và ước lượng trạng thái

trượt để xây dựng bộ điều khiển cho động cơ không đồng bộ Khảo sát tính bền vững cảu hệ thống điều khiển dùng phương pháp trượt đối với sai số của mô hình và nhiễu đo lường

• [6] sử dụng phương pháp điều khiển dựa vào tính thụ động để điều khiền

động cơ không đồng bộ Tác giả đã cho thấy hệ thống điều khiển có chất lượng danh định tốt và có khả năng bám bám bền vững moment và tốc độ đặt trên toàn bộ thang tốc độ

• [21] ứng dụng mạng nơron để ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ

được huấn luyện trực tiếp sử dụng giải thuật lan truyền ngược Tốc độ ước lượng được sử dụng hồi tiếp về bộ điều khiển tốc độ Bộ ước lượng dùng mạng nơron có chất lượng tốt ở các trạng thái xác lập và quá độ

2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC) [19]

Nguyên lý điều khiển định hướng tựa theo vectơ từ thông dựa trên phương pháp

phân tích phi tuyến được sử dụng trong các hệ thống phi tuyến Bản chất của phương

pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0 Như vậy mô hình

toán học sẽ trở nên đơn giản hơn vì có thể loại bớt một số biến trong mô hình tổng

quát Nguyên lý định hướng tựa trường xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ

thông và moment

Mô hình toán học Nếu Φe = 0

qr thì:

e qs

e dr r

m r

i T

L R

e

R

Sơ đồ khối của động cơ không đồng bộ định hướng trường như sau:

Hình 2.2.1 : Sơ đồ khối của động cơ không đồng bộ hướng tựa trường

Điều khiển định hướng tựa trường có thể theo hai phương pháp :

K

M

e qr

i

e dr

Φ

G(p)

e dr

i

- Phương pháp điều khiển trực tiếp: sử dụng cảm biến để đo trực tiếp từ

thông động cơ

- Phương pháp điều khiển gián tiếp: dựa trên việc đo vị trí rotor

a Sơ đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor

Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ được trình bày như

hình 2.2.2

Hình 2.2.2: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển

Hệ thống định hướng tựa theo vectơ từ thông tạo ra các tín hiệu dòng stator đặt

ở ngõ ra i as* ,i bs* ,i cs* dựa trên tín hiệu ngõ vào là từ thông rotor và moment động cơ Bộ

nghịch lưu có nhiệm vụ cung cấp dòng stator i as,i bs,i cs theo các giá trị dòng yêu cầu

Như trình bày trên hình 2.2.1, động cơ không đồng bộ được điều khiển định

hướng theo vectơ từ thông, các thành phần dòng e

Bộ nghịch lưu

Tín hiệu hồi tiếp

iβ sang i as* ,i bs*,i cs* sử dụng phép biến đổi αβ →abc và

để chuyển đổi tín hiệu *

→ Tuy nhiên trở ngại ở phép chuyển trục dq →αβ là các giá trị của thành phần

ωt Vấn đề là hệ trục tọa độ quay dq được định nghĩa quay cùng vận tốc góc với các đại

lượng vectơ của động cơ nhưng chưa có giả thiết về sự đồng bộ của hệ trục tọa độ này

với các đại lượng các vectơ đã được đề cập Vì thế một đại lượng vectơ sẽ được chọn

làm chuẩn để định vị hệ trục tọa độ quay dq theo vectơ này Đây là bản chất của

phương pháp điều khiển định hướng hệ trục tọa độ quay tựa theo vectơ chuẩn

Trên thực tế có nhiều phương án để thực hiện kỹ thuật điều khiển định hướng

tựa trường (từ thông) tùy theo vectơ nào được chọn làm chuẩn Trong phương pháp

tiếp cận cổ điển, vectơ thường được chọn làm chuẩn là vectơ từ thông rotor s

r

Φ và hệ trục tọa độ quay dq sẽ được định vị theo vectơ này Sơ đồ điều khiển vectơ trong

trường hợp này được gọi là sơ đồ định hướng tựa theo vectơ từ thông rotor

Vị trí góc của vectơ từ thông rotor s

r

Φ trong hệ tọa độ tĩnh αβ được định nghĩa

là θr Phép biến hình dq →αβ được viết lại là :

sincos

s qs

s ds r r

r r

s s

s s

i

i i

i

θθ

θθ

β α

Từ thông rotor sẽ được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh thành phần e

ds

i của vectơ dòng stator một cách độc lập so với điều khiển moment thông qua quá trình hiệu chỉnh

Φ ) Điều này có thể thực hiện một cách trực tiếp hoặc gián tiếp

b Sơ đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor trực tiếp

Hình 2.2.3 Sơ đồ khối điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor trực tiếp

Trong sơ đồ điều khiển vectơ trực tiếp, biên độ và vị trí góc của vectơ từ thông

chuẩn được đo hoặc ước tính từ các giá trị của điện áp và dòng stator thông qua các bộ

phận qua sát từ thông Bằng cách đặt các cảm biến hiệu ứng Hall vào trong các khe hở

không khí của động cơ ở trục α và β , có thể xác định các thành phần tương ứng của

vectơ từ thông khe hở không khí s

s m m

Φ

= + Φ

=

s

s m m lr

s m

s r lr

s m

s

L L i

s

s m m

lr s s lr

s m m

L

L i L L

L

− Φ

=

− Φ

s s lr

s m m

r s

L

L

α α

α = Φ −

s s lr

s m m

r s

L

L

β β

β = Φ −

- Biên độ và góc pha :

r r

s r

s

α + Φ ⇒ Φ ∠ Φ

Khâu tính toán moment theo các bước sau:

- Phép biến hình abc→αβ được dùng để chuyển dòng stator

e s

e s cs bs

i , , → α , β

- Góc θ lấy từ ngõ ra khâu tính toán từ thông rotor r

- Biên độ Фr của từ thông rotor được tính từ khâu tính toán từ thông rotor

c Sơ đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông gián tiếp

Hình 2.2.4 Sơ đồ khối điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor gián tiếp

Trong phương pháp điều khiển trực tiếp, góc θ của vectơ từ thông rotor được r

đo trực tiếp nhờ sử dụng cảm biến Hall đo từ khe hở không khí Ngược lại, trong

phương pháp điều khiển gián tiếp, góc θ được tính toán dựa trên vận tốc trượt r *

sl

ω và thông tin về vận tốc động cơ ω

e rd r

e

L

Vì hệ tọa độ dq quay với tốc độ đồng bộ nên từ phương trình (1.2.18) ta được

phương trình điện áp rotor trong hệ tọa độ dq

0)

rd sl

e r

Từ phương trình (2.2.9) và (2.2.10) ta có thể suy ra

e s m sl

r

e

Φ [1 ( ω )] (2.2.11) Phần thực và phần ảo của phương trình t(2.2.11) là:

e sq m sl r

e dr

e sd m r

e dr

i L T

i L p T

=Φ

=+Φ

ω

]1[

(2.2.12) Vậy tốc độ ω được tính như sau: sl

e r r

e sq m sl

T

i L

Từ đây ta có thể xác định được góc θr để tính toán và điều khiển động cơ

Hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ có từ thông và moment được

điều khiển kiểu vòng hở và không có các mạch vòng hồi tiếp để hiệu chỉnh các giá trị

này Vì thế, đặc tính của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào việc xác định chính xác các

thông số của động cơ Ưu điểm của hệ thống này là có thể sử dụng cho các loại động

cơ thường gặp với vị trí của rotor có thể dễ dàng đo được bằng cảm biến gắn bên ngoài

Phương pháp điều khiển vectơ cho động cơ không đồng bộ theo nguyên lý định

hướng theo vectơ từ thông thường tập trung vào ba vấn đề chính sau:

• Các khả năng định vị hệ trục tọa độ quay

• Việc khử bỏ các cảm biến đo trực tiếp thay bằng các hệ quan sát, nhận

dạng gián tiếp, đặc biệt là đối với từ thông và vận tốc

• Các sơ đồ điều khiển thích nghi, gồm xác định trong các thông số động

cơ và hiệu chỉnh hệ thống điều khiển

2.2.1 Ưu điểm:

- Đáp ứng moment nhanh

- Điều khiển chính xác vận tốc

- Đảm bảo moment ở vận tốc zero

- Tương tự điều khiển động cơ DC

2.2.2 Nhược điểm:

- Phải có hồi tiếp tốc độ trong sơ đồ điều khiển

- Chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục

- Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng và tham số

động cơ

2.3 ĐIỀU KHIỂN MOMENT TRỰC TIẾP (DTC)

Dựa trên sai số giữa các giá trị đặt và giá trị ược lượng từ các khâu tính toán hồi

tiếp về của các moment và từ thông, có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ

nghịch lưu thông qua các tín hiệu điều khiển đóng cắt khóa công suất nhằm mục đích

giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép định trước

Hình 2.3.1 Sơ đồ khối điều khiển moment trực tiếp

Mạch được vận hành như sau: tín hiệu từ ngõ ra của động cơ qua khâu ước

lượng từ thông và moment hồi tiếp về để so sánh với các giá trị đặt Sai số giữa từ

thông và từ thông hồi tiếp được đưa vào khâu so sánh trể hai bậc, còn sai số của

moment hồi tiếp và moment đặt được đưa vào khâu so sánh trễ ba bậc

Dựa trên giá trị dấu sai số biên độ của vectơ từ thông stator va moment, giá trị

tương đối và vị trí của vectơ từ thông stator thuộc một trong các góc một phần sáu của

một chu kỳ, vectơ không gian của bộ nghịch lưu thích hợp sẽ được xuất ra trong một

khoảng thời gian trung bình nào đó

Về thực chất, sai số moment có thể khử đi bằng cách gia tốc hoặc giảm tốc từ

thông stator Để giảm sai số từ thông, quỹ đạo từ thông phải được điều khiển theo các

vectơ không gian điện áp thích hợp để tăng hay giảm biên độ từ thông này

Khi yêu cầu tăng biên độ từ thông, vectơ điện áp cần được chọn sao cho góc

dịch pha giữa nó với vectơ từ thông hiện có phải lớn hơn 900 Ngược lại nếu yêu cầu

giảm biên độ từ thông, góc dịch pha này phải nhỏ hơn 900

Tổng hợp các điều kiện về khử sai số moment và từ thông kể trên và xem xét

cho tất cả các trường hợp định vị của các vectơ từ thông stator trong mặt phẳng αβ ,

người ta tổng hợp được bảng tham chiếu theo quy luật chọn vectơ không gian điện áp

của bộ nghịch lưu từ đó suy ra quy luật điều khiển đóng cắt các khóa bán dẫn của bộ

nghịch lưu

Thời gian duy trì của mỗi vectơ điện áp sẽ do độ nhạy của khâu so sánh trễ

quyết định, hoặc nếu thời gian duy trì vectơ điện áp là không đổi thì tần số đóng cắt

khóa sẽ không đổi

2.3.1 Ưu điểm:

- Định hướng được từ thông, do đó tối ưu hóa được moment

- Điều khiển trực tiếp moment và từ thông

- Không cần hồi tiếp tốc độ, từ thông và moment mà lấy từ bộ quan sát

- Không cần các bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu

chuyển đổi hệ tọa độ

- Có tính động cao

- Thời gian tính toán nhanh

- Ít phụ thuộc vào tham số động cơ

2.3.2 Nhược điểm:

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

- Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu thường biền thiên theo điểm làm việc của

động cơ

- Độ ồn cao ở vận tốc thấp

- Không có khả năng điều khiển dòng trực tiếp

- Độ nhấp nhô dòng điện và moment khá lớn

2.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

THEO PHƯƠNG PHÁP DTC VÀ FOC

2.4.1 Kết quả mô phỏng theo phương pháp DTC.

Hình 2.4.1: Sơ đồ mô phỏng theo phương pháp DTC

Kết quả mô phỏng:

Hình 2.4.3: Dòng điện Ia, Ib, Ic

Nhận xét:

- Dòng điện quá độ lớn, cao gấp 8 lần so với dòng xác lập

- Từ thông đáp ứng rất nhanh và ổn định

- Đáp ứng tốc độ nhanh nhưng sai số xác lập lớn

2.4.2 Kết quả mô phỏng theo phương pháp FOC.

- Moment quán tính: J = 0.00126 kgm2

- Moment tải : ML = 3.5Nm

- Từ thông đặt : Φref = 1Wb

- Vận tốc đặt: ωref = 1395vòng/phút

Sơ đồ mô phỏng động cơ theo phương pháp FOC

Hình 2.4.4: Sơ đồ mô phỏng theo phương pháp FOC

Hình 2.4.6: Sơ đồ mô phỏng theo phương pháp FOC

Nhận xét:

- Dòng điện quá độ lớn, cao gấp 10 lần so với dòng xác lập

- Độ vột lố của từ thông lớn

- Đáp ứng tốc độ chậm

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT

3.1 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

Đối tượng điều khiển : Xét hệ thống phi tuyến biểu diễn bởi phương trình vi

x

x x

Trong đó a a a0, , , ,1 2 a n−2 là các hệ số được chọn trước sao cho đa thức đặc

trưng của phương trình vi phân sau Hurwitz (có tất cả các nghiệm với phần thực âm)

Khi đó nếu S = 0thì sai lệch e→ 0khi t→ 0

Thay (2.1.4) và (2.1.2) vào (2.1.5), ta được

Phương trình S = 0 xác định một mặt cong trong không gian n chiều gọi là mặt

trượt (sliding surface) Vấn đề : xác định luật điều khiển u để đưa các quỹ đạo pha của

hệ thống về mặt trượt và duy trì trên mặt trượt một cách bền vững đối với các biến

1

2 0 3

1 )

1 (

2 x r a x r a x r ksign S a

x f x g

Tính bền vững của luật điều khiển : Trong điều kiện có sai số mô hình, luật

điều khiển (3.1.10) luôn đưa được quỹ đạo pha của hệ thống về mặt trượt S = 0 nếu

điều kiện sau được thỏa mản

- S không phụ thuộc tường minh vào u nhưng S phụ thuộc tường minh vào u

(bậc tương đối = 1)

- Phương trình vi phân (3.1.6) Hurwitz (để nghiệm e → 0khi t→0)

Hiện tượng dao động (chattering) : Trong thực tế các khâu chấp hành trong hệ

thống điều khiển luôn có thời gian trể Hệ quả là tín hiệu điều khiển u không thể thay

đổi giá trị một cách tức thời khi quỹ đạo pha vừa chạm mặt trượt để đảm bảo điều kiện

nếu S =0 thì S =0 Kết quả là quỹ đạo pha sẽ vượt qua mặt trượt một đoạn và sẽ

quay về mặt trượt sau đó khi u thay đổi giá trị theo (3.1.10) Quá trình được lặp lại và

kết quả là quỹ đạo pha dao động quanh mặt trượt Hiện tượng nầy, được gọi là hiện

tượng chattering Nó gây ra các hiệu ứng không mong muốn như:

- phát sinh sai số điều khiển

- làm phát nóng mạch điện tử

- mài mòn các bộ phận cơ khí

- kích động các mode tần số cao không mô hình hóa làm giảm chất lượng điều

khiển hoặc làm hệ thống mất ổn định

Để khắc phục hiện tượng chattering ta có thể

- Giảm biên độ của u bằng cách giảm hệ số α trong (3.1.10) Tuy nhiên điều nầy

làm giảm tính bền vững của hệ thống điều khiển đối với sai số của mô hình

- Thay hàm signum bởi hàm sat

)

(S

ksat

S =−

3.2 ĐIỀU KHIỂN TỪ THÔNG VÀ MOMENT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT

3.2.1 Định nghĩa các mặt trượt

Từ phương trình (1.2.33) ta viết lại mô hình toán học của động cơ: