Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng phương pháp thụ động tựa theo từ thông rotor

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng phương pháp thụ động tựa theo từ thông rotor Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng phương pháp thụ động tựa theo từ thông rotor luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguy ễn Giao Linh

NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU

S Ử DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỤ ĐỘNG TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR

Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa

1

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT……… 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……… 5

MỞ ĐẦU……… 7

CHƯƠNG 1 NGUYÊN LÝ THỤ ĐỘNG……… 9

1.1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động……… 9

1.1.1 Đối tượng thụ động ……… 9

1.1.2 Đặc điểm tiêu tán và thụ động ……… 9

1.1.3 Hệ Euler-Lagrange và mô tả hệ thụ động ……… 10

1.1.3.1 Phương trình Euler- Lagarang ……… 10

1.1.3.2 Đặc điểm thụ động của hệ Euler-Lagarang ……… 11

1.1.3.3 Khả năng phân tích hệ EL thành hai hệ con ……… 13

1.1.3.4 Đặc điểm bảo toàn hệ EL khi nối hai hệ con với nhau…… 15

1.1.3.5 Đặc điểm thụ động của hệ kín ……… 16

1.1.3.6 Phân loại Euler-Lagarange……… 18

1.1.3.7 Đặc tính ổn định hệ Euler-Lagarange……… 19

1.1.4 Phương pháp thiết kế tựa theo đặc điểm thụ động……… 20

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN……… 22

2.1 Véc tơ không gian và hệ tọa độ từ thông ……… 22

2.2 ĐCĐB kích thích vĩnh cửu(PMSM) ……… 25

2.3 Mô tả toán học của PMSM trên hệ tọa độ từ thông dq……… 26

2

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

VÀ THIẾT KẾ HÀM ĐIỀU KHIỂN CHO PMSM

3.3.3 Thiết kế hàm điều khiển cho ĐCĐB ……… 36

Tài liệu tham khảo ……… 66

 óc lệch giữa hai hệ tọa độ  và dq

J Mô-men quán tính của rotor

,

m m Mô-men điện từ do động cơ tạo ra và mô-men tải

Chỉ số trên bên phải, chỉ vector biểu diễn trên hệ tọa độ dq

 Dấu đặt bên trên, chỉ đại lượng ước lượng được, hoặc tính toán được

SISO Hệ một vào – một ra (Single Input – Single Output)

MIMO Hệ nhiều vào – nhiều ra (Multiple Input – Multiple Output)

PI Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân (Proportional – Integral)

FOC Điều khiển tựa theo từ thông rotor (Field-Oriented Control) CLF Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function)

GAS Ổn định tiệm cận toàn cục (Globally Asymptotically Stable) GUAS Ổn định tiệm cận đều toàn cục (Globally Uniformly

Asymptotically Stable)

3.4 Phân tích mô hình PMSM thành 2 hệ con nối phản

3.5 Bộ điều khiển tốc độ vòng ngoài 38 3.6 Cấu trúc bộ điều khiển tốc độ của PMSM 39 3.7 Bộ điều khiển tốc độ PI vòng ngoài 44 4.1 Mô hình toán học của PMSM trên hệ tọa độ dq 45

6

4.8 Sóng hài cơ bản đặt vào động cơ 49 4.9 Sơ đồ bộ điều khiển dòng trên hệ tọa độ dq 50 4.10 Sơ đồ mô phỏng vòng điều chỉnh dòng 51 4.11 Đáp ứng quá độ của các thành phần dòng stator 51

7

MỞ ĐẦU

Trong nhiều năm, các hệ truyền động điện trong công nghiệp thường sử dụng ĐCMC, do ĐCMC có đặc điểm cách ly tự nhiên của các dòng điện tạo mô-men (dòng mạch điện phần ứng) và dòng điện tạo từ thông (dòng mạch điện kích từ), cho phép dễ dàng tạo ra được chất lượng động học mong muốn Nhưng nhược điểm lớn của ĐCMC là cấu tạo chổi than – cổ góp, và chổi than s bị mòn sau thời gian làm việc, cũng như s xảy ra hiện tượng đánh lửa

Gần đây, các hệ truyền động xoay chiều đang thay thế dần các hệ truyền động một chiều nhờ có các ưu thế vượt trội so với hệ truyền động truyền thống này như giá thành hạ, chí phí vận hành bảo dưỡng thấp hơn, độ tin cậy cao hơn, nhỏ gọn hơn…Trong đó, động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM) đang dần chiếm một tỉ trọng lớn trong các hệ truyền động xoay chiều cũng như các ứng dụng dân dụng khác Hình sau đây mô

tả cấu trúc điều khiển kinh điển của động cơ PMSM:

*

sq i

sd i sq i

s

is

i

su i sv i sw i

s

us

u

u t v t w t

Điều chế vector

Bộ điều khiển dòng

Bộ điều khiển tốc độ

định, ta áp dụng phương pháp suy giảm từ thông, cụ thể là ta s bơm vào trục d

một dòng điện mang dấu âm với độ lớn phụ thuộc vào tốc độ quay iá trị đặt *

sd

i

khi đó s do một khâu suy giảm từ thông tính toán ra Bộ điều khiển dòng có

8

nhiệm vụ tính toán ra các thành phần điện áp u , sd u , sao cho đưa được các thành sq

phần dòng i , sd i bám theo các giá trị đặt là sq i và sd* i Do các thành phần dòng sq*

và áp trên hai trục d , q có tương tác với nhau nên bộ điều khiển dòng được đòi

hỏi phải là một khâu điều chỉnh nhiều chiều iải pháp từng một thời được sử dụng rất rộng rãi là sử dụng bộ điều khiển dòng gồm hai khâu điều chỉnh PI, kết hợp với các thành phần bù tương tác chéo [2]

Tuy nhiên, thực tiễn đã chứng minh, giải pháp kể trên chỉ đảm bảo hoạt động tốt ở dải tốc độ danh định dải tốc độ trên danh định (vùng suy giảm từ thông), khi mà điện áp (biến điều khiển) và hoặc dòng điện (biến trạng thái) đi vào giới hạn, thì cấu trúc kinh điển bộc lộ nhiều nhược điểm Ngoài ra, các bộ điều khiển

PI trong cấu trúc kinh điển rất nhạy cảm với sự thay đổi tham số và nhiễu tải Do những hạn chế đó, một giải pháp điều khiển phi tuyến được k vọng là s phù

hợp hơn với bản chất phi tuyến bilinear của động cơ 2 và kh c phục được

những nhược điểm còn tồn tại

Có nhiều phương pháp điều khiển phi tuyến được đề xuất và cho kết quả khả quan như : phương pháp Backstepping, phương pháp tuyến tính hóa chính xác, phương pháp hệ phẳng, phương pháp tựa theo thụ động Tuy ý tưởng thiết

kế của các phương pháp khác nhau nhưng đều xuất phát từ mô hình phi tuyến của động cơ

Trong phạm vi đồ án này, em đã tìm hiểu phương pháp tựa theo đặc điểm thụ động (Passivity-Based Controller Design) và vận dụng phương pháp để thiết

kế cấu trúc điều khiển đối tượng Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM), xem xét triển vọng của hướng nghiên cứu này

Mặt khác, một hệ thụ động không thể chứa nhiều năng lượng hơn mức mà nó được cung cấp từ bên ngoài Phần chênh lệch chính là năng lượng tiêu tán Như vậy theo quan điểm ổn định vào – ra thì hệ thụ động là ổn định bởi vì năng lượng nội tại của hệ là không thể lớn hơn năng lượng do nguồn ngoài cung cấp

1.1.2 Đặc điểm tiêu tán và thụ động

Tiêu tán là một đặc điểm cơ bản của các hệ thống vật lý, có liên quan mật thiết với sự thất thoát hay tiêu hao năng lượng Lần đầu tiên được nh c đến bởi Willems trong tài liệu 1 như một thuộc tính căn bản trong các thuộc tính đã biết

rõ của hệ thụ động

Ví dụ tiêu biểu của các hệ thống tiêu tán là các mạch điện, trong các hệ đó phần năng lượng điện từ được tiêu hao thành nhiệt trên các điện trở Trong các hệ thống cơ lực ma sát cũng đóng một vai trò tương tự như điện trở Để định nghĩa về mặt toán học thuộc tính tiêu tán, chúng ta cần biết hai hàm sau: hàm mức cấp

(supply rate function), là tốc độ mà năng lượng chảy vào hệ thống; và hàm chứa (storage function), là hàm đo mức năng lượng chứa bên trong hệ thống Các hàm này liên hệ qua sự thăng giáng tiêu tán (the dissipation inequality), là các trạng thái

mà trong suốt cả các quỹ đạo thời gian (time trajectories) của một hệ tiêu tán, tốc

độ cấp không nhỏ hơn tốc độ tăng lên của hàm chứa (the suply rate is not less than its increase in storage) Điều này diễn giải một thực tế r ng một hệ tiêu tán không

thể chứa nhiều năng lượng hơn năng lượng nó được cung cấp từ bên ngoài, với phần chênh lệch trở thành năng lượng tiêu hao

10

1.1.3 Hệ Euler-Lagrange và mô tả hệ thụ động

Hệ Euler – Lagrange là hệ mà động học của nó được mô tả b ng hệ phương trình Euler – Lagrange B ng các chứng minh về mặt toán học và xuất phát từ hàm tiêu tán chúng ta có thể thấy hệ Euler-Lagrange là một hệ có tính thụ động Mỗi một

hệ EL được đặc trưng bởi một hàm lưu trữ tổng năng lượng

Động học của hệ thống có n bậc tự do có thể được mô tả bởi phương trình EL:

11

Lực tác động lên hệ thống Q

Có 3 loại lực khác nhau tác động lên hệ thống:

- Lực tác động điều khiển: Mu với M là ma trận h ng ( ma trận điều khiển) và u là vector các tín hiệu điều khiển

- Lực tác động tương ứng với sự tiêu tán năng lượng (dissipation force)

1.1.3.2 Đặc điểm thụ động của hệ Euler – Lagrange

Từ các định nghĩa trên, ta s xem xét chứng minh hệ EL là hệ thụ động Thật vậy, lấy đạo hàm theo thời gian đối với hàm Lagrange ta được:

(1.6)

Từ (1.1) ta có: , thay vào phương trình trên:

12

Thay Q từ (1.2) và sau vài phép biến đổi ta có:

(1.7)

là hàm tổng năng lượng của hệ thống Do đó lấy tích phân trong khoảng thời gian 0,T ta được phương trình cân b ng năng lượng sau:

(1.8)

Do và nên với mọi x Mặt khác, theo tính chất của hàm tiêu tán: nên ta có:

Vậy theo định nghĩa, hệ EL là hệ thụ động

Cũng từ phương trình trên ta có một số nhận xét sau:

- Sự chênh lệch giữa năng lượng hệ thống với năng lượng do nguồn bên ngoài cung cấp cho hệ thống chính là năng lượng tiêu thụ

- Nếu u = 0 thì năng lượng của hệ không tăng, hệ ổn định tại trạng thái cân

b ng “tầm thường”

- Hệ s vẫn ổn định nếu đầu ra y = 0 Trong hệ tuyến tính hệ thống được

gọi là pha cực tiểu, tức là hệ ổn định Lyapunov

Tín hiệu suy giảm có thể được phun trực tiếp vào hệ thống một cách dễ dàng qua các trạng thái được tác động trực tiếp bởi tín hiệu điều khiển nếu như các trạng thái đó có thể đo được

13

1.1.3.3 Khả năng phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động con

iả thiết r ng hàm Lagrange L x x ( , ) có thể phân tích thành dạng:

L y

L d

15

Đặt e

c e

L y x

 

 ta có

T

T e

Mục tiêu khi thiết kế bộ điều khiển PBC là làm cho hệ ổn định b ng cách thay đổi năng lượng của hệ thống và năng lượng tiêu thụ sao cho hệ kín vẫn xác định một quan hệ thụ động với hàm lưu giữ năng lượng mong muốn Như vậy khi l p bộ điều khiển vào hệ thống thì hệ kín vẫn phải là hệ thụ động và vì vậy vẫn giữ nguyên các đặc điểm của hệ EL Do đó yêu cầu khi thiết kế bộ điều khiển PBC là hệ kín vẫn phải là một hệ EL và hàm lưu giữ năng lượng cũng như hàm tiêu thụ mới s là tổng của các hàm tương ứng của đối tượng và bộ điều khiển

17

pháp điều khiển PBC là làm cho hệ kín vẫn là một hệ thụ động Do đó động học của hệ kín được mô tả b ng phương trình sai số phải được xác định một quan hệ thụ động Theo 1 thì với phương pháp PBC động học của hệ kín được đưa về dạng:

( ) ( , ) d( , ) 0 (1.15)

D x e C x x K x x e

Trong đó e là sai số, K d( , )x x K d T( , )x x 0 là ma trận suy giảm

(damping injection matrix) và C x x( , )là ma trận được xác định bởi D x ( )theo phương trình:

D x C x x C x x

Việc đưa động học hệ kín như dựa trên chứng minh r ng, với hệ thống ∑e

có động học được mô tả bởi phương trình:

D x e C x x K x x e

thì s xác định một quan hệ thụ động bị chăn đầu ra ∑e:  e Vậy e

s bị chặn khi  0với tốc độ hội tụ về 0 phụ thuộc vào việc chọn ma trận ( , )

18

( ) 1

( )

2

ik ijk

Với việc đặt các phần tử của ma trận C có dạng như trên thì phương trình

EL có thể được viết dưới dạng như sau:

hệ s có dạng tuyến tính, như phương trình (1.15)

1.1.3.6 Phân loại hệ Euler – Lagrange

Dựa vào số tác động điều khiển, hệ EL được phân làm hai loại:

- Hệ đủ cơ cấu chấp hành (fully actuated): Một hệ EL được gọi là đủ

cơ cấu chấp hành nếu như số bậc tự do của hệ b ng số tác động đầu vào, nghĩa là số tác động đầu vào đúng b ng số biến trạng thái của hệ, hay n = nu

và B = I

- Hệ hụt cơ cấu chấp hành (underactuated): Một hệ EL gọi là hụt cơ

cấu chấp hành nếu như số tác động đầu vào nhỏ hơn số biến trạng thái của hệ

nu < n Với hệ này, các biến trạng thái được chia thành biến trạng thái được

tác động trực tiếp Bx (actuated) và biến trạng thái được tác động gián tiếp

Bx (non-actuated), với B là ma trận trực giao của ma trận B

Dựa vào đặc điểm của hàm tiêu tán người ta còn phân hệ thành hệ suy giảm toàn phần và hệ suy giảm riêng (fully-damped and underdamped system) Hệ EL gọi là suy giảm toàn phần nếu như hàm tiêu thụ thỏa mãn:

2 1

( ) n T

i i i

19

Với i  0  i  1 n Và nếu như tồn tại i sao cho αi = 0 thì hệ được gọi

là suy giảm riêng

Hầu hết trường hợp trong thực tế hàm tiêu thụ thường có dạng toàn phương sau:

1( )2

T f

F x  x R x

Với là ma trận đương chéo, xác định dương nếu hệ suy giảm toàn phần, không âm nếu hệ suy giảm riêng

1.1.3.7 Đặc tính ổn định hệ Euler – Lagrange

a Hệ suy giảm toàn phần

Để đơn giản ta xét hệ thống không có tác động đầu vào

Xét một hệ EL có hàm thế năng P(x) thỏa mãn điều kiện: P(x) xác định dương và có điểm cực tiểu x * , x * là nghiệm của phương trình:

( )0

P x x



Thì điểm cân bằng của hệ thống sẽ là *

( , )x x ( , 0)x và điểm cân bằng này sẽ ổn định nếu như x *

là nghiệm duy nhất

Phát biểu này đã được chứng minh trong 1

b Hệ suy giảm riêng

Đối với hệ EL không có đặc điểm suy giảm toàn phần thì sự ổn định tiệm cận của hệ thống vẫn được đảm bảo nếu như ma trận D(x) là ma trận

đường chéo Xét hệ suy giảm riêng với vector trang thái x, ta có thể chia vector trạng thái x thành hai vector trạng thái sau: ( T, T T)

c p

x x x Trong đó x c được gọi là vector trạng thái suy giảm (damped) và x p là vector trạng thái

không suy giảm (undamped) đây chỉ số c và p là kí hiệu cho bộ điều

khiển và đối tượng điều khiển tương ứng Sở dĩ ta chia được như vậy là do



 thìxc cũng là h ng

1.1.4 Phương pháp thiết kế tựa theo đặc điểm thụ động

Điều khiển tựa theo thụ động (Passivity Based Control) là thuật điều khiển

mà nguyên lý của nó dựa trên đặc điểm thụ động của hệ với mục tiêu làm cho hệ kín cũng là một hệ thụ động với hàm lưu giữ năng lượng mong muốn

PBC có thể được xem như là sự mở rộng của hai kỹ thuật là chọn hàm năng

lượng (Energy Shaping) và ‘phun’ tín hiệu suy giảm (Damping Injection) Đó cũng

là hai thủ tục thiết kế (procedure design) cho PBC

- Enerrgy shaping là quá trình thay đổi thế năng của hệ thống sao cho

hàm thế năng mới là nhỏ nhất và là duy nhất tại điểm cân b ng Thực chất là quá trình thiết lập một quan hệ thụ động giữa đầu vào và đầu ra cần điều khiển để đạt được hàm lưu giữ năng lượng mong muốn Hàm này bao gồm động năng ban đầu và thế năng mong muốn của hệ thống

- Damping Injection là giai đoạn làm thay đổi năng lượng tiêu thụ của

hệ để đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ thống Thực chất là quá trình củng cố thêm đặc điểm thụ động đối với đầu ra

Ngoài sự kế thừa các kỹ thuật trên thì khi thiết kế PBC cần phải bổ sung thêm những nhận thức quan trọng sau và có thể xem đó là những nguyên t c khi thiết kế PBC

- Khi trạng thái của hệ thống không có khả năng đo thì tín hiệu suy giảm cần được phun vào hệ thống thông qua việc mở rộng động học của hệ

Vì hầu hết trong các trường hợp động năng có tham gia vào việc xây dựng bộ điều khiển nên nó cũng phải được thay đổi Như đã nói ở trên, nguyên lý điều khiển PBC gán cho hệ một hàm lưu giữ năng lượng mong muốn Tuy nhiên hàm này không đơn thuần chỉ là tổng động năng và thế năng mới của hệ thống mà ở đây hàm

s được chọn từ việc phân tích động học sai số của hệ kín thông qua việc chọn hệ số phù hợp đối với lực của hệ thống để có được quan hệ tuyến tính đối với tín hiệu sai lệch

22

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

2.1 Véc tơ không gian và hệ tọa độ từ thông

Một lớp phương pháp điều khiển máy điện xoay chiều ba pha rất quen thuộc

và hiệu quả đó là lớp phương pháp điều khiển vector (vector control) Nền tảng của phương pháp là dựa trên khả năng biểu diễn các đại lượng xoay chiều ba pha dưới dạng các vector không gian Việc chọn hệ tọa độ vuông góc để biểu diễn các vector

này, mà đặc biệt là hệ tọa độ tựa từ thông rotor dq cho ta một cái nhìn trực quan về

mối quan hệ vật lý giữa mô men, từ thông và các thành phần dòng stator, tạo ra khả năng cách ly hai quá trình từ hóa và tạo mô men

Mục này s trình bày nguyên lý của phép biểu diễn vector và các hệ tọa độ thường gặp

Ta đã biết tại một thời điểm bất kì, các thành phần dòng stato tức thời của ĐCXC3P luôn thỏa mãn:

( ) ( ) ( ) 0 (2.1)

Do 3 cuộn dây bố trí lệch pha nhau về điện nên ta có thể mô tả 3 dòng

pha b ng một véc tơ dòng is (t) quay trong không gian với tần số stato như sau:

j b

x e

240

2 3

j c

x e

x a

j b

x e

240

2 3

j c

j b

x e

240

2 3

j c

x e

x a

j b

x e

240

2 3

j c

x e

x

Re Im

Hình 2.1 Xây dựng vector dòng stato từ 3 dòng pha

23

Như vậy hình chiếu của vector dòng stato trên các trục của cuộn dây chính

là 3 dòng pha tương ứng Tương tự ta cũng biểu diễn các đại lượng ba pha khác như điện áp stato, từ thong stato, từ thông roto dưới dạng vector không gian

Với cách biểu diễn vector không gian như trên, thì các đại lượng điện ba pha của động cơ có thể được mô tả bởi một vector 2 chiều trên bất kì một hệ tọa độ vuông góc nào

Có 2 hệ tọa độ quan trọng thường gặp:

 Hệ tọa độ cố định với stato :

Là hệ tọa độ có trục thực trùng với trục pha u của động cơ Các vector

thuộc hệ tọa độ này dược kí hiệu như sau :

s s s s

u i

Các thành phần của các vector trên hai trục là các đại lượng xoay chiều

 Hệ tọa độ tựa từ thong roto dq:

Là hệ tọa dộ có trục thực d trùng với trục của vector từ thông roto của

máy điện không đồng bộ và của vector từ thông cực của máy điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu Hệ tọa độ này quay đồng bộ với các đại lượng điện từ của máy Do vậy, các thành phần của các vector điện từ mô tả trên hệ này đều

là các thành phần một chiều kí hiệu

24

ui

Do thành phần trục q của từ thông roto bị triệt tiêu, nên ta có được một

bức tranh rất tường minh về mối quan hệ vật lý giữa mô men quay, từ thông roto và các thành phần dòng Đây là cơ sở của phương pháp điều khiển tựa từ thông roto (T4R)

sử dụng điện áp lưới để tạo từ thông cho nên hệ số cos cao hơn động cơ không đồng bộ hay động cơ đồng bộ rotor dây quấn Việc không có các dòng điện ở rotor

đã loại bỏ được một phần tổn hao làm cho PMSM có hiệu suất rất cao Thêm nữa, nhờ không có các vành khuyên và các chổi quét như các động cơ đồng bộ kích từ dây quấn nên làm giảm được chi phí bảo trì bảo dưỡng, tăng độ tin cậy Thêm vào

đó là việc tìm ra các vật liệu từ mới có mật độ từ cao, độ nhụt từ nhỏ, khả năng tái nạp từ tốt, đã giúp chế tạo ra được những động cơ PMSM có công suất cao hơn trước So với động cơ không đồng bộ, thì hệ thống điều khiển của PMSM đơn giản hơn, giá thành hạ hơn, độ tin cậy cao hơn

Thực tế, PMSM là đối tượng phi tuyến, các tham số của động cơ thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng của nhiệt độ, của hiện tượng bão hòa từ, của hiệu ứng dãn dòng…và mô men tải là nhiễu không biết trước Do vậy điều chỉnh tốc độ động

cơ trở nên khó khăn và thú vị hơn đối với các nhà điều khiển Việc nâng cao được chất lượng của hệ thống điều khiển đóng vai trò quan trọng bậc nhất trong mở rộng ứng dụng của PMSM

Trước khi xem xét đặc tính điều khiển của PMSM cũng như xây dựng mô hình toán học của nó, chấp nhận một số giả thuyết sau:

- Các tham số của động cơ coi là đã biết

- Mô men tải chưa biết nhưng bị chặn

- Tất cả các phép chuyển hệ tọa độ cho cả hai chiều, kể cả khâu điều chế vector không gian cũng coi là đã biết Tất cả những khối đó là những khâu truyền đạt trung thành cả về mô đun và pha

26

2.3 Mô tả toán học của PMSM trên hệ tọa độ từ thông dq

Ta có các vector điện từ như sau:

i i

   

 

Theo tài liệu [3] ta có:

- Phương trình điện áp stator

Trên hệ thống cuộn dây stator:

dt



R s là điện trở của stator

Chuyển sang hệ tọa độ dq:

Đối với động cơ đồng bộ ω = ωs

- Từ thông stator trên hệ tọa độ dq:

Đây là mô hình trạng thái liên tục của động cơ trên hệ dq

- Phương trình mô men của động cơ:

m  z  i

(2.14)

Với các phương trình (2.11) và (2.13) ta thu được mô hình mô tả đầy đủ

PMSM trên hệ tọa độ dq đồng bộ từ thông Hai phương trình (2.11) và (2.13) có

thể được tập hợp lại thành mô hình trạng thái như sau:

sq sq

L L

L

L L

Mô hình trạng thái của ĐCĐB kích thích vĩnh cửu

Hình 2.3 Mô hình trạng thái dạng phi tuyến yếu của PMSM trên hệ tọa độ dq

29

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ VÀ

THIẾT KẾ HÀM ĐIỀU KHIỂN CHO PMSM

3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển phi tuyến cho PMSM

Các hệ thống điều khiển tựa theo từ thông rotor (T4R) đối với máy điện xoay

chiều thường có cấu trúc nhiều vòng điều chỉnh Vòng trong cùng là vòng điều

chỉnh dòng R I có động học cao nh m mục đích áp đặt mômen quay với tốc độ cao

nhất Vòng ngoài là vòng điều chỉnh tốc độ quay R n

Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển động cơ T 4 R

Hệ thống điều chỉnh tốc độ theo cấu trúc kinh điển trên bao gồm các khối sau:

Khối 1 Khối điều chỉnh dòng stator

Khối 2 Khối chuyển hệ tọa độ dq αβ

Khối 3 Khối điều chế vector không gian SVM

Khối 4 Khối chuyển đổi abc αβ

Khối 5 Khối chuyển hệ tọa độ αβ dq

30

Khối 6 Khối tích phân tính góc quay rotor θ

Khối 7 Bộ điều khiển tốc độ, ở đây là bộ điều khiển PI thông dụng

Khối 8 Khối tạo giá trị đặt dòng isd

Hệ thống chỉ có giá trị đặt duy nhất là tốc độ ωref = ω*

Trong cấu trúc được đề xuất ở hình (3.1), trung gian giữa bộ điều khiển R và

mạch nghịch lưu cũng như khâu đo dòng điện là các khối chuyển đổi tọa độ để thực

hiện các phép biến đổi Clark, biến đổi Park và biến đổi Park đảo; và khối điều chế

vector có nhiệm vụ tính ra các tín hiệu đóng mở các van công suất của khâu nghịch

lưu theo phương pháp điều chế vector không gian

Ngoài ra, ta mong muốn thiết kế được một bộ điều khiển phản hồi trạng thái phi

tuyến cho mô hình PMSM, sao cho đặc điểm phi tuyến cấu trúc và tác động xen

kênh giữa các thành phần dòng ,i sd i được giải quyết một cách hiệu quả iải pháp sq

kinh điển là bổ sung các thành phần bù tương tác chéo và thiết kế các bộ điều khiển

độc lập cho từng thành phần dòng i sd,i iải pháp này đã được thực tiễn chứng sq

minh là không đảm bảo tách kênh được các thành phần dòng ở chế độ động Do đó,

trong cấu trúc điều khiển mới, ta mong muốn thực hiện một bộ điều khiển phi tuyến

nhiều chiều, nh m đem lại chất lượng động học tốt hơn

Từ những phân tích ở trên, ta lựa chọn đề xuất cấu trúc điều khiển nh m làm ổn

định tốc độ cho động cơ PMSM như sau:

31

3.2 Vận dụng phương pháp tìm hàm điều khiển cho PMSM

3.2.1 Khối tạo giá trị đặt dòng isd (Khối 8)

Công thức (2.14) chỉ rõ: Vì từ thông cực là h ng (vĩnh cửu), mô men quay tỉ lệ thuận trực tiếp với thành phần dòng isq Dòng stator chỉ có nhiệm vụ tạo mô men

chứ không có nhiệm vụ tạo từ thông Do vậy, phải điều khiển sao cho vector dòng

stator is vuông góc với vector từ thông cực, tức là is chỉ còn thành phần , thành

phần dòng trong dải tốc độ danh định Tuy nhiên có thể xảy ra trường hợp đặc biệt, đó là khi động cơ hoạt động ở chế độ cần giảm từ thông cực nh m mục đích gia tăng dự trữ điện áp để đưa tốc độ quay vượt lên trên dải tốc độ danh định

Để làm được điều ấy ta bơm vào trục d một dòng mang dấu âm với cường độ phụ

thuộc vào tốc độ quay Ngày nay ta có thể làm được điều này mà không sợ các tác động phụ, tác động khử từ thông vĩnh cửu của động cơ Các nam châm đất hiếm hiện tại gần như không thể bị khử từ thông B ng việc cho trước ta s có thêm khả năng điều khiển tối ưu trạng thái của động cơ (tối ưu về tổn hao, tối ưu mô men hay tận dụng các giới hạn về dòng áp của động cơ cũng như của nghịch lưu)

Hình 3.2 Nguyên lí của khâu tạo giá trị đặt cho dòng

Góc có thể thu thập được hoặc thông qua đo trực tiếp (ví dụ nhờ thiết bị đo góc tuyết đối như resolver ) hoặc nhờ tích phân tốc độ quay khi đã biết giá trị ban đầu của nó

3.2.2 Khối điều chế vector không gian (Khối 3)

0

32

Khối điều chế vector không gian là khối điều khiển nghịch lưu, đây là khâu trung gian giữa khâu điều chỉnh dòng và nghịch lưu Xét về phương diện thiết bị khâu giữ vai trò giao diện giữa phần cứng và mạch nghịch lưu Xét về cấu trúc điều chỉnh khâu giữ vai trò truyền đạt 1 1 cả về modul, pha và tần số Về chức năng khâu giữ vai trò biến đổi số tương tự, có nhiệm vụ chuyển các chuỗi điện áp do khâu điều chỉnh dòng tính ra thành điện áp xoay chiều ba pha

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu

Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nuôi động cơ với ba cuộn dây pha stator u, v, w

như trên Hình 3.3 Chùm xung kích thích được vi xử lý tính toán tạo ra được đưa

vào ba cặp van V u+ /V u- , V v+ /V v- , V w+ /V w- sao cho ba điện áp pha đặt lên động cơ có biên độ, tần số và góc pha đúng như yêu cầu của bộ điều khiển Nguồn nuôi nghịch lưu là nguồn áp UMC

3.2.3 Các khối chuyển đổi:

 Khối chuyển đổi abc αβ (Khối 4)

Khối này thực hiện phép chuyển đổi Clarke (Clarke Transformation), chuyển các dòng pha stator ia, ib, ic thành các thành phần vuông góc isα , isβ trên hệ tọa độ αβ