Nghiên cứu bộ điều khiển dòng điện deadbeat trích mẫu cao cho hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Trần Trọng Minh giao cho nghiên cứu đề tài: “NGHIÊN CỬU BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN DEADBEAT TRÍCH MẪU CAO CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU” Luận văn này đã nêu rõ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Trọng Minh

HÀ NỘI, 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Trần Trọng Minh

HÀ NỘI, 2020

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Trần Quang Huy

Đề tài luận văn: Nghiên cứu bộ điều khiển dòng điện deadbeat trích

mẫu cao cho hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Chuyên ngành: Ngành Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa

Mã số SV: CA180214

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 30/10/2020 với các nội dung sau:

+ Sửa lại các hình vẽ còn chưa chuẩn trong chương 2

+ Trình bày lại một số hình vẽ trong chương 3

+ Định dạng lại văn bản, công thức, bảng biểu chuẩn theo mẫu

+ Soát lại các lỗi chính tả

Ngày tháng năm 2020

PGS.TS Trần Trọng Minh Trần Quang Huy

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên,em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình tới các thầy

PGS.TS Trần Trọng Minh, thầy Lê Nam Dương đã luôn tận tình hướng dẫn và

giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn Xin cảm ơn các bạn sinh viên đã đồng hành cùng để em hoàn thành luận văn này

Em cũng xin được trân trọng cảm ơn tới Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học và các thầy cô trong viện Điện Đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức chuyên môn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội để em có thể hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Tác giả

Trần Quang Huy

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THÔNG ROTOR CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 1 1.1 Khái quát cấu trúc của hệ truyền động điện động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu tựa từ thông rotor 1

1.2 Cấu trúc phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor – FOC 2

1.3 Vai trò của bộ điều khiển dòng Stator 3

1.4 Các phương pháp điều khiển bộ điều khiển dòng stator 3

Các phương pháp điều khiển tuyến tính 3

Các phương pháp điều khiển phi tuyến 4

1.5Điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu 3 pha 4

Khái niệm vector không gian 5

Phương pháp điều chế vector không gian 6

1.6Xây dựng mô hình liên tục ĐCĐB-KTVC 11

1.7 Kết luận 13

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG STATOR THEO NGUYÊN LÝ OVERSAMPLING – DEADBEAT 14

2.1Thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC 14

2.2Thiết kế khâu quan sát nhiễu loạn cho bộ điều khiển dự báo 17

2.2.1 Vấn đề với sai lệch mô hình 17

2.2.2 Các phương pháp trích mẫu tín hiệu truyền thống 20

2.3Khái quát bộ điều khiển Oversampling – Deadbeat 22

2.4Thiết kế bộ điều khiển tốc độ 27

2.5Kết Luận 29

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 30

3.1Mô hình toán học động cơ 30

3.2Mô phỏng mạch vòng kín dòng điện với mô hình toán học động cơ 31

3.2.1 Thông số mô hình chính xác 31

Sai lệch thông số mô hình 33

Nhận xét và đánh giá kết quả 34

3.3Mô phỏng với mô hình vật lý động cơ và mạch lực 34

Mô phỏng với thông số mô hình chính xác 36

Mô phỏng với sai lệch thông số mô hình kèm khâu quan sát nhiễu loạn 37

Nhận xét và đánh giá kết quả mô phỏng 38

3.4Mô phỏng đánh giá phương pháp mới oversampling 38

So sánh trong trường hợp không có sai lệch mô hình 41

So sánh trường hợp sai lệch mô hình 41

Nhận xét và đánh giá kết quả 42

3.5Mô phỏng với mạch vòng ngoài tốc độ 44

3.6Hướng phát triển của đồ án trong tương lai 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Cấu trúc tựa từ thông rotor FOC trên hệ tọa độ 𝒅𝒒 cho động cơ đồng

bộ 2

Hình 1 2 Sơ đồ mạch nghịch lưu nuôi động cơ 4

Hình 1 3 Quỹ đạo vector không gian trên mặt phẳng tọa độ 6

Hình 1 4 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh 𝜶𝜷 7

Hình 1 5 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời 𝒖𝒔𝒂, 𝒖𝒔𝒃, 𝒖𝒔𝒄 8

Hình 1.6 Nguyên tắc điều chế vector điện áp 9

Hình 1.7 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 10

Hình 2.0: Sơ đồ mạch vòng dòng điện 17

Hình 2.1 Đáp ứng hệ thống khi xuất hiện sai lệch mô hình 18

Hình 2.2 Sơ đồ mạch vòng dòng điện khi có khâu quan sát nhiễu loạn 19

Hình 2.3 Đáp ứng hệ thống khi có bộ quan sát nhiễu loạn 20

Hình 2.4 Trích mẫu single edge 20

Hình 2.5 Trích mẫu single edge với BĐK deadbeat 21

Hình 2.6 Trích mẫu double edge 21

Hình 2.7 Dạng điện áp và dòng điện qua khâu PWM 23

Hình 2.8 Sóng mang và chu kỳ mẫu cho oversampling 24

Hình 2.9 Sơ đồ mạch vòng kín dòng điện theo oversampling 27

Hình 2.10 Cấu trúc FOC với mạch vòng ngoài điều khiển tốc độ 27

Hình 2.11 Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ 28

Hình 3.1 Mô hình liên tục động cơ được xây dựng trên Matlab/Simulink 30

Hình 3.2 Mô hình mạch vòng dòng điện trên Simulink 31

Hình 3.3 Bộ điều khiển dòng được xây dựng trên Simulink 31

Hình 3.4 Mô hình động cơ 32

Hình 3.5 Đáp ứng dòng 𝑖𝑞với thông số mô hình chính xác 32

Hình 3.6 Đáp ứng 𝑖𝑠𝑞 với sai lệch thông số mô hình 33

Hình 3.7 Đáp ứng 𝑖𝑠𝑞 với sai lệch mô hình có quan sát nhiễu 33

Hình 3.8 Cấu trúc FOC được xây dựng trên Matlab 34

Hình 3.9 Khối chuyển hệ tọa độ dq/αβ 35

Hình 3.10 Điều chế vector không gian SVM 35

Hình 3.11 Mạch nghịch lưu và nguồn 1 chiều nuôi động cơ 35

Hình 3.12 Đáp ứng dòng isq trong cấu trúc FOC 36

Hình 3.13 Dòng 3 pha chảy trên động cơ 36

Hình 3.14 Tín hiệu SVM-Điện áp dây Uab 37

Hình 3.15 Đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑞− 𝑖𝑠𝑑 với sai lệch mô hình 37

Hình 3.16 Đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑞− 𝑖𝑠𝑑 với khâu quan sát nhiễu 38

Hình 3.17 Tính toán Ts(i) 39

Hình 3.18 kết quả mô phỏng giá trị i và Ts(i) 39

Hình 3.19 Bộ điều khiển dòng cập nhật theo Tsi 40

Hình 3.20 So sánh hai phương pháp trong trường hợp mô hình chính xác 41

Hình 3.21 So sánh hai phương pháp trong trường hợp sai lệch mô hình 41

Hình 3.22 So sánh hệ số điều chế trong 2 trường hợp 42

Hình 3.23 SVM khi có bộ lọc và không có bộ lọc 44

Hình 3.24 Đáp ứng tốc độ và giá trị đặt 45

Hình 3.25 Kết quả phóng to ở chế độ xác lập 45

Hình 3.26 Đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑞 46

Hình 3.27 Phóng to đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑞 46

Hình 3.28 Đáp ứng dòng 𝑖𝑠𝑑 47

Hình 3.29 Dòng 3 pha trên động cơ 47

Hình 3.30 Điện áp đầu ra bộ điều khiển 48

Hình 3.31 Tín hiệu SVM 48

Hình 3.32 Tín hiệu SVM (phóng to) 49

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1: Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn 7

Bảng 1 2: Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector 9

Bảng 1 3: Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1 10

Bảng 1 4: Hệ số điều chế cho nhóm van của mạch nghịch lưu 11

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

ĐCMC-KTĐL Động cơ một chiều kích từ độc lập

ĐCĐB-KTVC Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

MỞ ĐẦU

Trong thời đại nền công nghiệp hiện nay, động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp vì nó có những đặc điểm vượt trội như hiệu suất, cos cao, tốc độ ít phụ thuộc vào điện áp Tuy nhiên việc điều khiển động cơ đồng

bộ còn phức tạp do tính phi tuyến mạnh, do vậy làm cho việc ứng dụng động

cơ đồng bộ vào thực tế khó khăn Các hệ thống truyền động điện đang sử dụng rất nhiều

hệ truyền động động cơ đồng bộ và một trong số đó là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Những hệ thống truyền động điện này yêu cầu về điều khiển cần một cách nhanh chóng và chính xác Một trong những nguyên lý được sử dụng rộng rãi trong hệ truyền động này là nguyên lý tựa từ thông rotor Vòng điều khiển quan trọng nhất theo nguyên

lý này là mạch vòng dòng điện Để cho một đáp ứng nhanh chóng và chính xác, người

ta thường sử dụng bộ điều khiển deadbeat Tuy nhiên bộ điều khiển này có một nhược điểm đó là phụ thuộc rất nhiều vào tham số mô hình động cơ cũng như cấu trúc phần

cứng Vì thế, để nghiên cứu vấn đề này em được thầy PGS TS Trần Trọng Minh giao cho nghiên cứu đề tài: “NGHIÊN CỬU BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN DEADBEAT TRÍCH MẪU CAO CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU”

Luận văn này đã nêu rõ được tổng quan và mô hình hóa với đối tượng nghiên cứu là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Trình bày phương án thiết kế bộ điều khiển deadbeat và nêu lên được ưu nhược điểm của bộ điều khiển này Giới thiệu về phương pháp oversampling và cách thiết kế khâu quan sát nhiễu loạn để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển deadbeat với sai lệch tham số mô hình nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hệ truyền động động cơ điện đồng bộ

Trong khi đó động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn dây 3 pha phân bố đối xứng và rotor gắn nam châm vĩnh cửu để tạo từ trường khe

hở Việc loại bỏ được mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho động cơ ĐB-KTVC như giảm tổn hao đồng, mật độ công suất cao hơn, giảm mô-men quán tính của động cơ, cấu tạo rotor bền vững về mặt cơ khí hơn Động cơ ĐB-KTVC đang được sử dụng rất rộng rãi và ngày càng nhiều hơn trong công nghiệp Tuy nhiên ta nhận thấy cấu tạo ĐCĐB-KTVC có hệ thống cuộn dây và nguồn cấp điện ba pha có cấu tạo khá phức tạp, nên gây khó khăn trong việc mô

tả toán học thể hiện điều khiển độc lập theo hai thành phần dòng điện đó là một dòng điện tạo từ thông và một dòng điện tạo momen quay như ĐCMC-KTĐL Vì vậy để điều khiển tốc độ động cơ này thường áp dụng phương pháp điều khiển tựa

từ thông rotor (Field Oriented Control - FOC) Phương pháp FOC có đặc điểm là

tạo ra một công cụ cho phép tách các thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo momen quay từ dòng điện xoay chiều 3 pha chảy trong cuộn dây stator của động

cơ Nhận thấy hệ truyền động điều khiển theo phương pháp tựa từ thông rotor

chính là hệ hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển cách ly các thành phần dòng

kể trên nhờ mạch vòng điều chỉnh dòng stator Thông qua hàm mục tiêu dòng stator ta có thể đặt ra tính năng cần đạt được của đối tượng sau khi có tác động điều chỉnh nhanh, chính xác và tách kênh dòng tạo momen, (dẫn đến momen sẽ

được áp đặt nhanh và chính xác) trên trục động cơ Phương thức điều khiển tựa từ thông rotor thuộc lớp các phương pháp điều khiển vector đối với máy điện [1]

1.2 Cấu trúc phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor – FOC

Với động cơ điện 1 chiều có 2 mạch điện hoàn toàn cách ly nên ta có thể điều khiển riêng biệt 2 thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo momen một cách dễ dàng Tuy nhiên với hệ thống cuộn dây và nguồn cấp điện 3 pha, động cơ đồng bộ

có cấu trúc phức tạp và gây khó khăn đáng kể cho việc mô tả toán học đặc điểm cách ly nói trên Vì thế, mục đích của phương pháp FOC chính là để tách các thành phần dòng tạo từ thông vào dòng tạo momen quay từ dòng điện xoay chiều 3 pha chạy trong cuộn dây stator của động cơ Từ đó ta có thể dễ dàng điều khiển như với động cơ một chiều với các tiêu chí “nhanh, chính xác và không tương tác” Cấu trúc phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor như hình 1.1

0

M 3~

E

RI

αβ dq

3 2

αβ dq

u v w 3

2 1

4 5

Hình 1 1 Cấu trúc tựa từ thông rotor FOC trên hệ tọa độ 𝑑𝑞 cho động cơ đồng bộ

Trong hình 1.1 có các khối như sau:

 Khối 1: Khối điều khiển dòng điện Đây là khối quan trọng, tại đây dòng

điện sẽ được khử tương tác, áp đặt nhanh 2 thành phần d và q, là 2 thành

phần tạo từ thông và momen, ở trong trường hợp động cơ đồng bộ thì dòng

isd =0 (do từ trường có sẵn của từ thông cực 𝜓𝑝)

 Khối 2: Chuyển đổi hệ tọa độ dq sang 𝛼𝛽

 Khối 3: Khối điều chế vector không gian, đây là khối tính ra hệ số điều chế

từ đó phát xung ra mạch nghịch lưu

 Khối 4,5: Các khối chuyển hệ tọa độ

 Khối 6: Khối xác định góc 𝜗𝑠

 Khối 7: Khối điều khiển tốc độ, tạo giá trị dòng đặt 𝑖𝑠𝑞∗

1.3 Vai trò của bộ điều khiển dòng Stator

Theo tài liệu [1] ta có:

Nếu bộ điều khiển dòng stator (kết hợp với nghịch lưu nguồn áp) đã được

thiết kế đảm bảo cấp vector dòng đáp ứng đầy đủ ba yêu cầu “nhanh - chính xác -

không tương tác” thì ta có thể coi ĐCĐB-KTVC được nuôi bởi một nghịch lưu

nguồn dòng, bảo đảm cung cấp hai thành phần dòng i sd và i sq theo yêu cầu của hệ

thống Khi ấy hai quá trình từ hóa và tạo momen quay trong dải tốc độ định mức

của động cơ có thể được mô tả ngắn gọn như sau

Với: i m Dòng từ hóa

J Momen quán tính

m W Momen cản (phụ tải)

𝐿𝑠𝑑 Điện cảm stator đo tại vị trí đỉnh cực

Hai phương trình trên đã chỉ ra rất rõ ràng rằng hai thành phần dòng 𝑖𝑠𝑑 và 𝑖𝑠𝑞chính

là hai biến vào, được sử dụng để điều khiển quá trình từ hóa và tạo chuyển động

(điều khiển tốc độ quay 𝜔) một cách dễ dàng [1]

1.4 Các phương pháp điều khiển bộ điều khiển dòng stator

Theo mục tiêu thiết kế bộ điều khiển dòng đảm bảo nhanh - chính xác - tách

kênh - độ bền vững cao có thể áp dụng phương pháp điều khiển tuyến tính và phi

tuyến Các phương pháp điều khiển này có đặc điểm như sau:

Các phương pháp điều khiển tuyến tính

Các phương pháp tuyến tính có thể kể đến đó là các phương pháp sử dụng là

bộ điều khiển PI Bộ điều khiển này có ưu điểm thiết kế đơn giản, ít phụ thuộc vào

tham số động cơ và đáp ứng nhanh Tuy nhiên bộ điều khiển PI có nhược điểm là

chỉ đạt hiệu quả tốt nhất ở quanh điểm làm việc cân bằng mà khi thiết kế lựa chọn

Như vậy, khi hệ truyền động tại vùng làm việc rộng, chế độ động khắc nghiệt (tải

thay đổi mạnh hoặc có dạng xung) thì chắc chắn đáp ứng động học và chất lượng

truyền động điện sẽ bị suy giảm

Bộ điều khiển Deadbeat truyền thống hay còn gọi là bộ điều khiển bù thì luôn

ưu tiên hàng đầu tốc độ đáp ứng hữu hạn (FRT) Bộ điều khiển Deadbeat truyền

thống có đặc điểm dẫn dắt biến ra theo một quỹ đạo thời gian do người thiết kế xác định, sao cho giá trị thực đuổi kịp và bám giá trị đặt sau một lượng hữu hạn N chu

kỳ trích mẫu Phương pháp này không phù hợp với đối tượng chậm bởi vì hàm truyền đạt của hệ kín 𝐺𝑊(𝑧−1) được chọn phụ thuộc hoàn toàn vào dạng quỹ đạo của biến ra, nghĩa là độc lập với hàm truyền đối tượng 𝐺𝑆(𝑧−1) nên có thể xảy ra trường hợp trong bộ điều khiển 𝐺𝑅(𝑧−1) có thành phần 𝐺𝑊(𝑧−1)/[1 − 𝐺𝑊(𝑧−1)] không bù được chính xác các điểm cực hoặc điểm không của 𝐺𝑆(𝑧−1) Tuy nhiên,

vì đối tượng dòng stator là đối tượng có quán tính nhỏ (điểm cực gần gốc tọa độ) nên bộ điều khiển Deadbeat truyền thống vẫn được áp dụng trong nghiên cứu

Các phương pháp điều khiển phi tuyến

Theo tài liệu [7], phương pháp có thể kể đến là phương pháp tuyến tính hóa chính xác sử dụng phản hồi trạng thái để chuyển hệ phương trình dòng điện phi tuyến sang quan hệ tuyến tính vào ra, từ đó có thể áp dụng các bộ điều chỉnh tuyến tính thông thường Phương pháp này phải đo lường đầy đủ các trạng thái cần thiết, loại bỏ chính xác thành phần phi tuyến và thiết kế bộ điều khiển riêng rẽ cho mức

từ thông rotor Nếu phép đo không chính xác, sẽ có thể dẫn đến vấn đề mất tính bền vững Để có được đáp ứng như mong muốn còn phụ thuộc vào tần số trích mẫu và thường sử dụng tần số trích mẫu nhỏ do đó đòi hỏi về kỹ thuật điều khiển

số phải nhanh Tuy nhiên ngày nay với sự phát triển về lý thuyết điều khiển và kỹ thuật điều khiển số, phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác (TTHCX) được cải thiện ít phụ thuộc vào tham số động cơ, kết cấu cơ khí trục nối, momen cản, đáp ứng chất lượng truyền động

1.5 Điều chế vector không gian cho bộ nghịch lưu 3 pha

Hình 1 2 Sơ đồ mạch nghịch lưu nuôi động cơ

Trong cấu trúc hệ thống truyền động điện xoay chiều 3 pha, khâu điều khiển

nghịch lưu là khâu trung gian giữa bộ điều khiển dòng stator và nghịch lưu Xét về

phương diện thiết bị thì khâu giữ vai trò giao diện giữa phần cứng và mạch nghịch

lưu Xét về mặt cấu trúc, khâu giữ vai trò giao diện là khâu truyền đạt 1/1, nghĩa

là đại lượng đầu ra đảm bảo trung thành với đầu vào cả về module, tần số và pha

Xét về chức năng, khâu giữ vai trò một khâu biến đổi số - tương tự và có nhiệm vụ

chuyển các chuỗi điện áp do bộ điều khiển dòng thành điện áp xoay chiều 3 pha

Khái niệm vector không gian

Trong hệ thống điện áp 3 pha 3 dây thông thường, các giá trị điện áp (dòng

điện) được biểu diễn bởi các giá trị tức thời (𝑥𝑎, 𝑥𝑏, 𝑥𝑐) Bằng phép chuyển tọa độ

Clarke đưa hệ thống 3 pha từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ 𝛼𝛽, ta hoàn toàn có khả

năng biểu diễn hệ 3 pha như 1 vector duy nhất với biên độ xác định và quay gốc

tọa độ

𝒙 =2

3(𝑥𝑎 + 𝛼𝑥𝑏+ 𝛼2𝑥𝑐) (1.3) Trong đó: 𝛼 = 𝑒𝑗2𝜋3 = −1

2+ 𝑗√3

2 (1.4) Với 𝑥𝑎, 𝑥𝑏, 𝑥𝑐 có thể là điện áp, dòng điện, từ thông 3 pha

Vector điện áp u được biểu diễn trên hệ tọa độ tĩnh 𝛼𝛽 thông qua 2 thành

phần tương ứng theo công thức:

𝑢 = 𝑢𝛼+ 𝑗𝑢𝛽

(1.5) Với:

tọa độ tại tâm hệ trục hệ tọa độ, độ lớn xác định bằng 𝑈𝑚 = √(𝑢𝛼 + 𝑢𝛽)2 và quay

xung quanh gốc tọa độ với vận tốc góc 𝜔 = 𝜃̇ (với 𝜃 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛(𝑢𝛽

𝑢 𝛼)) Cách biểu diễn này được gọi là 1 vector không gian

Với hệ 3 pha cân bằng và đối xứng thì các điện áp pha có biên độ bằng nhau

và góc lệch tương ứng 2𝜋/3

𝑢 = 𝑢𝑚𝑒𝑗(𝜔𝑡)

(1.7) Khi đó vector không gian sẽ có độ lớn bằng 𝑈𝑚 và quay quanh gốc tọa độ

với vận tốc góc bằng 𝜔 Trong trường hợp tổng quát với hệ 3 pha đối xứng (có thể

cân bằng hoặc không cân bằng) vector không gian điện áp 3 pha có thể biểu diễn bởi 2 thành phần thuận và nghịch

𝑢 = 𝑢𝑝 + 𝑢𝑛 (1.8)

Trong đó: {𝑢𝑝 = 𝑈𝑝

𝑚∠𝜃𝑝

𝑢𝑛 = 𝑈𝑛𝑚∠𝜃𝑛 (1.9) Thành phần thuận 𝑢𝑝 được coi như thành phần cơ bản của hệ, và quay cùng chiều với hệ khi trong trạng thái cân bằng Thành phần nghịch 𝑢𝑛 là thành phần bổ sung vào hệ, có chiều quay ngược lại với thành phần thuận, là tác nhân gây ra tính chất mất cân bằng của hệ

Trong hệ thống điện áp 3 pha có dạng sine và cân bằng, thì quỹ đạo của vector

không gian u là một đường tròn, có bán kính bằng với biên độ điện áp pha |𝑢| =

𝑈𝑚 Còn nếu điện áp của hệ sine mất cân bằng, thì quỹ đạo vector u vẽ nên có dạng

elip, đường bán kính dài có độ lớn bằng biên độ thành phần thứ tự thuận |𝑢𝑝| =

𝑈𝑝𝑚, đường bán kính ngắn có độ lớn bằng hiệu biên độ thành phần thứ tự thuận và nghịch |𝑢𝑝| − |𝑢𝑛| = 𝑈𝑝𝑚− 𝑈𝑛𝑚.Điều này được thể hiện trong hình dưới đây:

p

u

p t

u u



Quỹ đạo sine cân bằng Quỹ đạo sine mất cân bằng

Hình 1 3 Quỹ đạo vector không gian trên mặt phẳng tọa độ

Phương pháp điều chế vector không gian

Ta có hình 1.2 thể hiện sơ đồ một bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha với 3 cặp van bán dẫn IGBT Ứng với 3 cặp van như hình trên ta có 8 trạng thái logic hay 8 vector điện áp chuẩn Trong đó có 2 tổ hợp đặc biệt có module bằng 0 (|𝑢0| = |𝑢7| = 0)

Hình 1 4 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh 𝛼𝛽

Vị trí vector điện áp 𝒖̱𝒔 có thể nằm bất kỳ trong các sector trên hệ tọa độ tĩnh

𝛼𝛽 Các bước thực hiện phương pháp điều chế vector không gian:

Bước 1: Xác định trạng thái (vector chuẩn) của mạch nghịch lưu

Bảng 1 1: Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn

3

Nguyên tắc thực hiện điều chế vector không gian: Vector điện áp đặt sẽ được tổng hợp từ các vector điện áp đã biết của mạch nghịch lưu Ta sẽ lần lượt thực hiện các bước sau:

- Tính toán thời gian thực hiện cả vector chuẩn bao gồm cả thời gian thực hiện vector không và vector tích cực trong một chu kì điều chế

- Xác định trình tự thực hiện các vector chuẩn khi vector điện áp đặt nằm trong các sector khác nhau

- Xuất ra thời gian đóng cắt cho các nhánh van mạch nghịch lưu

Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt 𝑢̱𝑠

Sử dụng phương pháp đại số để xác định vị trí vector điện áp đặt 𝑢̱𝑠

Hình 1 5 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời 𝑢𝑠𝑎, 𝑢𝑠𝑏, 𝑢𝑠𝑐

Bước 3: Tính toán thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện hai vector chuẩn

trong mỗi chu kỳ điều chế 𝑇𝑠

Vector điện áp đặt 𝑢̱𝑠sẽ được tổng hợp từ hai vector biên trong khoảng thời gian 𝑇1, 𝑇2 Thời gian còn lại (𝑇𝑠− 𝑇1− 𝑇2) thực hiện vector không

2 y

s

T u T

Hình 1.6 Nguyên tắc điều chế vector điện áp

Do |𝑢̱0| = |𝑢̱7| = 0 nên 𝑢̱𝑠 = 𝑑1𝑢̱𝑥+ 𝑑2𝑢̱𝑦 với 𝑑1 =𝑇1

𝑇𝑠; 𝑑2 =𝑇2

𝑇𝑠 Hệ số điều chế 𝑑1, 𝑑2 được xác định như sau:

Hệ số 𝑑0 điều chế vector không xác định 𝑑0 = 1 − 𝑑1− 𝑑2

Bảng 1 2: Bảng tổng hợp ma trận trong mỗi sector

1 3

√3)

−1

= 1𝑈𝑑𝑐(

3

2 −

√3 2

−13

131

−32

√3232

√3

2 )Sector 3

Sector 4

𝑨𝑛𝑚= 1

𝑈𝑑𝑐(

−1

2 3

√3 2 )

−

3

2 −

√3 2 3

2 3

1 3

√3 2

0 −√3

)

Bước 4: Tính toán thời gian thực hiện (hoặc hệ số điều chế) thực hiện nhánh

van nghịch lưu trong mỗi chu kì 𝑇𝑠

Để tổn hao do đóng cắt các van, thì trong một chu kì các cặp van phải chuyển mạch ít nhất

Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1:

Bảng 1.3: Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1

Tương tự xét trong các sector còn lại, ta có kết quả:

Bảng 1 4: Hệ số điều chế cho nhóm van của mạch nghịch lưu

Sector Thời gian đóng/cắt Sector Thời gian đóng/cắt

1.6 Xây dựng mô hình liên tục ĐCĐB-KTVC

Theo tài liệu [1] Dựa vào phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor (FOC)

ta có mô hình toán học của động cơ ĐCĐB-KTVC được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc phân phối các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, các mạch từ móc vòng ta phải chấp nhận một loạt các điều kiện sau đây trong

mô hình hóa ĐCĐB- KTVC [1]

- Nguồn cấp cho động cơ đối xứng ba pha

- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng trong không gian

- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể được bỏ qua

- 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 được coi là không đổi

Theo tài liệu [1] vector điện áp stator usđược xác định như sau:

f s

Trong đó Rs,s s: lần lượt là điện trở stator và từ thông stator

Quan hệ giữa từ thông rotor và từ thông stator được mô tả như sau:

Trong (1.12) p f là vector từ thông cực Vì trục d của hệ tọa độ trùng với trục

của từ thông cực, thành phần vuông góc của p f sẽ bằng không Ta thu được:

m  P    i  i i L  L   (1.17) Theo (1.17) momen quay của động cơ đồng bộ bao gồm 2 thành phần: thành phần chính p sqi và thành phần phản kháng cho chênh lệch ( Lsd  Lsq) Khi xây dựng hệ thống điều khiển kiểu FOC sử dụng động cơ đồng bộ ta sẽ phải điều khiển vector dòng stator is sao cho vector dòng đứng vuông góc với từ thông cực, do đó không có thành phần dòng từ hóa mà chỉ có thành phần dòng tạo momen quay Vậy isd bằng không và ta thu được phương trình momen như sau:

3 2

1.7 Kết luận

Trong chương 1 đã trình bày được các nội dung như sau:

- Phương pháp điều khiển FOC cho ĐCĐB-KTVC, động cơ này được điều khiển như ĐCMC-KTĐL

- Tập trung khái quát các phương pháp điều khiển cho mạch vòng dòng stator như phương pháp tuyến tính (PI, deadbeat truyền thống), phương pháp điều khiển phi tuyến tuyến tính hóa chính xác (TTHCX)

- Đưa ra phương pháp điều chế vector không gian phục vụ quá trình mô hình hóa và mô phỏng sau này

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG STATOR THEO

NGUYÊN LÝ OVERSAMPLING – DEADBEAT

2.1 Thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC

Từ hệ phương trình (1.19), theo [3] để điều khiển dòng điện tại thời điểm lấy mẫu 𝑡𝑖, hàm mục tiêu được chọn làm tổng sai số bình phương giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu dự đoán:

Bằng cách thay thế (2.4) thành (2.1), hàm mục tiêu 𝐽 bây giờ chứa các biến được đo lường tại thời điểm lấy mẫu 𝑡𝑖 và các biến được thao tác 𝑣𝑑(𝑡𝑖) và

10

c i q s

Sau đó ta kết hợp (2.8) với (2.6), hàm mục tiêu (2.7) có biểu thức thu gọn

Tối ưu hóa 𝐽 trở thành một bài toán tối thiểu hóa bình phương nhỏ nhất Định nghĩa

vectơ 𝑢𝑑𝑞(𝑡𝑖) = [𝑣𝑑(𝑡𝑖) 𝑣𝑞(𝑡𝑖)]𝑇, từ đạo hàm bậc nhất của hàm mục tiêu 𝐽:

Để xác định xem điểm cực trị này có phải là cực tiểu hay không, đạo hàm cấp hai

được tính như sau

 

2

2 2

d T

là điều kiện đủ để đảm bảo nghiệm của (2.11) là cực tiểu của hàm mục tiêu 𝐽 Từ (2.11), ta tìm được vectơ tín hiệu điều khiển 𝑢𝑑𝑞(𝑡𝑖) = [𝑣𝑑(𝑡𝑖)𝑢𝑞(𝑡𝑖)]𝑇mà tối thiểu hóa hàm mục tiêu J là:

L t

Phương trình (2.14) là tín hiệu điều khiển đảm bảo Deadbeat

Từ công thức (2.6) và (2.14) ta có sơ đồ mạch vòng dòng điện

Hình 2.0: Sơ đồ mạch vòng dòng điện

2.2 Thiết kế khâu quan sát nhiễu loạn cho bộ điều khiển dự báo

2.2.1 Vấn đề với sai lệch mô hình

Như ở mục 2.1 đã trình bày rõ ràng về thiết kế bộ điều khiển deadbeat cũng như đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều khiển Tuy nhiên, cùng với đáp ứng nhanh và chính xác thì deadbeat lại phụ thuộc rất lớn vào thông số của mô hình động cơ Điều này dẫn đến việc hệ thống chạy sai nếu xuất hiện sai lệch mô hình

Nguyên nhân của nhiễu thì rất nhiều nhưng ở đây chúng ta sẽ quan tâm đến nhiễu do sai lệch mô hình gây nên Sai lệch mô hình xảy ra do rất nhiều yếu tố:

 Xác định thông số động cơ bị sai: để thiết kế bộ điều khiển chúng ta phải xác định thông số của động cơ có thể tính toán từ nhãn máy hoặc dùng phép

đo để xác định các thông số điện từ Điều này dẫn đến có sự sai lệch nhất định (sai lệch từ kết quả phép đo, thông số ban đầu)

 Thông số thay đổi trong quá trình hoạt động: đây là điều hết sức bình thường, vì có rất nhiều yếu tố tác động đến quá trình hoạt động bình thường của động cơ dẫn đến những thông số điện từ bên trong như R Ls, scó thể thay đổi Điều này cũng dẫn đến hệ thống sẽ hoạt động không tốt nếu bộ điều khiển không thể xử lý

Từ đó việc xử lý sai lệch mô hình trước khi đưa vào bộ điều khiển là hoàn toàn cần thiết

Hình 2.1 Đáp ứng hệ thống khi xuất hiện sai lệch mô hình a) Thiết kế khâu quan sát nhiễu loạn

Đầu tiên ta xem xét mô hình trạng thái tổng quát:

Ngoài ra ta cần thêm một khâu lọc thông thấp với mục đích loại bỏ những nhiễu

có tần số cao, còn lại những nhiễu loạn có tần số mà bộ điều khiển có thể hoạt động

( )k LPF B x k( 1) Ax k( ) u k( )

Trong phương trình (2.17) xuất hiện đại lượng x k  ( 1)là đại lượng chưa biết, tuy nhiên với điều kiện là tần số trích mẫu rất lớn ta có thể giải quyết vấn đề này bằng cách áp dụng phương pháp one-step-delay tức là:

( )k (k 1) LPF B x k( ) Ax k( 1) u k( 1)

Khi đó nhiễu loạn tại thời điểm thứ k sẽ được tính xấp xỉ tại thời điểm thứ k-1

Điều này là dễ dàng vì nhận thấy trong phương trình (2.19) thì x k ( ),x k  ( 1),

toán học sai lệch mô hình động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu:

( ) ( 1) k ( k k k k k )

d k  d k   LPF i   i    u   D  (2.21)

Bộ điều khiển

Mô hình động cơ

Quan sát nhiễu

1 z

1 z

1

dq k