Điều chỉnh góc quay cho động cơ đồng bộ ba pha nam châm vĩnh cửu ứng dụng điều khiển trượt vị trí

Ngày nay, động cơ đồng bộ ba pha nam châm vĩnh cửu (PMSM) được sử dụng nhiều trong công nghiệp hoặc chế tạo robot. Có rất nhiều phương pháp để điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như sử dụng PID, biến tần…

TNU Journal of Science and Technology 227(08): 87 - 94 ADJUSTABLE ANGLE FOR POSITION SLIDING CONTROL FOR THREE PHASE SYNC MOTORS Le Thi Thu Phuong*, Dang Thi Loan Phuong TNU – University of Information and Communication Technology ARTICLE INFO Received: 17/02/2022 Revised: 20/4/2022 Published: 21/4/2022 KEYWORDS Sliding mode control Synchronous motor Nonlinear system Automatic control Position control ABSTRACT Nowadays, three-phase permanent magnet synchronous motors (PMSM) are widely used in industry or robotics There are a lot of methods to control permanent magnet synchronous motors such as using PID, inventers… Sliding mode control method (SMC) is one of the motor control methods This is a control method with a variable structure in terms of control structure and algorithms It is stable and responsive To apply slip control to a synchronous motor, it is necessary to first determine the algorithm model of the motor We apply the voltage source inverter method with a speed below the rated speed to determine the current control loop circuit power, speed and position The position control method is applied to the permanent magnet three-phase synchronous motor with the controller parameters to be calculated and selected accordingly so that the motor's speed and position are close to the preset speed and position ĐIỀU CHỈNH GÓC QUAY CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA NAM CHÂM VĨNH CỬU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VỊ TRÍ Lê Thị Thu Phương*, Đặng Thị Loan Phượng Trường Đại học Công nghệ thơng tin Truyền thơng - ĐH Thái Ngun THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 17/02/2022 Ngày hoàn thiện: 20/4/2022 Ngày đăng: 21/4/2022 TỪ KHÓA Điều khiển trượt Động đồng Hệ thống phi tuyến Điều khiển tự động Điều khiển vị trí TĨM TẮT Ngày nay, động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu (PMSM) sử dụng nhiều công nghiệp chế tạo robot Có nhiều phương pháp để điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu sử dụng PID, biến tần… Phương pháp điều khiển chế độ trượt (SMC) phương pháp điều khiển động Đây phương pháp điều khiển có cấu trúc biến đổi cấu trúc điều khiển thuật toán Nó có tính ổn định đáp ứng u cầu Để áp dụng điều khiển trượt cho động đồng bộ, trước tiên cần xác định mơ hình thuật toán động Tiếp theo, ta áp dụng phương pháp biến tần nguồn áp với tốc độ tốc độ định mức để xác định mạch vòng điều khiển dịng điện, tốc độ vị trí Cuối áp dụng phương pháp điều khiển vị trí cho động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu với thơng số điều khiển tính tốn lựa chọn cho phù hợp để tốc độ vị trí động sát với tốc độ vị trí đặt trước DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5551 * Corresponding author Email: lttphuong@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 87 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 87 - 94 Giới thiệu Ngày động đồng nam châm vĩnh cửu ngày ứng dụng cao công nghiệp ứng dụng rơbốt có hiệu cao, qn tính thấp mơmen lớn [1] Các ứng dụng quan trọng máy điện đồng công nghiệp bù công suất phản kháng, tạo điện nhà máy điện [2], hệ thống yêu cầu tốc độ không đổi nhà máy cao su, nhà máy dệt, nhà máy xi măng, máy nén khí, máy bơm ly tâm,…Vì vậy, việc điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu vô quan trọng [3] Điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu ba vòng điều chỉnh: dịng điện, tốc độ vị trí Có nhiều phương pháp điều khiển áp dụng sử dụng PID để điều khiển, điều khiển hệ biến tần động cơ… Phương pháp điều khiển trượt phương pháp điều khiển có cấu trúc biến thiên, cấu trúc điều khiển thay đổi với mục đích để ổn định hóa điều khiển cho đáp ứng bền vững [4] Lý thuyết điều khiển dùng điều khiển trượt để điều khiển trạng thái hệ thống phi tuyến bề mặt xác định (bề mặt gọi bề mặt trượt hay bề mặt chuyển mạch) không gian trạng thái [5] Ứng dụng phương pháp điều khiển trượt điều khiển vị trí động đồng nam châm vĩnh cửu giúp động đạt vị trí mong muốn thời gian ngắn Để áp dụng điều khiển trượt cho động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu bề mặt cần xây dựng mơ hình tốn học cho động [6] Đưa điều khiển dòng, tốc độ vị trí qua khâu tính tốn [7], áp dụng Matlab Simulink mô hệ thống quan sát đường đặc tính, đồng thời điều chỉnh thông số điều khiển cho đường đặc tính tốc độ vị trí hệ thống bám sát với đường đặc tính đặt trước [8] Mơ hình tốn học động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu Ngày phát triển công nghiệp mạnh mẽ nên loại động đồng ứng dụng nhiều Các loại động sử dụng có loại có công suất từ vài trăm W đến hàng MW Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động đồng xuất phát từ biểu thức: (1) 2 f s s = pp Với fs tần số tương ứng nguồn, pp số đôi cực tương ứng động đồng 2.1 Sơ đồ thay động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu a) b) Hình Sơ đồ thay pha động đồng http://jst.tnu.edu.vn 88 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 87 - 94 Điện áp stator Vs tạo dịng điện Is từ hóa lõi sắt Từ thông nam châm vĩnh cửu quay sinh sức điện động dây quấn stator Vf Ta dựng sơ đồ thay cho pha hình 1(a) Mạch rotor quy đổi stator dịng điện If’ có tần số ωe hình 1(b), n tỷ số quy đổi giá trị hiệu dụng If’ biên độ dịng chiều If [2] Cơng suất động nhận từ lưới công suất điện từ: Pd = Pdt = 3Vs I qs cos  − I ds sin  (2) ( ) Các thành phần dòng điện chiếu lên trục: Vs cos  − V f   I ds = X ds    I = Vs sin   qs X qs Thế biểu thức (2) vào (3) ta công suất điện từ momen điện từ: VV ( X ds − X qs ) sin 2 Pdt = s f sin  + 3Vs2 X ds X ds X qs M= p p VsV f ( X ds − X qs ) sin 2  sin  + Vs2  2e  X ds X ds X qs   (3) (4) (5) pp   f ( Lds − Lqs ) sin 2  sin  +  s2 Vs (6) 2e  Lds Lds Lqs    Đối với động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu bề mặt có rotor cấu tạo hình trụ trịn xoay với khe hở khơng khí nên Xds=Xqs = 2.2 Mơ hình tốn học động đồng Áp dụng phép biến đổi tuyến tính để mơ tả trình điện từ động hệ toạ độ d-q Với động đồng nam châm vĩnh cửu có số đơi cực một, Lds=Lqs=Ls Vì từ thơng rotor ψPM kích thích nam châm vĩnh cửu nên ta coi vfr số, ta viết phương trình sau (thay vqs, vds uqs, uds điện cảm tản Lσ) Phương trình điện áp: Phương trình từ thơng: d ds  u = R i + − s qs ds s ds  dt  u = R i + d qs +   s qs s ds  qs dt (7)   ds = Lsids + Lmidr + PM    qs = Lsiqs + Lmiqr (8) Giả sử ta điều chỉnh trơn tần số, có nghĩa rotor ln quay đồng với tần số lưới Như dịng điện rotor khơng xuất hiện, phương trình (8) trở thành:  ds = Lsids + PM   qs = Lsiqs (9) Phương trình momen: http://jst.tnu.edu.vn 89 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 87 - 94 pp PMiqs (10) Từ (7) (8), ta có sơ đồ cấu trúc động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu bề mặt hệ tọa độ d, q hình M= Hình Sơ đồ cấu trúc PMSM hệ tọa độ d, q Điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu bề mặt dùng biến tần nguồn áp với tốc độ tốc độ định mức 3.1 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện SPMSM Trong hệ thống truyền động điện mạch vịng dịng điện mạch vịng có chức xác định momen xoắn động cơ, điều chỉnh gia tốc [3]…Vì mơ hình động có xen kênh nên cần tách kênh sơ đồ điều khiển dịng điện có tách kênh Ta có vịng điều khiển Ids Iqs riêng rẽ độc lập không ảnh hưởng lẫn q trình điều khiển Khi ta có cấu trúc mạch vòng dòng riêng điều khiển Ids Iqs hình Trong đó, sensor đo dịng điện có hàm truyền khâu với hệ số truyền Ki Ti số thời gian Hình Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện sau tách kênh Đối với động công nghiệp, số thời gian điện từ Ts thường lớn nhiều lần số thời gian điện tử Tnl Ti Ta đưa đối tượng điều khiển dòng điện xuống bậc hai sau: Knl Ki Rs (11) Soi ( s )  (1 + Ts s )(1 + Tsi s ) với Tsi = Tnl + Ti http://jst.tnu.edu.vn 90 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 87 - 94 Theo phương pháp chuẩn tối ưu ta xác định được: R ( s ) So ( s ) + R ( s ) So ( s ) = Fch ( s ) =  R (s) = 1 + 2  + 2 2 s (12) So ( s ) 2  s (1 +   s ) (13) Đặt τσ = Tsi, thay (11) vào (14), ta tính điều khiển dịng điện theo chuẩn tối ưu mơđun: Rid ( s ) = Riq ( s ) = + Ts s Rs Ts   = 1+   Knl Ki T s Knl Ki Tsi  Ts s  Rs si (14) 3.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Trong kỹ thuật thường gặp hệ thống điều chỉnh tốc độ Ở ta sử dụng chuẩn tối ưu đối xứng để tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Xét Mc số hay Mc=0, số thời gian quán tính mạch vịng điều chỉnh dịng điện 2Tsi hay số thời gian điện tử Tω, nhỏ nhiều lần số thời gian học J nên ta có hàm truyền đối tượng điều chỉnh tốc độ là: So ( s )  p p PM K Js (1 + Ts s ) (15) với Ts = 2Tsi + T Áp dụng chuẩn tối ưu đối xứng ta xác định điều chỉnh tốc độ: Ki R ( s ) So ( s ) + 4  + R ( s ) So ( s ) + 4  + 4 2 s + 8 3 s + 4  = R ( s ) = So ( s ) 8 2 s (1 +   s ) = Fch ( s ) = (16) (17) Đặt τσ = Tsω ta có: R ( s ) =  Ki J  1 +  pp PM K Ts  4Ts s  (18) Hình Sơ đồ giảm độ điều chỉnh mạch vịng điều chỉnh tốc độ Hình sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ cho động áp dụng biến tần nguồn áp Hàm truyền tương ứng trở thành: W (s)  u ( s ) = 1 K + Ts s + 8Ts2 s + 8Ts3 s (19) 3.3 Xây dựng mạch vịng vị trí cho động PMSM Hình sơ đồ cấu trúc mạch vịng vị trí cho động đồng tương ứng số thời gian nhỏ http://jst.tnu.edu.vn 91 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 87 - 94 Hình Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh vị trí W (s)  u ( s )  1 K + Ts s (20) Bộ điều chỉnh vị trí theo chuẩn tối ưu mơđun: R ( s ) = K K Ts (21) Áp dụng SMC cho động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu bề mặt Áp dụng phương pháp SMC cho động cảm ứng cách điều khiển vector thiết kế tiêu chí cho biến số điều khiển [4] Tính tốn lựa chọn thơng số cho điều khiển cho không ảnh hưởng tới thông số khác hệ thống số Kt, J, hệ số ma sát tắt dần B mơmen tải TL Hình thể phương pháp điều khiển vector cho động SMC Hình Phương pháp điều khiển vector động cảm ứng SMC Phương pháp điều khiển SMC cách chi tiết hình thể đáp ứng điều khiển bám quỹ đạo đặt theo đường tăng tốc, tốc độ giảm tốc Điều khiển theo phương pháp SMC cần vịng điều khiển Hình Mơ hình điều khiển SMC động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu bề mặt Qua lựa chọn tính tốn ta xác định thơng số điều khiển SMC Phần tăng tốc: Vòng lặp ta chọn thơng số: Vịng lặp thứ hai ta chọn thông số: http://jst.tnu.edu.vn 92 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 𝛼 =0 { 𝛽1 = Phần tốc độ hằng: Vòng lặp ta chọn thông số: 𝛼 𝑋 = 10.2 { 𝛽2 𝑋1 = 9.8 Phần giảm tốc: Vịng lặp ta chọn thơng số: 𝛼 𝑋 = 10.01 𝑣ớ𝑖 𝑋1 > { 1 𝛼1 𝑋1 = 9.99 𝑣ớ𝑖 𝑋1 < 𝛽 𝑋 = 9.99 𝑣ớ𝑖 𝑋1 > { 1 𝛽1 𝑋1 = 10.01 𝑣ớ𝑖 𝑋1 < Mô MATLAB – SIMULINK Điện áp nguồn chiều 330 [V] Công suất đầu định mức 40 [kW] Momen định mức 134 [Nm] Tốc độ định mức 2600 [rpm] Dòng pha định mức 216 [A] 227(08): 87 - 94 𝑋 𝛾 = 16.6 { 𝑋2 𝛽1 = 9.6 Vịng lặp thứ hai ta chọn thơng số: 𝛾 =0 { 𝜆2 = Vòng lặp thứ hai ta chọn thông số: 𝛾 = 021 { 𝜆3 = 0.019 Số cực Từ thông nam châm Điện cảm dọc trục d Điện cảm dọc trục q Điện trở stator [mΩ] Momen quán tính 0,07 [Wb] 875 [μH] 875 [μH] 29,5 0,018 [kgm2] Hình Điều khiển vị trí động đồng nam châm vĩnh cửu sử dụng SMC mô MATLAB – SIMULINK Sử dụng Matlab Simulink đưa mơ hình hệ thống có điều khiển trượt hình http://jst.tnu.edu.vn 93 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology Hình Đáp ứng vị trí hệ thống 227(08): 87 - 94 Hình 10 Đáp ứng tốc độ hệ thống Hình ta thấy đáp ứng vị trí hệ thống từ 0,25s bám sát với vị trí đặt ban đầu Vậy sau thời gian ngắn hệ thống đạt vị trí mong muốn Hình 10 đáp ứng tốc độ hệ thống Ta thấy tốc độ hệ thống bám sát tốc độ đặt Hình 11 Đáp ứng dịng điện hệ thống SMC Với hình 11 đáp ứng dòng điện hệ thống SMC vượt lên 500A thời gian từ 0-0,08s đạt ổn định thời điểm 0,4s với dòng 300A Tuy nhiên, đáp ứng dịng điện có tượng rung “chattering” đặc trưng điều khiển SMC Nhận xét: Qua đáp ứng nhận ta thấy động ứng dụng điều khiển trượt đảm bảo độ bám thông số tốc độ vị trí bám sát với đường đặc tính đặt Tuy nhiên, đặc trưng điều khiển trượt tượng rung thấy rõ rệt đáp ứng dòng điện hệ thống Kết luận Ta thấy việc ứng dụng điều khiển trượt cho hệ thống làm cho hệ thống nhanh chóng đạt vị trí mong muốn với tốc độ ổn định Việc sử dụng SMC cho động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu phương pháp điều khiển ổn định Tuy nhiên, việc lựa chọn thông số cho điều khiển khó khăn TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] B -J Wang and J -J Wang, “Slide mode control of surface-mount permanent magnet synchronous motor based on error model with unknown load,” Journal of software, vol 6, no 5, pp 819-825, May 2011 [2] N T Nguyen, T T Dang, X T Tran, and M H Phung, "sliding mode control law for uncertain nonlinear multi motor systems," HUI Journal of Science and Technology, vol 57, no special, pp 30-34, 2021 [3] T T U Hoang, D T Kim, V A Pham, and X M Dinh, "Designing an adaptive controller for two-wheeled self-balancing mobile robot using hierarchical sliding control strategy and radial basis function neural network," HUI Journal of Science and Technology, vol 57, no special, pp 39-48, 2021 [4] V H Bui, “Sliding mode method of controlling the current loop for single-phase active rectifier,” HUI Journal of Science and Technology, no 48, pp 8-12, 2019 [5] M H Ngo, “Speed control of axial flux synchronous motor using sliding mode control,” HUI Journal of Science and Technology, vol 52, no special, pp 22-27, 2019 [6] T T P Le, “Application of field oriented control for induction motor,” TNU Journal of Science and Technology, vol 225, no 06: Natural Sciences - Engineering - Technology, pp 521-527, 2020 [7] A T Le, V T Pham, and T M H Nguyen, “Modeling and simulating of line start permanent magnet synchronous motors,” HUI Journal of Science and Technology, vol 6, no 56, pp 13-18, 2020 [8] Q K Bui and V L Nguyen, Electric transmission facility Publishing scientific and technical, 2007 http://jst.tnu.edu.vn 94 Email: jst@tnu.edu.vn ... [5] Ứng dụng phương pháp điều khiển trượt điều khiển vị trí động đồng nam châm vĩnh cửu giúp động đạt vị trí mong muốn thời gian ngắn Để áp dụng điều khiển trượt cho động đồng ba pha nam châm vĩnh. .. việc điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu vô quan trọng [3] Điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu ba vịng điều chỉnh: dịng điện, tốc độ vị trí Có nhiều phương pháp điều khiển áp dụng sử dụng. .. trúc mạch vịng điều chỉnh vị trí W (s)  u ( s )  1 K + Ts s (20) Bộ điều chỉnh vị trí theo chuẩn tối ưu môđun: R ( s ) = K K Ts (21) Áp dụng SMC cho động đồng ba pha nam châm vĩnh cửu bề