TỔNG QUAN
Các phương pháp điều khiển
1.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)
Hiện nay, hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ chủ yếu sử dụng phương pháp truyền động đặc tính thấp, cho phép điều chỉnh đồng thời biên độ và tần số của dòng điện và điện áp nguồn cung cấp Phương pháp này giúp kiểm soát tốc độ hoặc mô men đến trạng thái xác lập trong khi vẫn duy trì từ thông của động cơ ổn định Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, trong đó điện áp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng hình sin, chỉ điều chỉnh biên độ và tần số mà không liên quan đến vị trí không gian của các vector tương ứng Điều khiển vô hướng đơn giản hơn so với điều khiển vector và là kỹ thuật phổ biến nhất trong thực tế.
Volts không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH) là phương pháp điều chỉnh biên độ điện áp stator theo tần số để duy trì từ thông stator ổn định Phương pháp này điều khiển tốc độ từ trường quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện Momen cải tiến phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor Hệ thống điều khiển yêu cầu hồi tiếp tốc độ, trong đó tín hiệu tốc độ thật ω M được so sánh với tín hiệu tốc độ chuẩn ω M *, và sai số được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip controller) để tạo ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn ω sl * Tín hiệu này sau đó được cộng với ω M để tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệ.
Tài liệu HUTECH p/2 mô tả cách tạo tần số góc phù hợp cho biến tần Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) phát tín hiệu điện áp stator, cung cấp cho bộ biến tần.
Hình 1.2 Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng
Một phương pháp điều khiển scalar khác là điều khiển momen (Torque Control - TC), trong đó biên độ và tần số của dòng điện stator được điều chỉnh để kiểm soát momen, trong khi biên độ từ trường được duy trì ổn định Ở đây, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ, vì hồi tiếp dòng điện phức tạp hơn so với phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH).
Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng
1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian
Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) là thiết bị điện tử công suất phổ biến trong 30 năm qua, yêu cầu khả năng đóng ngắt nhanh và kỹ thuật điều chế đơn giản, chính xác Các kỹ thuật điều chế như dao động phụ và điều chế vectơ không gian đã được áp dụng, với điều chế vectơ không gian đặc biệt quan trọng trong bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp Phương pháp này, phát triển từ ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, đã được mở rộng trong hệ thống điện ba pha PWM là phương pháp chủ yếu trong các hệ truyền động số hóa, điều khiển biến tần sử dụng van bán dẫn như IGBT và MOSFET Biến tần hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cao, cung cấp điện áp xoay chiều ba pha với biên độ, tần số và góc pha đã định cho động cơ.
Phương pháp điều chế vector không gian tạo ra sự dịch chuyển liên tục của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn Việc dịch chuyển đều đặn này giúp loại bỏ các sóng hài bậc cao, đồng thời làm cho mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính Vector tương đương ở đây là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu T s của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.
Hình 1.4 Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian
1.2.3 Điều khiển định hướng trường Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng Tuy nhiên, trong những ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiển vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữa momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và momen tương tự như động cơ DC kích từ độc lập Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều khiển momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của động cơ không đồng bộ
Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp trong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa vào đo lường vị trí rotor
1.2.4 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp
Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từ thông được xác định từ điện áp và dòng điện stator thông qua bộ quan sát từ thông Cảm biến được lắp đặt ở khe hở không khí của động cơ và trục dq để đo lường vector từ thông hỗ cảm, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống.
* i cs bs i i cs s λ qm s λ dm λ r θ r
Hình 1.5 Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản
1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào việc tính toán tốc độ trượt ω r * là cần thiết để đạt được điều khiển định hướng trường chính xác Việc áp đặt tốc độ này lên động cơ giúp cải thiện hiệu suất hoạt động và độ chính xác trong quá trình điều khiển.
* i cs i bs i cs rotor Inverter
Bộ điều khiển Momen đặt
Hình 1.6 Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định hướng từ thông rotor gián tiếp
1.2.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn, người ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của máy điện Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài bậc cao theo hướng từ thông rotor Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo thành momen động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ tác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên momen động cơ) Việc lựa chọn vector đóng ngắt sẽ thực hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ nhất và việc đóng ngắt theo trục d của dòng điện có thể được hạn chế do khả năng mở rộng đường bao của nó Các sóng hài momen giảm xuống nhưng các sóng hài dòng điện sẽ tăng lên (theo trục d)
Hiện nay, các phương pháp điều khiển động cơ đã được áp dụng rộng rãi, mang lại nhiều ưu điểm Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích này, vẫn tồn tại một số khuyết điểm cần được khắc phục.
- Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây sóng hài bậc cao
- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp
Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế, bao gồm độ nhạy với sự thay đổi thông số động cơ như hằng số thời gian rotor và độ chính xác trong đo lường từ thông ở tốc độ thấp Những yếu tố này dẫn đến giảm hiệu suất, khiến các bộ điều khiển phổ biến như PID không thể duy trì yêu cầu điều khiển trong các điều kiện thay đổi.
Để khắc phục những nhược điểm trong lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha, việc kết hợp trí tuệ nhân tạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã góp phần quan trọng trong sự phát triển của ngành này.
Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay
Truyền động động cơ bao gồm ba phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tử công suất Khi yếu tố thông minh được tích hợp vào một trong những phần này, nó trở thành truyền động thông minh Bộ điều khiển, với vai trò là bộ não và trung tâm ra quyết định, bao gồm phần mềm và phần cứng Phần cứng đã có sự phát triển vượt bậc trong hai thập kỷ qua, trong khi phần mềm chứa các kỹ thuật điều khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng Điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh, bao gồm điều khiển thích nghi và tự tổ chức Mỗi hệ thống tích hợp trí tuệ nhân tạo được xem là hệ thống tự tổ chức hoặc tự xử lý Vào thập niên 80, với sự phát triển nhanh chóng của mạch điện tử và vi xử lý, điều khiển thông minh đã được áp dụng rộng rãi trong truyền động điện.
Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo được chia thành hai nhóm chính: tính toán cứng và tính toán mềm Hệ chuyên gia, thuộc về tính toán cứng, là một trong những kỹ thuật nhân tạo đầu tiên Trong hai thập kỷ qua, tính toán mềm đã trở nên phổ biến trong lĩnh vực truyền động điện, đặc biệt là trong việc cải tiến cấu trúc vi xử lý Các thành phần chính của tính toán mềm bao gồm mạng neural nhân tạo, tập logic mờ, mạng neural – mờ, và hệ thống dựa vào thuật toán gen.
Bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC) được xem như một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi, có vai trò quan trọng trong việc ổn định và nâng cao độ bền cơ học Ngôn ngữ diễn đạt chính của bộ điều khiển này là các quy tắc If-then.
Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì những đặc tính đặc biệt sau:
- Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều khiển tự động
- Khả năng của ANN có thể học mẫu
- Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc
Mạng neural đã được ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực điều khiển động cơ, với các giải pháp như bộ ước lượng neural để ước lượng tốc độ động cơ và bộ điều khiển neural nhằm tạo ra tín hiệu điều khiển cho bộ biến tần.
Kết quả mô phỏng sẽ được trình bày để chứng minh hiệu quả của mạng neural trong việc điều khiển động cơ, so với các hệ thống thông thường như bộ điều khiển PI mà không sử dụng ANNs.
Một trong những trở ngại chính khi sử dụng động cơ không đồng bộ là chi phí cao của thiết bị biến đổi, cùng với sự phức tạp trong xử lý tín hiệu và độ chính xác không cao Gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt hơn nhờ vào sự phát triển của công nghệ điện tử và vi xử lý tốc độ cao Trong nhiều ứng dụng, việc sử dụng cảm biến tốc độ là cần thiết và phù hợp cho hệ thống điều khiển tốc độ vòng kín Tuy nhiên, cảm biến tốc độ cũng gặp phải một số hạn chế.
Tài liệu HUTECH chỉ ra một số nhược điểm như giá cả, độ tin cậy và khả năng loại trừ nhiễu Nhiều phương pháp khác nhau được đề xuất để ước lượng tốc độ dựa trên các thông số điện như dòng điện, điện áp, tần số và từ thông Những phương pháp này kết hợp lý thuyết ước lượng trạng thái với điều khiển vector, đặc biệt là trong điều khiển động cơ không có cảm biến tốc độ.
Giá trị của thông số điện có thể bị sai lệch so với thiết kế do sự biến đổi của môi trường làm việc, bao gồm nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn.
Các phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không luôn phù hợp do một số lý do nhất định Do đó, một số mô hình đã được phát triển để thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra mà không cần dựa vào phương trình chuyển động Nhiệm vụ chính là tập trung vào việc nhận dạng, bao gồm việc sử dụng bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển tuyến tính (Schouken, 1990), ước lượng thông số vật lý (Moons và Moor, 1995), và ước lượng hệ số hàm chuyển tuyến tính dựa vào đo lường lực từ và tốc độ (Gahler và Herzog, 1994) Kỹ thuật NARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) cũng được áp dụng để mô hình hóa mối quan hệ giữa tốc độ và điện áp của động cơ không đồng bộ.
Khi ước lượng từ thông, các nguyên tắc tương tự như trong điều khiển và ước lượng tốc độ được áp dụng Tuy nhiên, việc chế tạo và lắp đặt cảm biến từ thông gặp nhiều khó khăn.
Việc chế tạo bộ ước lượng từ thông dựa trên các thông số điện có sẵn và những kỹ thuật tiên tiến là điều quan trọng đối với những người làm trong lĩnh vực điều khiển động cơ.
Trình tự mô phỏng động cơ không đồng bộ
Thông thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hành theo những bước chính sau:
1.4.1 Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển
Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ bao gồm phương trình vector tổng quát, mô hình mạch điện 2 pha và phương trình trạng thái Các thông số của động cơ được xác định qua phương pháp thực nghiệm, trong đó điện trở stator được đo bằng kiểm tra DC, điện trở rotor và điện cảm tiêu tán được đo khi rotor bị ghìm, cùng với việc đo điện cảm.
Tài liệu HUTECH liên quan đến việc kiểm tra không tải và điều chỉnh thông số khi mô phỏng động cơ trong điều kiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức với tải định mức.
1.4.2 Bộ biến tần điều khiển
Bộ biến tần có tụ DC trong truyền động động cơ không đồng bộ bao gồm bộ biến tần nguồn áp (VSI) và bộ biến tần nguồn dòng (CSI), sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để kiểm soát điện áp và dòng điện Ngoài ra, còn có bộ biến tần kết hợp giữa bộ CSI công suất cao và bộ VSI công suất thấp hoạt động song song.
1.4.3 Kiểm tra thiết bị truyền động AC
Phòng thí nghiệm được thiết kế với động cơ không đồng bộ hoạt động như tải cơ, kéo bởi máy phát điện đồng bộ Mỗi máy điện được cung cấp nguồn từ bộ biến tần và được điều khiển thông qua bộ điều khiển card trên máy tính.
1.4.4 Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm
Tùy thuộc vào tính chất và mục đích sử dụng, cũng như tài nguyên hiện có, việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp là rất quan trọng Các phương pháp như điều khiển vô hướng, điều chế vector không gian và định hướng trường sẽ được áp dụng dựa trên từng yêu cầu cụ thể.
Định hướng
Tác giả đã kết hợp các phương pháp điều khiển khác nhau với mong muốn nghiên cứu sâu về truyền động điện xoay chiều Luận văn thạc sĩ này trình bày đề tài "Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng bộ điều khiển PID mờ lai".
-Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường, là phương pháp điều khiển tốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện
- Từ thông rotor để sử dụng trong hệ thống điều khiển định hướng trường được ước lượng dựa trên cơ sở của hàm Lyapunov
Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ được xây dựng bằng bộ điều khiển PID mờ lai, với các luật hợp thành từ tập mờ được phát triển dựa trên suy luận của người thiết kế và kinh nghiệm của chuyên gia.
1.7 PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường sử dụng bộ điều khiển PID mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ Việc ước lượng từ thông rotor nhằm ổn định và điều khiển động cơ không đồng bộ theo định hướng trường được thực hiện dựa vào tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov
Luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG-FOC
Chương 4 DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Chương 5 KẾT LUẬN – HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
1.9 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI: Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điều khiển mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường điều khiển động cơ không đồng bộ, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox
Phạm vi nghiên cứu
Bài viết này nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường bằng bộ điều khiển PID mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ Việc ước lượng từ thông rotor được thực hiện nhằm ổn định và điều khiển động cơ không đồng bộ theo định hướng trường, dựa trên tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov.
Luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Chương 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG-FOC
Chương 4 DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Chương 5 KẾT LUẬN – HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
1.9 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI: Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điều khiển mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường điều khiển động cơ không đồng bộ, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox
Ý nghĩa đề tài
Đề tài này cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho những ai quan tâm đến phương pháp điều khiển mờ kết hợp với định hướng trường trong điều khiển động cơ không đồng bộ Bài viết hướng dẫn cách thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển sử dụng Simulink và Control System Toolbox, giúp người đọc nắm vững kiến thức và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực này.
MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA13 2.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha
Vector không gian của các đại lượng ba pha
2.2.1 Xây dựng vector không gian Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí không gian tổng quát như hình 2.1
Hình trên không đề cập đến cách đấu động cơ hình sao hay tam giác Ba dòng điện isu, isv và isw là các dòng chảy từ lưới điện vào động cơ qua đầu nối Khi động cơ hoạt động bằng biến tần, đây chính là ba dòng điện ở đầu ra của biến tần.
Hình 2.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha
Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình: i su (t) + i sv (t) + i sw (t) = 0 (2.1) Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau: i su (t)= i s cos(ω s t) (2.2)
Trong mặt phẳng cơ học, động cơ xoay chiều 3 pha bao gồm ba cuộn dây được bố trí lệch nhau 120 độ Khi thiết lập hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian với các thành phần γ, j, s, và các ký hiệu khác liên quan đến các cuộn dây.
Theo công thức (2.5), vector i s (t) có modul không đổi và quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ω s = 2 π f s, tạo với trục thực một góc γ = ω s t, trong đó fs là tần số của mạch stator Hình 2.2 mô tả quá trình xây dựng vector i s (t).
Hình 2.2 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha
Theo hình vẽ trên, dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng stator i s mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng
Trục thực của mặt phẳng phức được gọi là trục α, trong khi trục ảo được gọi là trục β Khi chiếu vector i s lên hai trục này, ta thu được hai hình chiếu là i s α và i s β Hệ tọa độ này được gọi là hệ tọa độ cố định hay hệ tọa độ stator.
Hình 2.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ αβ
Theo phương trình i su (t) + i sv (t) + i sw (t) = 0, chỉ cần xác định hai trong ba dòng điện stator để có đủ thông tin về vectori s, như được minh họa trong hình 2.3.
Tương tự như đối với vector dòng stator, các vector điện áp stator u s , dòng rotor i s , từ thông stator ϕ s , hoặc từ thông rotor ϕ r cũng được biểu diễn tương tự
2.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian
Chúng ta thiết lập một hệ tọa độ mới dq, có chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ và lệch một góc θ s Do đó, một vector không gian sẽ có hai tọa độ tương ứng với hai hệ tọa độ này, như được minh họa trong hình vẽ 2.4.
Hình 2.4 Chuyển hệ tọa độ giữa αβ và dq
Dễ dàng chuyển tọa độ αβ sang tọa độ dq: s s s s sq s s s s sd i i i i i i θ θ θ θ α β α β sin cos cos sin
2.2.3 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
Hình 2.5 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
Giả thiết rằng động cơ không đồng bộ hoạt động với tốc độ góc ω = dt dθ, trong đó θ là góc giữa trục rotor và trục chuẩn Đồng thời, từ thông rotor ψ r quay với tốc độ góc dt f s d s s π θ ω = 2, với f s là tần số của mạch điện stator.
Sự chênh lệch giữa ω và ω s sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số f r , dòng điện đó có thể được biểu diễn dưới dạng vector i r quay với tốc độ ω r =2 π f r
Xây dựng hệ tọa độ dq với trục thực hướng theo vector ψ r và gốc tọa độ trùng với gốc của hệ tọa độ αβ.
Gọi i s s là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ αβ i s f là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq
Ta có: i s s = i s α + ji s β (2.10) i s f = i sd + ji sq (2.11) i s f = i s s e j θ s (2.12)
Chuyển tọa độ từ 3 pha uvw qua tọa độ αβ :
Chuyển tọa độ αβ sang tọa độ dq: s s s s sq s s s s sd i i i i i i θ θ θ θ α β α β sin cos cos sin
Toàn bộ quá trình trên được diễn tả theo sơ đồ khối sau:
Hình 2.6 Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq)
Trong thực tiễn, việc tính toán i_sd và i_sq gặp nhiều khó khăn do việc xác định góc θ_s Đối với động cơ không đồng bộ, góc θ_s được xác định bởi tốc độ góc r_s, với ω là đại lượng có thể đo được, trong khi ω_r là tần số của mạch rotor mà chúng ta chưa biết Do đó, phương pháp mô tả trên hệ tọa độ dq yêu cầu phải có phương pháp tính toán ω_r một cách chính xác, đây là cơ sở cho hệ thống điều khiển dựa vào từ thông rotor.
Trong mô hình tính toán trong hệ tọa độ dq, ta có ψ rq = 0 vì trục q vuông góc với vector ψ r Mặc dù không thể xác định chính xác góc θ s, việc giữ lại ψ rq là cần thiết để đảm bảo tính khách quan trong quá trình quan sát.
Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha
2.3.1 Lý do xây dựng mô hình Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả đối tượng điều chỉnh Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là mô hình đơn giản của động cơ trong hình 2.7
Hình 2.7 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc
Mô hình toán học cần phản ánh rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh để hỗ trợ xây dựng các thuật toán điều chỉnh Việc này dẫn đến việc thiết lập các điều kiện giả thiết trong quá trình lập mô hình, giúp đơn giản hóa mô hình cho việc thiết kế Tuy nhiên, những điều kiện này cũng có thể gây ra sai lệch nhất định giữa đối tượng và mô hình, nhưng vẫn nằm trong phạm vi cho phép.
Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả qua các phương trình vi phân bậc cao do cấu trúc cuộn dây phức tạp và các mạch từ móc vòng Khi mô hình hóa động cơ này, một số điều kiện cần được chấp nhận để đảm bảo tính chính xác.
- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian
- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua
- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ
- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi
Trục chuẩn cho mọi quan sát được xác định là trục đi qua tâm cuộn dây pha u Chúng ta sẽ áp dụng các mô hình không gian trạng thái để mô tả động cơ.
2.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator: dt t t d i R t u dt t t d i R t u dt t t d i R t u sw sw s sw sv sv s sv su su s su
Với: R s : điện trở cuộn dây pha stator ψ su ,ψ sv ,ψ sw : từ thông stator của cuộn dây pha u, v, w Áp dụng công thức ta thu được điện áp:
Thay 3 phương trình (2.17, 2.18, 2.19) vào phương trình (2.20), thu được phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau: dt i d R u S S S S
Trong hệ thống ba cuộn dây stator, điện trở cuộn dây pha Stator được ký hiệu là R S, trong khi vector từ thông Stator được ký hiệu là ψ S Phương trình này được thiết lập dựa trên các quan sát từ hệ thống, và cũng có thể được biểu diễn trên hệ tọa độ αβ với các yếu tố như dt, i, d, và R u.
Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) dt i d R r r r r r
Trong đó r ψ r : vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor
R r : điện trở rotor đã quy đổi về phía stator
Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator: k k S k k S
Phương trình tổng quát trên có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc
Trong hệ tọa độ bất kỳ k, công thức dt d k k ω = θ được sử dụng, trong đó θ k là góc giữa trục thực và hệ tọa độ Đối với hệ tọa độ cố định Stator αβ, khi ω k = 0, ta có được công thức (2.22) Khi thay “k” bằng “s”, ta áp dụng cho hệ tọa độ từ thông rotor (dq) để có dt d S.
S k ω θ ω = = với θ s là góc lệch giữa trục q với trục thực Thay “k” =”f”
Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor: k k r k k r r r j dt i d
Với k ψ r : vector từ thông ở hệ tọa độ “k” bất kỳ so với rotor
2.3.3 Các tham số của động cơ
L m hỗ cảm giữa rotor và stator
L σ s điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
L σ r điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator) s m s L L
T s = L s /R s hằng số thời gian stator
T r = L r /R r hằng số thời gian rotor r s m L L
1− 2 σ = hệ số tiêu tán tổng
Phương trình từ thông stator và từ thông rotor: r r s m r m r s s s
Phương trình chuyển động: dt d p m J m c
Với: m T là mômen tải, J là mômen quán tính cơ, ω là tốc độ góc của rotor
2.3.4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator
Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:
Với: L m :hỗ cảm giữa stator va rotor
Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator bằng cách rút vector i s r từ phương trình (2.32) , ta được:
Thế i s r ở phương trình (2.33) vào phương trình (2.31), ta được:
Thay i s r và s ψ s vào (2.29, 2.30) đồng thời sử dụng các tham số σ,T s ,T r ta thu được hệ phương trình (2.35) sau: dt j d T T i L dt d L
Ta chuẩn hóa ψ r α và ψ r β như sau:
/ là các phần tử của vectơ dòng từ hóa m s
Thay các vector dòng từ hóa vào hệ phương trình (2.35) và viết dưới dạng các phần tử của vector, ta có hệ phương trình mới mô tả đầy đủ phần hệ thống điện của một ĐCKĐB.
Trong đó: σ =1−L m 2 /(L s L r ): hệ số tiêu tán tổng
Ta cũng có phương trình mômen:
Từ phương trình: s s s m s r r r =i L +i L ψ ta rút s r i − rồi thế vào phương trình mômen:
Thay các vector bằng các phần tử tương ứng, ta được:
2.3.5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor r f m r f s f r m f r s f s f s f r r f f r r r f s s f f s s s f s
Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vectơ từ thông stator
Thay phương trình (2.47), 2.48) vào (2.43, 2.44) trên và biến đổi:
Vì trong trường hợp định hướng chính xác từ thông rotor ta có ψ rq / =0
Cuối cùng thu được hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ sau:
1 rq r rd s sq r rq rq s rd r sd r rd sq s rq r rd sq r S sd s sq sd s rq rd r sq s sd r S sd i T T dt d i T T dt d
Trong đó: σ = 1 − L m 2 /( L s L r ): hệ số tiêu tán tổng
Phương trình momen: rd sq r m C
Phương trình từ thông rotor: sd r m rd i pT
2.3.6 Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor
Trong hệ tọa độ dq, các vector dòng stator i s f và vector từ thông rotor ψ r f quay đồng bộ với tốc độ ω s, tạo ra các phần tử i s f (isd và isq) có giá trị ổn định trong chế độ xác lập Trong quá trình quá độ, các giá trị này có thể thay đổi theo thuật toán điều khiển đã định Đặc biệt, trong hệ tọa độ dq, khi rq = 0, ta có ψ r f = ψ rd.
2.3.7 Bộ điều chế độ rộng xung PWM
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ điện tử đã dẫn đến việc chế tạo các bộ biến tần tĩnh từ van bán dẫn công suất, cho phép cung cấp nguồn năng lượng điện với tần số thay đổi.
Phương pháp thực hiện dựa trên nguyên lý kỹ thuật analog, sử dụng giản đồ kích đóng công tắc bộ nghịch lưu Quá trình này dựa vào hai tín hiệu cơ bản: sóng mang tần số cao và sóng điều khiển dạng sin.
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ PWM
Cơ chế đóng ngắt hoạt động dựa trên so sánh giữa sóng mang và sóng điều khiển: khi sóng mang nhỏ hơn hoặc bằng sóng điều khiển, ngõ ra logic sẽ là 1 Ngược lại, nếu sóng mang lớn hơn sóng điều khiển, ngõ ra logic sẽ là 0.
Hình 2.9 Cơ chế đóng ngắt của PWM (pha U)
Hình 2.10 Dạng sóng 3 pha khi được điều chế PWM
Sóng mang có thể ở dạng tam giác, với tần số cao giúp giảm lượng sóng hài bậc cao, nhưng tần số đóng ngắt cao cũng làm tăng tổn hao do quá trình đóng ngắt các công tắc Các linh kiện cần thời gian đóng ngắt nhất định, điều này hạn chế việc chọn tần số sóng mang Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra Để đơn giản hóa mạch kích, có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất để kích đóng.
2.3.8 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab
2.3.8.1 Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha
Hệ phương trình biểu diễn đầy đủ trạng thái của động cơ không đồng bộ ba pha trong hệ tọa độ stator: α β α α α ωψ σ σ σ σ σ ψ σ σ σ s s r r r r s r s s u
Ta thu được giá trị dòng điện 3 pha i su , i sv , i sw từ i s α , i s β thông qua biến đổi tọa độ từ αβ ->uvw
Momen điện từ của động cơ:
Tốc độ của động cơ:
Mô đun dòng từ hóa m s r
L ψ từ các thành phần ψ r / α , ψ r / β thông qua công thức:
2.3.8.2 Mô hình động cơ trong simulink
Các giá trị liên quan: Tr = Lr/Rr;
SS = 1 - Lm*Lm/(Ls*Lr); a1 = 1/(SS*Ts) + (1-SS)/(SS*Tr); a2 = (1-SS)/(SS*Tr); a3 = (1-SS)/SS; a4 = 1/(SS*Ls); a5 = 1/Tr; a6 = 3*P*Lm*Lm/(2*Lr*J); a7 = 1/J;
Trong đó ss=σ: là hệ số tiêu tán tổng
Tr: hằng số thời gian rotor Ts: hằng số thời gian stator
Lr, Ls: điện cảm rotor, stator
Rr, Rs: điện trở rotor, stator
Hình 2.11 Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha
2.3.8.3 Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ
Hình 2.12 Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM Động cơ không đồng bộ có các thông số sau:
Công suất của động cơ: 10Hp
Số đôi cực p = 2 Điện trở stator R s =1.177Ω Điện trở rotor R r =1.382Ω Điện cảm stator Ls=0.118Ω Điện cảm rotor L s =0.113Ω
Thông số của bộ PWM
Tần số sóng mang F = 1800Hz Điện áp DC cung cấp cho bộ nghịch lưu U dc = 220*sqrt(2)
10 Mo dun dong tu hoa (Ampe)
Hình 2.15 Tốc độ động cơ
Nhận xét
Khi khởi động trực tiếp qua PWM, dòng khởi động của động cơ có thể lên tới 80A Do đó, việc áp dụng các phương pháp hạn chế dòng khởi động là cần thiết để bảo vệ tuổi thọ và đảm bảo hoạt động ổn định của động cơ.
Phương pháp điều khiển định hướng trường đã giải quyết vấn đề khởi động với dòng điện quá lớn, đồng thời mang lại nhiều thành tựu kỹ thuật vượt trội trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ.
ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG
Đại cương về phương pháp FOC
Phương pháp điều khiển vectơ được nghiên cứu lần đầu tiên vào đầu những năm
Vào những năm 70 của thế kỷ trước, phương pháp điều khiển chuẩn hóa đã nhanh chóng phát triển nhờ những ưu điểm vượt trội so với phương pháp điều khiển vô hướng (điều khiển V/f = const).
Phương pháp điều khiển vectơ FOC sử dụng mô hình hai pha cho động cơ không đồng bộ, trong hệ trục tọa độ quay rotor (d, q) Vectơ dòng điện stator được phân tích thành hai thành phần: isd tạo từ thông và isq tạo moment Hai thành phần này có thể tách rời và điều khiển độc lập, tương tự như trong máy điện một chiều.
Phương pháp điều khiển định hướng trường FOC, còn được biết đến là điều khiển tựa theo từ thông rotor (RFOC), sử dụng hai thành phần của dòng điện liên quan đến hệ trục tọa độ của rotor.
Có 2 phương pháp trong việc điều khiển định hướng tựa theo vector từ thông thường được sử dụng là:
+ Phương pháp điều khiển trực tiếp
Trong sơ đồ điều khiển vector trực tiếp, biên độ và vị trí góc của vector từ thông được xác định từ các giá trị điện áp hoặc dòng điện stator qua cảm biến Cảm biến Hall có khả năng đo từ trường khi được đặt trong khe hở không khí của động cơ, nhưng việc này có thể làm tăng chi phí và giảm độ tin cậy của hệ thống truyền động.
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường trực tiếp được trình bày trong hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp
+ Phương pháp điều khiển gián tiếp
Trong phương pháp điều khiển gián tiếp, góc θ được tính toán dựa trên tốc độ trượt ω sl * và thông tin về tốc độ động cơ ω Đặc tính của hệ thống phụ thuộc nhiều vào việc xác định chính xác các thông số động cơ Mặc dù phương pháp này đơn giản hơn phương pháp trực tiếp, nhưng nó cũng có một số nhược điểm, dẫn đến đặc tính của sơ đồ sẽ kém nếu không áp dụng các giải pháp đặc biệt khác.
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường gián tiếp được trình bày trong hình 3.2
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp.
Cấu trúc nội dung phương pháp FOC
3.2.1 Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC
Hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong động cơ không đồng bộ ba pha được mô tả qua hình 3.3, bao gồm các thành phần chính của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor (d, q) Vector dòng stator i s được phân chia thành hai thành phần isd và isq, trong đó isd điều khiển từ thông rotor và isq điều khiển moment quay Động cơ được cung cấp năng lượng bởi biến tần nguồn áp, với điện áp là đại lượng điều khiển được áp dụng vào cuộn dây stator của động cơ.
Nguyên tắc điều khiển của FOC (Field-Oriented Control) tập trung vào việc điều khiển động cơ một chiều với từ trường độc lập Trong đó, từ thông rotor được duy trì ổn định nhờ dòng điện i sd, trong khi moment và tốc độ động cơ được điều chỉnh thông qua dòng điện tạo moment i sq.
Hình 3.3 Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC 3.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển
Các đại lượng đầu ra của bộ ĐCid và ĐCiq được gọi là yd và yq, có kích cỡ và đơn vị tương tự như dòng điện Để kết nối các tín hiệu này với usd và u sq, cần sử dụng một mạng tính áp (MTu) Bên cạnh đó, cần một mạng dòng (MTi) để tính toán i sd * và i sq * từ các đại lượng từ thông rotor ψ r * và tốc độ vượt trước ω r * của từ thông rotor so với trục rotor.
(3.2) Mạng tính áp (MTu): q s s s d s sd y sT y L R u σ ω
Tài liệu HUTECH rd r m d s s q s sq L y L s sT y L R u ψ σ ω σ + + +
Ta nhận thấy yd, yq đồng nhất với các dòng isd, isq sau thời gian trễ T σs Các đại lượng yd và y q là đầu vào của mạng tính áp (MTu)
T σ = L σ = − : hằng số thời gian từ thông tiêu tán phía stator s s L
L σ =σ : điện cảm tiêu tán phía stator
Hình 3.4 Vector dòng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q)
Tính góc θ r , ta dùng khâu tích phân
Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CĐTi):
+ s s s s sq s s s s sd i i i i i i θ θ θ θ β α β α cos sin sin cos (3.8)
Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp:
Khâu điều chế tốc độ quay (ĐCω) là khâu PI:
Các khâu điều chế dòng (ĐCiq) và (ĐCiq):
3.2.3 Cấu trúc hiện đại của FOC
Khi phân tích dòng stator với hai thành phần isd và isq, ta nhận thấy rằng nếu chúng hoàn toàn độc lập, cấu trúc cơ bản là hợp lý Tuy nhiên, trong thực tế, cấu trúc này chỉ hoạt động hiệu quả ở chế độ xác lập Trong chế độ động, do sự phụ thuộc lẫn nhau giữa hai thành phần, cấu trúc cơ bản bộc lộ nhiều nhược điểm Do đó, cấu trúc FOC kiểu gián tiếp đã được phát triển và được gọi là cấu trúc hiện đại.
Trong cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC, xuất hiện các khối mới như khối “Ước lượng”, khối “Ổn định từ thông”, khâu “Giới hạn dòng” và khâu “Điều chỉnh từ thông” (khâu PI) Đồng thời, các khâu tính áp (MTu) và tính dòng (MTi) đã được loại bỏ.
Trên hệ tọa độ (d, q), dòng i sd đóng vai trò là đại lượng điều khiển từ thông rotor, nhưng giữa dòng điện này và từ thông rotor có sự tồn tại của khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian Tr.
Tài liệu HUTECH sd r m rd i sT
Để cải thiện đặc tính truyền đạt của động cơ, cần sử dụng khâu "Điều chỉnh từ thông" (khâu PI) nhằm gia tốc quá trình từ hóa bằng cách giảm tác dụng trễ của từ trường Tuy nhiên, việc điều chỉnh yêu cầu giá trị thực của từ thông, mà việc đo đạc chính xác rất khó khăn Phương pháp FOC kiểu gián tiếp sử dụng mô hình từ thông để ước lượng giá trị này dựa trên các đại lượng đo được như isd, i sq và ω, từ đó tính toán được góc θ.
Ngoài ra, khối “Ổn định từ thông” có tác dụng ổn định giá trị từ thông đặt và khâu
“Giới hạn dòng” làm cho dòng điện không vượt quá giá trị đặt.
Mô phỏng phương pháp foc bằng simulink/matlab
3.3.1 Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC trong Simulink/Matlab
Hình 3.5 Sơ đồ khối điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC
3.3.2 Giải thích nguyên lí hoạt động
- Sai lệch tốc độ (giữa tốc độ đặt và tốc độ hồi tiếp của động cơ) được đưa vào bộ
Bộ điều chỉnh PID được sử dụng để điều chỉnh tốc độ, với tín hiệu ngõ ra là dòng điện đặt trục q (isq*) Tín hiệu này sau đó được đưa qua bộ “Giới hạn dòng” Sai lệch giữa tín hiệu dòng isq* và dòng isq thực tế của động cơ sẽ được xử lý bởi bộ “Điều chỉnh dòng i sq” (bộ PID) Kết quả cuối cùng là tín hiệu điện áp đặt trục q (u sq*).
Sai lệch từ thông, được xác định giữa tín hiệu ngõ ra của bộ “Ổn định từ thông” và từ thông ước lượng từ bộ “Ước lượng”, được đưa vào bộ “Điều chỉnh từ thông” (bộ PID) để hiệu chỉnh Tín hiệu ngõ ra của bộ PID là dòng điện đặt trục d (i sd*), sau đó được truyền qua bộ “Giới hạn dòng 1” Sai lệch giữa tín hiệu dòng isd* và dòng isd của động cơ được đưa vào bộ “Điều chỉnh dòng isd” (bộ PID), với tín hiệu ngõ ra là điện áp đặt trục d (usd*).
Tín hiệu điện áp stator trong hệ trục tọa độ quay (d, q) là u sq* và u sd*, được chuyển đổi thành điện áp trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) là usalfa và usbeta thông qua khối chuyển tọa độ Những tín hiệu điện áp này sau đó được sử dụng để điều khiển động cơ.
Mô hình động cơ được xây dựng trong hệ trục tọa độ (α, β)
- Khối “Ước lượng” có nhiệm vụ tính toán các đại lượng:
+ Góc lệch (Teta) giữa trục d và trục α (góc giữa hệ trục tọa độ quay (d, q) và hệ trục tọa độ đứng yên (α, β))
+ Tín hiệu đầu vào của “Bộ ước lượng” là các dòng điện Isd, Isq và tốc độ (ω) của động cơ
- Tín hiệu ngõ ra của động cơ không đồng bộ cần quan sát là từ thông (Fi), tốc độ (ω), moment (T) và dòng điện ba pha (Iuvw)
Chúng ta có thể điều chỉnh độc lập từ thông và moment thông qua các dòng i sd và isq, nhờ vào các hệ số hiệu chỉnh của hai bộ PID.
- Khối mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) (được xây dựng ở Chương 2)
Hình 3.6 Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β)
- Khối chuyển điện áp từ (d, q) sang (α, β)
- Khối chuyển dòng điện từ (u, v, w) sang (d, q)
Khối “Ước lượng” được xây dựng trên các phương trình sau:
) ( rq sd m rd r r m sq r sTri L dt d Tr
Phương trình moment: rd sq r m p i
Dựa vào các phương trình trên, ta xây dựng sơ đồ khối “Ước lượng” như sau:
+ Isd: dòng điện stator được chiếu lên trục d
+ Isq: dòng điện stator được chiếu lên trục q
+ w: tốc độ góc của động cơ
Các tín hiệu ngõ ra:
+ Fi1: từ thông rotor (từ thông ước lượng)
+ Teta: góc tạo bởi trục từ thông rotor với trục pha u
Thông số của các khâu Gain và Transfer Fcn:
Ngoài ra còn có các khâu phụ sau:
+ Unit Delay: khâu tạo trễ
+ Divide: khâu thực hiện phép chia
- Các tín hiệu đặt: Firef (từ thông rotor đặt-Wb); Wref (tốc độ góc đặt của động cơ-rad/s), TL (moment tải đặt-N.m), như sau:
Các tín hiệu quan sát quan trọng trong hệ thống động cơ bao gồm: w (tốc độ góc của động cơ, đo bằng rad/s), Torque (moment của động cơ, tính bằng N.m), Fi (từ thông rotor, đơn vị Wb) và Iuvw (dòng điện stator trên ba pha u, v, w, đơn vị A).
Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC
Bảng 3.1 Tham số mô phỏng động cơ (phương pháp FOC)
Thông số của động cơ không đồng bộ Thông số Giá trị
Công suất của động cơ P = 10HP
Số đôi cực pc = 2 Điện trở stator Rs = 1.177Ω Điện trở rotor Rr = 1.382Ω
Tài liệu HUTECH Điện cảm stator Ls = 0.118Ω Điện cảm rotor Rs = 0.113Ω
Tốc độ đặt Wref = 1420 (vòng/phút) = 148,7 (rad/s)
Từ thông đặt Firef = 1 (Weber)
- Thời gian của quá trình mô phỏng là 4 giây (Tsim = 4)
- Giá trị của từ thông đặt là 1 Wb trong suốt quá trình mô phỏng
Trong quá trình mô phỏng, tốc độ đặt của động cơ đạt 148,7 rad/s trong 2 giây đầu Tuy nhiên, tại thời điểm 2 giây, tốc độ động cơ giảm xuống còn 74,35 rad/s, tương đương với một nửa tốc độ đặt ban đầu, và duy trì mức này cho đến hết thời gian mô phỏng.
Hình 3.7 Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng
+ Khi mô phỏng đảo chiều quay động cơ, tốc độ đặt như sau:
Hình 3.8 Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng đảo chiều động cơ
Trong quá trình mô phỏng, động cơ khởi động và nhận tải sau 1,5 giây với giá trị moment tải đặt là TL = 3,5 N.m Sau 3 giây, tải sẽ được cắt, dẫn đến thời gian động cơ hoạt động có tải là 1,5 giây, từ giây 1,5 đến giây thứ 3.
Hình 3.9 Moment đặt cho quá trình mô phỏng
- Tóm lại, diễn tiến quá trình mô phỏng như sau:
[Toc do dat (Dao chieu dong co)]
- Tín hiệu quan sát là từ thông (Fi), tốc độ (w), moment (T) và dòng điện ba pha (Iuvw) của động cơ trong quá trình mô phỏng
3.4.3 Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong Simulink/Matlab
3.4.3.1 Từ thông của động cơ
Hình 3.10- Từ thông thật của động cơ
[Tu thong uoc luong-FOC]
Hình 3.11 Từ thông ước lượng của động cơ 3.4.3.2 Tốc độ của động cơ
Hình 3.12 Tốc độ thật của động cơ
Hình 3.13 Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt 3.4.3.3 Moment của động cơ
[Toc do thuc, toc do dat-FOC]
Hình 3.14 Moment thực của động cơ
Hình 3.15 Moment của động cơ được ước lượng
3.4.3.4 Dòng điện các pha của động cơ
Hình 3.16 Dòng điện pha U của động cơ
Hình 3.17 Dòng điện ba pha của động cơ 3.4.3.5 Khi đảo chiều quay động cơ
Hình 3.18 Từ thông thật của động cơ (khi đảo chiều quay)
Hình 3.19 Từ thông của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay)
Hình 3.20 Tốc độ thật của động cơ (khi đảo chiều quay)
F i (W b ) t (s) t (s) [Tu thong that (dao chieu dong co)-FOC]
[Tu thong uoc luong (Dao chieu dong co)-FOC]
[Toc do thuc (dao chieu dong co)-FOC]
Hình 3.21 Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi đảo chiều động cơ)
Hình 3.22 Moment thật của động cơ (khi đảo chiều quay)
Hình 3.23 Moment của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay)
[Toc do thuc, toc do dat (Dao chieu dong co)-FOC]
[Moment thuc (Dao chieu dong co)-FOC]
[Moment uoc luong (Dao chieu dong co)-FOC]
3.4.3.6 Khi tăng moment tải (TL = 10,5 N.m)
Hình 3.24 Từ thông thật của động cơ (khi tăng moment tải)
Hình 3.25 Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải)
Hình 3.26 Tốc độ thật của động cơ (khi tăng moment tải)
F i (W b ) t (s) [Tu thong thuc (Tang tai)-FOC]
[Tu thong uoc luong (Tang tai)-FOC]
160 t (s) w ( ra d /s ) t (s) [Toc do thuc (Tang tai)-FOC]
Hình 3.27 Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi tăng moment tải)
Hình 3.28 Moment thực của động cơ (khi tăng moment tải)
Hình 3.29 Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải)
[Toc do thuc, toc do dat (Tang tai)-FOC]
[Moment thuc (Tang tai)-FOC]
T ( N m ) t (s) [Moment uoc luong (Tang tai)-FOC]
Hình 3.30 Dòng điện pha U của động cơ (khi tăng moment tải)
Hình 3.31 Dòng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment tải)
[Dong dien pha U (Tang tai)-FOC]
I (A ) t (s) [Dong dien ba pha (Tang tai)-FOC]
3.4.3.7 Khi tăng moment quán tính (J =0,0256 kg.m )
Hình 3.32 Từ thông thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.33 Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.34 Tốc độ thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)
[Tu thong thuc (Tang moment quan tinh)-FOC]
[Tu thong uoc luong (Tang moment quan tinh)-FOC]
160 t (s) w ( ra d /s ) t (s) [Toc do thuc (Tang moment quan tinh)-FOC]
Hình 3.35 Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.36 Moment thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.37 Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính)
160 t (s) w ( ra d /s ) t (s) [Toc do thuc, toc do dat (Tang moment quan tinh)-FOC]
[Moment thuc (Tang moment quan tinh)-FOC]
[Moment uoc luong (Tang moment quan tinh)-FOC]
Hình 3.38 Dòng điện pha U của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.39 Dòng điện pha V của động cơ (khi tăng moment quán tính)
Hình 3.40 Dòng điện pha W của động cơ (khi tăng moment quán tính)
[Dong dien pha U (Tang moment quan tinh)-FOC]
[Dong dien pha V (Tang moment quan tinh)-FOC
I (A ) t (s) [Dong dien pha W (Tang moment quan tinh)-FOC]
Hình 3.41 Dòng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment quán tính)
3.4.4 Nhận xét kết quả mô phỏng điều khiển FOC
- Trong giai đoạn khởi động động cơ (2 giây đầu của quá trình mô phỏng)
Từ thông của động cơ duy trì giá trị ổn định khoảng 1 Wb, với thời gian gia tốc nhanh chỉ khoảng 0,5 giây Điều này đảm bảo rằng đáp ứng từ thông đạt yêu cầu mà không xảy ra hiện tượng vọt lố hay sai số tĩnh.
Động cơ đạt tốc độ ổn định gần với giá trị đặt 148,7 rad/s, với thời gian gia tốc từ không đến có rất nhanh, chỉ khoảng 0,1 giây Điều này cho thấy động cơ đáp ứng tốc độ yêu cầu mà không xảy ra hiện tượng vọt lố hay sai số tĩnh.
Khi khởi động động cơ, moment động cơ tăng nhanh đạt khoảng 6 N.m trong 0,1 giây và sau đó ổn định ở giá trị đặt mà không vọt lố Tuy nhiên, tại thời điểm đóng tải (1,5 giây), moment gặp phải nhiễu động lớn Sau khi đóng tải, moment của động cơ tăng theo moment tải cho đến giá trị đặt 3,5 N.m với độ vọt lố trong giới hạn cho phép.
Trong quá trình khởi động, dòng điện ba pha của động cơ tăng lên 12 (A) trong khoảng thời gian 0,1 giây, sau đó ổn định ở mức 8 (A) Điều này cho thấy dòng khởi động gấp 1,5 lần dòng ổn định.
I (A ) t (s) t (s) t (s) [Dong dien ba pha (Tang moment quan tinh)-FOC]
+ Tại thời điểm đóng tải, từ thông, tốc độ và dòng điện ba pha của động cơ không bị ảnh hưởng
- Trong giai đoạn hãm động cơ (2 giây sau của quá trình mô phỏng)
+ Từ thông của động cơ không bị ảnh hưởng và bám rất sát giá trị đặt (1 Wb) cho đến hết thời gian mô phỏng
Tốc độ động cơ giảm 50%, từ 148,7 rad/s xuống 74,35 rad/s, ngay tại thời điểm hãm động cơ (2 giây), cho thấy khả năng đáp ứng tốc độ rất tốt.
Tại thời điểm bắt đầu hãm động cơ (2 giây), moment của động cơ có sự dao động đáng kể nhưng chỉ diễn ra trong thời gian ngắn, không ảnh hưởng đến hệ thống Khi cắt tải, moment động cơ giảm về 0 (tại thời điểm 3 giây) với độ vọt lố cho phép.
Giá trị xác lập của dòng điện ba pha trong động cơ được duy trì ổn định suốt thời gian mô phỏng Trong giai đoạn hãm, dòng điện ba pha chỉ bị ảnh hưởng không đáng kể.
+ Tại thời điểm cắt tải (3 giây), từ thông, tốc độ và dòng điện ba pha của động cơ không bị ảnh hưởng
- Khi đảo chiều quay động cơ
+ Đáp ứng của từ thông, dòng điện các pha của động cơ không đổi so với chế độ quay thuận
+ Moment của động cơ thay đổi không đáng kể
- Khi tăng moment tải (TL = 10,5 N.m)
+ Đáp ứng từ thông, tốc độ, moment thay đổi không đáng kể và bám theo giá trị đặt
+ Dòng điện các pha tăng lên (khoảng 1 A) so với dòng không tải trong thời gian đóng tải
- Khi tăng moment quán tính (J = 0,0252 kg.m 2 )
+ Từ thông động cơ thay đổi không đáng kể và bám theo giá trị đặt
+ Tốc độ của động cơ gần với thực tế khi xuất hiện thời gian trễ tại thời điểm hãm động cơ
+ Moment động cơ dao động đáng kể tại thời điểm khởi động động cơ và khi hãm động cơ nhưng vẫn bám sát giá trị đặt
+ Dòng điện ba pha của động cơ tăng gần bằng dòng khởi động tại thời điểm hãm động cơ
Tóm lại: điều khiển động cơ bằng phương pháp định hướng trường có các đặc điểm sau:
- Đáp ứng từ thông và tốc độ của động cơ rất tốt, không vọt lố, không có sai số tĩnh Tốc độ động cơ tăng rất nhanh
- Đáp ứng moment động cơ đạt yêu cầu về độ vọt lố nhưng còn nhiễu động
- Dòng điện khởi động bằng khoảng 1,5 lần dòng xác lập
- Từ thông, moment được ước lượng tương tự như các đại lượng thực
- Khi đảo chiều quay thì các thông số từ thông, tốc độ, moment của động cơ thay đổi không đáng kể
- Khi tăng moment tải cũng như khi tăng moment quán tính cho thấy đặc tính động của phương điều khiển định hướng trường (FOC):
+ Khi tăng moment tải: dòng điện ba pha động cơ tăng
+ Khi tăng moment quán tính: moment động cơ dao động tại thời điểm khởi động động cơ và thời điểm hãm động cơ
DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Tổng quan về phương pháp đề xuất
Trong những năm gần đây, bên cạnh các phương pháp điều khiển cổ điển và hiện đại, ngày càng nhiều ứng dụng của các phương pháp điều khiển thông minh đang được phát triển Những phương pháp này dựa trên suy luận của con người và hoạt động của não bộ, đặc biệt là các kỹ thuật điều khiển mờ và mạng neural.
Chương này trình bày sự kết hợp giữa kỹ thuật điều khiển định hướng trường (FOC) và logic mờ thông qua bộ điều khiển PI mờ lai Sự kết hợp này đã mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ.
Bộ điều khiển mờ pi
Bộ điều khiển PID có cấu trúc như sau:
Hình 4.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID thông thường
P: là khối tỷ lệ với ngõ ra Pout = K P e(t)
I: là khối tích phân với ngõ ra I out = K i ∫ e ( t ) dt
D: là khối đạo hàm với ngõ ra D out dt t
K d de( ) e là sai số giữa giá trị cần và giá trị thực
Tín hiệu sai lệch e được qua bộ điều khiển PID cho tín hiệu điều khiển đối tượng:
MV(t) = P out + I out + D out Dựa trên cấu trúc điều khiển của bộ PID, phương pháp định hướng trường đã sử dụng 3 bộ điều khiển PI để điều chỉnh tốc độ, mô men quay và từ thông của động cơ điện không đồng bộ ba pha Ba bộ điều khiển PI mờ được thiết kế nhằm kết hợp phương pháp điều khiển phổ biến với các phương pháp điều khiển thông minh dựa vào logic mờ và mạng neural Chất lượng của bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm và sự suy luận của người thiết kế, điều này cho phép không cần biết mô hình toán học của đối tượng Qua quá trình thử nghiệm và điều chỉnh, bộ điều khiển mờ sẽ được tinh chỉnh để nâng cao chất lượng Bộ điều khiển mờ PI hoạt động tương tự như điều khiển tỷ lệ với các hệ số Kp và KI có thể thay đổi, được điều chỉnh theo quy luật để tối ưu hóa hiệu suất.
Việc xây dựng bộ điều khiển mờ dựa vào cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển mờsau:
Hình 4.2 Hệ thống điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ PID Đối tượng
Tín hi ệ u thật e: sai số
Hình 4.3 Hệ thống điều khiển mờ theo sai lệch e và đạo hàm sai lệch
Trong chương này, khối mờ hóa hệ số KP, KI sẽ được thay thế cho bộ điều khiển PI: bộ PI điều khiển tốc độ
4.2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ
Hình 4.4 Sơ đồ khối Bộ điều khiển PID mờ
Hình 4.5 Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ xây dựng trong SIMULINK/MATLAB
Hình 4.6 Sơ đồ khối điều khiển PI MỜ xây dựng trên Simulink/Matlab
4.2.3 Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ lai:
Hình 4.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI mờ lai
Hình 4.8 Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ lai trong SIMULINK/MATLAB
Hình 4.9 Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai xây dựng trên Matlab
4.2.4 Xây dựng các bộ điều khiển PI mờ Đố i v ớ i b ộ đ i ề u khi ể n t ố c độ PI m ờ , ta có s ơ đồ kh ố i nh ư sau:
Hình 4.10.Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PI mờ
Từ sơ đồ khối cho thấy, bộ điều khiển mờ PI thực chất là kết hợp hai bộ điều khiển mờ P (Kp) và I (K I ) riêng lẽ
Sai số tốc độ giữa tốc độ mong muốn (wref) và tốc độ động cơ hồi tiếp (w) là ngõ vào của khối Kp mờ và khối Ki mờ Kết quả ngõ ra từ các khối này là sự thay đổi trong tác động điều khiển, được áp dụng vào quá trình điều khiển động cơ không đồng bộ Hàm liên thuộc Trapmf được sử dụng cho tập mờ ngõ vào và ngõ ra Đối với bộ Kp mờ, tín hiệu sai lệch ngõ vào bao gồm 3 tập mờ: NL (negative large), S (small), và PL (positive large), với các tập giá trị mờ được thể hiện như hình 7.4.
Hình 4.11 Tập mờ sai số tốc độ
Tín hiệu ngõ ra cũng bao gồm 3 tập mờ NL,S,PL (negative large, small - nhỏ, possitive large) với các tập giá trị mờ như hình 7.5
Hình 4.12 Tập mờ ngõ ra của bộ K p mờ
Hệ số KP điều chỉnh tốc độ phản ứng, với KP lớn dẫn đến đáp ứng nhanh nhưng có nguy cơ vọt lố Do đó, bộ luật suy diễn mờ If…then được áp dụng để linh hoạt điều chỉnh hệ số này.
- If sai số tốc độ là nhỏ (S) then KP bé (S)
- If sai số tốc độ là lớn mang giá trị âm (NL) then KP lớn (NL)
- If sai số tốc độ là lớn mang giá trị dương (PL )then K P lớn (PL)
Bộ giải mờ sử dụng kỹ thuật giải mờ centroid
Hình 4.13 Quy luật thay đổi K p
Tương tự đối với bộ điều khiển K I mờ, sai số tốc độ sẽ qua khâu tích phân trở thành tập mờ ngõ vào của bộ điều khiển KI mờ
Hình 4.14 Tập mờ sai số ngõ vào
Hình 4.15 Tập mờ ngõ racủa bộ K I mờ
Hệ số KI điều chỉnh sai số xác lập, nếu KI lớn thì sai số xác lập bé, dễ mất ổn định
Vì vậy, bộ luật suy diễn mờ If…then được sử dụng để giải quyết điều chỉnh linh hoạt hệ số K I theo quy luật sau:
- If sai số là nhỏ (S) then KI bé (S)
- If sai số là lớn mang giá trị âm (NL) then K I lớn (NL)
- If sai số là lớn mang giá trị dương (PL) then KI lớn (PL)
Bộ giải mờ sử dụng kỹ thuật giải mờ centroid
Hình 4.16 Quy luật thay đổi K I Đố i v ớ i b ộ đ i ề u khi ể n t ừ thông PI m ờ , ta có s ơ đồ kh ố i nh ư sau:
Hình 4.17.Sơ đồ khối điều khiển động cơ có bộ điều khiển từ thông PI mờ
Bộ điều khiển từ thông PI mờ tương tự như bộ điều khiển tốc độ PI mờ, nhưng có sự khác biệt ở các giá trị của ba tập mờ ngõ vào và ba tập mờ ngõ ra Hệ thống này sử dụng luật hợp thành IF…then và kỹ thuật giải mờ centroid để tối ưu hóa quá trình điều khiển.
Hình 4.18 Tập ngõ vào của bộ K p mờ
Hình 4.19 Tập ngõ ra của bộ K p mờ
Hình 4.20 Quy luật thay đổi K p
Bộ điều khiển KI mờ:
Hình 4.21 Tập ngõ vào của bộ K I mờ
Hình 4.22 Tập ngõ ra của bộ K I mờ
Hình 4.23 Quy luật thay đổi K I Đố i v ớ i b ộ đ i ề u khi ể n momen PI m ờ , ta có s ơ đồ kh ố i nh ư sau:
Hình 4.24 Sơ đồ khối điều khiển moment có PI mờ
Bộ điều khiển moment PI mờ hoạt động tương tự như bộ điều khiển tốc độ PI mờ, với sự khác biệt nằm ở các giá trị của ba tập mờ đầu vào và ba tập mờ đầu ra Hệ thống sử dụng luật hợp thành IF…then và kỹ thuật giải mờ centroid để xử lý thông tin.
Bộ điều khiển Kp mờ:
Hình 4.25 Tập ngõ vào của bộ K P mờ
Hình 4.26 Tập ngõ ra K P mờ
Hình 4.27 Quy luật thay đổi K p Đối với bộ điều khiển KI mờ:
Hình 4.28 Tập ngõ vào bộ K I mờ
Hình 4.29 Tập ngõ ra của bộ K I mờ
Hình 4.30 Quy luật thay đổi K I
Kết hợp 3 bộ điều khiển PI mờ, ta có sơ đồ mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ:
Hình 4.31 Mô hình 3 bộ điều khiển mờ từ thông- moment và tốc độ
Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào ước lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ pi để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha
ĐỒNG BỘ DỰA VÀO ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR CÓ BỘ ĐIỀU KHIỂN
MỜ PI ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
Hình 4.32 Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI thông thường
Hình 4.33 Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI mờ lai
Bộ điều khiển PID mờ Bộ điều khiển PID thông thường
Hình 4.34 So sánh kết quả mô phỏng giữa Bộ điều khiển PID mờ & PID thông thường
Hình 4.35 Kết quả Bộ điều khiển PID mờ lai
Hình 4.36 Kết quả Bộ điều khiển PID thông thường
Tài liệu HUTECH a) Khi momen quán tính tăng gấp 5 lần
Hình 4.37 So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Từ thông khi có PI mờ
Từ thông khi có PI thông thường
Tốc độ khi có PI mờ
Hình 4.38 So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Hình 4.39 So sánh mômen khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Tốc độ khi có PI thông thường
Mômen khi có PI mờ
Mômen khi có PI thông thường
Hình 4.40 So sánh dòng điệnkhi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Tài liệu HUTECH b) Khi momen quán tính tăng gấp 5 lần, điện trở stator tăng 20%
Hình 4.41 So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Từ thông có bộ PI thông thường
Từ thông có bộ PI mờ
Hình 4.42 So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Tốc độ có bộ điều khiển
Tốc độ có bộ điều khiển
Hình 4.43 So sánh mô men khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Momen có bộ điều khiển PI thông thường
Momen có bộ điều khiển PI mờ
Hình 4.44 So sánh dòng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
Nhận xét
Dòng điện khởi động của động cơ sử dụng 3 bộ PI mờ thấp hơn so với dòng khởi động của động cơ sử dụng 3 bộ PI thông thường.
Momen điện từ của động cơ khi sử dụng bộ điều khiển PI mờ và PI thông thường có giá trị gần tương đương và không bị nhiễu Việc kết hợp điều khiển định hướng trường với bộ ước lượng từ thông và bộ điều khiển mờ PI đã mang lại kết quả mô phỏng phù hợp, cho thấy sự thay đổi các thông số của động cơ tương tự như với điều khiển PI truyền thống.
Dòng điện có PI thông thường
Dòng điện có PI mờ
Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất với bộ điều khiển PI mờ lai mang lại hiệu quả tốt hơn, cải thiện rõ rệt so với bộ điều khiển PI thông thường đã được trình bày trong phần đầu của luận văn.