Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Thiết kế bộ điều khiển trượt cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

"Nếu như ở ĐCKDB ta phải tim cách tính góc pha của từ thông rotor để có thể di chỉnh điều khiển tựa theo nó, thi ở ĐCĐB góc pha ban đã được biết trước và do đó Lava có thé liên tye được

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYEN THÁI THUẬN

THIET KE BO DIEU KHIEN TRƯỢT CHO DONG CƠ

DONG BO NAM CHAM VINH CUU

LUAN VAN THAC SI

HA NOL NAM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘNÔNG NGHIỆP VA PTNT

TRUONG ĐẠI HỌC THỦY LOL

NGUYEN THÁI THUẬN

THIET KE BỘ DIEU KHIEN TRƯỢT CHO ĐỘNG CƠ

DONG BỘ NAM CHAM VĨNH CUU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHÓA HỌC: TS PHAM ĐỨC ĐẠI

HA NỘI, NĂM 2017

LỜI CAM DOAN

Tôi cam đoan đoan đây là công trình nghiền cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiêncứu và các kết luận trong luận văn là trung thục, không sao chép từ bat kỳ một nguồn

đã được thực hiện

h thức nào Việc tham khảo các nguồn tài linào và dưới bắt kỳ

trích din và ghỉ nguồn ti liệu tham khảo đúng quy định

“Tác giả luận văn

"Nguyễn Thái

LỜI CẢM ONĐầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS, PHAM ĐỨC BAL đã tin tink hướng dẫn và

sợi mở cho tôi những vin để gặp phải trong suỗt quả ình làm luận văn, Ngoài ra

chính sự tận tâm và nhiệt huyét trong quá trinh giảng day cũng như hướng dẫn của

“Thầy đã giúp tôi quyết tâm hoàn thành luận văn này,

Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến toàn thé giảng viên Khoa Năng Lượng, các thiy đã trực

tiếp giảng day và truyền đạt kiến thức, Cảm ơn các cin bộ Phong đảo tạo ĐH 2 đã tạo

điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình bọc tập tại Trường

Camm ơn Trường Cao Đẳng Nghề Ninh Thuận nơi tối dang công tác đã tạo điều kiệngiúp đỡ tôi wong thời gian học tập và thực biện luận văn.

‘Toi xin gửi tặng thành qua này cho gia đình tôi Chính gia đình là những người luôncin gũi, theo dõi và động viên tôi trong suốt quả trình học tập và nghiên cứu

‘Sau hết, tôi xin cảm ơn các bạn học viên cao học Kỹ Thuật Diện K24 DH2, các ban

đồng nghiệp đã đồng hành, động viên, giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trinh học tập và

thực hiện luận văn.

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ANH

DANH MỤC BANG BIEU

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT

Tổng quan về động cơ điện dng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Khi quát vé động cơ điện đồng bộ nam chim vĩnh cửu (PMSM)

1.1.2 Ứng dụng của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Đông học động cơ dong bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

1.2.1 Veelorkhông gian và các đại lượng 3 pha

1.22 Xây đựng mô hình động cơ PMSM trong Matlab - Simulink

CHUONG2 CAC PHƯƠNG PHÁP ĐIÈI

2a

24d

KHIE

Phuong pháp điễu khiến vector

Cấu trúc hệ điều khiển Vector động cơ PMSM

2.1.2 Khâu chuyển đổi điện áp CDu

2.13 Khâu chuyển đổi ding điện CDi

2.1.4 Mạch vòng điều chỉnh đông (iva i).

2.15 Mạch vòng điều chinh be độ sơ

2.2.2 Phương trình động cơ trong hệ tọa độ từ thông stator

Phương pháp điều khiển trực iếp moment (DTC)

“Cấu trúc hệ điều khiển DTC

2.23 Lựa chọn veetơ điện áp điều khiển từ thông stator,

32⁄4 Điều khiển moment.

32.5 Lựa chọn vector dig áp.

2.2.6 Uiốc lượng từ thông và moment.

2.2.7 Bộ so sinh từ thông và moment

2.2.8 Thiết lập bang chuyển mạch

1 2

2

23 24 24 28

29

30

31 32

33

“Tổng hợp bộ điều khiển PI điều khiển động cơ theo phương pháp điều khiển

34

2.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển PI dòng điện điểu khiển động cơ theo phươngpháp điều khiển vector 32.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển PI tốc độ điều khiển động cơ theo phương pháp.điều khiển vector 36

24 Kécqui mô phông bộ PL ding điện và ốc độ điều khiển động cơ bằngMatlab ~ Simulink 37CHUONG 3 LÝ THUYẾT DIEU KHIỂN TRƯỢT AP DUNG CHO DIEU KHIENDONG CƠ PMSM 23.4 Tổng quan v điều khiển trượt 2BALL Điều khiển tượt " "5 3.1.2 Ly thuyết điều khiển trượt cccsceeeeeeoeeo.42)

32 Xếthệ thing điều khiển inst bie 2 45

3.3 Nâng cao chất lượng bộ điều khiển trượt bằng cách giảm thời gian đạt tới

mặt trượt 41 3.3.1 So sinh v8 thời gian đại tới mặt trượt của hai luật, 473.3.2 So sảnh về độ dao động của hai luật 49

34 Thiéeké bộ điều khiển trượt cho động cơ PMSM 493.4.1 Phương trình mô tả toán học động cơ PMSM trên hệ tọa độ dq 49.3.42 Thiết kế bộ trượt cho động cơ PMSM 49

3.43 Sơ đồ và chương trình mô phỏng bộ điều khiển trượt trong Matlab —

DANH MỤC CÁC HÌNH ANH

Hình 1.1 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cầu trúc eve lỗi

Hình 1.2 Mô bình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc cục ân

Hình 1.3 Veetor không gian từ các đại lượng pha

Hình 1.4 Biểu diễn dòng điện stator trên hệ tọa độ (Z — / )

Hình 1.5 Méi liền hệ giữa toa độ (ø—/đ) và toa độ (dg)

Hình 1.6 Biểu diễn các vector trên hệ tọa độ từ thông rotor (đ — g)

Tình 1.7 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục ba pha ( — v—w) sang hệ trực (đ—đ)

Mình 1.8 Sơ đồ chuyển đổi hệ true (d — g) sang hệ trục ba pha (w — v.~ w)

Hình 1.9 Mô hình simulink của động cơ PMSM

"Hình 1.10 Sơ đồ mô phỏng động cơ PMSM bing Matlab ~ Simulink

Mình 1.11 Đáp ứng tốc độ.

Hình 1.12 Mô men điện từ

Hình 1.13 Đông i,

Hình 1.14 Dòng pha j,i,

Hình 2.1 Cấu trúc hệ điều khiển vector

Hình 2.2 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh đông 4

Hình 3.3 Sơ đồ mạch vòng điễu chnh tốc 9

Hình 24 Cấu trúc hệ điều khiển DTC

Hình 3.5 Vector we thông, điện áp, ding điện trong các hệ rực tọa độ

Hình 26 Các sector rong hệ toa độ (ø — ))

Hình 3.7 Veetor từ thông stator trong sector I

Hình 2.8 Sơ đồ vị i thông Stator

Hình 2.9 Khau hiệu chỉnh Từ thông và Moment

Hình 2.10 Xác định tham, + , mạch vòng dong điện

Hình 2.14 Dòng i,j

Hình 3.15 Đông pha fy vl

Hình 3.1 Sơ đồ bộ điều khiển trượt trong Matlab — Simulink.

Hình 32 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển rượt bằng Matlab — Simalink

Hình 3.3 ip ứng tốc độ

Hình 34 M6 men điệ từ

Hình 3.5 Dòng /„

Dòng pha /„.j,.j„

Dip ứng tốc độ hật tiến tới mặt trượt 1

Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ luật tiến tới mặt trượt Ì

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng 1.1 Bảng tham số mô phòng động cơ PMSM bing Matlab ~ Simulink

Bảng 2.1 Bảng thiết lập chuyển mach

[Bing 22 Bảng tham s6 m6 phỏng động cơ PMISM bộ PI đồng điện vàtc độ,

Bảng 3.1 Bảng tham số mô phòng động cơ PMSM bộ điều khiển rượt

“

33 37 32

DANH MỤC CÁC TU VIET TAT

Động Co Bing Bộ Nam Châm Vinh CouCông Suit

Động Cơ Không Bing Bộ Roto Ling sócĐộng Cơ Không Đồng Bộ

Động Cơ Đẳng Bộ

Direct Torgue Control Pulse Width Modulation Sliding Mode Control Proportional Integral

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN VE DONG CƠ ĐIỆN DONG BỘ NAM.

CHAM VĨNH CUU

1-1 Tổng quan về động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (MSM)

LLL Khải quit v động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cấu (PMSM)

Động cơ đông bộ kích thích nam châm vĩnh cửu có cấu tạo gồm các cuộn dây 3 pha phân bổ đối xứng và rotor gắn nam châm vinh cứu để tạ từ trường khe hổ Việc loại

bỏ được mạch điện kích từ ở phía rotor đem lại một số ưu điểm cho động cơ PMSM như giảm tôn hao đẳng, mật độ công suất cao hơn, giảm mô men quán tinh của động.

sơ, cấu tạo rotor bén vững về mặt cơ khí hơn.Hiện nay, giá thành của loại động cơPMSM vẫn cao hơn so với loại động cơ không đồng bộ rotor lồng sốc (KĐB-RLS) ở

cùng dai công suit, nhưng động cơ PMSM thường có hiệu suất cao hơn, nên trong thời

gian lâu dài thì giá thành sử đụng của động cơ PMSM vẫn nhỏ hơn so với động cơ

KPB-RLS

'Nguyên lý làm việc: PMSM làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn stator va từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt trên rotor tạo nên Khi số đôi cực của tử trưởng stator và rotor như nhau, vận tốc quay của các từ trường bang nhau (chế:

độ đẳng bộ), thì xuất hiện lục kéo điệ từ gila các cực từ của stator và rotor và hìnhthành mô men dign tử Động cơ khỏi động dưới ác dụng của mô men không đồng bộHình thành do sự tương tác giữa từ trường rotor và ding điện rong đây quấn statorKhi đạt tới vận tốc gần đồng bộ, nhờ the dụng từ trường quay stator và cực từ namchim vĩnh cứu, for được kéo vio đồng bộ

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, khởi động không đồng bộ có nhiều ưu điểm hơn3o với động cơ đồng bộ phản kháng và động cơ đồng bộ từ tr, Do chỉ số năng lượng

(6089) cao hơn, trọng lượng và kích thước của máy bé hơn khí cổ cùng công suit,

khá năng quả tải và ôn định tần số quay lớn hơn

1.12 Ủng dung cia động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

"Đông cơ đồng bộ nam châm vinh cửu có cả ưu điểm của cả hai loại động cơ một chiều

và động cơ xoay chiều không đồng bộ và côn hơn thé nữa, nó có sự tch biệt giữaphần cảm và phn ứng nền dễ ding trong điều chỉnh tốc độ và mô men, Do dé động cơPMSM đang được sử dụng rit rộng rãi và ngày cảng nhiễu hơn trong công nghiệp, đặc.biệt 6 dai công suất thấp và rung bình (công suất tới vải tăm HP), trong các truyénđộng seevõ công suất nhỏ mây công cụ (hi dụ động cơ trục chính, tuyễn động vi

tr ) và tong kỹ huật rd

1.2 Động học động cơ đồng bộ nam châm vĩnh ei (PMSM)

May điện đồng bộ ba pha kích thích nam chim vĩnh cửu có kết cấu phía stator giốngĐCKDB: Dé là hệ thống cuộn dây nhận nguồn cung cấp điện ba pha Khi đại điện ápxoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây phía stator sé tạo rà đồng stator, gy nên điện

áp cảm ứng phía rotor và xuất hiện đồng rotor Ding phía stator có ác dụng tạo nên tithông stator, rotor và đỏ chính li nguyên nhân sinh ra mômen quay của máy điện Điều.ign để xây ra cảm ứng và ạo được moment à tổn tai một "sự trượt" nhất định giữachuyển động quay của rotor và của vetor từ thông stator, đấy là nguyên tắc hoạt động.của ĐCKĐB còn mây điện đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu có một hệ thống namchâm vĩnh cửu gắn chặt rên bé mặt Nghĩa là: Từ thông luôn luôn tổn gỉ, không còn

nhủ cầu trượt tbe độ để cảm ứng từ stator sang rotor nữa và mây điện hoạt động hoàn

toàn đồng bộ

Mô hình động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được minh họa hình 1.1 và hình 1.2đưới đây.

Ta chun Cugn day nha U

Ciộn dây

nhà W

Hình 1.2 Mô hình động cơ đồng bộ ba pha với rotor có cấu trúc eve in

Sy khác nhan cơ bản giữa DCKDB và BCDB là sự khắc nhau trong phương thức sin sinh ra từ hông rotor T thông rotor của ĐCKĐB được tạo nên bai dòng kích tis,một thành phan của đồng stator, còn từ thông rotor của BCDB hoặc được tạo nên bởimột cuộn kích thich biệt lập với các cuộn dây stator, hoặc bởi các phién nam châm.

vĩnh cửu bổ đễu dan trên bể mặt rotor, vi lý do đó dòng điện stator chi còn chứa dong tạo mômen quay „ va không còn đồng kích từ nữa ĐCĐB sử dụng cuộn kích.

tử biệt lập có cầu trúc cơ học hình 1.1 (còn được gọi là ĐCĐB cục lồi, loại kích th

bởi nam châm vĩnh cứu hinh 1.2 (còn được gọi là BCDB cực ẩn)

(Qua mô hình động cơ đẳng bộ nam châm vĩnh cửu ta thấy: từ thông rotor luôn phâncote, có hướng nhất quản và cổ định Tính định hướng nhất quân ấy chỉ phụ thuộc vào

đềusắu trúc cơ học eda máy điện và làm đơn giản dirt nhiều việc xây dựng mô

khiển động cơ,

Nếu như ở BCKDB ta phải tim cách we lượng biên độ từ thing rotor thì ở BCDBbiên độ đó đã được biết trước.

"Nếu như ở ĐCKDB ta phải tim cách tính góc pha của từ thông rotor để có thể di

chỉnh điều khiển tựa theo nó, thi ở ĐCĐB góc pha ban đã được biết trước và do đó

Lava

có thé liên tye được theo di chính xác bằng máy do tốc độ quay rotor,

Hình 1.2 cho phép áp dụng ngay một cách thuận lợi các phương pháp điều chỉnh trên

toa độ đ —g mà Không cần quan tâm đến tọa độ ơ —/Ø nữa Hệ thống kích thích bởi

cuộn kích va dng kích tương ứng nào đó, diễu đô cho phép ta chi cần xét đến loại CPB nam châm vĩnh cửu kiểu cực tron là đầy đủ.

1.2.1 Vector không gian và các đại lượng 3 pha

1211 Biéud vector không gian cho các đại lượng ba pha

Do cấu tạo động cơ điện gôm ba cuộn dây stator, đồng điện ba pha stator của động cơ điểm trung tính cách ly được ky hiệu Tin lược là Í,„, i, i, ta có phương trình

Vi phương điện mat phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ ding bộ có 3 cuộn dây

lệch nhan một góc 120”, Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với tue

thực đi qua true cuộn dây pha u của động cơ, ta cổ thể xây dựng vector không gian cho đông điện stator:

"Đông điện của từng pha chính là hình chiéu của vector đòng điện stator i, lê trục cuộn

day tương ứng Đối với các đại lượng khác của động cơ như điện áp ba pha, từ thông.

ba pha pt stator và ti thông rotor đều có thé xây đựng trên vector không gian tương,

tự như dong điện stator.

1.21.2 Hệ toa dé cổ định stator (a~ B)

Goi trục thực của mặt phẳng phúc ni trê là truc ø và trục do là trục 9 Dặt tên trụccuộn đây phe w là tục thực a và trục vuông gốc với nó là trục áo F Chiếu vector Í,lên hai trục, ta được hình chiếu là í,, và í,, Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ cổ định (hệtọa độ stator),

Hình I.4 Biểu điễn dòng điện stator trên hệ tọa độ (a — B)

Bing cách chiểu vector không gian lên hai trục tọa độ (œ — /) ta có thể tính được.thành phần theo hai trực tọa độ bằng phương pháp hình học Xét thành phần veetor

đông điện trong hệ trụ tọa độ (ce — ):

ĐI

sưa

vã

as

Suy ra

as)

1.2.1.3 Hệ toa độ từ thông rotor (d =4)

“Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (or — /) ta xét thêm một hệ tọa độ thứ hai có trục

hoành d và trục tung g, hệ tọa độ này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc Ø,

so với hệ tọa độ stator Chuyển đồi các đại lượng điện áp, dòng điện, từ thông giữa hai toa độ như sau:

ia

va

Từ hình 1.5 rên ta có thé biểu diễn mỗi liện hệ giữa toa độ («eB và tọa độ (đ ~4)

nh sau, Goi F có thé là các đại lượng điện dp, từ thông, ding điện

“Chuyển đổi các đại lượng từ hệ trục tọa độ (ar —/) sang (d =4)

F,

D

[cosd, —sin0,sind, cos,

Fs

CChuyén đổi ngược các đại lượng từ hệ trục tọa độ (đ =4) sang (a = ổ)

ay

Cae hệ phương tinh này có tác dụng chuyén từ hệ ta độ (ø —/) sang (d—g) và

"ngược lại cho dong điện stator và cũng đúng khi áp dụng cho các thành phần khác của động cơ, Khi xét hệ ga độ (đ — 4), ta cho trục d trùng với tục ừ thông rotor vì quay với tốc độ góc bằng với tốc độ góc của vector từ thông rotor.

“Trục rotor

Mus diyTrục tir pha w

thông rotor

Hình 1.6 Biển diễn các vector trên hệ toa độ từ thông rotor (d —g)

hận x

+ Trong hệ tọa độ từ thông rotor, các vector đông stator và các vector từ thông

rotor quay củng với hệ toa độ (d —g), do đó các phần tử của vector đồng rotor là ác

đại lượng một chiều, trong chế độ xác lập các giá trị nảy gần như không đổi: còn

trong quả trình quá độ, các đại lượng nay biển thiên theo một thuật toán đã được định

trước

Mt uu điểm nữa là thành phin từ thông rotor trên trục (g) có giá tị là 0 doông góc với từ thông rotor tring với trục (a), do đó từ thông rotor chỉ còa thành phần theo trục (đ) và là đại lượng một chiều

1.2.14 Chuyén đã từ hệ tục ba pha sang hệ tục (Á —4)

Từ hình 16 ta có thể chuyển đổi từ hệ trục ba pha(u v w) sang hệ trực tọa độ (d = q)

và ngược lại Giả sử ti thời điểm ơ =0 vị tri khung quay lệch một gốc ổ, =f,trong đó tốc độ quay của khung quay Do đó ta được mỗi liên bệ như su:

2m 2m Nyso) cod0—S) con(0,+ 2) Ít:

h B „Ăn (sy

‹ sim) —sn—^O, -sin@, +75),

Biển đổi ngược:

: cos(#,) —sin(đ,)

h ~sin(@, -23) "| as)

sin, +5

“Sự chuyển đổi này cũng đúng khi áp dung cho thành phần dòng điện

1.3.2 Xây dựng mồ hình động cơ PMSM trong Matlab - Simulink

12.2.1 Thông số của động cơ PMSM

= Điện cảm stator trụ q: L,,

= Tốc độ định mức: „

+ Mô men quấn tính: J

“Ti thông cực: Ú,

1.2.2.2 Hệ phương trình cơ bản của động co

Phương trinh điện áp stator

ay,

dt

= Ri, ++ jy (10)

"Phương trình từ thông stator bao gồm từ thông liên kết phía stator và từ thông liên kết

phía rotor (nam châm)

vy, =LÄ, +W, ai

Phương tinh moment dign từ

Phuong trình cân bằng momen

“Trong đồ m, là momen của tải (motor load); J momen do quản tinh (inertia): B bệ

xổ damping (damping cosffivien), Trong phương tinh trên ¿là t

up,

“Các đại lượng phía rotor và stator trong các phương trình trên được viết trên

c độ của rotor(mechanical), còn w, là tốc độ điện ¿?

Chú

cing một hệ trục tọa độ tham chu (reference frame) Có hai hệ trục tọa độ tham chiếuthường được sử dung để phục vụ việ thiết kế các bộ điều khiển cho PMSM là: Hệtham chiếu tựa theo thông rotor (dl — g) và hệ tham chiếu gắn với stator (đ = /đ) như

đã trình bay ở mục 1.2.1

1.2.2.3 Mô hình mồ tả động cơ tên hệ tọa độ từ thông rotor (d =4)

Do trục d của hệ thamVector tr thông phía stator , gdm ba thành phẫn vy và

hiếu tring với vector ự, nên tị, =0, do đồ W, — tú, =U , giá tử này là không

đổi đối với đông cơ PMSM.

“Từ phương trình (2), tử thông stator theo tr d va'g được tính như sau

019)(us)

“Thay w, cũng như Uy va), vào phương trình (1.10), ta được phương trình điện ápphía stator

(16)

ay

(sy

Trong phương tình trn, thành phần thứ nhất là momen kich (excitation moment) gây

ra do từ thông của nam châm vĩnh cửu Cở,) ong kh thành phẫn thứ hai là momensưỡng bức Phương tỉnh động học của động cơ PMSM như sau:

J des,

1.224 Sơ dé chuyến dit các hệ trục toa độ trong MATLAB ~ SIMULINK

lồ chuyển đổi hệ trục ba pha (tr = = w) sang hệ true (d —4)

1.2.2.5 Mé hình mé phỏng động cơ PMSM trong MATLAB ~ SIMULINK

1.22.6 Sơ đồ và két quá mổ phỏng động cơ PMSM hằng Matlab ~ Simulink

Tình 1.10 Sơ đỗ mô phỏng động cơ PMSM bằng Matlb — SimulinkBảng I.1 Bảng tham số mỗ phỏng động cơ PMSM bằng Matlab ~ Simalinic

35 pha 5

Điện áp nh mie 2mV

Đồng di

Đông điện din BISA

aim việc SIA

Sau Ki động cơ khỏi động Không sit được 05 giấy, ta cho động cơ mang ti

sm, = 3,2m, KẾI quả chạy mô phông như su

ad]

Spe

“Torque [Nm]

Hình 1,12 Mô men điện từ

93 04 05

time fs)

Hình 1.13 Dang ii,

Curent response lau, le, Isw

‘Trong chương 2, luận văn trình bày cae vin dé sau:

= Phương pháp diễu khiễn veetor

08

CÁC PHƯƠNG PHAP DIEU KHIỂN DONG CƠ PMSM.

= Phương pháp diéu khiển trực tiép moment (DTC ~ Direct Torque Control)

Ting hop bộ điều khiển PI điu khiển động cơ theo phương pháp di Miễn vector2.1 Phương pháp điều khiển vector

“Sau khi mô tả tắt cả các đại lượng điện 3 pha (ding điện, điện áp, từ thông) dưới dạng,vector, ta bigu diễn tắt cả các vector đồ trên một hệ toa độ quay (đ =đ) có trục thục

d tring với trục vector từ thông rotor 0, Ta có thể tách vector dòng điện i, thành hai

thành phần i, và jy, tong đỗ j„ giữ vai Hồ tạ từ thông Ú,, Í„ gÏf vai Hồ go

Trên hệ toa độ từ thông rotor ta thu được quan hệgiữa momen quay từ thông và phần

tir của vector đồng stator „ như san:

my en

“Tứphươnginh 21) co ta hy bing ích điều Niễn 1 = 0 sô momen dint

3

my =2p.(¥yh,) e2) Spi.)

Do tir thông ở,là hing số nên momen my sẽ tỷ lệ thuận trực ếp với thành phầndng điện i, Bằng cách điều khiễn dòng điện này, ta có thể điều khiển được mô men

K động cơ PMSM bao gồm điều khiễn hai đại

mmụ, Như vậy phương pháp

lượng

- Điều khiển để giữ đồng điệ i,

= Điều khi ‘momen my thông qua điều khién dong điện i,

21 Cấu trúc hệ điều khiển Vector động cơ PMSM

“Cấu trúc hệ điều khiển vector cho động cơ PMSM được cắp nguồn từ bộ nghịch luu bapha nguồn dp cho trên Hình 2.1 Cu trúc gồm các thành phn sau

Máy do tắc độ: đo tốc độ rotor và tinh toán vị tí góc 8, của rotor.

0,5 food

SVPWM overter

Encoder II

Tic Phin lu,

Hình 2.1 Cấu trúc h điều khiển veetorAghich mi nguồn áp: Chuyên điện p một chiều thành xoay chiều 3 pha cắp cho động

sơ Điện áp xoay chiều (mong muốn) được tạo ra bằng điều khiễn hệ thing các vanbin din công suất đồng ngất sử đụng phương pháp điều chế không gian véc tơ SV-

PWM

“Các khâu chuyển di hệ tục toa độ: Khâu chuyên đổi tọa độ (CDi), (CDu) chuyển các

đại lượng dòng điện, điện áp từ hệ tọa độ ba pha (u—V—W) sang hệ toa độ (0 —/),

hệ tọa độ (ơ — B) sang hộ tọa độ (đ —4) và ngược lại

Cúc bộ điễu Hiển: Bộ điều khiển nỗi ng (cascade contol) được sử dụng để điềukhiển tốc độ động cơ Cụ thể vòng điều khiến the độ à vòng ngoài, bộ điều khiển dòngđiện i là vòng trong Thêm một ving điều khiển giữ dòng điện iy =0, Diu ra của

ộ điễu kiển đồng điện 1, và Í„chính là ác thành phần điện ấp tụ và „ương

ứng

20

2.2 Khẩu chuyễn déi điện áp CDu

“Chuyển đổi đại lượng điện áp từ hệ trục tọa độ (Ỉ — 4) sang (đ — B)

‘Theo công thức (1.7):

c086, sind, sin8, cos8, 21.3 Khâu chuyển đổi dong điện CBi

“Chuyên đổi đại lượng dòng điện từ hệ true tọa độ (a — /Ø) sang (đ —)

221.4 Mach ving điều chỉnh đồng (ivi)

"Phương trình điện ép phía stator:

3)

Từ phương trình (2.3) để tổng hợp bộ điều khiễn dòng điện (iy và í,,) ta coi các

2

thành phần 6jJ,ý„ và WL + 6), là nhiễu Chú ý ng đầu rà của bộ điều khiểnông điện sẽ là điện áp trên hệ toa độ (dq), do đồ ta có thể xây đựng được mạchông điều khiển đông điện như sau:

i K,

+t *

Izsf„

Hình 22 Sơ đồ mạch ving điều chỉnh dòng i,

Khâu điều khiển PI dong điện Ry và Ry, Ry=(, +9)

“Từ các phương trinh (2.4), 2.5) và (2.6) kết hợp với đầu ra cũa bộ điều khiển tốc độ là

dong điện đặt i, mạch vòng điều khiến tốc độ được xây dựng như sau:

2

Hình 2.3 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ we

Kk

Khâu điều khiễn PHốc độ wo! R= UK, +

“Nhận xét về phương pháp điều khiển vector

Phuong pháp điều khién vecto với bộ điều khiển chính dòng điện và bộ điểu biển độ,

xông xung cũng đã dem lại một số kết quả trong truyền động Bên cạnh những ưu

điểm, phương pháp này cũng còn tin tại một số nhược điểm

- Điều khiển moment của động cơ thông qua điều khiễn dng điền, đây là phườnghip điều khiển gin iẾpsẽ gây nên sự chim tr trong điều khiển,

+ Trong hộ truyén động điều khiến vectơ bị ảnh hưởng bởi nhiễu thông số của máy điện như điện trở, điện cảm,

= Để điều khiển đồng điện cin bit vị trí rotor eta động cơ, vĩ vây cần phải 66 bộ

resolver đo vị, gây phốc tap ong tran động và độ tin ậy cơ kh khi hoại động ở

tộc độ cao.

3.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC)

DTC là phương pháp điều khiển trực tiếp moment dựa trên tác động trực tiếp các

vector điện áp lên vector từ thông stator làm thay đổi trạng thải của vector tờ thông,

stator din đến thay đổi trực tiếp moment điện từ của động cơ Đây là phương pháp,điều khiến đơn giản vì không cần gắn cảm biến vào trục động cơ

"Nội dung của phương pháp này là đựa trên sai lệch giữa giá tị đặt và giá tị ước lượng,

từ các khâu inh toán hi gp về của moment và tờ thông Mặt khác c ¢

2B

khiển tực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua các tín hiệu điều khiểnđồng cắt các khỏa công suất nhằm mục dich giảm sai số moment và từ thông trong

phạm vi cho phép được xác định trước,

Sai số giữa moment tốc lượng và moment dit được đưa vào khẩu so sinh tể bậc 3,trong khi sai số giữa biên độ tử thông stator ước tính vả tử thông đặt được đưa vào

hu so sánh tré bậc 2

2.21 Cấu trúc hệ điều khiển DTC

—— Inverter

: Dida th ^

th ‘moment |Công tic | 9

7 + ,Đâmhẩ| - | bin din

oS] tithing

a Ue lượng

moment }-}

x ức ugg thing va moment

Hình 2.4 Cấu trúc hệ điều khiển DTC

2.2.2 Phương tình động cơ rong hệ ta độ ừ tông stator

‘Vector từ thông stator Ø, và vector từ thông rotor Øy được biểu diễn trong các hệ toa

độ từ thông rotor (d =4) và hệ tọa độ từ thông stator (x — y) như hình 2.5

24

Hình 2.5 Vector từ thông, điện áp, dng điện trong các hé trục tọa đội

“Góc giữa từ thông stator và từ thông rotor là góc tải ổ Ở trạng thái dn định góc tái @

là hing số tương ứng với một moment ti và cả từ thông rotor va stator tỷ lệ với tốc độđồng bộ Khi hoạt động góc ổ và từ thông stator và rotor tỷ lệ với các tốc độ khácnhau, Vì hẳng số thi gian về điện tông thường nhỏ hơn nhiễu so với bằng số tồiasian cơ học, tốc độ quay của tử thông stator có quan hệ với từ thông rotor, có thayđổi dễ dàng Nó được chứng minh trong phan này rằng sự gia tang moment có thé didkhiển bằng cách góc ổ hoặc thay đối tốc độ quay của từ thông rotor

“Các phương tinh từ thông stator, điện ấp, moment trong bệ tọa độ (dq) như sau

ình sin, Biển đội thành tọa độ (x — y ) một cách tổng quất

“rong đó: F 1a các đại lượng điện ấp, ding điện va từ thông

2221 Phương tình moment trong hệ toa độ (xy)

Vi biển độ của thông stator [pli hằng số nên moment quan hệ một cách trực iếp

với thành phần trên trục y của dang điện stator

2.222 Phương tình từ thông trong hệ toa đồ (x— y)

"hương th từ thông ta ó thé viết dưới dạng ma trận như sau:

@13)0

“Thay phương trình 2.11 vào phương trình 2.13 ta được:

26

Hoge y= Li, +9, cose

Trong đó: 6 là góc giữa vectơ từ thông stator và từ thông nam châm

tình (2.17) chứng tỏ rằng sự gia tăng moment tương ứng sự gia tăng ở,

“Từ phương

nếu biên độ của từ thông stator được giữ là hing số và ở được điều khiển trong phạm

a + thì moment dat cực đại khi Ỹ Hay nỏi cách khác, từ thông stator

sẽ được điều khiển theo cách giữ biên độ bằng hing sẻ, tốc độ quay được điễn khiểncảng nhanh cing tốt, để đại sự thay đổi momen cực đại

mm

2.23 Lyra chọn vetơ điện áp điều khiễn từ thông stator

Từ các công thức ở rên đã chứng minh ring moment thay đổi có thể điều khiển bằngcách git bign độ cia từ thông stator bằng hing số và tăng tốc độ quay cũa từ thôngstator cảng nhanh cảng tốt, để đạt sự thay đổi moment eye dai Trong phần này sẽ chứng minh cả biên độ vả tốc độ quay của từ thông stator có thé điều khiển bằng cách lựa chọn các vectơ điện áp thích hợp.

Vector điện áp stator trong không gian ba pha được thể hiện như công thức,

j120" 240°

no 1` ua G18)

Trong đồ tạ, uy, tạ, là các giá tị ức thời của điện ấp các pha Khi các cuộn đây

được nuôi bối một bộ biển tần nguồn áp thì, Hy được xắc định từ trang thái củasắc công tắc bin din s,,, s, Theo đó u, được ni với s„ néu s, cổ giá tị 1, ngược

lạ a, được nổi dit, tương tự đối V6,

Do dé ta sẽ có 6 vector điện áp khác 0 là: U1(100), U2(110), Ua(010), U4(011),

'US(001), U6(101) và hai vector 0 là: U7(0,0,0) và U§(0/0/0) Sáu veclor điện áp khác,

không lệch nhau 60" va chúng biểu diễn như hình 2.6 Các vector điện áp tương ứng,

với các trang thái đồng được đặt ở các sector tương ứng,

28