Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha Rotor lồng sóc

Nhiệm vụ luận văn thạc si “Thiét kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộba pha rotor lông sóc ” là thiết kế và ché tao phan cứng va phần mém điều khiến tốc độcho động cơ không đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Tân Nó MSHV: 12393011Ngay, thang, nam sinh: 23/02/1988 Nơi sinh: Long Thuận — Đồng ThápChuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số :

I TÊN DE TÀI:Thiết kế bộ điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor léng sóc.H NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Thiết kế bộ điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, sửdụng phương pháp điều khiến trực tiếp mômen (DTC) dựa trên ước lượng thông số điệntrở stator và tốc độ rotor

Ill NGÀY GIAO NHIEM VU:IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU:v CÁN BO HƯỚNG DAN: TS Trương Nguyễn Vũ

Tp HCM, ngay thang năm 20 CÁN BO HƯỚNG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Họ tên và chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA (Họ tên và chữ ký)

TRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa hOC : cscscscsesesesesesesessscscscscsescsesescsescscscesssesssesesceees

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, hoc vi và chữ ky)Cán bộ cham nhận xét Ï : c¿-cc-55+cct>reEttererrerrrerrrrrrrrrrred

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, hoc vi và chữ ky)Cán bộ châm nhận xét 2 : :-c¿-c+2ctEttrirtterrrrrrrrrrrrrrrrrried

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, hoc vi và chữ ky)Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, DHQG Tp HCM

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

Nhiệm vụ luận văn thạc si “Thiét kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộba pha rotor lông sóc ” là thiết kế và ché tao phan cứng va phần mém điều khiến tốc độcho động cơ không đồng bộ ba pha rotor léng sóc có công suất 2HP dựa trên phươngpháp DTC, sử dụng các thuật toán điều khiển ước lượng thông số cơ điện (điện trở statorvà tốc độ rotor) của động cơ.

Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù tác giả đã gặp nhiều khó khăn, nhưngđã nhận được nhiều sự giúp đỡ về mặt tin thần và vật chất từ: Cán bộ hướng dẫn, ThầyCo, Gia đình, Ban bè.

Đâu tiên xin cám ơn gia đình đã động viên giúp đỡ tác giả khi thực hiện luận văn.Tác giả xin cám ơn TS.Trương Nguyễn Vũ, TS.Lê Duy Thạc, phòng Tự ĐộngHóa & Robot đã định hướng và vạch ra hướng nghiên cứu cho tác giả, tư vẫn và giúpđỡ giải quyết khó khăn về mặt chuyên môn trong quá trình thực hiện đẻ tài Xin cám ơnđến toàn thể anh, em, cô, chú cán bộ thuộc Viện Cơ Học & Tin Học Ứng Dụng, ViệnHàn Lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam, đã hỗ trợ thiết bị, kinh phí cho tác giả hoànthành luận văn này.

Xin cám ơn đến toàn thé Thầy Cô thuộc Bộ môn Cơ Điện Tử, trường DH BáchKhoa TP.HCM đã giúp đỡ, giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên môn, giúp tác giảhoàn thành luận văn.

Cuối cùng xin cám ơn đến Thay Cô phòng thí nghiệm Điện — điện tử, phòng thínghiệm Truyền động điện, Bộ môn Cơ Điện Tử trường ĐH SPKT TP.HCM đã hỗ trợthiết bị, xin cám ơn PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương, PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh đãsắp xếp công việc hợp lý cho tác giả có thời gian hoàn thành luận văn

Luận văn “Thiết kế bộ điều khiến tốc độ động cơ không dong bộ ba pha rotor longsóc” mô tả việc thiết kế phan cung va phan mém cho bộ điều khiến tốc độ động cơ,phân cứng bao gồm động cơ không đồng bộ có công suất 2HP kết nối đồng trục vớiđộng cơ DC có gắng encoder (2400xung/vòng), bộ chuyển đổi điện áp sử dụng 6MOSFET và tín hiệu điều khiến được truyền từ máy tính thông qua card NI6024E Phanmềm được thiết kế dựa trên công cụ xPC target trong simulink của Matlab cho phép cóthé thay đổi nhanh chóng các thuật toán điều khiến và điều khiến thời gian thực Điềukhiến tốc độ dựa trên bộ điều khiến PI, sử dụng phương pháp điều khiến DTC có ướclượng giá tri điện trở cuộn day stator Đề hiểu rõ về luận văn và các công trình nghiêncứu liên quan, tình hình nghiên cứu trong và ngoai nước sẽ được thực hiện ở chương I,cơ so lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha, hệ tọa độ, phương trình mạch điệntương đương động cơ IM sé được trình bày trong chương II, chương III là mô hình điềukhiến tốc độ động co sử dụng phương pháp DTC, được xây dựng trên simulink củamatlab, và xpcTarget điều khiến phan cứng thực tế Chương IV trình bày việc ước lượngcác thông số cơ điện của động cơ (điện tro stator va tốc độ rotor) phục vụ cho việc điềukhiến có hôi tiếp, kết quả mô phỏng và thực nghiệm của hệ thống được trình bày trongchương V, chương VI là kết luận và hướng phát triển của dé tai.

ABSTRACT

Thesis "Design speed controller for three-phase squirrel-cage induction motor"describes the design of hardware and software Hardware including 2HP inductionmotor connectors with DC servo motor, the voltage converter with 6 MOSFET (25A —600V) and receives signal control from the computer through NI6024E card Softwaredesign tool based on xPCtarget of simulink, which can quickly change controlalgorithms and real-time control Speed controller based on PI rule, using the DirectTorque Control method, which has estimated the value of the stator winding resistance.To understand the dissertation and related research, the introductions will be presentedin chapter I, the theoretical basis of the asynchronous motor, system coordinate, theelectrical system will be presented in chapter II, chapter III presents the method of speedcontrol using DTC method, built on simulink of matlab, and xPCTarget in hardware.Chapter IV presents the estimation of the machenical - electrical parameters (statorresistance and rotor speed) served for feedback control, the results of simulation andexperiment of the system is presented in chapter V, chapter VI is conclusion anddevelopment of the thesis.

Tôi là học viên Nguyễn Tan Nó, MSHV: 12393011, tác giả luận văn “Thiét kế bộđiều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rotor long sóc ” Tôi xin cam đoannhững gì được thực hiện và trình bày trong luận văn là hoàn toàn đúng sự thật, và tôihoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực của luận văn.

Tác giả

Nguyễn Tan Nó

AC: Alternating CurrentDC: Direct Current

HP: HorsePower

IM: Induction MotorIGBT: Insulated Gate Bipolar TransistorMOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect TransistorDTC: Direct Torque Control

FOC: Field Oriented ControlDTC — DSC: Direct Torque Control - Direct Self ControlDTC— SVM: Direct Torque Control - Space vector modulationV/F: Volt/Hertz

CNC: Computer Numerical ControlIC : Integrated Circurt

PMSM : Permanent Magnet Synchronous MachineBLDC: Brushless DC Electric Motor

SLM : Sliding ModeST: Switch TableI/O: Input/OutputMRAC: Modeling Reference Adaptive ControlLPF: Low Pass Filter

I.Ý nghĩa, tầm quan trọng của việc nghiên cứu luận VAN «55s +<<<<<<<2 l2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài NƯỚC Ăn vớ 22.1 NgOài HƯỚC G0 ọ rre 22.2 y0¡12ì)))(9,vZ2đaaiaiddỔ 83.Một số bai báo nghiên cứu liên quan - - 2 25 SE SESE£E£E+EEE£E£E+EzErErsrkrersee 104 Hướng nghiên cứu chính của luận văn - - (<< + 1199990 1 1n vn ree 15“50/0000 0 4 ố.ố.ốỐố ẦẦỀ 3 154.2 Hướng giải QUYẾT 5-56 S23 E2 1239111212111 211111 111.1111.111 15Chương II: CƠ SO LY THUYET 0.cccccccccccccsccsescecscsscscscscsssseseseesssssseseseass 171 Cơ sở ly thuyết động co không đồng bộ ba pha - eseseeesecseeeeseeeeeeen 17lim Si 08 a1R 4ốậaạa_a_aáaáa an 171.2 CAU a0 ceececccscecesessscscscesesssvscscscecscvevscscececssvavacacscssvevavacacecsesevavacacessevacaceceseeeas 171.3 Nguyên lý hoạt động - - - << - Ăn re 181.4 Hệ toa độ toán hoc được sử dụng trong động cơ IMM «<< <<<<2 201.4.1 Chuyên đổi hệ tọa độ - 5-5 S213 1 E1 121115131111 11 0111111111111 re 201.4.2 Hàm truyền CÍarKe - + 2 6E SE SE E219 E1 121 1515111171115 15 11111 Te 211.4.3 Hàm truyền Park - +53 SE S1E321515 5112311151111 11 11115111111 Te 221.5 Mô hình toán trong động cơ không đồng bộ - + 25 5+c£2£s252 221.6 Các phương pháp điều khiến - - + S211 9 SE 3 1515151121 117125 1111111 e, 24Chương III: XÂY DUNG MÔ HINH DIEU KHIỂN TOC ĐỘ DONG CO IM SUDUNG PHƯƠNG PHAP DTC oo.iciccccccccccccscsesececscscscsescscscsssssssssssssscscscsescscssesess 261.Lý thuyết phương pháp điều khiển ID'TC + 2 26 + E2 £E2E£E+ESEEEEErErrrrrrees 262 Xây dựng mô hình DTC trên Simulink của Matlab 5S << sseesss 293 Cơ sơ lý thuyết về công cụ XPC TaFB€L - c5 S2 22123 3 E2 E121 E112E1 111 rve, 33Chương IV: THIẾT KE BO UOC LƯỢNG THONG SO CƠ ĐIỆN 351 Ước lượng tốc độ dựa trên bộ điều khiến thích nghi - 5-5-5 2 2 255225: 352 Ước lượng tốc độ rotor sử dụng mô hình trượt kết hợp thích nghi - 43 Ước lượng tham số điện trở stator dựa trên bộ điều khiến trượt -s <¿ 46Chương V: KET QUÁ MO PHONG VÀ THỰC NGHIEM - 491.Kết quả mô phỏng - ¿+ 5£ 2E9E SE E93 SE E3 E233 1211111211111 2111 211111111 49

1.2 Ước lượng giá trị tốc độ và điều khiến DTC với các tham số đầu vào của bộđiêu khiên(tham sô Rs) được lầy từ bộ ước lượng . - << ««<+++ssss 541.3 Kết hợp hai bộ ước lượng cho phương pháp điều khiển DTC 572 Kết quả thực nghiệm - ¿525% S211 E5 1 15151511 1111111511 1111151111011 0 1 X0 632.1 Phần CỨng -:- 52562221 1911212191121 2111 2111112111111 11111 1.1111 632.2 Kết quả đáp ứng thực nghiệm -¿- + ¿©2252 2E+ESEE2EEEEEEeErrkrkrrrrrrrrree 67Chương VI: KET LUẬN VA HUONG PHAT TRIEN DE TÀI 711 KẾT luận - tt 1119121 11 911101111 0111010111 1H11 TT TT TH ng net 712 Hướng phát triển dé tai ccc cscscsscscscscsesscscscsssssscsescscssssscscssssssssessssseseseass 71TÀI LIEU THAM KHẢO - - 552523 3E E3 3 15111 1211111151111 1111k 72

Chương I: TONG QUAN

1 Y nghĩa, tam quan trong của việc nghiên cứu luận vănĐược sử dụng ngày càng rộng rãi trong và ngoài nước, động co IM được coi nhưlà sức kéo của cả nền công nghiệp (vi dụ như động cơ kéo cho dây chuyên, băng truyềncông nghiệp, động cơ cắt cho các loại máy phay CNC đa trục )[1][2]I3] động co IMngày càng thu hút được nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiếnchuyển động Một phan la do động co này có cau trúc khá đơn giản, dãy tốc độ chậm,giá thành chế tạo thấp (tính trên từng KW), do vậy giảm thiểu chi phí bảo trì trong suốtvòng đời sử dụng Theo khảo sat, thi 65% năng lượng điện được sử dụng cho động cơđiện Trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng, 76% được sử dụng bởi động cơ, và trên90% là động co IM Động cơ IM được đánh giá là có tính hiệu quả cao về tốc độ và khanăng kéo tải Tuy nhiên nếu tải nhẹ, ton hao sắt từ tăng, làm giảm hiệu suất đáng kể, vidụ đối với động cơ có công suất 500Hp được kiểm soát công suất phù hợp, sẽ tiết kiệmđược $7000 ở mức giá điện là $0.05/KwHr[4][42] Do do, ta thay việc nâng cao hiệusuât động cơ là vần đê cân được nghiên cứu.

Tuy nhiên động cơ IM là đối tượng phi tuyến, có nhiều thông số thay đổi trongquá trình hoạt động (điện trở stator va rotor thay đôi bởi nhiệt sinh ra trong động co, masát nhớt, mômen quán tinh và đặc biệt là tải thay d6i )[5][16], do đó việc điều khiếnchính xác tốc độ động co là van dé đã được nghiên cứu từ nhiễu thập ky nay, trongnhiều phương pháp điều khiến hiện nay như phương pháp điều khiến vô hướng (Scalarcontrol), điều khiến định hướng trường (Field Oriented Control), phương pháp điềukhiến trực tiếp mômen (Direct Torque Control) thi phương pháp điều khiến trực tiếpmomen (DTC) ra đời trễ nhất, có ưu điểm hon so với phương pháp điều khiến địnhhướng trường (FOC) là ít lệ thuộc vào thông số điện của động cơ, ngoại trừ giá trị điệntrở stator, do đó dé cải thiện chat lượng điều khiến thì giá tri điện trở stator cần đượcxác định chính xác trong quá trình điều khién[6]

Với những phương pháp điều khiên toc độ được kê trên, dé toc độ được dam bảochăc chac chính xác và ôn định, thì yêu câu có cảm biên toc độ cho việc điêu khiên vòngkín Tuy nhiên sử dung cảm biên toc độ có một vài bat lợi vê chi phí, tín ôn định, khanăng chong nhiêu, và ảnh hưởng đên ket cau cơ khí hệ thông Việc ước lượng toc độ

động cơ không cần cảm biến tốc độ đã được quan tâm nghiên cứu trong nhiều năm gầnđây Nhưng bởi vì động co mô hình IM có nhiều biến, cộng với có nhiều phương phápđiều khiển khác nhau, nên việc ước lượng tốc độ rotor và từ thông không dùng cảm biếnvan là một van dé cần được nghiên cứu[7][9] Và những phương pháp điều khiến khácđã dần hoàn thiện và mang lại hiệu quả Việc điều khiến tốc độ động cơ không dùngcảm biến tốc độ đã được nghiên cứu ngày càng phố biến hiện nay với mục đích lamgiảm chỉ phí, và tránh được những khó khăn trong việc lắp cảm biến tốc độ lên trênđộng cơ, vì hầu hết phần cơ khí của động cơ không đồng bộ không hỗ trợ cho việc lắpđặt cảm biến tốc độ.

Điều khiến tốc độ động cơ IM được ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi độ chínhxác cao như: băng tải trong dây chuyển đóng gói sản phẩm, máy cắt các phôi vật liệukhông đồng chất

Ngoài ra việc ứng dụng xPC target điều khiến thời gian thực cho tốc độ động cơIM có thể ứng dụng trong giáo dục, giúp mô phỏng, kiểm tra, phân tích, so sánh các lýthuyết điều khiến một cách thuận lợi và nhanh chong[10][12][18][19][20]

2.Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước2.1 Ngoài nước

Xuất phát từ sự phát hiện ra nguyên lý từ trường xoay của nhà vật lý người PhápFrancois Arago năm 1824, qua hàng trăm năm tôn tại nhưng động cơ IM vẫn được sửdụng rộng rãi trong thực tế vì: giá thành rẽ, 6n định, tính kinh tế cao Tuy nhiên bởiđược sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích khác nhau, với những yêu cầu khác nhau vềmôi trường, tốc độ, điện áp Nên có nhiều phương pháp điều khiến ra đời nhằm đápứng những yêu cau đó

Có nhiều phương pháp điều khiến động cơ, đơn giản nhất là sử dụng phương phápđiều khiến vô hướng, phương pháp này điều khiến tỉ số giữa điện áp và tần số khôngđối, từ đó thay đối tốc độ động cơ IM, phương pháp này điều khiến đơn giản, được ứngdụng cho các nhu cầu không cần độ chính xác cao như: bơm, quạt [2][13][15]

Nhiều hãng sản xuất như: Siemens, Mishubishi, ABB, Hitachi, Omron,

TOSHIBA, Panasonic, Powtrant Da ché tao thanh công bộ điều khiến tốc độ độngcơ và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay[3].

Hình 1.3: Biến tan Powtrant[ 13] Hình 1.4: Biến tan Toshibal 14]Tháng 04/1998, trong báo cáo “Giải pháp xử lý tín hiệu số” của Zhenyu Yu andDavid Figoli mang số hiệu: SPRA284A, thuộc công ty Texas Instrument, đã dé cập việcứng dụng chip DSP dé điều khiến tốc độ động cơ IM sử dụng phương pháp V/F, báocáo phân tích cu thé phương pháp điều khiến V/F, khảo sát quang phố va dòng điện ởtừng tốc độ và tan số khác nhau: F=25Hz, F=55Hz, F=30Hz57, F=60Hz.

Năm 2004, 2005 công ty Microchip công bố dòng chíp dùng điều khiến tốc độđộng cơ IM su dụng phương pháp V/F control là PIC16F7X7, PIC18F4431, dsPIC30Fở hai bang báo cáo mang kí hiệu: AN900, AN984.[6][17] Kết quả báo cáo cho thay bộđiều khiến ứng dụng điều khiến tốc độ động cơ cho máy bom, tốc độ giảm tới 20% vàtiết kiệm được 50% năng lượng

Tháng 07/2013, trong biên bản báo cáo mang số hiệu SPRABQS8 cua Bilal Akinand Nishant Garg, thuộc công ty Texas Instrument, đã để cập việc ứng dụng ICTMS320F2803x trong phương pháp điều khiến V/F

peed Se AN1 RB4}— L2» SDPWM1 6 HIN1 HOut2|+}—? IGBTH2 3 Pháse

Fwd/Rev ——ö “e— Nl % > ae HOut3|—*|IGBTH3 hứa XỆ—*

LOut1 F—*|IGBTL1 Motor

Run/Stop—o co— LOut2 | —»|IGBTL2

Do đòi hỏi việc điều khiến kỹ thuật cao cho động cơ động cơ IM, năm 1971Blaschke’s đã tìm ra phương pháp điều khiến tốc độ động co dựa vào việc điều khiếntách biệt từ thông và mômen được gọi là phương pháp điều khiến tựa trường (FOC), vàtừ đó đã có nhiều công việc nghiên cứu nhằm cải thiện động học và giảm thiểu tínhphức tạp của phương pháp này.

Trong báo cáo luận văn tiến sĩ mang tên “adaptive sliding mode observer and lossminimization for sensorless filed orientation control of induction machine” năm 2005của Jingchuan Li, thuộc khoa điện và may tinh, dai hoc bang Ohio (The Ohio stateUniversity), tac giả đã dé cập phương pháp điều khiến tốc độ động co IM, có héi tiếptốc độ rotor không dùng cảm biến, khi tốc độ được ước lượng từ bộ điều khiến trượt kếthợp với bộ điều khiến thích nghi Mô phỏng được thực hiện trên Matlab Simulink, vàphân cứng thực tế được điều khiển băng TMS320F2812 DSP

Hình 1.6: Mô hình điều khiển trong nghiên cứu của Jingchuan Li[42]Tháng 03 năm 2013, Doan Phuc Thinh, Nguyen Tan Tien, Sang Kwun Jeong, SeaJune Oh, va Sang Bong Kim thuộc trường đại học quốc gia Pukyong, Busan, Han quốc,thiết kế bộ điều khiến tốc độ động cơ IM sử dụng bộ điều khiến trượt dé quan sát tốcđộ rotor, điều khiến dựa trên DSP TMS320F28355 [9]

Kết quả cho thời gian đáp ứng khoảng 0.7(s), dòng điện stator không dao động độtngột giống như chưa áp dụng luật điều khiến

Lil | h7” li ee foe

Hình 1.7: Mô hình điều khiển động cơ IM của nhóm nghiên cứu ở Pukyong[9]

4

Thông sỐ động cơ IM: momen quán tính 0.007(Kgm2) điện trở Stator 0.01(Ohm),điện tro Rotor 0.01(Ohm), độ tự cam Stator 3.I(Ohm), độ tự cảm rotor 3.1(Ohm), độ tựcảm tương hỗ 3.1(H).

Những phương pháp để ước lượng được tốc độ rotor, điện trở rotor của động cơIM cho việc điều khiển đã được thực hiện trong phương pháp điều khiến tựa trường đãđược nghiên cứu như:

- Dựa trên sự thay đối từ thông (Magnetic - saliency): phương pháp dựa trên sựthay đối từ thông gặp khó khăn trong khi động cơ hoạt động với vận tốc thấp Nhữngcách tiếp cận dựa trên các phản ứng động cơ cho phép kiểm tra tương đối tín hiệu tầnsố cao, mà việc nghiên cứu sự thay đổi từ của động cơ do độ bão hòa hoặc mô hình.Chúng cần phải có dụng cụ đo có độ chính xác cao, phần cứng và phan mềm điều khiếnphức tạp đối vơi việc điều khiển véctơ tiêu chuẩn Khi hoạt động với tần số cao, phươngpháp này là nguyên nhân gây ra các hiện tượng như: mômen dao động, rung, nhiễu.Hơn nữa, đặc tính này thấp không có phản hồi phù hợp, nhưng nếu tăng cường hệ thongđòi hỏi phải thiết kế máy phù hợp, do đó không thể áp dụng cho một động cơ khác phù

hợp|42]

- Ước lượng tốc độ và từ thông dựa vào mô hình dòng điện và điện áp: Việc ướclượng từ thông dựa vào mô hình điện áp gặp nhiều van dé khi hoạt động trong miễn cótần số thấp, bởi vì tín hiệu nhiễu của điện áp đo được rất thấp, và rơi áp trên điện trởstator nhiều hơn Mô hình điện áp cũng có thé cảm ứng được từ thông Việc xem xét từthông dựa vào mô hình dòng điện cho kết quả kha thi hơn khi hoạt động với tốc độ thấp.Ngoài ra, độ chính xác của nó không bị ảnh hưởng bởi sự rò ri điện cảm trong mọi điềukiện hoạt động Tuy nhiên nó không làm việc tốt ở tốc độ cao, bởi vì điện trở rotor thayđối Do đó, dé đạt được đáp ứng tốt, thì nên điều khiến quan sát mô hình dòng điện ở

tốc độ thấp, và quan sát mô hình điện áp ở tốc độ cao|42]

- Phương pháp thích nghi dựa trên mô hình tham khảo: Là phương pháp ước lượng

từ thông dựa trên mô hình tham khảo của hệ thong, va su dung cac chién luge thichnghi khác Ước lượng dựa trên sự so sánh giữa ngõ ra của hai giá trị ước lượng, va sai

số ngõ ra được sử dụng dé điều khiến mô hình cho phù hợp tốc độ ước lượng Phươngpháp này yêu câu tích hợp hai mô hình Tuy nhiên, phương pháp nảy vẫn bị giới hạnbởi sự thay đôi thông số mô hình và vẫn đề ước lượng từ thông chính xac[42]

Hình 1.8: Uớc lượng tốc độ dua vào mô hình MRAC[30]- Phương pháp tiếp cận dựa trên quan sát thích nghỉ: Có thể nói đây là phươngpháp hoan thiện khi dùng phương pháp điều khiến tối ưu tính toán các van dé đơn giản.Tuy nhiên tính bên vững của thông số không được đảm bảo Sự điều chỉnh sau đó đượcáp dụng băng cách sử dụng các sai số giữa các véctơ điện áp stator thực tế và những

ước tính Tuy nhiên, điều này đòi hỏi phải có thêm cảm biến điện áp cho hệ thống|42]

- Su dụng Kalman filter mở rộng: Sử dung Kalman Filter mở rộng là giải pháptiềm năng cho việc ước lượng từ thông tốt hơn Không may, cách tiếp cận này có chứamột số nhược điểm cố hữu chang hạn như hàm lượng tính toán va không có thiết kế vàđiều chỉnh tiêu chí cụ thé[42]

Propose State Vector

x, =x, +K,(y, hig yk)

Hình 1.9: Uéc lượng tốc độ dựa vào Kalman filter mở réng[43]— Quan sát sử dụng bộ trượt: Quan sát sử dụng bộ điều khiến trượt được xem là cólợi thế về tín bền vững và sự thay đổi thông số và là phương pháp điều khiến tiềm năngcho động cơ điện Việc quan sát từ thông sử dụng bộ điều khiến trượt đã được thực hiện

trong việc điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ không dùng cảm biến tốc độ Cácthuật toán này sử dụng một mô hình quan sát từ thông hiện tại và áp dụng giới hạn điềuchỉnh dựa trên các sai số tính toán hiện hành Quan sát tốc độ rotor, thời hăng rotor dựavào dòng điện va từ thông ước lượng Vì thế, sai số tốc độ rotor va thời hằng rotor khôngđối sẽ ảnh hưởng đến dòng và từ thông ước lượng, do đó làm giảm độ chính xác khiquan sat[37]|[38][42].

- Điều khiển không dùng cảm biến tốc độ dựa trên giải thuật di truyền và mạngthần kinh nhân tạo: Các thuật toán điều khiến thông minh được ứng dụng vào việc điềukhiến tốc độ động cơ không dủng cảm biến, cho kết quả tốt, và ôn định, tuy nhiên cầnphải đòi hỏi hàm lượng tính toán lớn, do đó cần phải có bộ điều khiến có cầu hình mạnh,tốc độ cao[35][42]

| R,

Hình 1.10: Uéc lượng tốc độ dựa vào mạng than kinh nhân tao[35]Đến năm 1984, nghiên cứu của Takahashi được nhiễu sự quan tâm khi tìm raphương pháp điều khiến trực tiếp momen (Direct Torque Control )[1], do phải tính toánmột khối lượng công việc lớn trong thời gian ngăn (Khoảng 10us), nên hạn chế củaphương pháp DTC là cần phải có một bộ điều khiến tốc độ cao, với sự phát triển củakhoa học kỹ thuật, máy tính, hệ thong nhung ra doi, tao điều kiện cho các nhà khoa hocnghiên cứu điều khiển động cơ IM bang phương pháp DTC

Năm 1988, công ty ABB đã nghiên cứu ứng dung DTC vào việc điều khiến tốc độđộng cơ [M.|4|

Hình 1.11: Module điều khiển IM sử dụng phương pháp DTC của ABB[4]

Năm 1992 Thomas G.Habetler cùng với sinh viên trường kỹ thuật điện thuộc việnnghiên cứu kỹ thuật Geogria, Atlanta nghiên cứu phương pháp điều khiến DTC cho IMsử dụng phương pháp véctơ không gian[5].

Năm 2005, Murat Barut, bộ môn kỹ thuật điện — điện tử, khoa điện, thuộc trườngđại học kỹ thuật Istanbul, Thổ Nhĩ Ky, nhiên cứu điều khiến tốc độ động cơ IM sử dụngphương pháp DTC với sự ước lượng điện trở rotor.[1]

Kỹ thuật điều khiến thông minh (Fuzzy, Neural network) được ứng dụng điềukhiến tốc độ động cơ IM được ToufoutI, thuộc đại học Constantine Algeria ứng dụngtrong năm 2007[8], nghiên cứu trình bài phương pháp điều khiển fuzzy va NeuralNetwork, và so sánh kết qua đáp ứng dựa trên phần mém mô phỏng|[S]

Ngày 25 tháng 02 năm 2013, nhóm nghiên cứu công ty ABB, thuộc ABBSwitzerland tổ chức buổi báo cáo về phương pháp điều khiến tốc độ động cơ và cáchướng cải thiện khắc phuc[4]

2.2 Trong nướcTháng 01/2007, sinh viên Nguyễn Huynh Quang, dưới sự hướng dẫn của TS PhanQuốc Ding, thuộc trường đại học Bách Khoa TP.HCM thực hiện đề tài tốt nghiệp đạihọc điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng vi điều khiến PIC18F443 1theo phương pháp điều khiến vô hướng.[7]

Hình 1.12: Mạch động lực bộ điều khiển tốc độ động cơ IM[7]Thang 01/2007, sinh viên Lê Trung Nam, khoa điện — điện tử, trường đại học BáchKhoa, thực hiện đề tài tốt nghiệp điều khiến động cơ không đồng bộ ba pha theo phươngpháp SINPWM sử dụng dsPIC30F6010, dưới sự hướng dẫn của TS Lê MinhPhương.| 10]

Hai dé tài trên sử dụng chip điều khiển chuyên dụng của Microchip, lập trình điềukhiến tốc độ động co IM, tuy nhiên chỉ sử dụng theo phương pháp điều khiến vô hướng,do đó thời gian đáp ứng lớn (> 5s), và không đạt độ chính xác cao khi có tải.

Trên tạp chí khoa học & công nghệ các trường đại học kỹ thuật, số 74 — 2009, cáctác giả: Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Văn Nhờ, Nguyễn Xuân Bắc, thuộc trường đại họcBách Khoa, ĐHQG TP.HCM đã trình bày phương pháp điều khiến tốc độ động cơ IMbăng bộ nghịch lưu ba mức kết hợp với bộ điều khiến trượt Phần cứng được thực hiệntrên card điều khiến dsPace DS1104, kết quả cho thay động cơ có thé hoạt động trongđiều kiện tải trọng thay đối va tốc độ tăng giảm đột ngột

BNL NPCBA MUC

=| CHÍNHLƯU DIODE

: "a DONG CO,

MAY PHAT

Hình 1,13: Mô hình cua nhóm nhóm nghiên cứu DH Bách Khoa HCM/[44]Tại hội nghị toàn quốc về điều khiến và tự động hóa (VCCA — 2011), nhóm nghiên

cứu: Nguyễn Phuong Duy, Huỳnh Trung Nam, Huynh Thai Hoàng, Nguyễn Văn Nho,

thuộc khoa Điện — Điện tử, Đại học Bách Khoa TP.HCM báo cáo nghiên cứu “Ứngdụng phương pháp điều khiến trực tiếp mômen cho bộ biến đổi ma trận điều khiến độngcơ không đồng bộ dùng logic mờ”, vận dụng những ưu điểm của phương pháp DTC vabộ biến đối ma trận dé tạo ra đáp ứng hệ thống Tuy nhiên đáp ứng hệ thống có độ vọt16, tồn tại sai số xác lập lớn (16%), và thời gian dap ứng khoảng 5s[11] Thông số độngcơ: 380V/50Hz, số cực: 2, công suất 2.2KW, điện trở stator 3(Ohm)

Hình 1.14: Mô hình của nhóm nghiên cứu trường DH Bách Khoa HC MỊ TT]

3.Một số bài báo nghiên cứu liên quanA Stator Resistance Estimation Scheme for Speed Sensorless Rotor FluxOriented

Induction Motor - Drives-Veran Vasic’, Slobodan N Vukosavic, Emil Levi.Bài báo trình bày điều khiến tốc độ động co không đồng bộ ba pha sử dung phươngpháp điều khiến tựa trường, tốc độ động cơ và điện trở cuộn dây stator được ước lượngsong song trực tiếp bang bộ điều khiến thích nghị, tính 6n định dựa vào tiêu chuẩn 6nPopov Kết quả của hệ thông cho thấy đáp ứng được trong những trường hợp động cơ

hoạt động với tốc độ cao và tốc độ thấp, mômen ồn định, bài báo cho chứng minh rằng

có thé ứng dụng bộ điều khiến thích nghỉ ước lượng giá trị điện trở stator và tốc độ chophương pháp điều khiến tựa trường nếu chọn các hệ số điều chỉnh sai số hợp lý

Lyapunov’s Stability Theory-Based Model Reference Adaptive Control forPermanent Magnet Linear Motor Drives - Yuan-Rui Chen Jie Wu Norbert C CheungBài báo trình bay việc điều khiển động co tuyến tính nam châm vĩnh cửu sử dungbộ điều khiến thích nghi, dựa trên tiêu chí 6n định Lyaponov Kết quả mô phỏng chứng

minh rằng, hệ thong dưới su điều khiến của bộ điều khiến thích nghĩ sẽ ôn định mặc dù

hệ thống có những thông số bị thay đối và chịu sự ảnh hưởng của nhiễu Bai báo là tiềnđề tham khảo cho nghiên cứu bộ điều khiến thích nghỉ dựa vao tiêu chuẩn Lyaponov

Direct Torque Control of Sensorless Induction Motor Drives: A Mode Approach - Cristian Lascu, Ion Boldea, Frede Blaabjerg.

Sliding-Bai bao trinh bay viéc điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụngphương pháp điều khiến trực tiếp mômen, dựa trên ước lượng tốc độ rotor và mômensử dụng bộ điều khiến trượt Ưu điểm của bộ điều khiến trực tiếp mômen là phản hồinhanh và đáp ứng tốc độ tốt Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy động cơ hoạtđộng 6n định, phản hồi động học nhanh Việc ứng dụng bộ điều khiến tực tiếp mômen,và ước lượng dựa trên bộ điều khiến trượt là nội dung tham khảo cho đề tài

ADMCF 328DSP

=†— | ADSP-21062I EZ-LAB_————-= THỊNH HỆ (HH 7

lÌinterface | l \ — }

Hình 1.15: Mô hình điều khiển động co IM của nhóm nghiên cứu [32]

10

Fuzzy Estimators for Tuning the Stator Resistance in Direct Torque Controlby using three levels Inverters - Masoud Soleimani pour, Hamed Sadeghi Goughari,Sanaz Kozeh Kanani.

Bai báo trình bày phương pháp điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ ba phasử dụng bộ điều khiển mờ ước lượng trực tiếp điện trở cuộn day stator, đồng thời cảithiện phương pháp điều khiến trực tiếp mômen, băng việc sử dụng bộ chuyển đối điệnáp ba cấp, kết quả mô phỏng cho thay chất lượng điều khiến đáp ứng yêu cau dé ra, có

thé hoạt động với tốc độ thấp, cho dòng điện ồn định, không có hiện tượng dao động

mômen xảy ra, điện trở cuộn dây stator được xác định trực tiếp từ bộ điều khiến và tựđộng cập nhật trong quá trình điều khiến, do đó tránh được hiện tượng thay đổi điện trở

stator do nhiệt độ động cơ tăng lên, hay bi ảnh hưởng bởi nhiễu Bài báo minh chứng

được rằng có thể ứng dụng bộ điều khiển mờ trong việc ước lượng giá tri điện trở cuộndây stator trong phương pháp điều khiến trực tiếp mômen

Hardware-in-the-Loop Approach to Controller Design and Testing of MotionControl Systems Using xPC Target — Truong Nguyen Vu

Bài báo trình bai phương pháp điều khiến tốc độ động co đồng bộ nam châm vĩnhcửu sử dụng xPC Target, cho phép kiểm tra và điều khiến, cũng như thay đôi các giảithuật điều khiến nhanh chóng sử dụng công cụ simulink trong matlab, bai báo là cơ sởtham khảo cho dé tài trong lĩnh vực nghiên cứu xây dựng phan cứng và cài đặt phanmềm điều khiến cho hệ thống

A High-Speed Sliding-Mode Observer for the Sensorless Speed Control of aPMSM - Hongryel Kim, Jubum Son, and Jangmyung Lee.

Bài báo trình bày phương pháp điều khiến tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnhcửu có hôi tiếp không dùng cảm biến tốc độ dựa trên phương pháp điều khiến trượt mới,kết quả sẽ được so sánh với phương pháp điều khiến trượt cổ điển vốn có nhiều khuyếtđiểm trong việc ước lượng tốc độ động cơ do giá trị ước lượng chịu ảnh hưởng bởi thờigian trễ của bộ lộc nhiễu tần số cao, bai báo cũng trình bày phương pháp ước lượng trựctiếp giá tri điện trở cuộn dây stator, kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh đượcnhững ưu điểm của bộ điều khiến trượt cải tiễn Bài báo cũng minh chứng răng có thésử dụng bộ điều khiến trượt trong việc ước lượng giá trị điện trở stator, và khuyết điểm

của bộ điều khiến trượt trong thiết kế quan sát là hiện tượng trễ của bộ lộc nhiễu cũngđược khắc phục trong bộ điều khiến trượt có cải tiến.

Controller(EMS320F 2812)

+

Analog Output Intefffäcc

(DACB8420)AAD conversion

a! at/ Gating Sigma oa Lai ep Amp Cire outHerface coh ra

Dic cary e odule be & mà

Bai báo trình bay phương pháp điều khiến tốc độ động co IM sử dụng phươngpháp điều khiến trực tiếp momen, ứng dung mang thần kinh nhân tạo uớc lượng trựctiếp giá trị điện trở cuộn day stator, việc thay đôi thông SỐ mạng thần kinh nhận tạođược thực hiện bằng sai số giữa giá trị dòng điện ước lượng và giá trị dòng điện thựctế Kết quả mô phỏng từ matlab/simulink chứng minh rằng có thể quan sát giá trị điệntrở cuộn dây stator với thời gian cập nhật là 40ms Bài báo đưa ra kết luận rằng có thểứng dụng phương pháp điều khiến thông minh trong việc ước lượng giá trị điện trở cuộndây stator, tuy nhiên thời gian tính toán và cập nhật lớn, do đó áp dụng cho phươngpháp điều khiến trực tiếp mômen vốn đòi hỏi thời gian lẫy mẫu nhanh gặp nhiều van décần giải quyết

Sliding Mode Load torque Observer based effective disturbance rejectionfor a 3-Phase BLDC drive - Jagat Jyoti Rath

Bai báo trình bày phương pháp điều khiến tốc độ và mômen của động co BLDC,

sử dụng bộ điều khiến trượt, tính ôn định dựa trên tiêu chuẩn Lyaponov Két quả mô

phỏng được thực hiện trên matlab/simulink và so sánh với phương pháp điều khiến PI,cho thấy tính ưu việc của bộ điều khiến khi động cơ hoạt động trong môi trường có tảithường xuyên thay đổi, đáp ứng tốc độ, mômen và dòng điện ồn định, ít dao động khi

12

chịu sự ảnh hưởng của yếu tố môi trường bên ngoài Bài báo chứng minh rang có théứng dụng bộ điều khiến trượt vào việc ước lượng và điều khiển mômen động cơ BLDC.Sliding Mode Control on Electro — Mechanical Syatems — VADIM I ƯTKIN,HAO — CHI CHANG

Ứng dụng bộ điều khiến trượt trong việc ước lượng thông số và điều khiến hệthong cơ điện được thực hiện trong bai báo, trong mục 3 của bai bao có dé cập việc sudụng bộ điều khiến trượt điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha có hỏi tiếpkhông dùng cảm biến tốc độ, tốc độ rotor và hằng số điện trở rotor được ước lượng songsong, kết quả mô phỏng chứng minh rang hệ thống hoạt động 6n định với tải thay đối

và hoạt động tốt cả ché độ hoạt động với tốc độ cao và tốc độ thấp, minh chứng rằng có

thé ứng dụng bộ điều khiến trượt cho phương pháp điều khiến tốc độ có hồi tiếp khôngdùng cảm biến, trong phương pháp điều khiến tựa hướng trường (Field OrientedControl).

Speed Sensorless Field-Oriented Control of Induction Motor with RotorResistance Adaptation - Hisao Kubota, Kouki Matsuse.

Bai báo trình bày phương pháp diéu khiến tốc độ động cơ không đồng bộ ba phadựa trên ước lượng song song giá trị điện trở và tốc độ rotor băng phương pháp địnhhướng trường, việc ước lượng gia tri dựa trên sự thay đôi dòng điện stator sử dụng bộđiều khiến thích nghi, kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh rằng hệ thông hoạtđộng tốt hơn khi áp dụng phương pháp điều khiến định hướng trường cô điển

Inverter

Gate DrivePC Circuit

NEC PC9801 LƑ v,

\

2Pot | —»+|DSPRAM NEC uPD77230 | 12bit A/DHình 1.17: So đồ khối bộ điều khiển tốc độ động cơ IM[39]Stator Resistance and Speed Estimation for Induction Motor Drives AsInfluenced by Saturation - A M El-Sawy, Yehia S Mohamed and A A Zaki

Bài bao trình bày phương pháp ước lượng chính xác cùng lúc giá tri điện trở cuộndây stator và tốc độ rotor sử dụng bộ điều khiến thích nghi Mô hình toán học động cơ

không đồng bộ ba pha cũng được trình bay trong bài báo, minh chứng sự ảnh hưởng

của từ thông tới chất lượng điều khiến của hệ thong, do đó việc ước lượng gia tri từ

thông cũng được thực hiện và sử dụng để ước lượng tốc độ rotor của động cơ Kết quảmô phỏng cho thay he thong có phản hồi tốt và tốc độ động cơ có thể hoạt động trongmột dãy rộng Bài báo là tiền dé cơ sở cho dé tài trong việc ứng dụng bộ điều khiếnthích nghi để ước lượng thông số cơ điện của động cơ

Direct Torque Control Methods for Voltage Source Inverter — Fed InductionMotors — A Review - Giuseppe BUJA, Marian P KAZMIERKOWSKI

Bai báo trình bay tóm tắt tat cả các phương pháp điều khiến trực tiếp mômen vatừ thong, nêu lên sự khác biệt va so sánh ưu khuyết điểm giữa các phương pháp điềukhiến trực tiếp mômen với nhau như: phương pháp điều khiến trực tiếp mômen dựa vàobảng đóng ngất các vecto (DTC), điều khiến tự kiểm soát trực tiếp (DSC), tần số đóng

ngắt cố định với các vectơ không gian (DTC-SVM), và cách ứng dụng bộ điều khiển

thông minh vào phương pháp DTC-SVM, kết quả mô phỏng chứng minh những lýthuyết đã đề ra Bài báo là cơ sở để dé tài ứng dụng phương pháp điều khiến trực tiếpmômen vào mô hình.

Direct Torque Control of Induction Motor Drives — Giuseppe Buja, DomenicoCasadei, Gionanni Serra

Bai báo trình bay tong quan các nguyên tac hoạt động cơ ban của động co khôngđồng bộ ba pha và lý thuyết về vecto không gian trong trong bộ chuyền đổi điện áp, cácphương pháp điều khiến trực tiếp mômen dựa vào bảng đóng ngắt (ST), điều khiến tựkiểm soát trực tiếp (DSC), tan số đóng ngắt có định với các véctơ không gian (DTC-SVM) được mô tả trong bài báo Phương pháp điều khiến trực tiếp mômen dựa vàobảng đóng ngắt dược trình bày chỉ tiết, kết quả mô phỏng sẽ chứng minh sự ảnh hưởngcủa độ trễ từ thông va mômen tới chất lượng điều khiến, kết qua sẽ được so sánh vớiphương pháp điều khiến tựa trường

Simulation of Direct Torque Controller Permanent Magnet Synchrous

Motor Drive - Selin Ozcura, Nur Bekiroglu, Engin Aycicek.

Bai báo trình bay cơ sở lý thuyết động co không đồng bộ nam châm vĩnh cửu, sửdụng phương pháp điều khiến trực tiếp mômen điều khiến tốc độ động cơ, kết quả môphỏng chứng minh mômen động cơ ảnh hưởng trực tiếp tới góc từ thong stator và rotor

14

Sensorless Vector Control of AC Induction Motor Using Sliding-ModeObserver - Phuc Thinh Doan, Tan Tien Nguyen, Sang Kwun Jeong, Sea June Oh, Sang

Bong Kim.Bai báo trình bày phương pháp điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ ba phacó hôi tiếp không dùng cảm biến tốc độ, tốc độ rotor được ước lượng bang bộ điều khiểntrượt, tính ôn định được thực hiện dựa trên lý thuyết Lyaponov, phan cung va phan mémcủa mô phỏng và kết qua thực nghiệm chứng minh rang đáp ứng của hệ thống ước lượngsử dụng bộ điều khiến trượt tốt hơn so với bộ ước lượng thông thường bài báo là cơ sởcho luận văn trong việc ứng dụng bộ điều khiến trượt ước lượng các giá trị thông SỐ CƠđiện của động cơ, tính ôn định được thực hiện dựa trên lý thuyết Lyaponov

4 Hướng nghiên cứu chính của luận van4.1 Mục tiêu

Trong luận văn nay tác giả tập trung giải quyết mục tiêu: ước lượng tốc độ rotorvà điện trở stator phục vụ cho phương pháp điều khién DTC

Mục tiêu cụ thê:1 Xây dựng mô hình điều khiến DTC trên Matlab.2 Xây dựng bài toán quan sat tốc độ rotor

3 Xây dựng bài toán quan sát điện tro stator.4.2 Hướng giải quyết

Dé giải quyêt các mục tiêu, tác gia sẽ tiên hành tìm hiệu những nghiên cứu vêphương pháp điều khiển động co IM trước đó, cũng như những nghiên cứu liên quantrong việc ước lượng tốc độ rotor và điện trở stator Từ đó phân tích ưu khuyết điểm đềxuất ra phương pháp hợp ly, so sánh kết quả nghiên cứu dat được với kết quả thamkhảo.

Hướng giải quyết mục tiêu 1: Tác giả dự định sẽ sử dụng công cụ simulink/Matlabxây dựng phương pháp điều khiển DTC, mô phỏng trên máy tinh và điều khiển mô hìnhthực nghiệm thông qua xPC Target.

Hướng giải quyết mục tiêu 2: Tác giả dự định sẽ kết hợp hai bộ điều khiến trượtvà thích nghỉ trong việc ước lượng tốc độ rotor, bởi vì ở một số phương pháp ước lượngsử dụng bộ thích nghi thuần túy chịu sự lệ thuộc nhiều vào thông số của động cơ, tuynhiên thông số động cơ thường xuyên thay đổi do môi trường và điều kiện làm việc,hoặc nếu sử dụng bộ điều khiến trượt thuần túy để ước lượng giá tri, thì rất khó để tìm

ra được giá tri tín hiệu điều khiến khi hệ thống ở vi trí mặt trượt có đạo hàm bằng không,bởi vì không xác định chính xác được tần số cắt của bộ LPF.

Hướng giải quyết mục tiêu 3: Việc ước lượng giá trị điện trở Rs đã được nghiêncứu trong bải báo đã trình bày ở phân trên, tuy nhiên do tác giả sử dụng mạng thân kinhnhân tao, do đó thời gian tính toán lâu, không phù hợp cho việc hồi tiếp giá trị vàophương pháp điều khiến DTC, tác giả dự định sử dụng bộ điều khiến trượt quan sátdòng điện stator và từ thong rotor, dựa tiêu chuẩn 6n định Lyaponoy, tim ra giá trị điệntrở Rs.

Mục tiêu mong muốn của luận văn: thiết kế thành công bộ điều khiến tốc độ độngcơ IM sử dụng phương pháp DTC, dựa trên ước lượng giá tri điện trở stator và tốc độrotor (không dùng cảm biến tốc độ)

@ + Ty + Y——*C>—> PI mae, att > Bang waud

Chương II: CƠ SƠ LÝ THUYET

1 Cơ sở lý thuyết động co không đồng bộ ba pha1.1 Khái niệm

Động cơ không đồng bộ là kiểu động cơ mà trong đó tốc độ quay của rotor kháchơn tốc độ của từ trường quay, năng lượng điện được truyền từ cuộn dây stator đếncuộn dây rotor (rotor dây quan), hoặc vòng ngắn mach (rotor lồng sốc)[2] Động cơkhông đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi vì có công suấtcao, rẻ tiền và độ tin cậy cao.[1]

IM là một động cơ không đồng bộ sử dụng điện xoay chiều AC, năng lượng đượccung cấp cho trục quay bằng hiện tượng cảm ứng điện từ Loại thường sử dụng là rotorlồng sóc Các IM được thiết kế sử dụng nguồn điện ba pha Đối với việc điều khiến tốcđộ quay thay đối thì nguồn thường được điều chế là bộ biến tan được thiết kế bang cáclinh kiện bán dẫn (IGBT, MOSFET ) để tạo ra điện ap, dòng hình sin có thé được thayđôi và kiểm soát được.[2]

Hình 2.1: Động cơ không dong bộ ba pha[3]1.2 Cau tạo

Stator là thành phan chính tao ra từ tường quay trong IM, va là bộ phận nối trựctiếp với nguồn điện cung cấp cho IM, được tạo thành từ nhiều tam thép kỹ thuật điện

mỏng ghép lại với nhau thành một hình trụ rỗng (lõi stator ), trong lõi stator có 3 cuộndây cách điện đặt lệch nhau 120°, mỗi nhóm cuộn dây, cùng với lõi thép của nó tạo

thành một nam châm (một cặp cực) tùy theo số lần lặp lại của số cuộn dây mà ta cómotor có số cặp cực khác nhau Khi có dòng điện qua các cuộn dây stator thì từ trườngquay được tạo ra[3].

2-Pole Stator Winding

Hình 2.2: Cấu tạo stator[3]Rotor được tạo thành từ nhiều tam thép hình trụ được ghép va cách điều nhaubăng nhôm hoặc đồng cùng vật liệu với stator, trong hầu hết các động cơ thì rotor lồngsóc được sử dụng phô biến hơn rotor dây quan, khoảng 90% động co được sử dụng làrotor lồng sóc, bởi vì chúng có cau trúc đơn giản và chắc chăn Mỗi một khe trong rotormang một thanh nhôm làm bằng vật liệu đồng hoặt thép, và các thanh được nối ngănmạch ở hai đầu bằng một vành tròn, nhìn tổng quan toàn bộ rotor có các thanh ghépsong song với nhau giống như lông sóc, nên ta gọi là rotor lồng sóc Các khe khôngsong song với trục, mà đặt nghiêng một góc vì có những lí do sau:

- Làm cho motor chạy không bi ồn bởi vi tao ra từ truong khong 6n[3].- Làm giảm xu hướng khóa rotor, số rang rotor còn lại bị khóa bởi số rang statordo lực hút giữa hai đối tượng nay, van dé xảy ra khi số răng stator bang số răng rotor[3]

End Ring Conductors End Ring

18

Current Flow In A Positive Direction

|

B2 / eS) C2

| ao (ee ter Voi

x | l Km = Resultant Magnetic Field

=X

Srpe

B — Current Flow In A Negative DirectionMagnetic Lines OF Flux

||

Current Flow At Zero

||Í|

Hình 2.4: Nguyên lý tạo ra từ tường bên trong Stator[3]Ta thay pha A không có dòng, pha B có dòng theo chiều âm, và pha C có dòngtheo chiều dương, do đó BI, C2 là cực nam của nam châm điện, B2 và Cl là cực bắc,như vậy sẽ xuất hiện từ trường có hướng đi từ B2, Cl sang C2, BI(theo chiều mũitên)|2|.

Cứ như vậy mà khi cấp day đủ một chu kỳ dòng điện thì hoạt động của từ trườngtrong long stator (hay từ trường ảnh hưởng lên rotor ) được mô tả như hình 2.5.

Hình 2.5: Các vị trí của động cơ trong mot chu kì dòng điện cấp cho Stator[3]Sự khác biệt cơ bản của IM và động cơ đồng bộ AC là dòng điện cung cấp toirotor, dòng điện này tao ra từ trường, thong qua sự tương tác từ, làm phat sinh một từtrường xoay trong rotor, là nguyên nhân làm cho rotor xoay, được gọi là động co đồngbộ bởi vì tốc độ xoay của rotor chính băng tốc độ xoay của từ trường trong stator Tráingược với điều đó, IM không có dòng cung cấp trực tiếp tới rotor, mà một dòng điệnthứ hai được tạo ra ở rotor, dé đạt được điều này thì các cuộn dây trên stator phải đượcsắp xếp quanh rotor vì thé năng lượng cung cấp tạo ra một từ trường mẫu quét qua rotor,sự thay đổi từ trường mẫu dẫn đến xuất hiện một dòng điện trong các thanh nhôm củarotor, dòng điện này tương tác với từ trường xoay được tạo ra boi stator trên rotor vàảnh hưởng đến chuyển động xoay của rotor Tuy nhiên, do dòng điện được tao ra có tốc

độ thực sự của rotor khác với tốc độ của từ trường xoay trong stator, hoặc nếu từ trườngkhông chuyền động tương đối với rotor thì cũng không có dòng điện chạy qua Sự khácbiệt giữa tốc độ quay cua rotor va từ trường xoay trong stator được gọi là hệ s6 trượt.Nó là tỉ lệ tương đối giữa tốc độ rotor và tốc độ từ trường quay trên stator Vì thế IMcòn được gọi là máy điện không đồng bộ|4].

1.4.1 Chuyến đổi hệ tọa độĐiện áp, dòng điện và từ thông ba pha của động cơ không đồng bộ ba pha có théđược biểu diễn thành một véctơ không gian trong hệ tọa độ phức

Giả sử 1,,.1,,.1, là dòng điện tức thời cân băng trên stator thì ta có:

+i, +i =0 (2.1)

ow,SaDòng véctơ không gian cua stator có thé được định nghĩa như sau:

2m 41.

—> — —

i= Sha tine “tie? ) (2.2)

Vécto dong dién i được biểu diễn trong hệ toa độ 3 pha đối xứng (a,b,c) rất khó

trong việc tính toán và điều khiên, do đó véctơ dòng điện có thê biêu diễn trong hệ tọa

20

độ cô định ơ - B là: i, =i, + jig với phân thực /,, của véctơ băng với giá trị dòng điệntức thời 1Sa 2

| |

+

Với hệ sô k = và ï„ +1,, +1, =O, môi liên hệ giữa dòng điện được biểu diễn

trên hệ tọa độ cô định a — B và hệ tọa độ 3 pha đối xứng được xây dựng lại theo công

-“ | \

a |

; bo isd

\ ÍIsq A

p> _»

Hinh 2.8: Moi lién hé giua hệ tọa độ a — B và đ— qThanh phan i, ,J trong hệ toa độ cô định stator a — 8 được tính toán từ hamClarke, trong các phương pháp điều khiến véctơ thì các tham số phải trên cùng một hệquy chiếu Ở một số phương pháp điều khiến véctơ như phương pháp điều khiến địnhhướng trường (FOC), thì hệ tọa độ stator cô định œ— B không phù hợp dé điều khiến, vitốc độ rotor không đồng nhất với tốc độ từ trường, do đó cần chuyển véctơ dòng điệntới hệ tọa độ di động rotor d—q sử dụng ham truyền Park

Thanh phan i,, „!„„ cua véctơ dong điện trên hệ tọa độ d — q được xác định băngphương trình sau:

ig =1,,-COSO+i,.SiNO lí „ = 14,-COSO —1,, Sin O

hoặc (2.6)i, = 1; -COSO—1,, sinO ig =1,,-8iINnO+1,,.cosO

Trong đó © là góc lệch giữa từ trường stator va rotor1.5 Mô hình toán trong động cơ không đồng bộ

Động co IM được biểu diễn trong hệ tọa độ cô định không gian phức œ — B băngsơ đồ mạch điện tương đương như sau[27]:

Từ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ ba pha ta có thể tính toán đượccác thông số dựa trên hệ tọa độ có định stator œ— B như sau:

a.Phương trình vi phân điện áp stator:

a,B: Hệ tọa độ cô định Stator

I„ ;: Điện áp Stator[V]1,3: Dòng điện Stator[A],„;: Điện áp Rotor[V]r„„ ;:Dòng điện Rotor[A]

W„;: Sự thay đổi từ thông trên Stator[Vs]W,„p: Sự thay đối từ thông trên Rotor [Vs]

R : Điện trở pha Stator[Ohm]RK, :Dién trở pha Rotor[Ohm]

L _:Độ tự cảm pha Stator[H]L, :D6 tự cảm pha Rotor[H]L„:Độ tự cảm tác động lẫn nhau giữa Stator va Roto[H]

@Í 0, :Tốc độ điện Rotor/Tốc độ đồng bộ[|rad/s|]D, :Số cặp cực|{-]

í :Momen điện từ[Nm]|Không chỉ có tọa độ cô định «a, B được gan vao hé Stator, ma phuong trinh véctođiện áp còn được mô tà chính xác băng hệ tọa độ động d,g quay với tốc độ m= dy.với 0 là góc quay giữa trục & của tọa độ Stator và trục d cua hệ tọa độ động d,g

Ta có phương trình mô tả các đặc tính động cơ trong tọa độ d-g.

Waa — Li rd ten ed >t, = 5 Pe W sa đụ, Wa da) (2.15)

1.6 Các phương pháp điều khiếnĐộng cơ không đồng bộ tương đối rẻ tiền và chắc chăn, do đó chúng được sử dụngrộng rãi trong công nghiệp, việc điều khiến động cơ không đồng bộ được chú ý nhiều.Điều khiến vòng hở động cơ không đồng bộ với việc điều khiến tan số thay đối có thélàm thay đổi tốc độ động cơ khi hoạt động ở những ứng dụng có mômen cô định màkhông yêu câu chính xác về điều chỉnh tốc độ Khi bộ điều khiến yêu cầu bao gồm phảnhồi động học nhanh, tốc độ chính xác hoặc điều khiển momen, thì phương pháp điềukhiến vòng hở không thỏa mãn được yêu cau Vi vậy việc điều khiến vòng kin là rấtcần thiết Hoạt động động học của động cơ không đồng bộ là rất cần thiết và ảnh hưởng

đến toàn bộ hoạt động của hệ thống Việc điều khiến tốc độ động cơ không đồng bộ là

van dé thách thức bởi vì nó là hệ thống phi tuyến, rotor thay đối trong phạm vi dai, vàthông số động cơ thay đôi tùy theo điều kiện môi trường hoạt động[16]{ L7]

24

Có một vài phương pháp dé điều khiến động cơ không đồng bộ và được chia thànhhai loại chính:

Scalar control

V/f (Volts per frequency)

FOC (Field-oriented control)VFD

Vector control

-——DSC (Direct self control)DTC (Direct torque control)

———SVM (Space vector modulation)

Hình 2.10: Các phương pháp diéu khiến IMỊ 15]- Điều khiến vô hướng (Scalar control): là một trong những phương pháp đầu tiênđiều khiến tốc độ động cơ, bang việc điều khiến tỉ lệ điện áp trên tần số (Volt/Herzt)không đổi Phương pháp này đơn giản nhưng không thé điều khiển được những hoạtđộng yêu cầu mang tính hiệu quả cao Điều này chính là do trong phương pháp điềukhiến vô hướng luôn tôn tại khớp nối giữa mômen và từ thông cô góp, là nguyên nhâncủa việc dẫn đến phản hồi chậm của máy

- Phương pháp điều khiến tựa trường (Field Oriented Control) được sử dụng déđiều khiển động cơ IM và động cơ đồng bộ AC Nó được phát triển cho các ứng dụngđộng cơ hiệu suất cao và được yeu cầu dé hoạt động trơn tru, tạo ra mô-men xoắn vàtốc độ có hiệu suất cao, linh hoạt trong việc điều khiển tăng tốc và giảm tốc động cơ.Phương pháp này ngày cảng trở nên hap dẫn đối với các ứng dụng hiệu suất thấp hơncũng do kích thước động cơ, chi phí và giảm tiêu thụ điện năng của phương pháp FOC.Ngày nay với sự phát triển ngày càng tăng về tốc độ xử lý thì phương pháp FOC mộtngày sẽ thay thế hoàn toàn phương pháp điều khiến V/E

- Điều khiến trực tiếp mômen (Direct Torque Control): để cải tiễn hạn chế củaphương pháp điều khiến vô hướng phương pháp điều khiến trực tiếp mômen được pháttriển.Trong phương pháp điều khiến trực tiếp mômen, các biến là hàm truyền tới hệ quychiếu toa độ cố định stator, có đặc tính động học giống như điện áp DC Tách biệt điềukhiến giữa mômen và từ thông cho phép động cơ không đồng bộ đạt được phản hôinhanh, có thé sử dụng cho những ứng dụng chất lượng cao, nơi có những động cơ DCđược sử dụng trước đó.

Chương III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DIEU KHIỂN TOC ĐỘ

ĐỘNG CƠ IM SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP DTC

1.Lý thuyết phương pháp điều khiến DTCPhương pháp điều khiển DTC được sử dụng trong các bộ điều khiến động cơ IMdùng dé điều khién mômen (cuối cùng là điều khiến tốc độ) Phương pháp bao gồm việctính toán ước lượng từ thông cuộn dây stator và mômen dựa trên việc hồi tiếp giá trịđiện áp và dòng điện stator.

Từ thông stator được ước lượng bang tích phân điện áp stator, mômen được ướclượng bởi từ thông stator và dòng qua motor Từ thông ước lượng và mômen ước lượngđược so sánh với giá trị tham chiếu Nếu giá tri từ thông hoặc mômen ước lượng bị lệchso với giá trị tham chiếu một khoảng lớn hơn giá trị cho phép, thì bộ đóng ngắt điện ápsẽ hoạt động để đưa hệ thống trở về vị trí ôn định trong thời gian nhanh nhất có thé Vìthé có thé coi phương pháp điều khiến trực tiếp mômen như là phương pháp điều khiếnon/off hoặc điều khiến dựa vào độ trễ

26

Tín hiệu ngõ ra của từ thông sau khi so sánh là:

d,, =] khi <ự¿.-H,

đ =0 khi ⁄¿<W¿¿+H,Trong đó: H„ là giới hạn sai số từ thôngTín hiệu ngõ ra của mômen sau khi so sánh là:

đ„=l kh m,<m,-H,,dì =0 kh m,=m,đ.=—l kh m,<m,+H,,Trong đó: H„ là giới hạn sai số mômenTừ hai giá tri của: d, ,d,, và góc của vécto: 7, =arctg(y,, Wea) ta có bang trangthái đóng ngắt các khóa công suất bán dẫn như sau:

d,=0 [2 =0 | u(000) | u(111) | uo(000) | u2(111) | wo(000) | u;(111)

4 =-1 | us001) | u.(101) | u(100) | u(110) | u2(010) | ua(011)

Hình 3.2: Bảng đóng ngắt các khóa IGBT dựa vào mômen và góc từ thong[5]

Hình 3.3: Quy trình chọn véctơ điều khiến tương ứng với Sector[5]

Phương pháp điều khiến DTC có một số đặc điểm sau| 15]:- Mômen và từ thông có thé thay đối rất nhanh bang việc thay đổi giá trị thamchiếu.

- Hiệu suất cao và ton hao thấp — Tén hao đóng ngắt là thấp nhất bởi vì các ICđóng ngắt điện áp duy nhất khi cần thiết giữ cho mômen và từ thông trong khoảng saisố cho phép

- Phản hồi nhanh và không vot 16.- Không cần chuyển đôi hệ thống sang hệ tọa độ rotor d — q, mà chi cần đứng trêntọa độ stator a - B để điều khiến

- Điều khiến độ trễ được thực hiện băng các tính hiệu đóng ngắt trực tiếp các khóaIGBT.

- Tan số đóng ngắt của các IGBT không có định Tuy nhién bang cách kiểm soátđộ rộng của dãy dung sai, thì tần số chuyển mạch trung bình có thé được giữ quanh giátrị tham khảo của nó Điều này giúp cho sự sai số nhấp nhô của mômen và từ thông nhỏ.- Bởi vì độ trễ điều khiến của quá trình đóng ngắt được chọn ngẫu nhiên Vì thékhông có đỉnh của dòng quang pho Điều nay có nghĩa là nhiễu âm của máy thấp

- Các phương pháp biến đổi điện áp DC được đưa va trong phương pháp điềukhiến, do đó không có ton tại sự gon sóng điện ap và quá độ điện áp

- Thiết bị điều khiến phải có tốc độ cao để ngăn ngừa từ thông và mômen đi xagiá trị cho phép Thuật toán điều khiến có thé trong khoảng 10 — 30 micro giây hoặcngăn hơn.

- Thiết bị đo dòng điện stator phải có chất lượng cao vả khả năng chống nhiễu tốtbởi vì nhiễu đột biến xảy ra có thé dẫn đến điều khiến sai toàn bộ hệ thông, mặc khácnếu cho tín hiệu qua bộ lọc tần số cao dé loại bỏ nhiễu, thì tín hiệu sẽ có hiện tượng trễSO với gia tri thực.

- Việc đo điện áp stator nên có một khoảng sai số nhỏ có thé dé luôn giữ cho từthông ước lượng có khoảng sai số luôn bé hơn giá tri thực một khoảng nhỏ, đo là lý dotại sao điện áp stator thường được ước lượng từ việc đo trực tiếp điện áp nguồn DC kếthợp với các tín hiệu đóng ngắt IGBT

28

- Ở việc điều khién toc độ cao thì không cân cảm biên dé xác định chính xác cácthông sô động cơ, tuy nhiên nêu hoạt động tôc độ thap thì cần xác định chính xác giá triđiện trở cuộn day stator.

Bảng so sánh giữa phương pháp điều khiến trực tiếp mômen (DTC) và phươngpháp điều khiến định hướng trường (FOC)[ 15]

Đặc tính so sánh DTC FOCPhản hôi động học mômen Rat nhanh Nhanh

Hệ toa đô tham chiếu điều | Hệ tọa độ cô định Stator | Hệ tọa độ động rotor

^ £ ox tn ge Do tu cam Lm, Lr, Ls va

Thông sô can đo đạc Điện trở stator 2 ụ cam Me MES Nadién tro rotor.

Do tộc độ rotor Không can Yéu cauDiéu khién dong dién Không can Yéu cauChuyén đôi hệ tọa độ

Không cân Yêu cầu

rotor

Thay đôi rong quanh giá+ VÀ kK ` Tan SỐ

trị tan sô trung bìnhTân số đóng ngất

Thấp hơn (yêu cau cảmHao hut đóng ngặt biên đóng ngắt có độ Thâp

chính xác cao)

Tốc độ (PID), từ thông

Điều khiển vòng kín Tốc độ (PID) rotor(PI), dong Id, Iq (PI)

Thoi gian lay mau dac

trưng bộ điều khiển 10 — 30 ps 100 — 500 ps

2 Xây dung mồ hình DTC trên Simulink của MatlabDòng điện stator từ hệ tọa độ ba pha đối xứng (a,b,c) chuyên thành hệ tọa độ côđịnh stator (a — B ) được tính theo công thức (2.4).

3 L,, :t =2 Pepe Vo sin (3.3)với Ø là góc lệch giữa từ thong stator va từ thong rotor.

Góc từ thông ước lượng: 7, = arcfg(,„/W„) (3.4)

dq_|_transform “ ấ } — =f ụ

—>Ì) >| lm lu a angle

Hình 3.5: Tinh toan momen, từ thông, và góc từ thông.

30