Luận văn thạc sĩ Tự động hóa: Điều khiển thích nghi vị trí động cơ không đồng bộ

“sy 2 “sw Vector ¡ : trên hệ tọa độ dq, af Dong pha u,v, w Thành phần dong stator trục d, trục qThành phan dong stator trục a, trục 2 Moomen tai, moomen cua động cơ Vector điện áp chuẩnV

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

DANG THANH THUONG

Chuyên ngành: Ty Dong Hoa.Ma so HV: 10150055.

LUAN VAN THAC SI

TP HO CHI MINH, thang 06 nam 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCMCán bộ hướng dẫn khoa học 2 o.eccccceccccccssescscecscsesscscssecscsesssscsssesesessessessesees

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)Cán bộ chấm nhận Xét Ì : c2 + 6E E+E#E SE SE EsESEEESESEEsErkeereree

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)Cán bộ chấm nhận Xét 2 : -¿- - + E612 EESE SE EsESEEESESEEsErkekreree

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi và chữ ký)Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai hoc Bách Khoa, ĐHQG Tp.

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HOC QUOC GIA TP.HCM CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAMTRUONG DAI HOC BACH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐẶNG THANH THƯƠNG MSHV: 10150055.Ngay, thang, nam sinh: 25/08/1986 Noi sinh: Đồng Tháp.Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số : 605260.I TEN DE TÀI: DIEU KHIEN THÍCH NGHI VỊ TRÍ DONG CƠ KHÔNG

ĐÔNG BỘ.Il NHIỆM VU VÀ NỘI DUNG :

- Tìm hiểu phương pháp điều khiển động cơ theo phương pháp tựa theo từ thôngrotor (FOC).

- Tìm hiểu vẻ điều khiến nghịch lưu theo phương pháp điều chế vector khônggian.

- Tìm hiểu bộ điều khiến trượt áp dụng cho động cơ không đồng bộ.- Ứng dụng điều khiến PI và trượt vào điều khiến tốc độ và vị trí động cơ khôngđồng bộ

HI NGÀY GIAO NHIỆM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tài) -5-5¿IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QD giao dé tai) V CAN BO HUONG DAN: TS NGUYEN ĐỨC THÀNH

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Ho tên và chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA (Họ tên và chữ ký)

Lời cảm ơn i

LOI CAM ON

Sau hon 1 năm nghiên cứu làm việc mot cách tích cực, em đã hoàn thànhluận văn tôt nghiệp cao học của mình Trong quá trình thực hiện, em đã nhận đượcsự hồ trợ và giúp đỡ từ rat nhiêu người Và hôm nay, em muôn gui lời tri ân chânthành đến tất cả mọi người

Trước hết, em xin kính gửi lời cảm ơn sâu sac tới Thầy — TS Nguyễn ĐứcThanh đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian em thực hiện dé tai! Cảm ơnthầy đã dành thời gian và công sức chỉ bảo cho em một cách tỉ mỉ và cụ thể

Em xin chân thành cảm ơn các thay, cùng các cô trong khoa Điện — Điện Tửđã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian em học tập tạitrường.

Con cũng xin gửi lời tạ ơn chân thành nhất đến Ba Mẹ - những người đã cócông sinh thành, nuôi nắng, dạy dỗ và luôn luôn khích lệ mỗi bước con đi

Cuối cùng, t61 xin cảm ơn các anh chi em gân xa, các bạn cùng khóa đã độngviên, giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài

Tp HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2013.

Đặng Thanh Thương

Tóm tắt ii

TOM TAT

Điều khiến vi trí chế độ trượt cho những ứng dụng thời gian thực chatlượng cao của động cơ không đồng bộ được phát triển trong dé tài này Thiết kế nàycũng kết hợp một bộ ước lượng từ thông đơn giản dé tránh sử dụng các cảm biến từthông Do đó, một so đồ điều khiển được đề xuất đưa ra một chi phí tính toán thấpvà do đó có thể được thực hiện dễ dang trong mot ứng dụng thời gian thực bangcach sử dung bộ xử lý DSP chi phí thấp Phân tích sự ồn định của bộ điều khiếndưới những sự không chắc chắn về tham số và nhiễu phụ tải được cung cấp sử dụnglý thuyết 6n định Lyapunov Cuối cùng, kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thayrang bộ điều khiến đề xuất bám theo quỹ đạo tốt và sơ đồ này bên vững với nhữngsự thay đối tham số đối tượng và những nhiễu phụ tải bên ngoài

Abstract ill

AbstractAn adaptive sliding mode position control for high-performance real-time aplications of induction motors is developed in this work The design alsoincorporates a simple flux estimator in order to avoid the flux sensors Then, theproposed control scheme presents a low computational cost and therefore can beimplemented easily in a real-time applications using a low cost DSP-processor Thestability analysis of the controller under parameter uncertainties and loaddisturbances is provided using lyapunov stability theory Finally, simulated andexperimental results show that the proposed controller with the proposed observerprovides a good trajectory tracking and that this scheme is robust with respect toplant parameter variations and external load disturbances.

Lời cam đoan IV

LỜI CAM ĐOAN

Tôi: Đặng Thanh Thương.

Sinh ngày 25 tháng 08 năm 1986.

Học viên lớp cao học Tự động hóa 2010, khoa Điện — Điện Tử, trường ĐạiHọc Bách Khoa TP Hỗ Chí Minh

Xin cam đoan: Dé tai DIEU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ DONG CƠKHONG DONG BỘ do thầy TS Nguyễn Đức Thành hướng dẫn là công trìnhnghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõràng.

Tác giả xin cam đoan tất cả nội dung trong luận văn đúng như nội dung trongdé cương và yêu cau của thầy hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toan chịu trách nhiệmtrước Hội đồng khoa học và Pháp luật

Tp HCM, ngày 15 tháng 06 nam 2013.

Đặng Thanh Thương

Mục lục V

MỤC LỤC

CHỦ DE TRANGLO] CAM ON ố a4 ITóm tắt luận Văn tk 111v 1919191 1 19101 911 0 0101110119 101110111 Hung iiADSUracl 0 illLO1 CAM GOAN ‹RNUD IV\Ï 00190) HAIđắẳ.ẮẮẮỒỪỖ VDanh sách bảng và hình ảnh - - - G G1020 99900301 re 1XKý hiệu va chữ viẾt tat occ cccccccscscsscsescscscsscscscsssssssscscscssssssesessscssescscssssseseseens xii

MO DAU1 GiGi thi@u GE 8n |

2 Mục đích nghiÊn CỨU - - 2G 3201113111112 1119111191111 ng ng ng l

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + - ¿5 2S SE+E£E£EEE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrerrkd 2

A Phuong phap nghién CUu 0 a 25 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ¿52c SE x2 9E E1215E5211111 1111111211 xe 2

6 Câu trúc luận văn - : se 1 121101015115 1111151 11111111 1151111111 15111111111111111111111111111E11 111110 1x 2

CHƯƠNG 1TONG QUAN VE ĐỘNG CƠ KHONG DONG BOINN Khai quat Chung ooo eee 31.2 Mô hình liên tục của DCK BB - 2-2-2222 0211111111111 1 1111131135 3 nen net 31.2.1 Mô hình liên tục của DCKDB trong hệ tọa độ OB 255cc s++ssssss+s 41.2.2 Mô hình liên tục của DCKDB trong hệ tọa độ dq - 555 ss+++<<s*ss+2 61.3 Mô hình gián đoạn của ĐCKDB LH HH SH TH HH ng kg 91.3.1 Mô hình gián đoạn của DCK DB trong hệ tọa độ OB - cccc+S<<<552 101.3.2 Mô hình gián đoạn của DCKDB trong hệ tọa độ dq - 55s s<<<5 5: II

CHƯƠNG 2DIEU KHIỂN VECTOR TUA THEO TỪ THONG ROTOR ĐỘNG CƠ

KHONG DONG BO2.1 Khái quát câu trúc hệ oo eccccccccccsccescecscsescscsscsescsssscsescsussesnsessesssnsessesssssesesssneseeeaess 14

2.1.1 Vector không gian và hệ toa độ từ thông - c1 n2 SH gu 14

Mục lục VI2.1.2 Câu trúc của hệ điều khiến tựa theo từ thơng rOfOT 2-2 +2 s+£+xzcszcee: 18

2.2 Điều khién nghịch lưu theo phương pháp DCVTKG ccccceeeccceseesescsesssseseseeeeeeee 202.2.1 Nguyên lý điều ChE ¿5c 1 12121215111 212121111 2117101211211 011 01 1 xe 22

2.2.2 Cách tính và xuất thời gian đĩng ngắt ra van 2-5-5552 2ccEsEcrzxererrree 28

CHƯƠNG 3TONG QUAN VE DSP F28335 VA THU VIEN SO DIEU KHIEN DONG CƠ3.1 Tổng quan về DSP F28335 ccccccccccccescsscscsecsescsessescscsscsescsesscscscsusscscsvsusscsescsucsssssessessanees 32

S00 122.0 À 343.2.1 Module con Iime-Base - - c1 1111911 S9 2111 ng ng kg 353.2.2 Module con Counter-Comparre - - LH ng nh 383.2.3 Module con Action AquaÏIÍT€T - - - 5c 6S 2310111133111 11199 1111k kg 393.2.4 Module con Dead Band - - - 5c c1 2302223221111 111 11111111182 1111111 ng kg 393.2.5 Module con kích hoạt sự kiện Event 'ÏTIgØØ€T 5 5-55 2****+++sssvrssssss Al

3.9.1 Câu trúc lập trình theo kết cầu +: ¿+ 5E+E+E£E2E2E£EEEE2E2EEEE 21212122212 cyee, 60

Mục lục VII3.9.2 Toán hang trong lập trình theo kết cấu - + 2S 221222222122 EEcxerrree, 62

3.9.3 Sử dụng và ứng dung lập trình theo kết cấu - - ¿5+2 ++++£+£zzxzxz 62

CHƯƠNG 4DIEU KHIỂN CHE ĐỘ TRƯỢT VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG DONG BO4.1 Khái quát hệ phi tuyến - ¿ E2 S221 2E 212111 11212111 1121111101111 65

“NN .:i6 2 8 4 65

4.1.2 Mô hình và quỹ đạo trạng thái của hệ phi tuyến ¿5 eee eeeeeeeeeee 65

4.1.3 Điểm cân băng và điểm dừng của hệ thống ©2552 2222 2£ 2EzEszrxeree 68

4.1.4 Tiêu chuẩn ồn định Lyapunnovv - +2 SE E22 £EEEE212E521 2111121212 xe 704.2 Bậc tương đối của hệ phi tuyếễn 5-5 SE S221 E2 22121511 21212111 21011111 rk 75

43 Tinh dong hoc 4 i0 5 ố ÔÔÔÔÔÔỎ 77

4.4 Thiết kê bộ Điều khién trượt cho ĐCK.ĐB 5: 52222222 S22E2EEEE 212152 EEEeErrrrrkd 804.4.1 Điều khiển tt oo cc cece csecescscscsescecsscsescsessesescssssssesessessseseesesvsnseessesseaeeeaees 80

4.4.2 Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho điều khiển tốc độ ĐCKĐB 83

4.4.3 Thiết kế bộ Điều khiển trượt cho điều khiến vị trí ĐCKĐB 85

CHUONG 5KET QUA MO PHONG VA THUC NGHIEM5.1 Kết quả mô phong ni cccccccccccccsescscsessescscsssescscsscsescsesscsesesecsesvsessesssnsessesvsessesesesesseaeeess 88

5.1.1 Mô phỏng điều khién PI tốc độ ĐCKĐB 2-5-5522 E222 2E EEEEEcrrrree 885.1.2 Mô phỏng điều khiến trượt tốc độ ĐCKĐB, - 5-5252 cc* St tre 955.1.3 Mô phỏng điều khiển PI vị trí ĐCKĐB - 252 2S 2E ‡EEE 2E rrrreree 1005.1.4 Nhận xét kết quả mô phỏng - + 2 2 SE2E2E£EEEE2E£EEEEEE2EEEEE2EEE2E 2221 1065.2 Kết quả thực nghiệm - S213 2121915 1215115 212111111 2111111111111 01111 ce 1075.2.1 Mô hình phan cứng và giải thuật điều khiển ĐCKĐB - 55s 107

5.2.2 Kết quả thực nghiệm điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB 2-5- s2 s22 114

5.2.3 Kết quả thực nghiệm điều khiển PI vị trí ĐCKĐB - 22-55 c2 s2 1185.2.4 Nhan xét két quả thực nghIỆm - 5 2332211111313 120

CHƯƠNG 6KET LUẬN VA HUONG PHAT TRIEN DE TÀI6.1 Kết luận ¿5c S621 S2 1215122121215 2111215 11111111 111111 1101111111010 1121110 111gr 1216.2 Hướng phát trién dé tài 5: ¿E1 S 2E E931 12121215 212151111 2111111111111 Erde 121

Mục lục vill

TAI LIEU THAM KHẢO i5 CS 11238115118 E581151 11153115111 111 111111111 1E5111 111551 teE 122LY LICH NGANG - Le S n1 010111 51111111 115111111 1511111 1111511111515 1111111111111 tre 124

Danh sách bảng và hình ix

DANH SACH BANG VA HINHDANH SACH BANG TRANGBang 2.1: Trang thái logic của các vector điện áp chuẩn oo eects 22Bang 2.2: Trạng thái logic của góc phan sáu ,Š, - 2-2 55s+c+cscecszeceee 25

Bang 2.3: Giá tri của vector biên wu, , u, phụ thuộc vị tri của vector điện ap w, 31

Bảng 3.1: Các kênh đầu vao tương tự và các MUX địa chỉ tương ứng 21

Bảng 3.2: Tác động của tín hiệu vào đến module Encoder 5- 5-5-5 s+s+szs2 25Bang 3.3: Các thanh ghi điều khiển các bộ PLL, clocking và watchdog 31

Bang 5.1: Thông số động cơ không đồng bộ 1⁄4 HP 25- 55 +2 2£s+szS+2 88DANH SACH HINH TRANGHình 1.1: Mô hình liên tục DCDB rotor lồng sóc trên hệ toa độ d - 5

Hình 1.2: Mô hình trạng thái với hệ số hàm của DCDB trên hệ tọa độ qB 6

Hình 1.3: Mô hình liên tục DCDB rotor lồng sóc trên hệ tọa độ ddq - 7

Hình 1.4: Mô hình trạng thái dang phi tuyến yếu của ĐCDB trên hệ tọa độ dq 9

Hình 1.5: Cau trúc mô hình trạng thái gián đoạn DCDB trên hệ toa độ stator 11

Hinh 1.6: Cau trúc mô hình trạng thái gián đoạn DCDB trên hệ tọa do từ thông¡9/9000 , 4 12

Hình 2.1: Xây dựng vector dòng stator từ ba dòng pha 5< << s+2 15Hình 2.2: Vector dong stator trên hệ tọa độ cố định ơÿ và hệ tọa độ quay dq 16

Hình 2.3: Thu thập giá trị thực của các thành phan dong i, , i, đc TH tri 18Hình 2.4: Cau trúc hệ điều khién tựa từ thông rOfOr 2-5- +s+c+cczcs+sccee 20Hình 2.5: Sơ đỗ mạch nghịch lưu nuôi ĐCXCBP - 2-2-2 555+c+c£z£s+sccee 21Hình 2.6: Các vector điện áp chuẩn tạo bởi 3 nhánh van IGBT - 22

Hình 2.7: Thực hiện vector điện áp từ hai vector biên << s<<sssss2 24Hình 2.8: Mẫu xung của vector điện áp thuộc góc phan sáu Š, -. 26

Hình 2.9: Vector điện áp và mẫu xung khiến van thuộc các góc $; S, 28

Danh sách bảng và hình XHình 2.10: Các khả năng cho trƯỚC ứ, G0 re 29Hình 3.1: Sơ đỗ khối chức năng của F28335 .-. 5-5-5252 S222 csesrrrerree 33Hình 3.2: So đồ kết nối các module con của mỗi module ePWM -¿ 35Hình 3.3: Cấu trúc module con Time-Base của mỗi module ePWM 36Hình 3.4: Sự kiện CC, chế độ đếm lên-xuống, điều xung trên ePWMxA 38Hình 3.5: Sơ đỗ khối module con Dead Band ePWM . - 2 25s: 40Hình 3.6: Dạng sóng PWM trong chế độ AHC với Dead Band 41Hình 3.7: Sơ đồ khối của module ADC eesseesseseesesssesseeseeeseesseeseeensenetenneeneenneenses 43Hình 3.8: Cau hình của module A DCC ¿+ + 252 SE 2E£E+E£EEEEEEEESEEEEEErkrkrkrree 45Hình 3.9: Sơ đỗ khối đơn giản của mô-đun CQEP ¿-2 2-5 +52 2£s+s+5+2 47Hình 3.10: Dạng sóng điển hình eQEP 5-5252 SE SE2E+E2EEE£E£EEEEEErErkrkrree 46Hình 3.11: Sơ đỗ kết nỗi xung cÌOCK - + ¿26 S252 SE 2E£E+ESEEE£EEEeEEEErErkrkrkrree 49Hình 3.12: Sơ d6 khối OSC và PLU ¿ c¿©c+5+++cxtrrterttererrterrrerrerkrrrrree 50Hình 3.13: Sơ đồ khối hệ thống PIE - + 2 2 52£+£+£2£E£E£E+EzEz£EzErxzxreee 56Hình 3.14: Tín hiệu ngắt Timer CP 2-2 - ES+E+E+E#ESEEEEEEEEEEEEEErkrkrkrkrkred 60Hình 4.1: Họ các quỹ đạo trạng thái của hệ có 2 biến trạng thái ‹‹‹‹‹- 67Hình 4.2: Quỹ đạo trạng thái của hệ có 3 biến trạng thal c2 68Hình 4.3: Điểm cân bằng 6n định và không 6n định wo 69Hình 4.4: Minh họa khái niệm 6n định LYADUTOV ĂĂQ Ăn 72Hình 4.5: Một gợi ý về việc kiểm tra tính 6n định của hệ tại O -: 72Hình 4.6: Ứng dụng tiêu chuẩn Lyapunov dé thiết kế bộ điều khiến 75Hình 4.7: Quỹ đạo trạng thái của hệ phi tuyến, khi đang ở chế độ Động học không,luôn nằm trong đa tạp KK 5-5521 SE 1 3 1513152121 115151111 1111111111111 30Hình 4.8: Sơ đỗ khói chế độ trượt tổng quát - +25 - 5252 +2+E+E+£szcsceceee 81Hình 5.1: Sơ đồ simulink điều khiển PI tốc độ DCKDB -e: 89Hình 5.2: Sơ đồ khối điều khiển tốc độ ĐCKĐB 5c cccccerreerrerrreee 89Hình 5.3: Mô phỏng PI tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[0 0.5] -: 92Hình 5.4: Mô phỏng PI tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 1.5] -s-s<- 93Hình 5.5: Mô phỏng PI tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 0.5] - 94

Danh sách bảng và hình xiHình 5.6: Mô phỏng PI tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 3.0] -<- 95Hình 5.7: Sơ đỗ simulink điều khiến trượt tốc độ DCKDB -5-5-: 95

Hình 5.8: Mô phỏng trượt tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[0 0.5] - 97

Hinh 5.9: M6 phong truot tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 1.5] - 9SHình 5.10: Mô phỏng trượt tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 0.5] 99

Hình 5.11: Mô phỏng trượt tốc độ với Time=[0 0.75], TL=[1.0 3.0] 100

Hình 5.12: Sơ đỗ Simulink điều khiến PI vị trí ĐCKĐB, 5-55- 5+: 100Hình 5.13: Mô phỏng PI vi trí với Time=[0 0.75], TL=[0 0.5] 102

Hình 5.14: Mô phỏng PI vi trí với Time=[0 0.75], TL=[1.0 T.5] - 103

Hình 5.15: Mô phỏng PI vi trí với Time=[0 0.75], TL=[1.0 0.5] 105

Hình 5.16: Mô phỏng PI vi trí với Time=[0 0.75], TL=[1.0 3.0] 106Hình 5.17: Mô hình thực hiện điều khiến ĐCKĐB 552 2 5<5<25cS+2 108Hình 5.18: Cau trúc phần cứng ¿ - - + 256 E+E+E2EEEESE£ESEEEEEEEEEEEE 1E 1xx cxe, 109Hình 5.19: Sơ đồ khối điều khiến PI tốc độ ĐCKĐB - 2 2 255555552 110Hình 5.20: Sơ đô khối điều khiến PI vị trí ĐCKĐB 5- cece 111Hình 5.21: Giao diện điều khiến ĐCK.ĐB - 5-6 S222 SE tt Erxekrrrrrred 111Hình 5.22: Lưu đồ giải thuật điều khiến ĐCKĐB 5-5- 555cc c2cscscce2 112Hình 5.23: Thực nghiệm điều khiến PI tốc độ DCKDB, có tải khi khởi động l 15Hình 5.24: Thực nghiệm điều khiến PI tốc độ ĐCKĐB, không tải khi khởi động 117Hình 5.25: Thực nghiệm điều khiến PI vị trí ĐCKĐB - 2-2 255552: 120

Ký hiệu và chữ viết tắt xii

KY HIEU VA CHU VIET TAT

CHU VIET TAT

ADC Analog to Digital Converter

DSP Digital Signal Processor

IGBT Insulated Gate Bipolar TransitorĐC Điều chỉnh

DCDB Dong cơ di bộDCDB Động co đồng bộDCKDB Động co không đồng bộDCMC Dong co mot chiéuĐCVTKG Điều chế vector không gianĐCXCBP Động cơ xoay chiêu ba phaMHH Mô hình hóa

PWM Pulse Width Modulation

TB Time-BaseTDDXCBP Truyền động điện xoay chiều ba pha

TỶR Tựa theo từ thông rotor

KÝ HIEUKý hiệu

Us L„Vector dong stator, rotor

Ký hiệu và chữ viết tắt xiii

An.su? “sy 2 “sw

Vector ¡ : trên hệ tọa độ dq, af

Dong pha u,v, w

Thành phần dong stator trục d, trục qThành phan dong stator trục a, trục 2

Moomen tai, moomen cua động cơ

Vector điện áp chuẩnVector biên phải, trái

Vector điện áp stator

Vector u,: trên hệ tọa độ dq, af

Thành phần điện áp stator trục d, trục qThành phan điện áp stator trục a, trục 2Điện áp mạch một chiều trung gianHệ số trượt

Vận tốc øóc cơ, mach stator, mach rotorTu thong cuc

Tu thong stator, rotor

Thanh phan từ thông stator trên trục d, qThanh phan từ thông rotor trên trục d, qThanh phân từ thong rotor trên trục @ , 2Thanh phan trục a , 8, d của dòng nhánh ngang trên i, sơ đỗ thaythế

Ký hiệu và chữ viết tắt XỈV

3,9, , ở Góc cơ, góc pha từ thông, góc cơ, góc pha điện áp u,

J Moomen qua tinh

L,, L,, L, Hồ cam, điện cam rotor, điện cam stator

TL Là, Điện cảm tản phía stator, rotor

la, Ủự Điện cảm stator đo theo trục d, q

O., Goc phan tu thir 1 4R., R, Dién tro rotor, stator

Si Góc phan tu thứ 1 6

T Chu ky trich mau

Tous > Fouts Chu kỳ, tần số xungT,,T, Thời gian duy trì vector biên phải, biên trái

T, , 1, Thời gian duy tri vector mạ, u,

T., T, Hang số thời gian rotor, statorVio VY, Van trên (+), dưới (-) của pha u

Vii Vy Van trên (+), dưới (-) cua pha v

Vous Vy- Van trên (+), dưới (-) cua pha w

Zp> P Số đôi cực

Ø Hệ sô tản toàn phân

Ký hiệu và chữ viết tắt XV

CAC CHI SOf Viét trén cao, bén phải : dai lượng biéu diễn trên hệ tọa độ dqS Viết trên cao, bên phải : đại lượng biéu diễn trên hệ tọa độ ap

Viét trén cao, bén phai : Gia tri dat (gia tri chu dao, gia tri cần, setpoint)

MA TRAN, VECTOR VA KY HIEU KHACA, ® Ma trận hệ thống : liên tục , gián đoạnB, H Ma tran dau vao: lién tuc , gian doanN Ma tran ghép phi tuyén

R, Ma tran diéu chinh vector dong statorV Hàm lyapunov

x, X, u, U Vector trang thai, vector bién vao

Mở đầu | GVHD: TS Nguyễn Đức Thành

MO DAU

1 Giới thiệu dé tài:Với sự tiện dụng, kết cau vững chắc của ĐCKĐB rotor lồng sóc và sự hấpdẫn về giá thành sản phẩm này, ĐCKĐB rotor long sóc được sử dụng ngàycàng rộng rãi Mặt khác, nhu cầu về việc điều khiến chính xác dé đưa đến hệtruyền động có chất lượng cao đã đòi hỏi việc xây dựng hệ diéu khiến truyềnđộng đáp ứng được yêu cau thực tiễn

Trong những năm gần đây, ĐCKĐB thay thế động cơ DC ngày càng tăng trongtruyền động chất lượng cao Ưu điểm chính của động cơ DC là tốc độ của chúng cóthể được kiểm soát một cách đơn giản, bởi vì mô-men xoắn và thông lượng đượctách riêng Tuy nhiên, các kỹ thuật điều khiến vector dựa trên định hướng trườngđược áp dụng cho các ĐCKĐB, việc tách mô-men xoắn và thông lượng một cáchtương tự như các máy điện DC Vì vậy, với sự tiễn bộ của điện tử công suất và sựxuất hiện của bộ vi xử lý chi phí thấp và rất nhanh, các truyền động DCKDB đã đạtđến một vị thế cạnh tranh so với các máy điện DC Tuy nhiên, hiệu quả điều khiếncủa hệ thống tuyến tính vẫn bị ảnh hưởng bởi những sự không chắc chắn, thườngbao gồm các sự thay đổi tham số không thể đoán trước, nhiễu phụ tải bên ngoài,động học không thé được MHH va động học phi tuyến

Điều khiến chế độ trượt cung cấp nhiều đặc tính tốt, chang han nhu hiéu suattốt chong lại động lực không thé MHH, nhạy với sự thay đổi tham số, loại bỏ nhiễubên ngoài và đáp ứng động nhanh Những lợi thế của điều khiến chế độ trượt có thểđược sử dụng ở điều khiến vị trí và tốc độ một hệ thống AC servo Tuy nhiên, sơ đồđiều khiến chế độ trượt truyền thống đòi hỏi phải có kiến thức về giới hạn trên chocác biến không chắc chắn, sử dụng giới hạn trên này cho tính toán hệ số switching.Giới hạn này xác định càng chính xác càng tốt Vì vậy, để giảm đòi hỏi về giới hạncủa sự không chắc chăn, một sơ đồ điều khiến chế độ trượt với hệ số chuyển đôi(switching) thích nghi được đề xuất dé điều khiến DCKDB

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

Mở đầu 2 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành2 Mục đích nghiên cứu:

Xây dựng bộ điều khiến ĐCKĐB thích nghi với nhiễu tải bên ngoài và sựthay đôi thông số động co

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:- Đối tượng nghiên cứu là ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc.- Phạm vi nghiên cứu chính của đề tài này là xây dựng được hệ thống thíchnghi với nhiễu tải bên ngoài và sự thay đối thông số động co

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu, xây dựng các phương án và thiết kế trên lý thuyết và mô phỏng.-Xây dựng mô hình thực nghiệm dé kiểm tra kết quả trên lý thuyết và mô phỏng.5 Y nghĩa khoa học và thực tiễn của dé tài:

Kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau vì hiệnnay rất nhiều hệ truyền động, dây chuyển sản xuất sử dụng ĐCKĐB rotor lôngsóc vì sự hấp dẫn về kết cấu và giá thành của động cơ nhưng lại đòi hỏi độ chínhxác cao.

6 Cau trúc luận văn:Cau trúc luận văn gồm phan Mở dau và 6 Chương:Chương 1: Tổng quan về động cơ không động bộ.Chương 2: Điêu khiến vector tựa theo từ thông rotor động cơ không dong bộ.Chương 3: Tổng quan về DSP F28335 và Thư viện số điều khiến động cơ.Chương 4: Điêu khiến thích nghỉ chế độ trượt động cơ không dong bộ.Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và Hướng phát triển dé tài

Chương 1 3 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE ĐỘNG CƠ KHÔNG DONG

BOQ

1.1 Khai quat chung:

Ngày nay, kỹ thuật điều khiến động cơ điện xoay chiều ba pha đã phat triểnđến mức gần như hoàn thiện Cấu trúc điều khiến theo nguyên lý điều khiến

TAR thường được sử dung là điều khiển dòng điện riêng rẽ cũng như áp dat

nhanh mômen quay Hai mạch vòng điều khiến tốc độ và từ trường quay đượctông hợp riêng biệt

1.2 Mô hình liên tục của DCKDB:

Giả thiết ĐCKĐB rotor lồng sóc có 3 pha đối xứng, khe hở không khí làđều và phân bồ từ thông theo khe hở không khí là sin

Hệ phương trình của DCKDB rotor lồng sóc viết trong hệ toa độ 3 pha dạngthu gọn như sau:

e Phương trình điện áp stator (rên hệ thống cuộn đây stator)

„ ay,

e Phương trình điện áp rotor (trên hệ thống cuộn dây rotor ngắn mach)

0= R7 +2 (1.2)

die Phuong trình từ thông

lM =Li+L,i, với ñ =L,, +L, (13)Ự, = hư, + Li là = bự +L,

e Phuong trình mémen quay

my = 52, =-52, (1.4)

m,, =S: „ Imlự? i = my, \ (1.5)

HVTH: Dang Thanh Thuong MSHV: 10150055

Aa 4 + xu tuy Via to Wg Baat oT oT Ø OL,

fo 1, = " - roy 4 H,gdt ƠI, oT Ø oT’ oL,

Moa aT, 1,1) dy, avy “

"= nh.

r r

Với: W„„=W„„!L„; Vig =Vog! hn

Dé hoàn thiện mô hình DCDB, ta phải bố sung thêm phương trình mômen cósử dụng các thành phân af

Chương 1 5 GVHD: TS Nguyễn Đức Thanh

Ta có thể tập hợp các phương trình (1.7), (1.8) lại thành mô hình liên tục củaDCDB Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ cau trúc của mô hình

Các thành phan a và B của điện áp stator, dòng stator và từ thông rotor có théviết dưới dạng vector với thành phần thực như sau:

0 vo l-o, l-o l-o

of ƠI, Ø oT.

i 0 i —@)

T, T,

¬ I IL rd (1.10)

| 9

OL,

B= 0 Ji

OL,0 0

Công thức (1.9) và (1.10) minh họa rat rõ: đối tuong DCDB (mô tả trên hệ toađộ aB) có mô hình trạng thái với @ trong ma trận hệ thống A’ được coi như là mộttham số ham (biến thiên theo thời gian) có thé đo được Mô hình trạng thái đó (hìnhHVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

Chương 1 6 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành

1.2) là cơ sở dé thiết kế các khâu DC, khâu quan sát trên hệ tọa độ af Trên hệ af

Hình 1.2 M6 hình trạng thái voi hệ số hàm của ĐCDB trên hệ tọa độ gÿ

1.2.2 Mô hình liên tục của DCKDB trong hệ tọa độ dq

Hệ phương trình cua động cơ trong hệ tọa độ dq:

đu — : +Ì—-92); +øi +Ì}—ự 4422 oy wyd h oT oT sd S %g oT Wid oO rq oOL, sddig ay; _( | 41-9), leo, wee, 4,

d f s sả oT oT Sq oO Waa oT Wig oOL, Sq

r (1.12)Hai phương trình (1.11), (1.12) được kết hợp với nhau thành mô hình liên tụctrọn vẹn của DCDB trên hệ tọa độ dq (hình 1.3).

lo Lb,

‡Hình 1.3 M6 hình liên của ĐCDB rotor lông sóc trên hệ tọa độ da

Các thành phan d và q của điện áp stator, dòng stator và từ thông rotor có théviết dưới dạng vector với thành phần thực như sau:

a" = Ax! + Blu! + Nx’@dt (1.13)

Tai day ta sé nhan thay sự khác biệt co bản giữa mô hình trên hệ toa độ aB vamô hình trên hệ tọa độ dq: đó là sự xuất hiện của thành phan tương tác phi tuyến N.Đề hiểu rõ hơn ta phải xem xét bản chất vẫn đẻ, đối tượng ĐCXCBP được nuôi bởi

, sóc pha ban đầuđiện áp stator là một đại lượng vector đặc trưng bởi: module |u,

2} và vận tốc góc @ Có thé tạm thời bỏ qua góc pha ban đầu 2,, ta kết luận: khibiểu diễn các thành phan của vector đại lượng vào, ngoài module còn phải có 4.Khi xét cụ thể ta nhận thấy:

HVTH: Đặng Thanh Thuong MSHV: 10150055

Chương 1 8 GVHD: TS Nguyễn Đức Thanh

e Hai đại lượng đầu vào „và u,, của mô hình trên hệ toa độ af là đạilượng hình sin, đã ân chứa ø

e Hai đại lượng dau vào u,,va u,, của mô hình trên hệ tọa độ dq là đạilượng một chiều, chưa có ø

e_ Mô hình (1.9) có đặc điểm của một hệ tuyến tính hệ số hàm Mô hình(1.13) có chứa tích của vector trạng thái x’ với đại lượng vào thứ ba

u, = @., tng với trường hop phi tuyến yếu.Tham so cụ thê của hai ma trận 4°, ø' vàN:

F0 1 0 0Ì

-1 0 0 00 0 0 1

Chương 1 9 GVHD: TS Nguyễn Đức Thanh

Hình 1.4 M6 hình trạng thái dang phi tuyến yếu của ĐCDB trên hệ tọa độ

dq.

đoạn và cũng chi thu thập dữ liệu, xu ly giá tri thực của động cơ ở các thời điểmgián đoạn cách đều Vì vậy, cần phải xét đến đặc điểm đó của hệ thống, sử dụngmột mô hình gián đoạn của đối tượng khi thiết kế Việc đi tìm mô hình gián đoạncủa ĐCDB là nhiệm vụ của mục tiếp theo Ta sẽ lần lượt tìm cho cả hai hệ tọa độ từthông dq và hệ toa độ stator af, vì trong thực tiễn vẫn ton tại các giải pháp ĐC trêncả hai hệ đó.

1.3 Mô hình gián đoạn của DCKDB:

Về nguyên tắc, việc gián đoạn hóa mô hình liên tục của đối tượng của các doitượng tuyến tinh với hệ số hang tương đôi đơn giản Nếu xét tới đặc điểm của mộthệ truyền động điện, gud trình quá độ của các đại lượng điện bao giờ củng xảy ranhanh hon quá trình quả độ của các đại lượng cơ, ta sẽ thay mô hình của ĐCDBtrên hệ tọa độ stator aB có thể được coi là tuyến tính hệ số hằng

Điều kiện trên sẽ không còn được thỏa mãn khi xét đối tượng trên hệ tọa độ từthông Hệ có đặc điểm phi tuyến yếu, thêm vào đó: vận tốc góc @ (bao gôm tốc độquay @ và phụ tải @) đã làm cho mô hình mang đặc điểm của một đối tượng hệ sốhàm Điều này gây khó dễ cho việc tìm mô hình gián đoạn Tuy nhiên, dưới điềukiện: nêu các đại lượng vào w,,, z„ và ø có thê được coi là hang trong phạm vi chu

HVTH: Đặng Thanh Thuong MSHV: 10150055

lãi

m

(1.16)Mô hình nay có thé được triển khai thành hai phương trình như sau:

là +1) =@% i(k) + Oy! (k)+ Hui (k)

—— QO

OL,

H’= 0 T— — A,

OL, H;0

| 00 (1.18)Việc biéu diễn mô hình trạng thái gián đoạn bang các ma trận con cho phép ta

Chương 1 11 GVHD: TS Nguyễn Đức Thanh

nhìn rõ hơn quan hệ vật lý nội tại của ĐCDB.

(1.22)

Việc biêu diễn mô hình trạng thái gián đoạn băng các ma trận con cho phépta nhìn rõ hơn quan hệ vật lý nội tại của ĐCDB.

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

có thé được mô tả dưới dạng vector i,(t) quay trên không gian với tan sô stator f

i, =F [ig +10)67 tủy Qe! Jy=2213 (2.2)

Lúc nay, ba dòng pha sẽ là hình chiéu của vector i, xuống trục của các cuộndây tương ứng Tương tự, ta có thé biéu diễn các đại lượng ba pha khác như điện ápstator, từ thông stator và rotor dưới dạng vector u,, ⁄, và ⁄„ Tat cả các vector đềuquay xung quanh sốc tọa độ với tốc độ góc ø›,

Nêu bây giờ ta hình dung ra một hệ tọa độ với hai trục d và q, quay đồng bộvới vector ở hình 2.1, ta có thé biểu diễn tat cả các vector dưới dạng thành phân như

Hình 2.1 Xây dung vector dong stator từ ba dòng pha.

Quan hệ tuyến tính giữa mômen và thành phan dòng i,, được thé hiện rất rõ ởcả hai loại động cơ Nếu từ thông rotor là hang (điều này là chắc chan đối vớiDCDB), dòng ¡ sẽ đặc trưng cho mômen quay và vi vậy ta có thể sử dụng đạilượng đầu ra của khâu DC tốc độ quay làm giá trị chủ đạo ¡„ cho thành phân dòngtrục q Đối với trường hợp DCDB, vi từ thong rotor là đại lượng biến thiên chậm, tacó thể coi nó là hằng trong phạm vi chu kỳ trích mẫu của khâu ĐC dòng Trongthực tiễn, bang các biện pháp DC, ta hoàn toàn có thé giữ cho từ thông rotor không

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055

Chương 2 16 GVHD: TS Nguyễn Đức Thanh

doi Điều này được thể hiện rất rõ trong công thức (2.4) Theo công thức đó, từthông rotor chỉ có thé thay đổi bởi thành phan dòng ¡,„ (gọi là dòng tao từ thông) vớimột quán tính nhất định, đặc trưng bởi hăng số thời gian rotor 7có kích cỡ lớn gapnhiều lần so với chu kỳ trích mẫu của khâu DC dòng stator Vậy là, giá tri chủ đạoi_,cua dòng tạo từ thông sẽ là đại lượng đầu ra của một khâu DC từ thông Ngượcvới DCDB, ĐCĐB có từ thông rotor (từ thông cực) tồn tại vĩnh cửu Vi vậy, DCDBsẽ được điều khiến sao cho thành phan ¡ „ luôn có giá tri bang không Hình 2.2 minhhọa dễ hiểu cho các quan hệ vừa được diễn giải

ifs Rotor flux

axts Rotor axis

()

Et Phase Lï

Phase W up: Stator-fixed coordinates

dq: Field coordinates

Hình 2.2 Vector dong stator trên hệ tọa độ có định ap và hệ toa độ quay dq

Nếu hình dung ra hệ toa độ dq đứng yên tại một vi trí, sao cho trục thực d

Chương 2 17 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành

trùng với trục của một trong ba cuộn dây pha (ví dụ: cuộn dây pha U), và ta đôi têncho hệ tọa độ thành af, khi ây ta thu được một hệ tọa độ cô định với stator Hệthông cuộn dây ba pha vôn là hệ thông cô định Vì vay, ta có thé hinh dung ra motphép tinh chuyền, thay thé hệ thống ba cuộn dây pha U, V va W của máy điện bởimột hệ hai cuộn dây ơ và B Dòng chảy qua hai cuộn dây mới là ¡„ va ¡ „.

Tụ — L.,9 |

e HétoadoaBp: if =i, + ji,,

e Hétoadddq: i! =i,, + ji,Dễ dàng thu được từ hình 1.2:

I =| i, + figs | cos —jsinY =eS

Với kết quả trên ta thu được công thức tông quát dé chuyén vector khônggian giữa các hệ toa độ như sau:

HVTH: Dang Thanh Thương MSHV: 10150055

Chương 2 18 GVHD: TS Nguyễn Đức Thanh

Hình 2.3 Thu thập giá trị thực của các thành phan dòng AT"

Trong (2.8) u là vector bat kỳ Áp dụng (2.8) cho vector dòng stator i, , phépchuyên hệ tọa độ đưa tới hai thành phan dòng i,,, i,,, là hai thành phần một chiềucó tác dụng tạo từ thông, tạo mômen quay mà công thức (2.4), (2.5) đã mô tả.

2.1.2 Cau trúc của hệ điều khiển tựa theo từ thong rotorTrên cơ sở lý thuyết ở mục 2.1 ta có thé xem xét kỹ lưỡng hon cau trúckinh điển (hình 2.4) của hệ truyền động điện xoay chiều ba pha điều khiến kiểu

TR

Nếu tạm thời bỏ qua không quan tâm đến khối 8, ta sẽ thay rang hình 2.4 có

Chương 2 19 GVHD: TS Nguyén Duc Thanh

câu trúc giông như hệ truyền động điện một chiêu, đó là vòng DC bên ngoài với:khâu DC từ thông (khối 1) và khâu DC tốc độ quay (khối 9) Khâu DC cấp dưới(vòng trong cùng) bao gôm hai khâu DC độc lập theo luật PI (khôi 2), điêu chỉnhhai thành phân dòng một chiêu ¡„ (co tác dụng tương đương với dòng kích từĐCMC) và i, (c6 tác dụng tương đương với dòng phan ứng ĐCMC) Mạch tinh áp(khối 3: DN) có nhiệm vụ tính các thành phân điện áp u,, va u,, tu đại lượng đầu racủa hai khâu DC dòng Khi tính, DN sử dụng các đại lượng biến thiên chậm là từthông rotor y,, và tốc độ quay @ Nếu biết góc pha 9 của vector từ thông, góc xengiữa trục d của vector từ thông rotor và trục chuẩn cô định, ta có thể chuyển haithành phân điện áp u,,, u,, sang hệ tọa độ stator (khối 4) Điện áp được đặt lên cựccủa động cơ theo phương pháp DCVTKG (khôi 5), cho phép tạo điện áp với biênđộ, góc pha và tân số mà khâu DC dòng đòi hỏi Khâu ĐCVTKG có nhiệm vụ tínhthời gian đóng ngắt các van bán dẫn của nghịch lưu từ hai thành phan điện áp u,,,u,, - Mo hình tu thông (khôi 8) có chức nang tính toán giá trị thực của từ thông rotorvà góc pha 9 từ dòng điện stator và tốc độ quay

Giả sử hai thành phan dòng i,, ¡„ hoàn toàn không phụ thuộc lẫn nhau (tứctuyệt đôi cách ly), khi ay phương án kinh điển sử dụng hai khâu DC dòng theo luậtPI sẽ hoàn hảo Trong thực tế, hai thành phân dòng có tác dụng ảnh hưởng lẫn nhauphụ thuộc vào ø_ Vậy mà, khâu DN lại chỉ là mach tính thông thường, được xâydựng cho chế độ xác lập, không có khả năng cách ly theo đúng nghĩa của tự độngđiều khiến Chính vì vậy, bây lâu nay phương pháp kinh điển chỉ hoạt động tốt ởchế độ tĩnh, chưa tốt ở chế độ động Điều này thé hiện rõ khi hệ làm việc ở vùngsuy giảm từ thông (tốc độ quay lớn hơn tốc độ danh định) là vùng thường xuyênxảy ra tương tác giữa ¡„, i,,.

HVTH: Dang Thanh Thương MSHV: 10150055

Sơ đồ nguyên lý của mạch nghịch lưu nuôi động cơ XCBP với ba cuộn dâypha u, v và w được minh hoa ở hình 2.5 Vi xử lý có nhiệm vụ tính toán, tạo ra các

`v/v Và y, /y_ sao chochùm xung kích thích, điêu khiên các cặp van v„ /v„., 9, /v„ và VỤ,

ba điện áp pha (ở dạng xung băm) có biên độ, tan sô và góc pha đúng như yêu câuđược đặt lên ba cực của động cơ Mạch nghịch lưu được nuôi bởi điện áp một chiêutrung gian „

Chương 2 21 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành

Hình 2.6 minh họa vi tri tương đối trên không gian vector giữa hệ tọa độ af vàba cuộn dây pha u, v, w Mức lôgich của ba cực của các cuộn dây pha quy ước như

sau:

0, néu cực của cuộn dây nôi với thê năng âm hoặc

1, nêu cực của cuộn dây nôi với thê năng dương.

i.LẠ tị 7

pe — o Ww ; i? }

Vy ‘Go /

` NT 3-Phase

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055