Phương pháp điều khiển FOC cho động cơ không đồng bộ ba pha

Báo cáo trình bày hệ truyền động điện sử dụng phương pháp điều khiển FOC cho động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc và phương pháp điều chế vector không gian SVM và phương pháp điều chế độ rộng xung sin PWM

Lời nói đầu Điều khiển vector động cơ không đồng bộ 3 pha đã và đang là giải pháp hàng đầu trong các hệ thống truyền động điện hiện đại ngày nay. Nó dần thay thế các hệ truyền động dùng động cơ DC với giá thành cao và độ tin cậy thấp. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn và kỹ thuật vi xử l{ đặc biệt là sự ra đời của máy tính số với tốc đọ xử lý cao, việc thực hiện các hệ thống điều khiển sử dụng lý thuyết vector trở nên dễ dàng tạo bước nhảy vọt về kỹ thuật điều khiển động cơ. Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc với những ưu điểm như giá thành thấp, không cần bảo trì thường xuyên, khả năng làm việc cao là lựa chọn tốt nhất để ứng dụng điều khiển vector trong các hệ truyền động công nghiệp. Điều khiển vector theo nguyên l{ định hướng trường xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và moment cũng như điều khiển moment tối ưu trong cả 2 trạng thái quá độ và xác lập. Phần mềm Simulink/Matlab được sử dụng để mô phỏng, khảo sát và phân tích đáp ứng của hệ thống điều khiển có tham số không đổi. Nó cho kết quả phù hợp với lý thuyết và thực tiễn. Đồ án chuyên ngành đi sâu vào nghiên cứu hai thuật toán điều chế độ rộng xung kinh điển là điều chế vector không gian SVM và điều chế độ rộng xung sinPWM,áp dụng cho phương pháp điều khiển vector tựa từ thông Field Oriented Control-FOC. Được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo TS.Nguyễn Quang Địch-Bộ môn TĐHXNCN,trường đại học Bách Khoa Hà Nội,em đã hoàn thành xong đề tài với yêu cầu tối thiểu nhất tuy còn khá nhiều sơ suất.Chúng em xin cân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Đức Phong Nguyễn Cao Thế Nguyễn Văn Ninh Chương 1:Lý thuyết điều khiển vector FOC 1.Xây dựng phương trình toán học của động cơ trên hệ tọa độ vector không gian. a.Mô hình động cơ không đồng bộ ba trên hệ tọa độ vector: Để dễ theo dõi ta kí hiệu: Chỉ số trên s: xét trong hệ toạ độ stato (toạ độ ,) f: trong toạ độ trường (field) từ thông rôto (toạ độ dq) r: toạ độ gắn với trục rôto. Chỉ số dưới s: đại lượng mạch stato r: đại lượng mạch rôto Phương trình mômen : m M =   .p p .(ψ r ^i s )=   .p.(ψ r ^i r ) Phương trình chuyển động: m M = m c .    .   Phương trình điện áp cho ba pha cuộn dây stato: u sa (t)= R s i sa (t)+     u sb (t)= R s i sb (t)+     u sc (t)= R s i sc (t)+     Tương tự như vecto dòng điện ta có vecto điện áp: u s (t) =   [u sa (t)+ u sb (t)e j120 +u sc (t)e j240 ] Sử dụng khái niệm vecto tổng ta nhận được phương trình vecto:    = R s .   +      Trong đó    ,    ,    là các vecto điện áp, dòng điện, từ thông stato. Đối với mạch rotor ta cũng có phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồng sóc ngắn mạch nên ta có u r =0 (quan sát trên toạ độ gắn với trục rôto). Từ thông stato và rôto được tính như sau: 0= R r .   +      s = i s L s +i r L m  r = i s L m +i r L r  r = i s L m +i r L r Trong đó L s : điện cảm stato L s = L s + L m (L ós : điện cảm tiêu tán phía stato) L r : điện cảm rôto L r = L r + L m (L ór : điện cảm tiêu tán phía rôto) L s : hỗ cảm giữa rôto và stato (Phương trình từ thông không cần đến chỉ số hệ toạ độ vì các cuộn dây stato và rôto có cấu tạo đối xứng nên điện cảm không đổi trong mọi hệ toạ độ). b.Mô hình động cơ trên hệ tọa độ quay dq Trước tiên,để có được hệ thống mô hình động cơ không đồng bộ quay trên hệ tọa độ quay dq,hay còn gọi là hệ tọa độ quay dq,ta có tính toán và thiết lập một hệ tọa độ trực chuẩn,gọi là hệ tọa độ trực chuẩn . Ta coi vector u s được quay với tốc độ   trong hệ tọa độ trực chuẩn cố định.Khi đó ta có các mô tả của động cơ trên hệ tọa độ như sau:   as ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( ) 3 s s bs cs U t U t U t U t U t     ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ; rr rr s s s s s s s m r s s ss sm s s r r r m s r r r p r rm s r r p r rr d U R i dt L i L i d U R i L i L i dt d L i L i U R i p dt L i L i d U R i p dt                                                          Momen điện từ: '' 33 ( ) ( ) 22 pp m r s s s s r s s pp M L i i i i i i              (1.1) Từ mô hình động cơ trên hệ tọa độ ,ta tưởng tượng ra một hệ tọa độ dq chung gốc,sao cho,trục d trùng và quay đồng bộ với vector từ thông   của rotor với tốc độ là   và góc pha là   ,trong khi đó trục của rotor của động cơ quay với tốc độ góc là ,với góc pha là ,và trục q là trục vuông góc với trục d.Như vậy,khi ta coi hệ tọa độ quay dq có vector từ thông   trùng với trục thực d,thì ta có một hệ tọa độ quay đồng bộ với các vector dòng i s ,áp u s và từ thông  …các vector này và hệ tọa độ quay dq quay với cùng tốc độ góc là   Như vậy,với mọi vector quay trong hệ tọa độ trực chuẩn,ta đều có thể phân tích được nó ra thành hai thành phần trên hệ tọa độ dq với hai thành phần d và jq,ví dụ như vector dòng điện i s ,như sau: Từ đó ta xây dựng được mối quan hệ với vector i s trên cả hai hệ trục tọa độ như sau:   =  sin  +  cos    =  cos  -  sin  Tương tự với các thành phần vector u s ,  ,i r ,  …. 2.Ý tưởng điều khiển vector tựa từ thông FOC Ta có phương trình cân bằng điện áp của rotor,xét trên hệ tọa quay dq. f rr f rs f rr j dt d iR   0 Ta xét riêng trên hai trục tọa độ quay dq: rdr rq rqr rqr rd rdr dt d iR dt d iR       0 0 Từ công thức  r = L r i r + L m i s , cũng xét trên hai trục tọa độ,ta có: r sqmrq rq r sdmrd rd L iL i L iL i       Thay vào hệ phương trình phía trên,ta có được: 0 0   dqrsqr r m rq r r rq rqrsdr r m rd r r rd IR L L L R dt d IR L L L R dt d     Do ta đang xét trên hệ tọa độ dq,nên các thành phần trục q là   =0,và  =  Ta biến đổi được: sdmr r r rr sqm r iL dt d T T iL       Trong đó T r =     Biến đổi laplace phương trình thứ hai,của hệ phương trình mới có,ta có được:   =       Lại có,sử dụng phương trình momen điện từ của động cơ (1.1),xét trên hệ tọa độ dq,ta có được: M=               Vậy,ta có hệ phương trình quan trọng sau:   =       M=               Như vậy nhìn vào mối quan hệ giữa từ thông,momen điện từ,dòng i sd và i sq ,ta có nhận xét như sau,với động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì momen quay của ĐCMC được điều khiển bởi dòng phần ứng : m m =k 1 .  M .i M. Từ thông của ĐCMC được điều khiển bởi dòng kích từ  M =k 2 .i kt .Như vậy việc điều khiển ĐCMC là việc điều khiển hai thành phần dòng kích từ và dòng phần ứng là ta có thể điều khiển được từ thông và momen quay của ĐCMC kích từ độc lập. Ở hệ phương trình trên,ta có được sự tương quan giữa từ thông rotor   và momen điện từ M của động cơ không đồng bộ (ĐCXC) được điều khiển bởi hai thành phần i sd và i sq ,như vậy coi như việc điều khiển từ thông rotor và điều khiển momen điện từ của động cơ là độc lập và nếu xét trên hệ tọa độ dq,thì đó là hai thành phần dòng điện một chiều.Vậy việc điều khiển gần như độc lập hai thành phần dòng i sd và i sq để điều khiển tốc độ ĐCXC trên hệ tọa độ vector quay dq được gọi là phương pháp điều khiển vector FOC-Field Oriented Control. Việc thực hiện phương pháp điều khiển này trên thực tế là nền tảng vi xử l{ và biến tần.Vậy trong bài báo cáo này,ta tập trung xây dựng cấu trúc điều khiển tốc độ ĐCXC trên cơ sở đi sâu vào thuật toán điều chế vector không gian SVM và điều chế độ rộng xung sinPWM.Từ các phương trình cơ bản đã xây dựng ở trên,và dựa vào l{ thuyết,ta có cấu trúc đơn giản nhất của hệ truyền động ĐCKĐB rotor lồng sóc điều khiển FOC như sau. Chương 2:Phương pháp điều chế vector không gian SVM 2.1 Điều khiển động cơ trên cơ sở phương pháp điều chế vector không gian Trong thực tế,việc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng biến tần dùng van bán dẫn.Thông thường các đôi van được vi xử l{ điều khiển sao cho điện áp xoay chiều ba pha với biên độ cho trước,với tần số cho trước cũng như góc pha cho trước.Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều U mc ,với đối tượng hoạt động ở đây là hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cao.Các van bán dẫn ở đây được dùng là loại van IGBT Mỗi pha của động có thể nhận một trong hai trạng thái:1 (nối + của U mc ) hoặc 0 (nối – của U mc ).Do có 3 pha(3 cặp bán dẫn) nên sẽ tồn tại 2^3 là 8 khả năng nối pha của động cơ với nguồn 1 chiều như bảng dưới đây.Trong đó vector U 0 là vector được tạo ra khi ba cuộn dây đều nối – của nguồn 1 chiều,U 7 là khi ba cuộn dây đều nối + của nguồn 1 chiều. Bảng 3.1 Như vậy tất cả các trường hợp có thể có của 3 pha vector được nối với nguồn một chiều ta tạo ra được 8 vector điện áp cơ bản u 0 ,u 1 ,… ,u 7 .Và 8 vector cơ bản này được thể hiện trên mặt phẳng tọa độ như sau: Hình 3.1:Tám vector chuẩn tạo ra bởi các vặp van bán dẫn. Ta xét trường hợp đơn giản như sau,xét vector u 4 được tạo ra Như vậy khi nhìn vào bố trí hình học của việc tạo ra điện áp u 4 như trên,ta thấy U su =-2U mc /3 U sv =U sw =U mc /3 Tương tự như các trường hợp khác,thì mọi vector điện áp được tạo ra có giá trị lớn nhất có thể là 2U mc /3. 2.2.Nguyên lý của phương pháp điêu chế vector không gian. Giả sử ta cần thực hiện một vector U s như hình dưới đây: [...]... Chương 3:Thiết kế bộ điều khiển Động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc được điều khiển bằng phương pháp điều khiển vector RFOC được thiết kế bởi hai mạch vòng điều khiển, mạch vòng ngoài cùng là mạch vòng điều khiển tốc độ,mạch vòng trong cùng là mạch vòng dòng điện với 2 mạch vòng nhỏ,đó là mạch vòng điều khiển dòng điện isd và mạch vòng điều khiển isq,tương tự như động cơ một chiều,2 dòng... trình mô phỏng,các hệ số kp,ki được tính chọn sao cho kết quả đáp ứng được tốt nhất 3.2.Thiết kế bộ điều khiển tốc độ Đối với động cơ không đồng bộ ba pha, sự chênh lệch giữa hai đại lương :momen điện từ M và momen cản MC là nguyên nhân gây ra gia tốc quay của rotor.Ta có phương trình chuyển động của động cơ không đồng bộ thể hiện bởi: M-MC=J Chuyển sang không gian laplace,ta có = Momen sinh ra được tính... khác,ta thấy trong cấu trúc điều khiển tốc độ,có vòng trong cùng là vòng điều khiển dòng điện isq,nên theo công thức đã xác lập,ta có cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ như sau: 𝝎 PI tốc độ _ 𝝎 iq* MC Khâu đk dòng iq KT M 1/Js Bộ điều khiển tốc độ được chọn là bộ điều khiển PI có dạng Gc=K1( ) Như vậy,hàm truyền hở của mạch vòng điều khiển tốc độ có dạng: Gow= K1( ) Tương tự như khâu điều chỉnh dòng điện,các... độ động cơ là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhờ thuật toán tối ưu.Như đã nói ở trên,ta có thể điều chế được vector Us bất kz có bán kính là 2Umc/3 quét toàn bộ trong vòng tròn chia bởi 6 sector u0,u1,….,u7 ,như thế việc điều chế điện áp và điều khiển động cơ sẽ ít độ giật và việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn 2.Nhược điểm Nhìn sơ qua về mặt lý thuyết và thuật toán thì việc dử dụng phương pháp điều. .. cùng là vòng điều khiển tốc độ,mạch vòng này có thời gian trễ lớn hơn rất nhiều so với 2 mạch vòng phía trong.Cụ thể ta sẽ xét trong mục sau đây 3.1.Cấu trúc điều khiển Như sơ đồ trên ta thấy được hai mạch vòng điều khiển rõ ràng và riêng biệt,đó là mạch vòng điều khiển tốc độ và mạch vòng điều khiển dòng điện,sử dụng luật điều khiển PI,sử dụng thuật toán điều chế vector không gian(SVM) cho biến tần... như khâu điều chỉnh dòng điện,các hằng số P và I của bộ điều khiển phụ thuộc vào hệ thống điều khiển Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng cho hàm truyền hở của hệ,việc tính chọn các tham số của bộ điều khiển khi áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng nhằm nâng cao độ dự trữ ổn định cho hệ kín,các tham số điều khiển được chọn sao cho tại tần số cắt góc pha là lớn nhất Do đối tượng ở trên là khâu quán tính... thuật toán điều chế vector không gian dễ gây ra hệ số đập mạch lớn,gây quá trình tỏa nhiệt và tổn hao lớn cho thiết bị TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Điều chỉnh tự động truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, NXB Khoa học và Kỹ thuật – 1999 2 Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha – GS T.S Nguyễn Phùng Quang, NXB Giáo Dục 1998 3 Cơ sở truyền động điện... chính giữa bộ điều khiển Ri và đối tượng,cụ thể như sau: 𝑢 𝑠𝑑 idref id Bộ ĐK 𝐾𝑖 𝑇𝑖 𝑠 + 1 ud 1 𝑅 𝑠 + 𝑠𝐿 𝑠 𝑢 𝑠𝑞 iqref _ 1 𝑅 𝑠 + 𝑠𝐿 𝑠 𝐾𝑖 𝑇𝑖 𝑠 + 1 Bộ ĐK uq iq Ở sơ đồ trên ta thấy xuất hiện :bộ ĐK,hàm truyền của khâu nghịch lưu được thể hiện dưới dạng hàm truyền là ,trong đó Ki là hệ số khuếch đại của khâu nghịch lưu,Ti là hằng số thời gian trễ.Ta nhận thấy đối tượng thực của động cơ không đồng bộ ba pha rotor... -Áp pha AB: Nhận xét và đánh giá: -Ưu điểm: +Cho kết quả phản ứng nhanh,tốc độ bám tốt và thời gian đáp ứng nhỏ,sử dụng tốt cho các đối tượng động cơ hoạt động ở vùng dưới tốc độ định mức và cận 0 +Hệ thống đáp ứng được tín hiệu đặt tốc độ trong vùng tốc độ cơ bản, từ thông không đổi -Nhược điểm: +Do sử dụng thuật toán điều chế vector không gian nên khối lượng tính toán lớn,gây ra thời gian trễ lớn cho. .. ur cho vector us,từ đó mà ta tính được thời gian tồn tại của hai thành phần đó và quay ngược lại tính được thời gian đóng ngắt các van bán dẫn cần thiết.Dưới đây là bảng modul của các vector biên liên hệ với các thành phần usα và usβ 2.4.Đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp điều chế vector không gian 1.Ưu điểm Việc sử dụng thuật toán điều chế vector không gian SVM để điều chế được vector Us điều khiển