Nghiên cứu đặc tính phẳng của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu và đề xuất cấu trúc điều khiển trên cơ sở nguyên lý hệ phẳng

LỜI CAM ĐOAN Trong vài năm gần đây đã và đang có một số nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm, nghiên cứu các hệ truyền động sử dụng động cơ xoay chiều ba pha, phần lớn trong

Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN

Trong vài năm gần đây đã và đang có một số nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm, nghiên cứu các hệ truyền động sử dụng động cơ xoay chiều ba pha, phần lớn trong số đó là đối tượng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Riêng đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu đang là đối tượng được quan tâm nghiên cứu, chưa có công trình khoa học nào công bố một cách trọn vẹn các kết quả điều khiển cho đối tượng này

Tôi xin cam đoan đây là bản luận văn của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu, thực nghiệm trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Tác giả luận văn

Trần Tuấn Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ PHẲNG 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.2 Khái niệm hệ phẳng 2

1.1.3 Vai trò tính phẳng – Mô hình ngược 4

1.2 Một số ví dụ 6

1.2.1 Điều khiển cần gạt nước sử dụng động cơ một chiều 6

1.2.2 Đối tượng ĐCKĐB xoay chiều ba pha 10

1.2.3 Hệ tuyến tính MIMO 14

CHƯƠNG 2 CHỨNG MINH ĐẶC TÍNH PHẲNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM) 17

2.1 Đặc điểm cấu tạo và hoạt động của PMSM 17

2.2 Mô hình toán học liên tục 18

2.3 Tính phẳng của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu 22

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ NGUYÊN LÝ HỆ PHẲNG 26

3.1 Cấu trúc điều khiển thẳng dựa trên nguyên lý hệ phẳng 26

3.1.1 Đặt vấn đề 26

3.1.2 Cấu trúc điều khiển truyền thẳng 27

3.1.2.1 Khâu tính i sq 29

3.1.2.2 Khâu tính u sd 29

3.1.2.3 Khâu tính u sq 30

3.1.2.4 Các khâu thiết lập quỹ đạo 31

3.1.2.5 Bộ điều khiển truyền thẳng 34

3.2 Các bộ điều khiển bù sai lệch 36

3.2.1 Bù dòng cho khâu điều khiển tốc độ 36

3.2.2 Bù điện áp cho khâu điều khiển dòng i sd 39

3.2.3 Bù điện áp cho khâu điều chỉnh dòng i sq 41

3.3 Cấu trúc điều khiển theo nguyên lý hệ phẳng 42

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 46

4.1 Điều khiển đối tượng PMSM dạng mô hình liên tục 46

4.1.1 Sơ đồ mô phỏng 46

4.1.2 Kết quả mô phỏng 52

4.2 Mô hình PLECS-PMSM 55

4.2.1 Sơ đồ mô phỏng 55

4.2.2 Kết quả mô phỏng 59

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển ngược 5

Hình 1.2 Đối tượng cần gạt nước và động cơ một chiều điều khiển 6

Hình 1.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển phẳng đối tượng ĐCKĐB ba pha 12

Hình 2.2 Vector dòng stator is khi động cơ đồng bộ làm việc 19

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiến sử dụng bộ điều khiển truyền thẳng 28

Hình 3.2 Khâu tính i sq 29

Hình 3.3 Khâu tính u sd 30

Hình 3.4 Khâu tính u sq 31

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc khâu thiết lập quỹ đạo tốc độ 32

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng khâu thiết lập quỹ đạo omega 33

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng khâu thiết lập quỹ đạo i 33 sd Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển thẳng trên nguyên lý hệ phẳng 34

Hình 3.10 Sơ đồ mô phỏng sử dụng bộ điều khiển truyền thẳng cho đối tượng PMSM 34

Hình 3.11 Bộ điều khiển truyền thẳng theo nguyên lý hệ phẳng 35

Hình 3.12 Đáp ứng tốc độ động cơ khi sử dụng bộ điều khiển truyền thẳng 35

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển tốc độ sử dụng khâu bù dòng 37

Hình 3.10 Mô hình khâu điều khiển tốc độ 38

Hình 3.11 Sơ đồ điều khiển dòng i sd sử dụng khâu bù điện áp 39

Hình 3.12 Mô hình khâu điều chỉnh dòng i 40 sd Hình 3.13 Sơ đồ điều khiển dòng i sq sử dụng khâu bù điện áp 41

Hình 3.14 Mô hình khâu điều chỉnh dòng i 42 sq Hình 3.15 Bộ điều khiển theo cấu trúc truyền thẳng 43

Hình 3.16 Sơ đồ cấu trúc ĐK trên nguyên lý hệ phẳng ĐCĐB kích thích vĩnh cửu 43

Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc khâu điều chỉnh tốc độ có bù dòng 44

Hình 3.18 Sơ đồ cấu trúc khâu điều chỉnh dòng i sd có bù điện áp 45

Hình 3.19 Sơ đồ cấu trúc khâu điều chỉnh dòng i sq có bù điện áp 45

Hình 4.1 Đối tượng ĐCĐB kích thích vĩnh cửu trên hệ tọa độ dq 47

Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng điều khiển ĐCĐB kích thích vĩnh cửu trên Simulink 48

Hình 4.3 Bộ điều khiển phẳng (Flatness-based Controller) 49

Hình 4.4 Khâu điều chỉnh tốc độ 49 Hình 4.5 Khâu điều chỉnh dòng i 50 sd

Hình 4.6 Khâu điều chỉnh dòng i 50 sq

Hình 4.7 Tốc độ động cơ khi chạy không tải, đóng tải và đảo chiều quay 52

Hình 4.8 Dòng i sd , thời điểm đóng tải( 0.5s), tăng tốc (1s) và đảo chiều quay (1.3s) 53

Hình 4.9 Dòng i sq , thời điểm đóng tải( 0.5s), tăng tốc (1s) và đảo chiều quay (1.3s) 54

Hình 4.10 Các dòng pha 54

Hình 4.11 Điện áp stator u sd 55

Hình 4.12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển ĐCĐB kích thích vĩnh cửu 56

Hình 4.13 Điều khiển PMSM trên PLECS 57

Hình 4.14 Khâu điều chế vector 58

Hình 4.15 Đối tượng PMSM và bộ nghịch lưu đi kèm 58

Hình 4.16 Tốc độ động cơ mô phỏng với công cụ PLECS và biến tần 59

Hình 4.17 Dòng stator i i sd, sq 60

Hình 4.18 Các dòng pha 60

MỞ ĐẦU

Nguyên tắc truyền động điều chỉnh bằng các động cơ đồng bộ đã được biết đến

từ những năm 30 của thế kỷ trước Tuy nhiên những ứng dụng của nó chỉ bắt đầu từ thập kỷ 60, nhờ các phát minh mới cho phép thực hiện những truyền động điều chỉnh tốc độ ở mức độ khá hoàn chỉnh Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu rất phù hợp với loại hình truyền động này, các máy điện đồng bộ dần được ứng dụng vào hệ thống nhiều hơn, đòi hỏi sự đồng bộ tuyệt đối, nhất là với ứng dụng trong máy công cụ, tàu điện hay là trong các truyền động trực tiếp Trong các ứng dụng như vậy, một số động cơ đồng bộ có công suất vài kilo watts được sử dụng rộng rãi Đặc tính tương quan giữa mômen quay và mômen quán tính, tương quan công suất – trọng lượng của động cơ đồng bộ là tối ưu so với các loại máy điện khác Mặt khác, sự tiến bộ kỹ thuật mới đây cho phép thực hiện những bộ biến đổi ngày càng tinh vi, ổn định trong hoạt động

Không như các loại động cơ không đồng bộ đã quá phổ biến và gần như trở thành sự lựa chọn duy nhất cho mọi ứng dụng truyền động từ nhiều thập kỷ qua, việc ứng dụng đối tượng động cơ đồng bộ trong những năm trở lại đây đã rộng rãi hơn, các nghiên cứu trên đối tượng này cũng mang tính thực tiễn rất cao, đem lại hiệu quả hoạt động tốt Tuy nhiên xét về mặt công nghệ, các nghiên cứu ứng dụng trước đó vẫn chỉ coi các đối tượng động cơ xoay chiều ba pha này như đối tượng tuyến tính (mối quan hệ giữa các biến trong hệ là quan hệ tuyến tính) và do đó việc thiết kế điều khiển cho những đối tượng này cũng chỉ đáp ứng cho đặc tính tuyến tính đó Một đối tượng động cơ xoay chiều ba pha luôn hoạt động ở với cả hai đặc tính: tuyến tính và phi tuyến, tuy nhiên trong từng phạm vi ứng dụng cụ thể, người

ta có thể coi đối tượng này làm việc ở vùng tuyến tính mà bỏ qua ảnh hưởng phi tuyến, chất lượng điều khiển cũng khá hoàn hảo Trong các ứng dụng khác, phạm vi hoạt động của đối tượng có thể chuyển sang miền làm việc phi tuyến, mối quan hệ

và sự biến đổi giá trị các thành phần dòng, áp hay mômen không còn tuyến tính

nữa, ví dụ: khi đối tượng đi vào miền suy giảm từ thông hay có giới hạn dòng/ áp Khi đó, cấu trúc điều khiển tuyến tính kiểu kinh điển không còn đáp ứng được yêu cầu bài toán, người ta hy vọng một cấu trúc điều khiển mới sẽ giúp chế ngự tốt các đặc tính phi tuyến của đối tượng

Bản luận văn này tập trung nghiên cứu một lý thuyết điều khiển mới, dựa trên một đặc tính mới của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, đó là đặc tính phẳng (flatness), và cấu trúc điều khiển áp dụng được gọi là cấu trúc điều khiển phẳng (Flatness-based Control) Bản luận văn chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ phẳng, chương này giúp người đọc hiểu được khái niệm và đặc điểm của một hệ phẳng Thông qua các ví dụ, người đọc cũng hiểu thêm về tính phẳng có trong các đối tượng quen thuộc

Chương 2: Đặc tính phẳng của đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Chương 3: Đề xuất cấu trúc điều khiển phẳng Dựa trên những lập luận về hệ phẳng ở chương 1 và việc chứng minh đối tượng ĐCĐB mang đặc tính phẳng, đề xuất cấu trúc điều khiển dựa trên đặc tính phẳng này của đối tượng

Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng

Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã nhiều lần gặp khó khăn do tính mới mẻ của đề tài và sự thiếu thốn tài liệu nghiên cứu về đối tượng động cơ đồng bộ

ở nước ta Trong những lúc đó, tác giả luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp tư liệu của thầy giáo – PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Tác giả xin gửi tới thầy lời cảm ơn Tác giả cũng muốn cảm ơn hai kỹ sư ngành điều khiển tự động, khóa 49, trường Đại học Bách khoa Hà nội đã cung cấp tư liệu giúp hoàn thành bản luận văn này

Hà nội, tháng 11 năm 2009

Tác giả

Các bài toán điều khiển có điểm chung là đều thực hiện nhiệm vụ chuyển từ động học mong muốn của hệ thống về tính toán các giá trị đầu vào tương ứng, tức phải tìm ra các đầu vào thích hợp nhằm đưa hệ từ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, qua đó các biến trạng thái và biến đầu ra di chuyển trên những quỹ đạo mong muốn nhất định Ngày nay, các bộ điều khiển tuyến tính vẫn được sử dụng rộng rãi cho những đối tượng động cơ xoay chiều ba pha, phương pháp thường được sử dụng là điều khiển tuyến tính trên mô hình không gian trạng thái Người điều khiển không chỉ quan tâm đến mối quan hệ giữa các tín hiệu vào và ra (ở đây tín hiệu vào là điện áp đặt lên các cuộn dây Stator và tín hiệu ra là tốc độ của động cơ), các thông số khác như điện áp, dòng điện đầu ra, mô men, từ thông… cũng được quan tâm

Khi đối tượng hoạt động ở miền tuyến tính, các bộ điều khiển này đã đem lại chất lượng điều khiển rất tốt Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho đối tượng động cơ xoay chiều ba pha hiện tại gần như đã hoàn hảo về tính năng và chất lượng Tuy

nhiên, khi đối tượng đi vào “miền phi tuyến”, ví dụ với đối tượng động cơ xoay

chiều ba pha, khi giá trị dòng điện và điện áp đi vào giới hạn, hay khi động cơ hoạt động ở miền suy giảm từ thông, thì mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện hay từ

thông với các biến trạng thái khác sẽ không còn tuyến tính nữa, các bộ điều khiển

tuyến tính lúc này không thể đem lại kết quả đáp ứng phù hợp Do đó, một cấu trúc

điều khiển phi tuyến phù hợp hơn với bản chất phi tuyến của động có thể hứa hẹn sẽ đem lại những phẩm chất mới cho hệ thống, góp phần chế ngự tốt hơn các trạng thái vận hành phi tuyến Ngày nay các kỹ thuật điều khiển phi tuyến được sử dụng

rộng rãi cho nhiều loại đối tượng khác nhau, ví dụ kỹ thuật điều khiển Backstepping thích nghi hệ thống có tham số bất định (Adaptive Backstepping Control of Nonlinear System with Uncertainly Parameters), bộ điều khiển mờ thích nghi cho đối tượng phi tuyến rời rạc sử dụng kỹ thuật tự chỉnh độ mở (Auto-tuning Gain of

an Adaptive Fuzzy Controller for Discrete time Systems)… Trong luận văn này người viết xin giới thiệu về việc sử nguyên lý hệ phẳng để điều khiển đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, đây là một phương pháp còn khá mới

thỏa mãn 3 điều kiện:

m

y ( y , y , , y )= = f ( x,u,u, ,u& ) (1.2) (2) Toàn bộ các biến đầu vào và biến trạng thái của hệ có thể xác định từ tập

sao cho:

( r )

u=ϕ( y, y, , y& ) (1.3)

y ( y , y , , y )= được gọi là đầu ra phẳng của hệ

Trong những năm gần đây, tính chất phẳng (flatness) đã được hiểu theo nhiều

cách khác nhau, nhưng chung lại thì đây vẫn là một công cụ hữu ích cho các bài toán điều khiển hệ phi tuyến Theo quan điểm của M Fliess và Ph Martin thì “mọi

hệ phẳng có thể tuyến tính hóa sử dụng phản hồi động học, nhưng, flatness là đặc

điểm của một hệ và không có nghĩa hàm ý rằng nó sẽ chuyển hệ từ phi tuyến sang

hệ tuyến tính đơn Do đó, không thể nói sẽ flatness chuyển một hệ phi tuyến sang hệ

tuyến tính tương đương Khi một hệ là phẳng, nghĩa là cấu trúc phi tuyến của hệ có thể được nhận dạng, và chúng ta có thể sử dụng cấu trúc đó trong xây dựng thuật toán điều khiển như điều khiển vị trí, bám quỹ đạo hay ổn định trạng thái…” [9] Hiên nay vẫn chưa có một phương pháp chung nhất nào xác định được tập đầu

ra phẳng của một hệ Hệ cho trước có thể tồn tại một tập các biến đơn thỏa mãn điều kiện đầu ra phẳng, nhưng chỉ một số hay toàn bộ các biến đó được sử dụng như các biến phẳng chính thức, đó là các biến có liên quan trực tiếp tới yêu cầu điều khiển Người điều khiển sẽ tập trung vào các biến trực tiếp đó và sử dụng (có chứng minh) chúng như tập đầu ra phẳng của đối tượng

Ví dụ với đối tượng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha, ta có thể chứng minh được tập biến thỏa mãn điều kiện biến phẳng là y ( ,= ω ψrd′ , T ) m với T m là

mô men tải tác động lên đối tượng Thực chất ở đây mô men tải lại mang tính chất của một biến đầu vào, do vậy hiển nhiên ta chỉ nên lấy 2 biến còn lai là tốc độ động

ra rằng, việc chọn 2 biến ωvà ψrd′ làm đầu ra phẳng cũng mang ý nghĩa vật lý kỹ thuật rất rõ ràng, giá trị của ωvà ψrd′ quyết định chất lượng điều khiển đối tượng, trong khi ωlà giá trị tốc độ còn từ thông rotor ψrd′ lại quyết định trạng thái từ hóa của động cơ, và do đó xác định hiệu suất sử dụng máy điện và nghịch lưu

Tóm lại, với từng đối tượng cần điều khiển cụ thể mà chúng ta lựa chọn biến đầu

ra phẳng khác nhau Căn cứ vào yêu cầu bài toán mà quyết định những biến cần điều khiển chính, sau đó chứng minh tính phẳng của chúng và xây dựng cấu trúc điều khiển phẳng với biến đầu ra đó

1.1.3 Vai trò tính phẳng – Mô hình ngược

Ứng dụng của tính phẳng để giải quyết các vấn đề điều khiển ngày càng trở nên quan trọng trong những năm gần đây Bộ điều khiển trên cơ sở nguyên lý hệ phẳng

áp dụng tốt cho đối tượng phi tuyến, một điều mà các bộ điều khiển tuyến tính trước

đó không làm được Với tính chất đặc trưng của các hệ phẳng là luôn tồn tại tập biến phẳng y ( y , y , , y )= 1 2 m , mà thông qua y và các đạo hàm của y, toàn bộ các

biến trạng thái và đầu vào có thể được xác định Có nghĩa người ta có thể tính toán trước quỹ đạo (trajectory) của đầu vào từ quỹ đạo mong muốn của đầu ra phẳng, hay nói cách khác bài toán điều khiển được giải mà không cần tới các phép giải phương trình vi phân Với đặc điểm các biến trong tập đầu ra phẳng chính là các giá trị cần điều khiển chính của bài toán, ý nghĩa vật lý kỹ thuật được thể hiện rõ ràng,

ta sẽ đưa trực tiếp các tín hiệu đầu ra mong muốn này về làm giá trị đặt (reference) đầu vào, dẫn tới một cấu trúc điều khiển mà giá trị cần điều khiển của hệ lại là đầu

vào điều khiển, gọi là cấu trúc Điều khiển ngược, hay Mô hình ngược

Để hiểu rõ hơn ta xét ví dụ sau:

Đối tượng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc hoạt động dựa trên nguyên lý trượt từ thông giữa hai thành phần cơ bản Stator và Rotor Trong các ứng

dụng sử dụng loại động cơ này, chúng ta mong muốn điều khiển tốc độ trục quay

rd

cũng cần điều chỉnh vì nó quyết định trạng thái từ hóa của động cơ Điện áp stator

s

điều khiển Bằng phương pháp mô hình hóa đối tượng trên miền thời gian liên tục,

ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA

Như vậy từ bài toán ban đầu là phải tính toán giá trị u và sd u đưa tới động cơ sq

điều khiển phẳng đối tượng động cơ xoay chiều ba pha

1.2 Một số ví dụ

1.2.1 Điều khiển cần gạt nước sử dụng động cơ một chiều

Hình 1.2 Đối tượng cần gạt nước và động cơ một chiều điều khiển

Động cơ điện một chiều có cấu trúc Stator gồm một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, Rotor của động cơ có các cuộn dây quấn và được nối với dòng điện một chiều Bộ phận chỉnh lưu cùng cổ góp có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của Rotor là liên tục

Phương trình điện của đối tượng động cơ một chiều:

Phương trình cân bằng mômen giữa động cơ và cần gạt như sau:

2 θ 1

θ

e

tác động K f là hệ số ma sát giữa động cơ và điện trở hạn chế, K b là độ cứng của lò

vi phân các thành phần trong tập

Đối tượng cần gạt nước - động cơ thỏa mãn đủ 3 điều kiện ở phần 1, ta nói hệ là phẳng với đầu ra phẳng là y z= = (góc quay của cần gạt) 1 θb

Cấu trúc điều khiển đề xuất (xem tài liệu [12]):

đầu vào điều khiển là điện áp U m Giả sử giá trị đặt là * 1*

m

viết lại như sau:

Nếu K I ≠ , sai lệch của góc 0 θb sinh ra bởi nhiễu:

1

b b

K

1.2.2 Đối tượng ĐCKĐB xoay chiều ba pha

ĐCKĐB xoay chiều ba pha rotor lồng sóc được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, đặc biệt là ở các hệ thống truyền động ba pha có điều khiển bằng biến tần hoặc điều khiển điện áp trực tiếp Nguyên lý làm việc cơ bản của loại động cơ này

là sử dụng lực quay do sự trượt từ thông giữa hai thành phần Stator và Rotor Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây Stator sẽ tạo ra dòng Stator, gây nên điện áp cảm ứng phía Rotor và do đó xuất hiện dòng Rotor Dòng hai phía Stator, Rotor có tác dụng tạo nên từ thông ở hai phần đó, và đó chính là nguyên nhân sinh ra mômen quay của máy điện Điều kiện để xảy ra cảm ứng và tạo được

mômen là tồn tại một “sự trượt” nhất định (không đồng bộ) giữa chuyển động quay

của Rotor và của vector từ thông Stator

Để chứng minh đối tượng ĐCKĐB là phẳng, trước hết ta phải đưa ra kết quả

mô hình hóa của động cơ để từ đó chứng minh nó thỏa mãn các điều kiện phẳng

Hệ phương trình mô tả ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq như sau [1]:

2

m

sq s

Trước hết ta nhận thấy rằng, trong các ứng dụng có sự tham gia của đối tượng

mong muốn phải bám sát với giá trị đặt Biến cần điều khiển thứ hai là từ thông

Rotor trên trục d (ψrd′ ) vì giá trị chủ đạo *

rd

cơ, và do đó quyết định hiệu suất sử dụng của máy điện, nghịch lưu Như vậy, theo cách lập luận về cách chọn đầu ra phẳng ở trên, một cách chủ quan, ta xác định biến

thỏa mãn điều khiển phẳng

Chứng minh tính phẳng của đối tượng:

(1) Đặt biến y=(ω ψ, rd′ ) Ta thấy hai thành phần này chính là các biến trạng thái của đối tượng, do vậy hiển nhiên chúng có thể xác định thông qua các biến trạng thái cũng như biến đầu vào:

Điều kiện (1) được thỏa mãn

(2) Các biến trạng thái và biến đầu vào của đối tượng được mô tả thông qua tập

biến y này như sau:

Như vậy điều kiện (2) được thỏa mãn

(3) Giả sử tồn tại quan hệ H( y, y, , y& ( r ) )=0, như vậy có nghĩa là với mỗi quỹ

rd

Điều này là vô lỹ vì hai thành phần điện áp stator trên là độc lập với nhau

Từ ba điều kiện trên, ta có kết luận y=(ω ψ, rd′ ) chính là biến đầu ra phẳng (flat

output) của đối tượng và đối tượng ĐCKĐB là một hệ phẳng

Cấu trúc điều khiển đề xuất (xem [7]):

Sử dụng mô hình ngược với đầu vào đặt chính là các biến phẳng, bộ điều khiển trên nguyên lý hệ phẳng có nhiệm vụ tính toán điện áp đầu ra đưa vào các cuộn dây Stator Cấu trúc điều khiển như sau:

Hình 1.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển phẳng đối tượng ĐCKĐB ba pha

Các bộ điều chỉnh có cấu trúc tỉ lệ - tích phân R ,ω Rψvà R thực hiện nhiệm I

vụ bù sai lệch cho các thành phần đầu ra là dòng và áp Stator, nhận tín hiệu vào là sai lệch giữa giá trị mong muốn (ở đây là ωd , ' d

sd

quay và từ thông đặt, theo công thức (1.30):

2 3 2

W p

* sq

L z L

ωψ

1.2.3 Hệ tuyến tính MIMO

Ở ví dụ trên, chúng ta đã xét đối tượng động cơ xoay chiều ba pha với đặc tính phi tuyến, bộ điều khiển trên nguyên lý hệ phẳng có nhiệm vụ tính toán điẹn áp điều khiển đưa tới động cơ Tiếp theo ta sẽ xét một đối tượng tuyến tính sử dụng cấu trúc điều khiển phẳng

Hệ tuyến tính MIMO cho bởi ma trận hàm truyền:

Thật vậy, z thỏa mãn điều kiện (1) do x ,x , ,x lần lượt phụ thuộc vào các 11 21 m1

biến trạng thái của hệ

z thỏa mãn điều kiện (2) do các biến trạng thái và biến đầu vào của hệ đều được

tính theo z và các đạo hàm của nó:

1 1

z thỏa mãn điều kiện (3) do x ,x , ,x phụ thuộc lần lượt vào 11 21 m1 u ,u , ,u 1 2 m

vốn là các đầu vào độc lập tuyến tính

Thỏa mãn cả 3 điều kiện của một hệ phẳng, hệ tuyến tính MIMO cho bởi (1.36)

là phẳng với đầu ra phẳng z ( z ,z , ,z ) ( x ,x , ,x )= 1 2 m = 11 21 m1

CHƯƠNG 2 CHỨNG MINH ĐẶC TÍNH PHẲNG CỦA ĐỘNG CƠ

ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM)

2.1 Đặc điểm cấu tạo và hoạt động của PMSM

Nguyên tắc truyền động điều chỉnh sử dụng các động cơ đồng bộ đã phát triển mạnh mẽ từ những năm 60 của thế kỷ trước, việc sử dụng động cơ đồng bộ cho phép thực hiện các điều chỉnh tốc độ ở mức khá hoàn chỉnh Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của ngành điện tử công suất, các bộ biến đổi công suất ngày càng nhanh hơn và mạnh mẽ hơn

Các máy điện đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu rất hợp với loại truyền động này Các máy điện ngày càng được ứng dụng vào hệ thống tự động đòi hỏi tính đồng bộ tuyệt đối, nhất là đối với ứng dụng trong máy công cụ, tàu điện hay trong các hệ truyền động thông minh Trong các ứng dụng đó, các động cơ đồng bộ

có công suất vài kilo Watts được sử dụng rộng rãi hơn cả

Cấu tạo của một động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu gồm 3 phần chính: Cuộn phần ứng (cuộn dây Stator), nam châm vĩnh cửu (dán trên bề mặt Rotor) và Rotor Động cơ đồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu có kết cấu phía Stator giống ĐCKĐB:

đó là hệ thống cuộn dây nhận nguồn cấp ba pha

Nguyên lý làm việc:

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu làm việc dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của cuộn Stator và từ trường của nam châm vĩnh cửu đặt trên mặt Rotor tạo nên Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây phía Stator

sẽ tạo ra dòng Stator Dòng phía Stator có tác dụng tạo nên từ thông Stator, cùng với từ thông do hệ thống nam châm, mômen quay sẽ được tạo ra Động cơ khởi động dưới tác dụng của mômen không đồng bộ hình thành do tương tác giữa từ trường Rotor và dòng điện trong cuộn dây Stator Khi đạt tới vận tốc gần đồng bộ,

nhờ tác dụng của từ trường quay stator và cực từ nam châm, Rotor được kéo vào đồng bộ

Ưu điểm:

Động cơ đồng bộ có những ưu điểm nhất định khi so sánh với động cơ không đồng bộ trong lĩnh vực truyền động Động cơ đồng bộ được kích thích bằng nam

công suất phản kháng từ lưới điện, do đó hệ số công suất của lưới điện cũng được nâng lên, giảm điện áp rơi và tổn hao công suất trên đường dây So với hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ, các máy điện đồng bộ không gây tổn hao đồng ở rotor do đó mang lại hiệu suất cao, cùng với đó việc xử lý làm mát cho động

cơ cũng trở nên dễ dàng hơn do cả tổn hao đồng và tổn hao sắt đều nằm ở phía Stator

Hiệu suất cao giúp giảm được kích thước máy điện, so với động cơ một chiều, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu không cần vành trượt và chổi than nên đơn giản, dễ chế tạo, hệ làm việc tin cậy và ít phải bảo dưỡng Ngoài những ưu điểm trên, động cơ đồng bộ còn có khả năng làm việc với tốc độ rất thấp và rất cao, là những vùng tốc độ mà truyền động động cơ một chiều khó đạt được

Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu có ưu điểm của cả hai loại động cơ một chiều và động cơ xoay chiều không đồng bộ Ngoài ra, do đặc điểm cấu tạo, sự tách biệt giữa phần cảm và phần ứng còn giúp người thiết kế dễ dàng trong điều chỉnh tốc độ và mômen

2.2 Mô hình toán học liên tục

Xét một cách tổng quát, khi tìm cách mô tả toán học các quan hệ vật lý bên trong máy điện xoay chiều ba pha ta sẽ thu được một hệ các phương trình vi phân bậc cao Điều này có nguồn gốc từ việc các cuộn dây pha được bố rải về mặt không

gian và các tương tác qua lại giữa các mạch từ Mục đích của phần này là xây dựng

mô hình trạng thái liên tục của động cơ để từ đó xác định một tập hợp biến phẳng Tập biến phẳng này sẽ là tập đầu ra của một mô hình trạng thái được gọi là tương đương với mô hình liên tục vừa xây dựng

Khác với động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ cực tròn có từ thông định sẵn tạo nên bởi các nam châm vĩnh cửu bố trí đều trên bề mặt của rotor động cơ

định hướng nhất quán, rõ ràng Đối với động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, do từ thông rotor có định hướng cố định nên ta sẽ không tìm cách mô tả động cơ trên hệ

Khi xây dựng mô hình trạng thái liên tục của Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, một số giả định gần đúng được đưa ra Cụ thể, ta giả định trục chuẩn của góc

tựa là trục của cuộn dây pha u, tức là trục α của hệ tọa độ cố định trên stator Các

ngoài ra các khối này truyền đạt trung thành về module và về pha

Hình 2.2 Vector dòng stator i s khi động cơ đồng bộ làm việc

Trong quá trình khai triển, cần chú ý cách ký hiệu đại lượng điện và từ thông, ví dụ:

Pha U Pha V

ir

• Phương trình điện áp stator trên hệ thống cuộn dây stator

d R

phân cực không đổi, luôn trùng với trục d của hệ tọa độ dq nên thành phần chiếu lên

dây stator L sd khi đo ở đỉnh cực - dọc trục d, và điện cảm cuộn dây stator L sq khi đo

ở ngang cực - dọc trục q Để dễ dàng cho khâu thiết kế hệ điều khiển động cơ đồng

bộ, chúng ta cần khử triệt để tương tác giữa hai thành phần dòng i (có tác dụng tạo sd

32

L L : điện cảm stator trên trục d và q

2.3 Tính phẳng của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Một đặc điểm nổi bật của đối tượng phẳng trong thực tế là các biến đầu ra phẳng luôn có ý nghĩa vật lý rõ ràng, gắn trực tiếp với hoạt động điều khiển đối tượng Ví dụ biến đầu ra phẳng của các động cơ 3 pha thường là vận tốc góc (giá trị góc) của trục rotor, là vận tốc trượt của trục rotor so với vector từ thông (ở động cơ không đồng bộ)

Với mô hình của Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu thu được ở trên, biến đầu ra phẳng của đối tượng sẽ là y ( , i )= ω sd , trong đó ω là vận tốc động cơ và i sd

(2) Toàn bộ các biến đầu vào và biến trạng thái của hệ có thể xác định từ tập

sao cho:

( r )

u=ϕ( y, y, , y& )

Khi đó, hệ được gọi là phẳng và y ( y , y , , y )= 1 2 m là đầu ra phẳng của hệ

Ta sẽ chứng minh đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu thỏa mãn 3 điều kiện trên, và y ( , i )= ω sd là đầu ra phẳng của đối tượng

tượng, do đó hiển nhiên chúng là hàm của các biến trạng thái khác cũng như của đầu vào điều khiển, trong đó đầu vào điều khiển là điện áp stator

sd

kiện (1) được thỏa mãn

(2) Thứ hai, ta sẽ chứng minh rằng mọi biến đầu vào và biến trạng thái của hệ đều được mô tả thông qua tập biến phẳng này

dạng, ta có thể xác định được giá trị tải này), rút ra

32

W p

W p

ωω

di d

b( , ,i , )

dt dt

ωω

32

W p

2 2

32

2 2

sd sd

di

d d c( , , ,i , )

dy d y H( y, , , )

(2.11) và (2.12), giá trị của u , sd u sq là hàm của các đầu ra phẳng, như vậy có nghĩa là các thành phần điện áp này phụ thuộc lẫn nhau Điều này là vô lý vì hai thành phần này vốn là độc lập với nhau Điều kiện (3) được thỏa mãn

Từ các kết quả trên, ta có kết luận:y ( , i )= ω sd là đầu ra phẳng của Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM)

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ

NGUYÊN LÝ HỆ PHẲNG

3.1 Cấu trúc điều khiển thẳng dựa trên nguyên lý hệ phẳng

3.1.1 Đặt vấn đề

Trên cơ sở các lý thuyết ở chương 1 và đặc điểm phẳng của đối tượng ở chương

2, ta có thể xem xét kỹ hơn việc ứng dụng đặc điểm phẳng vào thiết kế điều khiển Hiện nay các phương pháp điều khiển áp dụng cho đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu đã mang lại những kết quả khá tốt, đặc biệt là 2 phương pháp: điều khiển vector và điều khiển trực tiếp mômen [6]

Với sơ đồ điều khiển vector động cơ đồng bộ, bộ nghịch lưu có tác dụng tạo các vector điện áp đặt lên ba pha của các cuộn dây stator làm việc theo chế độ điều chế

độ rộng xung điện áp Các đại lượng điều khiển được thực hiện trong hệ tọa độ dq sau đó được đưa qua các khâu biến đổi chuyển thành các đại lượng ba pha đưa đến

bộ điều khiển độ rộng xung Các đại lượng dòng điện được đo bằng các khâu biến

đổi tọa độ và biến đổi 3/2 để có giá trị dòng thực trên hệ tọa độ dq Đây là phương

pháp đã được sử dụng phổ biến trong các máy công cụ và các hệ truyền động ba pha

và đã mang lại nhiều kết quả khá tốt

Phương pháp thứ hai cũng thường được sử dụng là điều khiển mômen trực tiếp Khác với phương pháp điều khiển vector nêu trên, phương pháp này thích hợp với các hệ truyền động đòi hỏi đáp ứng mômen nhanh và chất lượng điều khiển cao Trong các kỹ thuật điều khiển truyền thống trước đây, điều khiển mômen động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu thường được điều khiển bằng dòng điện phần ứng (stator) trên cơ sở mômen điện từ tương ứng với dòng điện phần ứng Để thực hiện

điều khiển dòng điện, thông thường được thực hiện trong hệ tọa độ dq của rotor

quay với tốc độ đồng bộ Điều khiển mômen trực tiếp là ưu việt hơn phương pháp điều khiển vector nêu trên, do những ưu điểm tổng kết như sau:

Stator R s nên thuật toán điều khiển đơn giản

Do những ưu điểm đó, điều khiển mômen trực tiếp đã như một công cụ hữu ích

và thuận tiện cho tất cả các nhà thiết kế khi sử dụng đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu vào hệ truyền động

Theo tài liệu [9], nhờ đặc tính phẳng của các đối tượng mà chúng ta có thể xây dựng một cấu trúc điều khiển mới, thích hợp cho các đối tượng có tính chất phi tuyến Một cách hiểu đơn giản, các phương pháp điều khiển trước đó chỉ áp dụng cho đối tượng hoạt động ở miền tuyến tính, nhưng khi máy điện đi vào chế độ vận hành phi tuyến (ví dụ: khi dòng hoặc/và áp đi vào giới hạn) thì cấu trúc điều khiển tuyến tính trước đó không thể đáp ứng để đem lại một kết quả vận hành tốt Cấu trúc điều khiển phi tuyến dựa trên nguyên lý phẳng của hệ hứa hẹn sẽ đem lại những phẩm chất mới cho hệ thống, góp phần chế ngự tốt hơn các trạng thái vận hành phi tuyến

3.1.2 Cấu trúc điều khiển truyền thẳng

Theo lý thuyết về hệ phẳng, ở điều kiện (2) có phát biểu: “mọi biến trạng thái

và biến đầu vào của hệ đều được xác định thông qua đầu ra phẳng và các đạo hàm của nó” Như vậy từ yêu cầu thực tế của bài toán, tức là yêu cầu đáp ứng của đầu ra phẳng, ta có thể tính ngược để biết được đặc điểm của đầu vào tương ứng Hay nói cách khác, ta xây dựng tín hiệu vào điều khiển chỉ thông qua yêu cầu hoạt động của

hệ Với đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, hai biến đầu ra cần điều