Ứng dụng điều khiển chế độ trượt SMC cho hệ truyền động vị trí

Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí LỜI CAM ĐOAN Sau thời gian nghiên cứu học tập Viện Đào tạo sau đại học, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, với hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình thầy cô giáo môn Tự động hóa XNCN Và đặc biệt đạo tận tình thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn giúp hoàn thành luận văn thời hạn đạt đƣợc mục tiêu đề Tôi xin cam đoan toàn nội dung luận văn mà thực thời gian vừa qua trung thực không chép Hà Nội, Ngày 20 tháng năm 2016 Tác giả Luận văn Lê Thị Thu Phƣơng Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài “Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí”, xin đƣợc cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn – Thầy giáo hƣớng dẫn, bảo, góp ý nhiệt tình suốt trình hoàn thiện luận văn Xin cảm ơn anh/em, bạn bè giúp đỡ tìm tài liệu để có nhƣng luận sâu sắc hoàn thiện luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng, song thời gian, kinh nghiệm hạn chế nên nội dung luận văn có nhiều thiếu sót Kính mong đƣợc đóng góp ý kiến để hoàn thành tốt đề tài Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1.1 Giới thiệu .3 1.1.2 Mạch điện tƣơng đƣơng động không đồng 1.1.3 Các quan hệ công suất động không đồng .4 1.2 VECTOR KHÔNG GIAN VÀ CÁC ĐẠI LƢỢNG BA PHA 1.2.1 Biểu diễn vector không gian cho đại lƣợng ba pha 1.2.2 Hệ tọa độ cố định stator (α-β) .7 1.2.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d-q) 1.3 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 11 1.3.1 Thông số động không đồng .11 1.3.2 Chuyển vị tuyến tính – vector không gian hệ trục toạ độ quay d,q 16 CHƢƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG ROTO 21 2.1 TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP VECTOR TỰA TỪ THÔNG ROTO 21 2.2 ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG RÔTO 22 2.2.1 Điều khiển vectơ trực từ thông rôto 22 2.2.2 Mô hình tính toán ƣớc lƣợng đại lƣợng phản hồi 24 2.2.3 Thiết kế điều khiển dòng điện hệ thống điều khiển vector tựa từ thông rotor động không khồng 25 2.3 Mô MATLAB-SIMULINK 28 2.3.1 Thông số động .28 2.3.2 Mô hình động sử dụng điều khiển vector tựa từ thông rotor FOC 29 2.3.3 Kết mô 29 CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ TRƢỢT 33 3.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT .33 3.1.1 Nguyên lý điều khiển .33 3.1.2 Thiết kế điều khiển trƣợt cho động điện ba pha roto lồng sóc 40 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 3.2 Mô MATLAB-SIMULINK 46 3.2.1 Mô hình động mô matlab: 47 3.2.2 Kết mô 48 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN 52 4.1 Tổng kết 52 4.2 Phát triển đề tài .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ mạch điện thay động không đồng pha Hình 1.2: Vị trí không gian pha .6 Hình 1.3: Xây dựng vector không gian A, B,C Hình 1.4: Hệ tọa độ stator (α-β) Hình 1.5: Mối liên hệ tọa độ (α-β) tọa độ (d-q) .9 Hình 1.6: Biểu diễn vector không gian hệ tọa độ (d-q) .10 Hình 1.7: Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng động không đồng 12 Hình 1.8: Biểu diễn vector hệ trục α, β 14 Hình 1.9 Sơ đồ thay động không đồng hệ trục α,β 14 Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc động KĐB hệ tọa độ α,β 16 Hình 1.11: Hệ trục tọa độ quay 16 Hình 1.12: Mối liên hệ tọa độ (α,β) tọa độ (d,q) 17 Hình 1.13: Vecto không gian hệ tọa độ (d,q) 18 Hình 1.14: Mô hình động hệ toạ độ quay dq 19 Hình 2.1: Đồ thị vector cho phƣơng pháp điều khiển vector tựa từ thông roto 21 Hình 2.2: Tƣ tƣởng điều khiển ĐCKĐB 22 Hình 2.3: Mô hình điều khiển vectơ kiểu trực tiếp lấy s từ quan sát 23 Hình 2.4: Mô hình gần động không đồng 26 hệ trục dq tựa từ thông rotor 26 Hình 2.5: Mô hình điều khiển dòng điện có bù tách kênh 27 Hình 2.6: Mô hình gần mạch vòng điều khiển từ thông rotor 28 Hình 2.7: Mô hình động điều khiển vector tựa từ thông rotor .29 Hình 2.8 :Dạng sóng mômen động không tải 30 Hình 2.9: Dạng sóng từ thông roto động 30 Hình 2.10: Dạng sóng tốc độ động không tải 31 Hình 2.11: Dạng sóng từ thông rotor động 31 Hình 2.12 : Dạng sóng moment động 32 Hình 2.13: Dạng sóng tốc độ động 32 Hình 3.1:Hệ thống cấu trúc điều khiển biến đổi hai trạng thái 33 Hình 3.2: Dạng quỹ đạo X1 X2 trạng thái thuận 35 Hình 3.3: Dạng quỹ đạo X1 X2 trạng thái nghịch Asymptoles: Đƣờng tiệm cận .36 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí Hình 3.4: Mô tả phƣơng pháp SMC .38 Hình 3.5: Đáp ứng X1 miền thời gian theo hai giá trị 39 Hình 3.6: Phƣơng pháp điều khiển động không đồng ba pha smc 40 Hình 3.7: Mô hình điều khiển SMC 42 Hình 3.8: Đƣờng quỹ đạo bám thực theo quỹ đạo pha cho trƣớc 43 Hình 3.9: Mô hình động sử dụng điều khiển trƣợt SMC .47 Hình 3.10: Mô hình động không đồng ba pha rotor lồng sóc hệ tọa độ dq 47 Hình 3.11: Khối mô hình điều khiển dòng điện tách kênh .48 Hình 3.12: Tín hiệu đặt tốc độ (X2) vị trí (X1)của điều khiển SMC 48 Hình 3.13: Đáp ứng tốc độ (X2) vị trí (X1)của hệ thống .49 Hình 3.14: Đáp ứng vị trí hệ thống SMC 49 Hình 3.15: Đáp ứng tốc độ hệ thống SMC 50 Hình 3.16: Đáp ứng dòng điện hệ thống SMC 50 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí LỜI NÓI ĐẦU Lý chọn đề tài Nhƣ biết, nƣớc ta trình công nghiệp hoá, đại hoá Vì thế, tự động hoá đóng vai trò quan trọng, tự động hoá giúp tăng suất, tăng độ xác tăng hiệu trình sản xuất Để thực tự động hoá sản xuất, bên cạnh thiết bị máy móc khí hay điện, dây chuyền sản xuất…v.v, cần có điều khiển để điều khiển chúng Một số có hệ thống điều khiển vị trí, hệ thống có yêu cầu cao độ xác, bền vững với biến thiên tham số nhiễu tải Điều thỏa mãn hệ điều khiển tuyến tính Đồng thời hệ điều khiển trƣợt (SMC) giúp đảm bảo tính bền vững cho hệ thống truyền động điện xoay chiều Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống đƣợc sử dụng rộng rãi công nghiệp nhƣ cấu truyền động cho tay máy, ngƣời máy, cấu ăn dao, máy cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng… tùy thuộc vào cấu mà công suất truyền động nằm dải rộng từ vài chục W đến hàng trăm KW Động KĐB đối tƣợng phi tuyến phức tạp với nhiều đầu vào, nhiều đầu Trong cách mô tả toán học động KĐB, mô hình trạng thái có ƣu bật nhƣ cung cấp cho ta hiểu biết chi tiết chất bên đối tƣợng nhƣ sở thuận lợi để thiết kế khâu điều chỉnh, quan sát điều khiển trƣợt đƣợc ứng dụng để điều khiển cho hệ thống phi tuyến động không đồng ba pha Mục đích để hệ thống đạt đƣợc ổn định nhanh sai lệch bám nhỏ với biến đổi tham số động cơ, tham số tải nhƣ nhiễu bên tác động Mục đích nghiên cứu Thiết kế đƣợc hệ điều khiển SMC cho truyền động vị trí Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu  Đối tƣợng nghiên cứu: - Tổng quan động không đồng ba pha - Điều khiển vị trí động không đồng ba pha Luận văn Thạc sĩ - Điều khiển trƣợt động không đồng ba pha  - Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí Phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu động điện ba pha - Xây dựng mô hình động điện pha - Mô điều khiển trƣợt điều khiển động điện pha biến tần vecto Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu điều khiển trƣợt SMC, động điện ba pha - Đề tài thực phạm vi mô mô hình công cụ Matlab – Simulink, sở để tiếp tục nghiên cứu thực tế Ý nghĩa đề tài  Ý nghĩa khoa học Đề tài mang lại hƣớng việc thiết kế điều khiển trƣợt SMC cho hệ truyền động điện, cụ thể động không đồng ba pha biến tần vecto Điều khiển cho động điện chạy với nhiễu tải bất định tham số ổn định nhanh  Ý nghĩa thực tiễn Đề tài thực làm sở để thực điều khiển sử dụng hệ điều khiển trƣợt SMC cho hệ truyền động điện với chất lƣợng đạt yêu cầu Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1.1 Giới thiệu Máy điện không đồng ba pha có dây quấn stator đƣợc cung cấp điện từ lƣới điện, nhờ tƣợng cảm ứng điện từ có đƣợc sức điện động cảm ứng dòng điện bên dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng dây quấn ba pha tạo từ trƣờng quay với tốc độ đồng ωs (rad/s) Rotor máy điện không đồng gồm loại: Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thƣờng ba pha) quấn rãnh rotor, có số cực với dây quấn stator với đầu dây nối với vành trƣợt đƣợc cách điện với trục rotor Việc tiếp điện đƣợc thông qua chổi than đặt giá đỡ chổi than Rotor lồng sóc có dây quấn rotor dẫn (nhôm, đồng) rãnh rotor, chúng đƣợc nối tắt ởhai đầu nhờhai vành ngắn mạch Do kết cấu đơn giản chắn, động không đồng rotor lồng sóc đƣợc sử dụng làm nguồn động lực rộng rãi lĩnh vực công nghiệp nhƣ sinh hoạt Trong hai loại động trên, loại rotor lồng sóc chiếm ƣu tuyệt đối thị trƣờng dễ chế tạo, không cần bảo dƣỡng, kích thƣớc nhỏ Sự phát triển nhƣ vũ bão kỹ thuật vi điện tử điện tử công suất với giá thành ngày hạ cho phép thực thành công kỹ thuật điều chỉnh phức tạp loại rotor lồng sóc Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 1.1.2 Mạch điện tƣơng đƣơng động không đồng Hình 1.1: Sơ đồ mạch điện thay động không đồng pha - Phƣơng trình điện áp cung cấp cho động cơ: Vs = E + I*(Rs+jωsLs) (1.1) Với : Vs : Điện áp pha lƣới điện cung cấp cho động E : Sức điện động cảm ứng dây quấn stator I : Dòng điện pha stator Rs : Điện trở pha dây quấn stator Ls : Điện cảm tản từdây quấn stator ωs: Tốc độ góc lƣới điện 1.1.3 Các quan hệ công suất động không đồng Công suất động lấy từ lƣới điện: P= (1.2) Tổn hao dây quấn stator: Pcu1=3I2Rs (1.3) Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí Sự tồn phƣơng thức đạt đến quỹ đạo mong muốn đảm bảo đáp ứng quỹ đạo chạy qua đƣờng bám lần chuyển đổi chế độ, cần thiết cho cách điều khiển chế độ bám quỹ đạo 3.1.2 Thiết kế điều khiển trƣợt cho động điện ba pha roto lồng sóc Ta áp dụng phƣơng pháp SMC cho động không đồng ba pha roto lồng sóc cách điều khiển vector thiết kế tiêu chí cho biến số điều khiển Đó tạo thông số cho điều khiển không bị ảnh hƣởng thông số khác nhƣ số mômen Kt, mômen quán tính J, hệ số ma sát tắt dần B, mômen tải TL Giả sử tín hiệu đặt hàm bƣớc nhảy , có phƣơng trình sau: Te=Ktiqs=KtKlU (3.24) X1 = (3.25) (3.26) (Te Tl) = -X2 (3.27) Với U điện áp sau điều khiển SMC Kl số khuếch đại dòng Hình 3.6: Phương pháp điều khiển động không đồng ba pha smc Trong mô hình thiết bị cấp hai đƣợc biểu thị phƣơng trình không gian trạng thái theo biến số trạng thái X1và X2 bƣớc sau đây: JSX2+BX2= -KtKlU+Tl (3.28) (3.29) 40 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí (3.30) Trong đó: b=B/J; d=1/J a= Hình 3.6 chi tiết lƣu đồ SMC, quỹ đạo tƣơng ứng cho phần tăng tốc - tốc độ - giảm tốc hai trƣờng hợp +X1 –X1, tín hiệu X2 đƣợc tạo trực tiếp từ tín hiệu tốc độ ωm Có mạch vòng điều khiển hình vẽ lƣợc đồ SMC, tín hiệu X đƣợc tạo trực tiếp từ tốc độ ωm + Mạch vòng (hay gọi mạch vòng sơ cấp) nhận sai số vị trí X1 phát điện áp U1 qua điều khiển chuyển mạch có hệ số khuếch đại tƣơng ứng αi βi + Mạch vòng thứ hai có đầu vào đạo hàm sinh tín hiệu U2 + Ngoài có mạch vòng phụ, số A đƣợc bơm vào để hạn chế sai số tĩnh ma sát kho tải TL gây Trong điều khiển SMC, tín hiệu vào đƣợc truyền qua chuyển mạch hai vị trí tiêu chuẩn để điều khiển chuyển mạch Tất vòng đóng góp tín hiệu tƣơng ứng tín hiệu tổng là: U = U0 + U + U 41 (3.31) Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí Hình 3.7: Mô hình điều khiển SMC Hình 3.8 đƣờng bao xác định giá trị cực đƣờng tăng tốc, giảm tốc tốc độ hệ thống điều khiển Thông thƣờng giá trị tham số đƣợc biểu thị dải gạch ngang Giả sử giá trị mômen quán tính J tăng đƣờng tăng tốc giảm tốc co lại Đƣờng quỹ đạo bám đƣờng viền quy định thời điểm tốc độ không đổi X1-X2, với hệ thống trở thành điều khiển đƣợc đáp ứng không bị ảnh hƣởng đƣờng bao Quỹ đạo bám đƣợc định nghĩa bao gồm ba khúc nằm góc phần tƣ thứ tƣ đƣợc biểu diễn dƣới đây:  Phần tăng tốc: (3.32) Với X10 giá trị sai số ban đầu vị trí  Phần tốc độ hằng: (3.33)  Phần giảm tốc: 42 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí (3.34) Hình 3.8: Đường quỹ đạo bám thực theo quỹ đạo pha cho trước Với đám ứng đƣờng bám quỹ đạo đƣờng bám hình 3.8 tất thông số điều khiển biến thiên bám theo đƣờng đặt trƣớc Chú ý trƣờng hợp σ=0 nghĩa đƣờng quỹ đạo bám Các đƣờng quỹ đạo thực bám theo đƣờng quỹ đạo bám tạo đƣờng zig-zag theo hƣớng mũi tên Tại điểm cân bằng, thông số không đổi pha Các đƣờng quỹ đạo nên đƣợc định nghĩa gần với đƣờng bao Chúng ta thấy hệ thống điều khiển cần sai số vị trí X1 vận tốc X2 giá trị đầu vào đƣợc thể hình 3.8 Luật điều khiển SMC ta mô tả phƣơng trình toán học: (3.35) Với Sgn = 43 (3.36) Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí (3.37) (3.38) Phần giảm tốc kế hợp phƣơng trình (3.34) phƣơng trình: Lim (3.39) Ta đƣợc: (3.40) Phƣơng trình trạng thái hệ thống ta việt lại thành: (3.41) (3.42) Kết hợp phƣơng trình thay U hệ thức: U=Ψ1X1+ Ψ2X2 (3.43) -σ3X1(aΨ1) - σ3X2(b+aΨ2 -C)+ σ3dTl0 aα3>0 α3>0 Nếu σ3X10 β30 (b+aΨ2 –C)>0 γ3>(C-b)/a Nếu σ3X2