Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao không cảm biến

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  HOÀNG BÁ ĐẠI NGHĨA ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG CẢM BIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển từ động hóa Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đà Nẵng – Năm 2017 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Anh Duy TS Nguyễn Đức Quận Phản biện 1: TS Lê Tiến Dũng Phản biện 2: TS Giáp Quang Huy Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Động từ trở đồng (ĐCTTĐB) bắt đầu nghiên cứu vào đầu năm 1920 với khám phá khái niệm mô men từ trở Các nghiên cứu loại động thực J K Kostko vào năm 1923 Động đồng từ trở có cấu trúc đơn giản vững chắc, có stator giống hệt stator động không đồng hay động đồng truyền thống, rôto dạng cực lồi đặc, khơng có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu, phù hơp cho ứng dụng tốc độ cao làm việc mơi trường nhiệt độ cao Do có cấu trúc đơn giản nên dễ dàng chế tạo, khơng có tổn thất rôto, giá thành rẻ nhiều so với loại động khác có cơng suất Do ưu điểm bật động đồng từ trở, năm gần với phát triển mạnh mẽ thiết bị bán dẫn công suất điều khiển số, động đồng từ trở thu hút ý quan tâm nhiều nhà nghiên cứu giới ứng dụng truyền động tốc độ cao Mục tiêu đề tài Tìm hiểu tổng quan động đồng từ trở tốc độ cao điều khiển không cảm biến - Mô động đồng từ trở - Đưa chiến lược điều khiển động từ trở tốc độ cao không sử dụng cảm biến tốc độ ứng dụng lọc Kalman mở rộng - Mô chiến lược điều khiển đề xuất Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Động đồng từ trở tốc độ cao: cấu tạo, nguyên tắc hoạt động  Các phương pháp điều khiển tối ưu điều khiển không cảm biến  Bộ lọc kalman mở rộng Phạm vi nghiên cứu: Mô điều khiển động đông từ trở tốc độ cao không sử dụng cảm biến tốc độ Cách tiếp cận, Phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận  Tham khảo tài liệu ngồi nước, phân tích tình hình nghiên cứu nước liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu đề tài  Đề xuất giải pháp nhằm tối ưu hóa mơ hình động điều khiển không cảm biến ứng dụng lọc Kalman mở rộng Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mơ hình hóa, mơ phân tích kết mơ Matlab – Simulink - Nghiên cứu thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài nghiên cứu thành cơng góp phần kiểm chứng phát triển phương pháp điều khiển không cảm biến động đồng từ trở Đây phương pháp điều khiển đối tượng động đồng từ trở tốc độ cao Dự kiến kết đạt Phương pháp véctơ dòng điện điều khiển trực tiếp sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu mơmen/dòng điện (M/I), sử dụng chiến lược điều khiển tối ưu mômen/từ thông (M/Ψ) Phương pháp điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ sử dung lọc Kalman mở rộng để ước lượng vị trí tốc độ động đồng từ trở tốc độ cao Dàn ý nội dung Ngoài phần mở đầu kết luận chung, nội dung đề tài tổ chức thành chương Bố cục nội dung luận văn sau: Chương 1: Tổng quan động động từ trở 1.1 Tổng quan động đồng từ trở 1.2 Động học động động đồng từ trở 1.3 Các phép biến đổi hệ tọa độ 1.4 Phương trình động cở đồng từ trở hệ tọa độ 1.5 Các sơ đồ điều khiển 1.6 Động học động động đồng từ trở Chương 2: Mơ hình hóa, mơ điều khiển không cảm biến động đồng từ trở 2.1 Mơ hình động đồng từ trở 2.2 Cấu trúc điều khiển 2.3 Phương pháp điều khiển 2.4 Kết mô Chương 3: Điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ động động từ trở tốc độ cao sử dụng lọc Kalman mở rộng 3.1 Giới thiệu chung lọc Kalman 3.2 Nguyên lý lọc Kalman mở rộng 3.3 Tiêu chuẩn lọc Kalman 3.4 Bộ lọc Kalman mở rộng 3.5 Điểu khiển không cảm biến tốc độ động đồng từ trở 3.6 Ứng dụng lọc kalman mở rộng để ước lượng vị trí tốc độ 3.7 Mơ hình điều khiển kết mô - TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ (ĐCĐBTT) Tổng quan động đồng từ trở Động đồng từ trở (Synchronous reluctance motor) bắt đầu nghiên cứu vào đầu năm 1920 với khám phá khái niệm mô men từ trở Các nghiên cứu loại động thực J K Kostko vào năm 1923 Động đồng từ trở (ĐCĐBTT) có nhiều ưu điểm cấu trúc đơn giản vững Stator ĐCĐBTT giống hệt stator động không đồng hay động đồng truyền thống, rotor dạng cực lồi đặc, khơng có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu, phù hợp cho ứng dụng tốc độ cao môi trường nhiệt độ cao Do cấu trúc đơn giản nên dễ dàng chế tạo, giá thành rẻ so với loại động khác công suất Nguyên lý hoạt động dựa bất đối xứng từ Động học động đồng từ trở Hình 1.1 Cấu trúc động đồng từ trở Qua mơ hình động đồng từ trở ta thấy: từ thông rotor ln phân cực, có hướng qn cố định Tính định hướng quán phụ thuộc vào cấu trúc học máy điện làm đơn giản nhiều việc xây dựng mơ hình điều khiển/ điều chỉnh động Phép biến đổi trục tọa độ Hệ tọa độ cố định stator Hệ quy chiếu quay Phương trình động hệ tọa độ Phương trình điện áp hệ tọa tọa (a, b, c)  vas   R s v     bs    vcs   0 Rs 0   i as    as  d      i bs    bs  dt   cs  R s   i cs  (0.1) d dt  Vabcs    R s  Iabcs    abcs  Trong từ thơng 𝛹as, 𝛹bs, 𝛹cs từ thơng Phương trình động hệ tọa độ (α,β) Phương trình điện áp động hệ tọa độ αβ  v    i   d      v   Rs    i   dt            (0.2) Trong trường hợp Vα, Vβ, iα, iβ, ψα ψβ điện áp, dòng điện từ thơng hệ tọa độ Phương trình từ thơng hệ quy chiếu (α, β) tính sau: a    va  R si   dt     v  R si   dt s   2  2 (0.3) Moment động đồng từ trở hệ tọa độ αβ tính sau: Te  P    i    i   (0.4) Với P số cực động Công thức chuyển đổi hệ tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq ngược lại Phương trình hệ tọa độ quay d-q Phương trình điện áp Moment hệ quy chiếu dq viết lại sau:  vd   R s  pLd v     q   Ld Lq  id    R s  pLd  iq  (0.5) Trong p tốn tử vi phân d/dt, ω vận tốc góc điện, Ld Lq điện cảm trục d trục d Mô ment động hệ tọa độ dq quy viết lại sau: Te  P(Ld  Lq )i di q (0.6) Với 𝛹 d= Ldid 𝛹q= Lqiq Do (0.6) viết lại sau: Te  P( di q   qid) (0.7) Mơ động đồng từ trở Hình 1.2 Động đồng từ trở Simulink Các sơ đồ điều khiển động từ trở Vấn đề chung điều khiển vectơ Vấn đề chung điều khiển trực tiếp moment Kết luận chương Trong chương giới thiệu vấn đề chung phương pháp luận điều khiển trực tiếp moment động đồng từ trở từ đưa hướng nghiên cứu điều khiển trực tiếp nhằm áp nhanh moment hệ truyền động động đồng từ trở, ảnh hưởng 10 - MƠ HÌNH HĨA, MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ Điều khiển từ thông stator Vectơ điện áp Vs, xác định biểu thức sau: vs   va v e j 2/3  cce j3/ 4 b   Vs  sa ,s b ,sc   Vdc sa  s e j 2/3   s j 4/3 b c (1.1)  (1.2) Trong đó: Vdc điện áp chiều 2/3 thừa số phép biến đổi Part Điều khiển trực tiếp moment vào định hướng từ thông stator hệ qui chiếu concordia: s  t     Vs  R sis  dt  s t (1.3) Tta có Vs >> RsIs, viết: s  t   s    Vs  t  Hình 2.1 Sai lệch vecto từ thông (1.4) 11 Lựa chọn vectơ điện áp Hình 2.2 Lựa chọn vectơ điện áp Nếu Vi+1 chọn biên độ từ thơng tăng moment tăng Nếu Vi+2 chọn biên độ từ thơng giảm moment tăng Nếu Vi-1 chọn biên độ từ thông tăng moment giảm Nếu i-2 chọn biên độ từ thơng giảm moment giảm Nếu V0 V7 chọn vectơ từ thông dừng moment giảm tốc độ dương moment tăng lên tốc độ âm Ước luợng từ thơng stator, moment điện từ Phương pháp tính tích phân kiểu vòng kín Hu Wu đưa năm 1998, nội dung phương pháp tín tích phân là: 12 Hình 2.3 Thuật tốn tích phân Hu Wu Thiết lập máy hiệu chỉnh từ thông, moment Thiết lập bảng chuyển mạch Bảng 2.1 Bảng lựa chọn vectơ điện áp điều khiển trễ moment vị trí, vectơ Cấu trúc hệ thống điều khiển trực tiếp moment 13 Dòng điện điện áp trục dq để xác định vectơ từ thông công thức sau: s  Vs t  R s  isdt  s t  (1.5) Ảnh hưởng điện trở stator phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC) Mô điều khiển DTC Mô điều khiển trực tiếp DTC simulink Hình 2.4 Mơ hình điều khiển DTC Kết mơ điều khiển DTC Điều khiển trực tiếp moment động đồng từ trở tối ưu dòng điện 14 Giới hạn dòng điện điện áp Trước giới thiệu chiến lược điều khiển khác nhau, cần xét đến giới hạn dòng điện điện áp Giới hạn véc tơ dòng điện: is  (id2  iq2 )  ism (1.6) Quỹ đạo giới hạn dòng điện đường tròn có bán kính ism mặt phẳng id-iq Tương tự cho giới hạn điện áp nguồn cấp động cơ, ta có: vs  (vd2  vq2 )  vsm (1.7) Nếu bỏ qua điện trở stator, chế độ xác lập từ phương trình (2.4) ta có:   vd  Ldid  vs2  2 L2di d2  2 L2qi q2  v   L i  q q  q (1.8) Chúng ta thu giới hạn điện áp đường e-lip tương ứng với giá trị điện áp vs tốc độ ω động L   Ψ (i   q  iq2   Ld  vs2 s d (1.9) 15 Xác định quy luật điều khiển tỷ lệ tối ƣu moment/ dòng điện (MTPA- maximun torque-per-ampere) Xuất phát từ cặp giá trị (id, iq) tính moment, biên độ từ thơng stator góc tải tương ứng, từ xác định quy luật MTPA Biểu thức mô men điện từ động viết sau: 3 Te  P  Ld  Lq  idiq  P  Ld  Lq  is2 sin  2  i i Với giá trị mô đun d s cos( ) (1.10) i  i sin( ) q s xác định, giá trị tuyệt đối mô men đạt cực đại góc (Hình 4), giá trị dòng điện tham chiếu i * d Te  3P  i i d * q * Ld  Lq  (1.11) Cấu trúc điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dòng điện (T/I) Xác định Moment số công suất không đổi Xây dựng quy luật điều khiển tỷ lệ tối ưu moment/dòng điện (MTPA) 16 Hình 2.5 Mơ hình điều khiển theo phương pháp MTPA Biểu thức mơ men điện từ động viết lại sau: Te  P     L L  i   i   32 P  d q Ta có  q d d  E   q  d q d q E cos( )  q d ;      E q  q (1.12)  E sin( )  Do biểu thức mơ mencó thể viết lại sau  1  E     sin(2) Te  P    L q L d     (1.13) Nếu bỏ qua điện trở stator, biểu thức mô men theo điện áp stator là:  1   vs     sin(2) Te  P    L q L d     (1.14) 17 Với tan()    q d  Li Li q q  d d tan(  )   L d hệ số lồi  Lq roto Chúng ta có biểu thức mơ men sau sau:  tan(  )   1   vs     sin(2 tan 1  Te  P   )  L q L d        Chúng ta thu giá trị mô men cực đại với giá trị từ thông  d   s q i  vs   hay tan( )   , giá trị tham chiếu dòng điện:  d * tương ứng với    2Ld Te * 3PLd  Ld  Lq  ; i * q  L d i dsign * L Te  * q Kết mô Kết luận chương Trong chương tác giả mô điều khiển động cở đồng từ trở sử dụng phương pháp tối ưu moment dòng điện (MTPA) động tốc độ thấp phương pháp tối ưu moment từ thông (MTPW) động tốc độ cao 18 - ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG Giới thiệu chung lọc Kalman Quy trình ước lượng 1.Các phương trǹ h cập nhật thời gian Phương trǹ h đo cập nhật Hình 3.1 Thuật tốn lọc kalman tiêu chuẩn Tiêu chuẩn thuật toán lọc Kalman mở rộng Một số giả thiết lọc Kalman thời gian rời rạc là: Các trạng thái động tuyến tính thời gian bất biến Các phương trình đo tuyến tính thời gian bất biến 19 Các số liệu thống kê nhiễu tĩnh Hình 3.2 Thuật tốn lọc kalman mở rộng Điều khiển không cảm biến động động từ trở Xét hệ thống rời rạc phi tuyến khơng gian trạng thái có mơ sau:  xk 1  f k  xk , uk   wk   yk  g k ( xk , uk )  ηk (1.15) Thuật toán Kalman mở rộng thực dựa mơ hình tuyến tính hóa sau:    xk 1  Ak xk  Bk uk  wk yk  Ck xk  Dk uk  ηk (1.16) 20 ứng dụng lọc kalman mở rộng để ước lượng vị trí tốc độ ĐCĐBTT Mơ hình ĐCĐBTT khơng gian trạng thái viết lại sau với giả thiết tốc độ số thời gian chu kỳ lấy mẫu             L did R   s id  ω q iq  vd dt Ld Ld Ld diq dt  ω Ld R id  s iq  vq Lq Lq Lq (1.17) dω 0 dt dθ ω dt Hệ phương trình (1.17) phi tuyến có dạng tổng qt sau: x  f  x, u  (1.18) Trong 𝑇 𝑥 = [𝑖𝑑 𝑖𝑞 𝜔 𝜃] : véc tơ trạng thái 𝑇 𝑢 = [𝑣𝑑 𝑣𝑞 ] : véc tơ đầu vào Từ (1.17) (1.18) ta có: 21   di d Ld vd.k Rs  |t k  1  Ts i d,k 1  i d,k  Ts   Ts i q,k  Ts dt L d i Lq Ld id ,k   d ,k   di q Lq vq.k Rs   i q,k 1  i q,k  Ts dt |t k  Ts L i q,k  1  Ts L   Ts L q q i q   q ,k      T d |   k s t k  k 1 dt k  d k 1  k  Ts |t  k  Ts k dt k  (1.19) Áp dụng công thức Error! Reference source not found để tuyến tính hóa mơ hình quanh điểm làm việc xk, thu mô hình tuyến tính hóa với ma trận trạng thái sau: LqTs  RsTs  ωk  L L d d   LT RT A k    d s ωk  s s Lq  Lq  0  0  LqTs Ld  iq ,k Ld Ts id ,k Lq Ts  0   0  0   1 0  Ck    0 0  (1.20) (1.21) Xác định ma trận nhiễu hiệp phương sai Q, R, P Nói chung, Q ma trận x 4, R ma trận x 2, P ma trận x Điều có nghĩa tổng cộng có 36 yếu tố hiệp phương sai xác định 22 Q=Q0=A(a,a,b,c) P0=B(e,e,f,g) R=C(m,m) Các thuật toán EKF rời rạc; Điều chỉnh Ước tính trạng thái thực theo bước sau: Bước 1: Khởi tạo ma trận vecto trạng thái ma trận hiệp phương sai Khởi đầu vector trạng thái x0 = x (t0) giá trị khởi đầu ma trận hiệp phương sai số Q R Bước 2: Dự đoán vector trạng thái lấy mẫu với thời gian (k+1) x  k  1| k   x  k  1  A  k   B  k  u  k  (1.22) Bước 3: ma trận phương sai dự báo ước tính: P  k  1  f  k  1 P  k  f T  k  1  Q (1.23) Bước 4: Bộ lọc Kalman (ma trận hiệu chỉnh) tính sau K  k  1  P  k  1 h T  k  1 h  k  1 P  k  1 h T  k  1  R  1 (1.24) Bước 5: Ước lượng vector trạng thái ('dự toán vector trạng thái hiệu chỉnh', 'lọc') thời điểm (k + I) thực sau x  k  1  x  k  1  K  k  1  y  k  1  y  k  1   (1.25) yˆ  k  1  C  k  1 x(k  1) (1.26) Bước 6: Ước lượng ma trận phương sai P  k  1  P  k  1  K  k  1 h  k  1 P  k  1 (1.27) 23 Bước 7: k   k  1 , x  k   x  k  1 ,P  k   P  k  1 quay bước Mô hình điều khiển kết mơ * PI ^ * Chiến lược điều idq Te*khiển giá trị giới hạn PI ^ idq idq EKF vdq* dq v* abc PWM abc 3~ ^ dq iabc abc vdq ĐCĐB TT Hình 3.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển không cảm biến tốc độ sử dụng lọc Kalman mở rộng Kết luận chương Trong chương tác giả giới thiệu lọc Kalman Kalman mở rộng Ứng dụng lọc Kalman mở rộng phương pháp điều khiển không cảm biến tốc độ ĐCĐBTT.Ứng dụng lọc Kalman mở rộng để ước lượng tốc độ vị trí động 24 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong luận văn tác giả mô thành công động học động đồng từ trở phần mềm Matlab Simulink Mô phương pháp điều khiển trực tiếp mô ment từ thông (DTC) Phương pháp điều khiển tối ưu MTPA MTPW Kết hợp phương pháp điều khiển không cảm biến ứng dụng lọc Kalnam mở rộng Hướng pháp triển đề tài Tác giả tiếp tục nghiên cứu phương pháp điều khiển không cảm biến sử dụng lọc Kalman mở rộng bậc dựa mơ hình ngược ... truyền động tốc độ cao Mục tiêu đề tài Tìm hiểu tổng quan động đồng từ trở tốc độ cao điều khiển không cảm biến - Mô động đồng từ trở - Đưa chiến lược điều khiển động từ trở tốc độ cao không sử... quan động đồng từ trở 1.2 Động học động động đồng từ trở 1.3 Các phép biến đổi hệ tọa độ 1.4 Phương trình động cở đồng từ trở hệ tọa độ 1.5 Các sơ đồ điều khiển 1.6 Động học động động đồng từ trở. .. điều khiển không cảm biến động đồng từ trở 2.1 Mơ hình động đồng từ trở 2.2 Cấu trúc điều khiển 2.3 Phương pháp điều khiển 2.4 Kết mô Chương 3: Điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ động động