ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

ung dung mang neural điều khiển tốc độ động cơ kĐB Điều khiển ĐC KĐB dùng mạng Neural điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Trang 2

1.2 MỤC TIÊU ĐÊ TÀI 1

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.4 NỘI DUNG LUẬN VĂN 2

1.5 Ý NGHĨA ĐÊ TÀI 2

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA 3

2.1 TỔNG QUAN 3

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIÊU KHIỂN 4

2.3 NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY 10

2.4 TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 12

Chương 3 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 14

3.1 GIỚI THIỆU VÊ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 14

3.2 VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA 14

3.3 MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 20

Chương 4 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG 35

4.1 ĐIÊU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG CỦA HỆ TRUYÊN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 35

4.2 CẤU TRÚC HỆ TRUYÊN ĐỘNG DÙNG ĐCKĐB ĐIÊU KHIỂN DỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR 36

4.3 MÔ PHỎNG ĐIÊU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG DÙNG SIMULINK 40

Chương 5 GIỚI THIỆU MẠNG TRUYỀN THẲNG NHIỀU LỚP 45

5.1.GIỚI THIỆU MẠNG TRUYÊN THẲNG NHIÊU LỚP 45

5.2 GIẢI THUẬT LAN TRUYÊN NGƯỢC 46

5.3 ỨNG DỤNG MẠNG TRUYÊN THẲNG NHIÊU LỚP VÀO ĐIÊU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 53

Chương 6 ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG MẠNG NEURAL 55

6.1 GIỚI THIỆU 55

6.2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIÊU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA55 6.3 HUẤN LUYỆN MẠNG ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG 57

Chương 7 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI BỘ ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR DÙNG MẠNG TRUYỀN THẲNG CO BỘ PI MỜ 76

7.1 TỔNG QUAN 76

7.2 BỘ ĐIÊU KHIỂN MỜ PI 76

Chương 8 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 96

Trang 3

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hànhđơn giản, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất vàđời sống Tuy nhiên việc điều khiển hoạt động của động cơ không đồng bộ là tươngđối khó do đặc tính phi tuyến của động cơ Với sự phát triển nhanh của kỹ thuậtđiện tử hiện nay, đặc biệt là các hệ thống xử lý tín hiệu số đã cho phép thực hiện cácgiải thuật phức tạp để điều khiển động cơ không đồng bộ Nhiều giải thuật điềukhiển động cơ không đồng bộ đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnhvực truyền động điện như phương pháp moment trực tiếp, phương pháp điều khiểnphi tuyến, phương pháp định hướng trường, phương pháp điều khiển vector khônggian,…Trong đó, phương pháp sử dụng mạng neural kết hợp với các phương phápđiều khiển thông thường đang là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng trong điềukhiển máy điện không đồng bộ

Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều, người

nghiên cứu chọn đề tài “Ứng dụng mạng neural điều khiển tốc độ động cơ

không đồng bộ” dựa theo phương pháp điều khiển định hướng trường làm đề tài

cho luận văn Thạc Sĩ

Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng các bộ điều khiển PI mờ để điều khiển từthông, moment và tốc độ động cơ Các luật hợp thành của tập mờ được xây dựngdựa vào các suy luận của người thiết kế, kinh nghiệm của chuyên gia…

Trang 4

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường sửdụng ba bộ điều khiển PI để điều khiển từ thông, moment và tốc độ động cơ Đây làphương pháp tỏ ra hiệu quả, đơn giản nhưng đòi hỏi phải có hồi tiếp từ thông rotorcủa động cơ không đồng bộ vốn là đại lượng không thể đo lường được Trong thựctế, người ta phải ước lượng từ thông rotor để sử dụng trong bộ điều khiển Với mụcđích đó, đề tài tập trung nghiên cứu mạng neural truyền thẳng nhiều lớp để ướclượng từ thông rotor nhằm ổn định và điều khiển động cơ không đồng bộ theo địnhhướng trường

1.4 NỘI DUNG LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày theo các chương như sau:

Chương 2 TỔNG QUAN VÊ LĨNH VỰC ĐIÊU KHIỂN TRUYÊN ĐỘNG ĐIỆNXOAY CHIÊU 3 PHA

Chương 3 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Chương 4 ĐIÊU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG

Chương 5 GIỚI THIỆU MẠNG TRUYÊN THẲNG NHIÊU LỚP

Chương 6 ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬDỤNG MẠNG NEURAL

Chương 7 ĐIÊU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNGBỘ VỚI BỘ ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR DÙNG MẠNG TRUYÊNTHẲNG CÓ BỘ MỜ PI

Chương 8 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐÊ TÀI

1.5 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI

Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điềukhiển mờ và mạng neural kết hợp với phương pháp định hướng trường điều khiểnđộng cơ không đồng bộ, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trongSimulink và Control System Toolbox

Trang 5

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA

2.1 TỔNG QUAN

Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng nhữngphương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nêncác thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện tử, vixử lý và điện tử công suất Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại làphương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968và Balaschke đưa ra 1970

K.Haase : Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ khôngđồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969)F.Balaschke : Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồngbộ ba pha Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972

TS Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp điềuchỉnh dòng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế củachúng” nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phươngpháp mạnh dùng mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cáchtiếp cận với các thuật toán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điềukhiển gián đoạn bằng vi xử lý

Phần ứng dụng của tác giả TS Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra đời vàđược ứng dụng thành công không chỉ trong phòng thí nghiệm mà còn cả trên thiết bịhiện đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị trường Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:

 Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bándẫn

 Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải

Trang 6

với hệ thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại vớithiết bị ngoại vi tại chỗ PLC.

Hình 2.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

2.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)

Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyềnđộng đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp củanguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời Cách điều chỉnh này cho phép điềukhiển tốc độ hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông củađộng cơ ổn định Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điệnáp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần sốđược điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của những vector tươngứng

Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector Kỹ thuật vô hướng chungnhất thường được dùng trong thực tế là không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH)nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thôngstator không đổi Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay củastator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp Momen được cải tiến phụthuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor Hệ thống điềukhiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ Tín hiệu tốc độ thật sẽ so sánhvới tín hiệu tốc độ chuẩn , sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip

Trang 7

controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn Tín hiệu này cộng với tạo ra tín hiệuđồng bộ, qua khối tỉ lệ p/2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần Bộđiều chỉnh điện áp (Voltage Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp chobộ biến tần.

Hình 2.2 Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng

Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thếmomen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi.Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ vì hồi tiếp dòng điện cóphần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH)

Trang 8

Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng

2.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian

Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trongnhững thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong 3 thập niênqua Không chỉ đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫncông suất mà còn yêu cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác Có nhiềukỹ thuật điều chế như: kỹ thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian nhưng

bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng

và nguồn áp Phương pháp điều chế vector không gian (space vector modulation)xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đóđược mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha Phương pháp này là phươngpháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biếntần dùng van bán dẫn Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao chođiện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha chotrước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều.Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao Van bán dẫn đượcdùng ở đây là IGBT, MOSFET

Trang 9

Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục củavector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đườngtròn Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tròn,các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp

ra trở nên tuyến tính Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trongthời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp

Hình 2.4 Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian

2.2.4 Điều khiển định hướng trường

Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm làđơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng Tuy nhiên, trong những ứng dụngtrong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫngặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số,chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành

Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiểnvector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổiđộng giữa momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông vàmomen tương tự như động cơ DC kích từ độc lập

Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều khiểnmomen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ củađộng cơ không đồng bộ

Trang 10

Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếptrong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựavào đo lường vị trí rotor.

2.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp

Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từthông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và dòng điện stator sử dụng bộquan sát từ thông (flux observer) Đặt cảm biến ở khe hở không khí của động cơ,trục dq nhằm xác định vector từ thông hỗ cảm (từ thông khe hở không khí)

Hình 2.5 Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản

2.2.6 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán tốcđộ trượt được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp đặt tốcđộ này lên động cơ

Trang 11

Hình 2.6 Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định

hướng từ thông rotor gián tiếp

2.2.7 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường

Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn,người ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor củamáy điện Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hàibậc cao theo hướng từ thông rotor Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếpđến việc tạo thành momen động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏtác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên momen động cơ) Việc lựa chọn vectorđóng ngắt sẽ thực hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏnhất và việc đóng ngắt theo trục d của dòng điện có thể được hạn chế do khả năng

mở rộng đường bao của nó Các sóng hài momen giảm xuống nhưng các sóng hàidòng điện sẽ tăng lên (theo trục d)

Trang 12

2.2.8 Nhận xét

Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vựcđiều khiển động cơ Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồntại những khuyết điểm:

- Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gâysóng hài bậc cao

- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp

- Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổithông số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chínhxác tại tốc độ thấp Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thìkhông thể duy trì yêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi

Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệ nhântạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời góp phần không nhỏ trong việc pháttriển lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha

2.3 NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY

2.3.1 Điều khiển thông minh

Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tửcông suất Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phần chính kiathì truyền động đó gọi là truyền động thông minh

Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não và trungtâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng Phần cứng của đơn vịđiều khiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây Còn phần mềm chứa những kỹthuật điều khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng

Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh: điều khiểnthích nghi hay điều khiển tự tổ chức Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là hệthống tự tổ chức hoặc tự xử lý Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh của thiếtkế và sản xuất mạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính toán cao đưađiều khiển thông minh vào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện

Trang 13

Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính toán cứng và tính toán mềm Hệchuyên gia thuộc về tính toán cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên Trong 2 thập

kỷ gần đây, tính toán mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như sự cảitiến cấu trúc vi xử lý Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo, tậplogic mờ, mạng neural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen

Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được quan tâm đếnnhư một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định vàtăng độ bền cơ học Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật If- then (Kawajiand Matsunaga, 1994)

Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì nhữngđặc tính đặc biệt sau:

- Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điềukhiển tự động

- Khả năng của ANN có thể học mẫu

- Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc

- Khả năng thích nghi

Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnh vựcđiều khiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ động cơ; bộđiều khiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần…

Kết quả mô phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạng neuraltrong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường ( như bộđiều khiển PI) không có ANNs

2.3.2 Những kỹ thuật khác

Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là giá thành cao củanhững thiết bị biến đổi, sự phức tạp của xử lý tín hiệu và độ chính xác kém Trongnhững năm gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt vì sự tiến bộcủa kỹ thuật điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao Trong hầu hết những ứng dụng, cảmbiến tốc độ là cần thiết và thích hợp trong vòng kín điều khiển tốc độ Tuy nhiên,cảm biến tốc độ có một vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng loại trừ

Trang 14

nhiễu Những phương pháp khác nhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ sử dụngmột vài thông số điện như dòng điện, điện áp, tần số và từ thông Chúng dựa vào sựkết hợp của lý thuyết ước lượng trạng thái và thuyết điều khiển vector (điều khiểnđộng cơ không có cảm biến tốc độ).

Tuy nhiên, các giá trị của thông số điện bị lệch do các giá trị thiết kế vì sự thay đổicủa môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn

Những phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không phù hợp vì một vàilý do như trên…Vì vậy, một vài mô hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ

ra mà không cần biết đến phương trình chuyển động Nhiệm vụ chính là tập trungvào việc nhận dạng bao gồm bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển tuyến tính(Schouken, 1990), để ước lượng thông số vật lý (Moons và Moor, 1995) và ướclượng hệ số hàm chuyển tuyến tính dựa vào đo lường lực từ và tốc độ (Gahler vàHerzog, 1994), kỹ thuật NARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) nhằm mô hìnhhóa mối quan hệ giữa tốc độ và điện áp của động cơ không đồng bộ

Tương tự, khi ước lượng từ thông, người ta cũng áp dụng những nguyên tắc giốngnhư điều khiển và ước lượng tốc độ Thật sự, cảm biến từ thông khó chế tạo và lắpđặt Vì vậy, việc chế tạo ra một bộ ước lượng từ thông từ những thông số điện cósẵn, hoặc những kỹ thuật tiên tiến là mối quan tâm thiết yếu cho những ai quan tâmđến lĩnh vực điều khiển động cơ

2.4 TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Thông thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hànhtheo những bước chính sau:

2.4.1 Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển

Thông thường, mô hình toán học của động cơ không đồng bộ là: phương trìnhvector tổng quát, mô hình mạch điện dưới dạng 2 pha, phương trình trạng thái.Thông số của động cơ được xác định theo phương pháp thực nghiệm Điện trởstator đo được từ kiểm tra DC; điện trở rotor và điện cảm tiêu tán đo được khi rotor

Trang 15

bị ghìm; đo điện cảm từ hóa khi kiểm tra không tải Việc điều chỉnh thông số khi

mô phỏng động cơ trong điều kiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức lúc tải địnhmức

2.4.2 Bộ biến tần điều khiển

Bộ biến tần có tụ DC được dùng trong truyền động động cơ không đồng bộ gồm bộbiến tần nguồn áp (VSI) và bộ biến tần nguồn dòng (CSI), dựa theo phương phápđiều chế độ rộng xung (PWM) nhằm điều khiển điện áp và dòng điện Ngoài ra còncó bộ biến tần kết hợp bộ CSI công suất cao và bộ VSI công suất thấp làm việc songsong

2.4.3 Kiểm tra thiết bị truyền động AC

Một phòng thí nghiệm được xây dựng bao gồm: động cơ không đồng bộ cần kiểmtra làm việc như tải cơ được kéo bởi máy phát điện đồng bộ Mỗi máy điện đượccấp nguồn từ bộ biến tần, và được điều khiển bởi bộ điều khiển card ở PC

Hình 2.7 Phòng thí nghiệm kiểm tra

2.4.4 Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm

Tùy theo tính chất, mục đích sử dụng, tài nguyên hiện có mà ta lựa chọn phươngpháp điều khiển thích hợp như điều khiển vô hướng, điều chế vector không gian,định hướng trường

Trang 16

Chương 3 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

3.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator được cung cấp điện từ lưới điện,và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điệnbên trong dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ tạo

ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ (rad/s) Rotor máy không đồng bộ gồm 2 loại:Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnhrotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượtđược cách điện với trục rotor Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trongcác bộ giá đỡ chổi than

Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh rotor,chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do kết cấu rất đơn giản vàchắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động lựcrất rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt

Trong hai loại động cơ trên, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên thịtrường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn Sự phát triển như

vũ bão của kỹ thuật vi điện tử với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiệnthành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc

3.2 VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA

3.2.1 Xây dựng vector không gian

Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bốtrí không gian tổng quát như hình 3.1

Trong hình trên không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác Ba dòngđiện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ Khi động cơ chạybằng biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần

Trang 17

Hình 3.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha

Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:

Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau:

(3.2)(3.3)(3.4)Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ xoay chiều 3 pha có bacuộn dây lệch nhau một góc 120o Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ tọa độphức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau:

(3.5)Theo công thức (3.5), vector là một vector có modul không đổi quay trên mặtphẳng phức với tốc độ góc và tạo với trục thực (đi qua cuộn dây pha u) một góc ,trong đó fs là tần số mạch stator Việc xây dựng vector được mô tả trong hình 3.2

Trang 18

Hình 3.2 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha

Theo hình vẽ trên, dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòngstator mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng

Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục và trục ảo là trục Chiếuvector lên hai trục, ta được hai hình chiếu là và Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ cốđịnh (hệ tọa độ stator)

Hình 3.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ

Theo phương trình isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 và dựa trên hình 3.3 thì chỉ cần xác địnhhai trong số ba dòng điện stator là có đầy đủ thông tin về vector

(3.6)(3.7)Tương tự như đối với vector dòng stator, các vector điện áp stator , dòng rotor , từthông stator , hoặc từ thông rotor cũng được biểu diễn tương tự

Trang 19

3.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian

Ta xây dựng một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ và nằm lệch đimột góc Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector không gian tương ứng với haihệ tọa độ này Mối liên hệ được thể hiện ở hình vẽ 3.4

Hình 3.4 Chuyển hệ tọa độ giữa và dq

Dễ dàng chuyển tọa độ sang tọa độ dq:

3.2.2 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

(3.8)(3.9)

Trang 20

Hình 3.5 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Giả thiết động cơ không đồng bộ quay với tốc độ , trong đó là góc tạo bởi trục rotorvà trục chuẩn Từ thông rotor quay với tốc độ góc trong đó fs là tần số của mạchđiện stator

Sự chênh lệch giữa và sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số , dòng điện đó có thểđược biểu diễn dưới dạng vector quay với tốc độ

Xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của vector vàgốc tọa độ trùng với gốc của hệ là hệ trục tọa độ dq

Gọi là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ

là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq

Chuyển tọa độ từ 3 pha uvw qua tọa độ :

Chuyển tọa độ sang tọa độ dq:

Toàn bộ quá trình trên được diễn tả theo sơ đồ khối sau:

(3.14)

(3.13)(3.15)(3.16)

Trang 21

Hình 3.6 Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor

(hệ tọa độ dq)

Trong thực tiễn, việc tính toán isd, isq gặp nhiều khó khăn vì việc xác định Trongtrường hợp động cơ không đồng bộ, góc được tạo nên bởi tốc độ góc trong đó làcó thể đo được Ngược lại là tần số của mạch rotor mà ta chưa biết Vậy phươngpháp mô tả trên hệ tọa độ dq đòi hỏi phải xây dựng được phương pháp tính mộtcách chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển tựa theo từ thông rotor

Ta có do trục q đứng vuông góc với vector Khi xây dựng mô hình tính toán tronghệ tọa độ dq, trên thực tế do không thể tính tuyệt đối chính xác góc nên vẫn giữ lạiđể đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát

Trang 22

3.3 MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

3.3.1 Lý do xây dựng mô hình

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả đối tượngđiều chỉnh Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồngbộ rotor lồng sóc là mô hình đơn giản của động cơ trong hình 3.7

Hình 3.7 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc

Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đốitượng điều chỉnh, phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Điều đó dẫnđến các điều kiện được giả thiết trong khi lập mô hình Các điều kiện đó một mặtđơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặc khác chúng gây nên sai lệch nhấtđịnh, sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình

Về phương diện động, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởihệ phương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặtkhông gian, vì các mạch từ móc vòng, một số điều kiện được chấp nhận khi môhình hóa động cơ:

- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua

- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

Trang 23

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha u Ta sẽsử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ.

3.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator:

Với:

Rs: điện trở cuộn dây pha stator

Áp dụng công thức ta thu được điện áp:

(3.20)Thay 3 phương trình (3.17, 3.18, 3.19) vào phương trình (3.20), thu đượcphương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:

(3.21)Trong đó:

RS: điện trở cuộn dây pha Stator

: vector từ thông Stator

Phương trình trên thu được do các quan sát từ hệ thống 3 cuộn dây stator, vì vậycũng thu được trên hệ tọa độ :

Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch)

Trong đó : vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor

Rr: điện trở rotor đã quy đổi về phía stator

Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator:

(3.24)

(3.19)(3.18)(3.17)

Trang 24

Phương trình tổng quát trên có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc

Trong đó:

với là góc giữa trục thực với hệ tọa độ bất kỳ k

Đối với hệ tọa độ cố định Stator thì = 0 cho ta công thức (3.22) Thay “k” =”s” Đối với hệ tọa độ từ thông rotor (dq) thì với là góc lệch giữa trục q với trụcthực Thay “k” =”f”

Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor:

Với : vector từ thông ở hệ tọa độ “k” bất kỳ so với rotor

3.3.3 Các tham số của động cơ

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây statorđiện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator)

điện cảm stator

điện cảm rotor

Ts = Ls/Rs hằng số thời gian stator

hệ số tiêu tán tổng

Phương trình từ thông stator và từ thông rotor:

Mô men điện từ:

(3.27)Phương trình chuyển động:

Với: mT là mômen tải, J là mômen quán tính cơ, là tốc độ góc của rotor

3.3.3 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator

Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:

(3.26)(3.25)

Trang 25

Với: Lm :hỗ cảm giữa stator va rotor

Ls: điện cảm stator

Lr: điện cảm rotor

Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator bằngcách rút vector từ phương trình (3.32) , ta được:

Ta chuẩn hóa và như sau:

là các phần tử của vectơ dòng từ hóa của động cơ

Thay các vector dòng từ hóa vào hệ phương trình (3.35) đồng thời chuyển sang viếtdưới dạng các phần tử của vector, ta thu được hệ phương trình mới mô tả đầy đủphần hệ thống điện của một ĐCKĐB như sau:

Trong đó: : hệ số tiêu tán tổng

Ta cũng có phương trình mômen:

Từ phương trình: ta rút rồi thế vào phương trình mômen:

(3.41)

(3.30)

(3.29)

(3.32)(3.31)

(3.35)

(3.36)(3.37)(3.38)(3.39)

(3.40)

Trang 26

Thay các vector bằng các phần tử tương ứng, ta được:

Thay phương trình (3.47), 3.48) vào (3.43, 3.44) trên và biến đổi:

Vì trong trường hợp định hướng chính xác từ thông rotor ta có =0

Cuối cùng thu được hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ sau:

(3.51)Trong đó: : hệ số tiêu tán tổng

3.3.5 Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor

Trong hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq), các vector dòng stator và vector từthông rotor , cùng với hệ tọa độ dq quay đồng bộ với nhau với tốc độ quanh điểmgốc, do đó các phần tử của vector (isd và isq) là các đại lượng một chiều Trong chếđộ xác lập, các giá trị này gần như không đổi, trong quá trình quá độ, các giá trị nàycó thể biến đổi theo một thuật toán điều khiển đã được định trước Hơn nữa, tronghệ tọa độ dq, nên

(3.43)

(3.46)(3.45)(3.44)

(3.49)(3.50)

Trang 27

3.3.6 Bộ điều chế độ rộng xung PWM

Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ điện tử, các bộ biến tần tĩnh được chế tạotừ các van bán dẫn công suất đã đảm nhiệm được nguồn cung cấp năng lượng điệncó tần số thay đổi

Về nguyên lý, phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản đồ kích đóngcông tắc bộ nghịch lưu dựa trên hai tín hiệu cơ bản: sóng mang có tần số cao vàsóng điều khiển (hoặc sóng điều chế) dạng sin

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ PWM

Cơ chế đóng ngắt: Nếu sóng mang nhỏ hơn hoặc bằng sóng điều khiển thì ngõ ralogic bằng1 Ngược lại, nếu sóng mang lớn hơn hoặc bằng sóng điều khiển thì ngõ

ra logic bằng 0

Hình 3.9 Cơ chế đóng ngắt của PWM (pha U)

Trang 28

Hình 3.10 Dạng sóng 3 pha khi được điều chế PWM

Sóng mang có thể ở dạng tam giác Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậccao bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm cho tổn hao phát sinh

do quá trình đóng ngắt các công tắc tăng theo Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi cóthời gian đóng ngắt nhất định Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóngmang Sóng điều khiển mang thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơbản của điện áp ngõ ra Để đơn giản mạch kích hơn nữa, có thể sử dụng một sóngđiều khiển duy nhất để kích đóng

3.3.7 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab

3.3.7.1 Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha

Hệ phương trình biểu diễn đầy đủ trạng thái của động cơ không đồng bộ ba phatrong hệ tọa độ stator:

Ta thu được giá trị dòng điện 3 pha isu, isv, isw từ , thông qua biến đổi tọa độ từ->uvw

Momen điện từ của động cơ:

(3.37)(3.36)

(3.38)(3.39)

Trang 29

Tốc độ của động cơ:

Mô đun dòng từ hóa từ các thành phần , thông qua công thức:

3.3.7.2 Mô hình động cơ trong simulink

Các giá trị liên quan: Tr = Lr/Rr;

Trong đó ss=: là hệ số tiêu tán tổng

Tr: hằng số thời gian rotorTs: hằng số thời gian stator

Lr, Ls: điện cảm rotor, stator

Rr, Rs: điện trở rotor, stator

Trang 30

Hình 3.11 Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha

3.3.7.3 Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ

TL Uw

Uv

Uu

U V W

U

V

W PWM

Fi W M I

Uu Uv Uw mT

Fi'r W

mM Iuv w DCKDB

Hình 3.12 Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM

Động cơ không đồng bộ có các thông số sau:

Công suất của động cơ: 10Hp

Momen quán tính Jm = 0.00126(kg.m2)

Thông số của bộ PWM

Trang 31

Biên độ sóng mang A = 300

Tần số sóng mang F = 1800Hz

Điện áp DC cung cấp cho bộ nghịch lưu Udc = 220*sqrt(2)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0

Trang 32

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0

Trang 34

Nhận xét

Lúc khởi động trực tiếp qua PWM, dòng khởi động của động cơ lớn khoảng 80(A).Vì vậy, cần có phương pháp hạn chế dòng khởi động nhằm duy trì tuổi thọ và hoạtđộng ổn định của động cơ

Phương pháp điều khiển định hướng trường ra đời đã khắc phục được nhượcđiểm khởi động dòng quá lớn và còn đạt được những thành tựu kỹ thuật to lớn vềtính năng vượt trội trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ

Trang 35

Chương 4 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG

4.1 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

4.1.1 Điều kiện điều khiển momen tối ưu

Điều kiện điều khiển momen tối ưu ở dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trườnglà tiết diện dây dẫn song song với đường sức từ, tức là khi vector dòng điện i chạytrong dây dẫn vuông góc với vector từ thông được tạo ra do nguồn cung cấp bênngoài và có ảnh hưởng đến dây dẫn

Sự vuông góc giữa vector dòng điện i và từ thông sẽ sinh ra lực điện động F Lúcnày dây dẫn chịu lực F lớn nhất, lực F này sẽ sinh ra momen quay tối đa

4.1.2 Cơ sở của phương pháp tựa theo từ thông rotor

Kỹ thuật của phương pháp tựa theo từ thông rotor là cần biết hướng (góc pha) củavector từ thông rotor

Ở động cơ không đồng bộ, để có thể biết hướng của vector từ thông rotor, ta cầnbiết modul của vector từ thông rotor, một đại lượng không đo được Vì vậy cần cóbộ ước lượng chính xác modul của động cơ không đồng bộ

Hình 4.1 Điều kiện tạo ra

momen không tối ưu:

M=F.d.sin(d là cánh tay đòn)

Hình 4.2 Điều kiện tạo ra

momen tối ưu:

M=F.d.sin=F.d (với sin=1)

Trang 36

4.2 CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐCKĐB ĐIỀU KHIỂN DỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển định hướng trường

Hình 4.3 ĐCKĐB được nuôi bởi biến tần nguồn áp

Hình 4.4 Điều chỉnh dòng i sd , i sq bằng 2 khâu điều chỉnh dòng riêng biệt kiểu PI

Động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp có nghĩa là đại lượng điều khiển phải làđiện áp, điện áp đó sẽ thông qua khâu điều chế vec tơ không gian và biến tần để đặtlên động cơ Nếu điện áp được cho trước dưới dạng usd, usq và thì phải sử dụng khâuchuyển tọa độ điện áp (CTDu) để tính chuyển sang dạng trước khi đưa vào khâuđiều chế vector không gian

Cần sử dụng một khâu điều chỉnh dòng (ĐCD) nhằm áp đặt nhanh 2 dòng isd, isqnhằm điều khiển từ thông rotor và momen quay Vì vậy, người ta sử dụng riêng lẽ 2

Trang 37

bộ điều chỉnh dòng id và iq (ĐCid và ĐCiq) kiểu PID, trong đó giá trị cần và giá trịthực là các đại lượng hình sin Các đầu ra của ĐCid và ĐCiq được gọi là yd và yq Để tính usd và usq ta cần dùng mạng tính áp (MTu) với các giá trị đầu vào của mạnglà yd và yq

Để tính giá trị cần từ từ thông rotor và momen quay , ta dùng mạng tính dòng(MTi) Từ ý tưởng đó hình thành cấu trúc của hệ truyền động dùng ĐCKDB nuôibởi biến tần nguồn áp và điều chỉnh tựa theo từ thông rotor

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển định hướng trường

4.2.2 Mô tả sơ đồ nguyên lý điều khiển định hướng trường

Động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp Điều đó có nghĩa đại lượng điềukhiển phải là điện áp, điện áp đó sẽ thông qua khâu điều chế vector không gian vàbiến tần để đặt lên stator động cơ Khâu điều chế vector không gian được coi làkhâu truyền đạt trung thành về pha, về biên độ Nếu điện áp cho trước dưới dạng

usd, usq và ta cần sử dụng khâu chuyển tọa độ điện áp để tính chuyển sang trước khiđưa tới khâu điều chế vector không gian

Cảm biến dòng đo được isu, isv Thông qua các bộ chuyển đổi hệ tọa độ chuyển thànhhai dòng isd và isq là hai đại lượng điều khiển từ thông và momen quay Hai giá trịnày sẽ được so sánh với hai giá trị cần được tạo ra bởi mạng tính dòng MTi, đo

Trang 38

được độ sai lệch, sau đó đưa vào 2 bộ điều khiển riêng lẽ PID tạo tín hiệu điềukhiển vector không gian trước khi đưa vào bộ biến tần

Máy đo tốc độ quay đo tốc độ của rotor là rồi hồi tiếp so sánh với tốc độmong muốn, lấy tín hiệu sai lệch đưa vào khâu điều chỉnh tốc độ ĐC thu được tínhiệu cần , hiệu chỉnh momen cần làm ngõ vào mạng tính dòng MTi Đồng thời, lấytín hiệu cộng với tín hiệu hồi tiếp tốc độ qua khâu tích phân tính được góc đưavào khâu chuyển đổi điện áp và chuyển hệ tọa độ Thông qua mô hình này, nhữngkhó khăn mà vấn đề nêu ra đã được giải quyết

Để xây dựng mạng tính áp MTu:

Thay vào phương trình:

- : điện cảm tiêu tán phía stator

- : hằng số thời gian từ thông tiêu tán tổng

Phương trình (4.2) được biến đổi trong không gian Laplace:

(4.6)

Trang 39

Để xây dựng mạng tính dòng MTi, ta có: và thế vào phương trình trạng thái củađộng cơ ở hệ tọa độ dq, ta được:

Với ngõ vào mạng tính dòng là các giá trị cần và (hay ), ngõ ra là

4.2.3 Ưu điểm của điều khiển định hướng trường theo từ thông rotor và mômen quay theo hệ tọa độ dq

Trong tọa độ dq, do vuông góc với vec tơ nên

Ngoài ra trong hệ tọa này, từ thông và momen quay được biểu diễn theo các vectordòng stator:

Trong đó:

: phần tử d của vector từ thông rotor

Isd, isq: phần tử d và q của vector dòng stator

mM : momen quay của động cơ

Lr, Lm: điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor

pc: số đôi cực của động cơ

Tr: hằng số thời gian rotor

p: toán tử Laplace

(4.8)(4.7)

(4.9)(4.10)

(4.11)(4.12)

Trang 40

Phương trình đầu cho thấy có thể điều khiển (tăng giảm gián tiếp) từ thông rotorthông qua điều khiển (tăng giảm) dòng stator isd với mối quan hệ trễ bậc nhất Tr.Cần áp đặt nhanh và chính xác dòng isd để ổn định từ thông tại mọi điểm làm việccủa động cơ, đồng thời áp đặt nhanh và chính xác dòng isq điều khiển mômen củađộng cơ, ta có thể coi isd là đại lượng điều khiển từ thông rotor (dòng kích từ) và isqlà đại lượng điều khiển momen động cơ (dòng tạo momen quay).

Bằng việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ dq, không còn quan tâm đếntừng dòng điện pha riêng lẽ nữa, mà là toàn bộ vector không gian dòng stator củađộng cơ Khi đó sẽ cung cấp hai thành phần isd điều khiển từ thông và isq điều khiểnmômen quay, từ đó có thể điều khiển tốc độ động cơ

4.3 MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG DÙNG SIMULINK

4.3.1 Mô hình mô phỏng điều khiển định hướng trường

Dựa vào sơ đồ nguyên lý điều khiển định hướng trường ở hình 4.5 và các phươngtrình biến đổi có liên quan đến các khối trong sơ đồ, mô hình mô phỏng đã đượcthiết kế và chạy trong Simulink với các thông số có liên quan

U

V

W PWM

Yd Yq Ws Fi'r

Usd Usq MTu

Uu Uv Uw mT

Fi'r W

mM Iuv w DCKDB

PID DCIsq

PID DCIsd

Usd Usq Theta

Ua Ub Uc CTDu

Iabc Theta w

Fi'r Isd Isq CTDi

Hình 4.6 Mô hình điều khiển động cơ dùng nguyên lý định hướng trường được mô

phỏng trong môi trường Simulink - Matlab

Trong đó:

Khối Fi’r và Wref là từ thông đặt và tốc độ đặt với Fi’r = 1 (Wb) và Wref = 150rad/s

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	3,35 MB