Thiết kế bộ điều khiển trượt cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THÁI THUẬN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THÁI THUẬN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM ĐỨC ĐẠI HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan đoan cơng trình nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Nguyễn Thái Thuận i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn TS PHẠM ĐỨC ĐẠI tận tình hướng dẫn gợi mở cho tơi vấn đề gặp phải suốt q trình làm luận văn Ngồi ra, tận tâm nhiệt huyết trình giảng dạy hướng dẫn Thầy giúp tơi tâm hồn thành luận văn Tôi gửi lời cảm ơn đến toàn thể giảng viên Khoa Năng Lượng, thầy trực tiếp giảng dạy truyền đạt kiến thức Cám ơn cán Phòng đào tạo ĐH tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình học tập Trường Cảm ơn Trường Cao Đẳng Nghề Ninh Thuận nơi công tác tạo điều kiện giúp đỡ thời gian học tập thực luận văn Tôi xin gửi tặng thành cho gia đình tơi Chính gia đình người gần gũi, theo dõi động viên suốt trình học tập nghiên cứu Sau hết, xin cảm ơn bạn học viên cao học Kỹ Thuật Điện K24 ĐH2, bạn đồng nghiệp đồng hành, động viên, giúp đỡ cho suốt trình học tập thực luận văn ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii CHƯƠNG CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH Tổng quan động điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) 1.1.1 Khái quát động điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) 1.1.2 Ứng dụng động điện đồng nam châm vĩnh cửu 1.2 Động học động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) 1.2.1 Vector không gian đại lượng pha 1.2.2 Xây dựng mơ hình động PMSM Matlab - Simulink CHƯƠNG 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PMSM 18 Phương pháp điều khiển vector 18 2.1.1 Cấu trúc hệ điều khiển Vector động PMSM 19 2.1.2 Khâu chuyển đổi điện áp CĐu 21 2.1.3 Khâu chuyển đổi dòng điện CĐi 21 2.1.4 Mạch vòng điều chỉnh dòng ( id iq ) 21 2.1.5 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ  22 2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment (DTC) 23 2.2.1 Cấu trúc hệ điều khiển DTC 24 2.2.2 Phương trình động hệ tọa độ từ thông stator 24 2.2.3 Lựa chọn vectơ điện áp điều khiển từ thông stator 28 2.2.4 Điều khiển moment 29 2.2.5 Lựa chọn vector điện áp 30 2.2.6 Uớc lượng từ thông moment 31 2.2.7 Bộ so sánh từ thông moment 32 2.2.8 Thiết lập bảng chuyển mạch 33 2.3 Tổng hợp điều khiển PI điều khiển động theo phương pháp điều khiển vector 34 iii 2.3.1 Tổng hợp điều khiển PI dòng điện điều khiển động theo phương pháp điều khiển vector 35 2.3.2 Tổng hợp điều khiển PI tốc độ điều khiển động theo phương pháp điều khiển vector 36 2.4 Kết mô PI dòng điện tốc độ điều khiển động Matlab – Simulink: 37 CHƯƠNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PMSM 42 3.1 Tổng quan điều khiển trượt 42 3.1.1 Điều khiển trượt 42 3.1.2 Lý thuyết điều khiển trượt 42 3.2 Xét hệ thống điều khiển trượt bậc 45 3.3 Nâng cao chất lượng điều khiển trượt cách giảm thời gian đạt tới mặt trượt 47 3.3.1 So sánh thời gian đạt tới mặt trượt hai luật 47 3.3.2 So sánh độ dao động hai luật 49 3.4 Thiết kế điều khiển trượt cho động PMSM 49 3.4.1 Phương trình mơ tả tốn học động PMSM hệ tọa độ dq 49 3.4.2 Thiết kế trượt cho động PMSM 49 3.4.3 Sơ đồ chương trình mơ điều khiển trượt Matlab – Simulink động PMSM 51 3.4.4 Sơ đồ kết mô điều khiển trượt động PMSM Matlab-Simulink: 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mơ hình động đồng ba pha với rotor có cấu trúc cực lồi Hình 1.2 Mơ hình động đồng ba pha với rotor có cấu trúc cực ẩn Hình 1.3 Vector không gian từ đại lượng pha Hình 1.4 Biểu diễn dòng điện stator hệ tọa độ (    ) Hình 1.5 Mối liên hệ tọa độ (    ) tọa độ ( d  q ) Hình 1.6 Biểu diễn vector hệ tọa độ từ thông rotor ( d  q ) Hình 1.7 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục ba pha ( u  v  w ) sang hệ trục ( d  q ) 12 Hình 1.8 Sơ đồ chuyển đổi hệ trục ( d  q ) sang hệ trục ba pha ( u  v  w ) 12 Hình 1.9 Mơ hình simulink động PMSM 13 Hình 1.10 Sơ đồ mơ động PMSM Matlab – Simulink 14 Hình 1.11 Đáp ứng tốc độ 15 Hình 1.12 Mơ men điện từ 16 Hình 1.13 Dòng isd , isq 17 Hình 1.14 Dòng pha isu , isv , isw 18 Hình 2.1 Cấu trúc hệ điều khiển vector 20 Hình 2.2 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng isd 22 Hình 2.3 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ  23 Hình 2.4 Cấu trúc hệ điều khiển DTC 24 Hình 2.5 Vector từ thơng, điện áp, dòng điện hệ trục tọa độ 25 Hình 2.6 Các sector hệ tọa độ (    ) 29 Hình 2.7 Vector từ thông stator sector 31 Hình 2.8 Sơ đồ vị trí từ thơng Stator 32 Hình 2.9 Khâu hiệu chỉnh Từ thông Moment 32 Hình 2.10 Xác định tham số k p , ki mạch vòng dòng điện 36 Hình 2.11 Xác định tham số k p , ki mạch vòng tốc độ 37 Hình 2.12 Đáp ứng tốc độ 38 Hình 2.13 Mơ men điện từ 39 v Hình 2.14 Dòng isd , isq 40 Hình 2.15 Dòng pha isu , isv , isw 41 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển trượt Matlab – Simulink 51 Hình 3.2 Sơ đồ mô điều khiển trượt Matlab – Simulink 52 Hình 3.3 Đáp ứng tốc độ 54 Hình 3.4 Mơ men điện từ 55 Hình 3.5 Dòng isd , isq 56 Hình 3.6 Dòng pha isu , isv , isw 57 Hình 3.7 Đáp ứng tốc độ luật tiến tới mặt trượt 59 Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ luật tiến tới mặt trượt 60 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng tham số mô động PMSM Matlab – Simulink 14 Bảng 2.1 Bảng thiết lập chuyển mạch 33 Bảng 2.2 Bảng tham số mô động PMSM PI dòng điện tốc độ 37 Bảng 3.1 Bảng tham số mô động PMSM điều khiển trượt 52 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PMSM Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cữu CS Công Suất KĐB-RLS Động Cơ Không Đồng Bộ Roto Lồng sóc ĐCKĐB Động Cơ Khơng Đồng Bộ ĐCĐB Động Cơ Đồng Bộ DTC Direct Torque Control PWM Pulse Width Modulation SMC Sliding Mode Control PI Proportional Intergral viii 3.4.4 Sơ đồ kết mô điều khiển trượt động PMSM MatlabSimulink: Hình 3.2 Sơ đồ mô điều khiển trượt Matlab – Simulink Bảng 3.1 Bảng tham số mô động PMSM điều khiển trượt Tham số động PMSM Giá trị Điện trở cuộn dây Stator Rs  0,416 Điện cảm dọc trục Lsd  1,356mH Điện cảm ngang trục Lsq  1,356mH Mơ men qn tính J  3, 4*104 Kg.m2 Từ thông cực  p  0,1172Wb Tốc độ định mức n  628,31rad / s pc  Số đôi cực từ 52 Số pha Điện áp định mức 200V Dòng điện làm việc mang tải mT = 3,2 Nm 8,1A Dòng điện đỉnh 31,5A Ta áp cho hệ thống tín hiệu đặt ω* = 400 ( rad/s ) Sau động khởi động không tải 0,1 giây Ta cho động mang tải mT = 3,2 Nm 3.4.4.1 Đối với điều khiển Trượt với luật tiến tới mặt trượt Áp dụng công thức (3.22) Mô với tham số: l  0, k  90,   0.0006,   10 Chương trình viết cho trượt với luật tiến tới mặt trượt 2: function [y,s] = fcn(dwr, Wm, e, iq, mT) %%%%%%%%%%%%% thiet ke bo dieu khien Truot %%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%% Tham so dong co chuan %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Rs=0.416;p=4; Lsd=1.365e-3;Lsq=1.365e-3; J=3.4e-4; Jeq=J; Ls=Lsd; Flux=0.1172; B=0; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Tinh cac thong so %%%%%%%%%%%%%%%%% pc=p/2; an=1.5*pc^2*Flux/J; bn=pc/J; cn=B/J; %%%%%%%%%%%%%%%%% Cac thong so thay doi co the %%%%%%%%%%% dan=0.0; dbn=0.0; dcn=0.0; r=dan*iq- dcn*Wm-bn*mT; %%%%%%%%%%%%%%%% Tham so bo dieu khien truot %%%%%%%%%%%%% Ktruot=90; eps=0.0006; x1=e; theta=10; %%%%%%%%%%%%%%%% Mat truot %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% s=e; 53 %%%%%%%%%%%%%%%%% Luat %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% eq= Ktruot/(eps+(1+1/abs(x1)-eps)*exp(-theta*abs(s))) iq=(an^(-1))*(dwr+cn*Wm-r+eq *sign(s)); y = iq; Kết mơ sau: Hình 3.3 Đáp ứng tốc độ 54 Hình 3.4 Mơ men điện từ 55 Hình 3.5 Dòng isd , isq 56 Hình 3.6 Dòng pha isu , isv , isw Nhận xét: - Thời gian đáp ứng tốc độ điều khiển trượt 0,007 s - Độ điều chỉnh xấp xỉ % - Sau động mang tải tốc độ động đạt đến giá trị đặt thành phần dòng isq có độ lớn xấp xỉ 8,1 A thành phần dòng isd trì 0A - Khi động làm việc ổn định tốc độ động bám theo giá trị đặt, sai lệch tĩnh hệ thống gần 3.4.4.2 Đối với điều khiển Trượt với luật tiến tới mặt trượt Chương trình viết cho trượt với luật tiến tới mặt trượt 1: function [y,s] = fcn(dwr, Wm, e, iq, mT) %%%%%%%%%%%%% thiet ke bo dieu khien mo %%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%% Tham so dong co chuan %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% B=0; 57 Rs=0.416;p=4; Lsd=1.365e-3;Lsq=1.365e-3; J=3.4e-4; Jeq=J; Ls=Lsd; Flux=0.1172; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Tinh %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% pc=p/2; an=1.5*pc^2*Flux/J; bn=pc/J; cn=B/J; %%%%%%%%%%%%%%%%% cac thong so thay doi co the %%%%%%%%%%% dan=0.0; dbn=0.0; dcn=0.0; r=dan*iq- dcn*Wm-bn*mT; s=e; % mat truot %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Luat %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% eq= 90; %eq= 100000; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% iq=(an^(-1))*(dwr+cn*Wm-r+eq *sign(s)); y = iq; 58 a Mô với tham số: k  90 Hình 3.7 Đáp ứng tốc độ luật tiến tới mặt trượt Với k  90 thời gian đáp ứng tốc độ xấp xỉ 9(s), thấy luật tiến tới mặt trượt tốt luật tiến tới mặt trượt b Mô với tham số: k  100000 Để giảm thời gian đáp ứng luật 1, ta tăng k=100000 59 Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ luật tiến tới mặt trượt Từ đồ thị hình 3.8 ta thấy k tăng, thời gian đáp ứng giảm (nhanh đạt tới tốc độ đặt), nhiên độ dao động lại tăng 60 3.4.4.3 So sánh kết Trượt luật 1, luật PI Hình 3.9 Đáp ứng tốc độ PI, trượt luật trượt luật 61 Hình 3.10 Đáp ứng tốc độ PI, trượt luật trượt luật (phóng to) Nhận xét: - Từ đồ thị hình 3.9 hình 3.10 ta kết luận thời gian tiến tới mặt trượt luật nhanh so với thời gian tiến tới mặt trượt luật Hơn đáp ứng sử dụng luật điều khiển gây tượng dao động lớn so với luật - Thời gian đáp ứng điều khiển trượt lớn so với thời gian đáp ứng sử dụng điều khiển PI dòng điện tốc độ Tuy nhiên, đáp ứng điều khiển trượt cho độ điều chỉnh lại nhỏ nhiều so với đáp ứng điều khiển PI 62 KẾT LUẬN Các kết đạt được: - Nghiên cứu động đồng nam châm vĩnh cữu - Phân tích động lực động đồng nam châm vĩnh cữu phương pháp điều khiển động đồng nam châm vĩnh cữu Đây sở để hiểu biết đối tượng trước xây dựng điều khiển - Xây dựng mơ hình mơ động PMSM phần mềm Matlab - Simulink - Nghiên cứu sở lý thuyết điều khiển Trượt lựa chọn cấu trúc cho điều khiển Trượt - Thiết kế điều khiển Trượt cho động đồng nam châm vĩnh cữu - Chọn cấu trúc điều khiển để động đồng nam châm vĩnh cữu ổn định tốc độ - Thiết kế điều khiển PI dòng điện tốc độ cho động đồng nam châm vĩnh cữu - Thiết kế điều khiển Trượt để điều khiển tốc độ động đồng nam châm vĩnh cữu - Viết chương trình cài đặt thơng số cho điều khiển Trượt thiết kế - Tiến hành mô đánh giá hiệu phương án điều khiển Kết mô cho thấy điều khiển Trượt cho chất lượng điều khiển tốt so với sử dụng điều khiển PI trường hợp tốc độ động thay đổi, thời gian xác lập độ điều chỉnh nhỏ Hạn chế hướng nghiên cứu - Các kết nghiên cứu luận văn dừng lại phần mô phần mềm Matlab - Simulink chuyên dụng - Chưa thử nghiệm mơ hình thực tế 63 - Hướng nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh điều khiển để nâng cao chất lượng điều khiển động đồng nam châm vĩnh cữu tốt áp dụng vào thực tế có điều kiện thích hợp 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước (2012), “Phân tích điều khiển hệ phi tuyến”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Thị Phương Hà (2009), “Lý thuyết điều khiển đại”, NXB Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Đình Khốt (2008), “Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động sử dụng động điện xoay chiều”, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường đại học Thái Nguyên, Thái Nguyên [4] Phan Cường (2012), “Điều khiển động đồng nam châm vĩnh cữu phương pháp mờ - thích nghi”, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng [5] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), “Lý thuyết điều khiển mờ”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [6] Phan Xuân Minh, Hà Thị Kim Duyên, Phạm Xuân Khánh (2008), “Lý thuyết điều khiển tự động”, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội [7] Nguyễn Thương Ngô (1999), “Lý thuyết điều khiển tự động đại”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [8] Lê Hùng Lân (2004), “Lý thuyết điều khiển tự động tập 1”, Nhà xuất GTVT, Hà Nội [9] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [10] Nguyễn Phùng Quang (2005), “Truyền động điện thông minh”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [11] Nguyễn Phùng Quang (1999), “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội [12] Lê Hùng Lân, Nguyễn Văn Tiềm (2013), “Hệ thống điều khiển nhiều chiều phi tuyến”, Nhà xuất GTVT, Hà Nội [13] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2002), “Lý thuyết điều khiển mờ”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [14] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2006), “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [15] Nguyễn Dỗn Phước, Bùi Cơng Cường (2006), “Hệ mờ mạng nơron ứng dụng”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [16] Nguyễn Đức Minh (2012), “Điều khiển trượt thích nghi hệ thống động phi tuyến”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật trường đại học bách khoa thành phố HCM, HCM 65 [17] L Zhong, M F Rahman, W Y Hu, and K W Lim (1997), “Analysis of direct torque control in Permanent Magnet Synchronous motor drives”, IEEE Trans Power Electron.,Vol 12, no 3, pp 528-536, May 1997 [18] Xiao guang Zhang, Lizhi Sun, Ke Zhao, and Li Sun (2013), ”Nonlinear Speed Control for PMSM System Using Sliding-Mode Control and Disturbane Compensation Techniques”, IEEE Trans Power Electron., Vol 28, no 3, March 2013 [19] Mohan, Ned (2014), “Advanced elecric drives: Analysis, control, and modeling using MATLAB/Simulink”, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey [20] Ton Duc Do, Han Ho Choi, and Jin-Woo Jung (2015), “Nonlinear Opyimal DTC Design and Stability Analysis for Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Drives”, IEEE/ASME TRANSACTION ON MECHATROINCS [21] Pragasen Pillay, and Ramu Krishnan, “Modeling, Simulation, and Analysis of Permanent-Magnet Motor Drives, Part I: The Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS., Vol 25, no 2, March/April 1989 [22] M.R Zolghadri, C Pelisson, D Roye (1996), “Star Up of a Global Direct Toque Control Systems”, IEEE Trans On Power Electricnics, pp 370 – 374 [23] M.R Zolghadri, E Mijika Olasagasti, D Poye (1997), “Steady State Torque Correcction of a Direct Controlooed PM Synchronous machine”, IEEE 66 ... VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Tổng quan động điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) 1.1.1 Khái quát động điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) Động đồng kích thích nam châm vĩnh cửu. .. viii CHƯƠNG CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH Tổng quan động điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) 1.1.1 Khái quát động điện đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THÁI THUẬN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU Chuyên ngành: Kỹ