Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TĨM TẮT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN KHƠNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO Đà Nẵng, 11/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO I MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ II THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU III INFORMATION ON RESEARCH RESULTS IV MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ 1.1 Tổng quan hệ truyền động điện tốc độ cao 1.2 Tổng quan động đồng từ trở 1.2.1 Nguyên lý động đồng từ trở 1.2.2 Các cấu trúc roto động đồng từ trở .2 1.3 Điều khiển không cảm biến động đồng từ trở CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ 2.1 Mơ tả bàn thí nghiệm 2.2 Mơ hình động đồng từ trở 2.2.1 Phương trình điện áp hệ tọa độ abc 2.2.2 Phương trình điện áp hệ tọa độ  .3 2.2.3 Phương trình điện áp hệ tọa độ quay d-q .3 2.2.4 Phương trình động học 2.3 Nhận dạng tham số điện cảm 2.3.1 Xác định giá trị điện trở stator .3 2.3.2 Nhận dạng giá trị điện cảm stator 2.4 Mô động đồng từ trở CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ 3.1 Cấu trúc điều khiển động đồng từ trở 3.2 Phương pháp điều khiển tối ưu động đồng từ trở 3.2.1 Giới hạn dòng điện điện áp .5 3.2.2 Phương pháp điều khiển tối ưu M/I (MTPA) 3.2.3 Phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ (MTPW) .5 3.3 Kết mô 3.4 Kết luận CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG 4.1 Giới thiệu chung 4.2 Nguyên lý lọc Kalman mở rộng 4.3 Bộ lọc Kalman mở rộng dựa mô hình đầy đủ (bậc 4) 4.3.1 Mơ hình trạng thái bậc động đồng từ trở 4.3.2 Ước lượng tốc độ với lọc Kalman mở rộng dựa mơ hình đầy đủ (bậc 4) 4.3.3 Kết mô thực nghiệm nghiệm 10 4.4 Bộ lọc Kalman mở rộng bậc dựa mơ hình ngược 12 4.4.1 Mơ hình ngược động đồng từ trở 12 4.4.2 Ước lượng tốc độ với lọc Kalman mở rộng dựa mơ hình bậc 13 4.4.3 Kết mô thực nghiệm nghiệm 13 4.5 Kết luận 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 II DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2-1 : Dạng sóng điện áp đầu cực động Hình 2-2 : Giá trị dòng điện pha mơ đo từ thí nghiệm .4 Hình 2-3 : Giá trị dòng id,iq mơ giá trị đo Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Hình 3-2: Đáp ứng tốc độ Hình 3-3: Sai số tốc độ Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện Hình 3-5: Đáp ứng điện áp .7 Hình 4-1: Cấu trúc điều khiển với lọc Kalman mở rộng Hình 4-2: Đáp ứng tốc độ ước lượng với mơ hình bậc .10 Hình 4-3: Đáp ứng vị trí ước lượng với mơ hình bậc 11 Hình 4-4: Tốc độ ước lượng tốc độ đo thực nghiệm 11 Hình 4-5: Sai số tốc độ ước lượng tốc độ đo 11 Hình 4-6: Tốc độ động chế độ xác lập 11 Hình 4-7: sai số ước lượng chế độ xác lập 11 Hình 4-8: Tốc độ lúc khởi động .12 Hình 4-9: Vị trí rơ to lúc khởi động .12 Hình 4-10: Tốc độ thử nghiệm 8500 vòng/phút 12 Hình 4-11: Sai số tốc độ ước lượng .12 Hình 4-12: Tốc độ động (mô phỏng) 14 Hình 4-13: Vị trí ước lượng (mô phỏng) .14 Hình 4-14: Tốc độ động .14 Hình 4-15: Sai số giá trị ước lượng giá trị đo 14 Hình 4-16: Tốc độ động lúc khởi động .14 Hình 4-17: Vị trí rơ to khởi động .14 Hình 4-18: Tốc độ động 8500 vòng/phút với ước lượng Kalman bậc 15 Hình 4-19: Sai số tốc độ thí nghiệm 8500 vòng/phút 15 III THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động đồng từ trở tốc độ cao - Mã số: B2016-DNA-45-TT - Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Đức Quận - Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 12/2016 – 12/2018 Mục tiêu: - Mơ hình hóa, mơ đề xuất giải pháp điều khiển điều khiển không cảm biến động đồng từ trở ứng dụng truyền động tốc độ cao - Các kết nghiên cứu mơ phân tích làm tiền đề cho ứng dụng cơng nghiệp Tính sáng tạo: - Nghiên cứu điều khiển không cảm biến động đồng từ trở tốc độ cao, đặc biệt nghiên cứu, đề xuất cho ứng dụng thực tế - Đề xuất giải pháp điều khiển không cảm biến động đồng từ trở nhằm giảm giá thành hệ truyền động điện tốc độ cao Kết nghiên cứu: - Điều khiển không cảm biến động đồng từ trở tốc độ cao ứng dụng lọc Kalman mở rộng bậc dựa mơ hình động thống - Điều khiển không cảm biến tốc độ động đồng từ trở tốc độ cao với lọc Kalman mở rộng bộc dựa mơ hình ngược đề xuất - Hai phương pháp điều khiển mơ thí nghiệm động thí nghiêm có tốc độ 8.000 vòng/phút cơng suất 15kW Sản phẩm: - Sản phẩm khoa học: Bài báo “ Ứng dụng lọc Kalman mở rộng điều khiển không cảm biến động đồng từ trở tốc độ cao” Tác giả: Nguyễn Đức Quận, Hoàng Dũng Nguyễn Anh Duy Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN 1859-1531 Số: 11(120) Trang: 100 - 104 (Quyển 2) Năm 2017 - Sản phẩm đào tạo: Đào tạo 01 thạc sỹ bảo vệ thành công Luận văn thạc sỹ - Sản phẩm ứng dụng: Tài liệu điểu khiển không cảm biến động động từ trở tốc độ cao Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: - Chuyển giao kết nghiên cứu làm tiền đề cho ứng dụng cơng nghiệp - Phòng thí nghiệm tự động hóa, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng - Tài liệu nghiên cứu sinh viên đại học, học viên cao học nghiên cứu sinh - Góp phần cải thiện, nâng cao chất lượng hệ truyền động điện không cảm biến tốc độ cao IV INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Research high-speed sensorless control of synchronous reluctance motor Code number: B2016-DNA-45-TT Coordinator: Dr Nguyen Duc Quan Implementing institution: The University of Danang Duration: from December 2016 to December 2018 Objective(s): - Modeling, simulating and proposing solutions to control and sensorless control of synchronous reluctance motors in applications of high-speed driver - The research results will be simulated and analyzed for industrial applications Creativeness and innovativeness: - Research on high-speed sensorless control of synchronous reluctance motor, especially suggestion for practical applications - propose solution for speed sensorless control of synchronous reluctance motor to reduce the cost of high-speed electric driver Research results: - Command without mechanical sensor of synchronous reluctance motor with Kalman Filter Extended of order 4, basing on motor classic model - Command without mechanical sensor of synchronous reluctance motor with Kalman Filter Extended basing on second order inverse model of the machine proposed - These two approaches are simulated and tested experimentally on a test bench with 8000 rpm 15kW motors Products: - Scientific products: article: “Extended kalman filter application for high-speed sensorless control of synchronous reluctance motor”, Authors: Nguyen Duc Quan, Hoang Dung and Nguyen Anh Duy Journal of Science an Technology, The University of Danang, vol 2, no 11(120), pp 100–104, 2017 - Training products: Training 01 Master has successfully defended Master thesis - Application products: Document of high speed sensorless control of synchronous reluctance motor Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: - Transfer of research results as the premise for applications in industry - Automation Laboratory, University of Technology and Education, the University of Danang - Study on materials for students, master students and PhD students - Improve and increase the efficiency of high-speed sensorless electric drives Trang MỞ ĐẦU Động đồng từ trở có cấu trúc đơn giản vững chắc, có stator giống hệt stator động khơng 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 môi trường nhiệt độ cao Do động đồng từ trở có cấu trúc đơn giản nên dễ dàng chế tạo, tổn thất rơto, giá thành rẻ nhiều so với loại động khác có cơng suất Với ưu điểm bật động đồng từ trở trên, 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 Để thực điều khiển vectơ động đồng từ trở, cần phải biết xác vị trí rơto Việc lắp đặt cảm biến để xác định vị trí rơto tồn nhiều nhược điểm kết cấu hệ thống cồng kềnh, tăng giá thành hệ thống, độ tin cậy hiệu suất giảm trường hợp thiếu xác cảm biến vị trí Hầu hết nhà sản xuất thiết bị ứng dụng ln tìm kiếm giải pháp để nâng cao hiệu suất độ tin cậy, giảm tối đa chi phí sản xuất Điều khiển động đồng từ trở không sử dụng cảm biến tốc độ nhiều nhà khoa học giới quan tâm nghiên cứu, hầu hết nghiên cứu tập trung đến điều khiển vùng tốc độ thấp cận khơng (dưới 1.000 vòng/phút) Hiện nay, cơng trình nghiên cứu điều khiển không cảm biến động đồng từ trở tốc độ cao, đặc biệt nghiên cứu, đề xuất cho ứng dụng thực tế Với u cầu phát triển cơng nghiệp hóa đất nước, với nhà nghiên cứu nước, việc nghiên cứu điều khiển không cảm biến động động từ trở cho ứng dụng tốc độ cao yêu cầu cần thiết có ý nghĩa mặt lý thuyết đề xuất ứng dụng thực tế Căn vào điều kiện nghiên cứu Việt Nam khả kết hợp với nhà nghiên cứu nước Chúng đề xuất đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động đồng từ trở tốc độ cao” Mục tiêu đề tài Mơ hình hóa, mơ đề xuất giải pháp điều khiển điều khiển không cảm biến động đồng từ trở ứng dụng truyền động tốc độ cao Các kết nghiên cứu mơ phân tích làm tiền đề cho ứng dụng công nghiệp Đối tượng, phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu - Động đồng từ trở tốc độ cao - Các phương pháp điều khiển tối ưu điều khiển không cảm biến - Bộ lọc Kalman mở rộng  Phạm vi nghiên cứu - Động từ trở có cơng suất đến 15kW, tốc độ đến 8.000 vòng/phút - Nghiên cứu mô - Kiểm tra kết thực nghiệm Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu - Tham khảo tài liệu nước, phân tích tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu đề tài - Kế thừa kết có nhóm tác giả thực đề tài nghiên cứu - 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 mô Matlab – Simulink - Nghiên cứu thực nghiệm Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ Trong chương trình bày tổng quan máy điện tốc độ cao điều khiển không cảm biến tốc độ Phần mở đầu chúng tơi trình bày khái niệm máy điện tốc độ cao phân tích máy điện ứng dụng tốc độ cao đồng thời phân tích ưu điểm động đồng từ trở tốc độ cao Phần cuối giới thiệu tổng quan điều khiển không cảm biến tốc độ, đặc biệt tốc độ cao 1.1 Tổng quan hệ truyền động điện tốc độ cao Trong hầu hết hệ truyền động tốc độ cao bao gồm ba phần : Máy điện, phận điều khiển điện tử công suất phận truyền động khí Đối với hệ truyền động điện tốc độ cao phân thành hai nhóm truyền động truyền động trực tiếp truyền động gián tiếp Các hệ truyền động trực tiếp đặc trưng khớp nối trực tiếp máy điện với máy sản xuất Ngược lại hệ truyền động gián tiếp cần có hộp tốc độ khí kết nối máy điện máy sản xuất Việc dùng hộp tăng tốc cho máy sản xuất cần tốc độ cao giảm tốc độ quay cho máy điện thông qua tỉ số truyền tăng tốc khí, giải pháp tồn nhiều hạn chế Do việc sử dụng máy điện tốc độ cao kết nối trực tiếp với máy sản xuất để loại bỏ hộp giảm tốc làm giảm khối lượng hệ truyền động [1] giảm chi phí tổn thất hệ thống truyền động [2], đồng thời nâng cao độ tin cậy thuận lợi công tác bảo trì sữa chữa hệ thống Với việc loại bỏ hộp tốc độ giảm tiếng ồn tránh việc sử dụng dầu bơi trơn gây khó khăn cho số ứng dụng công nghiệp [3] 1.2 Tổng quan động đồng từ trở 1.2.1 Nguyên lý động đồng từ trở 1.2.2 Các cấu trúc roto động đồng từ trở Đối với động đồng từ trở, dòng điện stator làm nhiệm vụ từ hóa tạo mơ men từ trở, roto thướng có dạng Gần đây, cấu trúc roto đơn giản dạng đục lỗ dọc theo trục roto cắt rãnh [4][5] Với cấu trúc roto dạng làm giảm tổn thất động học động đặc biệt vận hành tốc độ cao 1.3 Điều khiển không cảm biến động đồng từ trở Để điều khiển vec tơ động đồng từ trở, cần phải biết xác vị trí rơ to Tuy nhiên việc xác định vị trí rơ to cảm biến tốc độ (Encoder) tồn số nhược điểm làm tăng kính thước, tăng chi phí cho hệ truyền động [6] Do đó, nhiều Kỹ thuật điều khiển không cảm biến tốc độ đề xuất năm gần [7][8][9] Đối với động đồng từ trở, phương pháp điều khiển không cảm biến thường sử dụng dựa sức điện động cảm ứng mở rộng [10] Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm khơng thể áp dụng vùng tốc độ thấp Một phương pháp khác sử dụng để ước lượng tốc độ động đồng từ trở bơm tín hiệu tần số cao [11][12] Tuy nhiên, phương pháp lại không đáp ứng vùng tốc độ cao Trong nghiên cứu này, sử dụng lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter EKF) để ước lượng tốc độ vị trí động đồng từ trở Bộ lọc Kalman thuật toán ước lượng đệ quy áp dụng hiệu cho hệ thống có nhiễu đo [8] Trong số tài liệu, điều khiển không cảm biến tốc độ động đồng từ trở sử dụng lọc Kalman mở rộng đề xuất [9] [10] Nhưng hầu hết áp dụng động có tốc độ trung bình thấp (thường nhỏ 1000 vòng/phút) Chúng thực điều khiển không cảm biến động động từ trở tốc độ cao, tốc độ động đạt 8000 vòng/phút Trang CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ 2.1 Mơ tả bàn thí nghiệm Các thí nghiệm đo đạc thực tế chúng tơi phối hợp với đồng nghiệp thực bàn thí nghiệm Phòng thí nghiệm Điều khiển Máy điện Trung tâm Nghiên cứu IREENA, Đại học Nantes, Cộng hòa Pháp Đây bàn thí nghiệm chuyên Điều khiền Máy điện tốc độ cao Bàn thí nghiệm bao gồm động đồng từ trở pha có rotor đặc, cực lồi, cơng suất 15kW, tốc độ quay định mức 8.000 vòng/phút Động kết nối trực tiếp với động đồng nam châm vĩnh cửu có chức phụ tải 2.2 Mơ hình động đồng từ trở 2.2.1 Phương trình điện áp hệ tọa độ abc Với giả thiết trên, mơ hình động đồng từ trở hệ tọa độ cố định stator mô tả sau [13]: [𝑉𝑎𝑏𝑐 ] = [𝑅𝑠 ][𝐼𝑎𝑏𝑐 ] + 𝑑 [𝛹 ] 𝑑𝑡 𝑎𝑏𝑐 (2-1) 2.2.2 Phương trình điện áp hệ tọa độ  Với hệ thống dòng điện hai pha tạo hai cuộn dây đặt lệch góc π⁄2 rad khơng gian, tạo hệ thống hai pha tương tự từ hệ thống ba pha (a,b,c) Có hai phép chuyển đổi phép chuyển đổi Clarke phép chuyển đổi Concordia Đối với phép chuyển đổi Clarke thỏa mãn điều kiện biên độ bất biến công suất mô men thay đổi Ngược lại phép chuyển đổi Concordia thỏa mãn điều kiện cơng suất bất biến, biên độ thay đổi Trong nghiên cứu chúng tối sử dụng phép biến đổi Clarke 𝑣𝛼 𝑖𝛼 𝑑 𝛹𝛼 (2-2) [𝑣 ] = 𝑅𝑠 [𝑖 ] + 𝑑𝑡 [𝛹 ] 𝛽 𝛽 𝛽 2.2.3 Phương trình điện áp hệ tọa độ quay d-q 𝑣𝑑 𝑅𝑠 −𝐿𝑞 𝑖𝑑 𝐿𝑑 𝑑 𝑖𝑑 [𝑣 ] = [ ] [𝑖 ] + [ 𝐿 ] 𝑑𝑡 [𝑖 ] 𝑞 𝐿𝑑 𝑅𝑠 𝑞 𝑞 𝑞 (2-3) 2.2.4 Phương trình động học Biểu thức mơ men điện từ động đồng từ trở viết sau : 3 𝛤 = 𝑝(𝛹𝑑 𝑖𝑞 − 𝛹𝑞 𝑖𝑑 ) = 𝑝(𝐿𝑑 − 𝐿𝑞 )𝑖𝑑 𝑖𝑞 (2-4) 𝑑 𝐽 𝑑𝑡 + 𝑓 =  − 𝑟 (2-5) Từ phương trình (2-3),(2-4),(2-5) mơ hình trạng thái tổng quát động đồng từ trở hệ tọa độ quay dq viết lại sau : 𝑖𝑑 𝑖𝑞 𝑑 [ ] 𝑑𝑡  𝜃 = −𝑅𝑠 𝑖 𝐿𝑑 𝑑 −𝑅𝑠 𝑖 𝐿𝑞 𝑞 𝐿 + 𝐿𝑞 𝑖𝑞  − 𝑝(𝐿𝑑 −𝐿𝑞 )𝑖𝑑 𝑖𝑞 [ 𝐽 𝐿𝑑 𝑑  𝐿𝑑 𝑖  𝐿𝑞 𝑑 𝑓 −𝐽− + 𝑟 𝐽 ] [0 𝐿𝑞 0] 𝑣𝑑 [𝑣 ] 𝑞 (2-6) 2.3 Nhận dạng tham số điện cảm 2.3.1 Xác định giá trị điện trở stator 2.3.2 Nhận dạng giá trị điện cảm stator 2.4 Mô động đồng từ trở Phần mô động đồng từ trở thực với giá trị tham số đo Rs giá trị điện cảm Ld Lq phương pháp nhận dạng trình bày phần Với giá trị điện trở pha Rs = 80mΩ giá trị điện cảm chọn Ld = 4,45 mH Lq = 1,39 mH (tương ứng với dòng điện xác lập I = 25A) Trang Điện áp cấp cho động đồng từ trở lấy từ biến tần, giá trị điện áp lưu lại với giá trị dòng điện thực thí nghiệm, dùng giá trị điện áp thực mô động để đánh giá tham số nhận dạng Hình 2-1 : Dạng sóng điện áp đầu cực động Hình 2-1 trình bày dạng sóng điện áp ba pha đầu cực động đồng từ trở cấp từ biến tần nghịch lưu áp tốc độ động 8.000 vòng/phút, biên độ cực đại điện áp chế độ xác lập 40V Trên Hình 2-2, nhận thấy dòng điện đo từ thí nghiệm dòng điện mơ có biên độ pha gần trùng khớp Điều chứng tỏ mơ hình động đồng từ trở tham số nhận dạng phần tương đối xác Hình 2-3 biểu diễn so sánh giá trị dòng id, iq trường hợp đo mơ Hình 2-2 : Giá trị dòng điện pha mơ đo từ thí nghiệm đ o Hình 2-3 : Giá trị dòng id,iq mơ giá trị đo Trong phần giới thiệu mơ hình động đồng từ trở, phương pháp xác định tham số điện cảm mơ động Để xây dựng thuật tốn điều khiển xác, đặc biệt điều khiển khơng cảm biến tốc độ, việc xác định xác tham số điện quan trọng Do đó, tập trung nghiên cứu để xác định giá trị điện cảm Ld Lq, tham số có ảnh hưởng đến việc thiết lập điều khiển cho động Trang CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ Trong chương chúng tơi trình bày mơ phương pháp điều khiển động đồng từ trở với cảm biến tốc độ Việc điều khiển mô men động thực thông qua việc điều khiển thành phần dòng id iq dòng điện stator hệ tọa độ quay dq Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, nhiên cân nhắc việc lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu Bộ điều khiển gồm hai vòng điều khiển dòng điện (một vòng cho trục d vòng cho trục q) vòng điều khiển tốc độ 3.1 Cấu trúc điều khiển động đồng từ trở Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển véc tơ động đồng từ trở trình bày Hình 3-1, gồm cấp điều khiển: cấp vòng điều khiển dòng điện sử dụng điều khiển PI Cấp thứ xác định giá trị dòng điện tham chiếu 𝑖𝑑∗ 𝑖𝑞∗ theo giá trị mô men giá trị giới hạn dòng điện điện áp Cấp cuối vòng điều khiển tốc độ sử dụng điều khiển PI * PI  * Phương pháp điều khiển giới hạn * idq PI * vdq dq abc idq  * vabc PWM 3~  dq iabc abc  d/dt ĐCTT Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển 3.2 Phương pháp điều khiển tối ưu động đồng từ trở Từ phương trình mơ men động đồng từ trở 𝛤 = 𝑁𝑝 (𝐿𝑑 − 𝐿𝑞 )𝑖𝑑 𝑖𝑞 , việc điều khiển mô men trở thành điều khiển đồng thời dòng điện id iq, khác với động đồng nam châm vĩnh cửu thường chọn giá trị dòng id = để giảm thiểu tổn thất Joule Việc lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu phụ thuộc vào việc xác định dòng điện tham chiếu 𝑖𝑑∗ 𝑖𝑞∗ Hiện có nhiều phương pháp điều khiển khác theo tiêu chí tối ưu định tối ưu mơ men, tối ưu hiệu suất, tối ưu hệ số công suất số u cầu đặc trưng (ví dụ kiểm sốt mơ men tốc độ thấp trình khởi động hay nhiễu …) Trong nghiên cứu áp dụng phương pháp điều khiển véc tơ điều khiển kết hợp hai vùng tốc độ: vùng tốc độ thấp (trong giai đoạn động tăng tốc) sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu M/I (“Maximum torque per Ampere’’: MTPA) chuyển sang phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ (‘‘Maximum torque per Weber’’: MTPW) động hoạt động tốc độ cao (trên tốc độ định mức) Hoạt động điều khiển phạm vi giới hạn dòng điện điện áp cho phép Để có giá trị mơ men cực đại, phải tìm giá trị tối ưu dòng điện tham chiếu 𝑖𝑑∗ 𝑖𝑞∗ theo tốc độ động đồng thời tuân thủ giới hạn dòng điện xét đến vấn đề bảo hòa điện áp nguồn cấp 3.2.1 Giới hạn dòng điện điện áp 3.2.2 Phương pháp điều khiển tối ưu M/I (MTPA) 3.2.3 Phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ (MTPW) 3.3 Kết mô Trong phần trình bày kết mơ phần mềm matlab-simulink Chúng thực thử nghiệm cho động khởi động không tải cho mang tải tốc độ cao Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển véc tơ vòng kín trình bày Hình 3-1 Trang 14000 12000 Speed (rpm) 10000 8000 6000 4000  2000 0 mes  ref 10 15 20 25 Time (s) Hình 3-2: Đáp ứng tốc độ 150 Speed error (rmp) 100 50 -50 -100 -150 -200 10 15 20 25 Time (s) Hình 3-3: Sai số tốc độ Từ Hình 3-2 đến Hình 3-5 trình bày đáp ứng tốc độ, sai số tốc độ đặt, đáp ứng dòng điện đáp ứng điện áp cho tín hiệu tốc độ đặt 12.000 vòng/phút Để khởi động động tốc độ cao, thực khởi động với gia tốc 100 rad/s2 Động tăng tốc từ đến giá trị đặt 12.000 vòng/phút với khoảng thời gian 12.5s 60 Current (A) 50 40 30 20 10 0 Iq Id 10 15 20 25 Time (s) Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện Ở chế động khởi động vùng tốc độ thấp (dưới tốc độ định mức), sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu M/I để có mơ men tối đa giá trị dòng điện đặt với id=iq Khi tốc độ đạt 8500 vòng/phút, điều khiển chuyển từ phương pháp tối ưu M/I sang phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ Quá trình độ xảy chuyển đổi phương pháp điều khiển, dòng id giảm tăng dòng iq Tốc độ động tiếp tục tăng đến giá trị đặt 12.000 vòng/phút Trong suốt q trình tăng tốc, tốc độ động ln bám theo giá trị đặt với sai số tốc độ 50 vòng/phút Khi tốc độ động đạt đến giá trị xác lập, sai số tốc độ trở (Hình 3-3) Trang Tại thời điểm t=18s, áp vào động mô men tải với giá trị 2Nm, giá trị sụt tốc thời điểm mang tải khoảng 130 vòng/phút trở giá trị tốc độ đặt sau thời gian khoảng 3s Hình 3-5 trình bày đáp ứng dòng điện thành phần id iq cho trình khởi động mang tải động 150 Voltage (V) 100 Vd Vq 50 -50 -100 10 15 20 25 Time (s) Hình 3-5: Đáp ứng điện áp 3.4 Kết luận Việc nghiên cứu điều khiển véc tơ động đồng từ trở có xét đến giới hạn dòng điện điện áp động trình bày Nhằm đạt mơ men tối đa tồn dải tốc độ, đặc biệt vùng tốc độ cao (vùng điều khiển suy giảm từ thông) mà không cần cung cấp điện áp chiều cho biến tần lớn Một điều khiển kết hợp hai phương pháp điều khiển tối ưu M/I điều khiển tối ưu M/Ψ thực Ở gia đoạn động khởi động bắt đầu tăng tốc, sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu M/I Khi động hoạt động tốc độ cao, giới hạn điện áp, phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ thực Các phương pháp điều khiển mô Kết mô cho thấy trình độ chuyển đổi phương pháp điều khiển trơn Đối với hệ truyền động tốc độ cao, sử dụng cảm biến để xác định vị trí rotor nhược điểm, nhằm nâng cao độ tin cậy, giảm cồng kềnh giá thành hệ thống Điều khiển động đồng từ trở tốc độ cao không sử dụng cảm biến tốc độ cần thiết, hướng nghiên cứu đề tài trình bày chương Trang CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG 4.1 Giới thiệu chung Để điều khiển vec tơ hệ truyền động điện nói chúng động đồng từ trở nói riêng, cần phải biết xác vị trí rơ to Tuy nhiên việc xác định vị trí rơ to cảm biến tốc độ (Encoder) tồn số nhược, đặc biệt động tốc độ cao làm tăng kính thước, tăng chi phí cho hệ truyền động Trong nghiên cứu này, sử dụng lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter EKF) để ước lượng tốc độ vị trí động đồng từ trở Chúng thực điều khiển không cảm biến động động từ trở tốc độ cao, tốc độ động đạt 8000 vòng/phút 4.2 Nguyên lý lọc Kalman mở rộng Bộ lọc Kalman tập hợp phương trình tốn học cần thiết để thực phương pháp ước lượng theo nguyên lý Dự báo-Hiệu chỉnh (Predict-Correct) cho ta khả ước lượng biến trạng thái hệ thống xét đến ảnh hưởng nhiễu Bộ lọc Kalman hay gọi quan sát Kalman xây dựng sở tối ưu cho phương sai độ lệch giá trị thực giá trị ước lượng véc tơ trạng thái hệ thống nhỏ nhất, với số điều kiện giả thiết Do thuận lợi việc cài đặt cho máy tính số tính bền vững với tác động nhiễu vào hệ thống nên lọc Kalman áp dụng rộng rãi vào thực tiễn Vì thuật tốn lọc Kalman thiết kế để ước lượng véc tơ trạng thái cho hệ thống có mơ hình tuyến tính Tuy nhiên, tốc độ vị trí ước lượng động đồng từ trở dựa mơ hình phi tuyến Do đó, phải thực tuyến tính hóa để áp dụng cơng thức truy hồi lọc Kalman gọi lọc Kalman mở rộng 4.3 Bộ lọc Kalman mở rộng dựa mơ hình đầy đủ (bậc 4) Điều khiển động đồng từ trở tốc độ cao không sử dụng cảm biến tốc độ thực dựa cấu trúc điều khiển trình bày hình Hình 4-1 Vấn đề đặt việc ước lượng tốc độ vị trí động phạm vi rộng với điều khiển với chi phí hợp lý Tuy nhiên lọc Kalman đòi hỏi điều khiển có cơng suất tính tốn lớn phụ thuộc vào ma trận có hệ thống, giá thành điều khiển tăng tỉ lệ với số bậc của mơ hình trạng thái hay nói cách khác tỉ lệ với số biến trạng thái cần ước lượng Trước tiên xem xét mơ hình trạng thái đầy đủ (bậc 4), mơ hình trạng thái với bậc thấp đề xuất với phương châm giảm thiểu khối lượng tính tốn cho vi xử lý điều khiển * PI ^ * * Phương pháp dq điều khiển giá trị giới hạn i PI ^ idq EKF idq vdq * vdq dq * vabc abc PWM 3~ ^ dq iabc abc SynRM Hình 4-1: Cấu trúc điều khiển với lọc Kalman mở rộng 4.3.1 Mơ hình trạng thái bậc động đồng từ trở Phương trình điện áp động đồng từ trở hệ tọa độ tựa theo từ thông roto viết sau: 𝑑𝑖𝑑 𝑣𝑑 = 𝑅𝑠 + 𝐿𝑑 − 𝜔𝐿𝑞 𝑖𝑞 𝑑𝑡 (4-1) { 𝑑𝑖𝑞 𝑣𝑞 = 𝑅𝑠 + 𝐿𝑞 + 𝜔𝐿𝑑 𝑖𝑑 𝑑𝑡 Trong vd , vq , id , iq điện áp dòng điện stator, R s điện trở stator, ω tốc độ góc động cơ, Ld Lq giá trị điện cảm theo trục d trục q Vì khơng xác định mơ men tải, với giả thiết tốc độ số thời gian chu kỳ lấy mẫu ta có: Trang 𝑑𝜔 𝑑𝑡 =0 (4-2) Từ phương trình (4-1), (4-2), mơ hình trạng thái tổng hợp động đồng từ trở viết lại sau : 𝑑𝑖𝑑 𝑑𝑡 𝑑𝑖𝑞 𝑑𝑡 𝑑𝜔 𝑑𝑡 𝑑𝜃 { 𝑑𝑡 𝑣 = 𝐿𝑑 − 𝑑 𝑣𝑞 =𝐿 − 𝑞 𝑅𝑠 𝑖𝑑 𝐿𝑑 𝑅𝑠 𝑖𝑞 𝐿𝑞 𝐿 + 𝜔 𝐿𝑞 𝑖𝑞 𝑑 − 𝐿 𝜔 𝐿𝑑 𝑖𝑑 𝑞 (4-3) =0 =𝜔 Hệ phương trình (4-3) phi tuyến có dạng tổng quát sau: 𝑥̇ = 𝑓(𝑥, 𝑢) (4-4) Trong đó: 𝑇 𝑥 = [𝑖𝑑 𝑖𝑞 𝜔 𝜃] : véc tơ trạng thái 𝑇 𝑢 = [𝑣𝑑 𝑣𝑞 ] : véc tơ đầu vào Rời rạc hóa mơ hình (4-4) phương pháp xấp xỉ Euler đơn giản ta có mơ hình rời rạc tương ứng sau : 𝑥𝑘+1 = 𝑥𝑘 + 𝑇𝑠 𝑓(𝑥𝑘 , 𝑢𝑘 ) (4-5) Trong : Ts chu kỳ lấy mẫu, phải chọn nhỏ so với số thời gian điện mơ hình động Trong hệ truyền động điện xoay chiều ba pha đại với tần số băm xung fx tần số trích mẫu 1/Ts cao, điều kiện coi thỏa mãn Từ phương trình (4-3) (4-5) ta có: 𝐿𝑞 𝑑𝑖𝑑 𝑅𝑠 𝑣𝑑,𝑘 | = (1 − 𝑇𝑠 ) 𝑖𝑑,𝑘 + 𝜔𝑇𝑠 𝑖𝑞,𝑘 + 𝑇𝑠 𝑑𝑡 𝑡𝑘 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝑑𝑖𝑞 𝑣 𝐿𝑑 𝑅𝑠 𝑞,𝑘 𝑖𝑞,𝑘+1 = 𝑖𝑞,𝑘 + 𝑇𝑠 | = −𝜔𝑇𝑠 𝑖𝑑,𝑘 + (1 − ) 𝑖𝑞,𝑘 + 𝑇𝑠 𝑑𝑡 𝑡𝑘 𝐿𝑞 𝐿𝑞 𝐿𝑞 𝑑𝜔 𝜔𝑘+1 = 𝜔𝑘 + 𝑇𝑠 | = 𝜔𝑘 𝑑𝑡 𝑡𝑘 𝑑𝜃 𝜃𝑘+1 = 𝜃𝑘 + 𝑇𝑠 | = 𝜃𝑘 + 𝑇𝑠 𝜔𝑘 𝑑𝑡 𝑡𝑘 { 𝑖𝑑,𝑘+1 = 𝑖𝑑,𝑘 + 𝑇𝑠 (4-6) Tuyến tính hóa mơ hình quanh điểm làm việc xk, thu mơ hình tuyến tính hóa với ma trận trạng thái sau: 𝑅𝑠 𝑇𝑠 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝑇𝑠 = − 𝐿 𝜔𝑘 𝑞 1− 𝐴4,𝑘 [ 𝐿𝑞 𝑇𝑠 𝜔 𝐿𝑑 𝑘 𝑅𝑠 𝑇𝑠 1− 𝐿𝑞 𝐿𝑞 𝑇𝑠 𝑖 𝐿𝑑 𝑞,𝑘 𝐿𝑑 𝑇𝑠 − 𝑖 𝐿𝑞 𝑑,𝑘 𝑇𝑠 0 0 𝐶4,𝑘 = [ ] 0 (4-7) 1] 4.3.2 Ước lượng tốc độ với lọc Kalman mở rộng dựa mô hình đầy đủ (bậc 4) Mặc dù mơ hình tuyến tính rời rạc (4-6) khơng quan sát sử dụng mơ hình để xây dựng lọc Kalman để ước lược biến trạng thái mơ hình Từ phương trình trên, viết phương trình lọc Kalman mở rộng sau:  Dự báo (Prediction) : 𝑥̂𝑘|𝑘−1 = [𝑖̂𝑑,𝑘|𝑘−1 𝑖̂𝑞,𝑘|𝑘−1 𝜔 ̂𝑘|𝑘−1 𝑇 𝜃̂𝑘|𝑘−1 ] Trang 10 𝐿 𝑅 𝑖̂𝑑,𝑘|𝑘−1 = (1 − 𝑇𝑠 𝐿 𝑠 ) 𝑖̂𝑑,𝑘−1|𝑘−1 + 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 𝑇𝑠 𝐿𝑞 𝑖̂𝑞,𝑘−1|𝑘−1 + 𝑇𝑠 𝑑 𝑑 𝑖̂𝑞,𝑘|𝑘−1 = −𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 𝑇𝑠 𝐿𝑑 𝑖̂ 𝐿𝑞 𝑑,𝑘−1|𝑘−1 + (1 − 𝑅𝑠 ) 𝑖̂ 𝐿𝑞 𝑞,𝑘−1|𝑘−1 + 𝑇𝑠 𝑣𝑑,𝑘−1 𝐿𝑑 𝑣𝑞,𝑘−1 𝐿𝑞 (4-8) 𝜔 ̂𝑘|𝑘−1 = 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 ̂𝑘−1|𝑘−1 { 𝜃̂𝑘|𝑘−1 = 𝜃̂𝑘−1|𝑘−1 + 𝑇𝑠 𝜔 𝑃𝑘|𝑘−1 = 𝐴4,𝑘−1 𝑃𝑘−1|𝑘−1 𝐴𝑇4,𝑘−1 + 𝑄4,𝑘−1 1− Trong 𝐴4,𝑘−1 = − 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝑇𝑠 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 𝐿𝑞 [  𝐿𝑞 𝑇𝑠 𝑅𝑠 𝑇𝑠 𝐿𝑑 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 1− 𝑅𝑠 𝑇𝑠 𝐿𝑞 𝐿𝑞 𝑇𝑠 (4-9) 𝑖̂ 𝐿𝑑 𝑞,𝑘−1|𝑘−1 𝐿 𝑇 − 𝐿𝑑 𝑠 𝑖̂𝑑,𝑘−1|𝑘−1 𝑞 0 0 𝑇𝑠 Hiệu chỉnh (Correction) : 𝑥̂𝑘|𝑘 = [𝑖̂𝑑,𝑘|𝑘 𝑖̂𝑞,𝑘|𝑘 𝜔 ̂𝑘|𝑘 0 1] 𝑇 𝜃̂𝑘|𝑘 ] −1 𝑇 𝑇 𝐾𝑘 = 𝑃𝑘|𝑘−1 𝐶4,𝑘 + 𝑅𝑘 ] [𝐶4,𝑘 𝑃𝑘|𝑘−1 𝐶4,𝑘 (4-10) 𝑥̂𝑘|𝑘 = 𝑥̂𝑘|𝑘−1 + 𝐾𝑘 (𝑦𝑘 − 𝐶4,𝑘 𝑥̂𝑘|𝑘−1 ) (4-11) 𝑃𝑘|𝑘 = 𝑃𝑘|𝑘−1 − 𝐾𝑘 𝐶4,𝑘 𝑃𝑘|𝑘−1 (4-12) 4.3.3 Kết mô thực nghiệm nghiệm 4.3.3.1 Kết mơ Từ mơ hình động đồng từ trở thuật toán lọc Kalman trên, thực mô không cảm biến động đồng từ trở với mơ hình đầy đủ Kết nhóm tác giả thực báo cáo tài liệu [14] Kết mô điều khiển không cảm biến tốc độ động đồng từ trở dựa mơ hình tuyến tính hóa động thuật tốn lọc Kalman mở rộng ứng với mơ hình đầy đủ bậc Speed (rpm) 8000 6000 4000  est  mes 2000  ref 0 10 12 14 16 18 Time (s) Speed error (rpm) 200 100  est -  mes  ref -  mes -100 10 12 14 16 18 Time (s) Hình 4-2: Đáp ứng tốc độ ước lượng với mơ hình bậc Hình 4-2 trình bày kết mô với đáp ứng tốc độ mơ hình bậc 4, động khởi động khơng tải với tốc độ đặt 8.000 vòng/phút Tốc độc ước lượng bám theo tốc độ động sau thời gian khoảng 0.4s sai số tốc độ không Ở chế độ xác lập, tốc độ ước lượng tốc độ động bám theo sát tốc độ đặt Vị trí ước lượng hội tụ giá trị đo sau thời gian 0.4s (Hình 4-3) (rad) Position (rad) Position Trang 11 7 6 5 4 mes mes 2 1 0 0 Position error (°) error(rad) Position est est  0.1 0.1 0.2 0.3 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Time 0.5 (s) 0.4 0.7 0.6 0.8 0.9 0.7 0.8 0.9 0.7 0.8 0.8 0.9 0.9 1 Time (s) 120 120 100 100 80 60 60 40 40 20 20 -20 00 0.1 0.1 0.2 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.4 0.5 0.6 0.7 Time (s) Time (s) Hình 4-3: Đáp ứng vị trí ước lượng với mơ hình bậc Hiệu ước lượng phụ thuộc vào việc lựa chon ma trận Hiệp phương sai (R Q) sử dụng lọc Kalman mở rộng Hiện nay, chưa có phương pháp để chon ma trận cách tối ưu mà chủ yếu chọn theo phương pháp thử nghiệm Trong mô này, ma trận Hiệp phương sai chọn thử nghiệm mô nhiều lần cách thay đổi giá trị ma trận xem xét ảnh hưởng đến đáp ứng biến trạng thái Trên cở sở kết mô này, thực thí nghiệm động đồng từ trở với kết trình bày phần 4.3.3.2 Kết thực nghiệm 100 8000 80 60 Speed error (rpm) 6000 Speed (rpm) 4000 2000 40 20 -20 -40 -60 -80 -2000 -100 -4000 -6000 ref 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 60 Hình 4-5: Sai số tốc độ ước lượng tốc độ đo mes -8000 Time (s) est 60 Time (s) Hình 4-4: Tốc độ ước lượng tốc độ đo thực nghiệm 8010 10 8000 7995 est 7990 mes 7985 7980 11.2 ref 11.205 11.21 11.215 11.22 11.225 11.23 11.235 11.24 11.245 Speed error (rpm) Speed (rpm) 8005 -5 -10 11.2 11.25 Time (s) Hình 4-6: Tốc độ động chế độ xác lập 11.205 11.21 11.215 11.22 11.225 11.23 11.235 11.24 11.245 Time (s) Hình 4-7: sai số ước lượng chế độ xác lập Ở chế độ xác lập, tốc độ ước lượng bám theo giá trị đo, sai sô lớn vòng/phút, điều cho thấy giá trị ước lượng lọc Kalman bậc tương đối xác Tốc độ vị trí rơ to lúc khởi động Hình 4-8 Hình 4-9, nhận thấy vị trí ước lượng hội tụ nhanh giá trị đo (sau khoảng 0.08s) 11.25 Trang 12 mes Position (rad) Speed (rpm) 800 600 400 est mes 200 ref 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Time (s) est 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Time (s) Hình 4-8: Tốc độ lúc khởi động Hình 4-9: Vị trí rơ to lúc khởi động Chúng tơi thực thí nghiệm với tốc độ đặt lớn 8000 vòng/phút với gia tốc góc 100 rad/s², nhiên ước lượng không đáp ứng hệ thống ổn định Nếu giảm gia tốc góc 80 rad/s² đồng thời thử nghiệm với tốc độ đặt 8500 rad/s, hệ thống ổn định, tốc độ ước lượng bám sát tốc độ đo trình bày Hình 4-10, sai số tốc độ ước lượng thể Hình 4-11, nhiên động hoạt động với tốc độ tối đa 8500 vòng/phút (trong vùng điều khiển tối ưu MTPA), thử nghiệm với tốc độ lớn động chuyển sang hoạt động vùng điều khiển MTPW, lúc trình chuyển đổi hai phương pháp điều khiển xảy ra, ước lượng vị trí tốc độ có sai số lớn hệ thống ổn định 150 9000 8000 100 Speed error (rpm) Speed (rpm) 7000 6000 5000 4000 3000  2000 est 50 -50 -100  mes 1000  0 10 15 20 -150 ref 25 Time (s) 10 15 20 25 Time (s) Hình 4-11: Sai số tốc độ ước lượng Hình 4-10: Tốc độ thử nghiệm 8500 vòng/phút 4.4 Bộ lọc Kalman mở rộng bậc dựa mơ hình ngược Qua kết thu từ thực nghiệm, nhận thấy lọc Kalman mở rộng đáp ứng tốt việc ước lượng dựa mơ hình đầy đủ bậc động đồng từ trở Tuy nhiên thực thời gian thực yêu cầu khối lượng tính tốn lớn vi xử lý ma trận trạng thái ước lượng ma trận vng 4*4 hiểu chỉnh liên quan đến phương sai ma trận Hiệp phương sai Q Do xây dựng mơ hình trạng thái rút gọn giảm khối lượng tính tốn vi xử lý thực ước lượng lọc Kalman Vấn đề thực việc đảo ngược đầu vào đầu mơ hình điện ta thu mơ hình bậc (mơ hình rút gọn) 4.4.1 Mơ hình ngược động đồng từ trở Từ cơng thức (4-1), phương trình điện áp động đồng từ trở viết lại sau : 𝑑𝑖𝑑 = 𝑅𝑠 𝑖𝑑 − 𝜔𝐿𝑞 𝑖𝑞 𝑑𝑡 { 𝑑𝑖𝑞 𝑣𝑞 − 𝐿𝑞 = 𝑅𝑠 𝑖𝑞 + 𝜔𝐿𝑑 𝑖𝑑 𝑑𝑡 Chúng ta xây dựng lại mơ hình trạng thái ngược với đại lượng sau: 𝑣𝑑 − 𝐿𝑑 Đầu vào: 𝑢 = [𝑖𝑑 𝑖𝑞 ] T Biến trạng thái: 𝑥 = [ω θ]T (4-13) Trang 13 Đầu ra: 𝑦 = [𝑦𝑑 𝑦𝑞 ] 𝑇 { Trong 𝑦𝑑 = 𝑣𝑑 − 𝐿𝑑 𝑦𝑞 = 𝑣𝑞 − 𝐿𝑞 𝑑𝑖𝑑 𝑑𝑡 𝑑𝑖𝑞 (4-14) 𝑑𝑡 Từ cơng thức (4-13), (4-14) ta có hệ phương trình đầu sau : { yd = R s id − ωLq iq yq = R s iq + ωLd id (4-15) Để xây dựng mô hình tuyến tính hóa mở rộng đến biến học vị trí tốc độ, luôn giả định tốc độ số biến đổi chậm chu kỳ lấy mẫu, phương trình trạng thái trở nên đơn giản viết sau : 𝑑ω =0 { 𝑑𝑡 𝑑θ =ω 𝑑𝑡 Tương tự phân tích mục 4.3.1 có mơ hình rời rạc tương ứng ωk = ωk−1 { 𝜃 =𝜃 k k−1 + Ts ωk−1 (4-16) (4-17) Phương trình đầu thời điểm t= tk: { 𝑦𝑑,𝑘 = 𝑅𝑠 𝑖𝑑,𝑘 − 𝜔𝑘 𝐿𝑞 𝑖𝑞,𝑘 𝑦𝑞,𝑘 = 𝑅𝑠 𝑖𝑞,𝑘 + 𝜔𝑘 𝐿𝑑 𝑖𝑑,𝑘 (4-18) Mô hình tuyến tính hóa với ma trận sau: 𝐴2,𝑘 = [ 𝑇𝑠 ] 𝐶2,𝑘 = [ −𝐿𝑞 𝑖𝑞,𝑘 𝐿𝑑 𝑖𝑑,𝑘 ] (4-19) 4.4.2 Ước lượng tốc độ với lọc Kalman mở rộng dựa mơ hình bậc Từ thuật tốn tổng quát mục 4.2, có lọc Kalman mở rộng bậc sau:  ̂𝑘|𝑘−1 Dự báo (Prediction) : 𝑥̂𝑘|𝑘−1 = [𝜔 𝑇 𝜃̂𝑘|𝑘−1 ] 𝜔 ̂𝑘|𝑘−1 = 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 {̂ 𝜃𝑘|𝑘−1 = 𝜃̂𝑘−1|𝑘−1 + 𝑇𝑠 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 (4-20) 𝑃𝑘|𝑘−1 = 𝐴2,𝑘−1 𝑃𝑘−1|𝑘−1 𝐴𝑇2,𝑘−1 + 𝑄2,𝑘−1 Trong 𝐴2,𝑘 = [ 𝑇𝑠  (4-21) ] ̂𝑘|𝑘 Hiệu chỉnh (Correction) : 𝑥̂𝑘|𝑘 = [𝜔 𝑇 𝜃̂𝑘|𝑘 ] −1 𝑇 𝑇 𝐾𝑘 = 𝑃𝑘|𝑘−1 𝐶2,𝑘 + 𝑅𝑘 ] [𝐶2,𝑘 𝑃𝑘|𝑘−1 𝐶2,𝑘 (4-22) 𝑥̂𝑘|𝑘 = 𝑥̂𝑘|𝑘−1 + 𝐾𝑘 (𝑦𝑘 − 𝐶2,𝑘 𝑥̂𝑘|𝑘−1 − 𝐷2,𝑘 𝑢𝑘 ) (4-23) 𝑃𝑘|𝑘 = 𝑃𝑘|𝑘−1 − 𝐾𝑘 𝐶2,𝑘 𝑃𝑘|𝑘−1 (4-24) −𝐿𝑞 𝑖𝑞,𝑘 𝑅𝑠 −𝜔𝐿𝑞 ] 𝑣à 𝐷2,𝑘 = [ ] 𝐿𝑑 𝑖𝑑,𝑘 𝜔𝐿𝑑 𝑅𝑠 Rõ ràng so với mơ hình bậc 4, mơ hình bậc giảm đáng kể khối lượng tính tốn lọc Kalman mở rộng, mặc khác việc hiệu chỉnh lọc Kalman mở rộng trở nên đơn giản hai phương sai nhiễu trạng thái cần hiệu chỉnh Ngược lại, cần phải tính giá trị đạo hàm dòng id, iq xác định giá trị đầu y 4.4.3 Kết mô thực nghiệm nghiệm Trong 𝐶2,𝑘 = [ Trang 14 4.4.3.1 Kết mô Tương tự mô lọc Kalman mở rộng bậc 4, giá trị đặt trường hợp mô thực nghiệm chọn giống để thuận lợi cho việc so sánh kết Bộ lọc Kalman bậc thực với tốc độ đặt 8.000 vòng/phút trình bày trên, kết tác giả thực báo cáo tài liệu [14] Các kết mơ nhận thấy tương tự trường hợp mô lọc Kalman bậc 9000 Position (rad) 8000 6000 5000 mes 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8  2000  1000  10 mes ref 12 14 Hình 4-12: Tốc độ động (mơ phỏng) 100 0.9 Hình 4-13: Vị trí ước lượng (mô phỏng) 80 60 40 20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Time (s) 4.4.3.2 Kết thực nghiệm 100 8000 80 6000 60 Speed error (rpm) 4000 2000 -2000 40 20 -20 -40 -60 -4000 est -6000 mes -80 -100 10 15 20 10 15 20 25 30 35 40 45 Time (sec) 25 30 35 40 45 Time (sec) ref -8000 Hình 4-15: Sai số giá trị ước lượng giá trị đo Hình 4-14: Tốc độ động Với lọc Kalman mở rộng cho mô hình rút gọn bậc 2, động đồng từ trở thí nghiệm với giá trị đặt 8.000 vòng/phút với gia tốc 150 rad/s² Do vậy, thời để động đạt tốc độ giá trị đặt khoảng 5.7s Hình 4-14 Sai số tốc độ ước lượng tương tự trường hợp mô hình bậc với biên độ lớn trình gia tốc nhanh Trên Hình 4-16 trình bày kết tốt độ đo lúc động khởi động giá trị ước lượng tốc độ, nhận thấy tốc độ động bám theo giá trị đặt, giá trị tốc độ ước lượng có dao động đập mạch bám tốt theo giá trị đo, điều chứng tỏ lọc Kalman mở rộng với mơ hình rút gọn (mơ hình bậc 2) đảm bảo ước lượng tương tự mơ hình đầy đủ bậc Thời gian hội tụ vị trí ước lượng bé (khảng 0.03) Hình 4-17, nhỏ thời gian hội tụ trường hợp mơ hình bậc 1500 mes Position (rad) Speed (rpm) 120 est Time (s) Speed (rpm) 0.9 Time (s) 3000 est 4000 Position error (rad) Speed (rpm) 7000 1000 500 est mes 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 ref est Time (sec) Hình 4-16: Tốc độ động lúc khởi động 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Time (sec) Hình 4-17: Vị trí rơ to khởi động Trang 15 Tương tự lọc Kalman bộc 4, chúng tơi thực thí nghiệm với tốc độ đặt lớn 8000 vòng/phút với gia tốc góc 150 rad/s², nhiên ước lượng không đáp ứng hệ thống ổn định Nếu giảm gia tốc góc 100 rad/s² đồng thời thử nghiệm với tốc độ đặt 8500 rad/s, hệ thống ổn định, tốc độ ước lượng bám sát tốc độ đo trình bày Hình 4-18, sai số tốc độ ước lượng thể Hình 4-19, nhiên động hoạt động với tốc độ tối đa 8500 vòng/phút 9000 100 Speed error (rpm) 8000 7000 Speed (rpm) 6000 5000 4000 3000 50 -50 -100 2000  1000  mes  0 10 10 15 Time (s) est Hình 4-19: Sai số tốc độ thí nghiệm 8500 vòng/phút ref 15 Time (s) Hình 4-18: Tốc độ động 8500 vòng/phút với ước lượng Kalman bậc Trong trình thí nghiệm chúng tơi thực đo khoảng thời gian cho chu kỳ lấy mẫu ước lượng Kalman bậc ước lượng Kalman bậc Chúng nhận thấy ước lượng Kalman bậc 4, thời gian tính tốn 6s, ước lượng Kalman bậc 2,5s trình bày bảng Bảng 4-1 Bảng 4-1: So sánh ước lượng Kalman bậc bậc Tốc độ tối đa (vòng/phút) Sai số tốc độ trung bình chế độ xác lập (vòng/phút) Gia tốc góc (rad/𝑠 ) 8000 100 8500 80 8000 150 8500 100 Bộ ước lượng Bậc Bậc Thời gian tính tốn lọc Kalman dS1005 (𝜇𝑠) 2,5 4.5 Kết luận Trong chương chúng tơi thực mơ thí nghiệm hai mơ hình điều khiển khơng cảm biến tốc độ động đồng từ trở dựa lọc Kalman mở rộng Trước tiên, áp dụng lọc Kalman mở rộng với mơ hình động đồng từ trở đầy đủ bậc Qua kết mô thí nghiệm động cơ, nhận thấy kết ước lượng lọc Kalman mở rộng hiệu đòi hỏi khối lượng tính tốn lớn DSP Điều dẫn đến vấn đề kinh tế thiết kế hệ điều khiển sử dụng động đồng từ trở cho ứng dụng công nghiệp Kế tiếp thực điều khiển không cảm biến động đồng từ trở dựa mơ hình ngược động với lọc Kalman mở rộng bậc 2, với lọc Kalman mở rộng dựa mơ hình bậc dễ dàng thực thời gian thực khối lượng tính tốn DSP giảm nhiều Với kết thí nghiệm trên, nhận thấy lọc Kalman mở rộng dựa mơ hình bậc cho kết tốt thời gian hội tụ nhanh vị trí ước lượng, thực điều khiển với gia tốc lớn 150 rad/s² so với 100rad/s² mơ hình bậc 4, thời gian Trang 16 tính tốn DSP nhỏ Đây kết nghiên cứu bước đầu động thí nghiệm, nhiên nhìn nhận qua kết để đánh giá ưu điểm mơ hình đề xuất lọc Kalman mở rộng dựa mơ hình động đồng từ trở rút gọn bậc Kết luận chung kiến nghị Nghiên cứu điều khiển động cho ứng dụng tốc độ cao công nghiệp với chi phí thấp mà đảm bảo độ tin cậy mục tiêu mà nhà khoa học doanh nghiệp mong muốn Đông động từ trở có đặc điểm cấu tạo đơn giản, đảm bảo độ vững học vận hành tốc độ cao ưu điểm so với động đồng nam châm vĩnh cửu động không đồng Đề tài thực nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động đồng từ trở vận hành tốc độ cao ứng dụng lọc Kalman mở rộng để ước lượng tốc độ ị trí rơ to Giải pháp góp phần nâng cao chất lượng hệ truyền động tốc độ cao công nghiệp Trong chương 1, trình bày tổng quan hệ truyền động tốc độ cao, giới thiệu sơ lược hệ truyền động điện tốc độ cáo loại động ứng dụng cho hệ truyền động điện tốc độ cao Chúng đặc biệt quan tâm đến động đồng từ với ưu điểm đặc biệt rơ to đặc rắn chắc, có cấu tạo đơn giản, tổn thất rơ to thấp Mặc khác loại động nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Sau chúng tơi trình bày tổng quan truyền động khơng sử dụng cảm biến tốc độ động đồng tử trở Chương giới thiệu mơ hình động đồng từ trở hệ tọa độ, đồng thời giới thiệu sơ lược bàn thí nghiệm, sau thực thí nghiệm để nhận dạng tham số động đồng từ trở Chương thực mô điều khiển động đồng từ trở với cảm biến tốc độ, chương giới thiệu cấu trúc điều khiển tối ưu động đồng từ trở tốc độ cao Động thử nghiệm với tốc độc đặt 12.000 vòng/phút, kết mơ cho thấy trình độ chuyển đổi phương pháp điều khiển tối ưu trơn Chương giới thiệu tổng quan nguyên lý lọc Kalman mở rộng giới thiệu hai mơ hình động đồng từ trở để ứng dụng lọc Kalman mở rộng ước lượng vị trí tốc độ động Đầu tiên thực ước lượng tốc độ vị trí áp dụng lọc Kalman mở rộng với mơ hình đầy đủ bậc 4, sau thực mơ hình ngược động với lọc Kalman mở rộng bậc Chúng thực mô thí nghiệm hai mơ hình với tốc độ đặt 8.000 vòng/phút Các kết thu cho thấy ưu điểm mơ hình đề xuất lọc Kalman mở rộng dựa mơ hình động đồng từ trở rút gọn bậc trình bày phần kết luận chương bốn Chúng tơi thử nghiệm với tốc 8500 vòng/phút, nhiên cần phải giảm gia tốc góc khởi động động đạt tốc độ tối đa 8500 vòng/phút Những kết đạt ban đầu khả quan, tạo tiền đề cho nghiên cứu sâu hệ truyền động điện động đồng từ trở tốc độ cao, đặc biệt vùng điều khiển tốc độ định mức Trang 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] N Bianchi, S Bolognani, and F Luise, ‘High Speed Drive Using a Slotless PM Motor’, IEEE Trans Power Electron., vol 21, no 4, pp 1083–1090, Jul 2006 A Arkkiol, T Jokinen, and E Lantto, ‘Induction and Permanent-Magnet Synchronous Machines for High-Speed Applications’, Proc Eighth Int Conf Electr Mach Syst., pp 871– 876, 2005 A Binder and T Schneider, ‘High-speed inverter-fed AC drives’, IEEE Electr Mach Power Electron Int Aegean Conf., pp 9–16, Sep 2007 M El Hadi Zaïm, ‘High-Speed Solid Rotor Synchronous Reluctance Machine Design and Optimization’, IEEE Trans Magn., vol 45, no 3, pp 1796–1799, 2009 M E Zaim, ‘Design and Performance of the Solid Rotor Reluctance Machines’, Electr Power Components Syst., vol 29, no 12, pp 1161–1174, 2001 S Ichikawa, M Tomita, S Doki, and S Okuma, ‘Sensorless Control of Synchronous Reluctance Motors Based on Extended EMF Models Considering Magnetic Saturation With Online Parameter Indentification’, IEEE Trans Ind Appl., vol 42, no 5, pp 1264–1274, 2006 A Ghaderi and T Hanamoto, ‘Wide-Speed-Range Sensorless Vector Control of Synchronous Reluctance Motors Based on Extended Programmable Cascaded Low-Pass Filters’, IEEE Trans Ind Electron., vol 58, no 6, pp 2322–2333, Jun 2011 A Consoli, G Scarcella, G Scelba, A Testa, and D A Triolo, ‘Sensorless Rotor Position Estimation in Synchronous Reluctance Motors Exploiting a Flux Deviation Approach’, IEEE Trans Ind Appl., vol 43, no 5, pp 1266–1273, 2007 M Y Wei and T H Liu, ‘A High-Performance Sensorless Position Control System of a Synchronous Reluctance Motor Using Dual Current-Slope Estimating Technique’, IEEE Trans Ind Electron., vol 59, no 9, pp 3411–3426, 2012 M Schroedl and P Weinmeier, ‘Sensorless Control of Reluctance Machines at Arbitrary Operating Conditions Including Standstill’, IEEE Trans Power Electron., vol 9, no 2, pp 225–231, 1994 J Ha, S Kang, and S Sul, ‘Position-Controlled Synchronous Reluctance Motor Without Rotational Transducer’, IEEE Trans Ind Appl., vol 35, no 6, pp 1393–1398, 1999 S Kang, T Kim, and S Sul, ‘Position Sensorless Control of Synchronous Reluctance Motor Using High Frequency Current Injection’, IEEE Trans Energy Convers., vol 14, no 4, 1999 T Matsuo and T A Lipo, ‘Rotor position detection scheme for synchronous reluctance motor based on current measurements’, IEEE Trans Ind Appl., vol 31, no 4, pp 860–868, 1995 Nguyễn Đức Quận, Hoàng Dũng, and Nguyễn Anh Duy, ‘Ứng dụng lọc Kalman mở rộng điều khiển không cảm biến động đồng từ trở tốc độ cao’, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, vol 2, no 11(120), pp 100–104, 2017  ... tốc độ cao Kết nghiên cứu: - Điều khiển không cảm biến động đồng từ trở tốc độ cao ứng dụng lọc Kalman mở rộng bậc dựa mơ hình động thống - Điều khiển không cảm biến tốc độ động đồng từ trở tốc. .. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ 3.1 Cấu trúc điều khiển động đồng từ trở 3.2 Phương pháp điều khiển tối ưu động đồng từ trở ... tài nghiên cứu Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động đồng từ trở tốc độ cao Mục tiêu đề tài Mơ hình hóa, mơ đề xuất giải pháp điều khiển điều khiển không cảm biến động đồng từ trở