Điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ ứng dụng bộ điều khiển trượt SMC

Động cơ không đồng bộ ba pha là đối tượng phi tuyến khá phức tạp với nhiều đầu vào, nhiều đầu ra. Trong các cách mô tả toán học động cơ không đồng bộ, mô hình trạng thái cung cấp cho ta hiểu biết chi tiết về bản chất bên trong của đối tượng cũng như là cơ sở thuận lợi để thiết kế các khâu điều chỉnh, quan sát.

ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 225(06): 521 - 527 ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT SMC Lê Thị Thu Phương*, Đặng Thị Loan Phượng Trường Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Động khơng đồng ba pha đối tượng phi tuyến phức tạp với nhiều đầu vào, nhiều đầu Trong cách mô tả tốn học động khơng đồng bộ, mơ hình trạng thái cung cấp cho ta hiểu biết chi tiết chất bên đối tượng sở thuận lợi để thiết kế khâu điều chỉnh, quan sát Bộ điều khiển trượt sliding mode control (SMC) ứng dụng để điều khiển cho hệ thống phi tuyến động không đồng ba pha Mục đích để hệ thống đạt ổn định nhanh sai lệch bám nhỏ với biến đổi tham số động cơ, tham số tải nhiễu bên ngồi tác động Qua mơ Matlab Simulink đưa đường đặc tính với sai lệch tĩnh nhỏ, tốc độ đạt tới tốc độ đặt động Từ khóa: điều khiển tự động; điều khiển trượt (SMC); động không đồng ba pha; hệ phi tuyến; điều khiển vị trí Ngày nhận bài: 12/5/2020; Ngày hoàn thiện: 31/5/2020; Ngày đăng: 31/5/2020 SLIDING MODE CONTROL FOR ASYNCHRONOUR MOTOR Le Thi Thu Phuong*, Dang Thi Loan Phuong TNU - University of Information and Communication Technology ABSTRACT Asynchronour motor is quite complex nonlinear object with many inputs and many outputs In the mathematical description of special forces engine, the state model gives us a detailed understanding of the intrinsic nature of the object as well as a convenient basis for the design of adjustment and observation stages SMC sliding mode control is used to control nonlinear systems as three-phase asynchronous motors The goal is for the system to achieve fast stability and minor grip deviations with changes in motor parameters, load parameters as well as external noise Through Matlab Simulink simulation, we can provide characteristic curve with small static deviation, the speed reaches the set speed of the engine Keywords: Automatic control; sliding mode control SMC; three-phase asynchronous motors; nonlinear system; position control Received: 12/5/2020; Revised: 31/5/2020; Published: 31/5/2020 * Corresponding author Email: lttphuong@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 521 Lê Thị Thu Phương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Đặt vấn đề Động không đồng loại động sử dụng rộng rãi cơng nghiệp tính ổn định cao giá thành tương đối thấp Tuy nhiên động không đồng loại động có tính phi tuyến Vì việc điều khiển động không đồng vấn đề nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Hiện có số nghiên cứu điều khiển động không đồng như: điều khiển tựa từ thông rotor (FOC), điều khiển moment trực tiếp (DTC), điều khiển mờ… Mục đích báo nghiên cứu ứng dụng điều khiển trượt vị trí để điều khiển động không đồng ba pha Trước tiên đưa mơ hình tốn học động khơng đồng ba pha với hệ trục dq Sau ứng dụng FOC để điều khiển vòng động khơng đồng Từ đưa điều khiển SMC để điều khiển vị trí cho động khơng đồng Trong báo mơ hình điều khiển trượt áp dụng cho động MTKM211_6 nhằm giúp hệ thống ổn định nhanh, sai lệch bám nhỏ, tốc độ nhanh chóng đạt giá trị tốc độ đặt Mơ hình động khơng đồng ba pha Trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ, động không đồng gồm có cuộn dây có góc lệch 120o Ta thiết lập hệ tọa độ phức với trục phức qua trục cuộn dây pha A động cơ, ta định nghĩa vectơ không gian cho điện áp stator [1]: U s (t ) = 0 2 U sa (t ) + U sb (t )e j120 + U sc (t )e j −120   3 U s (t ) = 0 2 U sa (t ) + U sb (t )e j120 + U sc (t )e j −120  (1)   Theo công thức (1), vector us(t) vector có modul khơng đổi quay mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs= 2πfsvà tạo với trục thực góc pha γ=ωst Với vector khơng gian điện áp stator có modul U s quay mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs Trục cuộn dây A trục thực α trục vơng góc với trục ảo β 522 225(06): 521 - 527 Trong mặt phẳng hệ tọa độ (α-β) ta xét thêm hệ tọa độ thứ hai có trục hoành d trục tung q Hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ, có chung điểm gốc nằm lệch góc  s so với hệ tọa độ stator hình Hình Mối liên hệ hệ tọa độ (α-β) hệ (d-q) Vector U s đặt hệ tọa độ trực giao (d,q) quay với tốc độ đồng ωs=2πf/pp U sd = U s cos( su −  s )  (2)  U sq = U s cos( su −  s ) Ta xác định phương trình điện áp từ thông động không đồng hệ dq d sd  U sd = Rs isd + dt − s sq  d sq  U sq = Rs isq + dt − s sd  (3)  ' d  ' ' ' ' rd U = R i + − sl sq r sd  rd dt  ' U ' = R ' i ' + d rq −   ' r sq sl sd  rq dt  sd = Ls isd + Lm ird'  '  sq = Ls irq + Lm irq  ' ' '  rd = Lr ird + Lm isd  ' ' '  rq = Lr irq + Lm isq Chuyển sang dạng thành phần vector hai trục tọa độ: 1− 1− 1−  disd  dt = −(  T +  T )isd + s isq +  T L  rd +  L  rq +  L usd s r r m m s   disq 1− 1− 1− = −( + )isq − s isd +  rq −  rd + u   Ts  Tr  Tr Lm  Lm  Ls sq  dt (4)   d rd = Lm i −  +   sd rd sl rq  dt Tr Tr   d rq Lm  dt = T isq − T  rq + sl rd r r  http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Lê Thị Thu Phương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Điều khiển vector tựa từ thông rotor FOC Trong khơng gian d,q tựa từ thơng rotor, coi đại lượng điện từ biến thiên chậm đại lượng chiều [2]  rd =  r = − Lr ird + Lr irq (5)   rq = = − Lr irq + Lr isq 225(06): 521 - 527 Ta dễ dàng lập mơ hình mạch vịng điều khiển từ thơng rotor, coi dịng điện dọc trục có đáp ứng động học nhanh bù hình Phương trình điện áp rotor trục 0d: = − Rr ird - + s r (6) Suy ra:  rd = LM isd / (1 + sTr ) Trong chế độ xác lập ta coi ird =0 có mơ hình gần động không đồng hệ tọa độ dq quay đồng tựa từ thông rotor Biến đổi sơ đồ động không đồng hệ dq thành mơ hình tương đương hình 2: Hình Hình mạch vịng điều khiển từ thơng Thiết kế điều khiển trượt SMC cho động không đồng Ta áp dụng phương pháp điều khiển trượt sliding mode control (SMC) cho động không đồng ba pha rotor lồng sóc cách điều khiển vector thiết kế tiêu chí cho biến số điều khiển [3] Có hai ưu điểm điều khiển trượt là: + Tính chất bền vững hệ thống + Không nhạy cảm với biến đổi thông số hệ thống, trạng thái động điểm lỗi Hình Cấu trúc điều khiển trượt Hình Mơ hình gần động không đồng hệ trục dq tựa từ thông rotor Ta cần xác định luật điều khiển hồi tiếp T cho vector trạng thái hệ thống x Bộ điều khiển dịng điện riêng rẽ có lấy tách kênh hình t Để đạt điều điều khiển trượt người ta sử dụng hàm trượt [4]: S= d yn −1 y dt n −1 + an − d yn − y dt n−2 + + a1 dy + a0 y (7) dt Trong đó: n bậc mơ hình đối tượng điều khiển Hệ số a0, a1,…,an-2 chọn cho đa thức đặc trưng Ta có : S=xn+an-2xn-1+…+a1x2+a0x1=0 Hình Mơ hình điều khiển dịng điện có bù tách kênh http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn mơ tả mặt không gian trạng thái n chiều gọi mặt trượt (sliding) 523 Lê Thị Thu Phương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Với hàm trượt S, nhiệm vụ điều khiển xác định luật điều khiển T cho S khoảng thời gian hữu hạn Các quỹ đạo pha hệ thống đưa mặt trượt trì mặt trượt cách bền vững [5] Ta áp dụng điều khiển trượt SMC vào truyền động cho động khơng đồng điều khiển vector Chính điều khiển quỹ đạo trượt toàn phần bao gồm phần tăng tốc, giảm tốc tốc độ Việc thiết kế tiêu chí cho biến số điều khiển với thông số điều khiển không bị ảnh hưởng thông số khác số mômen Kt, mơmen qn tính J, hệ số ma sát tắt dần B, mômen tải TL sau: Te =KTisq (8) Trong đó: KT moment xoắn xác định: 225(06): 521 - 527 Hình Đường quỹ đạo thực bám theo quỹ đạo cho trước Luật điều khiển SMC mơ tả phương trình tốn học sau: U = A.Sgn  + X1 + X (13) Với +1 if   Sgn  =  −1 if    if  X 1 i 1 =  i  i if X 1 i  (9) (14)  if  X 2 i 2 =  i i if X 2 i  Hình Phương pháp điều khiển sử dụng điều khiển SMC với động khơng đồng Từ hình phương pháp điều khiển sử dụng SMC với động khơng đồng ta biểu diễn mơ hình dạng tốn học miền khơng gian theo hai biến X1 X2 Ta có phương trình: JSX + BX = − Kt K1U + TL (10) K KU dX B = − X − t + TL (11) dt j j j  dX   dt  0   X    0 +   U +   TL  =    d   dX  0 −b   X   − a   dt  Với Phần giảm tốc: − X ( a ) −  X ( b + a − C ) +  3dTL  (15) Phần tốc độ hằng: − X1 (a ) −  X (b+ a − dTL )  (16) Từ phương trình (15), (16) hệ số lựa chon SMC linh hoạt Nó xem an toàn xét α3 γ3 dương β3 λ3 âm Phần tốc độ có α2 γ2 dương β2 λ2 âm • (12) b=B/J a=KtK1/J d=1/J Hình thể phương pháp điều khiển SMC bám quỹ đạo với ba phần tăng tốc, tốc độ giảm tốc 524 Kết hợp phương trình trạng thái hệ thống vào phần ta được: Thông số động Chọn động không đồng kiểu MTKM211_6 với thông số sau: Cơng suất P = (Kw) Dịng định mức Idm=12.5 (A) Điện áp dây U=380 (V) Tần số f=50 (Hz) Điện trở stator Rs=1.41 (Ω) http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Lê Thị Thu Phương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN Điện trở rotor Rr=2.0 (Ω) Điện cảm stator Ls=0.1335 (H) Điện cảm rotor Lr=0.139 (H) Điện cảm hỗ cảm Lm=0.1335 (H) Moment quán tính J=0.11 (kg.m2) Số đôi cực p=3 225(06): 521 - 527 Điện cảm tiêu tán stator Lσs=0.0041 (H) Điện cảm tiêu tán roto Lσr=0.0055 (H) Tốc độ roto: ω= 96.33 (rad/s) ωs= 104.67 (rad/s) Mơmen định mức: Mdm=52 (Nm) Hình Mơ hình hệ thống điều khiển trượt vị trí cho động không đồng ba pha Matlab - Simulink Hình Khối mơ hình điều khiển dịng điện Sử dụng Matlab Simulink xây dựng mơ hình hệ thống động không đồng sử dụng điều khiển SMC hình hình Với thơng số PID controller là: KP=4,8; KI=1705; KD=0 Bộ PID controller là: Kp=60; KI=500; KD=0 • Kết mơ http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 525 Lê Thị Thu Phương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 225(06): 521 - 527 Tốc độ động có điều khiển trượt vị trí nhanh chóng đạt tới tốc độ ổn định khoảng thời gian 0,5 s thể hình 13 Hình 10 Đáp ứng vị trí X1 với tốc độ X2 điều khiển SMC Hình 14 Đáp ứng từ thơng động sử dụng điều khiển SMC Hình 11 Đáp ứng vị trí X1 tốc độ X2 hệ thống Vậy ta thấy đáp ứng hệ thống vị trí tốc độ qua điều khiển SMC hình 10 với hệ thống hình 11 bám sát thỏa mãn yêu cầu Hình 14 đưa sơ đồ đáp ứng từ thông hệ thống qua điều khiển SMC không tải Tuy nhiên sử dụng điều khiển SMC ta thấy từ thông động sau tăng lên sau 0,06 s có tượng rung “chattering” đặc trưng điều khiển SMC Nhận xét: Qua kết mô cho thấy đáp ứng vị trí tốc độ hệ thống sử dụng điều khiển chế độ trượt SMC tác động nhanh Tốc độ hệ thống ổn định thời gian 0,5 s Tín hiệu đặt đáp ứng khớp Sai lệch bám hội tụ thỏa mãn yêu cầu Đáp ứng vị trí hệ thống xác lập với vị trí đặt sau khoảng thời gian 0,46 s Tuy nhiên tượng rung thể rõ rệt đáp ứng từ thông cách lựa chọn thông số cho điều khiển SMC tương đối khó khăn Hình 12 Đáp ứng vị trí hệ thống SMC Nhận thấy qua mơ vị trí theo thời gian vị trí hệ thống đạt tới vị trí đặt khoảng thời gian 0,46 s qua giản đồ hình 12 Kết luận Bằng cách sử dụng phương pháp điều khiển trượt SMC cho động không đồng kết Matlab Simulink cho thấy tác động nhanh đáp ứng vị trí tốc độ hệ thống bám sát đáp ứng vị trí tốc độ thơng qua điều khiển SMC Tuy nhiên việc chỉnh định thông số điều khiển SMC cho động khác tương đối khó khăn TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES Hình 13 Đáp ứng tốc độ hệ thống SMC 526 [1] B.-J Wang, and J.-J Wang, “Slide mode control of surface-mount permanent magnet synchronous motor based on error model with http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Lê Thị Thu Phương Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN unknown load,” Journal of software, vol 6, no 5, pp 021-028, 2011 [2] T T P Le, “Application of field oriented control for induction motor,” TNU Journal of Science and Technology, vol 127, no 12/1, pp 115-119, 2017 [3] R F Hamade, and F Ismail, “A case for aggressive drilling of aluminum,” Journal of Materials Processing Technology, vol 166, no 1, pp 86-97, 2005 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 225(06): 521 - 527 [4] Y Guo, and H Long, “Self organizing fuzzy sliding mode controller for the position control of a permenant magnet synchronous motor drive,” Ain shams engineering journal, vol 10, no 2, pp 109-118, 2011 [5] H P Nguyen, “Sensorless speed control of asynchronous motor using sliding mode observer,” TNU Journal of Science & Technology, vol 136, pp 012-018, 2019 527 ... điều khiển động không đồng như: điều khiển tựa từ thông rotor (FOC), điều khiển moment trực tiếp (DTC), điều khiển mờ… Mục đích báo nghiên cứu ứng dụng điều khiển trượt vị trí để điều khiển động. .. động không đồng ba pha Trước tiên đưa mơ hình tốn học động khơng đồng ba pha với hệ trục dq Sau ứng dụng FOC để điều khiển vịng động khơng đồng Từ đưa điều khiển SMC để điều khiển vị trí cho động. .. thống điều khiển trượt vị trí cho động khơng đồng ba pha Matlab - Simulink Hình Khối mơ hình điều khiển dịng điện Sử dụng Matlab Simulink xây dựng mơ hình hệ thống động không đồng sử dụng điều khiển