Phương pháp ước lượng hằng số mômen của máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu dựa trên bộ quan sát phi tuyến

Trong bài viết này, một phương pháp mới được đề xuất để ước lượng hằng số mômen của máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) dựa trên bộ quan sát phi tuyến cục bộ. Mô hình MĐĐB-KTVC làm việc trong vòng kín với bộ điều khiển tốc độ được lựa chọn để phân tích toán học.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG HẰNG SỐ MÔMEN CỦA MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH NAM CHÂM VĨNH CỬU DỰA TRÊN BỘ QUAN SÁT PHI TUYẾN A METHOD FOR THE ESTIMATION OF TORQUE CONSTANT OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINE BASED ON A NONLINEAR OBSERVER Vũ Hoàng Giang Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 22/04/2019, Ngày chấp nhận đăng: 30/07/2019, Phản biện: PGS.TS Lê Văn Doanh Tóm tắt: Trong báo này, phương pháp đề xuất để ước lượng số mơmen máy điện đồng kích thích nam châm vĩnh cửu (MĐĐB-KTVC) dựa quan sát phi tuyến cục Mơ hình MĐĐB-KTVC làm việc vịng kín với điều khiển tốc độ lựa chọn để phân tích tốn học Một cấu trúc phù hợp quan sát thiết lập dựa phép đo dịng điện stato có xét đến mục tiêu ước lượng số mơmen Sau đó, thơng số quan sát tính tốn kiểm chứng thông qua mô MĐĐB-KTVC làm việc sơ đồ điều khiển mômen điều khiển tốc độ Kết mơ cho thấy quan sát có đáp ứng nhanh cung cấp thơng tin hữu ích cho điều khiển số mômen thay đổi, xác nhận tính hợp lệ phương pháp đề xuất Từ khóa: Hằng số mơmen, máy điện đồng nam châm vĩnh cửu, ước lượng trạng thái, quan sát phi tuyến, xác định thông số Abstract: In this paper, a new method is proposed for the estimation of torque constant of permanent magnet synchronous machine (PMSM) that is based on a locally nonlinear observer The PMSM operating in a closed loop with the speed control is selected to analyse On the basis of stator current measurement and taking into account the purpose of estimating the torque constant, an appropriate structure of the observer is established The observer parameters are then calculated and evaluated via simulation when the machine operates in either torque or speed control Simulation results demonstrate the performance of observer with robust responses, which provide valuable information to the controller when the torque constant changes, that confirm the proposed method Keywords: Torque constant; permanent magnet synchronous machine, state estimation, nonlinear observation, parameter identification GIỚI THIỆU CHUNG Máy điện đồng kích thích nam châm vĩnh cửu sử dụng rộng rãi Số 20 nhiều lĩnh vực So với máy điện xoay chiều kiểu dây quấn, MĐĐB-KTVC có mật độ lượng cao nên có kích TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) thước nhỏ gọn với công suất cho trước Các máy điện có qn tính rơto nhỏ nên có ưu ứng dụng đòi hỏi đáp ứng nhanh Hơn nữa, việc sử dụng biến đổi công suất làm cho hệ thống có đáp ứng nhanh so với hệ thống có cấu khí Điều khiển MĐĐB-KTVC với u cầu cao địi hịi thơng tin xác thơng số mơ hình tồn học chúng Thơng tin cho phép điều khiển tối ưu hóa hoạt động hiệu suất truyền động tương ứng đáp ứng nhanh với thay đổi xảy mơ hình máy Các thơng số mơ hình tốn học MĐĐB-KTVC viết hệ tọa độ đồng d-q bao gồm số mômen, điện trở stato điện cảm theo trục d q Các thơng số thay đổi trình vận hành máy tính chất phi tuyến vật liệu làm nam châm vĩnh cửu, dễ chịu tác động nhiệt độ vận hành điểm làm việc Trong thông số kể trên, số mơmen có ảnh hưởng đến tính tốn điều khiển liên quan đến mômen máy nhiều sơ đồ điều khiển khác sơ đồ điều khiển tối đa hóa mơmen theo dịng điện (MTPC), sơ đồ điều khiển hạn chế từ thông rôto (FW), sơ đồ điều khiển tối đa hóa mơmen theo điện áp (MTPV) sơ đồ điều khiển thông số khác dịng điện hay tốc độ rơto Hơn thơng tin giá trị thơng số cịn hữu ích chẩn đốn cố hệ thống [1] Hình minh họa kết so sánh quỹ đạo dòng điện máy hệ tọa độ dq (id,iq) sơ đồ điều khiển tốc độ Có thể quan sát thấy khác biệt quỹ đạo hai trường hợp, đường MH-CL: thông số điều khiển máy giống nhau; đường MH-CH: thông số điều khiển máy lệch với số mômen máy điện giảm 30% Hình Sự thay đổi số mơmen điều khiển tối đa tỷ số mơmen/dịng điện (max Torque/Ampere) [1] Đây dẫn chứng điển hình cho thấy thơng tin số mơmen có tác động lớn đến độ xác q trình điều khiển Trong nghiên cứu vừa qua, nhiều phương pháp khác áp dụng để ước lượng thông số MĐĐB-KTVC miền thời gian thực (online) trạng thái dựa liệu lưu trữ nhớ với bảng tra (look-up table) Các phương pháp thường gặp bao gồm: phương pháp phần tử hữu hạn [2], phương pháp dựa thuật tốn bình phương cực tiểu đệ quy [1], phương pháp sử dụng hệ thống thích nghi tham chiếu Số 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) theo mơ hình mẫu (MRAS) [3], phương pháp sử dụng quan sát trượt (sliding mode observer) [4] phương pháp sử dụng lọc Kalman mở rộng (EKF) [5] Ngoài ra, nghiên cứu thú vị gần dựa mơ hình với độ gợn sóng (ripple) dòng điện stato cho phép ước lượng thơng số MĐĐB-KTVC [6] Mơ hình MĐĐB-KTVC đánh giá đơn giản so với nhiều loại máy điện khác máy điện đồng rôto dây quấn hay máy điện khơng đồng thuộc nhóm mơ hình phi tuyến Do quan sát trạng thái thông số, việc lựa chọn cấu trúc thơng số phù hợp đóng vai trị định đến chất lượng quan sát Bộ quan sát có cấu trúc tổng quát đề xuất [7] gần áp dụng nhiều nghiên cứu ước lượng trạng thái hệ thống ứng dụng điều khiển không cảm biến Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất ứng dụng quan sát để ước lượng số mômen MĐĐB-KTVC Bộ quan sát thiết kế dựa phép đo dịng điện stato sẵn có hầu hết hệ thống sử dụng MĐĐB-KTVC có điều khiển MƠ HÌNH HỆ THỐNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH NAM CHÂM VĨNH CỬU VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ Sơ đồ hệ thống có điều khiển sử dụng MĐĐB-KTVC thể hình Trong có hai vịng điều khiển: vịng điều khiển ngồi cho tốc độ quay rơto vịng điều khiển cho dịng điện stato Hình Sơ đồ mạch điều khiển MĐ ĐB-KTVC [8] Thông số điều khiển tốc độ quay dòng điện tương ứng (kp, ki) (kpi, kii) pLq iq vd did Ri  sd   dt Ld Ld Ld Mơ hình toán học thu gọn MĐĐBKTVC hệ tọa độ đồng (dq) mơ tả hệ phương trình sau [9], [8]: dt Số 20 diq  Rs iq Lq  pLd id p vq   Lq Lq Lq (1) d  Te  Fv   Tm  dt J TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đó: id, iq: thành phần dòng điện stato theo trục d q; vd, vq: thành phần điện áp stato theo trục d q; : tốc độ góc rơto; : biên độ từ thông rôto cảm ứng sang pha stato; Rs: điện trở cuộn dây stato; Ld, Lq: điện cảm theo trục d q; p: số cặp cực Te: mơmen điện từ, tính sau: Te  1.5 p iq   Ld  Lq  id iq  ; : góc rơto; Tm: mômen trục máy điện; J: số quán tính; Fv: hệ số ma sát Phương trình mơ tả điều khiển tốc độ dịng điện viết tương ứng phương trình (2) (3) [8]  dz1  *     dt  *  y  k p      ki z1  i*  T * e  q p  dz2 *  dt  id  id  * vd  k pi  id*  id   kii z2   dz3  i*  i q q  dt  * * vq  k pi  iq  iq   kii z3 (2) phần dòng điện theo trục q thu từ phương trình (2) Các giá trị vd* , vq* tính từ (3) đưa vào tạo xung để điều khiển nghịch lưu truyền động Do nghịch lưu có số quán tính nhỏ nhiều so với số qn tính tồn hệ thống nên coi vd  vd* vq  vq* Hệ phương trình (1), (2) (3) mơ hình máy điện làm việc vịng kín với chức điều khiển tốc độ XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC VÀ THÔNG SỐ CỦA BỘ QUAN SÁT Cấu trúc tổng quát quan sát phi tuyến áp dụng phần đề xuất [7] Vấn đề quan trọng ứng dụng quan sát vào đối tượng cụ thể đưa mơ hình hệ thống dạng thuộc lớp hệ phi tuyến thỏa mãn điều kiện quan sát với cấu trúc quan sát tương ứng Hơn nữa, lựa chọn thông số quan trọng mang tính định đến đáp ứng quan sát Trên sở mơ hình hệ thống trình bày mục 2, mục đưa mơ hình dạng cấu trúc phù hợp Theo hệ thống lựa chọn có cấu trúc sau: (3) Trong đó, biến trạng thái z1, z2, z3 sử dụng để mơ tả hệ thống có điều khiển Giá trị đặt thành phần dòng điện theo trục d lấy 0: id*  ; thành d  X  A X  B  F (u, X )  dt  y  C X (4) hay  d  X   F1       dt  X   F2   y  C X  X  (5) Số 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đó:  0          0 2    1 0  id  X    , X2 = , C  0     iq  0 0   vd   L    Rs  d   vq   pLd B    , A    Lq   Lq 0        pLq Ld  Rs    p    Lq     Các điện áp vd, vq tính tốn dựa vào phương trình (2) (3) Tốc độ quay  thu từ phương trình thứ ba (1) lấy từ phản hồi hệ thống điều khiển Tiếp theo, điều kiện để áp dụng cấu trúc quan sát [7] xác nhận   F1  X   Ta có A12    p  có hạng  X  Lq  với 0 Điều kiện hình nón lồi thỏa mãn với chiều quay khơng đổi, tốc độ  có dấu khơng đổi ma trận A12 có quỹ đạo nằm nửa mặt phẳng tọa độ Cuối cùng, hệ thống điều khiển tốc độ MĐĐB-KTVC hệ vật lý có thơng số làm việc hữu hạn nên thỏa mãn điều kiện toàn cục Lipschitz Vậy quan sát cho hệ thống (4) có dạng: dXˆ  F  u, X     K CXˆ  y dt   (6) K: ma trận hệ số; : ma trận đường chéo: Số 20 (7) Tính tốn ma trận K dựa bất đẳng thức ma trận định nghĩa dương đối xứng ta thu được:   26  K   25520   345  “Tune” giá trị  thu = 0,1 Trong mục tiếp theo, mô thực để đánh giá hoạt động quan sát KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hai mơ phát triển bao gồm:  Mô hệ thống hai trường hợp ứng với số mômen khác nhau;  Mô ước lượng số mômen cập nhật cho hệ thống điều khiển 4.1 Mô số mômen sai lệch Mơ MĐĐB-KTVC làm việc vịng kín với điều khiển dòng điện theo giá trị đặt mơmen điện Tref (đường nét chấm gạch hình 5) Kết mơ thể hình 3, Trong đường nét liền ứng với trường hợp  không đổi, đường nét đứt ứng với trường hợp máy điện có  thay đổi (t = 4,5-10 s) điều khiển sử dụng giá trị  khơng đổi Có thể thấy thay đổi  gây sai lệch dòng điện stato Hơn mơmen điện hình (đường nét đứt) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) không đáp ứng theo giá trị đặt (đường nét chấm gạch) triển dựa điều kiện sau:  Thông số máy điện điều khiển cho phụ lục  Các điều kiện đầu hệ thống quan sát cho sau: id Hình Mơ quan sát tốc độ rôto ˆi d id  z1 z2 z3   [0, 0, 0, 0, 0, 0] ˆi d ˆ zˆ  zˆ zˆ ˆ  = [0, 0.1, 0, 10, 0, 0, 0.01] Hình Sai lệch dòng điện thay đổi số mơmen Hình Sai lệch dịng điện thay đổi số mômen Đây minh chứng xác nhận lại ảnh hưởng số mômen tới độ xác điều khiển đề cập mục Từ thấy việc cập nhật thơng tin số mơmen có thay đổi cần thiết cho hoạt động chung hệ thống 4.2 Mô ước lượng số mômen Mục giới thiệu kết mô nghiên cứu, nhờ việc sử dụng quan sát, thông tin số mômen liên tục cập nhật cho hệ thống điều khiển Mô phát MĐĐB-KTVC mô 10 s với tải thay đổi theo thời gian hình (hình dưới) Tốc độ điều khiển thu đáp ứng tốt hình (hình trên) Dịng điện mơ ước lượng so sánh thể hình Hình Kết ước lượng tốc độ quay dạng mơmen Hình Kết mơ ước lượng dịng điện Kết ước lượng số mômen thể hình Có thể thấy điều kiện làm việc biến động có thay đổi giá trị đặt tốc độ hay thay đổi mômen cơ, giá trị quan sát Số 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) số mơmen (đường nét đứt) thu xác so với giá trị thực tế biến thiên (đường nét liền) Đây minh chứng xác nhận phương pháp ước lượng số mômen đề xuất có khả đáp ứng nhanh xác chế độ làm việc khác hệ thống cung cấp thơng tin trực tuyến cho điều khiển mô tả dạng hệ phi tuyến quan sát cục với hệ số ma trận quan sát số để ước lượng số mơmen Kết quan sát thu có đáp ứng tốt hai chế độ xác lập q độ Giá trị số mơmen sử dụng miền thời gian thực để cập nhật cho hệ thống điều khiển nhằm có đáp ứng điều khiển tốt Bên cạnh số mômen, thông số khác điện trở, điện cảm mơ hình MĐĐB-KTVC nhạy cảm với điều kiện khác nhiệt độ làm việc đòi hỏi nghiên cứu ước lượng thông số dựa quan sát có cấu trúc phù hợp Hình Kết quan sát số mômen Thông tin số mômen đem lại lợi ích điều khiển máy điện mà cịn hữu ích phát cố, cảnh báo thay đổi theo chiều hướng dẫn đến tình trạng nam châm vĩnh cửu từ tính nhiệt độ cao vượt qua ngưỡng nhiệt độ Curie [10] vật liệu chế tạo KẾT LUẬN Hệ thống sử dụng MĐĐB-KTVC PHỤ LỤC Thông số MĐĐB-KTVC Hurst, DMA0204024B101: Số đôi cực p = 5; điện áp định mức: 20,12 V; dòng điện định mức: 3,42 A; mômen tải cực đại: 0,2259 N.m; Rs = 0,57Ω; Ls = 0,64 mH; J = 1,7721.10-5 N.m/rad/s2; = 0,0078933 Wb Thông số điều khiển: Bộ điều khiển tốc độ: kp= 0,006 ; ki = 0,6 Bộ điều khiển dòng điện: kpi= 1, kii=10 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.J Underwood and I Husain, “Online parameter estimation and adaptive control of permanentmagnet synchronous machines,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 57, no 7, pp 2435-2443, 2010 [2] C.C Hwang and Y.H Cho, “Effects of leakage flux on magnetic fields of interior permanent magnet synchronous motors,” IEEE transactions on magnetics, vol 37, no 4, pp 3021-3024, 2001 [3] O.C Kivanc and S.B Ozturk., “Sensorless PMSM drive based on stator feedforward voltage estimation improved with MRAS multiparameter estimation,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol 23, no 3, pp 1326-1337, 2018 Số 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [4] Y.S Han, J.S Choi and Y.S Kim, “Sensorless PMSM drive with a sliding mode control based adaptive speed and stator resistance estimator,” IEEE Transactions on magnetics, vol 36, no 5, pp 3588-3591, 2000 [5] Y Shi, K Sun, L Huang and Y Li, “Online identification of permanent magnet flux based on extended Kalman filter for IPMSM drive with position sensorless control,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 59, no 11, pp 4169-4178, 2011 [6] K Choi, Y Kim, K.S Kim and S.K Kim, “Using the Stator Current Ripple Model for Real-Time Estimation of Full Parameters of a Permanent Magnet Synchronous Motor,” IEEE Access 7, pp 33369-33379, 2019 [7] H Hammouri and M Farza, “Nonlinear observers for locally uniformly observable systems,” ESAIM COCV, vol 9, pp 353-370, 2003 [8] H.G Vũ, “Ước lượng tốc độ quay mơmen máy điện đồng kích thích nam châm vĩnh cửu dựa quan sát phi tuyến đều”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ lượng, Trường Đại học Điện lực, vol 11, pp 26-32, 2016 [9] R Krishnan, Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives, Taylor & Francis, 2009 [10] D Jiles, Introduction to magnetism and magnetic materials, CRC press, 2015 Giới thiệu tác giả: Tác giả Vũ Hoàng Giang tốt nghiệp đại học nhận Thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2002 2005 Năm 2014 nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện Trường Đại học Claude Bernard Lyon 1, Cộng hòa Pháp Hiện tác giả công tác Trường Đại học Điện lực Hướng nghiên cứu chính: chẩn đốn hư hỏng máy điện, ước lượng thông số máy điện, điều khiển máy điện biến đổi sử dụng thiết bị điện tử công suất, ứng dụng biến đổi lưới điện thông minh Số 20 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 20 ... 353-370, 2003 [8] H.G Vũ, ? ?Ước lượng tốc độ quay mômen máy điện đồng kích thích nam châm vĩnh cửu dựa quan sát phi tuyến đều”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ lượng, Trường Đại học Điện lực, vol 11, pp... dụng quan sát để ước lượng số mômen MĐĐB-KTVC Bộ quan sát thiết kế dựa phép đo dịng điện stato sẵn có hầu hết hệ thống sử dụng MĐĐB-KTVC có điều khiển MƠ HÌNH HỆ THỐNG MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH... ước lượng thơng số MĐĐB-KTVC [6] Mơ hình MĐĐB-KTVC đánh giá đơn giản so với nhiều loại máy điện khác máy điện đồng rôto dây quấn hay máy điện khơng đồng thuộc nhóm mơ hình phi tuyến Do quan sát