Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng phương pháp cuốn chiếu

Bài viết này ứng dụng kỹ thuật điều khiển cuốn chiếu (Backstepping) và phương pháp điều khiển điều khiển trực tiếp mômen để thiết kế hệ thống điều khiển từ thông và tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha, trong đó từ thông và mômen được ước lượng từ các giá trị dòng điện và điện áp của động cơ.

8 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA DÙNG PHƯƠNG PHÁP CUỐN CHIẾU CONTROL OF THREE-PHASE INDUCTION MOTOR USING BACKSTEPPING METHOD Huỳnh Thanh Tường , Thạch Thị Sochet , Nguyễn Thanh Ngọc, Bùi Thị Kim Huệ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, Việt Nam Ngày soạn nhận 10/3/2018, ngày phản biện đánh giá 02/4/2018, ngày chấp nhận đăng 20/4/2018 TÓM TẮT Động không đồng ba pha sử dụng rộng rãi cơng nghiệp ưu điểm cấu tạo đơn giản, chắn, vận hành tin cậy, bảo trì sữa chữa, giá thành thấp, hiệu suất cao… Tuy nhiên, việc điều khiển động không đồng vấn đề khó khăn, phức tạp tính phi tuyến mơ hình động Bài báo ứng dụng kỹ thuật điều khiển chiếu (Backstepping) phương pháp điều khiển điều khiển trực tiếp mômen để thiết kế hệ thống điều khiển từ thông tốc độ động không đồng ba pha, từ thơng mơmen ước lượng từ giá trị dòng điện điện áp động Việc nghiên cứu so sánh thành phần động (từ thơng, tốc độ, mơmen, dịng điện ba pha) phương pháp đề xuất (Backstepping) với phương pháp DTC tiến hành Việc so sánh thực thay đổi tải trục động cơ, khả bám tốc độ độ nhạy thay đổi điều kiện vận hành Từ thông mômen ước lượng từ giá trị dòng áp động Các kết mô cho thấy hiệu phương pháp đề xuất Từ khóa: điều khiển phi tuyến; điều khiển vector; động không đồng bộ; điều khiển trực tiếp mômen; điều khiển chiếu ABSTRACT A three-phase induction motor is the main equipment in AC drives because of the advantages such as simple structure, solid, reliable operation, low maintenance repairs, low cost, high performance However, the control of the induction motor is aa difficult and complicated problem because of its strong nonlinearity This paper applies the backstepping control technique and the direct torque control method to design a speed and flux controller for induction motors The torque and the flux are estimated from measurement of voltages and currents of the motor The comparative study of the components of the motor (flux, speed, torque, three-phase current) of the proposed method (backstepping) with direct torque control (DTC) method is conducted The comparison is done when changing the load on the motor shaft, tracking capability of speed and sensitivity to changes in operating conditions Flux and the torque are estimated from the value of the motor current and voltage The simulation results showed the effectiveness of the proposed method Keywords: Nonlinear control; Vector control; Asynchronous motor; Direct torque control; Backstepping control Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ĐẶT VẤN ĐỀ [1] Cùng với phát triển ngày lớn mạnh ngành công nghiệp, đặc biệt ngành điều khiển tự động, yêu cầu chất lượng loại máy móc ngày cao: cấu máy móc địi hỏi phải đạt độ nhanh, nhạy, xác cao, lượng phải sử dụng có hiệu Động khơng đồng thức cơng nhận từ năm 1970 nhiên chúng không sử dụng rộng rãi có khó khăn mà chúng mang lại: khó điều khiển chất lượng thấp Tuy nhiên, với phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo thiết bị bán dẫn công suất vi xử lý có khả xử lý mạnh mẽ, khó khăn khắc phục Động không đồng xem công nghệ Với ưu điểm động không đồng xem giải pháp cho vấn đề nêu Một số ưu điểm bật động tuyến tính: tốc độ cao, độ xác cao, đáp ứng nhanh, độ bền học cao Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật điều khiển động không đồng thay đổi nhanh chóng Trong lý thuyết điều khiển đại, động không đồng ba pha xem đối tượng phi tuyến (vì mơ hình tốn học động khơng đồng mơ tả phương trình vi phân bậc cao) Để điều khiển động cách xác, ta phải áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến như: điều khiển chiếu (Backstepping), điều khiển trượt (sliding mode control - SMC), điều khiển trực tiếp mômen (direct torque control), điều khiển thích nghi (adaptive control)… để tác động lên mơ hình tốn học động Trong báo này, phương pháp điều khiển chiếu sử dụng để tiếp cận mơ hình tốn học động Mục đích phương pháp tiến hành đổi biến điều khiển cho ngõ tuyến tính với biến điều khiển MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA [2] KHÔNG Động không đồng mô tả hệ phương trình vi phân bậc cao Với cấu trúc phân bố cuộn dây phức tạp mặt không gian mạch từ móc vịng ta phải chấp nhận số điều kiện sau mơ hình hóa động Bỏ qua tổn hao lõi sắt từ, không xét tới ảnh hưởng tần số thay đổi nhiệt độ điện trở, điện cảm tới cuộn dây Bỏ qua bão hòa mạch từ, tự cảm hỗ cảm cuộn dây coi tuyến tính Dịng từ hóa từ trường phân bố hình sin bề mặt khe từ 2.1 Xây dựng mơ hình động khơng đồng ba pha Ta thống số qui ước cho ký hiệu cho đại lượng thơng số động Hình Mơ hình đơn giản động không đồng ba pha Các thông số động không đồng ba pha: R s : điện trở cuộn dây stator R r : điện trở rotor qui đổi stator L m : hỗ cảm stator rotor Ls s : điện kháng tản cuộn dây stator Lσ r : điện kháng tản cuộn dây rotor qui đổi stator p: số đôi cực động J: moment quán tính (kg.m2) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 10 Các thơng số định nghĩa thêm: L s = L m + Ls s điện cảm stator L r = L m + Lσ r điện cảm rotor Ts = Tr = Ls Rs số thời gian stator Lr Rr số thời gian rotor s =1− Để xác định dòng điện stator từ thông rotor, từ pt (4c) pt (4d) có: → → (5) →  Lm  →s ψ r − Lm iss  Lr   (6) Phương trình (4a, b) trở thành: hệ số từ tản tổng L2m Ls Lr chu kỳ lấy mẫu →s Chữ hoa: đại lượng vector, module vector, độ lớn → s r i = i e − jθ (1) →s u s = Rs i s + sLs → → dψ − jωψ rs dt →s u s = Rs i s + (3) →s dψ s dt (4a) → → d ψ rs 0=R i + − jωψ rs dt → s r r → s s → s s s → s m r → → → ψ = L i +L i ψ rs = Lm iss + Lr irs → → → → p (ψ s × is ) = − p (ψ r × ir ) 2 J dω Te = TL + p dt (8) → → d ψ rs Lm →s  is −  − jω ψ rs = dt Tr   Tr (9) Thay (7) vào (9)  → →s d iss  1 − s  →s − s   is +  − jω ψ rs + = − + us sLs dt   sTs sTr  sLm  Tr Vậy từ phương trình ta có hệ phương trình: →s (7) → Từ hai phương trình ta có: = Rr irs + d i s Lm d ψ s + dt Lr dt Suy (2) → s r →s → → ψ rr = ψ rs e − jθ →s  → d ψ rs L → 1 = − m iss +  − jω ψ rs + Tr (2.4.27) dt   Tr Từ hệ qui chiếu rotor quy hệ qui chiếu stator theo phương trình: Te = → ψ ss = Ls iss + Chữ thường: đại lượng tức thời, biến thiên theo thời gian → →  →s  ψ r − Lm iss    Thay (5), (6) vào (4a, b), T samp → r r Lr irs = (4b) (4c) → → d ψ rs Lm →s  is −  − jω ψ rs = dt Tr  Tr  (11) Chuyển sang dạng thành phần vector hai trục tọa độ: d iσα  1 − σ  1−σ 1−σ iσα + ωψ rβ + u σα ψ rα + = − + σLσ σLm dt  σTσ σTr  σTr Lm  1−σ  1−σ 1−σ iσβ + ψ rβ − ωψ rα + u σβ = − + σLm σLσ dt  σTσ σTr  σTr Lm d iσβ (4d) d ψ rα Lm = isα − ψ rα − ωψ rβ dt Tr Tr (4e) d ψ rβ dt (4f) (10) = (12) Lm isβ − ψ rβ + ωψ rα Tr Tr Thay thành phần vector từ thơng rotor dịng stator ta được: Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Te = Lm p (ψ rα isβ −ψ rβ isα ) Lr (13) 11 3.2.3 Mômen động cơ: 20 DTC phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông mômen Hai đại lượng đo điện áp dòng điện stator Điện áp đo điện áp chiều sau chỉnh lưu Tín hiệu điện áp dịng điện đầu vào mơ hình động cơ, để từ tính giá trị từ thông mômen Hai so sánh mức so sánh giá trị với giá trị đầu hai điều khiển Dựa vào đầu này, logic đóng mở xác định vị trí van đóng mở tối ưu Do đó, điện áp xung xác định riêng rẽ Vị trí van đóng mở làm thay đổi điện áp dịng điện, lại ảnh hưởng tới mômen từ thông Hệ thống không sử dụng cảm biến tốc độ Tốc độ động tính tốn bở khâu gọi mơ hình động thích nghi 3.2 Kết mơ DTC 1.2 Firef Fi (Webe) -5 -10 -20 0.5 1.5 2.5 3.5 Time (s) x 10 Hình Mơmen động 3.2.4 Dịng điện ba pha động cơ: 10 -2 -4 -6 -8 -10 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 x 10 Hình Dịng điện ba pha động => Kết mô cho thấy: - Bộ điều khiển thực tốt yêu cầu điều khiển - Khi đảo chiều giá trị tốc độ, từ thơng ổn định 1.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN CHIẾU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ [6], [7], [8], [9] 0.8 0.6 4.1 Điều khiển chiếu: 0.4 0.2 0.5 1.5 2.5 3.5 Time (s) x 10 Hình Từ thơng động 3.2.2 Tốc độ động cơ: 150 100 Wref W (rad/s) - Động giữ tốt giá trị tốc độ, từ thông tải thay đổi 3.2.1.Từ thông động cơ: 10 -15 Iabc (A) 3.1 Điều khiển trực tiếp mômen động không đồng [3], [4], [5] MLref ML (Nm) 15 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN (DTC) Tính chất phi tuyến thể rõ, với số lượng biến đầu vào nhiều Nên việc tìm quy luật điều khiển khó phương pháp thông thường Phương pháp thiết kế chiếu tỏ hữu ích mơ hình Bộ điều khiển thiết kế giải vấn đề phi tuyến mơ hình Từng bước thiết kế điều khiển thỏa đại lượng tốc độ dịng từ hóa đạt đến giá trị đặt mục tiêu đưa 50 -50 -100 -150 0.5 1.5 2.5 Time (s) Hình Tốc độ động 3.5 x 10 Như trình bày phần mơ hình động cơ, ta xét hệ tọa độ dq, trục q vng góc với vector ψ 'rq = làm cho phương trình trở nên đơn giản Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 12 3PL2m dω P ' ψ rd =( isq − TL ) Lr dt J Để đơn giản việc tính tốn, ta định nghĩa giá trị: m= 3( PLm ) 2 Lr J (15) Thay (15) vào (14) ta được: dω P ' = µψ rd isq − TL dt J Gọi ωref ,ψ ref Lúc hệ phương trình (21) trở thành: (14) (16) • ' e = φ2 − sL u sdψ rd  s • 1 e = φ − u  sLs Tr sd  Đến ta xác định hàm Lyapunov để ổn định hóa hệ thống, bao gồm hai biến e2 , e4 giá trị tốc độ từ thông mong muốn Ta định nghĩa hai giá trị e1 , e3 sai số giá trị tốc độ, từ thông đặt giá trị ước lượng  e1 = ω ref − ω  '  e3 = ψ ref − ψ rd (17) Ta chọn hàm Lyapunov sau: V2 = (e1 + e22 + e32 + e42 ) > Lấy đạo hàm phương trình (22) ta được: • V = e1 ( µe2 − k1e1 ) + e2 (φ2 − Xét hàm Lyapunov sau: V = 2 e1 + e3 > 2 (18) Lấy đạo hàm phương trình (18) ta được: • + e3 (e4 − k3e3 ) + e4 (φ4 − • ⇔ V = àe2e1 k1e12 + 2e2 ã ⇔ V = −k1e12 − k3e32 + e1 (k1e1 + ref rd' isq ã P 1 + TL ) + e3 (k3e3 + ψ ref − isd + ψ rd' ) J Tr Tr (19) • định lý ổn định Lyapunov V phải xác định • •  µe2 = k1e1 + e1 ⇒ e1 = àe2 k1e1 ã ã e4 = k3e3 + e3 ⇒ e3 = e4 − k3e3 Lấy đạo hàm giá trị phương trình (20) ta được: (20) e2 , e4 từ hệ • ' •  • k1 •• ' e = ( µe2 − k1e1 ) + ω ref −ψ rd isq −ψ rd i sq à ã ãã ã ' • e = k (e − k e ) + ψ + ψ − i sd ref rd 3  Tr Tr (21) Để biểu thức đơn giản ta đặt: k 1 ãã f2 = ( àe2 k1e1 ) + ω ref − isd isq + ψ rd/ isq Tr Tr µ µ 1−s )isdψ rd' + ω s isqψ rd' + sTs sTr 1−s / ' 1−s ωψ rq/ ψ rd' + Ψrqψ rd − sTr s + φ4e4 − 1 u ψ' ) sLs sd rd u sd ) sLs Tr usdψ rd' e2 + e4e3 − k3e32 sLs 1 usd e4 − k2e22 + k2e22 − k4e42 + k4e42 sLs Tr • Ta thấy để phương trình thỏa mãn + ω rψ rq/ isq + ( (22) ⇔ V = − k1e12 − k3e32 − k e22 − k e42 + e2 ( µe1 + φ2 + k e2 − + e4 (φ4 + k e4 + e3 − sLs ' u sdψ rd ) 1 u ) sLs Tr sd Để hệ ổn định theo Lyapunov • V < Để có điều thì:  ' µe1 + φ2 + k e2 − sL u sdψ rd =  s  φ + k e + e − 1 u = 4  sLs Tr sd   ( µe1 + φ2 + k e2 ) φ + k e4 + e3 = u sd & = u sd  1  ' ψ  sLs rd sLs Tr    Đến ta xây dựng luật điều khiển để tốc độ từ thơng động bám Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh theo giá trị tốc độ từ thông đặt với đại lượng sau: 4.2.4 Dòng điện ba pha động cơ: 15 10 Iabc (A) e1 = ω ref − ω  ' e3 = ψ ref − ψ rd  • P  k1e1 + + TL ref J −ψ ' i e = rd sq  ã e = k e + + ψ ' − i 3 sd ref rd  Tr Tr  •• f = k1 ( µe − k e ) + isd isq − 1 ref  Tr µ µ  1−s  / / ' + T ψ rd isq + ω rψ rq isq + ( sT + sT )isdψ rd r s r   1−s 1−s ' / ' / ' + ω s isqψ rd + sT Ψrqψ rd − s ωψ rqψ rd r  ••  2 / f4 = k3 (e4 − k3e3 ) + ψ ref + ( ) isd − ( ) ψ rd T T r r   1 1−s 1 / ) i − ω rψ rq + ( ωi + − sTs sTr Tr sd Tr s sq  Tr  1−s 1−s ωψ rq/ Ψrq/ − − s Tr  sTr Tr 13 ω -5 -10 -15 0.5 1.5 2.5 Time (s) 3.5 x 10 Hình Dịng điện ba pha động ω (23) => Kết mô cho thấy: Đối với tải nhỏ tốc độ thấp phương pháp điều khiển Backstepping phương pháp điều khiển DTC đáp ứng tốt mặt tốc độ, từ thông Nhưng với tải lớn tốc độ cao phương pháp điều khiển Backstepping cho thấy ưu điểm so với phương pháp điều khiển DTC SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.2 Kết mô chiếu 5.1 So sánh từ thông động 4.2.1 Từ thông động cơ: Nhận xét: Từ thông hai phương pháp đáp ứng nhanh, khơng vọt lố, khơng có sai số tĩnh hai chế độ quay động Firef Fi (Webe) 4.5 5.2 So sánh tốc độ động 3.5 2.5 0.5 1.5 2.5 3.5 Time (s) x 10 Hình Từ thơng động 800 600 Wref W (rad/s) 5.3 So sánh mômen động Nhận xét: Mơmen động phương pháp chiếu có đáp ứng tốt (bám nhanh theo giá trị đặt, biên độ dao động nhỏ bị ảnh hưởng tốc độ động cơ) hai chế độ quay động 4.2.2 Tốc độ động cơ: 400 200 5.4 So sánh dòng điện pha động -200 -400 0.5 1.5 2.5 3.5 Time (s) x 10 Hình Tốc độ động 4.2.3 Mômen động cơ: 30 20 10 -10 -20 -30 -40 0.5 1.5 Nhận xét: Dòng điện khởi động động phương pháp chiếu lần dịng xác lập, khơng bị ảnh hưởng tốc độ động thay đổi tải (định mức) KẾT LUẬN 40 MLref ML (Nm) Nhận xét: Tốc độ hai phương pháp đáp ứng nhanh, không vọt lố, sai số tĩnh hai chế độ quay động 2.5 Time (s) Hình Mơmen động 3.5 x 10 Qua kết mô Simulink/Matlab cho thấy phương pháp đạt yêu cầu Tốc độ từ thông động đáp ứng nhanh, không vọt lố, không dao động Mômen động bám sát giá trị đặt Dòng điện khởi động hai lần dòng xác lập Đề tài 14 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh nghiên cứu thành cơng góp phần kiểm chứng phát triển phương pháp điều khiển chiếu, phương pháp điều khiển linh hoạt, toàn diện không gian trạng thái vào đối tượng điều khiển sử dụng rộng rãi ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc Đây sở để xây dựng hệ thống điều khiển có chất lượng cao độ xác, ổn định thỏa mãn hệ thống truyền động có yêu cầu nghiêm ngặt mặt động học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”, NXB Giáo dục, 1996 Trần Công Binh, “Hệ Thống Điều Khiển Số”, NXB Đại Học Bách Khoa TP.HCM, 2007 Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink”, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2008 Abdul Wahab, H.F., and Sanusi, H., “Simulink Model of Direct Torque Control of Induction Machine”, Amircan Journal of Applied Sciences, pp.1083 – 1090, 2008 Chapuis, Y.A and D Roye, “Direct Torque Control anh current limition method in start-up of an induction machine”, IEE Conf.Power Electronics and Variable speed Drives, pp.451- 455, 1998 Mehazzem, A Reama, H Benalla “Sensorless nonlinear adaptive backstepping control of induction motor” ICGST-ACSE Journal, ISSN 1687-4811, Volume 8, Issue III, January 2009 Ismail Khalil Bousserhane, AbdeldjabbarHazzab, MostefaRahli, MokhtarKamli, BenyounesMazari “Direct field-oriented control using backsteppingstratery with fuzzy rotor resistance estimator for induction motor speed control” ISSN 1392-124X information technology and control, vol.35, No.4, 2006 H.T.Lee, L.C.Fu and F.L.Lian “Sensorless adaptive backstepping speed control of induction motor” Proceeding of the 45th IEEE Conference on Decision & Control, San Diego, CA, USA December 13-15, 2006 A Belhani, K Belarbi and F Mehazzem “Design of multivariablebackstepping speed controller using genetic algorithms” ICGST Conference on Automatic Control and system engineering, (ACSE, 05), Cairo, Egypt 19-21 Dec 2005 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Huỳnh Thanh Tường Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long Email: tuonght@vlute.edu.vn ... tự động, kỹ thuật điều khiển động không đồng thay đổi nhanh chóng Trong lý thuyết điều khiển đại, động không đồng ba pha xem đối tượng phi tuyến (vì mơ hình tốn học động không đồng mô tả phương. .. định 1.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CUỐN CHIẾU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ [6], [7], [8], [9] 0.8 0.6 4.1 Điều khiển chiếu: 0.4 0.2 0.5 1.5 2.5 3.5 Time (s) x 10 Hình Từ thông động 3.2.2 Tốc độ động cơ: 150... Xây dựng mơ hình động khơng đồng ba pha Ta thống số qui ước cho ký hiệu cho đại lượng thông số động Hình Mơ hình đơn giản động không đồng ba pha Các thông số động không đồng ba pha: R s : điện