Điều khiển mô men trực tiếp động cơ từ trở

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờng đại học bách khoa hà nội LUN VN THC S KHOA HC ĐIềU KHIểN MÔ MEN TRựC TIếP Động từ trở NGNH: ®iỊu khiĨn vµ TỰ ĐỘNG HỐ Mà SỐ: Người hướng dẫn khoa học: TS T¹ CAO MINH HÀ NỘI, NĂM 2008 Lời cam đoan Em xin cam đoan luận văn cao học Điều khiển trực tiếp mô men động c¬ tõ trë ” em tù thiÕt kÕ d­íi hướng dẫn thầy giáo TS Tạ Cao Minh Để hoàn thành luận văn cao học em sử dụng tài liệu đà ghi bảng tài liệu tham khảo mà không sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Học viên Đỗ Anh Dũng MụC LụC Trang Lời nói đầu Chương Tổng quan động từ trở thay đổi 1.1 Cấu tạo 1.2 Nguyên lý hoạt động 1.3 Nguyên nhân phát sinh mômen 1.4 Các đường đặc tính 10 1.4.1 Đường đặc tính L( ) 10 1.4.2 Đường đặc tính 13 1.5 Mạch điện thay tương đương 14 1.6 Phân loại 15 1.7 ưu nhược điểm ứng dụng 16 1.7.1 Ưu điểm 16 1.7.2 Nhược điểm 17 1.7.3 ứng dụng 17 Chương Mô hình hoá động từ trở thay đổi 18 2.1 Mô hình toán học động từ trở thay đổi 18 2.2 Mô hình hoá động từ trở thay đổi 20 Chương Các vấn đề điều khiển động tõ trë thay ®ỉi 3.1 Bé biÕn ®ỉi 26 26 3.1.1 Phân loại biến đổi 28 3.1.2 Bộ biến đổi cầu không đối xứng 29 3.1.3 Các biến đổi khoá pha 33 3.2 Nguyên tắc ®iỊu khiĨn ®éng c¬ tõ trë thay ®ỉi 41 3.3 Bộ điều khiển dòng điện 43 Mục lục 3.3.1 Bộ điều khiển dòng điện thiết kế theo phương pháp tuyến tính 3.3.2 Bộ điều khiển dòng điện thiết kế theo phương pháp phi tuyến bỏ qua hỗ cảm pha 3.4 Bộ điều khiển mômen 3.4.1 Nguyên tắc phương pháp TDF 3.4.2 Phương pháp TDF với điều kiện bỏ qua tượng bÃo hoà hỗ cảm pha 3.5 Bộ điều khiển tốc độ 44 49 53 54 59 68 Chương Đề xuất phương pháp ĐIềU KHIểN MOMEN TRựC TIếP (DTC) CHO Động 69 từ trở thay đổi 4.1.Phương pháp điều khiển mô men trực tiếp (DTC) cho động từ trở dùng lý thut ®iỊu khiĨn mê 69 4.2 Tỉng quan vỊ lý thut ®iỊu khiĨn mê 77 4.2.1 Giíi thiƯu chung điều khiển mờ 77 4.2.2 Sơ đồ khối ®iỊu khiĨn mê 78 4.2.3 Khèi mê ho¸ 79 4.2.4 Khối hợp thành 80 4.2.5 Khối luật mờ 83 4.2.6 Khối giải mờ 85 4.2.7 Các bước thiết kế ®iỊu khiĨn mê 89 4.3 ThiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn mờ 90 4.3.1.Thiết kế hàm liên thuộc tập mờ mô men 90 4.3.2.Thiết kế hàm liên thuộc tập mờ từ thông 91 4.3.3.Thiết kế hàm liên thuộc tập mờ góc từ thông 92 4.3.4.Xây dựng luật hợp thành mờ 93 4.3.5.Thiết kế khâu giải mờ điều khiển mờ 94 Mục lục Chương mô truyền động động từ trở (srm) điều khiển mô men trùc tiÕp 95 5.1 Lùa chän th«ng sè cho động từ trở thay đổi 6/4 95 5.2 Xây dùng bé ®iỊu khiĨn fuzzy sư dơng MATLAB 7.6 96 5.3 Xây dựng điều khiển DTC mô cho động từ trở với tham số chọn 104 5.4 So sánh kết mô phương pháp điều khiển mô men trực tiếp (DTC) với phương pháp ®iỊu khiĨn kinh 109 ®iĨn cho ®éng c¬ tõ trë 5.5 KÕt ln 112 Phơ lơc 113 TµI LIƯU THAM KHảO 116 Mục lục Danh mục từ viết tắt DTC (Direct Torque Control): Điều khiển mô men trực tiếp PI ( Proportional Intergrated ): Bé ®iỊu khiĨn tû lƯ tích phân SRM (Switched Reluctance Motor ):Động từ trở TDF (Torque Distribution Function): Hàm phân bố mô men LN (Large Negative) LM (Large Medium) NS (Negative Small) PL (Positive Large) PM (Positive Medium) PS (Positive Small) FB (Flux Big) FS ( Flux Small) S ( Small) M ( Medium) L ( Lagre) VL (Very Large) Danh mục chữ viết tắt -1- Lời nói đầU Ra đời từ năm 50 kỷ 18, động từ trở thay đổi (SRM) loại máy điện quay giới Tuy nhiên số nhược điểm khắc phục vào thời điểm nên động từ trở thay đổi đà không quan tâm ứng dụng MÃi đến năm 1980, công nghệ bán dẫn phát triển vượt bậc cho đời khoá điện tử có khả làm việc với tần số công suất lớn, đáp ứng yêu cầu điều khiển khắt khe động thực thể ưu ứng dụng công nghiệp đời sống Cấu trúc đơn giản, bền vững giá thành sản xuất thấp ưu điểm trội loại động Tuy nhiên mômen đập mạch, tiếng ồn lớn khó khăn điều khiển lại nhược điểm cần khắc phục để đưa động vào sản xuất Với mục tiêu xem xét nghiên cứu động cở từ trở thay đổi loại động phổ biến nay, luận án tác giả mong muốn đưa đến người đọc trước hết nhìn tổng quan động từ trở thay đổi cấu trúc điều khiển thông dụng, sau tập trung vào việc tổng hợp hệ thống điều khiển mô men trực tiếp động Đồng thời tác giả trình bày mô hình mô động hệ thống điều khiển mô men trực tiếp để chứng minh tính đắn lý thuyết phương án điều khiển đề xuất Với hướng nghiên cứu vậy, luận án chia làm chương sau: ã Chương 1: Tổng quan động từ trở thay đổi Trong chương đề cập đến tất vấn đề động cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương trình đường đặc tính quan trọng, phân loại, ứng dụng ưu nhược điểm động Lời nói đầu -2- ã Chương 2: Mô hình hoá động từ trở thay đổi Có hai bước rõ rệt trình bày chương Bước xây dựng mô hình toán học bước hai mô hình hoá dựa vào mô hình toán học môi trường Matlab-Simulink ứng với tham số động từ trở ã Chương 3: Các vấn đề điều khiển động từ trở thay đổi Phần trình bày vấn đề hệ thống điều khiển động là: biến đổi, điều khiển dòng, điều khiển giảm mômen đập mạch điều khiển tốc độ ã Chương 4: Đê xuất mô hình phương pháp điều khiển trực tiếp momen ứng dụng lý thuyết mờ, khái quát xây dung điều khiển mờ ã Chương 5: Thực mô kiểm trứng kết điều khiển mô men trực tiếp ( DTC ) đề xuất loại động từ trở thay đổi cụ thể môi trường mô Matlab/simulation, so sánh đánh giá kết với phương pháp điều khiển kinh điển Với phần trình bày luận văn, tác giả hy vọng đóng góp phần trình nghiên cứu ứng dụng động từ trở thay đổi, đồng thời luận văn trở thành nguồn tài liệu tham khảo bổ ích dành cho kỹ sư sinh viên Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Tiến Sĩ Tạ Cao Minh, người đà trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Bên cạnh đó, tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới kỹ sư bạn sinh viên nhóm nghiên cứu động từ trở thay đổi Trong trình hoàn thành luận văn chắn tránh thiếu sót, tác giả mong muốn nhận góp ý bổ xung thầy cô bạn bè để luận văn ngày hoàn thiện hơn./ Lời nói đầu -3- Chương Tổng quan động từ trở thay đổi Trong chương ta tìm hiểu đặc điểm động từ trở thay đổi qua mục sau: ã Cấu tạo ã Nguyên lý hoạt động ã Nguyên nhân phát sinh mômen ã Các đường đặc tính quan trọng ã Mạch điện thay tương đương ã Phân loại động từ trở thay đổi ã ưu nhược điểm ứng dụng 1.1 Cấu tạo Động từ trở thay đổi có cấu tạo gần giống với động bước thông thường số cực stator nhiều so với động bước, rotor khối làm từ thép mỏng ghép lại cuộn dây nam châm vĩnh cửu (Hình 1.1) cho ta nhìn trực quan cấu tạo cắt ngang động từ trở thay đổi Chương 1: Tổng quan động từ trở thay đổi -4- Hình 1.1 Cấu tạo cắt ngang động từ trở thay đổi 8/6 Nhìn chung động từ trở thay đổi có số đặc điểm cấu tạo sau: ã Cả rotor stator có cực lồi người ta gọi động lồi kép (double salient) ã Không giống stator loại máy điện pha khác (loại máy điện có cuộn dây phân tán tuỳ theo số đôi cực) , stator động từ trở thay đổi có cấu tạo nhiều cực từ chứa cuộn dây tập trung Rotor đơn giản nhiều cuộn dây nam châm vĩnh cửu mà chế tạo vật liệu sắt từ có xẻ với tổng số tổng số cực từ stator ã Các cuộn dây cực đối xứng xuyên tâm stator nối nối tiếp song song để tạo thành pha động ã Cả stator rotor làm từ thép mỏng ghép cách điện để hạn chế dòng Fuco Chương 1: Tổng quan động từ trở thay đổi -104- 5.3 Xây dựng điều khiển DTC mô cho động từ trở với tham số động chon Dùng công cụ mô tiện ích simulation phần mềm Matlab 7.6 để xây dựng mô hình mô điều khiển mô men trực tiếp cho động từ trở ( hình 5.8) Trong khối CONVERTER mạch lực cấp xung điều khiển theo thứ tự điều khiển vào pha, thiết kế chi tiết thể ( hình 5.9) (hình 5.10) Khối Switched Reluctance Motor mô hình động đà chình bầy chương 2/ muc 2.2 Khối Fuzzy Logic Controler điều khiển mờ thiết kế chương 5/ mục 5.3 Khối Position_Sensor cảm biến xác định vị trí roto Khối Subsystem khối tính toán từ thông góc từ thông stator động từ trở trình bầy chương 4/ mục 4.1 Chương Mô truyển động động từ trở (SRM) ®iỊu khiĨn m« men trùc tiÕp 100 0.2 powergui Discrete, Ts = 1e-006 s Fuzzy Logic Controller 240 V V- thta C2 C1 B2 B1 Subsystem Phi S V+ dong A2 A1 phi3 phi2 phi1 sig 40 75 beta m Turn-off angle (deg) Turn-on angle (deg) Switched Reluctance Motor alfa w C2 C1 B2 B2 B1 B1 A2 A2 A1 A1 TL Position _Sensor 100 DTC Control For Switched Reluctance Motor By Fuzzy Controler Product G CONVERTER K- More Info ? Scope -105- Hình 5.8 Mô hình điều khiển động từ trở theo phương pháp điều khiển mô men trực tiếp Chương Mô truyển động động từ trở (SRM) điều khiển mô men trực tiếp -106- Mạch lực dùng để cấp xung mở van công suất IGBT thông qua tín hiêu đặt vào cổng G thứ tự cuộn cấp chi tiết theo nguyên lý chình bầy chi tiết chương Hình 5.9.Mạch lực Chương Mô truyển động động từ trở (SRM) điều khiển mô men trực tiếp -107- Hình 5.10.Mạch điều khiển cho pha Kết mô phương pháp điều khiển mô men trực tiếp thể (hình 5.12) với giá trị đặt sau: ã Từ thông stator : 0.2 V*s ã Mô men đặt 100 N*m ã Mô men tải 100 N*m Chương Mô truyển động động từ trở (SRM) điều khiển mô men trực tiếp -108- Hình 5.12 Đồ thị thay đổi theo thời gian a) Từ thông b) Dòng điện stator c) Mô men d) Tốc độ Khi chạy theo phương pháp điều khiển mô men trực tiếp Nhận xét: Kết mô đà phản ánh với nguyên lý hoạt động phân tích chương Từ đồ thị hình a, b, c, d ta thấy tốc độ động ổn định 3000 vòng/phút sau 0.25s từ thông đặt 0.2 V*s, mô men đặt 100 N*m, mô men tải 100 N*m, Chương Mô truyển động động từ trở (SRM) điều khiển mô men trực tiếp -109- 5.4 So sánh kết mô phương pháp điều khiển mô men trực tiêp (DTC ) với phương pháp điều khiển kinh điển cho động từ trở Đê chứng minh tính đắn phương pháp điều khiển mô men trực tiếp mô hình điều khiển động từ trở theo phương pháp ®iỊu khiĨn kinh ®iĨn víi cïng bé tham sè cđa động từ trở Chương Mô truyển động động từ trở (SRM) điều khiển mô men trực tiÕp 300 powergui Discrete, Ts = 1e-006 s 240 V V- sig beta alfa w C2 C1 B2 Switched Reluctance Motor m Turn-off angle (deg) Switched Reluctance Motor 75 Turn-on angle (deg) C2 C1 B2 B2 B1 B1 B1 A1 A1 TL A2 A2 40 100 A2 Position _Sensor V+ G A1 CONVERTER More Info ? K- Scope -110- H×nh 5.11 Mô hình điều khiển động từ trở theo phương pháp kinh điển Chương Mô truyển động động từ trở (SRM) điều khiển mô men trực tiếp -111- Kết mô phương pháp điều khiển kinh điển thể (hình 5.13) với giá trị đặt sau: ã Dòng điện : 300 A ã Mô men tải: 100 N*m Hình 5.13 Đồ thị thay đổi theo thời gian a) Từ thông b) Dòng điện stator c) Mô men d) Tốc độ Khi chạy theo phương pháp điều khiển kinh điển Nhận xét: Từ đồ thị hình a, b, c, d ta thấy tốc độ động ổn định 3000 vòng/phút sau 0.45s dòng đặt 300A mô men tải 100N*m Chương Mô truyển động động từ trở (SRM) điều khiển mô men trực tiếp -112- 5.5 Kết luận Từ kết mô hai phương pháp điều khiển trực tiếp mô men phương pháp điều khiển kinh điển tham số động từ trở ta thấy phương pháp điều khiển mô men trực tiếp đáp ứng tốc độ nhanh so với phương pháp điều khiển kinh điển nhiên độ nhấp nhô mô men lại lơn hơn, nhược điểm cần nghiên cứu phát triển để củng cố điều khiển mô men trực tiếp cho động từ trở Chương Mô truyển động động từ trở (SRM) điều khiển mô men trực tiếp -116- tài liệu tham kh¶o [1] ABB - Technical Guider No.01 - Direct Torque Control [2] Adrian David Cheok and Yusuke Fukuda A new torque and flux control method for switched reluctance motor driver july 2002 [3] Phạm Công Dũng, Nguyễn Đình Minh Châu Điều khiển trực tiếp mô men động không đồng víi bé ®iỊu khiĨn mê øng dơng DSP DS 1104 , Hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học lần thứ năm 2008, Đại học Đà Nẵng [4] Phan Xuân Minh, Nguyễn DoÃn Phước Lý thuyết điều khiển mờ - NXB Khoa Häc Kü ThuËt - 2002 [5] Bïi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện - NXB Khoa Häc Kü ThuËt 2004 [6] T.J.E Miller, Switched Reluctance Motors and Their Control, Clarendon Press, Oxford, 1993 [7] NguyÔn Phùng Quang Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiĨn tù ®éng - NXB Khoa Häc Kü Tht - 2005 [8] Ngun Phïng Quang, Andreas Dittrich Trun ®éng ®iƯn th«ng minh - NXB Khoa Häc Kü ThuËt - 2005 [9] R Krishnan Switched Reluctance Motor Drives, Modeling, Simulation, Analysis, Design, and Applications – CRC Press LLC – 2001 Tµi liƯu tham kh¶o -117- [10] Yinghui Lu Instantaneous torque control of switched reluctance motor – A thesis presented for the Master of Science Degree, the University of Tennessee, Knoxville August 2002 Tài liệu tham khảo -113- phụ lục Các modul thiết kế điều khiển mờ môi trường MATLAB 7.6 Hình P1 Modul xây dựng quan hệ mờ Phụ lục -114- Hình P2 Modul xây dựng bảng( lookup table ) quan hệ mô men với dòng góc từ thông Phụ lục -115- Hình P2 Modul xây dựng bảng( lookup table ) quan hệ dòng với từ thông góc từ thông stator Phô lôc Phô lôc ... sinh m? ?men Để điều khiển m? ?men động nhằm mục đích giảm độ đập mạch m? ?men ta cần tìm hiểu nguyên nhân phát sinh m? ?men động cơ, qua thấy m? ?men phụ thuộc vào yếu tố Sự sản sinh m? ?men động từ trở. .. Xây dựng điều khiển DTC mô cho động từ trở với tham số chọn 104 5.4 So sánh kết mô phương pháp điều khiển mô men trực tiếp (DTC) với phương pháp điều khiển kinh 109 điển cho động từ trở 5.5 Kết... quan động từ trở thay đổi cấu trúc điều khiển thông dụng, sau tập trung vào việc tổng hợp hệ thống điều khiển mô men trực tiếp động Đồng thời tác giả trình bày mô hình mô động hệ thống điều khiển