Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu sử dụng phương pháp thụ động tựa theo từ thông rotor

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Giao Linh NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỤ ĐỘNG TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR Chuyên ngành : Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG Hà Nội – 2013 Luận văn tốt nghiệp 2013 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT……………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ…………………………… MỞ ĐẦU……………………………………………………………… CHƯƠNG NGUYÊN LÝ THỤ ĐỘNG………………………… Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động……………………… 1.1.1 Đối tượng thụ động ………………………………………… 1.1.2 Đặc điểm tiêu tán thụ động ……………………………… 1.1.3 Hệ Euler-Lagrange mô tả hệ thụ động …………………… 10 1.1.3.1 Phương trình Euler- Lagarang ……………………………… 10 1.1.3.2 Đặc điểm thụ động hệ Euler-Lagarang ………………… 11 1.1.3.3 Khả phân tích hệ EL thành hai hệ ……………… 13 1.1.3.4 Đặc điểm bảo toàn hệ EL nối hai hệ với nhau…… 15 1.1.3.5 Đặc điểm thụ động hệ kín ……………………………… 16 1.1.3.6 Phân loại Euler-Lagarange………………………………… 18 1.1.3.7 Đặc tính ổn định hệ Euler-Lagarange……………………… 19 1.1.4 Phương pháp thiết kế tựa theo đặc điểm thụ động…………… 20 CHƯƠNG MƠ HÌNH ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN…………… 22 1.1 2.1 Véc tơ không gian hệ tọa độ từ thơng …………………… 22 2.2 ĐCĐB kích thích vĩnh cửu(PMSM) ………………………… 25 2.3 Mơ tả tốn học PMSM hệ tọa độ từ thông dq……… 26 Luận văn tốt nghiệp 2013 CHƯƠNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 29 VÀ THIẾT KẾ HÀM ĐIỀU KHIỂN CHO PMSM 3.1 Cấu trúc kinh điển hệ thống điều khiển tựa theo từ thông rotor 29 PMSM ………………………………………………………… 3.2 Cấu trúc hoàn chỉnh hệ thống điều khiển PMSM ……………… 31 3.3 Vận dụng phương pháp tìm hàm điều khiển cho PMSM ……… 33 3.3.1 Mơ hình Euler- Lagarang PMSM………………………… 33 3.3.2 Đặc điểm thụ động ĐCĐB ……………………………… 35 3.3.3 Thiết kế hàm điều khiển cho ĐCĐB ………………………… 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG ……… 45 Tài liệu tham khảo …………………………………………………… 66 Luận văn tốt nghiệp 2013 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu isu , isv , isw is Ba dịng pha mạch điện phía stator Vector dòng điện stator is , is Các thành phần vector dòng điện stator hệ tọa độ  isd , isq Các thành phần vector dòng điện stator hệ tọa độ dq usu , usv , usw Ba điện áp pha mạch điện phía stator us Vector điện áp stator us , us Các thành phần vector điện áp stator hệ tọa độ  usd , usq Các thành phần vector dòng điện stator hệ tọa độ dq ψs Vector từ thông stator ψp Vector từ thông cực ψsd ,ψsq Các thành phần vector từ thông stator hệ tọa độ dq Rs Điện trở stator Ls Vector điện cảm stator Lsd , Lsq Các thành phần vector điện cảm stator hệ tọa độ dq p Số đôi cực  Tốc độ góc rotor s Tốc độ góc điện rotor s J mM , mW óc lệch hai hệ tọa độ  dq Mô-men qn tính rotor Mơ-men điện từ động tạo mô-men tải Luận văn tốt nghiệp 2013 kf Hệ số cản nhớt * Chỉ số bên phải, giá trị đặt s Chỉ số bên phải, vector biểu diễn hệ tọa độ  f Chỉ số bên phải, vector biểu diễn hệ tọa độ dq  Dấu đặt bên trên, đại lượng ước lượng được, tính tốn  Dấu chấm bên trên, phép tính đạo hàm Các chữ viết tắt ĐCMC Động chiều XCBP Xoay chiều ba pha PMSM Đồng kích thích vĩnh cửu SISO Hệ vào – (Single Input – Single Output) MIMO Hệ nhiều vào – nhiều (Multiple Input – Multiple Output) PI Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân (Proportional – Integral) FOC Điều khiển tựa theo từ thông rotor (Field-Oriented Control) CLF Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function) GAS Ổn định tiệm cận toàn cục (Globally Asymptotically Stable) GUAS Ổn định tiệm cận toàn cục (Globally Uniformly Asymptotically Stable) Luận văn tốt nghiệp 2013 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu hình Tên hình v v Trang 1.1 Phân tích hệ EL thành hai hệ thụ động 13 1.2 Hai hệ nối phản hồi âm với 16 2.1 Xây dựng vector dòng stato từ dòng pha 22 2.2 Hệ tọa độ  hệ tọa độ dq 24 Mơ hình trạng thái dạng phi tuyến PMSM hệ 2.3 tọa độ dq 28 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển động 29 3.2 Nguyên lý khâu tạo giá trị đặt cho dòng 31 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 32 3.4 Phân tích mơ hình PMSM thành hệ nối phản hồi âm với 37 3.5 Bộ điều khiển tốc độ vịng ngồi 38 3.6 Cấu trúc điều khiển tốc độ PMSM 39 3.7 Bộ điều khiển tốc độ PI vịng ngồi 44 4.1 Mơ hình tốn học PMSM hệ tọa độ dq 45 4.2 Nghịch lưu nguồn áp 46 4.3 Khối SVM 46 4.4 Khối PWM pulse 47 4.5 Kiểm tra khối SVM + NLNA 48 4.6 Dạng sóng muốn chế 48 Luận văn tốt nghiệp 2013 4.7 Điện áp vào động 49 4.8 Sóng hài đặt vào động 49 4.9 Sơ đồ điều khiển dòng hệ tọa độ dq 50 4.10 Sơ đồ mô vòng điều chỉnh dòng 51 4.11 Đáp ứng độ thành phần dịng stator 51 4.12 Mơ men động 52 4.13 Điện áp đặt vào động 53 4.14 Hệ thống điều chỉnh tốc độ 54 4.15 Đáp ứng độ không tải 55 4.16 Các thành phần dòng stator 55 4.17 Điện áp vào động sóng hài 56 4.18 Tốc độ đặc tính lúc đầy tải 57 4.19 Các thành phần dòng lúc đầy tải 57 4.20 Mo men động lúc đầy tải 58 Luận văn tốt nghiệp 2013 MỞ ĐẦU Trong nhiều năm, hệ truyền động điện công nghiệp thường sử dụng ĐCMC, ĐCMC có đặc điểm cách ly tự nhiên dịng điện tạo mơmen (dịng mạch điện phần ứng) dịng điện tạo từ thơng (dịng mạch điện kích từ), cho phép dễ dàng tạo chất lượng động học mong muốn Nhưng nhược điểm lớn ĐCMC cấu tạo chổi than – cổ góp, chổi than s bị mòn sau thời gian làm việc, s xảy tượng đánh lửa Gần đây, hệ truyền động xoay chiều thay dần hệ truyền động chiều nhờ có ưu vượt trội so với hệ truyền động truyền thống giá thành hạ, chí phí vận hành bảo dưỡng thấp hơn, độ tin cậy cao hơn, nhỏ gọn hơn…Trong đó, động đồng kích từ vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM) dần chiếm tỉ trọng lớn hệ truyền động xoay chiều ứng dụng dân dụng khác Hình sau mô tả cấu trúc điều khiển kinh điển động PMSM: Suy giảm từ thông Bộ điều khiển tốc độ  DC-link isd* * Bộ điều khiển dòng usd * sq i _ usq e js us Điều chế vector us tu tv tw = 3~ u v w  isd isq is e  js is isu isv isw s  PMSM Đo tốc độ Trong cấu trúc này, giá trị đặt thành phần dòng isq* điều khiển tốc độ có cấu trúc PI tính Cịn giá trị đặt thành phần dịng isd* thường chọn b ng Trong trường hợp động ĐB-KTVC phải hoạt động dải tốc độ danh định, ta áp dụng phương pháp suy giảm từ thông, cụ thể ta s bơm vào trục d dòng điện mang dấu âm với độ lớn phụ thuộc vào tốc độ quay iá trị đặt isd* s khâu suy giảm từ thơng tính tốn Bộ điều khiển dịng có Luận văn tốt nghiệp 2013 nhiệm vụ tính tốn thành phần điện áp usd , usq , cho đưa thành phần dòng isd , isq bám theo giá trị đặt isd* isq* Do thành phần dòng áp hai trục d , q có tương tác với nên điều khiển dòng đòi hỏi phải khâu điều chỉnh nhiều chiều iải pháp thời sử dụng rộng rãi sử dụng điều khiển dòng gồm hai khâu điều chỉnh PI, kết hợp với thành phần bù tương tác chéo [2] Tuy nhiên, thực tiễn chứng minh, giải pháp kể đảm bảo hoạt động tốt dải tốc độ danh định dải tốc độ danh định (vùng suy giảm từ thông), mà điện áp (biến điều khiển) dòng điện (biến trạng thái) vào giới hạn, cấu trúc kinh điển bộc lộ nhiều nhược điểm Ngoài ra, điều khiển PI cấu trúc kinh điển nhạy cảm với thay đổi tham số nhiễu tải Do hạn chế đó, giải pháp điều khiển phi tuyến k vọng s phù hợp với chất phi tuyến bilinear động kh c phục nhược điểm cịn tồn Có nhiều phương pháp điều khiển phi tuyến đề xuất cho kết khả quan : phương pháp Backstepping, phương pháp tuyến tính hóa xác, phương pháp hệ phẳng, phương pháp tựa theo thụ động Tuy ý tưởng thiết kế phương pháp khác xuất phát từ mơ hình phi tuyến động Trong phạm vi đồ án này, em tìm hiểu phương pháp tựa theo đặc điểm thụ động (Passivity-Based Controller Design) vận dụng phương pháp để thiết kế cấu trúc điều khiển đối tượng Động đồng kích thích vĩnh cửu (PMSM), xem xét triển vọng hướng nghiên cứu Luận văn tốt nghiệp 2013 CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ THỤ ĐỘNG 1.1 Nguyên lý điều khiển tựa theo thụ động 1.1.1 Đối tượng thụ động Hệ thụ động lớp hệ động học mà trao đổi lượng hệ thống đóng vai trị chủ đạo Cụ thể, hệ thụ động phát lượng lớn lượng mà cấp từ bên Hoặc hiểu theo cách trực quan là: Hệ thụ động không tự sinh lượng mà đóng vai trị biến đổi lượng cung cấp thành lượng dạng dạng khác Mặt khác, hệ thụ động chứa nhiều lượng mức mà cung cấp từ bên ngồi Phần chênh lệch lượng tiêu tán Như theo quan điểm ổn định vào – hệ thụ động ổn định lượng nội hệ khơng thể lớn lượng nguồn cung cấp 1.1.2 Đặc điểm tiêu tán thụ động Tiêu tán đặc điểm hệ thống vật lý, có liên quan mật thiết với thất hay tiêu hao lượng Lần nh c đến Willems tài liệu thuộc tính thuộc tính biết rõ hệ thụ động Ví dụ tiêu biểu hệ thống tiêu tán mạch điện, hệ phần lượng điện từ tiêu hao thành nhiệt điện trở Trong hệ thống lực ma sát đóng vai trị tương tự điện trở Để định nghĩa mặt tốn học thuộc tính tiêu tán, cần biết hai hàm sau: hàm mức cấp (supply rate function), tốc độ mà lượng chảy vào hệ thống; hàm chứa (storage function), hàm đo mức lượng chứa bên hệ thống Các hàm liên hệ qua thăng giáng tiêu tán (the dissipation inequality), trạng thái mà suốt quỹ đạo thời gian (time trajectories) hệ tiêu tán, tốc độ cấp không nhỏ tốc độ tăng lên hàm chứa (the suply rate is not less than its increase in storage) Điều diễn giải thực tế r ng hệ tiêu tán chứa nhiều lượng lượng cung cấp từ bên ngoài, với phần chênh lệch trở thành lượng tiêu hao Luận văn tốt nghiệp 2013 Tốc độ đáp ứng 0.25 ms_đáp ứng yêu cầu tốc độ đáp ứng vòng điều chỉnh dòng Mức độ dao động độ điều chỉnh thấp H4.12.Mô men động 52 Luận văn tốt nghiệp 2013 H4.13 Điện áp đặt vào động H4.13.Sóng hài điện áp đặt vào động 53 Luận văn tốt nghiệp 2013 4.4 Hệ thống điều khiển tốc độ hoàn chỉnh: H4.14 Hệ thống điều chỉnh tốc độ Bộ điều khiển tốc độ có thơng số sau: 54 Luận văn tốt nghiệp 2013  Khởi động không tải: H4.15.Đáp ứng độ không tải Thời gian độ 0.18s; độ điều chỉnh 26.6% H4.16 Các thành phần dịng stator 55 Luận văn tốt nghiệp 2013 H4.16 Mơ men H4.17 Điện áp vào động sóng hài 56 Luận văn tốt nghiệp 2013  Khởi động đầy tải : H.18 Tốc độ đặc tính tải lúc đầy tải Thời gian độ 0.16s; độ điều chỉnh 16.7% H4.19 Các thành phần dòng lúc đầy tải 57 Luận văn tốt nghiệp 2013 H4.20.Mô men động lúc đầy tải H4.21.Điện áp vào động lúc đầy tải 58 Luận văn tốt nghiệp 2013  Khởi động non tải: H.4.22 Đáp ứng tốc độ non tải H4.23 Các thành phần dòng non tải 59 Luận văn tốt nghiệp 2013 H4.24.Mô men động lúc non tải H4.25.Điện áp vào động lúc non tải 60 Luận văn tốt nghiệp 2013  Khởi động tải 50%: H4.26.Đáp ứng tốc độ lúc tải 61 Luận văn tốt nghiệp 2013 H4.27.Các thành phần dòng lúc tải H4.28.Mô men động lúc tải H4.29 Điện áp vào động lúc tải 62 Luận văn tốt nghiệp 2013 Khi động chạy tải tới 50%, tiêu chất lượng điều khiển chấp nhận Tuy nhiên, thành phần dòng stator Isq lớn (22A chế độ xác lập Isq max tới gần 40A ) gây hại cho động  Khi đảo chiều quay có bước nhảy phụ tải: H4.30 Đáp ứng tốc độ H4.31 Các thành phần dòng stator 63 Luận văn tốt nghiệp 2013 H4.32 Mô men động H4.33 Điện áp vào động 64 Luận văn tốt nghiệp 2013 KẾT LUẬN  Nhận xét kết mô phỏng: Hệ thống điều chỉnh tốc độ cho động đồng kích từ vĩnh cửu thiết kế theo phương pháp tựa theo thụ động mô simulink cho kết khả quan, thể số đặc điểm sau:  Triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh  Thời gian độ nhỏ (cỡ 0.17s)  Độ điều chỉnh lúc chạy khơng tải cịn lớn ( 26.6%) Đây nhược điểm cần kh c phục  Khả thich nghi với nhiễu tải tốt Chất lượng điều khiển đảm bảo động vận hành non tải tải tới 50%  Đảo chiều quay tốt  Một nhược điểm điều khiển dòng stator lớn đảo chiều  Hướng phát triển đề tài:  Kiểm tra chất lượng điều khiển chế độ vận hành phi tuyến động cơ, xem xem điều khiển có mang lại chất lượng tốt so với điều khiển tuyến tính kinh điển chế độ vận hành kh c nghiệt hay không  Cài đặt thêm thuật toán nâng cao : nhận dạng tham số, thiết kế quan sát phụ tải…  Nghiên cứu xem xét triển vọng phương pháp điều khiển dựa theo thụ động với điểm xuất phát khác với phương pháp thiết kế trên, coi động hệ điện hoàn chỉnh Sau sử dụng phương pháp PBC để thiết kế điều khiển cho tồn hệ thụ động 65 Luận văn tốt nghiệp 2013 Tài liệu tham khảo [1] Ortega R.; Loría A.; Nicklasson P.J.; Sira-Ramírez H Passivity Based control of Euler-Lagrange systems: Mechanical, Electrical, Electrical and Mechanical Applications Springer, 1998 [2] Nguyễn Phùng Quang Vector Control of Three Phase AC Machines [3] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich Truyền động điện thông minh NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 [4] Nguyễn Phùng Quang Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [5] Triệu Đức Long Phân tích đặc điểm thụ động động khơng đồng rotor lồng sóc Kiểm tra triển vọng thiết kế điều khiển sở kết phân tích thu (Passivity Based Control Design) Luận văn thạc sỹ ĐHBK Hà Nội, 2004 [6] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung Lý thuyết điều khiển phi tuyến NXB K &KT, tái có bổ sung lần 2, 2006 66 ... CHƯƠNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 29 VÀ THIẾT KẾ HÀM ĐIỀU KHIỂN CHO PMSM 3.1 Cấu trúc kinh điển hệ thống điều khiển tựa theo từ thông rotor 29 PMSM ………………………………………………………… 3.2 Cấu trúc. .. này, em tìm hiểu phương pháp tựa theo đặc điểm thụ động (Passivity-Based Controller Design) vận dụng phương pháp để thiết kế cấu trúc điều khiển đối tượng Động đồng kích thích vĩnh cửu (PMSM), xem... 3.3.2 Đặc điểm thụ động ĐCĐB Động đồng kích từ vĩnh cửu thuộc lớp đối tượng thụ động mà ta nghiên cứu phần trước Đây đặc điểm làm tảng cho việc thiết kế điều khiển tựa theo thụ động Như trình