Nghiên cứu tổng hợp cấu trúc điều khiển véc tơ truyền động động cơ không đồng bộ với tải có khớp nối mềm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VÕ THANH HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ VỚI TẢI CĨ KHỚP NỐI MỀM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VÕ THANH HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI TẢI CÓ KHỚP NỐI MỀM Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Nguyễn Phùng Quang Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Các số liệu, kết luận án hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2019 Tác giả luận án Võ Thanh Hà LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài “Nghiên cứu tổng hợp cấu trúc điều khiển véc tơ truyền động động khơng đồng với tải có khớp nối mềm”, tác giả nhận nhiều giúp đỡ, đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn, giúp đỡ thầy cô Viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp -Trường Đại học Bách Trong nghiên cứu sinh thầy giáo GS TSKH Nguyễn Phùng Quang hướng dẫn trực tiếp suốt trình thực luận án Tác giả trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Trần Trọng Minh, PGS.TS Bùi Quốc Khánh, TS Phạm Quang Đăng đóng góp ý kiến quý báu cho nghiên cứu sinh suốt trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, để nghiên cứu sinh thực tự tin, tin tưởng vào kết đóng góp luận án nghiên cứu khoa học lý thuyết triển khai xuống thực tiễn Và nghiên cứu sinh bày tỏ lòng cảm ơn đến TS Vũ Hoàng Phương bạn kỹ sư, sinh viên Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp đồng hành, hỗ trợ tận tình suốt trình nghiên cứu sinh triển khai thực nghiệm, để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án Tác giả chân thành cảm ơn Viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp Bộ phận đào tạo sau đại học (Phòng đào tạo) - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi thời gian sở vật chất trình thực luận án Tác giả bày tỏ lời cảm ơn tới Lãnh đạo Trường Đại học Giao thông vận tải, Ban chủ nhiệm Khoa Điện-Điện tử đồng nghiệp Bộ môn Kỹ Thuật Điện nơi tác giả công tác, tạo điều kiện để tác giả thuận lợi thời gian học tập nghiên cứu luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè động viên giúp đỡ mặt góp phần vào thành cơng luận án Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới gia đình ln động viên hỗ trợ vật chất tinh thần lúc khó khăn, mệt mỏi nhất, để tác giả yên tâm trình nghiên cứu, góp phần khơng nhỏ vào thành cơng luận án Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2019 Tác giả luận án Võ Thanh Hà MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU KHIỂN VECTOR TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB THEO NGUYÊN LÝ TỰA TỪ THÔNG ROTOR 14 1.1 Đặt vấn đề 14 1.2 Tổng quan điều khiển hệ truyền động KĐB 15 1.2.1 Tổng quan phương pháp điều khiển hệ truyền động KĐB 15 1.2.2 Tổng quan phương pháp điều khiển mạch vịng điều chỉnh……………………… 17 1.3 Tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển hệ truyền động KĐB 22 1.4 Tình hình định hướng nghiên cứu nước 25 1.5 Định hướng nghiên cứu luận án 26 MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG KĐB 28 2.1 Mơ hình điều khiển động KĐB-RLS hệ tọa độ dq 28 2.2 Phần tải hệ truyền động 32 2.2.1 Đặt vấn đề 32 2.2.2 Đặc điểm tải điển hình hệ truyền động điện 33 2.2.3 Phân tích động lực học khớp nối mềm 36 2.3 Giới hạn nghiên cứu 37 2.4 Mơ hình ĐK truyền động động KĐB với tải có khớp nối mềm 38 2.5 Kết luận chương 42 TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN MẠCH VÒNG DÒNG STATOR 44 3.1 Đặt vấn đề 44 3.2 Tổng hợp đánh giá điều khiển dòng stator 45 3.2.1 Thiết kế điều khiển dòng stator kiểu PI 45 3.2.2 Thiết kế điều khiển dòng stator sử phương pháp TTHCX 49 3.2.3 Thiết kế điều khiển dòng stator sở nguyên lý phẳng 53 3.2.4 Thiết kế điều khiển dòng stator deadbeat truyền thống 58 3.2.5 Thiết kế cải tiến điều khiển dòng stator deadbeat 63 3.3 Đáp ứng mô-men mạch vịng dịng stator nhanh, xác, tách kênh 71 3.4 Kết luận chương 75 TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ 76 4.1 Đặt vấn đề 76 4.2 Tổng hợp, đánh giá thiết kế điều khiển tốc độ hệ truyền động động KĐB với tải có khớp nối cứng 78 4.2.1 Thiết kế điều khiển PI tốc độ kiểu 78 4.2.2 Thiết kế điều khiển tốc độ theo phương pháp backstepping .82 4.2.3 Thiết kế điều khiển tốc độ dựa nguyên lý phẳng 88 4.2.4 Kết mô đánh giá độ bền vững hệ thống 93 4.3 Đặc điểm hệ truyền động động KĐB ghép với tải qua khớp nối mềm 95 4.3.1 Khảo sát ảnh hưởng thông số đối tượng đến hệ truyền động 95 4.3.2 Thiết kế điều khiển tốc độ, từ thông dựa nguyên lý phẳng 101 4.3.3 Thiết kế điều khiển tốc độ, từ thông theo phương pháp backstepping 108 4.3.4 Kết mô off-line mô thời gian thực (HIL) 113 4.4 Kết luận chương 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đà CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 130 PHỤ LỤC 132 Phụ lục A: Thông số động KĐB-RLS sử dụng q trình mơ thực nghiệm 132 Phụ lục B: Thông số truyền động động KĐB với tải có khớp nối mềm sử dụng q trình mơ thực nghiệm 133 Phụ lục C: Các thiết kế mô Matlab/Simulink triển khai thực nghiệm 133 Phụ lục D: Mơ hình thực nghiệm 135 Phụ lục E: Cấu trúc thực thực nghiệm HIL 141 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT s , r Tốc độ góc vector thuộc mạch điện stator, rotor  is Tốc độ góc học rotor Vector dòng stator isd , isq , is , is Các thành phần vector dòng stator hệ tọa độ dq β ir Vector dòng rotor ird , irq , ir , ir Các thành phần vector dòng rotor hệ tọa độ dq β s Vector từ thông stator sd , sq Các thành phần vector từ thông stator hệ tọa độ dq Ψr Vector từ thông rotor rd , rq Các thành phần vector từ thông stator hệ tọa độ dq us Vector điện áp stator usd , usq Các thành phần vector điện áp stator hệ tọa độ dq A B Ma trận hệ thống N Ma trận tương tác phi tuyến u Vector biến đầu vào x Vector biến trạng thái y Vector biến đầu r Vector bậc tương đối L (x) Ma trận tách kênh Lm Hỗ cảm stator rotor Ls , Lr Điện cảm stator rotor L s , L r Điện cảm tản phía stator rotor R s , Rr Điện trở stator rotor  zp Hệ số từ tản toàn phần Số cặp cực J Mơ-men qn tính J1, J2 Mơ-men qn tính động tải 1;  1  1;  2 Gia tốc góc động tải Vận tốc góc động tải 1;2 Góc quay động tải mM ;mL Mô-men động cơ, mô-men tải Ma trận đầu vào mmax ; mmin Mô-men cực đại, cực tiểu c Hệ số cứng trục nối d Hệ số tắt dần Backstepping ĐCVTKG ĐCMCKTĐL DTC ĐK DSP Exact Linearizatiom FOC FPGA ĐCVTKG FRT HIL IGBT IM MIMO MCKTĐL MHTT KĐB-RLS KĐB Latness MPC PI PWM TTHCX T4R Cuốn chiếu Điều chế vector không gian Động chiếu kích từ độc lập Direct Torque Control – điều khiển mô-men trực tiếp Điều khiển Digital Signal Processor Tuyến tính hóa xác Field Oriented Control Field Programmable Gate Array Điều chế vector không gian Finite response time Hardware-in-the -lood Insulated Gate Bipolar Transistor Induction motor Multi-Input – Multi-Output Một chiều kích từ độc lập Mơ hình tính tốn từ thơng Khơng đồng -rotor lồng sóc Khơng đồng Tựa phẳng Model Predictive Control Proportional-Intergral Pulse Width Modulation Tuyến tính hóa xác Tựa từ thơng rotor DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các phương pháp điều khiển hệ truyền động động KĐB 16 Hình 1.2 Phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (FOC) 17 Hình 1.3 Phương pháp điều khiển mạch vòng hệ truyền động động KĐB 18 Hình 1.4 Tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển hệ truyền động KĐB 23 Hình 1.5 Đáp ứng hệ điều khiển truyền động điện 25 Hình 2.1 Cấu trúc mơ hình điều khiển động KĐB-RLS 30 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động KĐB-RLS 31 Hình 2.3 Đặc tính tải phản kháng mô-men không đổi 33 Hình 2.4 Đặc tính tải có mơ-men không đổi 34 Hình 2.5 Đặc tính mơ-men ma sát (a) sơ đồ hàm truyền (b) Đặc tính tải truyền động bơm, quạt (c); Sơ đồ khối (d) 36 Hình 2.6 Đặc tính tải cơng suất không đổi (a); Sơ đồ khối (b) 36 Hình 2.7 Hệ truyền động ghép mềm động với phụ tải 37 Hình 2.8 Cấu trúc hệ truyền động ghép mềm động với phụ tải 38 Hình 2.9 Cấu trúc dạng sơ đồ khối hệ ghép mềm với phụ tải (a) Mô hình đầy đủ (b) Mơ hình biến đổi để tìm hàm truyền 40 Hình 2.10 Đồ thị biên–tần Gs1 40 Hình 2.11 Đồ thị Bode GS  s  : Dạng đồ thị tỷ lệ quán tính x thay đổi 41 Hình 2.12 Đồ thị biên–tần Gs2 với giá trị d khác 41 [[[Ơ Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển PI dòng stator 47 Hình 3.2 Kết mơ thực nghiệm đáp ứng động học dòng isd , isq, tốc độ điều khiển PI dòng stator 48 Hình 3.3 Cấu trúc chuyển đổi tọa độ trạng thái hệ phi tuyến sang tuyến tính thay 50 Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển dòng stator sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xác 52 Hình 3.5 Kết mơ thực nghiệm đáp ứng dòng isd, isq tốc độ điều khiển sử dụng TTHCX dòng stator 53 Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển vịng hở sử dụng mơ hình đảo 54 Hình 3.7 Cấu trúc ĐK vịng kín sử dụng mơ hình đảo, thiết lập quỹ đạo phản hồi 54 Hình 3.8 Cấu trúc ĐK dịng stator dựa nguyên lý tựa phẳng 56 Hình 3.9 Kết mơ thực nghiệm đáp ứng dòng isd , isq tốc độ điều khiển dựa nguyên lý phẳng dòng stator 57 Hình 3.10 Cấu trúc ĐK số tổng quát hệ SISO miền thời gian gián đoạn 58 Hình 3.11 Giá trị đặt thực hệ SISO với tốc độ đáp ứng hữu hạn 58 Hình 3.12 Sơ đồ khối vịng ĐK dòng stator is động KĐB hệ tọa độ dq 59 Hình 3.13 Kết mơ thực nghiệm đáp ứng dòng isd , isq tốc độ điều khiển deadbeat truyền thống dòng stator 61 Hình 3.14 Kết mơ thực nghiệm điều khiển deadbeat truyền thống dòng stator Tr giảm 62 Hình 3.15 Cấu trúc điều khiển dòng stator deadbeat cải tiến 68 Hình 3.16 Kết mơ thực nghiệm đáp ứng dịng isd isq tốc độ điều khiển dòng stator deadbeat cải tiến 69 Hình 3.17 Kết mơ thực nghiệm ĐK dòng stator deadbeat cải tiến 70 Hình 3.18 Cấu trúc ĐK tốc độ động KĐB-RLS vòng ĐK dòng stator thiết kế nhanh, xác tách kênh 72 Hình 3.19 Cấu trúc ĐK mơ-men động ghép mềm với phụ tải(vùng tốc độ bản) 75 [Ơ Hình 4.1 Cấu trúc ĐK tốc độ PI động ghép cứng với phụ tải 78 Hình 4.2 Kết mơ thực nghiệm đáp ứng tốc độ mô-men –bộ ĐK PI tốc độ 81 Hình 4.3 Cấu trúc tổng quát điều khiển backstepping 83 Hình 4.4 Cấu trúc ĐK mạch vòng tốc độ theo phương pháp backstepping động ghép cứng với phụ tải 84 Hình 4.5 Kết mơ thực nghiệm đáp ứng từ thông, tốc độ mô-mentheo phương pháp backstepping 86 Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc ĐK tốc độ dựa nguyên lý phẳng động ghép cứng với phụ tải 89 Hình 4.7 Kết mô thực nghiệm đáp ứng tốc độ mô-men theo nguyên lý phẳng 92 Hình 4.8 Đáp ứng tốc độ, mơ-men giá trị điện trở Rr tăng 94 Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển tốc độ PI hệ truyền động động KĐB 96 ghép với khớp qua khớp nối mềm 96 Hình 4.10 Đồ thị đặc tính biên – pha hệ thay đổi c 97 Hình 4.11 Đáp ứng tốc độ động tải thay đổi hệ số cứng trục nối c 97 [60] Mattias Nordin, Per-Olof Gutman, Controlling mechanical systems with backlash—a survey, Automatica 38 (2002) 1633 – 1649 [61] Ghazanfer Shahgholian, Jawad Faiz, Pegah Shafaghi, Analysis and Simulation of Speed Control for Two-Mass Resonant System, 2009 Second International Conference on Computer and Electrical Engineering [62] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2009 [63] R.M.R Bruns, J.F.P.B Diepstraten, X.G.P Schuurbiers and J.A.G Wouters, Motion Control of Systems with Backlash, 2009, pp 2-4 [64] Mattias Nordin, Per-Olof Gutman, Controlling mechanical systems with backlash, 2002 [65] D.Schröder, Intelligent Observer and Control Design for Nonlinear Systems, 2000, pp 41-46 [66] Jingqing Han From PID to Active Disturbance Rejection Control, IEEE Transaction on Inductrial Electronic, Vol.56, No.3 march 2009 [67] G Herbst, A Simulative Study on Active Disturbance Rejection Control (ADRC) as a Control Tool for Practitioners, Electronic, Vol 2, 2013, pp 246-279 [68] L Wang and Y Frayman, (2002) A dynamically generated fuzzy neural network and its application to torsional vibration control of tandem cold rolling mill spindles, Eng Appl Artif Intell., vol 15, no.6, pp 541–550 [69] K Michels, F Klawonn, R Kruse, and A Nürnberger Fuzzy Control— Fundamentals, Stability and Design of Fuzzy Controllers New York: Springer, 2006 [70] T Orlowska-Kowalska and K Szabat, (2007) Control of the drive system with stiff and elastic couplings using adaptive neuro-fuzzy approach, IEEE Trans Ind Electron., vol 54, no 1, pp 228–240 [71] S Thomsen, F W Fuchs (2011) Flatness Based Speed Control of Drive Systems with Resonant Loads, Proceedings of the 2011 14th European Conference on Power Electronics and Applications, Aug 30 2011-Sept 2011 [72] K Szabat and T Orlowska-Kowalska Vibration suppression in a two-mass drive system using PI speed controller and additional feedbacks - comparative study,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol 54, no 2, pp 1193–1206, April 2007 [73] Mirhamed Mola, Alireza Khayatian, Maryam Dehghani Backstepping Position Control of Two-Mass Systems with Unknown Backlash, 2013 9th Asian Control Conference (ASCC) 127 [74] Jacek KABZIŃSKI, Przemysław MOSIOŁEK, Adaptive Control of Two-Mass Drive System with Nonlinear Stiffness, 2013 9th Asian Control Conference (ASCC) [75] Nguyễn Dỗn Phước (2012) Phân tích điều khiển hệ phi tuyến NXB Bách Khoa [76] Liuping Wang, Sahn Chai, Deaf Yoo, Lu Gan, Ki Ng (2015), PID and predictive control of electrical drives and power, Mar 2015, Wiley-IEEE Press, ISBN: 978-1118-33944-2 [77] Nguyễn Doãn Phước, Cơ sở lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2016 [78] T Orlowska-Kowalska, Speed Sensorless Induction Motor Drives, Wrocław University of Technology Press, Wrocław, 2003, (in Polish) [79] Typhoon HIL, “Inverter Testing & Pre-certification with HIL Testing” Available: https://www.typhoon-hil.com/applications/converter-testing [80] Z R Ivanović, E M Adžić, M S Vekić, S U Grabić, N L Čelanović and V A Katić, "HIL Evaluation of Power Flow Control Strategies for Energy Storage Connected to Smart Grid Under Unbalanced Conditions," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 27, no 11, pp 4699-4710, Nov 2012 [81] M S Vekić, S U Grabić, D P Majstorović, I L Čelanović, N L Čelanović and V A Katić, Ultralow Latency HIL Platform for Rapid Development of Complex Power Electronics Systems, in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 27, no 11, pp 4436-4444, Nov 2012 [82] Fengxiang Wang, Zhenbin Zhang, Xuezhu Mei, José Rodríguez and Ralph Kennel (2018), Advanced Control Strategies of Induction Machine: Field Oriented Control, Direct Torque Control and Model Predictive Control, Energies – MDPI, January 2018 [83] M Bodson, J Chiasson and R Novotnak, “High performance induction motor control via input-output linearization”, IEE Control Systems Magazine, vol.14, no.4, pp.25-33,1994 [84] Dominik Łuczak, Mathematical, Model of multi-mass electric drive system with flexible connection, in IEEE Xplore: 20 November 2014, DOI: 10.1109/MMAR.2014.6957420 [85] E Kiel, Drive Solutions: Mechatronics for Production and Logistics Springer, 2008 [86] K Szabat and T Orlowska-Kowalska, “Vibration Suppression in a Two-Mass Drive System Using PI Speed Controller and Additional Feedbacks—Comparative Study,” Ind Electron IEEE Trans On, vol 54, no 2, pp 1193–1206, Apr 2007 128 [87] Dugan, R.C., McGranaghan, M.M., Santoso, S., et al.: 'Electrical power system quality' (New York, McGraw-Hill, 1996, 2nd edn 2003) [88] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 [89] Vo Ha, Nam Thanh Hoang, Minh Trong Tran, Hoang Trung Thong, FCSModel Predictive control of Induction Motors fed by MultilLevel Cascaded HBridge Inverter, 10th Rovisp 2018 & 11th RCEEE 2018 (14-15.8.2018) [90] Nguyễn Phùng Quang, chương 9, giảng “Điều khiển truyền động điện”Đại học Bách Khoa Hà Nội [91] Nguyễn Phùng Quang, giảng “điều khiển số”, Đại học Bách Khoa Hà Nội 129 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đà CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Võ Thanh Hà, Trần Vũ Trung, Nguyễn Phùng Quang, Đỗ Hoàng Ngân Mi, Một cách tiếp cận thiết kế điều khiển tuyến tính vector dịng stator có đáp ứng hữu hạn- Chun san Kỹ thuật Điều khiền Tự động hóa số 16, 8/2016, pp50-56 [2] Võ Thanh Hà, Trần Vũ Trung, Nguyễn Phùng Quang, Một hướng tiếp cận nguyên lý điều khiển tựa theo từ thông rotor truyền động điện xoay chiều ba pha-Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ Cơ kỹ thuật Tự động hóa 102016, pp-.17-23 [3] Võ Thanh Hà, Nguyễn Phùng Quang, Vai trò điều khiển dòng deadbeat cách nhìn cấu trúc hệ truyền động xoay chiều ba pha - Hội nghị điện tử VCM-11-2016, pp-148-155 [4] Võ Thanh Hà, Nguyễn Phùng Quang, Mơ hình điện giảm bậc vấn đề điều khiển hệ hai khâu qn tính truyền động khơng đồng –Hội nghị-Triển lãm quốc tế Điều khiển Tự động hố VCCA-2017 (12/2017), pp 11-17 [5] Võ Thanh Hà, Hồng Thành Nam, Nguyễn Phùng Quang, Nghiên cứu điều khiển dự báo cho hệ truyền động tựa từ thông rotor biến tần - động không đồng – Hội nghị-Triển lãm quốc tế Điều khiển Tự động hoá VCCA-2017 (12/2017), pp 501-506 [6] Võ Thanh Hà, Nguyễn Đức Nam, Nguyễn Phùng Quang, Thiết kế backstepping điều khiển truyền động khơng đồng hệ hai khâu qn tính ni nghịch lưu nguồn áp có vịng điều khiển dịng stator lý tưởng Chuyên san Đo lường, Điều khiển Tự động hóa 21, số 1, tháng 04 năm 2018, pp 16-23 [7] Nguyen Phung Quang, Vo Thanh Ha, Tran Vu Trung, A New Control Design with Dead-Beat Behavior for Stator Current Vector in Three-Phase AC Drives International Journal of Electrical and Electronics Engineering (SSRG-IJEEE) – April 2018, 5(4) pp1-8 [8] Võ Thanh Hà, Nguyễn Hai Huỳnh, Đỗ Phúc Hưng, Nguyễn Phùng Quang, Thiết kế điều khiển phẳng truyền động điện khơng đồng hệ hai khâu qn tính ghép mềm ni nghịch lưu nguồn áp có vịng điều khiển dịng stator lý tưởng– Tạp chí khoa học Công nghê, số 133 (3.2019) [9] Vo Thanh Ha, Nguyen Phung Quang, Flatness-Based Control Design for TwoMass System Using Induction Motor Drive Fed by Voltage Source Inverter with Ideally Control Performance of Stator Current, Engineer of XXI Century”, Book Chapter, Proceedings of the VIII International Conference of Students, PhD Students and Young Scientists, May, 16, 2019 Mechanisms and Machine Science 130 70, Mechanisms and Machine Science, ISBN 978-3-030-13321-4 (eBook), https://doi.org/10.1007/978-3-030-13321-4, pp39-50, Springer Nature Switzerland [10] Vo Thanh Ha, Le Trong Tan, Nguyen Duc Nam, Nguyen Phung Quang, Backstepping Control of Two-Mass System Using Induction Motor Drive Fed by Voltage Source Inverter with Ideal Control Performance of Stator Current – International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS), 10(2), June 2019, ISSN: 2088-8694, http://doi.org/10.11591/ijpeds.v10.i2, pp-720-730 (Scopus) [11] Võ Thanh Hà, Nguyễn Phùng Quang, Các cấu trúc thiết kế điều khiển nâng cao tựa từ thông rotor cho động không đồng với mạch vòng dòng sator lý tưởng – Hội nghị-Triển lãm quốc tế Điều khiển Tự động hoá VCCA-2019 (09/2017) [12] Vo Thanh Ha, Tung Lam Nguyen, Vo Thu Ha, Vo Quang Vinh , Advanced control structures for induction motors with ideal current loop response using field oriented control– International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS), 10(4), December 2019, ISSN: 2088-8694, http://doi.org/10.11591/ijpeds.v10.i2, pp-610-623 (Scopus) 131 PHỤ LỤC Phụ lục A: Thông số động KĐB-RLS sử dụng q trình mơ thực nghiệm Động khơng đồng rotor lồng sóc 2.2 kW (chỉ sử dụng mô thực nghiệm) có thơng số sau: - Cơng suất định mức: PN= 2,2 kW - Dòng điện định mức: IN=4,7 A - Tần số định mức: fN =50 Hz - Hệ số công suất: cosφ = 0,9 - Số đôi cực: zp=1 - Tốc độ định mức: nN= 2880 vòng/phút - Điện áp định mức: UN= 400 V - - Điện trở stator: Điện trở Rotor: Điện cảm stator: Điện cảm Rotor: Hỗ cảm Stator Rotor: Mô-men quán tính: Thành phần điều khiển dịng điện: + l1 = 0.5 + l2 = 0.5 + T =200e-6 (Sampling time) Thành phần ĐK chiếu: + c1 = 500 + c2 = 500 + c3 = 500 132 Rs=0,37  Rr=0,42  Ls=0,03441 H Lr=0,03425 H Lm=0,0331 H J=0.00095kgm2 Phụ lục B: Thông số truyền động động KĐB với tải có khớp nối mềm sử dụng q trình mơ thực nghiệm Cơng suất định mức: Dòng điện định mức: Tần số định mức: Hệ số công suất: Số đôi cực: Tốc độ định mức: Điện áp định mức: Điện trở stator: Điện trở rotor: Điện cảm stator: Điện cảm rotor: Hỗ cảm stator rotor: Mơ-men qn tính động IM: Mơ-men quán tính tải : Hệ số cứng trục: Hệ số giảm chấn: PN= 2,2 kW IN=4,7 A fN =50 Hz cosφ = 0,9 zp=1 nN= 2880 vòng/phút UN= 400 V Rs=0,37  Rr=0,42  Ls=0,03441 H Lr=0,03425 H Lm=0,0331 H J1=7.555*10 -5kgm2 J2=5.5913*10 -5kgm2 c=0.28Nm/rad d=0.0015Nm/rad Phụ lục C: Các thiết kế mô Matlab/Simulink triển khai thực nghiệm Cấu trúc ĐK mạch vòng dòng stator kiểu deadbeat đề xuất Hình 5.1 Cấu trúc ĐK ĐK dịng stator kiểu deadbeat đề xuất (mô thực nghiệm) 133 Cấu trúc ĐK hệ truyền động ghép mềm động với phụ tải theo phương pháp nguyên lý phẳng Hình 5.2 Cấu trúc ĐK ĐK tốc độ, từ thông dựa nguyên lý phẳng hệ ghép mềm động với phụ tải Cấu trúc ĐK hệ truyền động ghép mềm động với phụ tải theo phương pháp backstepping Hình 5.3 Cấu trúc ĐK ĐK tốc độ, từ thông theo backstepping hệ ghép mềm động với phụ tải 134 Phụ lục D: Mơ hình thực nghiệm Để kiểm nghiệm thuật tốn điều khiển, luận án đề xuất mơ hình ngun thực nghiệm hình Mơ hình cho phép dễ dàng phát triển cấu trúc điều khiển tựa từ thông rotor cách linh hoạt cho động KĐB-RLS Hình 5.4 Mơ hình thực nghiệm Bảng 5.1 Thông số động IM Model Công suất định mức Điện áp đầu vào Dòng điện định mức Tần số định mức Tốc độ định mức Encoder Tham số Pđm Uđm Iđm fđm nđm Giá trị 2.2 kW 690/380V 4.7A/2.7A 50Hz 2880V/phút 1024 xung/1 vòng Bảng 5.2 Tham số mạch lực hệ thống thực nghiệm Phần tử Van bán dẫn phía lưới Lọc LC phía lưới Cuộn cảm L phía chỉnh lưu Tụ DC-Link Van bán dẫn phía động Lọc LC phía động Tham số Giá trị IGBT 6MBP25RA120 VCE = 1200V, IC = 25A Điện cảm Lfg Lfg = 1,2 (mH) Tụ điện Cfg Cfg = 6.8 (uF) Điện trở Rfg Rfg = 3.3 (Ω) Điện cảm phía lưới LG = (mH) Tụ DC-Link CDC-link CDC-link= 1700 (uF) IGBT 7MBP25RA120 VCE = 1200V, IC = 25A Điện cảm Lfl Lfl = (mH) Tụ điện Cfl Cfl = 40 (uF) 135 + Bộ chỉnh lưu tích cực tích cực: Chỉnh lưu tích cực ba pha sử dụng van IGBT 6MBP25RA120 Bộ lọc LCL với cuộn cảm tích cực sử dụng 1,2 mH, cảm phía biến đổi (mH) tụ điện 6.8 (uF), điện trở 3.3 (Ω) + Tụ điện DC-Link có giá trị 1700 (uF) + Bộ nghịch lưu phía động cơ: Sử dụng nghịch lưu ba pha cầu H, van bán dẫn IGBT 6MBP25RA120 Bộ lọc phía động với điện cảm (mH) tụ điện 40 (uF) a Hệ thống tạo tải Hệ thống tạo tải sử dụng hệ thống điều khiển động DC mentor II để tạo tải cho động KĐB_RLS Mentor II chạy chế độ góc phần tư bốn góc phần tư nên hai kiểu nối dây cho MentorII Trong thuyết minh ta xét cách nối dây chế độ bốn góc phần tư Hình 5.5 Sơ đồ cấu trúc dây cho Mentor II với DC motor Đấu dây cho Mentor hình 5.6 Đầu tiên nối hai công tắc tơ LC RR Công tắc tơ LC cơng tắc để đóng nguồn ba pha vào Mentor II ba điểm L1-L3 đồng thời đóng từ L11 L12 Ngồi cịn có ba tiếp điểm công tắc tơ LC công tắc tơ RR có ba tiếp điểm liên động với tiếp điểm LC Phần ứng động nối vào hai đầu A1 A2; phần kích từ nối vào hai đầu F1và F2 Nếu điều khiển tốc độ động biến trở vào đầu vào số – MentorII Và cuối ta mắc nguồn điều khiển vào ba điểm E1–E3 Lưu ý trình nối dây, E1-E3 phải trùng pha với L1–L3 Lưu đồ vận hành cài đặt cho Mentor II thể hình 5.7 Các thao tác cài đặt chi tiết thể bên 136 Hình 5.6 Các chức phím ấn Mentor II Bảng 5.3 Menu sử dụng để cài đặt chế độ Torque Control cho Mentor II STT Chức Phạm vi Menu 03: Speed feedback - selection and speed loop 03.13 Phản hồi điện áp phần ứng 03.15 Điện áp phần ứng tối đa - 1000 Menu 04: Current - selection and limits 04.05 Giới hạn dòng điện - 1000 04.12 Mode bit 0 04.13 Mode bit Menu 05: Current loop 05.06 Dòng tải - 1000 05.09 Nhận dạng tham số Menu 06: Field control 06.13 Bật tắt kích từ Menu 07: Analog inputs and outputs 07.02 Giá trị lượng đặt đầu vào GP2 ±1000 07.12 Cài đặt đầu vào GP2 - 1999 07.17 Giá trị tỷ lệ cho đầu vào GP2 – 1999 Menu 10: Status logic & diagnostic information 10.29 Bật tắt báo lỗi kích từ Kiểu Đọc - Ghi Đọc - Ghi Đọc - Ghi Đọc – Ghi Đọc – Ghe Đọc – Ghi Đọc – Ghi Đọc - Ghi Đọc - Ghi Đọc - Ghi Đọc - Ghi Đọc - Ghi Các bước cài đặt cho Mentor II Bước Tiến hành đấu nối Mentor II với động DC với lưới điện pha Bước Cấp nguồn pha 380V cho Mentor II, gạt aptopmat cấp điện cho hệ thống điều khiển Mentor II Bước Tiến hành cài đặt tham số cho Mentor II: Để truy cập thay đổi tham số ta đặt tham số 00.00 từ thành 200 Để lưu giá trị sau thay đổi: tham số xx.00 đặt giá trị thành 001, sau bấm reset Tham số 04.05 giới hạn dịng điện có giá trị mặc định 1000 tương ứng với 150% dòng đầy tải (bằng 1.5 x 25 = 37.5A) Cài đặt tham số 04.05 = 400 tương đương 137 10A Dòng tải cài đặt tham số 05.06 (thường đặt 105%), giá trị 1000 tương ứng với 150% Đặt tham số 05.06 = 280 Đặt tham số 03.15 = 200 điện áp phần ứng tối đa Đặt tham số 03.13 = phản hồi điện áp phần ứng Bộ Mentor II sử dụng bị hỏng phần kích từ Đặt tham số 06.13 = để tắt kích từ từ Mentor II cấp kích từ ngồi Đặt tham số 10.29 = để tắt chức báo lỗi kích từ Động DC dùng nguồn kích từ 200VDC dịng kích từ 0.5A Ta chọn cấp kích từ cầu diode chỉnh lưu từ 220VAC xuống 200VDC Để cài đặt động DC hoạt động theo chế độ Torque Control cần setting 04.12 = 1, 04.13 = Tắt kích từ chạy nhận dạng thơng số 05.09 Sau có thơng số cài đặt 07.12 = 408, cài đặt tỷ lệ 07.17 = 200 Kết nối đầu vào lượng đặt cổng GP2 với giải ± 10V, xem lượng đặt Torque 07.02 Bước Chuyển công tắc khởi động qua on để bật off để tắt động DC b Mạch đo lường  Thiết kết đo cách ly, sử dụng HCPL7800A để đo điện áp, LEM LA55PSP1[35] để đo dòng điện  kênh đo dòng điện: dải đo ± 50A.; kênh đo điện áp chiều: 1000V Inverter Measure board Tạo +15V nguồn GND ±15V (7815,7 -15V 915) BAX 1:2:2 (Đã có sẵn) 24VDC AGND Tạo nguồn IR F2153 vcc Ua 5V 3V ±50A Ia 60R/2W LA55-P/SP1 (50A) REF=1.5V ±1.5V INA12 G=1 RC_Filter Fc = 20kHz Ua 5V 0÷3V GND Ib 60R/2W LA55-P/SP1 (50A) ±1.5V 3V RC_Filter Fc = 20kHz INA12 G=1 Ib GND 60R/2W LA55-P/SP1 (50A) ±1.5V INA12 G=1 LOWER UPPER 0÷3V ADC IDE LOWER 74HC 245D (3,3V) ADC LOGIC IDE TO CPLD 3V REF=1.5V Ic ±50A LM33 LM358 GND ±50A UPPER vcc GND Ia REF=1.5V LM 39 LM358 RC_Filter Fc = 20kHz UPPER LOWER 0÷3V GND 0÷3V +15V GND UPPER LOWER 24VDC 0÷3V Tạo nguồn +5V DC-DC 24V-5V ISOLATED AGND Udc +5V_ISO1 +5V GND GND_ISO1 + Udc = 1000V - MẠNG PHÂN ÁP TỈ LỆ 1/ 10000 HCPL7800A 100mV 3V 800mV INA12 G=3.75 RC_Filter Fc = 20kHz PE Tiếp vỏ Hình 5.7 Mạch đo lường 138 c Nguyên lý thực nghiệm ghép cứng động KĐB-RLS với phụ tải Rectifier Inverter CC MCB 380V/50Hz A1 A B C EMI B1 U V FILTER C dc C1 C dc IM W Sensor T40B S2 CC E DC Motor F MCB A A A2 H B2 Mentor II J C2 K Xung điều khiển (1H,2H,3 H,1L,2L, 3L) i s i sd MHTT i sq e js i su i ss  i sv MẠCH ĐO LƯỜNG i sw U DC i sd tu MATLAB/ SIMULINK CONTROL DESK Udc t v tw i sq u s฀ u sd u s฀ u sq SVM Bộ điều chỉnh dòng RI sd * w1 i sd MHTT isd i sq w2 CARD DSP 1104 Hình 5.8 Bộ điều chỉnh tốc độ  * Bộ điều chỉnh dòng RI sq Nguyên lý bàn thực nghiệm Từ máy tính, ta tiến hành mô phần mềm Matlab/Simulink, ta cần xây dựng khối giá trị đặt, điều khiển dòng, điều khiển tốc độ, mơ hình từ thơng khối điều chế vector khơng gian, nghịch lưu động mơ hình, động thật Các tín hiệu điều khiển tín hiệu phản hồi nối với khối vào-ra card DS1104 Mơ hồn tất ta tiến hành nạp vào card DS1104 điều khiển phần mềm Control Desk Ở đầu card DS1104 tín hiệu tạo xung PWM, tín hiệu nối với khối nghịch lưu Đầu vào khối nghịch lưu điệp áp chiều (sau khâu chỉnh lưu điện áp xoay chiều từ biến áp), xung PWM đóng mở van IGBT, đầu khối nghịch lưu điện áp ba pha dạng sóng sin Điện áp ba pha đưa qua mạch đo dòng, áp, sau cấp tới ĐCKĐB Trên mạch đo dịng, áp có khâu đo tín hiệu đo đưa Card DS1104 thông qua chân ADC Trên động KĐB-RLS có gắn thiết bị đo Encoder, động hoạt động, tín hiệu từ Encoder đưa qua mạch chốt Encoder (Isolated Encoder), đảm bảo tín hiệu đầu đạt mức tín hiệu mà DS1104 đọc Tạo tải cách dùng mentor chỉnh điện áp dải (+-) 10V tương đương với mômen cản động chiều, quay ngược chiều với động KĐB-RLS 139 d Giải pháp điều khiển - Module điều khiển: não biến tần thực nghiệm, sử dụng Card điều khiển DS1104 với trích mẫu đo lường sau: Clock: 200 MHZ Tpluse: 100us (10kHz) Ts: 200us (5kHz) T1: 200us (5kHz), T2 = 5T1, T3 = 5T2 Convert & Read ADC: Udc, Iu, Iv, Iw Clock Tpluse Update PWM Update PWM TBPRB … CPMA … PWM … … … … … … … … CLA … … Current loop … … Ts Triger ADC Read Angle Convert & read ADC T1 Speed loop … T2 Position Trích mẫu đo lường Thông số điều khiển Tần số phát xung Tần số mạch vòng dòng điện Tần số mạch vịng tốc độ Deadtime Trích mẫu ADC (Udc, Iu, Iv, Iw) Phân dải ADC 140 10kHZ 5kHz 1kHz/200Hz 3us 5kHZ 12 bit Phụ lục E: Cấu trúc thực thực nghiệm HIL Cấu trúc thực HIL bao gồm card HIL402 dùng để mô hệ truyền động hệ hai khâu qn tính là: động IM nối với tải qua khớp nối mềm biến tần nguồn áp hai mức Hệ thống phần cứng mô theo thời gian thực phần mềm Typhoon HIL 402 với bước thời gian 1µs, gần với mơ hình vật lý Tần số sóng mang điều chế độ rộng xung kHz Các điều khiển dịng điện tốc độ, từ thơng thực card DSP TMS320F2808 Hình 5.9 Cấu trúc thực nghiệm HIL 141 ... Nghiên cứu tổng hợp cấu trúc điều khiển véc tơ truyền động động khơng đồng với tải có khớp nối mềm? ?? 27 MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG KĐB Equation Chapter Section Để thực tổng hợp, đánh giá điều. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VÕ THANH HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ VỚI TẢI CĨ KHỚP NỐI MỀM Ngành: Kỹ thuật điều. .. độ điều khiển FOC cho động KĐB, nhằm đưa cấu trúc phù hợp điều khiển hệ truyền động động KĐB ghép với tải qua khớp nối điển hình, để cải thiện chất lượng truyền động Phạm vi nghiên cứu: Điều khiển