Điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần Vector bằng bộ điều khiển trượt

This paper presents a position control method of asynchronous motors used inverter vector by sliding mode controller (SMC).. Build models of asynchronous motor and setup SMC on software[r]

ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG BIẾN TẦN

VECTOR BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

Lê Văn Mạnh*, Phạm Văn Vĩnh* Trần Tuấn Thành** TÓM TẮT

Bài báo nêu lên phương pháp điều khiển vị trí động khơng đồng (KĐB) sử dụng biến tần vector bộđiều khiển trượt Xây dựng mơ hình động khơng đồng thiết lập bộđiều khiển trượt phần mềm Matlab – Simulink Với phương pháp này, vị trí động khơng đồng bộ được điều khiển bám theo tín hiệu đặt mong muốn trường hợp khơng có tải có tải Động cơ khơng đồng đối tượng phi tuyến phức tạp với bộđiều khiển thông thường khó có thể đáp ứng được, bộđiều khiển trượt có thểđiều khiển tốt đối tượng Kết mơ cho động cơ MTKM311-6 cho thấy sai lệch vị trí hệđược đảm bảo

ASYNCHRONOUS MOTORS POSITION CONTROL USING THE INVERTER VECTOR BY SLIDING MODE CONTROLLER

SUMMARY

This paper presents a position control method of asynchronous motors used inverter vector by sliding mode controller (SMC) Build models of asynchronous motor and setup SMC on software Matlab - Simulink With this method, the position of the asynchronous motor is controlled along the desired set signal in the case of no load and load Asynchronous motor is a nonlinear complex with the conventional controller is difficult to meet, but the sliding mode controller has good control subjects Simulation results for engine MTKM311-6 shows the position errors of system are guaranteed

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống truyền động điện điều khiển vị

trí thuộc loại hệ thống sử dụng rộng rãi công nghiệp cấu truyền

động cho tay máy, người máy, cấu ăn dao, máy cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng… tùy thuộc vào cấu mà công suất truyền động nằm dải rộng từ vài chục W đến hàng trăm KW

Động KĐB đối tượng phi tuyến phức tạp với nhiều đầu vào, nhiều đầu Trong cách mơ tả tốn học động KĐB, mơ hình trạng thái có ưu bật cung cấp cho ta hiểu biết chi tiết chất bên

của đối tượng sở thuận lợi để

thiết kế khâu điều chỉnh, quan sát

Trong báo này, điều khiển trượt

được ứng dụng đểđiều khiển cho hệ thống phi tuyến động MTKM311-6 Mục đích

để hệ thống đạt sựổn định nhanh sai lệch bám nhỏ với biến đổi tham số động cơ, tham số tải nhiễu bên tác

động Trong phần II, xây dựng mơ hình

động KĐB điều khiển trượt cho đối tượng phi tuyến đưa Các kết mơ trình bày phần III Các kết luận

được nêu lên phần IV

Điều khiển vị trí đơng cơ không đồng bộ…

2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Mơ hình ba pha động KĐB

Động KĐB có dây quấn ba pha

rotor stator, dây quấn ba pha đối xứng bố trí cho từ thông dọc theo chu vi khe hở khơng khí có dạng hình sin, gọi k tên dây quấn ta có phương trình

sau: k k k k k e dt d i R

u = + ψ + (1)

Từ thơng móc vịng dây quấn mơmen điện từ động cơ:

k k

jk k =∑L i

ψ ; ∑ ∂ ∂ = k m k k i M θ ψ (2)

Đặt as, bs, cs, ar, br, cr tên gọi dây quấn stator rotor

j = as/bs/cs/ar/br/cr j = as/bs/cs/ar/br/cr

L- điện cảm dây quấn pha stator

δ

L - điện cảm tản s

N - số vòng dây pha stator r

N - số vòng dây pha rotor m

θ - vị trí góc dây quấn rotor

Thì ta viết sáu phương trình

điện áp cho động KĐB sau, mạch từ

còn chưa bão hịa (điện áp hằng)

Phía stator: Với pha a, pha b pha c stator, ta có:

( ) ( ) ( ) ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ + + + + + − − = + + + − + + − = + + + − − + = cr cr.cs br br.cs ar ar.cs cs S s bs as cs cr cr.bs br br.bs ar ar.bs cs bs S s as bs cr cr.as br br.as ar ar.as cs bs as S s as i pL i pL i pL i pL R i pL i pL u i pL i pL i pL i pL i pL R i pL u i pL i pL i pL i pL i pL i pL R u 1 1 1 2 2 2 (3a) Phía rotor: Với động rotor lồng sóc ta có điện áp rotor pha

( ) ( ) ( ) ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ + + − − + + = − + + − + + = − − + + + + = cr r r br ar cs cr cs bs cr bs as cr as cr cr br r r ar cs br cs bs br bs as br as br cr br ar r r cs ar cs bs ar bs as ar as ar i pL R i pL i pL i pL i pL i pL u i pL i pL R i pL i pL i pL i pL u i pL i pL i pL R i pL i pL i pL u 2 2 2 2 2 2 (3b) Và tất đại lượng điện từ (điện áp, từ thông, dòng điện) coi vector ba hướng theo trục dây quấn

; ) ( ) ( ) ( ; ) ( ) ( ) ( ; ) ( ) ( ) ( ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Ψ Ψ Ψ = Ψ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = t i t i t i i t t t t u t u t u u cs bs as s cs bs as s cs bs as s ; ) ( ) ( ) ( ; ) ( ) ( ) ( ; ) ( ) ( ) ( ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ Ψ Ψ Ψ = Ψ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = t i t i t i i t t t t e t e t e e cr br ar r cr br ar r cr br ar r

Ta rút hệ phương trình sau:

( ) { } ( ) { } ( ) ( ) ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ + = Ψ + = Ψ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + + = Ψ + = + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = Ψ + = r r s m m T r r m m s s s r r r s m m T r r r r r m m s s s s s s s i L i L i L i L i dt d L R i L dt d dt d i R u i L dt d i dt d L R dt d i R u θ θ θ θ (4) Mômen điện từ động tính sau:

( )

{ m m r}

m T s

C L i

d d i P M θ θ

= (5)

Mơ hình động KĐB hệ tọa

độ trực giao: hệ trục tọa độ trực giao gắng với stator có tên gọi hệ (α, β, o) trục oα

trùng với trục dây quấn pha a stator, đại lượng vector biểu diễn hai thành phần hình chiếu trục tọa độ Hình thể us

;

β

α S

S

S u ju

; US S

S u Cos

u α = θ

; US S

S u Sin

u β = θ

Từđây ta có sơđồ thay hình 2: Từ sơ đồ thay dạng hai pha vng góc máy điện, ta dễ dàng viết phương trình mô tảđộng cơ:

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧

− ′ = − ′

=

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡− + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡

) i

Ψ

i (Ψ

2 p ) i i i (i L

p M

i i L i i L

Ψ Ψ

; i i L i i L

Ψ Ψ

Ψ Ψ ωp

Ψ Ψ

dt d i i R u u ;

Ψ Ψ

dt d i i R u u

αs

βs

βs

αs

βr

αs

βs

αr

M

βs

αs

M

βr

αr

r

βr

αr

βr

αr

M

βs

αs

s

βs

αs

αr

βr

'

βr

αr

βr

αr

r

βr

αr

βs

αs

βs

αs

s

βs

αs

(6) Hệ phương trình (6) thể

hiện sơ đồ cấu trúc đây, hình 3, sử

dụng ánh xạ liên tục

dt d

s= , kết hợp với phương trình chuyển động hệ:

dt d M

M − c =ℑ ω

Hình 3.Sơđồ cấu trúc động KĐB hệ tọa độα,β

Hình 1.Biểu diễn véc tơ hệ trục α,β .

Hình 2.Sơđồ thay động cơ không đồng hệ trục

Điều khiển vị trí đơng cơ khơng đồng bộ…

2.2 Kỹ thuật điều khiển

Hình hình giúp diễn giải kỹ thuật điều khiển trực tiếp từ thông Stato mô men điện từ (DTC)

Hình 4.Sơđồ khối DTC

Hình

(a) Quỹđạo véc tơ từ thơng Stato

Tính lực đặt từ thông Stato mô

đun so sánh với giá trị thực tương ứng, sai lệch chúng xử lý theo kiểu điều khiển dải trễ Bộ điều khiển mạch vòng từ thơng có hai mức đầu tùy thuộc sai lệch từ thông

1 = ψ

d eψ >+BTψ;

− = ψ

d eψ <−BTψ ;

Trong 2BTψbằng độ rộng băng trễ bộđiều khiển từ thông Quỹ đạo đầu mút véc tơ từ thông đường zig-zac quay ngược chiều kim đồ Như vậy, từ thông thực sẽđược “kẹp” băng trể Bộđiều khiển mơ men có ba mức đầu ra, tùy thuộc vào sai lệch mô men

2.3 Nguyên lý điều khiển

Về bản, SMC hệ điều khiển có cấu trúc biến thiên (VSS), cấu trúc cấu trúc hình điều khiển thay

đổi có định để ổn định hóa điều khiển làm cho đáp ứng bền vững Áp dụng SMC vào truyền động sử dụng động KĐB

được điều khiển véc tơ mở rộng để điều khiển quỹ đạo trượt toàn phần bao gồm tăng tốc, tốc độ giảm tốc

Mục tiêu tạo đáp ứng bền vững với tham số mơ hình, hệ số mơ men Kt, mơ men qn tính J, hệ số suy giảm ma sát B nhiễu mơ men tải TL

Coi θ tín hiệu nhảy cấp U

K K i K

Te = t qs = t l (7) r

r l

X =θ*−θ (8)

2 *

1 X

dt d dt d dt dX

m r

r − =− =

= θ θ ω (9)

2

1 )

( X

B JS T

Te L =−

+

− (10)

Với: - K1 : hệ số khuyếch đại dòng điện đặt *

sq

i

- U : đầu SMC

Mơ hình thiết bị cấp hai biểu thị

trong phương trình khơng gian trạng thái theo biến số trạng thái X1 X2 bước sau đây:

L tKU T K

BX

JSX2 + 2 =− 1 + (11) L

t T

J U J

K K X J B dt

dX 1

2

2 =− − + (12)

L

T d U a b dt

dXdt dX

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢

⎣ ⎡

− = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡

0

0

2

(13)

Trong b=BJ, a=KtK1J ,

J d =

Điều khiển vị trí đơng cơ khơng đồng bộ…

Hình 7.Chi tiết lược đồ SMC Hình chi tiết lưu đồ SMC, quỹ

đạo tương ứng cho phần tăng tốc - tốc độ

hằng - giảm tốc hai trường hợp +X1 –X1, tín hiệu X2 tạo trực tiếp từ tín hiệu tốc độ ωm

Có mạch vịng điều khiển hình vẽ lược đồ SMC, tín hiệu X2 tạo trực tiếp từ tốc độ ωm

+ Mạch vịng (hay cịn gọi mạch vòng sơ cấp) nhận sai số vị trí X1 phát điện áp U1 qua điều khiển chuyển mạch có hệ số khuếch đại tương ứng làαivàβi

+ Mạch vịng thứ hai có đầu vào đạo hàm X2

dt dX =

sinh tín hiệu U2

+ Ngồi cịn có mạch vịng phụ, số A bơm vào để hạn chế sai số

tĩnh ma sát kho tải TL gây

Trong điều khiển SMC, tín hiệu vào truyền qua chuyển mạch hai

vị trí tiêu chuẩn đểđiều khiển chuyển mạch

Tất vịng đóng góp tín hiệu tương ứng tín hiệu tổng là:

U = U0 + U1 + U2 (14) Quỹ đạo tương ứng cho phần tăng tốc độ - tốc độ - giảm tốc độ

Luật SMC định nghĩa sau

2 1

.Sgn X X

A

U = σ +ψ +ψ (15) Trong đó:

1

3 =+

σ

Sgn σ3 ≥0

1

3 =−

σ

Sgn σ3 <0 i

α

ψ1 = 0σiX1 ≥ i

β

ψ1 = σiX1 <0 i

γ

ψ2 = 0σiX2 ≥

2

2.4 Mơ hình hóa hệ thống Matlab – Simulink

Hình 8.Mơ hình hệ thống điều khiển vị trí động KĐB Matlab – Simulink

3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Thông sốđộng cơ

Chọn động MTKM311-6 với thông số

+ Công suất định mức PN (kW) : PN = 7,5kW + Điện áp định mức UN(V) : UN = 380V + Dòng điện định mức IN (A) : IN = 17,5A

+ Tốc độ quay định mức nN (vòng/phút) : nN = 930vịng/phút + Hệ số cơng suất định mức cosφ : cosφ = 0,83