Điều khiển động cơ đồng bộ dùng phương pháp trượt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA XW HUỲNH TRẦN THẾ PHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ DÙNG PHƯƠNG PHÁP TRƯT CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ SỐ NGÀNH : 2.02.01 LUẬN ÁN THẠC SĨ NĂM 2005 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Ts.DƯƠNG HOÀI NGHĨA Cán chấm nhận xét : ……………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét : ……………………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , Ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp.HCM, Ngày tháng năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HUỲNH TRẦN THẾ PHƯƠNG Phái : Nam Sinh ngày 04 tháng 07 năm 1979 Nơi sinh : TP.HCM Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Nhà Máy Điện MSHV : 01803481 TÊN ĐỀ TÀI : Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Dùng Phương Pháp Trượt NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : • Tìm hiểu nguyên lý điều khiển trượt hệ phi tuyến • Áp dụng phương pháp điều khiển trượt phi tuyến để điều khiển động đồng kích thích nam châm vónh cửu NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Ts.DƯƠNG HOÀI NGHĨA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BM QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH Ts.DƯƠNG HOÀI NGHĨA Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH tháng năm KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến tất Thầy Cô trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy thời gian học tập thực luận văn tốt nghiệp Đặc biệt , em xin chân thành cảm ơn Thầy, Ts.Dương Hoài Nghóa tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trình thực luận văn Huỳnh Trần Thế Phương MỤC LỤC Lời cảm ơn Trang Chương : GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Một số phương hướng nghiên cứu 1.3 Giới thiệu cấu trúc luận văn Chương : MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 2.1 Giới thiệu 2.2 Mô hình toán học động đồng kích thích nam châm vónh cửu 2.2.1 Các phương trình 2.2.2 Mô hình trạng thái động hệ toạ độ từ thông roto(d-q) 2.3 Ước lượng momen tải 2.4 Chuyển đổi hệ tọa độ Chương : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯT 3.1 Phương pháp điều khiển trượt 10 3.2 Điều khiển động đồng dùng phương pháp trượt 11 Chương : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID 4.1 Phương pháp hiệu chỉnh PID 15 4.1.1 Khái niệm 15 4.1.2 Khâu hiệu chỉnh vi phân tỉ lệ PD 15 4.1.3 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ PI 16 4.1.4 Thiết kế hiệu chỉnh PID 16 4.2 Điều khiển động đồng dùng phương pháp PID 17 Chương : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Xây dựng sơ đồ mô 18 5.1.1 Mô động đồng 18 5.1.2 Mô luật điều khiển trượt 19 5.1.2.1 Khối điều khiển Usd Usq 19 5.1.2.2 Khối điều khiển mặt trượt S1 S2 19 5.1.3 Mô ước lượng momen tải TL 20 5.1.4 Mô nghịch lưu 21 5.1.5 Sơ đồ hệ thống mô phương pháp trượt 23 5.1.6 Sơ đồ mô phương pháp PID 23 5.2 Kết mô 5.2.1 Khởi động 26 26 5.2.1.1 Chế độ danh định 26 5.2.1.2 Khảo sát tính bền vững 32 5.2.1.2.1 Tính bền vững R 32 5.2.1.2.2 Tính bền vững L 43 5.2.1.2.3 Tính bền vững J 53 5.2.2 Tăng tốc 63 5.2.3 Giảm tốc 66 5.2.4 Đảo chiều 69 5.2.5 Đáp ứng thay đổi tải 72 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Chương GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu đề tài: Ngày vấn đề tự động hóa phát triển mạnh, việc điều khiển truyền động điện sản xuất đặt yêu cầu cao độ xác điều khiển đáp ứng động hệ thống Bên cạnh dạng truyền động dùng thủy lực, khí nén ,truyền động điện sử dụng vô rộng rãi trở thành khâu thiếu trình tự động hóa Ở đâu có chuyển động học cần đến động điện làm khâu trung gian để chuyển hóa điện thành dòng với đặc tính cần thiết Với phát triển kỹ thuật vi xử lý tín hiệu (DSP) cho phép giải thuật toán phức tạp điều khiển động xoay chiều ba pha điều kiện thời gian thực với chất lượng cao Điều dẫn tới xu hướng thay triệt để truyền động điện chiều truyền động điện xoay chiều ba pha với ưu phải bảo dưỡng, kích thước nhỏ, dễ chế tạo nguy hiểm môi trường dễ cháy nổ (do đánh lửa cổ góp điện) Tùy theo ứng dụng cụ thể mà việc điều khiển động phân làm hai cấp : + Cấp thấp : không cần độ xác cao thường thực cách thay đổi cách đấu dây ( thay đổi số cực ), thêm bớt vài phần tử ( điện trở ) nhằm làm thay đổi đường đặc tính động thay đổi nguồn cung cấp mức độ đơn giản + Cấp cao :đây cấp độ nhằm đáp ứng ứng dụng đòi hỏi độ xác cao Trong việc điều khiển động điện cần độ xác cao, ta phân làm cách tiếp cận : SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa + Điều khiển không cần dùng đến mô hình động : cách tiếp cận sử dụng phương pháp điều khiển : Neural Network , Fuzzy logic ( nói xác , phương pháp không cần biết phương trình xác động , ta cần phải có hiểu biết động ) Các phương pháp trình nghiên cứu Trong việc điều khiển động , thực tế , Neural Network Fuzzy Logic ứng dụng vài khâu + Điều khiển cần dùng mô hình động : cách tiếp cận cổ điển từ trước tới dùng Trong cách tiếp cận có hướng tương đối đời với phát triển kó thuật điều khiển phi tuyến Đó xem xét động đối tượng phi tuyến giải kó thuật điều khiển phi tuyến Để giải toán phi tuyến ta có nhiều cách , có phương pháp điều khiển trượt Chính lý nêu , luận văn tập trung vào việc : điều khiển động đồng kích thích nam châm vónh cửu dùng phương pháp điều khiển trượt Đồng thời so sánh với phương pháp điều khiển dùng khâu PID 1.2 Một số phương hướng nghiên cứu: Động đồng kích thích nam châm vónh cửu hệ phi tuyến nhiều biến, việc điều khiển động phức tạp, đòi hỏi phải tính toán nhiều Mặc dù biết đến từ lâu, động đồng kích thích nam châm vónh cửu quan tâm hệ thống truyền động kỹ thuật van bán dẫn công suất lớn kỹ thuật vi xử lý phát triển Do vậy, việc điều khiển động thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu, nhiều phương pháp điều khiển giới thiệu tạp chí như: • Điều khiển dùng khâu PID [ 3] • Kỹ thuật điều khiển dùng mô hình nội [10] SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa • Điều khiển dựa tính thụ động [8] • Điều khiển tốc độ dùng khâu quan sát trạng thái moment tải [9] • Điều khiển dùng phương pháp điều chỉnh moment tối ưu [11] • Ngoài có số phương hướng ứng dụng số phương pháp ( mạng nơron , logic mờ , wavelet … )vào việc điều khiển động điện [12],… 1.3 Giới thiệu cấu trúc luận văn: Nội dung luận văn bao gồm vấn đề sau: • Tìm hiểu nguyên lý điều khiển trượt hệ phi tuyến • Áp dụng phương pháp điều khiển trượt để điều khiển động đồng kích thích nam châm vónh cửu • Khảo sát tính bền vững hệ thống điều khiển vừa thiết kế thay đổi thông số động • So sánh phương pháp điều khiển trượt với phương pháp điều khiển PID thông qua động đồng kích thích nam châm vónh cửu Các chương mục luận văn bao gồm: • Chương 1: Giới thiệu • Chương 2: Mô hình toán học động đồng • Chương 3: Phương pháp điều khiển trượt • Chương 4: Phương pháp điều khiển PID • Chương 5: Kết mô Kết luận Tài liệu tham khảo SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Chương MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 2.1 Giới thiệu: Các động điện xoay chiều dùng nhiều sản xuất thường động điện không đồng bộ, lọai động điện có đặc điểm cấu tạo đơn giản,làm việc chắn, bảo quản dễ dàng giá thành hạ.Tuy nhiên động điện đồng có ưu điểm định nên thời gian gần sử dụng rộng rãi so sánh với động không đồng lónh vực truyền động điện Trong lónh vực truyền động, động đồng có ưu điểm sau đây: • Động điện đồng kích thích dòng điện chiều nên làm việc với cosϕ = không cần lấy công suất phản kháng từ lưới điện, kết hệ số công suất lưới điện nâng cao, làm giảm điện áp rơi tổn hao công suất đường dây • Động điện đồng chịu ảnh hưởng thay đổi điện áp lưới điện momen động tỷ lệ với U momen động không đồng tỷ lệ với U2 Vì điện áp lưới sụt thấp cố, khả giữ tải động điện đồng lớn • Hiệu suất động điện đồng thường cao hiệu suất động không đồng động đồng có khe hở tương đối lớn,khiến cho tổn hao sắt phụ nhỏ Ngoài ưu điểm trên, động đồng có số nhược điểm: • Cấu tạo phức tạp • Giá thành cao • Mở máy điều chỉnh tốc độ thực cách thay đổi tần số nguồn SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang Luận án cao học 5.2.2 GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Tăng tốc: Trong mô , tốc độ động tăng tuyến tính lên 150rad/s (t = 0.5s) , momen tải giữ Nm Hình 5.2.36a:Đáp ứng tốc độ, dòng điện isd, isq phương pháp trượt Hình 5.2.36b:Đáp ứng tốc độ, dòng điện isd, isq phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 63 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Hình 5.2.37a: Đáp ứng momen điện từ Te phương pháp trượt Hình 5.2.37b: Đáp ứng momen điện từ Te phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 64 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Hình 5.2.38a: Đáp ứng dòng điện ia,ib,ic phương pháp trượt Hình 5.2.38b: Đáp ứng dòng điện ia,ib,ic phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 65 Luận án cao học 5.2.3 GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Giảm tốc: Trong mô , tốc độ động giảm tuyến tính từ 150rad/s , momen tải giữ Nm ngưng tải thời điểm t = 1s Thông số động khảo sát chế độ danh định Hình 5.2.39a: Đáp ứng tốc độ, dòng điện isd, isq phương pháp trượt Hình 5.2.39b: Đáp ứng tốc độ, dòng điện isd, isq phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 66 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Hình 5.2.40a: Đáp ứng momen điện từ phương pháp trượt Hình 5.2.40b: Đáp ứng momen điện từ phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 67 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Hình 5.2.41a: Đáp ứng dòng điện ia,ib,ic phương pháp trượt Hình 5.2.41b: Đáp ứng dòng điện ia,ib,ic phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 68 Luận án cao học 5.2.4 GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Đảo chiều: Trong mô , động đảo chiều với tốc độ từ 150 rad/s chuyển sang -150 rad/s , momen tải không đổi TL = Nm.Thông số động khảo sát chế độ danh định Hình 5.2.42a: Đáp ứng tốc độ, dòng điện isd, isq phương pháp trượt Hình 5.2.42b: Đáp ứng tốc độ, dòng điện isd, isq phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 69 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Hình 5.2.43a: Đáp ứng momen điện từ phương pháp trượt Hình 5.2.43b: Đáp ứng momen điện từ phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 70 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Hình 5.2.44a: Đáp ứng dòng điện ia,ib,ic phương pháp trượt Hình 5.2.44b: Đáp ứng dòng điện ia,ib,ic phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 71 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa 5.2.5 Đáp ứng thay đổi tải: Trong mô , động hoạt động với tốc độ 150 rad/s , momen tải thay đổi từ lên Nm ( t = 0.7s), từ Nm xuống Nm (t = 1.3s).Thông số động khảo sát chế độ danh định Hình 5.2.45a: Đáp ứng tốc độ, dòng điện isd, isq phương pháp trượt Hình 5.2.45b: Đáp ứng tốc độ, dòng điện isd,isq phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 72 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Hình 5.2.46a: Đáp ứng momen điện từ phương pháp trượt Hình 5.2.46b: Đáp ứng momen điện từ phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 73 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa Hình 5.2.47a: Đáp ứng dòng điện ia,ib,ic phương pháp trượt Hình 5.2.47b: Đáp ứng dòng điện ia,ib,ic phương pháp PID SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 74 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa KẾT LUẬN Trong luận văn tốt nghiệp , người thực thực việc sau: • Xây dựng mô hình toán học mô tả động đồng kích thích nam châm vónh cửu • Tìm hiểu phương pháp điều khiển trượt hệ phi tuyến • Xây dựng giải thuật điều khiển động đồng dùng phương pháp trượt • Mô hệ thống điều khiển động đồng dùng phương pháp trượt PID • Khảo sát tính bền vững hệ thống điều khiển thay đổi thông số động Các kết mô cho thấy sau: • Phương pháp điều khiển trượt áp dụng để điều khiển hệ phi tuyến động đồng kích thích nam châm vónh cửu cho kết tốt: - Tốc độ động đáp ứng nhanh , không vọt lố , không dao động - Việc đóng tải vào không gây ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ động - Việc thay đổi tốc độ không gây ảnh hưởng đáng kể đến động - Tính bền vững cao • Phương pháp trượt có ưu điểm thiết kế đơn giản ,hiệu Hệ thống điều khiển có chất lượng tốt bền vững thay đổi thông số động Phương hướng phát triển đề tài: • Sử dụng điều khiển mờ thay cho hàm sign(Si) mặt trượt nhằm loại bỏ tính không liên tục luật điều khiển • Sử dụng mô hình mạng neuron điều khiển trượt SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 75 Luận án cao học GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] In Cheol Baik, Kyeong-Hwa Kim : “Robust Nonlinear Speed Control of PM Synchronous Motor Using Boundary Layer Integral Sliding Mode Control Technique”,IEEE transactions on control systems technology,vol.8 ,no.1 ,january 2000 [2] Doan Phước Ng ; Xuan Minh Ph , Thanh Trung H : “ Lý thuyết Điều Khiển Phi Tuyến” Nhà xuất khoa học kó thuật, 2003 [3] Phung Quang.Ng : “Điều Khiển Tự Động Truyền Động Điện Xoay Chiều Pha” Nhà xuất giáo dục,1998 [4] Phung Quang Ng : “Matlab & Simulink” Nhà xuất khoa học kó thuật, 2004 [5] Gia Hanh V ,Khanh Ha Tr ,Tu Thu P , Van Sau N : “Máy điện I” , Nhà xuất Khoa Học Kó Thuật ,1998 [6] Van Nhờ Ng : “Điện Tử Công Suất 1” , Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TPHCM,2002 [7] W.Leonhard : “Control of electrical Drives”, Springer Verlag,1985 [8] R.Ortega, A.Loria, P.J.Nicklasson: “Passivity-Based Control of Euler-Lagrange System, Mechanical Electrial and Electromechanical Applications”, Springer,1998 [9] G Zhu,L-A Dessaint, O.Akhrif, and Kaddouri: “Speed Tracking Control of PM Synchronous Motor With State and Load Torque Observer”,IEEE,pp.346356,2000 [10] M.Morari and Zafiriou: “Robust Process Control” , Prentice Hall, 1987 [11] Quoc Khanh.B,Quang Đăng.P : “Hệ truyền động động đồng kích thích nam châm vónh cửu điều chỉnh momen tối ưu”, Tạp chí khoa học & công nghệ trường đại học kỹ thuật,pp.27-31,số 23+24/2000 SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 76 Luận án cao học [12] P.Vas : GVHD: Ts.Dương Hoài Nghóa “ Artificial-Intelligence-Based Electrical Machines and Drives.Application of Fuzzy, Neural, Fuzzy-Neural and Genetic-AlgorithmBased Techniques”,Oxford University Press,1998 [13] Chuanyang Wang, Longya Xu: “A novel Approach for sensorless Control of PM Machines down to Zero Speed without signal injection or special PWM Technique”,IEEE transactions on control systems technilogy, vol.19, no.6, November 2004 [14] Aywan M.E.L Refaie, Russell Manzke, Thomas M.Jahns: “Application of Bistate Magnetic Material to Automotive offset coupled IPM starter, Alternator Machine”,IEEE transactions on industry Applications, vol.40 , no.3, may/June 2004 [15] Nicolas Bernard,Hamid Ben Ahmed,…: “Design and modeling of a slotless and Homopolar Axial-Field synchronous machine for a Flywheel accumulator”, IEEE transactions on industry Applications, vol.40 , no.3, may/June 2004 [16] Ronghai QU, Thomas A.LIPO : “ Design and Parameter Effect Analysis of Dual-Rotor, Radial-Flux, Toroidally wound, Permanent-magnet machines”, IEEE transactions on industry Applications, vol.40 , no.3, may/June 2004 [17] Kazumi Kurihara, M.Azizur Rahman: “ High-Efficiency line-start interior PM synchnonous motors”, IEEE transactions on industry Applications, vol.40 , no.3, may/June 2004 [18] Gyu-Hong Kang, Byoung-KuK Lee,Hyuk Nam… : “ Analysis of Single-Phase line-start PM Motor Considering Iron loss and parameter variation with load Angle”, IEEE transactions on industry Applications, vol.40 , no.3, may/June 2004 [19] Edward c.Lovelace, Thomas M.Jahns… : “ Mechanical design considerations for Conventionally Laminuted, High-Speed, Interior PM synchronous Machine Rotors”, IEEE transactions on industry Applications, vol.40 , no.3, may/June 2004 SVTH: Huỳnh Trần Thế Phương Trang 77 ... Chương : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯT 3.1 Phương pháp điều khiển trượt 10 3.2 Điều khiển động đồng dùng phương pháp trượt 11 Chương : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID 4.1 Phương pháp hiệu chỉnh PID 15... kích thích nam châm vónh cửu dùng phương pháp điều khiển trượt Đồng thời so sánh với phương pháp điều khiển dùng khâu PID 1.2 Một số phương hướng nghiên cứu: Động đồng kích thích nam châm vónh... PID 16 4.2 Điều khiển động đồng dùng phương pháp PID 17 Chương : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Xây dựng sơ đồ mô 18 5.1.1 Mô động đồng 18 5.1.2 Mô luật điều khiển trượt 19 5.1.2.1 Khối điều khiển Usd Usq