Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp trượt (hệ tọa độ a b)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o VĂN THỊ KIỀU NHI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRƯT ( hệ toạ độ α β ) Chuyên ngành : Thiết bị, mạng nhà máy điện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM, tháng 07 năm 2007 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ DƯƠNG HOÀI NGHĨA Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 25 tháng 06 năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VĂN THỊ KIỀU NHI Ngày, tháng, năm sinh : 03/ 9/ 1979 Giới tính : Nam / Nữ Nơi sinh : Bến Tre Chuyên ngành : Thiết bị, mạng nhà máy điện Khoá (Năm trúng tuyển) : 2004 1- TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển động không đồng ba pha phương pháp trượt.( hệ toạ độ α β ) 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Ứng dụng điều khiển tự động vào lónh vực truyền động điện Giải việc điều khiển động không đồng ba pha dùng kỹ thuật điều khiển phi tuyến Xem động không đồng ba pha đối tượng phi tuyến điều khiển đối tượng phương pháp trượt hệ toạ độ α β 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 12 /2006 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5/ 7/ 2007 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): Tiến sĩ DƯƠNG HOÀI NGHĨA Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) Ts DƯƠNG HOÀI NGHĨA CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Em chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM, phòng quản lý đào tạo sau đại học Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM tạo điều kiện để em thực luận văn Em chân thành cảm ơn thầy Dương Hoài Nghóa tận tình hướng dẫn em thực luận văn Xin cảm ơn bạn, đồng nghiệp ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi trình thực luận văn Kính chúc sức khỏe quý thầy cô, bạn đồng nghiệp TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn ứng dụng điều khiển tự động vào lónh vực truyền động điện Giải việc điều khiển động không đồng ba pha dùng kỹ thuật điều khiển phi tuyến Xem động không đồng ba pha đối tượng phi tuyến điều khiển đối tượng phương pháp trượt Luận văn bao gồm vấn đề chính: • Cơ sở phương pháp trượt • Mô hình toán học động không đồng ba pha hệ tọa độ không gian ba pha hệ tọa độ α β - Phương trình điện áp, dòng điện, từ thông, moment, tốc độ • Thiết kế hệ thống điều khiển trượt tốc độ từ thông động không đồng ba pha • Thiết kế ước lượng từ thông rotor dùng phương pháp trượt • Hình thành sơ đồ mô + Sơ đồ mô động không đồng bộ, luật điều khiển trượt, mặt trượt, ước lượng từ thông rotor hình thành điều khiển trượt cho động không đồng ba pha có ước lượng từ thông rotor • Khảo sát đáp ứng danh định tính bền vững hệ thống điều khiển • Kết luận MỤC LỤC Nội dung Trang Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn Mục lục Chương 1: Giới thiệu tổng quan 1.1 Giới thiệu 1.2 Nội dung luận văn Chương 2: Phương pháp điều khiển trượt 2.1 Điều khiển trượt 2.1.1 Điều khiển bám (tracking) 2.1.2 Ổn định hóa 11 2.2 Quan sát trạng thái 13 2.2.1 Bộ quan sát trạng thái tuyến tính 13 2.2.2 Bộ quan sát độ lợi lớn (high gain observer) 15 2.2.3 Bộ quan sát trượt (sliding mode observer) 18 Chương 3: Mô hình động không đồng ba pha hệ tọa độ 21 tónh α β 3.1 Hệ phương trình động không đồng ba pha 21 3.2 Hệ phương trình hệ tọa độ cố định stator α β 24 3.2.1 Chuyển đổi hệ tọa độ 24 3.2.2 Hệ phương trình hệ tọa độ cố định stator α β 26 3.3 Mô hình toán học động không đồng ba pha mô 32 matlab Chương 4: Điều khiển động không đồng ba pha phương 34 pháp trượt 4.1 Định nghóa mặt trượt 34 4.2 Tìm luật điều khiển 36 4.2.1 Hàm Lyapunov 36 4.2.2 Tìm luật điều khiển 36 4.3 Ước lượng từ thông phương pháp trượt 44 Chương 5: Kết mô 55 5.1 Sơ đồ mô 55 5.2 Kết mô 64 5.2.1 Các thông số mô 64 5.2.2 Kết mô với thông số chế độ danh định 65 5.2.3 Kết mô với giá trị điện trở tăng 50% 70 5.2.4 Kết mô với giá trị điện trở giảm 20% 75 5.2.5 Kết mô với giá trị điện cảm tăng 20% 80 5.2.6 Kết mô với giá trị điện cảm giảm 20% 85 5.2.7 Kết mô với giá trị moment quán tính tăng 1,5 lần 90 Chương 6: Kết luận 95 6.1 Luận văn giải vấn đề 95 6.2 Nhận xét điều khiển 95 6.3 Phương hướng phát triển luận văn 95 Phụ lục: Tài liệu tham khảo 96 Lí lịch trích ngang Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Chương GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU: Trong công nghiệp, điều khiển động vấn đề quan tâm, tự động hóa ngày phát triển Vì vậy, điều khiển truyền động yêu cầu cao độ xác xử lý nhanh đáp ứng động hệ thống Ngày nay, vấn đề điều khiển động nghiên cứu với nhiều phương pháp như: Neural Network, Fuzzy Logic… Đây phương pháp không cần đến phương trình xác động Song song với phương pháp trên, phát triển kỹ thuật điều khiển phi tuyến đưa vào ứng dụng để điều khiển động Xem đối tượng điều khiển – động – đối tượng phi tuyến điều khiển đối tượng kỹ thuật điều khiển phi tuyến Có nhiều cách để giải toán phi tuyến, luận văn chọn phương pháp điều khiển trượt Đề tài luận văn là: điều khiển động không đồng ba pha phương pháp điều khiển trượt Trong đó, động không đồng ba pha xem đối tượng phi tuyến, điều khiển đối tượng phương pháp điều khiển trượt 1.2 NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN: Luận văn bao gồm nội dung chính: - Nguyên lý điều khiển trượt hệ phi tuyến - Mô hình toán học động không đồng ba pha - p dụng nguyên lý điều khiển trượt cho mô hình động không đồng ba pha SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang Luận văn cao học - GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Mô nguyên lý điều khiển trượt cho mô hình động không đồng ba pha dùng công cụ toán học Matlab/ Simulink - Kết luận Luận văn bao gồm chương sau: - Chương 1: Giới thiệu tổng quan - Chương 2: Phương pháp điều khiển trượt - Chương 3: Mô hình toán học động không đồng ba pha - Chương 4: Điều khiển động không đồng ba pha phương pháp trượt - Chương 5: Kết mô - Chương 6: Kết luận - Phụ lục: Tài liệu tham khảo SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Chương PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯT 2.1 ĐIỀU KHIỂN TRƯT 2.1.1 Điều khiển bám (tracking) Đối tượng điều khiển : Xét hệ thống phi tuyến biểu diển phương trình vi phân y(n) = f(y, y , y , y(n-1)) + g(y, y , y , y(n-1))u (2.1.1) x1 = y, x2 = y , x3 = y , , xn = y(n-1) (2.1.2) Đặt ta biểu diển trạng thái ⎧ x = x ⎪ x = x ⎪⎪ ⎨ # ⎪ x = x n ⎪ n -1 ⎪⎩x n = f (x) + g(x) u (2.1.3) y = x1 Vấn đề : xác định tín hiệu điều khiển u cho tín hiệu y bám theo tín hiệu đặt r Mặt trượt : Định nghóa tín hiệu sai lệch e=y–r (2.1.4) hàm S S = e(n-1) + an-2e(n-2) + + a1 e + a0e SVTH : Văn Thị Kiều Nhi (2.1.5) Trang Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Nhận xét: - Thời gian đáp ứng tốc độ lớn so với đáp ứng danh định (0.4s) - Thời gian đáp ứng từ thông lớn so với đáp ứng danh định (0.03s) - Điện áp không thay đổi - Dòng điện tăng - Quá trình độ tốc độ độ vọt lố - Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ, quanh giá trị Khi chuyển đổi chế độ làm việc động cơ, giá trị mặt trượt biến động nhanh chóng giá trị - Hệ thống điều khiển có tính bền vững cao biến động Ls , Lr Lm SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 84 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa 5.2.6 Kết mô có ảnh hưởng điện cảm stator rotor( giảm 20%) Trong trường hợp này, điện cảm động 0,8 lần giá trị danh định dùng để thiết kế điều khiển Động kích từ thời điểm t = 0s với từ thông đặt Firef = 1Wb khởi động thời điểm t = 0.1s với tốc độ đặt wref = 150rad/s Khi t = 0.2s, ta đóng tải với moment tải ML = 2.5Nm Tại thời điểm t = 0.7s, động đảo chiều quay đến tốc độ -150rad/s Tại thời điểm t = 0.9s, động hãm dừng lại Kết theo hình sau: 1: Wref 2: W 3: Firef 4: Fiuocluong 5: Fi 6: ML 7: Me Hình 5.2.6.1: Kết mô tốc độ, từ thông, moment SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 85 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.6.2: Kết mô dòng điện SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 86 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.6.3: Kết mô điện áp SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 87 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.6.4: Kết mô mặt trượt SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 88 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Nhận xét: - Thời gian đáp ứng tốc độ nhỏ so với đáp ứng danh định (0.13s) - Thời gian đáp ứng từ thông lớn so với đáp ứng danh định (0.03s) - Điện áp không thay đổi - Dòng điện tăng lớn - Quá trình độ tốc độ độ vọt lố - Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ, quanh giá trị Khi chuyển đổi chế độ làm việc động cơ, giá trị mặt trượt biến động nhanh chóng giá trị - Hệ thống điều khiển có tính bền vững cao biến động Ls , Lr Lm SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 89 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa 5.2.7 Kết mô có ảnh hưởng moment quán tính ( tăng 1,5 lần so với giá trị danh định) Trong trường hợp này, moment quán tính động 1,5 lần giá trị danh định dùng để thiết kế điều khiển Động kích từ thời điểm t = 0s với từ thông đặt Firef = 1Wb khởi động thời điểm t = 0.1s với tốc độ đặt wref = 150rad/s Khi t = 0.2s, ta đóng tải với moment tải ML = 2.5Nm Tại thời điểm t = 0.7s, động đảo chiều quay đến tốc độ -150rad/s Tại thời điểm t = 1.2s, động hãm dừng lại Kết theo hình sau: 1: Wref 2: W 3: Firef 4: Fiuocluong 5: Fi 6: ML 7: Me Hình 5.2.7.1: Kết mô tốc độ, từ thông, moment SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 90 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.7.2: Kết mô dòng điện SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 91 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hoài Nghĩa Hình 5.2.7.3: Kết mô điện áp SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 92 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Hình 5.2.7.4: Kết mô mặt trượt SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 93 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Nghĩa Nhận xét: - Thời gian đáp ứng tốc độ lớn so với đáp ứng danh định (0.55s) - Thời gian đáp ứng từ thông lớn so với đáp ứng danh định (0.03s) - Điện áp không thay đổi - Dòng điện tăng lớn - Quá trình độ tốc độ độ vọt lố - Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ, quanh giá trị Khi chuyển đổi chế độ làm việc động cơ, giá trị mặt trượt biến động nhanh chóng giá trị - Hệ thống điều khiển có tính bền vững cao biến động moment quán tính SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 94 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hoài Nghĩa Chương KẾT LUẬN 6.1 LUẬN VĂN GIẢI QUYẾT CÁC VẤN ĐỀ: Luận văn giải vấn đề sau: - Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp trượt để điều khiển tốc độ từ thông động không đồng ba pha hệ toạ độ tónh stator α β - Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp trượt để ước lượng từ thông rotor thay cho cảm biến đo từ thông rotor - Mô hệ thống điều khiển ước lượng từ thông động không đồng ba pha phương pháp trượt 6.2 NHẬN XÉT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN Bộ điều khiển trượt cho động không đồng ba pha mô làm việc chế độ danh định có: - Thời gian đáp ứng tốc độ từ thông nhanh - Quá trình độ tốc độ từ thông độ vọt lố Bộ điều khiển có tính bền vững cao có biến đổi giá trị điện trở, điện cảm, moment quán tính 6.3 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN Ứng dụng điều khiển lên phần cứng, điều khiển hệ thống thật SVTH : Văn Thị Kiều Nhi Trang 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] – P.C.Sen, J.c> Trezise and M.Sack – “Microprocesser contrrol of an Induction Motor with Flux Regulation” – Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, February, 1981 [2] – K.Kubo, M Watanabe, T Ohmae and K Kamiyama – “Sofware-based Speed Regulator for Motor Drives” – International Power Electronic conference Record,Tokyo, 1983 [3] – W.Leonhard – “ Control Of Electrical Drives” – Springer Verlag, 1985 [4] – G F Franklin, J D Powell, M L Workman – “ Digital control of Dynamic systems” – Addison-Wesley Publishing Company, NewYork, 1990 [5] – A V Ivanov Smolenski, Vuõ Gia Hanh, Phan Tử Thụ biên dịch – “ Máy điện ” – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1993 [6] – J.C Wu, T.Sliu – “ A Siding Mode Approach To Fuzzy Control Design “ – IEEE Transactions on control systems technology, Vol No March 1996 [7] – Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Quốc Liễu – “ Điều Chỉnh Tự Động Truyền Động Điện “ – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1996 [8] – M G Tsilikin, M M Xocolov, V.M Terekhov –“ Cơ sở truyền động điện tự động” – Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1997 [9] – Nguyễn Phùng Quang –“ Điều Khiển Tự Động Truyền Động Điện Xoay Chiều Ba Pha” – Nhà xuất giáo dục, năm 1998 [10] – Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Nguyễn Văn Sáu – “ Máy Điện 1” – Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 1998 [11] – H.Jang Shich ang Kuo-Kai Shyu – “ Nonlinear Sliding Mode Torque Control with Adaptive Backstepping Appproach for induction Motor Drive” – IEEE Transactions on industrial electronics, Vol 46 No April 1999 [12] – A Benchaib, E Audrezet, M Tadjine – “ Real time Sliding – Mode Observer and Control of an induction Motor ” – IEEE Transactions on industrial electronics, Vol 46 No April 1999 [13] – Fumio Harshima, H.Hashimoto and S Kondo – “ Mosfet converter-fed Position servo system with Sliding mode control” – Institude of industrial Science, University of Tokyo [14] – Nguyễn Văn Nhờ - “ Điện Tử Công Suất 1” – Nhà xuất đại học quốc gia TPHCM, năm 2002 [15] – A Ivanov - Smolensky –“ Electrical Machines “ – Mir Publishers Moscow [16] – M Gopal Tata – “ Digital Control and State Variable Mothods” – McGrawHill Publishing Company Limited NewDelhi, 2003 [17]– Nguyễn Phùng Quang - “ Matlab & Simulink” - Nhà xuất giáo dục, năm 2004 [18] – Li-Xin Wang- “ A course in fuzzy systems and control” – Prentice-Hall International [19] – Hassan K Khalil - “ Nonlinear systems” – Prentice-Hall International [20] – Timothy J Ross - “ Fuzzy logic with engineering applications” – McGrawHill [21] – A Ivanov-Smolensky - “ Electrical Machines” – Mir Publishers Moscow [22] – Binal K, Bose - “ Microcomputer control of power electronic and driver” – The institude of electrical and electronics Engineers, NewYork LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: VĂN THỊ KIỀU NHI Ngày, tháng, năm sinh: 03/ 9/ 1979 Nơi sinh: Bến Tre Địa liên lạc: 12 Nguyễn Văn Bảo, Quận Gò Vấp, TP Hồ Chí Minh Q TRÌNH ĐÀO TẠO - 9/ 1996 – 01/ 2001 : học đại học trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh 9/ 2004 – : học cao học trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC - 2001- 2005 : giáo viên trường Cao Đẳng công nghiệp IV - 2005- 2007 : giáo viên trường Đại học công nghiệp TP Hồ Chí Minh ... khiển trượt Đề tài luận văn là: điều khiển động không đồng ba pha phương pháp điều khiển trượt Trong đó, động không đồng ba pha xem đối tượng phi tuyến, điều khiển đối tượng phương pháp điều khiển. .. Nhi Trang 20 Luận văn cao học GVHD: Ts Dương Hồi Ngh? ?a Chương MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA TRONG HỆ T? ?A ĐỘ TĨNH α β 3.1 HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN C? ?A ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Điều kiện... động không đồng ba pha đối tượng phi tuyến điều khiển đối tượng phương pháp trượt Luận văn bao gồm vấn đề chính: • Cơ sở phương pháp trượt • Mô hình toán học động không đồng ba pha hệ t? ?a độ không