Điều khiển thích nghi vị trí động cơ không đồng bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG THANH THƯƠNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Chun ngành: Tự Động Hóa Mã số HV: 10150055 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐẶNG THANH THƢƠNG MSHV: 10150055 Ngày, tháng, năm sinh: 25/08/1986 Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số : 605260 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : - Tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển động theo phƣơng pháp tựa theo từ thơng rotor (FOC) - Tìm hiểu điều khiển nghịch lƣu theo phƣơng pháp điều chế vector không gian - Tìm hiểu điều khiển trƣợt áp dụng cho động không đồng - Ứng dụng điều khiển PI trƣợt vào điều khiển tốc độ vị trí động khơng đồng III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài) IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) Lời cảm ơn i LỜI CẢM ƠN Sau năm nghiên cứu làm việc cách tích cực, em hồn thành luận văn tốt nghiệp cao học Trong trình thực hiện, em nhận hỗ trợ giúp đỡ từ nhiều người Và hôm nay, em muốn gửi lời tri ân chân thành đến tất người Trước hết, em xin kính gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy – TS Nguyễn Đức Thành tận tình hướng dẫn em suốt thời gian em thực đề tài! Cảm ơn thầy dành thời gian công sức bảo cho em cách tỉ mỉ cụ thể Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô khoa Điện – Điện Tử truyền đạt cho em kiến thức quý báu suốt thời gian em học tập trường Con xin gửi lời tạ ơn chân thành đến Ba Mẹ - người có công sinh thành, nuôi nấng, dạy dỗ luôn khích lệ bước Cuối cùng, tơi xin cảm ơn anh chị em gần xa, bạn khóa động viên, giúp đỡ tơi nhiều thời gian thực đề tài Tp HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2013 Đặng Thanh Thương Tóm tắt ii TĨM TẮT Điều khiển vị trí chế độ trượt cho ứng dụng thời gian thực chất lượng cao động không đồng phát triển đề tài Thiết kế kết hợp ước lượng từ thông đơn giản để tránh sử dụng cảm biến từ thơng Do đó, sơ đồ điều khiển đề xuất đưa chi phí tính tốn thấp thực dễ dàng ứng dụng thời gian thực cách sử dụng xử lý DSP chi phí thấp Phân tích ổn định điều khiển không chắn tham số nhiễu phụ tải cung cấp sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov Cuối cùng, kết mô thực nghiệm cho thấy điều khiển đề xuất bám theo quỹ đạo tốt sơ đồ bền vững với thay đổi tham số đối tượng nhiễu phụ tải bên Abstract iii Abstract An adaptive sliding mode position control for high-performance realtime aplications of induction motors is developed in this work The design also incorporates a simple flux estimator in order to avoid the flux sensors Then, the proposed control scheme presents a low computational cost and therefore can be implemented easily in a real-time applications using a low cost DSP-processor The stability analysis of the controller under parameter uncertainties and load disturbances is provided using lyapunov stability theory Finally, simulated and experimental results show that the proposed controller with the proposed observer provides a good trajectory tracking and that this scheme is robust with respect to plant parameter variations and external load disturbances Lời cam đoan iv LỜI CAM ĐOAN Tôi: Đặng Thanh Thương Sinh ngày 25 tháng 08 năm 1986 Học viên lớp cao học Tự động hóa 2010, khoa Điện – Điện Tử, trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Xin cam đoan: Đề tài ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ thầy TS Nguyễn Đức Thành hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy hướng dẫn Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học Pháp luật Tp HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2013 Đặng Thanh Thương Mục lục v MỤC LỤC CHỦ ĐỀ TRANG Lời cảm ơn i Tóm tắt luận văn ii Abstract iii Lời cam đoan iv Mục lục v Danh sách bảng hình ảnh ix Ký hiệu chữ viết tắt xii MỞ ĐẦU Giới thiệu đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Khái quát chung 1.2 Mơ hình liên tục ĐCKĐB 1.2.1 Mơ hình liên tục ĐCKĐB hệ tọa độ αβ 1.2.2 Mơ hình liên tục ĐCKĐB hệ tọa độ dq 1.3 Mơ hình gián đoạn ĐCKĐB 1.3.1 Mơ hình gián đoạn ĐCKĐB hệ tọa độ αβ 10 1.3.2 Mơ hình gián đoạn ĐCKĐB hệ tọa độ dq 11 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1 Khái quát cấu trúc hệ 14 2.1.1 Vector không gian hệ tọa độ từ thông 14 Mục lục vi 2.1.2 Cấu trúc hệ điều khiển tựa theo từ thông rotor 18 2.2 Điều khiển nghịch lưu theo phương pháp ĐCVTKG 20 2.2.1 Nguyên lý điều chế 22 2.2.2 Cách tính xuất thời gian đóng ngắt van 28 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ DSP F28335 VÀ THƯ VIỆN SỐ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 3.1 Tổng quan DSP F28335 32 3.2 Module PWM 34 3.2.1 Module Time-Base 35 3.2.2 Module Counter-Compare 38 3.2.3 Module Action Aqualifier 39 3.2.4 Module Dead Band 39 3.2.5 Module kích hoạt kiện Event Trigger 41 3.2.6 Tính tốn chu kỳ 42 3.3 Module ADC 42 3.4 Module Encoder 46 3.5 Xung clock 49 3.5.1 Bộ PLL tần số dao động 50 3.5.2 Khối Watchdog 51 3.6 General Purpose IO (GPIO) 52 3.6.1 Tổng quan Module GPIO 52 3.6.2 Tổng quan thiết lập cấu hình 52 3.7 Module mở rộng ngắt ngoại vi (PIE) 55 3.7.1 Tổng quan PIE 55 3.7.2 Ngắt cấp ngoại vi (peripheral level) 56 3.7.3 Ngắt cấp PIE 57 3.7.4 Ngắt cấp CPU 57 3.7.5 Bản đồ vector ngắt 58 3.7.6 Nguồn ngắt 58 3.8 Timer CPU 0/1/2 32-bit 59 3.9 Thư viện số - Lập trình theo kết cấu (Modular) 60 3.9.1 Cấu trúc lập trình theo kết cấu 60 Mục lục vii 3.9.2 Tốn hạng lập trình theo kết cấu 62 3.9.3 Sử dụng ứng dụng lập trình theo kết cấu 62 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ TRƯỢT VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 4.1 Khái quát hệ phi tuyến 65 4.1.1 Khái niệm 65 4.1.2 Mơ hình quỹ đạo trạng thái hệ phi tuyến 65 4.1.3 Điểm cân điểm dừng hệ thống 68 4.1.4 Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 70 4.2 Bậc tương đối hệ phi tuyến 75 4.3 Tính động học khơng 77 4.4 Thiết kế Điều khiển trượt cho ĐCKĐB 80 4.4.1 Điều khiển trượt 80 4.4.2 Thiết kế Điều khiển trượt cho điều khiển tốc độ ĐCKĐB 83 4.4.3 Thiết kế Điều khiển trượt cho điều khiển vị trí ĐCKĐB 85 CHƯƠNG KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 5.1 Kết mơ 88 5.1.1 Mô điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB 88 5.1.2 Mô điều khiển trượt tốc độ ĐCKĐB 95 5.1.3 Mơ điều khiển PI vị trí ĐCKĐB 100 5.1.4 Nhận xét kết mô 106 5.2 Kết thực nghiệm 107 5.2.1 Mơ hình phần cứng giải thuật điều khiển ĐCKĐB 107 5.2.2 Kết thực nghiệm điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB 114 5.2.3 Kết thực nghiệm điều khiển PI vị trí ĐCKĐB 118 5.2.4 Nhận xét kết thực nghiệm 120 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận 121 6.2 Hướng phát triển đề tài 121 Chương 110 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành Hình 5.18 cho sơ đồ kết nối phần cứng mơ hình Nguồn lưới 220VAC nắn thành điện áp chiều đưa vào inverter ba pha Bộ inverter xuất điện áp pha đến động nhờ tính hiệu xung nhận từ module PWM (PWM-1, PWM-2 PWM-3) Các dòng điện pha động cơ, qua mạch xử lý, đưa vào module ADC 12-bit để tính.Vị trí động xác định qua tín hiệu từ encoder đưa vào module encoder QEP Có thể điều khiển quan sát hoạt động động qua module SCI kết nối máy tính c Giải thuật điều khiển ĐCKĐB Sơ đồ khối điều khiển PI tốc độ vị trí ĐCKĐB thể hình 5.19 hình 5.20 Hình 5.19 Sơ đồ khối điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương 111 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành Hình 5.20 Sơ đồ khối điều khiển PI vị trí ĐCKĐB Hình 5.21 Giao diện điều khiển ĐCKĐB HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương GVHD: TS Nguyễn Đức Thành 112 START Định nghĩa biến Khởi tạo ADC Khởi tạo cấu trúc IsrTicker ++ Khởi tạo cấu hình DSP No IsrTicker =5000 Khởi tạo bảng vector ngăt Yes Tính dịng Offset Khởi tạo Timer CPU No IsrTicker =20000 Khởi tạo SCI Yes Khởi tạo PWM Ngắt MainIsr Hình 5.22 Lưu đồ giải thuật điều khiển ĐCKĐB HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương 113 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành Ngắt MainIsr Biến đổi IPARK Tính dịng pha A &B Cập nhật mơ hình dịng CUR_MOD Biến đổi CLARKE Tính chu kỳ PWM SVGEN Biến đổi PARK Cập nhật ghi PWM Tính vị trí (QEP) Phát PWM Tính tốc độ SPEED_FR No PWM kích hoạt ADC Cập nhật PI vị trí Yes Cập nhật PI tốc độ Biến đổi ADC Cập nhật PI dòng Id Kết thúc biến đổi Cập nhật PI dòng Iq Yes HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 No Chương GVHD: TS Nguyễn Đức Thành 114 Giao diện thực điều khiển ĐCKĐB thể hình 5.20, đặt vẽ tín hiệu sơ đồ Lưu đồ giải thuật chi tiết hệ thống thể hình 5.21 Có thể thấy chương trình bắt đầu với khai báo biến, khởi động cấu hình phần cứng sử dụng DSP khởi động inverter Tiếp theo, PWM bắt đầu chương trình vào vịng lặp Do vịng lặp điều khiển đồng sóng mang PWM, bắt đầu chu kỳ PWM kích hoạt biến đổi ADC Biến đổi ADC chứa kết đo dòng pha Kết thúc chuyển đổi ADC, chương trình nhảy vào ngắt ISR Trong chương trình ngắt, dịng tốc độ tính Tiếp theo, thuật toán điều khiển vector thực hiên (từ biến đổi Clarke đến biến đổi Clarke ngược) Cuối cùng, chu kỳ nhiện vụ PWM cập nhật chương trình đợi kích hoạt từ PWM 5.2.2 Kết thực nghiệm điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB Thực nghiệm mơ hình tốc độ 500 vịng/phút mômen tải thay đổi Các kết thực nghiệm ứng với trường hợp sau: Đóng tải khởi động sau giảm tải: (a) HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương GVHD: TS Nguyễn Đức Thành 115 (b) (c) Hình 5.22 Thực nghiệm điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB,có tải khởi động (a) Tốc độ rotor bám theo tín hiệu đặt (b) Sai số tốc độ dịng mơmen iq HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương GVHD: TS Nguyễn Đức Thành 116 (c) Thời điểm đóng tải đáp ứng Khơng tải khởi động sau đóng tải: (a) HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương GVHD: TS Nguyễn Đức Thành 117 (b) Hình 5.23 Thực nghiệm điều khiển PI tốc độ ĐCKĐB,không tải khởi động (a) Tốc độ rotor bám theo tín hiệu đặt (b) Sai số tốc độ dịng mơmen iq HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương GVHD: TS Nguyễn Đức Thành 118 5.2.3 Kết thực nghiệm điều khiển PI vị trí ĐCKĐB (a) HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương GVHD: TS Nguyễn Đức Thành 119 (b) (c) (d) Hình 5.24 Thực nghiệm điều khiển PI vị trí ĐCKĐB HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương 120 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành (a) Vị trí rotor bám theo vị trí đặt (b) Sai số xuất có nhiễu tải (c) Sai số (nhân 100 lần) xác lập vị trí (d) Sai số (nhân 100 lần) nhiễu tải 5.2.4 Nhận xét kết thực nghiệm - Điều khiển tốc độ ổn định thay đổi tải, đóng tải cho sai số lớn - Điều khiển vị trí ổn định có nhiễu tải Sai số xác lập nhỏ HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương 121 GVHD: TS Nguyễn Đức Thành CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận: Qua q trình thiết kế mơ điều khiển ĐCKĐB tính ổn định điều khiển kiểm định Kết mô cho thấy điều khiển đảm bảo tính ổn định giới hạn nhiễu tải tác động vào Khi chạy thực nghiệm điều khiển tốc độ vị trí ĐCKĐB, kết ngỏ dao động sai số bám theo quỹ đạo mong muốn 6.2 Hướng phát triển đề tài: Khi thiết kế điều khiển trượt theo lý thuyết thiết kế chương 4, mơ hình tốn đối tượng phải biết trước thơng số mơ hình chưa biết xác Điều gây khó khăn cho đối tượng mà mơ hình tốn chưa biết Vì cần có phương pháp khắc phục , chẳng hạn nhận dạng mô hình đối tượng Đề tài thực điều khiển PI tốc độ vị trí, phần điều khiển thích nghi nên phát triển HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Tài liệu tham khảo 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abid, Mohamed; Mansouri, Abdellah; G Aissaoui, Abdel; Belabbes, Baghdad; (2008) Sliding mode application in position control of an induction machine Journal of Electrical Engineering, 322-327 [2] BARAMBONES, OSCAR; ALKORTA, PATXI; GONZALES DE DURANA, JOSE MARIA; (2013) Sliding mode position control for real-time control of induction motors International Journal of Innovative Computing, Information and Control, 2741-2754 [3] BARAMBONES, OSCAR; ALKORTA, PATXI; GONZALEXS DE DURANA, JOSE MARIA; Antonio Ramos, Jose; (2012) Position Control for Induction Motors using The Sliding Mode Control Theory CONTROLO'2012 Funchal, Portugal, 81-86 [4] Barambones, Oscar; Alkorta, Patxi; J Garrido, Aitor; I Garrido; F.J Masede (2007) An adaptive sliding mode control scheme for induction motor drives INTERNATIONAL JOURNAL OF CIRCUITS, SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING, 73-78 [5] CHENG, QIAN; YUAN, LEI; (2011) Vector control of an induction motor based on DSP Sweden: Chalmers University of Technology [6] Dittrich, Andreas; Nguyen, Quang Phung; (n.d.) Vector control of Three-Phase AC Machines Springer [7] Eddin Rezgui, Salah; Benalla, Hocine; (2011) High Performance Controllers for Speed and Position Induction Motor Drive using New Reaching Law International journal of Instrumentation and Control Systems, 31-46 [8] Hà, N T (2009) Lý thuyết Điều khiển Hiện đại Hồ Chí Minh: Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [9] Hà, Nguyễn Thị Phương; Hoàng, Huỳnh Thái; (2005) Lý thuyết Điều khiển tự động Hồ Chí Minh: Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Tài liệu tham khảo 123 [10] Hoàng, H T (2006) Hệ thống điều khiển thơng minh Hồ Chí Minh: Nhà xt Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [11] M Noaman, N (2008) Speed Control for IFOC Induction Machine with Robust Sliding Mode Controller Asian Journal of Scientific Research, 324-337 [12] Nghĩa, D H (2007) Điều khiển hệ thống Đa biến Hồ Chí Minh: Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [13] Nguyễn, Quang Phùng; Dittrich, Andreas; (2004) Truyền động điện thông minh Hà Nội, Việt Nam: Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Websites: [1] http://www.ti.com [2] http://www.ti.com/controlsuite [3] http://www.ti.com/c2000tools [4] http://www.mathworks.com Lý lịch trích ngang 124 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : Đặng Thanh Thương Ngày, tháng, năm sinh : 25/08/1986 Nơi sinh : Đồng Tháp Địa liên hệ : 2/90/7 Thiên Phước, P.9, Q Tân Bình, HCM Q TRÌNH ĐÀO TẠO - 2004-2009 : Học Đại học trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh - 2010- : Học Cao học trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC - 06/2010-05/2013 : Làm việc Công ty CP Thang Máy Hoàng Triều ... Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số : 605260 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : - Tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển động theo... hiểu điều khiển nghịch lƣu theo phƣơng pháp điều chế vector khơng gian - Tìm hiểu điều khiển trƣợt áp dụng cho động không đồng - Ứng dụng điều khiển PI trƣợt vào điều khiển tốc độ vị trí động. .. động không đồng Chương 2: Điều khiển vector tựa theo từ thông rotor động không đồng Chương 3: Tổng quan DSP F28335 Thư viện số điều khiển động Chương 4: Điều khiển thích nghi chế độ trượt động