Điều khiển vị trí động cơ KĐB sử dụng biến tần Vector bằng bộ điều khiển trượt
Trang 1ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ KHÔNG 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 cơ không đồng bộ (KĐB) sử dụng biến tần vector bằng bộ điều khiển trượt Xây dựng được mô hình động cơ không đồng bộ và thiết lập bộ điều khiển trượt trên phần mềm Matlab – Simulink Với phương pháp này, vị trí động cơ không đồng bộ được điều khiển bám theo tín hiệu đặt mong muốn trong trường hợp không có tải và có tải Động cơ không đồng bộ là đối tượng phi tuyến khá phức tạp với những bộ điều khiển thông thường khó có thể đáp ứng được, nhưng bộ điều khiển trượt có thể điều khiển tốt đối tượng Kết quả mô phỏng cho động cơ MTKM311-6 cho thấy sai lệch vị trí của hệ được 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 được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, cơ cấu ăn dao, máy cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng… tùy thuộc vào các cơ cấu mà công suất truyền động nằm trong dải rộng từ vài chục W đến hàng trăm KW
Động cơ KĐB là đối tượng phi tuyến khá phức tạp với nhiều đầu vào, nhiều đầu ra Trong các cách mô tả toán học động cơ KĐB, mô hình trạng thái có những ưu thế nổi bật như cung cấp cho ta hiểu biết chi tiết về bản chất bên trong
của đối tượng cũng như là cơ sở thuận lợi để thiết kế các khâu điều chỉnh, quan sát
Trong bài báo này, bộ điều khiển trượt được ứng dụng để điều khiển cho hệ thống phi tuyến là động cơ MTKM311-6 Mục đích là để hệ thống đạt được sự ổn định nhanh và sai lệch bám nhỏ với sự biến đổi tham số động cơ, tham số tải cũng như nhiễu bên ngoài tác động Trong phần II, sẽ xây dựng mô hình động cơ KĐB và bộ điều khiển trượt cho đối tượng phi tuyến được đưa ra Các kết quả mô phỏng được trình bày ở phần III Các kết luận được nêu lên ở phần IV
* ThS Giảng viên Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh ** KS Giảng viên Trường Cao đẳng Công nghiệp Quảng Ngãi
Trang 22 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1 Mô hình ba pha của động cơ KĐB
Động cơ KĐB có các dây quấn ba pha ở rotor và stator, các dây quấn ở ba pha đối xứng và được bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi khe hở không khí có dạng hình sin, gọi k là tên của dây quấn thì ta có các phương trình như sau:
jkk =∑Li
(2) Đặt as, bs, cs, ar, br, cr là tên gọi của dây quấn stator và rotor
j = as/bs/cs/ar/br/cr j = as/bs/cs/ar/br/cr
L- điện cảm chính của các dây quấn pha stator
θ - vị trí góc của dây quấn rotor
Thì ta có thể viết được sáu phương trình điện áp cho động cơ KĐB như sau, nếu mạch từ còn chưa bão hòa (điện áp là hằng)
(3a)
có điện áp rotor các pha bằng 0
(3b) Và tất cả các đại lượng điện từ (điện áp, từ thông, dòng điện) được coi như là các vector ra ba hướng theo trục của dây quấn
Ta rút ra được hệ phương trình sau:
⎝⎛ ++=
⎝⎛ +=Ψ+=
(4) Mômen điện từ của động cơ có thể được tính như sau:
( )
{ mmr}
ddiP
Trang 3(6) Hệ phương trình (6) có thể được thể hiện bởi sơ đồ cấu trúc dưới đây, hình 3, sử dụng ánh xạ liên tục
s= , kết hợp với phương trình chuyển động của hệ:
trục α, β
cơ không đồng bộ trong hệ trục
βα,
Trang 42.2 Kỹ thuật điều khiển
Hình 4 và hình 5 giúp diễn giải kỹ thuật điều khiển trực tiếp từ thông Stato và mô men điện từ (DTC)
Hình 5
(a) Quỹ đạo véc tơ từ thông Stato
Trang 5đun được so sánh với giá trị thực tương ứng, sai lệch của chúng được xử lý theo kiểu bộ điều khiển dải trễ Bộ điều khiển của mạch vòng từ thông có hai mức đầu ra tùy thuộc sai lệch từ thông
d khi eψ >+BTψ; 1
d khi eψ <−BTψ ;
Trong đó 2BTψbằng độ rộng của băng trễ của bộ điều khiển từ thông Quỹ đạo của đầu mút véc tơ từ thông là đường zig-zac quay ngược chiều kim đồ Như vậy, từ thông thực sẽ được “kẹp” giữa băng trể Bộ điều khiển mô men có
ba mức đầu ra, tùy thuộc vào sai lệch mô men
2.3 Nguyên lý điều khiển
Về cơ bản, SMC là một hệ điều khiển có cấu trúc biến thiên (VSS), trong đó cấu trúc hoặc cấu trúc hình của điều khiển được thay đổi có chỉ định để ổn định hóa điều khiển và làm cho đáp ứng của nó bền vững Áp dụng SMC vào truyền động sử dụng động cơ KĐB được điều khiển véc tơ sẽ được mở rộng để điều khiển quỹ đạo trượt toàn phần bao gồm tăng tốc, tốc độ hằng và giảm tốc
Mục tiêu là tạo đáp ứng bền vững với tham số của mô hình, đó là hệ số mô men Kt, mô men quán tính J, hệ số suy giảm ma sát B và nhiễu mô men tải TL
X =θ*−θ (8)
− (10) Với: - K1 : hệ số khuyếch đại của dòng điện đặt *
JSX2 + 2 =− 1 + (11)
21
Trang 6Hình 7 Chi tiết lược đồ SMC
Hình 7 chỉ ra chi tiết lưu đồ SMC, quỹ đạo tương ứng cho các phần tăng tốc - tốc độ hằng - giảm tốc đối với cả hai trường hợp +X1
và –X1, tín hiệu X2 được tạo trực tiếp từ tín hiệu tốc độ ωm
Có 3 mạch vòng điều khiển trong hình vẽ lược đồ SMC, tín hiệu X2 được tạo trực tiếp từ tốc độ ωm
+ Mạch vòng chính (hay còn gọi là mạch vòng sơ cấp) nhận sai số vị trí X1 và phát điện áp U1 qua bộ điều khiển chuyển mạch có các hệ số khuếch đại tương ứng làαivàβi
+ Mạch vòng thứ hai có đầu vào đạo hàm 1 X2
+ Ngoài ra còn có mạch vòng phụ, tại đó hằng số A được bơm vào để hạn chế sai số tĩnh do ma sát kho và tải TL gây ra
Trong bộ điều khiển SMC, mọi tín hiệu vào đều được truyền qua các chuyển mạch hai
vị trí và tiêu chuẩn để điều khiển từng chuyển mạch
Tất cả các vòng đóng góp tín hiệu tương ứng và tín hiệu tổng sẽ là:
U = U0 + U1 + U2 (14) Quỹ đạo tương ứng cho các phần tăng tốc độ - tốc độ hằng - giảm tốc độ
Luật SMC được định nghĩa như sau
U = σ +ψ +ψ (15) Trong đó:
Trang 7Hình 8 Mô hình hệ thống điều khiển vị trí động cơ KĐB trên Matlab – Simulink
3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Thông số động cơ
Chọn động cơ MTKM311-6 với thông số cơ bản
+ 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 = 930vòng/phút + Hệ số công suất định mức cosφ : cosφ = 0,83
+ Tần số định mức fN(Hz) : fN = 50 Hz + Điện trở mạch Stato ( Ω ) : RS= 0,9 ( Ω ) + Điện trở mạch Rô to ( Ω ) : Rr= 0,86( Ω )
Trang 83.2 Kết quả mô phỏng
a) Từ thông αβ của hệ thống khi không tải
b) Sai lệch bám của hệ thống khi không tải
c) Từ thông αβ của hệ thống khi đóng tải tại thời điểm 1 giây
-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8
Trang 9Khi điều khiển bằng bộ SMC, nếu có sự thay đổi tải bên ngoài, hệ thống vẫn ổn định và độ sai lệch giữa lúc có tải và không tải là khoảng 0,86% Trong khi đó, nếu sử dụng bộ điều khiển PID thì độ sai lệch đó là 6,49%
4 KẾT LUẬN
Bài báo đã nêu được phương pháp điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần véc tơ bằng bộ điều khiển trượt Các kết quả mô phỏng trên phần mền Matlab – Simulink cho thấy sự tác động nhanh và sai lệch bám của hệ thống được đảm bảo Các chỉ tiêu chất lượng về sai lệch và sự tác động nhanh tốt hơn so với bộ điều khiển PID nhưng từ thông α β có hiện tượng rung “chattering” Mặc khác, việc chỉnh định các tham số của bộ điều khiển trượt này cho từng đối tượng phi tuyến khó khăn hơn bộ điều khiển PID bền vững [1]
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Minh Trí, Lê Văn Mạnh, Thiết kế bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống phi tuyến bậc hai nhiều đầu vào – nhiều đầu ra và ứng dụng trong điều khiển tay máy công nghiệp, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 4(39)/2010
[2] Lê Tấn Duy, Thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ tay máy robot, Tạp chí Khoa học và Công
