Trong ba cấu trúc DTC – SVM đầu tiên được đề xuất ở hình 4.1, hình 4.2 và hình 4.4 việc tính toán giá trị điện áp đặt stato dựa vào s tính theo phương trình
- 81 -
(4.3). Thuật toán vi sai rất nhạy với nhiễu hơn thế nữa nếu có sai lệch trong tín hiệu phản hồi thì thuật toán vi sai không thể ổn định được. Điều này là nhược điểm rất lớn đối với ba sơ đồ này. Phương pháp đề xuất ở hình 4.1 và hình 4.2 không có bộ điều khiển từ thông, trong các phương pháp này biên độ từ thông chỉ được điều chỉnh.
Phương pháp cuối cùng đề xuất ở hình 4.5 đã loại bỏ được thuật toán vi sai. Hơn thế nữa bộ điều khiển từ thông và momen là vòng lặp kín với bộ điều khiển PI có khả năng bám và triệt tiêu sai lệch tĩnh. Do đó sơ đồ này sẽ được lựa chọn thực hiện trong đề tài này.
4.3. Phân tích thiết kế bộ điều khiển từ thông và momen cho phƣơng pháp DTC –SVM với bộ điều khiển từ thông và momen trong hệ tọa độ quay với stato.
Các phương trình trong mô hình động cơ có thể viết sang hệ trục tọa độ quay từ thông stato (x-y) cùng với tốc độ góc từ thông stato K ss, tốc độ góc này được định nghĩa theo phương trình (4.8).
ss ss d dt (4.8)
Trong đó sslà góc của vector từ thông stato.
Các thành phần vector không gian có thể được tách ra trên hệ trục tọa độ (x-y):
sK sx sy U U jU (4.9a) , sK sx sy rK rx ry I I jI I I jI (4.9b) , sK sx j sy rK rx j ry (4.9c)
Các phương trình mô hình động cơ (3.12), (3.13) và (3.14) có thể viết lại trên hệ trục tọa độ (x-y) như sau:
s sx s sx d U R I dt (4.10a) sy s sy ss s U R I (4.10b) 0 rx r rx ry b m ss d R I p dt (4.11a)
- 82 - 0 R Ir ry d ry rx ss pb m dt (4.11b) s L Is sx L IM rx (4.12a) 0L Is syL IM ry (4.12b) rx L Ir rx L IM sx (4.12c) ry L Ir ry L IM sy (4.12d) 1 2 m s b s sy L d m p I M dt J (4.13)
Momen điện từ có thể đưa ra bởi biểu thức (4.14) 2
s e b s sy
m
M p I (4.14)
Dựa vào các phương trình từ (4.10) đến (4.14) sơ đồ khối của mô hình động cơ không đồng bộ được đưa ra ở hình 4.6.
Hình 4.6. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ quay từ thông stato [13].
- 83 -
Sơ đồ khối ở hình 4.6 là một mô hình đầy đủ của động cơ không đồng bộ, tuy nhiên mô hình này khá phức tạp khó để phân tích. Tuy nhiên theo phương trình mô tả điện áp stato (4.10) và phương trình momen (4.14) thì động cơ được mô tả như sau:
s sx s sx d U R I dt (4.15) 1 2 s e b s sy ss s s m M p U R (4.16)
Từ đây mô hình động cơ có thể đơn giản như hình 4.7.
Hình 4.7. Mô hình đơn giản động cơ trên hệ trục tọa độ quay từ thông stato (x-y) [13].
Xem xét mô hình đơn giản của động cơ ở hình 4.7, các bộ điều khiển từ thông và momen trong sơ đồ điều khiển ở hình 4.5 được đề xuất như hình 4.8.
Hình 4.8. Bộ điều khiển từ thông và momen theo mô hình đơn giản động cơ [13].
- 84 -
Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ đi thiết kế hai bộ điều khiển từ thông và momen cho phương pháp DTC – SVM.
4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển từ thông
Sơ đồ khối của bộ điều khiển từ thông được mô tả ở hình 4.10. Vòng điều khiển này được đề xuất dựa trên mô hình mô tả ở hình 4.8. Điện áp rơi trên điện trở stato được bỏ qua. Trong vòng điều khiển từ thông phải xét đến trễ của bộ biến đổi.
Hình 4.10. Vòng điều khiển biên độ từ thông stato.
Đối với việc thiết kế thông số cho bộ điều khiển từ thông thì tiêu chuẩn tối ưu đối xứng có thể được áp dụng. Theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng mô hình hàm truyền của đối tượng được viết như sau:
0 2 1 ( ) 1 s c K e G s sT sT (4.18)
Áp dụng (4.18) trên mô hình hình 4.10 ta thấy Kc 1 là hệ số nghịch lưu, 0 là thời gian chết của nghịch lưu ( 0 0 đối với bộ nghịch lưu lý tưởng), T2 1 và
1 s
T T là các hằng số thời gian nhỏ bao gồm trễ do xử lý tín hiệu và phát xung PWM.Thông số bộ điều khiển từ thông theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng có thể được tính như sau: 2 1 0 1 2 ( ) 2 p c s T K K T T (4.19) 1 0 4 4 i s T T T (4.20)
- 85 -
Bảng 4.1. Tính toán thông số bộ điều khiển từ thông theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng.
fs Kpψ Tpψ tnψ (s) pψ (%)
10.0kHz 5000 0.00040 0.00150 1.60
5.0kHz 2500 0.00080 0.00180 2.37
2.5kHz 1250 0.00160 0.00200 9.33
Trong bảng 4.1 trình bày thông số của đáp ứng bước đối với bộ điều khiển từ thông và được tính toán theo phương trình (4.19) và (4.20). Các tần số trích mẫu lần lượt được xem xét là 2.5KHz, 5KHz, 10KHz. Theo kết quả mô phỏng, tn là thời gian lần đầu tiên giá trị thực của từ thông bám theo lượng đặt, p là độ quá điều chỉnh. Kết quả mô phỏng được trình bày ở hình 4.11.
- 86 -
(b)
(c)
Hình 4.11. Kết quả mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển từ thông ở các tần số trích mẫu khác nhau a) fs 10KHz; b) fs 5KHz; c) fs 2.5KHz [13].
Kết quả mô phỏng ở hình 4.11 cho thấy bộ điều khiển từ thông cho đáp ứng tương đối tốt ở các tần số trích mẫu khác nhau.
4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển momen
Sơ đồ khối của bộ điều khiển momen được trình bày ở hình 4.12, cũng như bộ điều khiển từ thông, bộ điều khiển momen được đề xuất từ hình 4.8. Tuy nhiên thành phần liên hệ giữa từ thông và momen được bỏ qua, vì vậy mô hình thu được
- 87 -
rất đơn giản và với mô hình này tiêu chuẩn tối ưu đối xứng cũng có thể được áp dụng.
Hình 4.12. Sơ đồ vòng điều khiển mô men.
Trong thực tế cách tổng hợp đơn giản này được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển momen. Theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng chúng ta dễ dàng tính được KpM 1
và TiM 4Ts, vì bỏ qua thành phần ảnh hưởng của từ thông lên các thông số này chưa chính xác hoàn toàn vì vậy chúng ta còn phải qua một bước tinh chỉnh. Hệ số khuyếch đại KpM được tăng dần và được trình bày như hình 4.13, từ kết quả mô phỏng chúng ta sẽ tìm ra được hệ số KpM đảm bảo tiêu chuẩn động học của bộ điều khiển momen, đáp ứng đủ nhanh mà độ quá điều chỉnh không quá lớn. Trong hình 4.13 kết quả mô phỏng với tần số trích mẫu 5KHz và 10 KHz được trình bày. Đối với tần số fs 5KHz thì hệ số KpM 17 được lựa chọn còn với tần số fs 10KHz
thì hệ số KpM 24 được lựa chọn.
Kết quả thu được cuối cùng với bộ điều khiển momen được trình bày ở bảng 4.2 trong đó tnM là thời gian lần đầu tiên giá trị thực của momen bám theo lượng đặt,
M
p là độ quá điều chỉnh.
Bảng 4.2. Thông số của bộ điều khiển momen.
fs KpM TpM tpM (s) pM (%)
10.0 kHz 24 0.0004 0.0007 8.39
- 88 -
Hình 4.13. Đáp ứng momen trong việc lựa chọn hệ số KpM, tại các tần số trích mẫu khác nhau a) fs 5KHz ; b) fs 10KHz [13].
4.4. Ƣớc lƣợng trong thuật toán điều khiển động cơ không đồng bộ
Phương pháp điều khiển vector động cơ không đồng bộ đòi hỏi các tín hiệu phản hồi. Đó là các tín hiệu về từ thông, momen, tốc độ động cơ những thông số này không được đo trực tiếp bằng cảm biến. Có nhiều cách để thu được các biến trạng thái này của động cơ, về cơ bản có ba lớp phương pháp chính:
- Phương pháp vật lý: Dựa vào cấu trúc phi tuyến của động cơ không đồng bộ. - Phương pháp toán học: Dựa vào mô tả toán học động cơ không đồng bộ và lý
- 89 -
- Phương pháp mạng neural: Dựa trên các kỹ thuật về trí thông minh nhân tạo. Các phương pháp tính toán biến trạng thái của động cơ không đồng bộ được mô tả ở hình 4.14.
Hình 4.14. Các lớp phương pháp tính biến trạng thái của động cơ không đồng bộ.
Lớp mô hình toán mô tả động cơ không đồng bộ được chia ra làm ba cách chính: - Ước lượng các biến trạng.
- Quan sát các biến trạng thái. - Lọc Kalman.
Phương pháp DTC – SVM dựa trên các thông tin về vector từ thông stato (như hình 4.3), do vậy thông tin về biến từ thông rất quan trọng. Việc đo từ thông động cơ rất khó khăn và cần một cảm biến đặc biệt vì vậy cách này rất phức tạp và tốn kém do đó phương pháp tính toán từ thông đã được phát triển. Trong phương pháp điều khiển tựa từ thông phần thuật toán này đặc biệt quan trọng. Thuật toán ước lượng từ thông sử dụng các giá trị tín hiệu đầu vào đo được một cách dễ dàng, đó là các tín hiệu dòng điện và điện áp. Sử dụng phương pháp này làm giảm số cảm biến và làm cho hệ truyền động rẻ hơn và hoạt động ổn định hơn.
Từ thông động cơ là thành phần chính để tính toán momen và tốc độ. Do đó việc ước lượng chính xác từ thông là hết sức quan trọng. Ước lượng từ thông là nhiệm vụ then chốt trong hệ truyền động hiệu suất cao.
- 90 -
Các thuật toán tính toán biến trạng thái phải đảm bảo được các yêu cầu sau: - Chính xác trong cả trạng thái quá độ cũng như ổn định.
- Bền vững với sự thay đổi thông số của động cơ. - Đảm bảo số cảm biến là ít nhất.
- Hoạt động trong một dải tốc độ rộng. - Quá trình tính toán đơn giản.
Tất cả các thuật toán ước lượng đề ra nhằm ước lượng từ thông stato vì phương pháp DTC – SVM làm việc với biến từ thông stato.
4.4.1. Ước lượng điện áp đầu ra bộ biến đổi
Các tín hiệu đầu vào cho việc ước lượng được đo từ dòng điện stato và điện áp stato, những tín hiệu này có thể được tái tạo lại từ tín hiệu chuyển mạch. Các tín hiệu chuyển mạch của mỗi một pha bộ biến đổi thu được bởi các thuật toán điều khiển, các vector điện áp lệnh được đưa đến thuật toán điều chế. Các tín hiệu chuyển mạch S S SA, B, C được sử dụng để tính toán điện áp đầu ra bộ biến đổi như sau: 2 0.5 3 s dc A B C U U D D D (4.21a) 3 3 s dc B C U U D D (4.21b)
Trong đó D D DA, B, C là chu kỳ thực sự tương ứng với các tín hiệu chuyển mạch , ,
A B C
- 91 -
Hình 4.15. Các tín hiệu đầu vào khâu ước lượng [13].
Trong hình 4.15 khối tính toán điện áp được trình bày, ngoài ra còn có các khối tính toán thời gian chết của van và điện áp rơi trên van những thuật toán này rất quan trọng khi điều khiển động cơ làm việc ở vùng tần số thấp. Tuy nhiên những thuật toán này sẽ không được đề cập trong bản luận văn này.
4.4.2. Ước lượng vector từ thông stato
Thuật toán ước lượng từ thông có thể chia làm hai lớp chính đối với tín hiệu đầu vào.
- Mô hình điện áp – VM: có các tín hiệu đầu vào là dòng điện và điện áp. - Mô hình dòng điện – CM: có tín hiệu đầu vào là dòng điện và tốc độ hoặc
thông tin về vị trí.
Phổ biến và tiện lợi nhất trong kỹ thuật người ta thường sử dụng mô hình điện áp – VM, nên trong luận văn này chủ yếu đề cập đến phương pháp ước lượng từ thông theo mô hình điện áp.
- 92 -
⃗⃗⃗̂ ∫( ⃗⃗⃗ ⃗) (4.22)
Từ phương trình (4.22) ta có được sơ đồ khối để ước lượng từ thông như hình 5.5.
Hình 4.16. Ước lượng từ thông theo mô hình điện áp sử dụng tích phân. Phương pháp này chỉ nhạy với một thông số của động cơ là điện trở stator. Tuy nhiên việc thực hiện phép tích phân thuần túy rất khó khăn vì các vấn đề về giá trị khởi tạo và độ lệch dc. Ngoài ra phương pháp này có hiệu suất động học thấp và có dao động momen lớn hơn đối với các thuật toán ước lượng từ thông khác. Bởi vì có nhiều khó khăn trong việc ước lượng từ thông theo mô hình điện áp sử dụng tích phân như đã nêu ở trên nên thông thường người ta không làm theo hướng tiếp cận này.
a. Mô hình điện áp và lọc thông thấp (VM – LPF)
Phương pháp đơn giản nhất để giải quyết vấn đề về điều kiện khởi tạo và dao động dc xuất hiện trong tích phân thuần túy là sử dụng bộ lọc thông thấp. Trong trường hợp này phương trình (4.22) có thể viết lại như sau:
⃗⃗⃗̂
⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗̂ (4.23)
Sơ đồ khối của phương pháp này được trình bày ở hình 5.6.
Hình 4.17. Ước lượng từ thông dựa trên mô hình điện áp cùng lọc thông thấp. Thời gian ổn định ước lượng phụ thuộc vào hằng số thời gian của lọc thông thấp
F
- 93 -
thông stato đặc biệt là khi tần số động cơ hoạt động thấp hơn tần số cắt của bô lọc. Do đó việc ước lượng từ thông chỉ được áp dụng thành công ở một dải tốc độ xác định.
b. Mô hình điện áp bù lọc thông thấp (VM – CLPF)
Một cách làm giảm sai lệch do sử dụng bộ lọc thông thấp là sử dụng thuật toán bù. Sơ đồ khối của việc ước lượng từ thông sử dụng thuật toán bù lọc thông thấp được mô tả ở hình 4.18.
Hình 4.18. Ước lượng từ thông dựa trên mô hình điện áp sử dụng thuật toán bù lọc thông thấp (VM – CLPF) [14].
Phương pháp này đề xuất cách bù lọc thông thấp khi tốc độ động cơ ở dưới tần số cắt của lọc thì từ thông stato đưa ra bởi phương trình
ˆ 1 (ˆ ) ˆ s ss s ss j sign E s (4.24)
Trong đó là một hằng số dương có thể được lựa chọn từ 0.1 đến 0.5.
4.4.3. Ước lượng momen
Momen đầu ra của động cơ không đồng bộ tính toán dựa trên phương trình (4.25)
ˆ* ˆ ˆ Im 2 2 s s e b s s b s s s s m m M p I p I I (4.25)
Từ phương trình (4.25) ta thấy việc ước lượng momen phụ thuộc hoàn toàn vào phép đo dòng điện stato và thuật toán ước lượng từ thông.
4.5. Áp dụng phƣơng pháp DTC – SVM cho nghịch lƣu ba mức cầu H
Cùng với các phân tích về phương pháp DTC – SVM dành cho nghịch lưu hai mức thông thường như ở phần trên ta có thể xây dựng hoàn toàn tương tự thuật toán
- 94 -
DTC – SVM cho nghịch lưu ba mức cầu H. Thuật toán ước lượng momen ở đây chúng ta sử dụng là thuật toán VM – FPL nhằm đơn giản hóa sơ đồ điều khiển. Các thông số bộ điều khiển được tính toán hoàn toàn tương tự với nghịch lưu hai mức. Ngoài ra chúng ta xét thêm một vòng điều khiển tốc độ bên ngoài nhằm tính toán lượng đặt cho từ thông như hình 4.19.
Hình 4.19. Sơ đồ điều khiển DTC – SVM cho nghịch lưu đa mức.
Sau khi xây dựng được sơ đồ điều khiển DTC – SVM chúng ta đi mô phỏng để