3 2 sd sd sd s sd p sq sq sq sq sq s sq p sd sd p p p p sq sd sq W p di L u R i z L i dt di L u R i z L i z dt J d z i Li i m z dt ω ω ωΨ ω Ψ ∆ ⎧ = − + ⎪ ⎪ ⎪ = − − − ⎨ ⎪ ⎪ = ⎡ + ⎤− ⎪ ⎣ ⎦ ⎩ (4.1)
ta xây dựng mô hình đối tượng động cơđồng bộ kích thích vĩnh cửu trên miền thời gian liên tục, sử dụng công cụ Simulink [3]:
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-47-
Hình 4.1 Đối tượng ĐCĐB kích thích vĩnh cửu trên hệ tọa độ dq
Đầu vào điều khiển đối tượng là hai thành phần điện áp đặt vào các cuộn dây stator được biểu diễn trên hệ tọa độ dq quay đồng bộ với rotor. Các biến còn lại bao gồm các thành phần dòng stator isd, isq đo trực tiếp, tốc độ và mômen động cơ.
Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển động cơđồng bộ kích thích vĩnh cửu: bộ điều khiển trên nguyên lý hệ phẳng (Flatness-based Controller), đối tượng PMSM cùng với các khâu chuyển hệ tọa độ, khâu hiển thị:
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-48-
Hình 4.2 Sơđồ mô phỏng điều khiển ĐCĐB kích thích vĩnh cửu trên Simulink
Nhắc lại sơđồ mô phỏng điều khiển truyền thẳng cho ĐCĐB, tín hiệu vào điều khiển bao gồm tốc độđặt ωd, dòng d
sd
i , giá trị từ thông vĩnh cửu ψp và tải tác động
W
m . Trong cấu trúc điều khiển kín có sử dụng các khâu bù dòng/áp, bộ điều khiển còn nhận tín hiệu phản hồi bao gồm giá trị tốc độ ω đo được, dòng stator isd và isq.
Đầu ra điều khiển chỉ gồm hai thành phần điện áp stator ** sd
u và ** sq u . Bộđiều khiển phẳng Flatness-based Controller có cấu trúc:
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-49-
Hình 4.3 Bộđiều khiển phẳng (Flatness-based Controller)
• Khâu điều chỉnh tốc độ
Thiết lập cấu trúc mô phỏng của khâu điều chỉnh tốc độ từ sơ đồ cấu trúc hình 3.17:
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-50- • Khâu điều chỉnh dòng isd Tương tự, từ sơđồ cấu trúc hình 3.18, ta có sơđồ mô phỏng: Hình 4.5 Khâu điều chỉnh dòng i sd • Khâu điều chỉnh dòng isq Hình 4.6 Khâu điều chỉnh dòng i sq
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-51-
Toàn bộ các giá trị thông sốđộng cơ, tham số bộ chỉnh định và điều kiện tải tác
động được thiết lập trong Cửa sổ lập trình của phần mềm MATLAB, xuất vào workspace để trình mô phỏng tham chiếu.
% Parameters for PMSM Control using the Flatness-based controller
% Parameters for Motor
nuy=100; % Tham so khau thiet lap quy dao omega
lamda=140; % Tham so khau thiet lap quy dao isd
fpwm=4400; % Tan so xung
Tx=1/fpwm; % Chu ky lay mau = chu ky xung
Rs=0.97; % Dien tro Stator Lsd=0.005439; % Lsd=0.0085; Lsq=0.00839; % Lsq=0.0085;
Psip=0.2; % Tu thông vinh cuu Zpp=8;
F=0; % Friction Coeffient J=0.0011; % Momen quan tinh Tsd=Lsd/Rs; %
Tsq=Lsq/Rs; Ts=0.08;
% Paramaters for Controllers % Bo dieu khien toc do
Kw=0.45; Tw=2*Ts;
% Bo dieu khien dong Isd Ki1=0.75;
Ti1=4*Ts;
% Bo dieu khien dong Isq Ki2=0.67;
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-52-
4.1.2 Kết quả mô phỏng
• Tốc độđộng cơ
Hình 4.7 Tốc độđộng cơ khi chạy không tải, đóng tải và đảo chiều quay
Tốc độđộng cơđo được khi sử dụng bộđiều khiển phẳng có chất lượng tốt, thời gian đáp ứng là 0.03s và sai lệch tĩnh cũng rất nhỏ. Kể cả khi có tải, tốc độđáp ứng chỉ bị sai lệch 1% và đạt tốc độ đặt ngay sau 0.005s. Khi tăng tốc và đảo chiều quay, sai lệch tĩnh cũng gần như không có, chất lượng điều khiển có thể thấy là đạt yêu cầu cao.
t [s] ω
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-53- • Dòng stator
Hình 4.8 Dòng isd , thời điểm đóng tải( 0.5s), tăng tốc (1s) và đảo chiều quay (1.3s)
Nhận xét về đặc tính dòng stator isd khi sử dụng bộ điều khiển phẳng cho đối tượng động cơđồng bộ, ta thấy chất lượng đáp ứng theo đúng yêu cầu đặt ra (dòng
sd
i cần được đưa về 0 để đảm bảo tính đồng bộ của đối tượng). Khi đóng tải ở thời
điểm 0.5s, dòng đáp ứng dao động từ (−0 8 0 4. ÷ . )A trong thời gian 0.05s. Như vậy kết quả thu được là đạt yêu cầu.
Với thành phần dòng isq, chất lượng đáp ứng cũng tốt, tại thời điểm bắt đầu đặt tốc độ (0.2s), dòng isq chuyển lên 0.5A. Khi đóng tải tại thời điểm 0.5s, dòng có giá trị 3.4A với sai lệch tĩnh nhỏ, dòng quá điều chỉnh chỉ là 0.1A. Tại thời điểm đảo chiều quay (1.3s), dòng isq sụt xuống còn 1.2A, sau đó lại quay về giá trị 3.4A ban
đầu, thời gian đáp ứng là 0.2s. Chất lượng đáp ứng đạt yêu cầu.
t [s]
sd i
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-54- Hình 4.9 Dòng isq , thời điểm đóng tải( 0.5s), tăng tốc (1s) và đảo chiều quay (1.3s) Hình 4.10 Các dòng pha sq i [A] t [s] t [s]
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-55- • Điện áp stator
Hình 4.11 Điện áp stator usd
Tương tự với các đáp ứng tốc độ và dòng ở trên, điện áp stator cũng có chất lượng tốt, ở thời điểm đóng tải 0.5s, điện áp sụt xuống -6V và độ quá điều chỉnh là 40% nhưng thời gian quá độ chỉ là 0.01s (đây là mô phỏng chất lượng điều khiển nên giá trịđiện áp đáp ứng chỉ từ (− ÷14 6)V.
4.2 Mô hình PLECS-PMSM
4.2.1 Sơđồ mô phỏng
Ở phần trên, chúng ta sử dụng đối tượng PMSM dạng mô hình toán liên tục,
điện áp stator được đưa thẳng vào đối tượng và tín hiệu đo được ởđầu ra bao gồm tốc độ thực của trục rotor và dòng stator. Tuy nhiên cách dùng này không được áp dụng nhiều trong thực tế khi mà các đối tượng động cơ luôn là phần cấp mômen và t [s]
sd u
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-56-
truyền động chủđạo cho các động lực của hệ, vậy nhu cầu đặt ra là cần phải có các bộ biến đổi điện tử công suất lớn. Hiện nay người ta thường sử dụng các thiết bị
biến tần (Inverter) hay các bộ truyền dẫn (Driver) để chuyển từ tín hiệu điều khiển thành điện áp/xung điện áp công suất lớn.
Sang phần thứ 2 này, chúng ta sẽ sử dụng đối tượng PMSM được cung cấp nhờ
công cụ mô phỏng PLECS của hãng PLEXIM. Sơđồ cấu trúc hệ điều khiển chi tiết như hình 4.12.
Hình 4.12 Sơđồ cấu trúc điều khiển ĐCĐB kích thích vĩnh cửu
Điểm chung của cấu trúc điều khiển ở đây so với cấu trúc sử dụng mô hình
động cơ liên tục là ở bộđiều khiển phẳng (Flatness-based controller) được sử dụng.
Đầu vào bộ điều khiển gồm các tín hiệu tốc độ và dòng isd đặt, cùng với tín hiệu phản hồi tốc độ (được đo bằng thiết bị encoder) và các dòng Stator. Đầu ra của bộ điều khiển chỉ gồm hai thành phần điện áp Stator trên hệ tọa độ dq. Các điện áp này
được đưa qua khâu chuyển hệ tọa độ dq→αβ để tính ra tín hiệu usα,usβ tương
ứng phục vụ khâu điều chế vector. Khâu điều chế vector sử dụng đầu vào là các
Thiết lập quỹ đạo RI Rω RI Tính * sq i u u*sdTính , *sq sd i sq i * = ** sd sd i i * ω ω d sd i d ω ** sq i * sq i * sd u * sq u ** sq u ** sd u sd i sq i FLATNESS-BASED CONTROLLER αβ dq PMSM 3~ 3 2 αβ dq su u usv usw υ
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-57-
điện áp Stator, kết hợp với giá trị điện áp một chiều để tính toán tạo xung đưa vào bộ nghịch lưu ở phía sau, ở đây có thể coi khâu điều chế vector như một thiết bị
biến tần. Tín hiệu xung này được đưa trực tiếp vào bộ nghịch lưu để băm xung xuất ra các vector điện áp usđưa đến các cuộn dây pha của động cơ. Các thành phần dòng isd,isq phản hồi được tính toán nhờ khâu chuyển tín hiệu 3/2 và khâu chuyển hệ tọa độ αβ →dq. Người đọc có thể tham khảo chi tiết tại tài liệu [1].
Chuyển từ sơđồ cấu trúc trên sang mô phỏng bằng công cụ PLECS kết hợp với MATLAB-Simulink, ta có sơđồ mô phỏng:
Hình 4.13 Điều khiển PMSM trên PLECS
Giải thích:
Rất trực quan, ta thấy bộ điều khiển phẳng (Flatness-based Controller) có đầu vào gồm các giá trị tốc độ đặt, dòng đặt và từ thông vĩnh cửu, cùng với tín hiệu phản hồi từ đối tượng. Đầu ra của bộ điều khiển là hai thành phần điện áp stator
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-58-
** sd u , **
sq
u được đưa tiếp theo đến bộ điều chế vector (Vector Modulator), khâu chuyển hệ tọa độ dq αβ giúp chuyển **
sd u , ** sq u → ** s u ,α ** s uβ (phục vụ khâu điều chế
vector). ZOH là khâu lấy mẫu bậc 0, tần số lấy mẫu là Tx, tần số xung là fpulse được
đặt trong Constant Block có giá trị fpwm.
Hình 4.14 Khâu điều chế vector
Đầu vào của khâu điều chế vector bao gồm điện áp ** s u ,α **
s
uβ đã qua lấy mẫu (Uab), tần số xung fpwm và điện áp điều chỉnh một chiều (Udc), khâu này có nhiệm vụ tính thời gian đóng ngắt các van bán dẫn của nghịch lưu.
Cấu trúc mô phỏng đầy đủ của đối tượng động cơ đồng bộ và bộ nghịch lưu
được tích hợp trong PLECS Circuit:
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-59-
Nguyên lý điều chế vector và hoạt động của bộ nghịch lưu, người đọc có thể
tham khảo thêm ở tài liệu [1].
4.2.2 Kết quả mô phỏng
• Tốc độđộng cơ
Hình 4.16 Tốc độđộng cơ mô phỏng với công cụ PLECS và biến tần
t [s] ω
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-60- • Dòng stator
Hình 4.17 Dòng stator i isd,sq
Tại thời điểm đóng tải 0.2s, tốc độ sai lệch là 3 rad/s nhưng thời gian đáp ứng chỉ là 0.01s. Dòng stator isd cũng sai lệch nhưng đều nằm trong dải cho phép.
Hình 4.18 Các dòng pha t [s] sd sq i ,i [A] t [s]
Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 4. Mô phỏng và kiểm chứng
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-61-
Nhận xét:
So sánh chất lượng điều khiển với hai trường hợp đối tượng động cơđồng bộ, ta dễ dàng nhận thấy khi sử dụng đối tượng điều khiển ở dạng mô hình liên tục, không
đi kèm các khâu điều chế vector và nghịch lưu áp, chất lượng đáp ứng của hệ là tốt hơn rất nhiều so với trường hợp sử dụng đối tượng cung cấp bởi công cụ mô phỏng PLECS. Các đường đặc tính tốc độ, dòng và áp đều trơn tru và không tồn tại dao
động. Với trường hợp sử dụng mô hình PLECS, chỉ có tốc độ động cơ có đáp ứng khá trơn (thực tế tồn tại sự gián đoạn theo các chu kỳ trích mẫu, tuy nhiên sự gián
đoạn này là không đáng kể khi mà tần số trích mẫu được chọn khá cao = 4400 Hz), còn lại đáp ứng dòng và áp đều tồn tại dao động với biên độ nhỏ, có thể chấp nhận
được.
Kết quả mô phỏng cho thấy bộđiều khiển thiết kế dựa trên nguyên lý hệ phẳng có cấu trúc chính xác và chất lượng vận hành tốt.
Luận văn thạc sĩ khoa học Kết luận
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-62-
KẾT LUẬN
Toàn bài, chúng ta đã phân tích và xây dựng nên cấu trúc điều khiển trên nguyên lý hệ phẳng đem lại chất lượng điều khiển tốt, việc ứng dụng cấu trúc này vào thực tế là hoàn toàn khả thi. Tác giả luận văn đã chú ý phân tích kỹ càng cấu trúc của từng khâu trong bộđiều khiển để thuận tiện theo dõi và ứng dụng thiết kế
sau này.
Một nhược điểm của cấu trúc điều khiển theo nguyên lý hệ phẳng là cấu trúc
điều khiển còn khá phức tạp, việc sử dụng kết hợp giữa một bộ điều khiển truyền thẳng (mục 3.1) với các khâu bù sai lệch (ở mục 3.2 – Chương 3) khiến cho việc thiết kế khó khăn hơn. Tác giả luận văn cũng hy vọng những bài nghiên cứu sau này sẽ khắc phục được nhược điểm trên, lựa chọn cấu trúc gọn tối ưu mà vẫn đem lại hiệu quảđiều khiển mong muốn.
Luận văn thạc sĩ khoa học Kết luận
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-63-
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2004), Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản KH&KT, Hà Nội.
2. Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản Giáo dục.
3. Nguyễn Phùng Quang (2003), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tựđộng, Nhà xuất bản KH&KT, Hà Nội.
4. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2006), Lý thuyết
điều khiển phi tuyến, Nhà xuất bản KH&KT, tái bản lần 2 có bổ sung.
5. Nguyễn Thị Mai Phương, Henry Guldner&& (2006), Điều khiển tựa phẳng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, Chuyên san “Kỹ thuật điều khiển tự động”, số 12/2006. tr. 13 – 17, tạp chí “Tựđộng hóa ngày nay”.
6. Nguyễn Đình Khoát (2008), Nâng cao chất lượng hệđiều khiển chuyển động sử dụng động cơ điện xoay chiều, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật ngành tựđộng hóa, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.
7. Nguyễn Hùng Cường, Chu Xuân Dũng (2009), Nghiên cứu đặc tính phẳng của động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc và đề xuất cấu trúc điều khiển trên cơ sở nguyên lý hệ phẳng, Đồ án tốt nghiệp đại học ngành điều khiển tự động, Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tiếng Anh
8. Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2008), Vector of Three-Phase AC Machines: System Development in the Practice, Springer.
9. Ph. Martin, R. M. Murray, P. Rouchon (2003), Flatness systems, equivalent and trajectory generation, Technical report, April 2003.
Luận văn thạc sĩ khoa học Kết luận
GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ 2007-2009
-64-
10.Emmanuel Delaleau, Aleksandar M. Stankovic (2004), Flatness-based hierarchical control of the PM synchronous motor, Processing of the 2004 American Control Conference, Boston, Massachusetts June 30-July 2, 2004. 11.Daniehl, J. Fuchs, F.W (2006), Flatness-based Control of an Induction
Machine Fed via Voltage Source Inverter – Concept, Control Design and Performance Analysis, IEEE Industrial Electronics, IECON 2006 – 32nd Annual Conference on Volume, Issue, 6-10 Nov, 2006, Page(s): 5125-513. 12.Lionel Bitauld, M. Fliess, Jean Lévine, A Flatness control Synthesis of