CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
2.5. Các phương pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều
Có nhiều phương pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều, trong đó điều khiển vịng hở là điều khiển cơ bản nhất, làm thay đổi tốc độ động cơ khi hoạt động ở những ứng dụng có mơ-men cố định mà khơng u cầu chính xác về điều chỉnh tốc
độ. Khi bộ điều khiển yêu cầu bao gồm phản hồi động học nhanh, tốc độ chính xác hoặc điều khiển mơ-men, thì phương pháp điều khiển vịng hở khơng thỏa mãn được yêu cầu. Vì vậy việc điều khiển vịng kín là rất cần thiết.
Hình 2.15. Các phương pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều [14]
Có một vài phương pháp để điểu khiển động cơ điện xoay chiều và được chia thành hai loại chính là điều khiển vơ hướng và điều khiển véc-tơ.
-Điều khiển vô hướng (Scalar control): là một trong những phương pháp đầu tiên điều khiển tốc độ động cơ, khi điều khiển tỉ lệ điện áp trên tần số (Volt/Herzt) không đổi. Phương pháp này đơn giản nhưng không thể điều khiển được những hoạt động yêu cầu mang tính hiệu quả cao. Điều này chính là do trong phương pháp điều khiển vô hướng luôn tồn tại mối liên hệ giữa mô-men và từ thông, là nguyên nhân dẫn đến phản hồi chậm của máy. Phương pháp điều khiển V/F là phương pháp được sử dụng phổ biến vì đơn giản, dễ sử dụng nhất để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều, để giữ tỉ số điện áp và tần số V/F cố định trong suốt quá trình điều khiển, bằng việc thay đổi độ rộng xung của các khóa bán dẫn để tạo ra ba dịng điện hình sin tỉ lệ với biên độ và tần số không đổi, mỗi pha của dịng điện lệch nhau một góc 1200. Và kết quả là dịng điện hình thành trên cuộn dây stator tạo ra từ trường xoay, từ trường xoay này tạo ra lực tác động làm xoay rotor. Có hai đặc điểm cơ bản khi động cơ được điều khiển bằng phương pháp V/F.
Tốc độ rotor tỉ lệ trực tiếp tới tần số của dòng điện stator và số cặp cực motor. Mô-men tỉ lệ trực tiếp tới tỉ số điện áp và tần số, chính vì thế tốc độ có thể
thay đổi khi thay đổi tần số ngõ vào của dịng điện và mơ-men có thể duy trì là một hằng số khi thay đổi điện áp tỉ lệ với tần số điều khiển.
-Phương pháp điều khiển tựa từ thông (Field Oriented Control): được sử dụng để điều khiển động cơ IM và động cơ đồng bộ AC. Nó được phát triển cho các ứng dụng động cơ hiệu suất cao và được yêu cầu để hoạt động trơn tru, tạo ra mô-men xoắn và tốc độ có hiệu suất cao, linh hoạt trong việc điều khiển tăng tốc và giảm tốc động cơ. Phương pháp này, ngày càng trở nên hấp dẫn đối với các ứng dụng hiệu suất thấp hơn cũng do kích thước động cơ, chi phí và giảm tiêu thụ điện năng của phương pháp FOC. Ngày nay, với sự phát triển ngày càng tăng về tốc độ xử lý thì phương pháp FOC một ngày sẽ thay thế hoàn toàn phương pháp điều khiển V/F. Động cơ PMSM cũng giống với động cơ BLDC (3-phase) hoặc động cơ bước (2-phase) là những đối tượng được ứng dụng rộng rãi và có thể được điều khiển bằng nhiều cách khác nhau. Phương pháp điều khiển FOC (Field Oriented Control) là một trong những phương pháp đó. Nó sử dụng dịng điện để điều khiển mơ-men của động cơ 3 pha và động cơ bước với đặc tính cao. FOC có thể được thiết kế bằng phần cứng hoặc phần mềm. Nhưng không chỉ đơn giản là điều khiển dịng điện cần thiết để tạo ra mơ-men xoắn nhất định, vì đó cũng có thể ảnh hưởng bởi từ trường của nam châm trong rotor. Dòng điện trong pha tới từ trường nam châm khơng tạo ra mơ-men, nhưng dịng điện trực giao thì có. FOC là một cách đơn giản để giải quyết vấn đề này và để điều khiển được ta cần xác định thơng số vị trí của rotor hiện tại.
Kiến trúc phương pháp điều khiển FOC dựa trên hai hàm biến đổi cơ bản là hàm Clark và Park, dòng điện pha thực tế được chuyển tới dòng pha trong hệ tọa độ cố định, hệ tọa độ mới chỉ có hai chiều, chiều đầu tiên là thơng lượng dòng động cơ (trục d), thành phần thứ hai vng góc từ thơng và tỉ lệ mô-men xoắn của động cơ (trục q). Hai thành phần này vng góc với nhau tạo thành một véc-tơ, đó là lý do tại sao gọi FOC là phương pháp điều khiển véc-tơ.
Đo dòng điện hai pha motor, từ hàm truyền Clark ta có thể tính được dịng điện trên hệ tọa độ cố định (α-β), cùng với thơng số góc quay rotor (có thể đo được từ cảm biến, hay các thuật tốn ước lượng – sensorless), ta có thể tính được giá trị dịng điện trong hệ (d–q). Giá trị isd, isq được so sánh với giá trị tham chiếu iSdref (từ thông tham chiếu), và iSqref (mô-men tham chiếu). Ở phần này, kiến trúc điều khiển có những ưu điểm: nó có thể dùng điều khiển động cơ đồng bộ hoặc bất đồng bộ khi thay đổi đơn
giản từ thông tham chiếu và thực tế, vị trí từ thơng rotor. Trong motor PMSM, từ thơng rotor cố định (được tạo ra bởi từ trường rotor) khơng cần phải tạo. Do đó, khi điều khiển PMSM thì iSdref thường được chọn là 0.
Sơ đồ mơ tả tóm tắt phương pháp điều khiển FOC:
Hình 2.16. Kiến trúc cơ bản của phương pháp điều khiển FOC [14]
Ở động cơ không đồng bộ, từ thông rotor được tạo ra trong quá trình chuyển động của rotor, do đó từ thơng tham chiếu khơng phải bằng 0. Điều này thuận lợi giải quyết cho việc điều khiển những kiến trúc điều khiển cổ điển: điều khiển từ bất đồng bộ đến hệ đồng bộ. Mô-men điều khiển iSqref có thể là đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ khi sử dụng tốc độ FOC. Ngõ ra của bộ hiệu chỉnh dòng điện VSdref và VSqref, chúng được tính từ hàm truyền Park. Đầu ra của phép biến đổi này là VSαref và VSᵦref là những thành phần của điện áp véc-tơ trong hệ tọa độ cố định α, β, là những đầu vào của bộ lựa chọn véc-tơ, đầu ra của khối này là tín hiệu điều khiển các mạch cầu ba pha, ta cần biết rằng cả hai hàm truyền Park và đảo của Park cần thơng số là vị trí từ thơng rotor, để có thơng số này cần phụ thuộc vào kiểu động cơ (đồng bộ hay không đồng bộ).
-Điều khiển trực tiếp mô-men (Direct Torque Control): để cải tiến hạn chế của phương pháp điều khiển vô hướng, phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men được phát triển.Trong phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men, các biến là hàm truyền tới hệ quy chiếu tọa độ cố định stator, có đặc tính động học giống như điện áp DC. Tách biệt điều khiển giữa mô-men và từ thông cho phép động cơ không đồng bộ đạt
- - θ iSd iSq ib ia iSβ iSα vDC vSαref vSβref vSdref vSqref iSdref iSqref PI PI d,q α,β SV PWM 3-phase Inverter AC Motor d,q α,β α,β a,b,c
được phản hồi nhanh, có thể sử dụng cho những ứng dụng chất lượng cao, nơi có những động cơ DC được sử dụng trước đó. Phương pháp điều khiển DTC được sử dụng trong các bộ điều khiển động cơ IM dùng để điều khiển mô-men(cuối cùng là điều khiển tốc độ). Phương pháp bao gồm việc tính tốn ước lượng từ thơng cuộn dây stator và mô-men dựa trên việc hồi tiếp giá trị điện áp và dịng điện stator.
Từ thơng stator được ước lượng bằng tích phân điện áp stator, mơ-men được ước lượng bởi từ thông stator và dịng qua motor. Từ thơng ước lượng và mô-men ước lượng được so sánh với giá trị tham chiếu. Nếu giá trị từ thông hoặc mô-men ước lượng bị lệch so với giá trị tham chiếu một khoảng lớn hơn giá trị cho phép, thì bộ đóng ngắt điện áp hoạt động để đưa hệ thống trở về vị trí ổn định trong thời gian nhanh nhất có thể. Vì thế có thể coi phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men như là phương pháp điều khiển on/off hoặc điều khiển dựa vào độ trễ.
Giá trị từ thông tham chiếu SCvà mô-men tham chiếu mC được so sánh với giá trị từ thông S và mơ-men me ước lượng được từ dịng điện và điện áp stator, trong độ giới hạn cho phép đặt trước cho ra ba giá trị trạng thái của mô-men và hai giá trị trạng thái của từ thông.
Hình 2.17. Sơ đồ phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men DTC [14] SC SC SB SA Udc is us Ψsβ Điều khiển mô-men Ψsα mc Ψs dm mc Điều khiển từ thông - Bảng lựa chọn véc-tơ Lựa chọn Sector Ước lượng từ thơng
và mơ-men Tính tốn điện áp Inverter - Motor Ψsc dΨ
Tín hiệu ngõ ra từ thông d với là giới hạn sai số từ thơng. H khi d H khi d sc s sc s 0 1
Tín hiệu ngõ ra của mơ-men dm với Hm là giới hạn sai số mô-men.
m c e m c e m m c e m H m m khi d m m khi d H m m khi d 1 0 1
Từ hai giá trị của: , và góc của véc-tơ: sarctg (s/s), các véc-tơ được xác định từ bảng trạng thái đóng ngắt các khóa cơng suất bán dẫn.
Bảng 2.1. Bảng đóng ngắt các khóa bán dẫn dựa vào mơ-men và góc từ thơng
Hình 2.18. Chọn véc-tơ điều khiển tương ứng với Sector [14]
Phương pháp điểu khiển DTC có một số đặc điểm sau:
Mơ-men và từ thơng có thể thay đổi rất nhanh bằng việc thay đổi giá trị tham chiếu.
Hiệu suất cao và tổn hao thấp – Tổn hao đóng ngắt là thấp nhất bởi vì các IC đóng ngắt điện áp duy nhất khi cần thiết giữ cho mô-men và từ thông trong khoảng sai số cho phép.
Phản hồi nhanh và không vọt lố.
H
Không cần chuyển đổi hệ thống sang hệ tọa độ rotor (d – q), mà chỉ cần đứng trên tọa độ stator (α – β) để điều khiển.
Điều khiển độ trễ được thực hiện bằng các tính hiệu đóng ngắt trực tiếp các khóa IGBT.
Tần số đóng ngắt của các IGBT khơng cố định. Tuy nhiền bằng cách kiểm sốt độ rộng của dãy dung sai, thì tần số chuyển mạch trung bình có thể được giữ quanh giá trị tham khảo của nó. Điều này giúp cho sự sai số nhấp nhô của mô-men và từ thông nhỏ.
Bởi vì độ trễ điều khiển của q trình đóng ngắt được chọn ngẫu nhiên. Vì thế khơng có đỉnh của dịng quang phổ. Điều này có nghĩa là nhiễu âm của máy thấp.
Các phương pháp biến đổi điện áp DC được đưa vào trong phương pháp điều khiển, do đó khơng có tồn tại sự gợn sóng điện áp và quá độ điện áp.
Thiết bị điều khiển phải có tốc độ cao để ngăn ngừa từ thông và mô-men đi xa giá trị cho phép. Thuật tốn điều khiển có thể trong khoảng 10 – 30 micro giây hoặc ngắn hơn.
Thiết bị đo dịng điện stator phải có chất lượng cao và khả năng chống nhiễu tốt bởi vì nhiễu xảy ra có thể dẫn đến điều khiển sai tồn bộ hệ thống, mặc khác nếu cho tín hiệu qua bộ lọc tần số cao để loại bỏ nhiễu, thì tín hiệu có hiện tượng trễ so với giá trị thực.
Việc đo điện áp stator có một khoảng sai số nhỏ để ln giữ cho từ thơng ước lượng có khoảng sai số ln bé hơn giá trị thực một khoảng nhỏ, đó là lý do tại sao điện áp stator thường được ước lượng từ việc đo trực tiếp điện áp nguồn DC kết hợp với các tín hiệu đóng ngắt IGBT.
Ở việc điều khiển tốc độ cao thì khơng cần cảm biến để xác định chính xác các thơng số động cơ, tuy nhiên nếu hoạt động tốc độ thấp thì cần xác định chính xác giá trị điện trở cuộn dây stator.
Bảng 2.2. So sánh giữa phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) và
phương pháp điều khiển tựa từ thơng (FOC).
Đặc tính so sánh Phương pháp DTC Phương FOC
Phản hồi mô-men Rất nhanh Nhanh
Hệ tọa độ tham chiếu điều khiển Hệ tọa độ cố định Stator (α – β ) Hệ tọa độ động rotor ( d – q ) Đặc tính tốc độ thấp (<5% danh nghĩa)
Yêu cầu cảm biến tốc độ cho việc hãm liên tục
Đáp ứng tốt với cảm biến vị trí hoặc tốc độ
Biến điều khiển Mơ-men và từ thông
Từ thông rotor, dịng Iq (mơ-men) và dòng Id (từ thông) Dao động mơ-men, dịng và từ thơng Thấp (nếu cảm biến có chất lượng cao) Thấp
Thông số cần đo đạc Điện trở stator Độ tự cảm và điện trở rotor.
Đo tốc độ rotor Không cần Yêu cầu
Điều khiển dịng điện Khơng cần Yêu cầu Chuyển hệ tọa độ rotor Không cần Yêu cầu Tần số đóng ngắt Thay đổi rộng quanh giá
trị tần số trung bình Tần số
Hao hụt đóng ngắt
Thấp hơn (yêu cầu cảm biến đóng ngắt có độ chính xác cao)
Thấp
Điều khiển vịng kín Tốc độ (PID) Tốc độ (PID), từ thơng rotor(PI), dịng Id, Iq (PI) Thời gian lấy mẫu đặc
2.6. Kết luận
Mục 2.1 trình bày cấu tạo, nguyên lý và phương trình mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều; từ phương trình (2.1) chứng minh rằng để ước lượng được giá trị tốc độ rotor của động cơ, cần phải xác định được giá trị back-emf từ việc xây dựng phương trình quan sát dịng điện stator. Khi giá trị dịng điện quan sát tiến tới giá trị dòng điện thực tế (sai số dịng điện bằng khơng), khi đó giá trị back-emf sẽ tiến tới giá trị tín hiệu điều khiển; do đó ta có thể xác định được vận tóc góc rotor từ tín hiệu điều khiển.
Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha rotor nam châm vĩnh cửu có phương trình tương đương thể hiện ở cơng thức (2.11), cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ được trình bày trong mục 2.3. Từ phương trình mạch điện tương đương của động cơ, có thể nhận xét rằng phương trình của động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha rotor nam châm vĩnh cửu tương tự động cơ điện một chiều; để xác định được vận tốc góc của động cơ, cần phải xác định được giá trị back-emf T
e f e e f e e sin ; sin
từ giá trị tín hiệu điều khiển có trong phương trình dịng điện quan sát.
Khác với động cơ điện một chiều và động cơ xoay chiều đồng bộ; xác định vận tốc góc của động cơ khơng đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có phần phức tạp hơn vì khơng chỉ dựa trên phương trình quan sát dịng điện stator mà cịn phải dựa vào phương trình từ thơng rotor, do có sự xuất hiện sự trượt giữa stator và rotor. Cấu tạo, nguyên lý và các phương trình mạch điện tương đương được trình bày trong mục 2.4. Nội dung được trình bày trong chương 2 là cơ sở để xây dựng phương pháp ước lượng thông số cơ điện cho các loại động cơ và xây dựng các bộ điều khiển véc- tơ phục vụ cho việc mô phỏng và thực nghiệm ở các chương sau.
CHƯƠNG 3. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ ỨNG DỤNG TRONG ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 3.1. Lý thuyết điều khiển trượt
Trong điều khiển, thường xuất hiện những tín hiệu khơng cần thiết khác biệt với chiến lược điều khiển và phương trình tốn của hệ thống. Những tín hiệu này thường gây ảnh hưởng đến chất lượng của bộ điều khiển như: nhiễu hệ thống, thông số thay đổi trong quá trình hoạt động, động học thay đổi. Việc thiết kế bộ điều khiển để có thể đáp ứng, triệt tiêu những đối tượng này là một vấn đề thách thức, cần được nghiên cứu chuyên sâu. Cho đến thời điểm hiện tại, có nhiều phương pháp giải quyết vấn đề này và điều khiển trượt là một trong những phương pháp đó. Ưu điểm của điều khiển trượt là bền vững, hội tụ trong thời gian hữu hạn, làm giảm hoặc bù động