Thị hiển thị sai số giữa dòng điện ước lượng và dòng điện thực

Hình 4.6. Phóng to sai số giữa dịng điện ước lượng và dịng điện thật

Đồ thị hình 4.5 và 4.6 hiển thị kết quả sai số của dòng điện thực tế và dòng điện ước lượng từ các phương pháp điều khiển. Ta thấy dòng điện ước lượng sử dụng bộ điều khiển SLM có sai số xác lập lớn nhất và duy trì quanh giá trị 5mA. Sai số dòng điện được ước lượng từ bộ điều khiển NTSM tuy biên độ có giảm nhưng vẫn duy trì một sai số xác lập, và đạt đáp ứng trong thời gian rất chậm 0.05ms so với hai bộ điều khiển còn lại, đồng thời trong khoảng thời gian từ 0 đến 0.02(s) biên độ dao động sai số khá lớn khoảng 20mA, do dòng điện của động cơ thay đổi lớn trong quá trình khởi động. Đồ thị màu tím hiển thị đáp ứng sai số dịng điện dưới tác động bộ điều khiển được thiết kế trong luận án, giá trị dòng điện sai số tiến về 0 khá nhanh trong khoảng thời gian khoảng 0.005(s) và duy trì sai số xác lập nhỏ gần như bằng 0.

Thông số chi tiết đáp ứng sai số dòng điện của các phương pháp điều khiển được thể hiện ở bảng 4.3.

Bảng 4.3. Kết quả sai số dòng điện ước lượng từ các bộ điều khiển STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM

1 Thời gian quá độ (ts) (s) 1.3x10-4 0.058 2.8x10-3

2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 0.07 0.15 0.03 3 Thời gian đạt đỉnh (tp) (s) 0.5x10-4 1.3x10-3 0.7x10-3 4 Giá trị đỉnh (Rad/s) 9x10-3 18.4x10-3 4.18x10-3 5 Sai số xác lập (A) 13x10-3 14x10-4 1.4x10-4 6 Tích phân bình phương sai lệch (ISE) 30.1x10-5 14.6x10-5 1.9x10-5 Hình 4.7 thể hiện tính hiệu điều khiển của bộ điều khiển FONTSM (màu tím) có biên độ nhỏ hơn tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển NTSM (màu vàng), thể hiện hiện tượng chattering của tín hiệu điều khiển trong lý thuyết nghiên cứu gần như được khắc phục.

Hình 4.7. Tín hiệu điều khiển

Để chứng minh tính bền vững của lý thuyết nghiên cứu trước sự thay đổi của mơ hình, các thơng số động cơ thường bất ổn định như: điện trở, độ tự cảm được khảo sát ở hai trường hợp khác nhau, bao gồm trường hợp thay đổi giá trị

L L

R

Rˆ 1.5 , ˆ 1.5 và khi Rˆ 3R, Lˆ2L, thông số của tải thay đổi khi động cơ hoạt động cũng được khảo sát ở hai thời điểm đóng tải là 0.2(s) và 0.4(s).

Xét trường hợp giá trị điện trở và độ tự cảm thay đổi: Rˆ 1.5R,Lˆ1.5L

Hình 4.8. Giá trị ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ 1.5R, Lˆ1.5L

Hình 4.9. Sai số ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ 1.5R, Lˆ 1.5L

Hình 4.10. Kết quả sai số dịng điện khi Rˆ 1.5R, Lˆ1.5L

Đồ thị hình 4.8 thể hiện giá trị tốc độ thật của động cơ và các giá trị tốc độ ước lượng được từ các bộ điều khiển, kết quả được thể hiện cụ thể bằng số liệu được tổng hợp ở bảng 4.4.

Bảng 4.4. Bảng kết quả ước lượng tốc độ khi Rˆ 1.5R, Lˆ 1.5L

STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM

1 Thời gian tăng (tr) (s) 0.0379 0.0377 0.0376 2 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.1202 0.0577 0.0504 3 Độ vọt lố (overshoot) (%) 0.5310 0.4378 0.0592 4 Giá trị đỉnh (rad/s) 237.45 237.23 236.33 5 Sai số xác lập (rad/s) 6.02 1.87 0.13 6 Tích phân bình

phương sai lệch (ISE) 137 79.52 28.43 Từ bảng thông số mô tả chất lượng đáp ứng của các bộ điều khiển khi hệ thống có thơng số mơ hình thay đổi, ta nhận thấy phương pháp FONTSM vẫn đạt được tính ổn định khi có độ vọt lố khoảng 0.06%, nhỏ hơn rất nhiều so với phương pháp SLM (0.5%) và NTSM (0.4%), giá trị đỉnh đạt 236.33 (rad/s) gần sát với giá trị tốc độ thật của động cơ là 236 (rad/s), giá trị sai số xác lập của phương pháp SLM tăng từ 5.3 lên 6.02 (rad/s), phương pháp NTSM tăng từ 0.65 lên 1.87 (rad/s), trong khi đó phương pháp FONTSM chỉ tăng từ 0.03 lên 0.13 (rad/s).

Đồ thị hình 4.10 chứng minh tính ổn định của dịng điện quan sát khi sử dụng phương pháp FONTSM, trong khi đó dịng điện ước lượng được sử dụng phương pháp NTSM và SLM có biên độ dao động khá lớn khi thơng số động cơ thay đổi.

Xét trường hợp giá trị điện trở và độ tự cảm thay đổi: Rˆ 3R, Lˆ 2L

Hình 4.12. Sai số ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ3R, Lˆ 2L

Hình 4.13. Kết quả sai số dòng điện khi Rˆ 3R,Lˆ2L

Bảng 4.5. Bảng kết quả ước lượng tốc độ khi Rˆ 3R, Lˆ 2L

STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM

1 Thời gian tăng (tr) (s) 0.0375 0.0335 0.0269 2 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.5995 0.06 0.0491 3 Độ vọt lố (overshoot) (%) 0.9173 0.4905 0.0419 4 Giá trị đỉnh (Rad/s) 238.36 237.35 236.29 5 Sai số xác lập (rad/s) 7.01 2.301 0.118 6 Tích phân bình

phương sai lệch (ISE) 186.1 121.7 54.4

Xét trường hợp động cơ có tải thay đổi: giá trị tốc độ ước lượng được từ phương pháp FONTSM được sử dụng trực tiếp cho bộ điều khiển. Để chứng minh trường hợp kết quả ước lượng ổn định và áp dụng được trong trường hợp có tải thay đổi, xét hai trường hợp tải thay đổi theo giá trị dương và âm ở hai thời điểm là 0.2(s) và 0.4(s).

Hình 4.14. Tốc độ thật và tốc độ ước lượng khi có tải thay đổi

Hình 4.15. Sai số dòng điện của các bộ ước lượng

Bảng 4.6. Bảng so sánh kết quả tốc độ ước lượng của các bộ điều khiển STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM

1 Thời gian tăng (tr) (s) 0.0299 0.0264 0.022 2 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.0592 0.049 0.0423 3 Thời gian đạt đỉnh (tp) (s) 0.0742 0.0663 0.0621 4 Giá trị đỉnh (Rad/s) 203.4 203.8 203 5 Sai số xác lập (rad/s) 5.7 0.53 0.298 6 Tích phân bình phương

sai lệch (ISE) 102.9 57.64 14.56

Từ đồ thị hình 4.15, nhận thấy rằng giá trị sai số dòng điện của phương pháp ước lượng SLM (màu cam) vẫn duy trì sai số xác lập lớn do đặc tính đóng ngắt của hàm sign và hệ số hiệu chỉnh của nó, phương pháp NTSM có biên độ chattering nhỏ hơn, tuy nhiên giá trị sai số dao động với biên độ lớn ở những thời điểm tải của động cơ thay đổi, do đó dẫn đến giá trị tốc độ ước lượng khơng chính xác, ngược lại, sai số dịng điện khi sử phụng phương pháp FONTSM (màu tím) ln duy trì sai số xác lập

với biên độ nhỏ và ổn định khi có tải thay đổi. Vì vậy giá trị tốc độ ước lượng được hồn tồn có thể làm tín hiệu hồi tiếp cho các bộ điều khiển.

4.2.2. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm được thực hiện trên động cơ MAE DC Servo Motor Series 500, kiểu: M 542 1100 0806 05 MPU, có thơng số được thể hiện ở bảng 4.7.

Bảng 4.7. Thông số động cơ điện một chiều thực nghiệm

Định nghĩa Kí hiệu Giá trị/Đơn vị

Điện áp lớn nhất v 60 Volts Tốc độ lớn nhất max 5200 rpm Điện trở phần cảm R 1.6 Ω Cảm kháng phần cảm L 5.2 mH Hằng số back emf ke 0.011 V/rpm Mơ-men qn tính J 4.3104 kg.m2

Hằng số thời gian cơ khí M 8.2 ms Hằng số thời gian điện e 2.6 ms

Quy trình thực nghiệm được thực trong mơi trường Matlab/Simulink. Sau khi thiết kế, dữ liệu thực thi chạy trên máy target bằng chương trình biên dịch Visual C++ Compiler thông qua chuẩn truyền thông TCP/IP, khi dữ liệu được truyền tới máy tính target, và thực thi nội dung trong trong dữ liệu đó có thể một hay nhiều lần, và được điều khiển thơng qua máy tính Host. Các dữ liệu thu thập được trong quá trình hoạt động có thể được truyền trực tiếp tới máy Host trong quá trình hoạt động (chế độ loop back.), hoặc được lưu trữ ở ổ cứng của máy target (chế độ Stand-Alone). Sau khi thực thi xong, náy Host có thể đọc dữ liệu được lưu trong ổ cứng của máy Target thông qua giao tiếp TCP/IP.

Nguồn công suất cung cấp cho động cơ hoạt động: 24VDC/10A, thời gian lấy mẫu các bộ ước lượng là 0.05 ms, tần số đóng ngắt PWM là 15kHz. Trong thiết kế bộ điều khiển cho mơ hình thực nghiệm, các thơng số điều khiển của bộ ước lượng trượt bậc cao được chọn:p5,q3,0, 0.0001,12  26,

, 12 . 78 1 k k2 0.0032 (khi chọn  1,n 156.25).

Hình 4.17. Mơ hình thực nghiệm ước lượng thông số động cơ một chiều

Đồ thị hình 4.18 thể hiện tốc độ ước lượng từ lý thuyết được nghiên cứu và tốc độ thực tế của rotor được đo trực tiếp từ tachometer, và sai số tốc độ được thể hiện ở hình 4.19, từ kết quả ta thấy được giá trị xác lập đạt được ở thời gian khoảng 0.05s, và hiện tượng chattering gần như được triệt tiêu.

Hình 4.18. Tốc độ ước lượng và tốc độ thật

Bảng 4.8. Đáp ứng tốc độ thực nghiệm của lý thuyết ước lượng

STT Thông số đáp ứng Đơn vị FONTSM

1 Thời gian tăng trưởng (tr) (s) 0.0264 2 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.0472

3 Độ vọt lố (%) 0.1268

4 Giá trị đỉnh (rad/s) 256.83

5 Thời gian đạt đỉnh (tr) (s) 0.0512

6 Sai số xác lập (rad/s) 0.4

Từ đồ thị hình 4.19, ta thấy rằng sai số lớn nhất ở khoảng thời gian 0.015(s) trong giai đoạn động cơ tăng tốc, khi giá trị tốc độ động cơ đạt ổn định 0.05(s), sai số gần như bằng 0 chứng tỏ giá trị tốc độ ước lượng bằng tốc độ thật.

Hình 4.19. Sai số tốc độ ước lượng

Hình 4.20. Sai số giữa dòng điện quan sát và dòng điện thực tế

Đồ thị hình 4.20 thể hiện sai số giữa giá trị dịng điện thực tế và dịng điện ước lượng, dưới tác động của tín hiệu điều khiển của lý thuyết trượt được phát triển, giá trị dòng điện quan sát và giá trị thực tế, trong thời gian khi động cơ tăng tốc (0(s)- 0.03(s)) biên độ sai số dòng điện lớn nhất là 3A, từ khoảng thời gian sau 0.03(s), sai số dịng điện gần như bằng khơng, chứng tỏ dưới tác động của tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển trượt được thiết kế, thì giá trị ước lượng bám sát dịng điện thực tế.

Bảng 4.9. Đáp ứng dòng điện thực nghiệm của lý thuyết ước lượng STT Thông số đáp ứng Đơn vị FONTSM STT Thông số đáp ứng Đơn vị FONTSM

1 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.025

2 Độ vọt lố (%) 5

3 Giá trị đỉnh (A) 2.86

4 Thời gian đạt đỉnh (tr) (s) 0.0015

5 Sai số xác lập (A) 0.14

Để chứng minh chất lượng của lý thuyết được nghiên cứu, giá trị ước lượng được hồi tiếp trực tiếp vào hệ thống điều khiển vịng kín để điều khiển vận tốc khơng sử dụng cảm biến đo tốc độ của động cơ đang được nghiên cứu. Kết quả được thể hiện trong hình 4.22, và sơ đồ điều khiển được thể hiện trong hình 4.21.

Hình 4.21. Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ sử dụng giá trị tốc độ ước lượng

Hình 4.22. Đáp ứng tốc độ

Từ đồ thị đáp ứng tốc độ hình 4.22, ta thấy giá trị tốc độ đạt được giá trị 200 (rad/s) trong thời gian 0.1(s) và duy trì trong suốt quá trình điều khiển.

Điều khiển tốc độ +- Bộ ước lượng Điều khiển dòng điện +- Các khóa bán dẫn iref v,iact ei e est ref

4.3. Kết luận

Trong chương này, tác giả đã xây dựng thuật toán ước lượng tốc độ động cơ điện một chiều dựa trên phương trình dịng điện quan sát, bằng việc phát triển lý thuyết trượt FONTSM điều khiển giá trị dòng điện quan sát tiến tới giá trị dòng điện thật, từ tín hiệu điều khiển có thể xác định được giá trị tốc độ quan sát. Trong phương pháp FONTSM nhờ tích hợp thêm hai thành phần tích phân và đạo hàm sai số dịng điện với hai thơng số hiệu chỉnh k1, k2 làm cho biến trạng thái tiến nhanh về mặt trượt NTSM, từ đó dẫn đến đáp ứng nhanh hơn, và làm giảm thấp nhất hiện tượng chattering, vì thế kết quả ước lượng chính xác hơn các phương pháp ước lượng đã được nghiên cứu trước đây.

Dựa vào kết quả được trình bày ở mục 4.2.1 và 4.2.2, chứng minh tốc độ ước lượng được từ phương pháp nghiên cứu đạt động học nhanh với thời gian đáp ứng 0.045(s), trong khi các phương pháp khác đạt 0.095(s), đồng thời hiện tượng chattering giảm gần như bằng không (0.03 rad/s), với phương pháp NTSM kết quả là 0.65 (rad/s), và lớn nhất là SLM với giá trị 5.3 (rad/s).

Ngồi ra trường hợp mơ hình động cơ và tải thay đổi cũng được khảo sát ở mục 4.2, chứng tỏ tín hiệu ước lượng được từ phương pháp điều khiển trong luận án hồn tồn có thể được sử dụng làm tín hiệu hồi tiếp trực tiếp các bộ điều khiển.

Nội dung nghiên cứu trong chương 4 được sử dụng cho các loại động cơ điện một chiều với thông số kỹ thuật: điện áp hoạt động tối đa 32V, dòng điện tối đa (8A), tốc độ: 400-3200 (rpm).

Với những nội dung được nghiên cứu liên quan trong chương này, tác giả đã công bố bài báo [1] trong danh mục bài báo đã công bố.

CHƯƠNG 5. ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ CƠ ĐIỆN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Nội dung chính trong chương này là tập trung phát triển lý thuyết điều khiển trượt nhằm khắc phục hiện tượng chattering và giảm thời gian đáp ứng, đưới tác dụng của tín hiệu điều khiển trượt làm cho giá trị dòng điện quan sát tiến tới giá trị dòng điện thực tế được đo từ cảm biến, từ phương trình sai số dịng điện có thể ước lượng được thơng số cơ điện của động cơ PMSM (bao gồm: dịng điện stator, góc, tốc độ rotor), các giá trị đạt được từ bộ ước lượng được dùng để cung cấp cho bộ điều khiển tốc độ dựa vào phương pháp FOC.

Để kiểm chứng kết quả nghiên cứu, các thuật tốn điều khiển được mơ phỏng trên công cụ Matlab/Simulink, đồng thời chạy thực nghiệm trên mơ hình thực tế sử dụng công nghệ Hardware-in-loop trên nền phần cứng xPCTarget. Trong phần mô phỏng và thực nghiệm sử dụng giá trị tốc độ thực được đo từ cảm biến tốc độ gắng trực tiếp với trục động cơ, so sánh với giá trị ước lượng được tính tốn từ lý thuyết nghiên cứu.

5.1. Ước lượng thông số cơ điện động cơ PMSM

Để có thể thực hiện được phương pháp điều khiển FOC, phương trình tốn của động cơ PMSM trong hệ tọa độ ba chiều (a-b-c) được chuyển tới hệ tọa độ hai chiều (d-q) bằng cách sử dụng hàm truyền Clark-Park như đã trình bày ở mục (2.5).

Hình 5.1. Sơ đồ phương pháp điều khiển FOC

Trong hệ tọa độ (d-q), dòng điện trục d thể hiện từ thơng rotor, cịn trục q thể

độc lập bằng cách sử dụng hàm Clark-Park, và chúng được điều khiển tách biệt giống như điều khiển động cơ điện một chiều. Để điều khiển tốc độ động cơ PMSM dựa trên phương pháp điều khiển FOC cần phải dựa vào tốc độ và từ thông rotor được ước lượng từ bộ điều khiển trượt được thiết kế trong luận án, với tín hiệu đầu vào là dòng điện và điện áp các pha được đo trực tiếp từ cảm biến ở các pha cung cấp cho động cơ.

Từ phương trình tốn tương đương của động cơ PMSM được xây dựng ở mục 2.3.3, để đơn giản trong q trình tính tốn phương trình (2.11) có thể viết lại: (trên hệ tọa độ (α-β)). L v E i R i s s s ) (      (5.1) Trong đó:  T s i i i    ;  T s i i

i    là đạo hàm và giá trị véc-tơ dòng điện trên hệ tọa độ cố định (),    T e f e e f e T e e

E     sin , cos là giá trị back-EMF,

 T

v v

v   là véc-tơ điện áp.

Chọn phương trình dịng điện stator quan sát trong hệ tọa độ cố định (α-β):

L v u i R i s s s ˆ ) ˆ ˆ ( ˆ      (5.2)

Nếu giá trị: Rˆs Rs, LˆL và u[u,u] là tín hiệu của bộ điều khiển, ta được