Định nghĩa Kí hiệu Giá trị/Đơn vị
Điện trở cuộn dây stator R 5.3 (Ohm)
Dòng điện định mức I 2.2A Công suất P 0.35kW Độ tự cảm L 11.6mH Tốc độ 3000rpm Hằng số mô-men T 1.13 (Nm) Mommen quán tính J 0.053J(Kg.m2) Số cặp cực n 4
Để có thể so sánh được chất lượng của bộ điều khiển nghiên cứu, hai bộ điều khiển bao gồm bộ trượt cổ điển và bộ trượt NTSM (được thiết kế ở mục 3.3) được thực hiện trong cùng một môi trường mô phỏng. Trong thiết kế bộ điều khiển trượt cổ điển (SLM), thông số điều khiển được chọn là: K = -100 với tần số LPF = 50 Hz, bộ điều khiển trượt NTSM với các thông số hiệu chỉnh: k 80,3000,
00001 . 0 , 3 , 5 q
p , bộ điều khiển thiết kế trong luận án (FONTSM) sử dụng với các thông số hiệu chỉnh lần lượt là: p = 5, q = 3, 0.036 , k1 = 428, k2 = 0.0016,
0 , 2000 2 1 .
Tốc độ ước lượng được so sánh với tốc độ thật của động cơ (đường màu xanh), giá trị được xác định trực tiếp từ cảm biến tốc độ gắng trực tiếp với trục của động cơ. Trong đó đường màu cam thể hiện tốc độ ước lượng sử dụng bộ điều khiển trượt cổ điển, màu vàng thể hiện đáp ứng của bộ điều khiển trượt bậc cao NTSM, màu tím thể hiện đáp ứng của bộ điều khiển trượt được thiết kế trong luận án.
Hình 5.3. Sai số giữa tốc độ thật và tốc độ ước lượng Bảng 5.2. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển Bảng 5.2. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.55 0.52 0.48 2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 11.25 6.25 3.75 3 Sai số xác lập (rad/s) 3.8 1.2 0.3 4 Tích phân bình
phương sai lệch (ISE) 11.44 3.506 0.8061 Từ hình 5.2 chứng minh tốc độ của bộ điều khiển trượt cổ điển đáp ứng chậm nhất (khoảng 0.55s) và tồn tại hiện tượng chattering, hiện tượng này được cải thiện trong bộ điều khiển trượt NTSM, với thời gian đáp ứng là 0.525(s), tuy nhiên khi xem xét tới đồ thị hiển thị sai số hình 5.3, ta thấy đáp ứng tốc độ vẫn còn tồn tại một sai số xác lập khoảng 1.2 (rad/s), vấn đề này được khắc phục đáng kể trong bộ điều khiển trượt được thiết kế trong luận án, với giá trị ước lượng nhanh chóng đạt được xác lập ở thời gian 0.48(s) và duy trì tốc độ với sai số xác lập khoảng 0.3 rad/s. Từ bảng số liệu cho thấy giá trị sai lệch của phương pháp nghiên cứu giảm đi 13.3 lần so với phương pháp SLM, và giảm 4.3 lần so với phương pháp NTSM.
Hình 5.5. Tín hiệu điều khiển
Hình 5.6. Sai số dịng điện stator
Đồ thị hình 5.4 thể hiện giá trị góc rotor(rad) ước lượng được của động cơ PMSM khi sử dụng ba bộ ước lượng khác nhau. Trong đó, giá trị ước lượng được từ bộ điều khiển trượt SLM đạt biên độ lớn nhất khoảng 0.3(rad) tại thời điểm 0.15s, trong khi đó phương pháp nghiên cứu FONTSM đạt giá trị biên độ gần như chính xác tuyệt đối, đồng thời đạt được pha sớm hơn các phương pháp cịn lại.
Tín hiệu điều khiển được thể hiện ở đồ thị hình 5.5, trong đó sai số xác lập lớn nhất là bộ ước lượng SLM, phương pháp nghiên cứu FONTSM đạt được biên độ của tín hiệu điều khiển nhỏ nhất, từ đó dẫn đến giá trị dịng điện ước lượng đạt được chính xác hơn. Biên độ của dịng điện quan sát được điều khiển với tín hiệu thiết kế trong luận án có dao động thấp nhất (±0.001A) trong khi phương pháp NTSM ước lượng giá trị dòng điện đạt sai số gần gấp đơi (thể hiện ở hình 5.6).
Xét trường hợp thông số động cơ thay đổi trong q trình hoạt động: Để
có thơng số thay đổi, xét trường hợp giá trị điện trở stator và độ tự cảm trong mơ hình quan sát thay đổi so với giá trị thực của động cơ Rˆ 1.5R, Lˆ1.5L.
Hình 5.7. Tốc độ ước lượng khi thơng số mơ hình thay đổi
Hình 5.8. Sai số tốc độ của các bộ ước lượng Bảng 5.3. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển Bảng 5.3. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển
STT Thông số đáp ứng Đơn vị SLM NTSM FONTSM
1 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.58 0.55 0.5 2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 12.5 7.5 5 3 Sai số xác lập (rad/s) 12.2 3.8 0.8 4 Tích phân bình
phương sai lệch (ISE) 15.28 4.52 1.49 Từ đồ thị hiển thị kết quả tốc độ ước lượng như hình 5.7 và bảng kết quả 5-3 chứng minh tốc độ ước lượng các bộ điều khiển trượt vẫn đảm bảo khi thơng số mơ hình thay đổi. Cụ thể, giá trị tốc độ của bộ ước lượng được nghiên cứu (FONTSM) đạt giá trị sai số xác lập 0.8(rad/s) trong thời gian 0.5(s), biên độ dao động lớn hớn khi động cơ có thơng số mơ hình chưa thay đổi 0.3(rad/s), tuy nhiên vẫn ổn định hơn so với tốc độ ước lượng được từ phương pháp trượt SLM (12.2 rad/s) và phương pháp NTSM (3.8 rad/s). Từ đồ thị sai số tốc độ hình 5.8 và số liệu ISE ở bảng 5-3 chứng
minh phương pháp nghiên cứu trong luận văn FONTSM vẫn giữ được ưu điểm hơn trong việc khắc phục hiện tượng chattering và giảm thời gian đáp ứng hơn so với hai phương pháp trước đã được nghiên cứu trước đó trong trường hợp thơng số mơ hình thay đổi.
Xét trường hợp động cơ hoạt động với tải: Để chứng minh chất lượng của
bộ đều khiển FOC khi sử dụng giá trị hồi tiếp là tốc độ ước lượng được từ lý thuyết nghiên cứu, xét trường hợp đóng tải tại hai thời điểm 1(s) và thời điểm 1.5(s).
Hình 5.9. Đáp ứng tốc độ khi có tải thay đổi
Từ đồ thị đáp ứng tốc độ hình 5.9 và đồ thị sai số tốc độ hình 5.10, chứng minh giá trị tốc độ vẫn đáp ứng tốt khi động cơ có tải thay đổi. Cụ thể tại thời điểm 1(s), khi vừa đóng tải, giá trị tốc độ thực của động cơ thay đổi từ 200(rad/s) giảm xuống còn 180(rad/s) và đạt ổn định trở lại tại thời điểm 1.3(s), khi đó tốc độ ước lượng được từ phương pháp nghiên cứu FONTSM thay đổi theo tốc độ thực nhanh chóng, sai số lớn nhất trong thời gian từ khi tốc độ thay đổi đến khi tốc độ ổn định trở lại khoảng 2.4(rad/s), trong khi đó giá trị sai số của phương pháp NTSM là 13.85 (rad/s), phương pháp SLM là 24.01(rad/s). Tương tự tại thời điểm đóng tải 1.5(s), giá trị tốc độ thật của động cơ tăng lên 240 (rad/s), dao động quanh vị trí đặt và ổn định ở vận tốc 200 (rad/s) tại thời điểm 1.85(s), trong giai đoạn này, giá trị sai số tốc độ ước lượng từ phương pháp FONTSM trong khoảng 3.4 (rad/s), phương pháp NTSM là 24.78 (rad/s), SLM là 44.13 (rad/s).
Từ kết quả đáp ứng của hệ thống ở hai lần đóng tải khác nhau, chứng minh phương pháp nghiên cứu FONTSM cho kết quả sai số thấp nhất, và thời gian đáp ứng nhanh hơn hai phương pháp nghiên cứu trước đây, chứng tỏ hồn tồn có thể ứng dụng lý thuyết phương pháp nghiên cứu cho bộ điều khiển động cơ trong trường hợp kéo tải.
5.2.2. Kết quả thực nghiệm
Mơ hình thực nghiệm được thực hiện trên động cơ PMSM (4 cực), dòng điện và điện áp được đo từ cảm biến tốc độ với bộ ADC 12-bit của Card PCI-6024E, tốc độ thật của rotor được đo trực tiếp từ cảm biến sử dụng card PCI-6280, sơ đồ tổng qt mơ hình thực nghiệm được cài đặt giống như hình 4.16, tuy nhiên động cơ điện một chiều được thay bằng động cơ PMSM. Thông số động cơ được mô tả ở bảng 5.4. Thời gian lấy mẫu của bộ điều khiển là 0.2 ms, với tần số đóng ngắt là 10 kHz.
Bảng 5.4. Thông số động cơ PMSM thực nghiệm
Định nghĩa Kí
hiệu Giá trị/Đơn vị
Công suất P 0.35 kW
Mô-men 1.13 Nm
Tốc độ 3000 rpm
Điện trở R 5.3 Ohm
Mơ-men qn tính J 4.3104 kg.m2
Cảm kháng L 11.6 mH
Hằng số mô-men e 0.51 Nm/A
Tốc độ thật, tốc độ ước lượng từ các bộ điều khiển được thể hiện ở hình 5.11, đồ thị hình 5.12 thể hiện giá trị sai số tốc độ từ các bộ ước lượng so với giá trị tốc độ thật. Sai số dòng điện quan sát và dòng điện thực tế được đo từ cảm biến tốc độ được thể hiện ở hình 5.13.
Hình 5.11. Đáp ứng tốc độ ước lượng
Bảng 5.5. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển STT Thông số đáp ứng Đơn vị NTSM FONTSM STT Thông số đáp ứng Đơn vị NTSM FONTSM
1 Thời gian quá độ (ts) (s) 0.099 0.04 2 Độ vọt lố (overshoot) (%) 5.1 1.76 3 Sai số xác lập (rad/s) 20.76 6.62 4 Tích phân bình
phương sai lệch (ISE) 224.8 26.55
Đồ thị hình 5.11 hiển thị đáp ứng tốc độ ước lượng được từ hai bộ điều khiển cùng tốc độ thực được đo trực tiếp từ trục động cơ bằng tachometer và bảng số liệu 5.5, thấy rằng tốc độ động cơ tăng từ 0 đến 200 (rad/s) trong khoảng 0.07(s), khi đó giá trị tốc độ ước lượng được từ bộ ước lượng nghiên cứu trong luận án (đồ thị màu tím) đạt được đáp ứng nhanh hơn (khoảng 0.04s), tức trước thời điểm động cơ đạt được giá trị đặt, trong khi đó, tốc độ ước lượng được từ bộ điều khiển NTSM (đồ thị
màu vàng) chỉ đạt được đáp ứng trong thời gian khoảng 0.1(s) sau thời gian tốc độ đạt giá trị đặt. Bên cạnh đó tốc độ ước lượng được từ bộ ước lượng FONTSM đạt giá trị sai số xác lập 6.62 rad/s nhỏ hơn gấp 4 lần so với phương pháp NTSM (20.76 rad/s), chứng tỏ phương pháp trượt nghiên cứu trong luận án khử chattering hiệu quả hơn nhiều so với các lý thuyết trượt được nghiên cứu trước đây.
Hình 5.12. Sai số giữa tốc độ ước lượng và giá trị tốc độ thật
Hình 5.13. Sai số dịng điện quan sát và dịng điện thực tế
Đồ thị hình 5.13 thể hiện sai số dịng điện hai pha trong hệ tọa độ cố định (α- β), đước tác động của tín hiệu điều khiển trượt, làm cho giá trị dòng điện quan sát tiến về giá trị dòng điện thực tế, sai số lớn nhất khi khởi động động cơ (khoảng 150mA) do giá trị dòng điện khởi động tăng đột ngột, sai số giảm và duy trì ổn định (khoảng ±10mA) khi động cơ đạt tốc độ ổn định trong quá trình hoạt động.
5.3. Kết luận
Trong chương này tác giả đã xây dựng thuật tốn ước lượng thơng số cho động cơ điện xoay chiều động bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), với giá trị quan sát là tốc
độ rotor, góc rotor, dịng điện stator. Thuật tốn ước lượng chứng minh tính hiệu quả khi kết quả đáp ứng đạt được sử dụng trực tiếp cho bộ điều khiển FOC, kết quả đáp ứng tốc độ ước lượng đạt ưu điểm là khắc phục được hiện tượng chattering, vấn đề bất lợi trong điều khiển trượt ở các nghiên cứu trước đây (SLM và NTSM) không giải quyết được hiệu quả. Điều đó là nhờ phương pháp FONTSM được 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, dẫn đến kết quả đạt được đáp ứng nhanh hơn, điều này được chứng minh ở đồ thị hình 5.7 (kết quả mơ phỏng), và hình 5.11 (kết quả thực nghiệm). Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm chứng minh được lý thuyết nghiên cứu trong luận án giải quyết tối ưu vấn đề ước lượng tốc độ động cơ PMSM không dùng cảm biến mang lại hiệu quả cao cho phương pháp điều khiển FOC.
Kết quả đạt được thể hiện ở mục 5.2.1 và 5.2.2, chứng minh tốc độ ước lượng được từ phương pháp nghiên cứu đạt động học nhanh với thời gian đáp ứng 0.48(s), trong khi các phương pháp trượt cổ điển đạt 0.55(s), đồng thời hiện tượng chattering giảm gần như bằng 0 (0.3 rad/s), với phương pháp NTSM kết quả là 1.2 (rad/s), và lớn nhất là SLM với giá trị 3.8 (rad/s). Nội dung nghiên cứu trong chương này được sử dụng cho các loại động cơ điện xoay chiều đồng bộ có rotor là nam châm vĩnh cửu với thông số: điện áp hoạt động tối đa (380Vdc), dòng điện tối đa (15A), tốc độ : 500- 2800 (rpm). Ngoài ra trường hợp đặc biệt mơ hình động cơ và tải thay đổi cũng được khảo sát ở mục 5.2. Trường hợp thơng số mơ hình thay đổi so với thơng số của bộ ước lượng, kết quả đạt được chứng minh bộ điều khiển FONTSM vẫn duy trì ưu điểm so với hai phương pháp SLM và NTSM trong việc khắc phục được chattering và giảm thời gian đáp ứng. Kết quả ước lượng tốc độ sử dụng phương pháp FONTSM thể hiện tính ổn định và đạt hiệu quả cao trong trường hợp động cơ kéo tải, cụ thể từ đồ thị ở hình 5.9 và 5.10, chứng minh kết quả tốc độ ước hoàn toàn của thể được sử dụng trược tiếp cho bộ điều khiển FOC, khi sai số xác lập khoảng 2.4 rad/s (1.2%), trong khi đó giá trị sai số của phương pháp NTSM là 13.85 rad/s (6.9%), phương pháp SLM là 24.01 rad/s (12%). Với những nội dung được nghiên cứu liên quan trong chương này, tác giả đã công bố bài báo [1][2] trong danh mục bài báo đã cơng bố.
CHƯƠNG 6. ƯỚC LƯỢNG THƠNG SỐ CƠ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN SERVO ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ
Trong chương này, luận án tập trung phát triển phương pháp ước lượng thông số cơ điện cho động cơ khơng đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, các giá trị ước lượng bao gồm dòng điện rotor và tốc độ rotor sử dụng bộ điều khiển trượt bậc cao FONTSM, kết quả ước lượng được dùng làm tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển trực tiếp mơ-men (DTC). Bằng cách kết hợp đạo hàm và tích phân của sai số dòng điện trong mặt trượt, tạo ra tín hiệu điều khiển trượt bậc ba gồm nhiều giá trị tích phân, do đó, tín hiệu quan sát được giữ liên tục, và có nhiều ưu điểm hơn cả hai phương pháp NTSM và SLM. Mô phỏng các bộ ước lượng được thực hiện trên cùng một môi trường mô phỏng Matlab/ Simulink cùng với các thông số cài đặt môi trường như nhau. Phần thực nghiệm được tiến hành trên bộ điều khiển xPC-Target sử dụng công nghệ Hardware – in – Loop.
6.1. Thiết kế bộ điều khiển trực tiếp mơ-men
Dịng điện stator từ hệ tọa độ ba pha đối xứng (a,b,c) chuyển thành hệ tọa độ cố định stator (α – β) được tính theo cơng thức (2.7).
Hình 6.1. Chuyển đổi dòng stator từ hệ tọa độ ba pha sang hệ tọa độ (α – β)
Điện áp stator từ hệ tọa độ ba pha đối xứng (a,b,c) chuyển thành hệ tọa độ cố định stator (α – β) được tính theo cơng thức (2.8).
Hình 6.3. Tính tốn mơmen, từ thơng, và góc từ thơng.
So sánh giá trị từ thông và mô-men với giá trị tham chiếu để chọn ra véctơ đóng ngắt phù hợp. Việc lựa chọn sector phụ thuộc vào góc của từ thơng, trong một vịng tròn 3600 ta chia làm 6 sector, mỗi sector có độ rộng 600.
Từ đó ta có thiết kế sau:
Hình 6.4. Chọn sector ứng với góc từ thơng
So sánh giá trị mơ-men và từ thông tham chiếu với giá trị mô-men và từ thông thực tế, để lựa chọn các 3 trạng thái của mơmen (-1;0;1), hai trạng thái của từ thơng (-1,1)
Hình 6.5. Tạo ra trạng thái từ thông và mômen sau khi qua bộ so sánh
Từ giá trị góc của véc-tơ từ thông, ba trạng thái của mô-men, hai trạng thái của từ thơng, theo bảng đóng ngắt các tiếp điểm ta sẽ chọn được các véctơ tác động tương ứng.
Hình 6.6. Sơ đồ phương pháp điều khiển DTC.
6.2. Ước lượng thông số cơ điện động cơ không đồng bộ
Từ các phương trình (2.15), (2.16), (2.17), (2.18) ở mục 2.4, tính được phương trình dịng điện của động cơ IM biểu diễn trên hệ cố định (α-β) như sau: