CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN NĂM PHA
3.1. Điều khiển trong chế độ bình thường
3.1.1. Lựa chọn phương pháp điều khiển
Do tính ổn định và cấu trúc đơn giản nên hệ điều khiển động cơ DC được ưa chuộng trong một khoảng thời gian dài. Nhưng hiện nay với phương thức điều khiển theo từ thông, hệ thống điều khiển động cơ PMSM 5 pha cũng có thể điều khiển độc lập từ hai thành phần dòng tạo từ thông và dòng tạo moment.
Thông qua việc chuyển từ vector không gian 5 pha sang hệ tọa độ từ thông, lúc này việc điều khiển động cơ PMSM 5 pha được tính toán tương tự như điều khiển động cơ DC. Hệ truyền động điều khiển dựa trên từ thông làm việc dựa vào sự phân chia hai dòng điện thành hai thành phần điều khiển riêng biệt như trên. Cụ thể là thành phần dòng isd là đại lượng lo ổn định từ thông và khi đã giữ được từ thông là hằng số thì isq sẽ giữ nhiệm vụ điều chỉnh moment. Chính vì lý do này mà người ta gọi đây là phương thức điều khiển dựa trên từ thông. Phương thức điều khiển dựa theo từ thông rotor thuộc lớp các phương pháp điều khiển vector đối với máy điện. Với sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật vi xử lý/vi điều khiển và vi xử lý tín hiệu ứng dụng trong hệ truyền động điều khiển dựa trên từ thông, hiện nay đã có những hệ truyền động điện thông minh như nhận dạng thích nghi tham số, điều khiển tối ưu trạng thái động cơ … giúp hệ thống có thể nhận dạng và thích nghi trực tuyến (On-Line) các thông số phụ thuộc nhiều vào trạng thái vận hành của hệ thống mà phương thức nhận dạng Off-Line trước đây gặp rất nhiều khó khăn như hằng số thời gian rotor, mức độ bão hoà từ, nhiệt độ môi trường làm việc … từ đó phục vụ con người ngày một tốt hơn. Phương pháp điều khiển định hướng từ trường với nguồn nghịch lưu áp: Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ cảm ứng năm pha theo phương pháp điều khiển định hướng từ thông rôto.
68
Hình 3. 1 Sơ đồ điều khiển động cơ PMSM bằng phương pháp điều khiển FOC Thiết kế bộ điều khiển PI dựa trên các thành phần cơ bản:
Chỉ các thành phần cơ bản mới được cân nhắc ở bước này. Trong phần này, chỉ số dưới “1” và “3” lần lượt đối với các bộ phận cơ bản và bộ phận điều hòa sẽ bị giảm. Do vậy, tất cả các biến số và thông số trong phương trình được trình bày trong mục này là các đại lượng cơ bản.
Hàm truyền đối với bộ điều khiển PI (tích hợp tỉ lệ) được biểu diễn bằng công thức sau:
x
x px
K K K
p (3.1)
Giá trị của 𝜔0 được tính toán dựa theo công thức:
2 2
0 0
2 0
P p (3.2)
Khâu hiệu chỉnh tốc độ (PID):
Tác dụng của mạch hiệu chỉnh vòng tốc độ dùng khâu PID nhằm mục đích: ổn định hệ thống và hiệu chỉnh hệ số đệm của đáp ứng quá độ tốc độ ở giới hạn mong muốn, giúp đạt sai số tĩnh giữa tốc độ đặt và tốc độ hồi tiếp bằng 0 nhờ khâu tích phân và lọc nhiễu. Điều này giúp thời gian quá độ ngắn, độ vọt lố nhỏ và chống quá dòng điện.
69
Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng các thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm. Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng:
( ) I
C p D
G S K sK K
s (3.3)
Trong đó:
Kp, KD, KI là các hằng số thực.
s: là toán tử Laplace.
Phương trình vi tích phân mô tả mối tương quan giữa tín hiệu ra u(t) với tín hiệu vào e(t) của bộ điều khiển PID là:
. ( )
( ) p t. D e d t I ( ) u t K e K K e t dt
dt (3.4)
Trong đó e(t) là sai lệch trong hệ thống: e(t)= r(t) – c(t).Với r(t) là tín hiệu vào và c(t) là đáp ứng đầu ra của hệ thống.
Việc thiết kế khâu hiệu chỉnh là xác định các giá trị của KP, KD, KI sao cho hệ thoả mãn các yêu cầu về chất lượng của hệ thống.Bộ hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ PID kết hợp các ưu điểm của bộ PI và PD nhằm cải thiện đáp ứng quá độ đồng thời tăng độ chính xác của hệ thống. Coi bộ điều khiển PID gồm bộ PI nối tiếp với bộ PD:
1 2 2
( ) I (1 )( I )
C p D D p
K K
G S K sK K s K
s s (3.5)
Trong đó:
2 1 2
p p D I
K K K K
1 2
D D P
K K K
2
I I
K K
70
Chỉ xét ảnh hưởng của thành phần PI và chọn giá trị KP2 và KI2 sao cho hệ thống thoả mãn yêu cầu về thời gian tăng tốc. Không quan tâm đến vọt lố ở đây, sai số sai số xác lập được cải thiện nhờ có khâu tích phân.
Sử dụng PD để giảm vọt lố, chọn giá trị KP từ điều kiện ổn định, đáp ứng quá độ dao động tắt dần.
Từ thông móc vòng rotor trong hệ tọa độ rô to trong trục d, kết quả λqr = 0 (do λr vuông góc với trục q), từ đó momen điện từ tương tự như biểu thức momen của động cơ một chiều. Vì thế, mômen điện từ và từ thông rôto được điều khiển độc lập bởi các thành phần q vàd của dòng stator cùng với tần số biến đổi. Biểu thức cuối cùng là:
* *
*
4
5 r e
qs
m dr
L T i p L
* 4 * *
5 r
ds dr dr
r m
i L
p R L dt
Trong đó:
*
Te là mô men đặt.
dr * là từ thông rotor đặt.
Khi đó, ta tiến hành phân tách máy thực PMSM 5 pha thành 3 máy ảo:
Hình 3. 2 Sơ đồ phân tách máy thực PMSM 5 pha.
71 Trong đó:
+ Máy ảo thứ nhất chứa các sóng hài bậc 5k+1 ( 1,9,11,…) + Máy ảo thứ hai chứa các sóng hài bậc 5k ±2 ( 3,7,13,…) + Máy thứ tự không chứa các sóng hài bậc 5k ( 5,15,25,…)
Qua ma trận biến đổi [𝑇𝐶𝑙𝑎𝑟𝑘𝑒] (5x5), ta phân tích các dòng điện ia, ib, ic, id, ie
trong hệ tọa độ tự nhiên thành các dòng điện 𝑖𝛼1, 𝑖𝛽1, 𝑖𝛼3, 𝑖𝛽3, 𝑖0 trong hệ tọa độ 𝛼 − 𝛽 , và qua ma trận biến đổi [𝑇𝑃𝑎𝑟𝑘] (5x5) chuyển các dòng điện 𝑖𝛼1, 𝑖𝛽1, 𝑖𝛼3, 𝑖𝛽3, 𝑖0 thành các dòng điện id1, iq1, id2, iq2, iz trong hệ tọa độ d-q.
Ta có ma trận biến đổi dòng điện trong hệ tọa độ tự nhiên sang hệ tọa độ 𝛼 − 𝛽 :
1 1 3 3 0 a
b
Clarke c
d e
i i i i
T
i i
i i
i i
Trong đó :
1 2 3 4 5
1 cos( ) cos(2 ) cos(2 ) cos( ) 0 sin( ) sin(2 ) sin(2 ) sin( ) 1 cos(2 ) cos( ) cos( ) cos(2 ) 2
5 0 sin(2 ) sin( ) sin( ) sin(2 )
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2
Clarke
R R
T R
R R
Với R1, R2, R3, R4, R5 là các vectorr trực giao.
72
Hình 3. 3 Hai máy ảo thứ nhất và thứ hai độc lập với nhau.
Ma trận biến đổi dòng điện từ hệ 𝛼 − 𝛽 sang hệ tọa độ d-q :
1 1
1 1
3 3
3 3 0
d q d Park
q z
i i i i
T i i
i i i i
Dòng điện trong hệ tọa độ d-q :
Hình 3. 4 Dòng điện trong hệ tọa độ d-q.
Trong đó :
73
cos( ) sin( ) 0 0 0
sin( ) cos( ) 0 0 0
0 0 cos(3 ) sin(3 ) 0 0 0 sin(3 ) cos(3 ) 0
0 0 0 0 1
TPark
Từ hình 3.4 ta thấy, dòng điện trong hệ tọa độ d-q là hằng số, dòng điện iz=0 (A) do động cơ được nối hình sao. Do đó, ta sử dụng phương pháp PID để điều khiển.