Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dùng bộ điều khiển PID mờ lai
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (13.3 MB, 110 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN MINH CHƠN
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
3 PHA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ LAI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN MINH CHƠN
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
3 PHA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ LAI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT
1
2
3
4
5
Họ và tên
Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 18 tháng 02 năm 2018
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Minh Chơn..................................Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 06-12-1983 .................................. .Nơi sinh: Phú Tân – Cà Mau
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện................................................MSHV: 1641830004
I- Tên đề tài:
Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dung bộ điều khiển PID mờ lai
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tìm hiểu tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha và các phương pháp điều khiển tốc
độ.
- Tìm hiểu về logic mờ, bộ điều khiển PID và ứng dụng trong điều khiển động cơ không
đồng bộ.
- Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab
- Viết luận văn
III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài)
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15 tháng 8 năm 2018
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên xin chân thành cám ơn thầy cô trong Viện Kỹ thuật HUTECH và Viện
Đào tạo Sau đại học đã nhiệt tình giảng dạy và hỗ trợ để tôi hoàn thành khóa học. Đặc biệt
PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương đã truyền cảm hứng vá hướng dẫn để tôi hoàn thành
luận văn này.
Cám ơn các bạn học viên cùng lớp đã đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi trong học
tập để vượt qua khó khăn trong học tập và nghiên cứu tại trường.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cám ơn sự quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện về vật chất và
tinh thần của gia đình trong suốt quá trình học tập.
Nguyễn Minh Chơn
i
MỤC LỤC
Mục lục ............................................................................................................................i
Tóm tắt luận văn .............................................................................................................iv
Danh sách các hình .........................................................................................................vi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1. Tổng quan đề tài ........................................................................................................ 1
1.2. Các phương pháp điều khiển .................................................................................... 2
1.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) ......................................... 2
1.2.2. Phương pháp điều chế vector không gian ............................................................. 4
1.2.3. Điều khiển định hướng trường .............................................................................. 5
1.2.4. Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp .................................................... 6
1.2.5. Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp .................................................... 6
1.2.6. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường ................................................ 7
1.2.7. Nhận xét ................................................................................................................. 8
1.3. Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay ............................................................................ 8
1.3.1. Điều khiển thông minh .......................................................................................... 8
1.3.2. Những kỹ thuật khác.............................................................................................. 9
1.4. Trình tự mô phỏng động cơ không đồng bộ ........................................................... 10
1.4.1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển
....................................................................................................................................... 10
1.4.2. Bộ biến tần điều khiển ......................................................................................... 11
1.4.3. Kiểm tra thiết bị truyền động AC ........................................................................ 11
1.4.4. Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm ................ 11
1.5. Định hướng ................................................................................................................. 11
1.6. Mục tiêu của đề tài.................................................................................................. 11
1.7. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 12
1.8. Nội dung của luận văn ............................................................................................ 12
1.9. Ý nghĩa đề tài .......................................................................................................... 12
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA13
2.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha......................................................... 13
ii
2.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha.......................................................... 14
2.2.1. Xây dựng vector không gian ............................................................................... 14
2.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian ............................................................ 16
2.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor ........................... 17
2.3. Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha ......................................................... 17
2.3.1. Lý do xây dựng mô hình...................................................................................... 20
2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ .................................................................. 21
2.3.3. Các tham số của động cơ ..................................................................................... 22
2.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator .......................................... 23
2.3.5. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor ........................................... 25
2.3.6. Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông
rotor ............................................................................................................................... 26
2.3.7. Bộ điều chế độ rộng xung PWM ......................................................................... 27
2.3.8. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink
của Matlab ..................................................................................................................... 28
2.4 Nhận xét ................................................................................................................... 34
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ........................................ 35
3.1. Đại cương về phương pháp FOC ............................................................................ 35
3.2. Cấu trúc nội dung phương pháp FOC .................................................................... 37
3.3. Mô phỏng phương pháp foc bằng simulink/matlab ............................................... 41
3.3.1. Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC trong Simulink/Matlab ............. 41
3.3.2. Giải thích nguyên lí hoạt động ............................................................................ 41
3.3.3. Phân tích sơ đồ..................................................................................................... 42
3.4. Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC .. 46
3.4.1. Tham số mô phỏng .............................................................................................. 46
3.4.2. Trình tự mô phỏng ............................................................................................... 46
3.4.3. Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong Simulink/Matlab ............................... 48
3.4.4. Nhận xét kết quả mô phỏng điều khiển FOC ...................................................... 62
CHƯƠNG 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP
ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ............................................................................................. 65
iii
4.1. Tổng quan về phương pháp đề xuất ....................................................................... 65
4.2. Bộ điều khiển mờ pi ............................................................................................... 65
4.2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 65
4.2.2. Cấu trúc bộ điều khiển pid mờ ............................................................................ 67
4.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển pid mờ lai ....................................................................... 68
4.2.4. Xây dựng các bộ điều khiển pi mờ ...................................................................... 69
4.3. Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào ước
lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ pi để điều khiển tốc độ động cơ không
đồng bộ 3 pha ................................................................................................................ 80
4.4. Nhận xét .................................................................................................................. 89
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN , HẠN CHẾVÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ...... 91
5.1. Kết luận................................................................................................................... 91
5.2. Hạn chế ................................................................................................................... 91
5.3. Hướng phát triển ..................................................................................................... 92
Tài liệu tham khảo ......................................................................................................... 93
iv
TÓM TẮT
Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị chủ lực trong truyền động điện xoay chiều
vì các ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì, sữa chữa,
giá thành hạ, hiệu suất cao… so với động cơ một chiều. Tuy nhiên, việc điều khiển động
cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn, phức tạp vì động cơ không đồng bộ là một hệ
phi tuyến mạnh và cần một thuật toán điều khiển hết sức chặt chẽ.
Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control-FOC) có khả
năng điều khiển độc lập từ thông và moment, đang được sử dụng phổ biến để điều khiển
động cơ. Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau, và
cũng như với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều. Trong
luận văn thạc sỹ này, đề tài “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với
phương pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3
pha” được thực hiện.
Với mục đích cải tiến phương pháp điều khiển PI thông thường (với thông số Kp
và Ki cố định) bằng cách đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ lai (với sự thay đổi
động các thông số Kp và Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động cơ -IM). Các kết quả mô
phỏng sẽ cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất.
v
ABSTRACT
Induction motors, are known with their ruggedness and reliability, due to their
simple construction, much lower cost, lack of commutating elements, better power to
mass ratio compared to the DC motors, which make them an attractive alternative in
these applications. However, the advantages above mentioned come with the very
complicated, strongly coupled nonlinear dynamics, which requires putting in place
sophisticated control algorithms in order to obtain good controlling.
Field Oriented Control (FOC), provides independent control of torque and flux
method is being used popularly to control induction motor response improving.Writer
(author) combined
other method’s advantage, together with high expection of wide &
deep study of in duction motor drivers. In this Master thesis, the theme: “The
application of PID Fuzzy control method combine with FOC to speed control of
induction motor” are presented.
With an aim of improving the PI normally control method ( with parameter point of
Kp and Ki) by proposed the PI Fuzzy hybrid control method ( with variable parameter
of Kp and Ki).Simulation results show the effectiveness of the proposed method.
vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại
2
Hình 1.2. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng
3
Hình 1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng
4
Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian
5
Hình 1.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản
6
Hình 1.6. Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định
hướng từ thông rotor gián tiếp
7
Hình 2.1. Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha
14
Hình 2.2. Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha
15
Hình 2.3. Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ
αβ
16
Hình 2.4. Chuyển hệ tọa độ giữa αβ và dq
17
Hình 2.5. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
17
Hình 2.6. Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông
19
rotor (hệ tọa độ dq)
Hình 2.7. Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc
20
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ PWM
27
Hình 2.9. Cơ chế đóng ngắt của PWM (pha U)
27
Hình 2.10. Dạng sóng 3 pha khi được điều chế PWM
28
Hình 2.11. Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha
30
Hình 2.12. Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM
30
Hình 2.13. Dòng từ hóa
31
Hình 2.14. Từ thông rotor
31
Hình 2.15. Tốc độ động cơ
32
Hình 2.16. Moment động cơ
32
Hình 2.17. Dòng điện stator
32
Hình 2.18. Điện áp Stator
33
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp.
36
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp
37
Hình 3.3. Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC
38
vii
Hình 3.4. Vector dòng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q).
39
Hình 3.5. Sơ đồ khối điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC
41
Hình 3.6. Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β)
43
Hình 3.7. Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng
47
Hình 3.8. Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng đảo chiều động cơ
47
Hình 3.9. Moment đặt cho quá trình mô phỏng
48
Hình 3.10. Từ thông thật của động cơ
49
Hình 3.11. Từ thông ước lượng của động cơ
49
Hình 3.12. Tốc độ thật của động cơ
49
Hình 3.13. Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt
50
Hình 3.14. Moment thực của động cơ
50
Hình 3.15. Moment của động cơ được ước lượng
51
Hình 3.16. Dòng điện pha U của động cơ
51
Hình 3.17. Dòng điện ba pha của động cơ
52
Hình 3.18. Từ thông thật của động cơ (khi đảo chiều quay)
52
Hình 3.19. Từ thông của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay)
53
Hình 3.20. Tốc độ thật của động cơ (khi đảo chiều quay)
53
Hình 3.21. Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi đảo chiều động cơ)
53
Hình 3.22. Moment thật của động cơ (khi đảo chiều quay)
54
Hình 3.23. Moment của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay)
54
Hình 3.24. Từ thông thật của động cơ (khi tăng moment tải)
55
Hình 3.25. Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải)
55
Hình 3.26. Tốc độ thật của động cơ (khi tăng moment tải)
55
Hình 3.27. Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi tăng moment tải)
56
Hình 3.28. Moment thực của động cơ (khi tăng moment tải)
56
Hình 3.29. Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải)
56
Hình 3.30. Dòng điện pha U của động cơ (khi tăng moment tải)
57
Hình 3.31. Dòng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment tải)
57
Hình 3.32. Từ thông thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)
58
Hình 3.33. Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính)
58
Hình 3.34. Tốc độ thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)
58
viii
Hình 3.35. Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt (khi tăng moment quán tính)
59
Hình 3.36. Moment thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)
59
Hình 3.37. Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính)
59
Hình 3.38. Dòng điện pha U của động cơ (khi tăng moment quán tính)
60
Hình 3.39. Dòng điện pha V của động cơ (khi tăng moment quán tính)
60
Hình 3.40. Dòng điện pha W của động cơ (khi tăng moment quán tính)
60
Hình 3.41. Dòng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment quán tính)
61
Hình 4.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID thông thường
65
Hình 4.2. Hệ thống điều khiển mờ
67
Hình 4.3. Hệ thống điều khiển mờ theo sai lệch e và đạo hàm sai lệch
67
Hình 4.4. Sơ đồ khối Bộ điều khiển PID mờ
67
Hình 4.5. Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ
68
Hình 4.6. Sơ đồ khối điều khiển PI MỜ xây dựng trên Simulink/Matlab
68
Hình 4.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển PI mờ lai
68
Hình 4.8. Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ lai
69
Hình 4.9. Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai xây dựng trên Matlab
69
Hình 4.10. Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PI mờ
70
Hình 4.11. Tập mờ sai số tốc độ
70
Hình 4.12. Tập mờ ngõ ra của bộ Kp mờ
71
Hình 4.13. Quy luật thay đổi Kp
71
Hình 4.14 Tập mờ sai số ngõ vào
72
Hình 4.15. Tập mờ ngõ racủa bộ KI mờ
72
Hình 4.16. Quy luật thay đổi KI
73
Hình 4.17. Sơ đồ khối điều khiển động cơ có bộ điều khiển từ thông PI mờ
73
Hình 4.18. Tập ngõ vào của bộ Kp mờ
74
Hình 4.19. Tập ngõ ra của bộ Kp mờ
74
Hình 4.20. Quy luật thay đổi Kp
75
Hình 4.21. Tập ngõ vào của bộ KI mờ
75
Hình 4.22. Tập ngõ ra của bộ KI mờ
76
Hình 4.23. Quy luật thay đổi KI
76
Hình 4.24. Sơ đồ khối điều khiển moment có PI mờ
76
ix
Hình 4.25. Tập ngõ vào của bộ KP mờ
77
Hình 4.26. Tập ngõ ra KP mờ
77
Hình 4.27. Quy luật thay đổi Kp
78
Hình 4.28. Tập ngõ vào bộ KI mờ
78
Hình 4.29. Tập ngõ ra của bộ KI mờ
79
Hình 4.30. Quy luật thay đổi KI
79
Hình 4.31. mô hình 3 bộ điều khiển mờ từ thông- moment và tốc độ
80
Hình 4.32. Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI thông thường
80
Hình 4.33. Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI mờ lai
81
Hình 4.34. So sánh kết quả mô phỏng giữa Bộ điều khiển PID mờ
81
Hình 4.35. Kết quả Bộ điều khiển PID mờ lai
82
Hình 4.36. Kết quả Bộ điều khiển PID thông thường
82
Hình 4.37. So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
83
Hình 4.38. So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
84
Hình 4.39. So sánh mômen khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
84
Hình 4.40. So sánh dòng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
85
Hình 4.41. So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
86
Hình 4.42. So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
87
Hình 4.43. So sánh mô men khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
88
Hình 4.44. So sánh dòng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường
89
1
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI:
Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng những
phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên các
thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện tử, vi xử lý và
điện tử công suất. Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp
điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968 và Balaschke đưa
ra 1970.
K.Haase: Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ không
đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969)
F.Balaschke: Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồng bộ
ba pha. Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972.
TS. Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp điều
chỉnh dòng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế của chúng”
nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phương pháp mạnh dùng
mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cách tiếp cận với các thuật
toán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điều khiển gián đoạn bằng vi xử lý.
Phần ứng dụng của tác giả TS. Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra đời và
được ứng dụng thành công không chỉ trong phòng thí nghiệm mà còn cả trên thiết bị hiện
đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị trường.
Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:
• Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn.
• Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải quyết
các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoại với hệ thống
cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với thiết bị ngoại vi tại
chỗ PLC.
2
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
1.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)
Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyền
động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của nguồn
cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời. Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độ
hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động cơ ổn định. Điều
khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện áp hoặc dòng điện được
điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quan
đến vị trí không gian của những vector tương ứng.
Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector. Kỹ thuật vô hướng chung
nhất thường được dùng trong thực tế là
Volts
không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH)
Hertz
nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông
stator không đổi. Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay của stator
bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp. Momen được cải tiến phụ thuộc vào sự
khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor. Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ
duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ. Tín hiệu tốc độ thật ωM sẽ so sánh với tín hiệu tốc độ
chuẩn ω M* , sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip controller), cho ra tín hiệu
tốc độ trượt chuẩn ω sl* . Tín hiệu này cộng với ωM tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệ
3
p/2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage
Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần.
VS*
ω *M
∆ω M
ω * S1
ωM
ω * Syn
ω*
ωM
ωM
Hình 1.2. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng
Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen
(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thế momen
xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi. Trong trường
hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ vì hồi tiếp dòng điện có phần phức tạp hơn
phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH).
4
I s*
T
I sT*
*
λ/*R
I s*Φ
ωM
ω*
Hình 1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng
1.2.2. Phương pháp điều chế vector không gian
Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong những
thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong 3 thập niên qua. Không chỉ
đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn công suất mà còn yêu
cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác. Có nhiều kỹ thuật điều chế như: kỹ
thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian... nhưng bổ sung thêm ứng dụng số là
điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp. Phương pháp điều chế
vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của vector không
gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba
pha. Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn
phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn. Thông thường, các đôi van được vi
xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng
như góc pha cho trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu. Biến tần được nuôi bởi điện áp
một chiều. Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao. Van bán dẫn
được dùng ở đây là IGBT, MOSFET.
5
Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của
vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn.
Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tròn, các sóng hài
bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến
tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy
mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.
Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian
1.2.3. Điều khiển định hướng trường
Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là
đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng. Tuy nhiên, trong những ứng dụng
trong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp
phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu
là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành.
Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiển
vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữa
momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và momen tương tự
như động cơ DC kích từ độc lập.
Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều
khiển momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của
động cơ không đồng bộ.
6
Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp trong đó
sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa vào đo lường
vị trí rotor.
1.2.4. Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp
Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từ
thông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và dòng điện stator sử dụng bộ quan sát
từ thông (flux observer). Đặt cảm biến ở khe hở không khí của động cơ, trục dq nhằm xác
định vector từ thông hỗ cảm (từ thông khe hở không khí).
λsdm
λr
e*
DS
λsqm
θr
i
idss*
e*
iQS
iqss*
ias*
ibs*
ics*
ias
ibs
ics
Hình 1.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản
1.2.5. Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán tốc
độ trượt ω r* được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp đặt tốc
độ này lên động cơ.
7
Từ thông
rotor đặt
Momen đặt
e*
iDS
Bộ điều
khiển
e*
iQS
DQ
dq
idss*
dq
iqss*
abc
ias*
ibs*
ics*
ias
ibs
ics
θR
Inverter
ωr*
1/p
θ
*
rotor
Position
sensor
θo
Hình 1.6. Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định
hướng từ thông rotor gián tiếp
1.2.6. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường
Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn, người
ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của máy điện. Cách
lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài bậc cao theo hướng từ
thông rotor. Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo thành momen
động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ tác dụng gián tiếp của từ thông
rotor lên momen động cơ). Việc lựa chọn vector đóng ngắt sẽ thực hiện theo phương
pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ nhất và việc đóng ngắt theo trục d của dòng
điện có thể được hạn chế do khả năng mở rộng đường bao của nó. Các sóng hài momen
giảm xuống nhưng các sóng hài dòng điện sẽ tăng lên (theo trục d).
8
1.2.7. Nhận xét
Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều
khiển động cơ. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn tại những
khuyết điểm:
-
Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây sóng hài
bậc cao.
-
Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp.
-
Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổi thông
số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chính xác tại tốc
độ thấp. Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thì không thể duy trì
yêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi.
Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệ nhân
tạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời góp phần không nhỏ trong việc phát triển
lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha.
1.3. NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY
1.3.1. Điều khiển thông minh
Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tử
công suất. Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phần chính kia thì
truyền động đó gọi là truyền động thông minh.
Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não và trung
tâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng. Phần cứng của đơn vị điều
khiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây. Còn phần mềm chứa những kỹ thuật điều
khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng.
Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh: điều khiển
thích nghi hay điều khiển tự tổ chức. Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là hệ thống tự
tổ chức hoặc tự xử lý. Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh của thiết kế và sản xuất
mạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính toán cao đưa điều khiển thông minh
vào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện.
9
Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính toán cứng và tính toán mềm. Hệ
chuyên gia thuộc về tính toán cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên. Trong 2 thập kỷ
gần đây, tính toán mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như sự cải tiến cấu
trúc vi xử lý. Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo, tập logic mờ, mạng
neural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen.
Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được quan tâm đến
như một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định và tăng độ
bền cơ học. Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật If- then (Kawaji and
Matsunaga, 1994).
Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì
những đặc tính đặc biệt sau:
-
Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều khiển
tự động.
-
Khả năng của ANN có thể học mẫu.
-
Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc.
-
Khả năng thích nghi.
Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnh vực
điều khiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ động cơ; bộ điều
khiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần…
Kết quả mô phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạng neural
trong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường (như bộ điều
khiển PI) không có ANNs.
1.3.2. Những kỹ thuật khác
Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là giá thành cao của
những thiết bị biến đổi, sự phức tạp của xử lý tín hiệu và độ chính xác kém. Trong những
năm gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt vì sự tiến bộ của kỹ thuật
điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao. Trong hầu hết những ứng dụng, cảm biến tốc độ là cần
thiết và thích hợp trong vòng kín điều khiển tốc độ. Tuy nhiên, cảm biến tốc độ có một
10
vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng loại trừ nhiễu. Những phương pháp khác
nhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ sử dụng một vài thông số điện như dòng điện,
điện áp, tần số và từ thông. Chúng dựa vào sự kết hợp của lý thuyết ước lượng trạng thái
và thuyết điều khiển vector (điều khiển động cơ không có cảm biến tốc độ).
Tuy nhiên, các giá trị của thông số điện bị lệch do các giá trị thiết kế vì sự thay đổi
của môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn.
Những phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không phù hợp vì một vài
lý do như trên…Vì vậy, một vài mô hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra mà
không cần biết đến phương trình chuyển động. Nhiệm vụ chính là tập trung vào việc nhận
dạng bao gồm bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển tuyến tính (Schouken, 1990),
để ước lượng thông số vật lý (Moons và Moor, 1995) và ước lượng hệ số hàm chuyển
tuyến tính dựa vào đo lường lực từ và tốc độ (Gahler và Herzog, 1994), kỹ thuật
NARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) nhằm mô hình hóa mối quan hệ giữa tốc độ và
điện áp của động cơ không đồng bộ.
Tương tự, khi ước lượng từ thông, người ta cũng áp dụng những nguyên tắc giống
như điều khiển và ước lượng tốc độ. Thật sự, cảm biến từ thông khó chế tạo và lắp đặt.
Vì vậy, việc chế tạo ra một bộ ước lượng từ thông từ những thông số điện có sẵn, hoặc
những kỹ thuật tiên tiến là mối quan tâm thiết yếu cho những ai quan tâm đến lĩnh vực
điều khiển động cơ.
1.4. TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ:
Thông thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hành
theo những bước chính sau:
1.4.1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều
khiển
Thông thường, mô hình toán học của động cơ không đồng bộ là: phương trình
vector tổng quát, mô hình mạch điện dưới dạng 2 pha, phương trình trạng thái. Thông số
của động cơ được xác định theo phương pháp thực nghiệm. Điện trở stator đo được từ
kiểm tra DC; điện trở rotor và điện cảm tiêu tán đo được khi rotor bị ghìm; đo điện cảm
