Điều khiển trực tiếp momen DTC

8

Direct Torque Control

8.1 Mô hình động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

Hình 8.1 Sơ đồ thay thế chữ của
MĐDB (chỉ số T viết phía dới bên phải :
hệ tọa độ đợc chọn để tựa hớng)

Xuất phát điểm để thiết kế các thuật toán ĐK l sơ đồ thay thế dạng chữ ở
hình 8.1. Từ sơ đồ ở hình 8.1 có thể viết ngay đợc hệ phơng trình điện áp mô
tả động cơ trên hệ tọa độ tựa quay với vận tốc góc bất kỳ T.

d ys
= u s - Rs i s - jwT y s
dt
d yr
= Rr i r + j (w - wT )y r
dt

(1)

Khi chọn hệ tọa độ Stator cố định lm hệ tọa độ tựa hớng ta sẽ có T = 0.
Quan hệ giữa từ tản y, dòng rotor ir, dòng stator is nh sau:

ys =ys -yr
1
y
i r = ( y s -y r ) = s
Ls

Ls
Lm + Ls
1
is =
ys - yr
Lm Ls
Ls

(2)
(3)

(4)

Mômen nội tại của động cơ chịu ảnh hởng của giá trị module của hai từ
thông ys, yr v góc xen giữa chúng.

1


m=

3 1
y s yr sin d
2 Ls

(5)

với:

tg d = ys y r

(6)

Mômen đa tới trục cơ của động cơ sẽ l:

mM = z p m

(7)

Tốc độ góc r (tần số trợt của mạch rotor) có thể tính đợc nếu ta xét
phơng trình thứ hai của hệ (1) khi chọn T = s (hệ tọa độ tựa quay với vận tốc
góc Stator), chỉ nhằm mục đích tính module của từ thông.

yr =

Rr i r

(8)

wr

Kết hợp (3), (6) v (8) ta tính đợc r cho chế độ xác lập.

wr =

Rr tgd tgd
=
Ls
Ts

(9)

Module của từ thông stator s đợc tính từ hai thnh phần.

y s = ys2a + ys2b

(10)

8.2 Nghịch lu và cơ sở vật lý của phơng pháp DTC
Nghịch lu sử dụng trong DTC l nghịch lu 2 mức nguồn áp. Ba nhánh van
của nghịch lu cho phép nối ba cực a, b v c của động cơ với thế năng + (lôgich
1) hoặc thế năng - (lôgich 0) của mạch một chiều trung gian. Chúng tạo thnh
8 trạng thái lôgich ứng với 8 vector điện áp chuẩn minh họa ở hình 8.2.
Hai vector V(000) v V(111) l hai vector có module bằng 0. Nếu van bán
dẫn l loại có tốc độ đóng ngắt cao (ví dụ loại IGBT: Insulated Gate
Bipolartransistor), ta có thể sử dụng 6
vector có module khác 0, kết hợp với 2
vector module 0 để tạo điện áp Stator với
vị trí bất kỳ.

Hình 8.2

Các vector điện áp Stator chuẩn
2


Khác với phơng pháp tựa theo từ thông rotor1 hoạt động dựa trên vòng ĐC
dòng Stator, áp đặt 2 thnh phần dòng tạo từ thông isd v dòng tạo mômen
quay isq. Xung kích thích van đợc tạo từ các giá trị điện áp do khâu ĐC dòng
đa tới khâu điều chế vector. T tởng chính của phơng pháp DTC l: Tạo

xung kích thích van trực tiếp trên cơ sở sai lệch từ thông stator v sai lệch
mômen quay (hình 8.3). Vì vậy, phơng pháp DTC không cần khâu chuyển hệ
tọa độ dq , không phải tính góc chuyển hệ l khâu gây không ít khó khăn
khi thực hiện.
Cơ sở vật lý của phơng pháp DTC đợc mô tả bởi hai phơng trình (1), (5).
Khi bỏ qua điện áp sụt trên điện trở Rs trong (1), ta thu đợc quan hệ tích phân
giữa điện áp Stator us v từ thông Stator ys. Điều ấy có nghĩa l: Vector ys sẽ
chuyển động theo hớng của vector điện áp đợc chọn. Với 7 vector điện áp
chuẩn (hình 12.25) ta sẽ có 7 khả năng tác động tới ys (hình 8.3).
Trong phơng pháp DTC (bản chất l SFO) vector ys đáp lại trực tiếp mỗi
thay đổi điện áp us. Trong phơng pháp RFO, điện áp us chỉ tác động trực tiếp
tới dòng is, để rồi dòng tác động tới từ thông rotor yr với quán tính thể hiện bởi
hằng số thời gian rotor Tr. Có thể nói: Giữa us v yr có quan hệ với quán tính
Tr .

Hình 8.3

Cơ sở vật lý của phơng pháp DTC

Vậy l: bằng cách chọn vector điện áp thích hợp ta có thể đồng thời tác động
tới module của ys v góc xen giữa ys, yr (hình 8.3). Theo công thức (5), mômen
quay m tỷ lệ với tích của |ys| v sin, nhờ đó ta có thể điều khiển đợc mômen
quay với động học cao nhất.
Khi ta đặt lên động cơ một vector điện áp chuẩn phù hợp, vector ys có thể
chuyển động trên quỹ đạo với gia tốc tối đa. Nếu dấu của gia tốc trùng với dấu
1

Rotor Flux Orientation: RFO
3

của chiều chuyển động, góc sẽ tăng lên, bởi vì yr chỉ có thể bám theo với quán
Tr. Nếu vector điện áp đợc chọn có module 0, gia tốc của ys sẽ gần nh bằng 0,
v nhờ đó góc bé đi do yr vẫn tiếp tục quay theo hớng cũ.
Các giá trị thực của từ thông ys v mômen m sẽ đợc tính nhờ một khâu
quan sát từ thông (hình 8.4). Sau khi so sánh với các giá trị chủ đạo, trên cơ sở
sai lệch ta có thể quyết định đợc chùm xung kích thích van phù hợp. Trong
giải pháp DTC kinh điển, các quyết định đợc đa ra bởi các khâu ĐC kiểu 2
hoặc 3 điểm.

Hình 8.4

Khâu quan sát tức thời (khâu Luenberger)

Trong khâu quan sát Luenberger thông thờng, các sai lệch đầu ra ở thời
điểm thứ (k) chỉ đợc sử dụng để hiệu chỉnh vector trạng thái ở thời điểm thứ
(k+1). Có nghĩa l: chỉ sau khi 1 chu kỳ trích mẫu đã trôi qua lãng phí. Thực tế,
ta có thể hiệu chỉnh ngay ở thời điểm thứ (k), v một khâu quan sát nh vậy
còn có tên l khâu quan sát tức thời (Current Estimator, hình 8.4) với phơng
trình tính toán sau đây:

ổ
Tử
T
y sN (k + 1) = ỗỗ1- r ữữữ y sN (k ) + r (1- s ) y rN (k )
ỗố
Ts ữứ
Ts
+ u sN (k ) n0
y rN (k + 1) = e

jT w(k )

(11)

ộT
ự
ổ
ử
ờ y sN (k ) + ỗỗ1- T ữữ y rN (k )ỳ
ữ
ờT
ỳ
ỗố Ts ứữ
ờở s
ỳỷ

8.3 Thiết kế điều khiển theo nguyên lý DTC
a) Quỹ đạo dẫn dắt từ thông stator

4


H×nh 8.5

Quü ®¹o dÉn d¾t tõ th«ng Stator

 Các sectors I … VI được chọn xoay lệch 30o so với các sectors của điều chế vector
điện áp.
 Bộ ĐK từ thông chọn vector điện áp có tác dụng:

 tăng từ thông, hay
 giảm từ thông.
 Bộ ĐK mômen:
 là bộ ĐK ba điểm và
 sẽ chọn chuyển sang vector không u0,7 (vị trí các chấm tròn đen trên quỹ đạo),
nếu mômen quay đạt tới ngưỡng trên của giới hạn sai lệch cho phép.
 Việc lựa chọn vector điện áp được thực hiện theo bảng chuyển mạch tối ưu.
b) CÊu tróc ®iÒu khiÓn

H×nh 8.6

CÊu tróc ®iÒu khiÓn DTC sö dông b¶ng chuyÓn m¹ch tèi −u

5


c) ThiÕt kÕ b¶ng chuyÓn m¹ch
Sector
ĐK từ thông
Ry

ĐK mômen
Rm

I

II

III

IV

V

VI

1
0
-1
1
0
-1

u2
u7
u6
u3
u0
u5

u3
u0
u1
u4
u7
u6

u4
u7
u2

u5
u0
u1

u5
u0
u3
u6
u7
u2

u6
u7
u4
u1
u0
u3

u1
u0
u5
u2
u7
u4

1
0
Ý nghĩa:
ĐK từ thông Ry =
ĐK mômen Rm =

0 :
1 :
-1 :
0 :
1 :

Giảm từ thông Stator
Tăng từ thông Stator
Giảm nhanh mômen
Giảm mômen bằng vector zero u0,7
Tăng mômen

8.4 CÊu tróc ®iÒu khiÓn DTC cña tËp ®oµn ABB

H×nh 8.7

CÊu tróc ®iÒu khiÓn DTC sö dông b¶ng chuyÓn m¹ch cña tËp ®oμn ABB

6


Cấu trúc ĐK theo nguyên lý DTC (cài đặt trên dòng sản phẩm ACS600, ACS800 của
tập đoàn ABB) bao gồm 2 vòng chính:
 Vòng trong: ĐK mômen sử dụng bảng chuyển mạch tối ưu
 Vòng ngoài: ĐK tốc độ quay sử dụng các bộ ĐK tuyến tính (ví dụ: PI, PID) thông
thường

H×nh 8.8

H×nh 8.9

Vòng trong: ĐK mômen sử dụng bảng chuyển mạch tối ưu

Vòng ngoài: ĐK tốc độ quay sử dụng các bộ ĐK tuyến tính (ví dụ: PI, PID) thông
thường

7