Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động chất lượng cao với động cơ không đồng bộ sử dụng bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------

PHẠM THÀNH NGỮ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG CHẤT LƯỢNG CAO VỚI
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TỰ CHỈNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ XNCN

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN MẠNH TIẾN

HÀ NỘI 2008


Lời cảm ơn
Quyển luận văn này được hoàn thành là nhờ có sự quan tâm, chỉ bảo tận
tình của thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Mạnh Tiến, các thầy cô trong bộ mơn Tự
Động Hóa XNCN, các bạn đồng nghiệp và sự động viên của gia đình.
Qua đây tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường
ĐHBK Hà Nội, những người đã truyền đạt, củng cố những trí thức quan
trọng trong suốt thời gian học vừa qua, xin cảm ơn các thầy cơ trong bộ mơn
Tự Động Hóa XNCN đã giúp tôi nâng cao kiến thức, mở rộng hiểu biết về
chuyên ngành được học.
Đặc biệt, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn

TS. Nguyễn Mạnh Tiến, người đã khơng chỉ tận tình giúp tơi định hướng
phương pháp nghiên cứu phù hợp mà cịn dành thời gian đọc bản thảo và
chỉ ra các sai sót để luận văn sớm hồn thành.
Cuối cùng xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp đã ln động viên, khích lệ tơi trong suốt quá trình làm luận văn.

Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008
Học viên

Phạm Thành Ngữ

i


LờI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này được thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Nguyễn Mạnh Tiến cùng với các tài liệu tham khảo đÃ
được trích dẫn ở cuối bản luận văn này.
Số liệu và kết quả được đưa ra trong luận văn này là hoàn toàn trung
thực, không sao chép bất cứ công trình nghiên cứu nào khác.

Hà nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008
Học viên

Phạm Thành Ngữ

ii


Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt

ĐCMC:

Động cơ một chiều

ĐCKĐB:

Động cơ không đồng bộ

KĐB:

Không đồng bộ

ĐCXCBP:

Động cơ điện xoay chiều ba pha

ĐCĐB:

Động cơ đồng bộ

LQR:

Linear Quadratic Regulator

TTHCX:

Tuyến tính hoá chính xác

ĐKPHTT:

Điều khiển phản hồi trạng thái

ĐTPT:

Đối tượng phi tuyÕn

STR:

Self-Tuning Regulator

MRAS:

Model Reference Adaptive System

v


Môc lôc

MỤC LỤC
Lời cảm ơn.........................................................................................................i
Lời cam đoan.....................................................................................................ii
Mục lục............................................................................................................iii
Danh mục các từ viết tắt....................................................................................v
Abstract ........................................................................................................... vi
Lời nói đầu........................................................................................................1
Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ........................................4
1.1 Ứng dụng lý thuyết véctơ để mô tả động cơ KĐB...................................4
1.1.1 .Vecto không gian và hệ toạ độ từ thơng roto.................................5

1.1.2 Mơ hình liên tục của ĐCKĐB rơto lồng sóc..................................9
1.1.2.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ................................9
1.1.2.2 Mơ hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông roto...10
1.2 Hệ thống điều khiển vecto ĐCKĐB.......................................................14
1.2.1 Tổng quan về phương pháp điều khiển vectơ..............................14
1.2.2 Phương pháp điều khiển vectơ trực tiếp.......................................16
1.2.3 Phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp......................................17
Chương 2: Các phương pháp điều khiển hiện đại cho truyền động động
cơ KĐB...........................................................................................................19
2.1 Tổng quan về điều khiển phi tuyến......................................................19
2.1.1 Phương pháp tuyến tính hố xung quanh điểm làm việc............19
2.1.2 Phương pháp tuyến tính hố trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu......21
2.1.3 Phương pháp tuyến tính hố chính xác.......................................21
2.2 Hệ điều khiển thích nghi.......................................................................26
2.2.1 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh ..............................................26
2.2.2 Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS).....................30
2.2.3 Gain scheduling...........................................................................32
2.2.4 Bộ lọc Klman..............................................................................34
2.2.5 Nhận dạng tham số-cơ sở lý thuyết bình phương nhỏ nhất đệ quy.......41

iii


Môc lôc

Chương 3. Thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động chất lượng cao cho
truyền động động cơ không đồng bộ...........................................................44
3.1 Mơ hình tổng thể hệ thống....................................................................44
3.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh từ thơng và dịng............................................45
3.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh từ thơng.................................................45

3.2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh dịng......................................................46
3.2.2.1 Tổng hợp khâu RId.............................................................49
3.2.2.2 Tổng hợp khâu RIq.............................................................49
3.3 Tổng hợp bộ điều khiển vị trí...............................................................49
3.3.1 Tổng hợp bộ PD tự chỉnh............................................................51
3.3.2 Ước lượng momen và tốc độ qua bộ lọc Klman.........................53
3.3.3 Nhận dạng tham số momen quán tính J và hệ số ma nhớt B của
ĐCKĐB qua bộ nhận dạng tham số...........................................58
Chương 4 Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng Matlab.........................63
4.1 Mơ hình tổng thể..................................................................................63
4.2. Mơ hình ĐCKĐB................................................................................64
4.3 Bộ điều khiển vịtrí...............................................................................65
4.3.1 Khâu PD tự chỉnh........................................................................65
4.3.2 Bộ lọc Klman...............................................................................66
4.3.3 Bộ nhận dạng tham số.................................................................66
4.4 Bộ điều chỉnh dòng..............................................................................66
4.5 Bộ điều chỉnh từ thông.........................................................................68
4.6 Kết quả mô phỏng................................................................................70
4.7 Nhận xét kết quả kết quả đạt được ......................................................76
Kết luận.....................................................................................................77
Tài liệu tham khảo......................................................................................79
Phụ lục 1..........................................................................................................82
Phụ lục 2..........................................................................................................84
Tóm tắt luận văn

iv


lời nói đầu
Ngày nay, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rÃi và phổ biến

trong công nghiệp.So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có nhiều
ưu điểm hơn về mặt cấu tạo, giá thành cũng như vận hành. Tuy nhiên, do có
cấu trúc phi tuyến với đa thông số, nên việc điều khiển động cơ không đồng
bộ gặp nhiều khó khăn.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của một số nghành kỹ
thuật như điện tử công suất, kỹ thuật vi xử lý nhiều phương pháp điều khiển
ra đời và thu được hiệu quả. Chính vì vậy, động cơ không đồng bộ ngày càng
được sử dụng rộng rÃi, dần thay thế cho động cơ một chiều trong các hệ thống
truyền động chất lượng cao. Các bộ điều khiển PI, PD, PID đà được sử dụng rất
nhiều nhưng chất lượng của các bộ điều khiển này phụ thuộc vào điều kiện làm
việc của động cơ. Việc điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển phải do người
thiết kế chỉnh lại, điều này gặp không ít khó khăn . Tiếp đó lần lượt các phương
pháp điều khiển trực tiếp và gián tiếp từ trường ra đời kèm theo việc sử dụng
một trong nhiều các thuật toán quan sát từ thông roto r .
Tuy nhiên các phương pháp cổ truyền không đáp ứng được yêu cầu
công nghệ. Bộ quan sát trạng thái thích nghi và tự chỉnh dựa trên phương pháp
nhận dạng tham số bình phương nhỏ nhất mang lại chất lượng điều chỉnh tốt
trong dải tốc độ rộng. Nhưng ở tốc độ thấp thời gian lấy mẫu nhỏ nếu sử dụng
sensor tốc độ thì không thể đo được tốc độ tức thời do đó tốc độ có thể bị sai,
hệ thống không ổn định và không thể đạt được chất lượng mong muốn. Để
khắc phụ điều này, dùng bộ quan sát trạng thái chất lượng cao là bộ Kalman
Filter, với chỉ một encoder vị trí nó có thể xác định được tốc độ tức thời và
mômen nhiễu của tải. Điều này làm cho hệ thống hoạt động với chất lượng tốt
hơn thậm chí có thể làm việc ở vùng tốc độ thấp.

1


Trong luận văn sẽ đi sâu vào Nghiên cứu hệ thống điều khiển
chuyển động chất lượng cao với động cơ không đồng bộ sử dụng bộ điều

khiển thích nghi tự chỉnh.Một trong các phương pháp điều khiển thông
minh là phương pháp điều khiển thích nghi. Trọng tâm của luận văn đi nghiên
cứu phương pháp điều khiển thích nghi tham số của bộ điều khiển vị trí cho
truyền động động cơ không đồng bộ sử dụng bộ quan sát trạng thái Kalman và
bộ nhận dạng dùng thuật toán bình phương nhỏ nhất đệ quy.
Luận văn gồm 4 chương chính, nội dung cơ bản của từng chương trình
bày như sau:
Chương 1: Tổng quan về động cơ không đồng bộ.
Dựa trên khái niệm vectơ không gian, xây dựng hệ phương trình mô tả
động học động cơ không động bộ.
Nguyên lý của phương pháp điều khiển vectơ và hệ thống truyền động
điện điều khiển vectơ _động cơ không đồng bộ.
Chương 2: Các phương pháp điều khiển hiện đại cho truyền động
động cơ không đồng bộ.
Tổng quan các phương pháp điều khiển phi tuyến
Tổng quan về hệ điều khiển thích nghi
Cơ sở lý thuyết về bộ lọc Klman và phương pháp bình phương nhỏ nhất ®Ư qui.
Ch­¬ng 3: ThiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn chun ®éng chất lượng cao cho
truyền động động cơ không đồng bộ.
Xây dựng bộ điều khiển vị trí tự chỉnh tham số cho động cơ không đồng bộ.
Xây dựng thuật toán của bộ quan sát tốc độ và mômen nhiễu của tải của
động cơ không đồng bộ sử dụng Kalman Filter.
Xây dựng thuật toán của bộ nhận dạng mômen quán tính của động cơ
không đồng bộ sử dụng phương pháp bình phương nhá nhÊt ®Ư quy.

2


Chương 4 : Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng Matlab.
Xây dựng mô hình mô phỏng cho hệ thống.

Trình bày kết quả của mô phỏng và đưa ra nhận xét đánh giá kết quả.
Mặc dù qua thời gian làm việc cố gắng, nghiêm túc và đà có một số kết
quả ban đầu, song do hiểu biết còn hạn chế, luận văn chắc còn có nhiều thiếu
sót. Tôi xin chân thành mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô giáo và
các bạn quan tâm để luận văn có thể giúp ích cho nhưng nghiên cứu sâu hơn
sau này.

Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2008
Học viên

Phạm Thành Ngữ

3


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Chương 1
tổng quan về động cơ KHÔNG ĐồNG Bộ
1.1 ứng dụng lý thuyết vectơ để mô tả động cơ không đồng bộ
Như ta đà biết, đối với động cơ một chiều(ĐCMC) kích từ độc lập thì có
hệ phương trình sau:
M = k2ik

mM = k1 M iM
Trong đó:
mM

- mômen quay của động cơ

M

- từ thông động cơ

iM

- dòng phần ứng

ik

- dòng kích từ

k1, k2 - các hằng số động cơ
Dễ thấy từ thông động cơ M chỉ phụ thuộc vào dòng kích thích ik .Nói
cách khác ta có thể điều chỉnh và khống chế được M một cách dễ dàng, chắc
chắn. Thông thường, trong phạm vi giải tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức, M
được giữ ổn định ở giá trị định mức. ở giải tốc độ lớn hơn tốc độ định mức, tuỳ
thuộc vào tốc độ quay cơ thĨ ta ph¶i gi¶m bít ψ M b»ng cách giảm ik để giữ
cho sức từ động cảm ứng khỏi quá lớn. Mặt khác, tại mỗi điểm công tác của
động cơ, do từ thông đà được điều chỉnh ổn định ở một giá trị không đổi nên
mômen quay của động cơ sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng iM.
Tóm lại đối với ĐCMC kích từ độc lập cã quan hƯ: ψ M ~ ik vµ mM ~ iM .
Hai dòng ik và iM có thể được sử dụng trực tiếp làm đại lượng điều khiển
cho từ thông và mômen quay của động cơ nếu như ta thành công trong việc áp
đặt nhanh hai dòng điện đó. Hơn nữa do cấu trúc đơn giản của mạch kích từ
và mạch phần ứng nên việc áp đặt nhanh dòng điện (điều chỉnh không trễ) là
vấn đề dễ dàng và đà được giải quyết từ lâu.
Tuy nhiên đối với động cơ điện xoay chiều ba pha (ĐCXCBP) không
còn các quan hệ rõ ràng giữa dòng với từ thông và dòng với mômen như động

4


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

cơ một chiều mà ở đây tồn tại một cấu trúc mạch và các đại lượng điện ba pha
phức tạp. Phương pháp mô tả ĐCXCBP trên hệ toạ độ từ thông rotor dựa trên
nguyên lý tựa từ thông rotor (T4R) là phép mô tả dẫn tới các tương quan dòngtừ thông và dòng-mômen giống như đối với động cơ một chiều (ĐCMC) nhằm
đạt được các tính năng điều khiển tương tự với ĐCMC. Sau đây ta sẽ đi tìm
hiểu cụ thể phương pháp trên.
1.1.1 Vector không gian và hệ toạ độ từ thông rotor.
ĐCXCBP dù là động cơ đồng bộ (ĐCĐB) hay động cơ không đồng bộ
(ĐCKĐB) đều có ba cuộn dây bố trí không gian tổng quát như hình 1.1:

Pha U

Pha V

isu

isw

Pha W

isv

Roto
Stator
Hình 1.1: Sơ đồ cuộn dây và dòng của §CXCBP
Ba dßng pha phÝa stator isu, isv, isw cđa §CXCBP không nối điểm trung

tính thỏa mÃn phương trình:
(1.1)
isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0
Trong đó dòng điện các pha thỏa m·n:
isu (t ) = is cos(ωs t )

isv (t ) is cos(ωs t + 120°)
=

is cos(ωs t + 240°)
sw (t )
i=

(1.2 a,b,c)

5


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt đứng), động cơ xoay chiều
ba pha(ĐCXCBP) có ba cuộn dây lệch nhau một góc 120. Nếu trên mặt cắt đó
ta thiết lập một hệ toạ độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u của động cơ, ta
có thể xây dựng vectơ không gian sau đây :
is(t) =

2
[ isu(t) + isv(t)ej120 + isw(t)ej240 ]
3

(1.3)

= i s ej.
Trong đó:
fs - tần số mạch stator
s = 2fs

= st
Vectơ is là một vectơ có môđun không đổi quay trên mặt phẳng phức(cơ
học) với tốc độ góc s và tạo với trục thực (đi qua trục cuộn dây pha u) một
góc .
Hệ toạ độ stator ( hệ toạ độ cố định):
Lấy trục thực của mặt phẳng phức nói trên đi qua trục cuộn dây pha u
và đặt tên là trục và trục ảo của nó là trục . Chiếu vectơ is lên hai trục và

ta được 2 hình chiếu là is và is . Như vậy ta có thể coi động cơ ®iƯn xoay
chiỊu nh­ ®éng c¬ ®iƯn 1 chiỊu víi 2 cuộn cố định và thay thế cho 3 cuộn
u,v,w.
Tóm lại:
is = is + j is
Giữa hệ toạ độ stator với hệ toạ độ phức ban đầu có quan hƯ:
isα = isu

1

=
(isu + 2isv )
isβ
3


(1.4a,b)
T­¬ng tù ta cã thĨ biểu diễn tất cả các đại lượng của ĐCXCBP theo hệ
toạ độ stator cố định:

6


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

i=
s

u=
s

i=
r

r
=
=
s

is + jisβ
usα + jusβ
irα + jir β

(1.5 a,b,c,d,e)

ψ rα + jψ r β
ψ sα + jψ sβ

Trong ®ã chØ sè r và s phía dưới lần lượt cho mạch rotor và stator.
Hệ toạ độ từ thông rotor ( hệ toạ độ quay):
Giả sử ta quan sát một ĐCXCBP đang quay với tốc độ góc =

d
dt

(hình 1.2) trong đó là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn (quy ước là trục
đi qua tâm cuộn dây pha u). Trong hình 1.2 còn biểu diễn cả hai vector dòng
stator i s và từ thông rotor r với môđun và góc pha ngẫu nhiên nào đó. Vector
từ thông rotor r quay víi tèc ®é gãc=
ωs 2=
π fs

7

dϑs
.
dt


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Trục từ thông roto
Cuộn dây pha v

d

j

Trục roto


s

q

i s

is

isd
f

r



isq

rotor

s

i s

Cuộn dây pha u

Cuộn dây pha w

Hình 1.2: Biểu diễn vector không gian trên hệ toạ độ từ thông rotor (hệ tọa
độ dq)
Đối với ĐCĐB thì trục của từ thông rotor cũng chính là trục rotor và do
đó = s . Đối với ĐCKĐB (đối tượng mà ta cần quan tâm) thì sự chênh lệch
giữa và s sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số f r và vận tốc góc r = 2 f r .
Hệ toạ độ từ thông rotor là hệ toạ độ có 2 trục d và q trong đó trục d
(trục thực) có hướng trùng với hướng của vector r và gốc toạ độ trùng gốc
toạ độ của hệ . Để phân biệt các vector được biểu diễn trong hệ toạ độ nào
ký hiệu phía trên bên phải của vector: chỉ số f cho hệ toạ độ dq và chỉ số s cho
hệ toạ độ .
Khi đó vector dòng điện stator được biểu diễn trong hệ toạ độ dq:

8


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

f
is=
isd + j.isq

(1.6)

Giữa hệ toạ độ dq và hệ toạ độ cã quan hÖ:
isf = iss .e − j .ϑs

(1.7)

hay:
=
isd isβ sin ϑs + isα cos ϑs

=
isq isβ cos ϑs − is sin s

(1.8 a,b)

Tương tự các vector khác có thể được biểu diễn trên hệ toạ độ dq theo
công thức (2.9):
f
u=
s
 f
i=
r
 f
ψ=
r
 f
ψ=
s

usd + jusq
ird + jirq

(1.9 a,b,c,d)

ψ rd + jψ rq
ψ sd + jψ sq

Trong c«ng thøc (1.9) ta chó ý r»ng ψ rq =0 do trơc q vuông góc với
vector r . Tuy nhiên trong thực tế rất khó tính tuyệt đối chính xác góc s do
đó ta vẫn giữ rq để bảo đảm tính khách quan trong khi quan sát.
1.1.2 Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ ( ĐCKĐB) rotor lồng
sóc.
Ngoài ĐCKĐB rotor lồng sóc còn có ĐCKĐB rotor dây quấn. Tuy
nhiên, loại rotor lồng sóc đà chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị trường vì các lý
do: dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn. Mặt khác, các ưu
thế trước kia của loại rotor dây quấn về khả năng dễ điều chỉnh không còn nữa
vì sự phát triĨn cđa kü tht vi xư lý ®· cho phÐp thực hiện thành công các kỹ
thuật điều chỉnh phức tạp ®èi víi lo¹i rotor lång sãc. Do ®ã trong ®å án này ta
chỉ đề cập đến ĐCKĐB rotor lồng sóc.
1.1.2.1 Hệ phương trình cơ bản của động cơ.
Ta có hệ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ biểu diễn
dưới dạng vectơ trong hệ toạ độ cố định stator nh­ sau:

9


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

s
s
d s
s
u s Rs i s +
=

dt

r

dψ r
r
=
0 Rr i r +
dt

ψ
= i s Ls + i r Lm
 s
ψ r i s Lm + i r Lr
=

Trong ®ã:

(1.10 a,b,c,d)

chØ sè r là vectơ quan sát trên hệ thống rotor lồng sãc
Rr
®iƯn trë rotor ®· tÝnh quy ®ỉi vỊ stator
vector 0 ( vector có môđun bằng 0)
0
L=
Lm + L s điện cảm stator
s
L=
Lm + L r điện cảm rotor

r
Lm

hỗ cảm giữa rotor và stator

L s

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator

L r

điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor

Ngoài ra còn có phương trình mômen :
3
3
mM =pc ( s ì i s ) =
− pc (ψ r × i r )
2
2

Phương trình chuyển động:
J d
m=
mT +
M

Trong đó:
mT
J

(1.11)

(1.12)

pc dt

: mômen cản, mômen tải
: mômen quán tính cơ
: tốc độ góc của rotor

1.1.2.2 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ toạ độ từ thông rotor
Quan hệ giữa các vector trong hệ toạ độ và các vector trong hệ toạ
độ dq nh­ sau:

10


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

u ss = u sf e jϑs
 s
f jϑ
i s = i s e s
 s
f jϑs
ψ s = ψ s e

(1.13 a,b,c,d)

Mặt khác các vector trong hệ toạ độ rotor có quan hệ với các vector
trong hệ toạ độ dq như sau:
i rr = i rf e jϑr
 r
f jϑr
ψ r = r e

(1.14 a,b)

Từ các quan hệ trên ta có thể thu được hệ phương trình vectơ của
ĐCKĐB trên hệ toạ độ dq như sau:
f
f
d s
f
f
+ js s
u s = Rs i s +
dt

f

0 = R i f + dψ r + jω ψ f
r r
r

r
dt
 f

f
f
ψ
=
i s Ls + i r Lm
s
 f
=
ψ r i sf Lm + i rf Lr

(1.15 a,b,c,d)

Ttõ hƯ trªn ta suy ra mô hình trạng thái của ĐCKĐB:
1 1
1 ' 1
1
disd
(
+
)isd + ωs isq +
u
ψ rd +
ωψ rq' +
 dt =
σ Ts σ Tr
σ Tr
σ
σ Ls sd

1 1−σ

1−σ
1−σ '
1
 disd
−ωs isd − (
+
)isq −
ωψ rd' +
ψ rq +
u
 dt =
σ Ts σ Tr
σ
σ Tr
σ Ls sq

 '
 dψ rd = 1 isd − 1 ψ rd' + (ωs − ω )ψ rq'
 dt
Tr
Tr
 '
1 '
 dψ rq 1
'
 dt = T isq − (ωs − ω )ψ rd - T ψ rq
r
r


(1.16 a,b,c,d)
Trong ®ã:
ψ rd' = ψ rd / Lm
ψ rq' = ψ rq / Lm
Ts = Ls / Rs

h»ng sè thêi gian stator

Tr = Lr / Rr

h»ng sè thêi gian rotor

11


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

= 1 L2m /( Ls Lr )

hệ số tiêu tán tổng

Ta có được 2 công thức quan trọng của từ thông và mômen là:
Lm

rd = 1 + pT isd

r

m = 3 Lm p ψ i
 M 2 Lr c rd sq

(1.17 a,b)

Hệ phương trình trên cho thấy ưu điểm của phương pháp điều khiển tựa
theo từ thông rotor là đưa tới các tương quan dòng-từ thông và dòng-mômen
giống như ®éng c¬ mét chiỊu do ®ã ta cã thĨ sư dụng các thành phần dòng
isd và isq trực tiếp làm đại lượng điều khiển cho từ thông và mômen quay của
động cơ nếu như ta thành công trong việc áp đặt nhanh hai thành phần dòng
điện đó.

12


us

us

e

s

js

usq

usd

13

1

s

1
Ls

1
Ls

isd
1
1 + sTr

isq

Tr



1

rd'
isq

Hình 1.3: Mô hình ĐCKĐB rotor lồng sóc trên hệ toạ độ dq

T
1 + sTσ

1
Tr

Tσ
1 + sTσ

ωr

ωs

ω

3 pc L2m
2 Lr mM

mT

pc
B+Js

ω

Ch­¬ng 1 Tỉng quan động cơ không đồng bộ


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

1.2 Hệ thống điều khiển vectơ ĐCKĐB
1.2.1 Tổng quan về phương pháp điều khiển véctơ
Nguyên lý điều khiển véctơ dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không
đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều.
Hình 1.4 mô tả sự tương tự này: ở động cơ điện một chiều nếu ta bỏ

qua phản ứng phần ứng, coi mạch từ chưa bÃo hoà khi đó mômen của động cơ
Iư

Ikt

+
Đk và NL

ĐK

Đ
M = kΦI­ =k’IktI­

M = K ψrIsq = K’IsdIsq

HƯ ®iỊu khiĨn một chiều

Hệ điều khiển vectơ

Hình 1.4: Sự tương tự giữa phương pháp điều khiển động cơ một chiều và
điều khiển vectơ ĐCKĐB.

một chiều được tính bởi công thức sau:
M = kIư =kIktIư

(1.18)

trong đó:
Ikt , Iư : là dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng của động cơ.

: là từ thông của động cơ.

ở đây dòng điện phần ứng và dòng điện kích từ không phụ thuộc vào
nhau, do ®ã ta cã thĨ ®iỊu khiĨn ®éc lËp dßng ®iƯn phần ứng và dòng điện
kích từ để đạt được mômen mong muốn. Nếu ta duy trì dòng điện kích từ
không đổi thì mômen được điều khiển bởi dòng điện phần ứng.
Cách điều khiển này có thể áp dụng cho động cơ không đồng bộ nếu ta
sử dụng lý thuyết vectơ không gian để mô tả các trạng thái của động cơ không
đồng bộ. Với ý tưởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ và

14


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

mô tả động cơ trên hệ tọa độ quay với tốc độ đồng bộ với từ trường stator (s).
Véctơ dòng điện stator Is được phân tích thành hai thành phần trên hai trơc dq
vu«ng gãc víi nhau: Isq , Isd. NÕu chän trục d trùng với trục của từ thông rôto
thì phương trình mômen của động cơ được biểu diễn như sau:
M = K ψrIsq = K’IsdIsq

(1.19)

Nh­ vËy nÕu ta ®iỊu khiĨn độc lập các thành phần của dòng điện Stator
trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với từ trường quay (hệ dq)
thì việc điều khiển động cơ không đồng bộ tương đương với việc điều khiển
động cơ một chiều. Trong trường hợp này thành phần Isd đóng vai trò tương tự
như thành phần dòng kích từ, còn thành phần Isq đóng vai trò như dòng điện
phần ứng Iư.

Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng
bộ được mô ta ở hình 1.6. Trên hình 1.6 ta không vẽ bộ nghịch lưu và coi
thành phần dòng điện ba pha chuẩn nhận ®­ỵc tõ hƯ thèng ®iỊu khiĨn. B»ng
hai phÐp biÕn ®ỉi tọa độ (abc/) và (/dq) cộng với việc xác định ®­ỵc gãc
quay cđa tõ tr­êng θs ta nhËn ®­ỵc hai thành phần: Isd, Isq, hai thành phần này
được đặt vào mô hình của động cơ như hình 1.6.

q

d
r

r

s

s


r
Hình 1.5: Biểu ®å pha trong ®iỊu khiĨn vect¬.

15


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Phần điều khiển
i*s

I*sd
I*sq

dq



i*s


abc

Phần chấp hành
i*sa
i*sb
i*sc

isa
isb
isc

is
abc



is

s

Isd
dq Isq

Mô hình
động cơ
trong hệ
tọa độ dq

s

Biến đổi ngược tọa độ

Biến đổi thuận tọa độ

Hình 1.6 : Sơ đồ khối cơ bản của hệ điều khiển vectơ ĐCKĐB.

Dựa vào nguyên tắc xác định góc s của từ trường quay ta có thể chia ra
thành 2 phương pháp điều khiển vectơ.
1.2.2 Phương pháp điều khiển vectơ trực tiếp.
Coi góc s là góc pha của vectơ từ thông roto, do đó tính góc s từ các
thành phần vectơ từ thông roto.

I*sd

*s

R
- s

M*s

RM

dq

dq
I*sq

i*sa

i*s



i*s



i*sb
i*sc

Biến
tần

-M

Tính :
coss, sins

sq

0

ĐK
sd

x 2 + y2

Hình 1.7 : Sơ ®å khèi cđa hƯ thèng ®iỊu khiĨn vect¬ trùc tiÕp.

16


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

Phương pháp này được đề xuất bởi F. Blashke, nó dựa trên nguyên lý
xác định trực tiếp góc quay của từ trường s từ các thành phần từ thông khe hở
hoặc từ thông rôto trên hai trục d và q của hệ tọa độ dq. Sơ đồ khối của hệ
thống điều khiển vectơ trực tiếp sử dụng cảm biến từ thông được trình bày ở
hình 1.7
Các thành phần coss và sins được tính từ các thành phần từ thông khe
hở không khí trên hai trục tọa độ tĩnh đo được bằng cảm biÕn tõ th«ng:
(1.20)

Ψ 0 = Ψ 0d +Ψ 0q
2

cosθ s = Ψ

2

0d

Ψ0

, sin θ s = Ψ 0d

(1.21)

Ψ0

Víi ψ0d, ψ0q là các thành phần từ thông khe hở dọc trục và ngang trục.
1.2.3 Phương pháp điều khiển véc tơ gián tiếp
Coi s là góc quay cùng trục d. Nguyên lý của phương pháp điều khiển
vectơ gián tiếp có thể được trình bày thông qua đồ thị góc pha sau:
Trục của hƯ täa ®é quay ®ång bé (dq) lƯch víi trơc của hệ trục tọa độ
tĩnh một góc là θs. Ta cã:
t

θs = ∫ ω sdt + θ 0

(1.22)

0

q
Isq
β

θs

is
Isd

Ψrd = |r|


d

Hình 1.8: Biểu đồ pha trong điều khiển vector gi¸n tiÕp.

17


Chương 1 Tổng quan động cơ không đồng bộ

trong đó:

0 :

vị trí ban đầu của r thường ta chọn bằng không.

s:

tốc độ quay của hệ trục tọa độ dq nó cũng chính là tốc độ

quay của dòng điện stator, từ thông rôto. với s = r + sl
Tốc độ trượt được xác định như sau: sl = L m isq
T r r

(1.23)

Mômen của động cơ sẽ được tính nh­ sau:
M=

3 Lm
p
Ψ r isq
2 Lr

(1.24)

H×nh 1.9 sau biĨu diƠn sơ đồ cấu trúc tính toán : s

Isd

Isq

r

Lm
(L r / R r ) p + 1
Lm .Rr
Lr

MS
TS

ữ

sl

r

+

s

1
p

s

Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc tính toán góc quay từ trường.

Hệ truyền động dùng phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp có thể
làm việc ở 4 góc phần tư và tốc độ có thể điều chỉnh từ 0 đến định mức. Trong
hệ thống này cần thiết phải có tín hiệu về vị trí của rôto và chất lượng điều
khiển phụ thuộc vào các thông số của máy điện. Do đó để quá trình điều khiển
là độc lập thì các tham số cần phải điều chỉnh cho phù hợp với các tham số
của động cơ, đây là một vấn đề khó khăn. Thông số ảnh hưởng đến đặc tính
của hệ thống và cần phải tính toán trong quá trình làm việc của hệ thống chính
là điện trở của rôto Rr.

18


Chương 2 Các phương pháp điều khiển hiện đại cho truyền động ĐCKĐB

Chương 2
Các phương pháp Điều khiển hiện đại cho
truyền động động cơ không đồng bộ
2.1 Tổng quan về điều khiển phi tuyến
Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển mang tính động
học phi tuyến (ví dụ đối với động cơ không đồng bộ đặc tính động học phi
tuyến mạnh và nhiều tham số thay đổi theo thời gian và môi trường làm việc).
Không phải đối tượng nào cũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến
tính, không phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô
hình tuyến tính được thoả mÃn. Hơn thế nữa việc tối ưu, tác ®éng nhanh chØ cã
thĨ tỉng hỵp ®­ỵc nÕu ta sư dụng bộ điều khiển phi tuyến. Các hạn chế này bắt
buộc phải trực tiếp nghiên cứu tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ
thống bằng những công cụ toán học phi tuyến.
Để nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển phi tuyến
cho truyền động động cơ không đồng bộ, chương này sẽ tổng hợp và nêu lên
một số phương pháp điều khiển các hệ phi tuyến và ứng dụng có hiệu quả vào
hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ.
2.1.1. Phương pháp tuyến tính hoá xung quanh điểm làm việc.
Bản chất của phương pháp này là sự xấp xỉ gần đúng hệ phi tuyến trong
lân cận điểm cân bằng bằng một mô hình tuyến tính. Về phương diện hình học
là việc coi đường cong trong một lân cận đủ nhỏ xung quanh điểm làm việc
cân bằng là đường thẳng tiếp xúc với đường cong tại điểm đó. Phương pháp
này có nhược điểm là tại mỗi thời điểm nó chỉ tuyến tính hoá được trong phạm
vi một lân cận nhỏ xung quanh điểm làm việc nên khả năng chống nhiễu kém
và không đúng được trong toàn bộ không gian trạng thái, việc chuyển từ điểm
làm việc cân bằng này sang điểm làm việc cân bằng kh¸c cã thĨ dÉn tíi sù

19