Điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần Vector bằng bộ điều khiển trượt

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (402.94 KB, 7 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

Đ

I

Ề

U KHI

Ể

N V

Ị

TRÍ

ĐỘ

NG C

Ơ

KHƠNG

ĐỒ

NG B

Ộ

S

Ử

D

Ụ

NG BI

Ế

N T

Ầ

N

VECTOR B

Ằ

NG B

Ộ

Đ

I

Ề

U KHI

Ể

N TR

ƯỢ

T

Lê Văn Mạnh*, Phạm Văn Vĩnh* 
 Trần Tuấn Thành** 
TÓM TẮT

Bài báo nêu lên phương pháp điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ (KĐB) sử dụng biến tần 
vector bằng bộđiều khiển trượt. Xây dựng được mơ hình động cơ không đồng bộ và thiết lập bộđiều 
khiển trượt trên phần mềm Matlab – Simulink. Với phương pháp này, vị trí động cơ khơng đồng bộ
được điều khiển bám theo tín hiệu đặt mong muốn trong trường hợp khơng có tải và có tải. Động cơ
khơng đồng bộ là đối tượng phi tuyến khá phức tạp với những bộđiều khiển thơng thường khó có thể
đáp ứng được, nhưng bộđiều khiển trượt có thểđiều khiển tốt đối tượng. Kết quả mô phỏng cho động 
cơ MTKM311-6 cho thấy sai lệch vị trí của hệđược đảm bảo.

ASYNCHRONOUS MOTORS POSITION CONTROL USING THE INVERTER VECTOR 
BY SLIDING MODE CONTROLLER

SUMMARY

This paper presents a position control method of asynchronous motors used inverter vector 
by sliding mode controller (SMC). Build models of asynchronous motor and setup SMC on software 
Matlab - Simulink. With this method, the position of the asynchronous motor is controlled along the 
desired set signal in the case of no load and load. Asynchronous motor is a nonlinear complex with 
the conventional controller is difficult to meet, but the sliding mode controller has good control 
subjects. Simulation results for engine MTKM311-6 shows the position errors of system are 
guaranteed.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống truyền động điện điều khiển vị

trí thuộc loại hệ thống được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền

động cho tay máy, người máy, cơ cấu ăn dao,
máy cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn
vọng… tùy thuộc vào các cơ cấu mà công suất
truyền động nằm trong dải rộng từ vài chục
W đến hàng trăm KW.

Động cơ KĐB là đối tượng phi tuyến khá
phức tạp với nhiều đầu vào, nhiều đầu ra. Trong
các cách mơ tả tốn học động cơ KĐB, mơ hình
trạng thái có những ưu thế nổi bật như cung cấp
cho ta hiểu biết chi tiết về bản chất bên trong

của đối tượng cũng như là cơ sở thuận lợi để

thiết kế các khâu điều chỉnh, quan sát.

Trong bài báo này, bộ điều khiển trượt

được ứng dụng đểđiều khiển cho hệ thống phi
tuyến là động cơ MTKM311-6. Mục đích là

để hệ thống đạt được sựổn định nhanh và sai
lệch bám nhỏ với sự biến đổi tham số động
cơ, tham số tải cũng như nhiễu bên ngoài tác

động. Trong phần II, sẽ xây dựng mơ hình

động cơ KĐB và bộ điều khiển trượt cho đối
tượng phi tuyến được đưa ra. Các kết quả mơ
phỏng được trình bày ở phần III. Các kết luận

được nêu lên ở phần IV.

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

Điều khiển vị trí đơng cơ khơng đồng bộ…

2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1. Mơ hình ba pha của động cơ KĐB

Động cơ KĐB có các dây quấn ba pha ở

rotor và stator, các dây quấn ở ba pha đối xứng
và được bố trí sao cho từ thông dọc theo chu vi
khe hở không khí có dạng hình sin, gọi k là tên
của dây quấn thì ta có các phương trình như

sau:
k
k
k
k
k e
dt
d
i

R

u = + ψ + (1)

Từ thơng móc vịng của mỗi dây quấn và
mơmen điện từ của động cơ:

k
k

jk
k =

∑

L i

ψ ;

∑

∂
∂
=
k m
k
k
i
M
θ
ψ
2
1
(2)

Đặt as, bs, cs, ar, br, cr là tên gọi của dây
quấn stator và rotor

j = as/bs/cs/ar/br/cr
j = as/bs/cs/ar/br/cr

L- điện cảm chính của các dây quấn pha stator

L - điện cảm tản
s

N - số vòng dây một pha stator
r

N - số vòng dây một pha rotor
m

θ - vị trí góc của dây quấn rotor

Thì ta có thể viết được sáu phương trình

điện áp cho động cơ KĐB như sau, nếu mạch từ

còn chưa bão hịa (điện áp là hằng)

Phía stator: Với pha a, pha b và pha c
của stator, ta có:

( )
( )

( )
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+
+
+
+
+
−
−
=
+
+
+
−
+
+
−
=
+
+
+
−

−
+
=
cr
cr.cs
br
br.cs
ar
ar.cs
cs
S
s
bs
as
cs
cr
cr.bs
br
br.bs
ar
ar.bs
cs
bs
S
s
as
bs
cr
cr.as
br

br.as
ar
ar.as
cs
bs
as
S
s
as
i
pL
i
pL
i
pL
i
pL
R
i
pL
i
pL
u
i
pL
i
pL
i
pL
i

pL
i
pL
R
i
pL
u
i
pL
i
pL
i
pL
i
pL
i
pL
i
pL
R
u
1
1
1
1
1
1
2
1
2

1
2
1
2
1
2
1
2
1
(3a)
Phía rotor: Với động cơ rotor lồng sóc ta
có điện áp rotor các pha bằng 0

( )
( )
( )
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+
+
−
−
+

+
=
−
+
+
−
+
+
=
−
−
+
+
+
+
=
cr
r
r
br
ar
cs
cr
cs
bs
cr
bs
as
cr
as

cr
cr
br
r
r
ar
cs
br
cs
bs
br
bs
as
br
as
br
cr
br
ar
r
r
cs
ar
cs
bs
ar
bs
as
ar
as

ar
i
pL
R
i
pL
i
pL
i
pL
i
pL
i
pL
u
i
pL
i
pL
R
i
pL
i
pL
i
pL
i
pL
u
i

pL
i
pL
i
pL
R
i
pL
i
pL
i
pL
u
2
2
.
.
.
2
2
.
.
.
2
2
.
.
.
2
1

2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
(3b)
Và tất cả các đại lượng điện từ (điện áp,
từ thơng, dịng điện) được coi như là các vector
ra ba hướng theo trục của dây quấn.

;

)

(

)

(

)

(

;

)

(

)

(

)

(

;

)

(

)

(

)

(

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

Ψ

=

Ψ

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

t

i

t

i

t

i

t

u

t

u

t

u

cs
bs
as
s
cs
bs
as
s
cs
bs
as
s

;

)

(

)

(

)

(

;

)

(

)

(

)

(

;

)

(

)

(

)

(

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

Ψ

=

Ψ

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

=

t

i

t

i

t

i

t

e

t

e

t

e

cr
br
ar

r
cr
br
ar
r
cr
br
ar
r

Ta rút ra được hệ phương trình sau:

( )

{

}

( )

{

}

( )

⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+
=
Ψ

+
=
Ψ
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +
+
=
Ψ
+
=
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +
=
Ψ
+
=
r
r
s
m
m

T
r
r
m
m
s
s
s
r
r
r
s
m
m
T
r
r
r
r
r
m
m
s
s
s
s
s
s
s
i

L
i
L
i
L
i
L
i
dt
d
L
R
i
L
dt
d
dt
d
i
R
u
i
L
dt
d
i
dt
d
L
R

dt
d
i
R
u
θ
θ
θ
θ
(4)
Mơmen điện từ của động cơ có thể được
tính như sau:

( )

{

m m r

}

m
T
s

C L i

d
d
i
P
M

θ

= (5)

Mơ hình động cơ KĐB trong các hệ tọa

độ trực giao: hệ trục tọa độ trực giao gắng với
stator có tên gọi là hệ (α, β, o) trong đó trục oα

trùng với trục của dây quấn pha a stator, các đại
lượng vector được biểu diễn bởi hai thành phần
hình chiếu của nó trên các trục tọa độ. Hình 1
thể hiện us.

;

α S

S

S u ju

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

;
. US
S

S u Cos

u α = θ

;
. US
S

S u Sin

u β = θ

Từđây ta có sơđồ thay thế hình 2:
Từ sơ đồ thay thế dạng hai pha vng
góc của máy điện, ta dễ dàng viết được các
phương trình mơ tảđộng cơ:

⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧

−
′
=
−
′

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡−
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
⎥
⎦

⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣

⎡

)
i

i
(Ψ

2
p
3
)
i
i
i
(i
L
2

p
3
M

i
i
L
i
i

Ψ
Ψ

;
i
i
L
i
i
L

Ψ
Ψ

Ψ
Ψ
ωp

Ψ
Ψ

dt
d
i
i
R
u
u

;

Ψ
Ψ

dt
d
i
i
R
u
u

αs

βs

αs

βr

αs

βs

αr

βs

αs

βr

αr

βr

αr

βr

αr

βs

αs

βs

αs

αr

βr

αr

βr

αr

βr

αr

βs

αs

βs

αs

βs

αs

(6)
Hệ phương trình (6) có thể được thể

hiện bởi sơ đồ cấu trúc dưới đây, hình 3, sử

dụng ánh xạ liên tục

dt
d

s= , kết hợp với
phương trình chuyển động của hệ:

dt
d
M

M − c =ℑ ω

Hình 3.Sơđồ cấu trúc của động cơ KĐB trong hệ tọa độα,β

Hình 1.Biểu diễn véc tơ trên hệ
trục α,β .

Hình 2.Sơđồ thay thế của động 
cơ không đồng bộ trong hệ trục

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

Điều khiển vị trí đơng cơ khơng đồng bộ…

2.2. Kỹ thuật điều khiển

Hình 4 và hình 5 giúp diễn giải kỹ thuật điều khiển trực tiếp từ thông Stato và mô men điện
từ (DTC).

Hình 4.Sơđồ khối của DTC

Hình 5.

(a) Quỹđạo véc tơ từ thơng Stato

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Tính lực đặt của từ thông Stato và mô

đun được so sánh với giá trị thực tương ứng,
sai lệch của chúng được xử lý theo kiểu bộ
điều khiển dải trễ. Bộ điều khiển của mạch
vịng từ thơng có hai mức đầu ra tùy thuộc sai
lệch từ thông.

1
=
ψ

d khi eψ >+BTψ;

−
=
ψ

d khi eψ <−BTψ ;

Trong đó 2BTψbằng độ rộng của băng trễ của
bộđiều khiển từ thông. Quỹ đạo của đầu mút
véc tơ từ thông là đường zig-zac quay ngược
chiều kim đồ. Như vậy, từ thông thực sẽđược
“kẹp” giữa băng trể. Bộđiều khiển mơ men có
ba mức đầu ra, tùy thuộc vào sai lệch mô men.

2.3. Nguyên lý điều khiển

Về cơ bản, SMC là một hệ điều khiển
có cấu trúc biến thiên (VSS), trong đó cấu trúc
hoặc cấu trúc hình của điều khiển được thay

đổi có chỉ định để ổn định hóa điều khiển và
làm cho đáp ứng của nó bền vững. Áp dụng
SMC vào truyền động sử dụng động cơ KĐB

được điều khiển véc tơ sẽ được mở rộng để
điều khiển quỹ đạo trượt toàn phần bao gồm
tăng tốc, tốc độ hằng và giảm tốc.

Mục tiêu là tạo đáp ứng bền vững với

tham số của mơ hình, đó là hệ số mơ men Kt,
mơ men qn tính J, hệ số suy giảm ma sát B
và nhiễu mô men tải TL.

Coi rằng θ là tín hiệu nhảy cấp
U

K
K
i
K

Te = t qs = t l (7)
r

r
l

X =θ*−θ (8)

2
*

1 X

dt
d
dt
d
dt

dX

m
r

r − =− =

= θ θ ω (9)

1
)

( X

B
JS
T

Te L =−

− (10)

Với: - K1 : hệ số khuyếch đại của
dòng điện đặt *

sq

i

- U : đầu ra của SMC

Mơ hình thiết bị cấp hai được biểu thị

trong phương trình khơng gian trạng thái theo
những biến số trạng thái X1 và X2 bởi những
bước sau đây:

L
tKU T
K

BX

JSX2 + 2 =− 1 + (11)
L

t T

J
U
J

K
K
X
J

B
dt

dX 1 1

2 =− − + (12)

L

T
d
U
a
b
dt

dXdt
dX

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
⎥
⎦

⎤
⎢
⎣
⎡
−
⎥
⎦
⎤
⎢

⎣
⎡

−
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡

0
0

1
0

2
1

(13)

Trong đó b=BJ, a=KtK1J , và

J
d = 1 .

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

Điều khiển vị trí đơng cơ khơng đồng bộ…

Hình 7.Chi tiết lược đồ SMC 
Hình 7 chỉ ra chi tiết lưu đồ SMC, quỹ

đạo tương ứng cho các phần tăng tốc - tốc độ

hằng - giảm tốc đối với cả hai trường hợp +X1
và –X1, tín hiệu X2 được tạo trực tiếp từ tín
hiệu tốc độ ωm.

Có 3 mạch vịng điều khiển trong hình
vẽ lược đồ SMC, tín hiệu X2 được tạo trực
tiếp từ tốc độ ωm.

+ Mạch vịng chính (hay cịn gọi là
mạch vịng sơ cấp) nhận sai số vị trí X1 và

phát điện áp U1 qua bộ điều khiển chuyển
mạch có các hệ số khuếch đại tương ứng
làαivàβi.

+ Mạch vịng thứ hai có đầu vào đạo
hàm 1 X2

dt
dX =

và sinh ra tín hiệu U2.

+ Ngồi ra cịn có mạch vịng phụ, tại đó
hằng số A được bơm vào để hạn chế sai số

tĩnh do ma sát kho và tải TL gây ra.

Trong bộ điều khiển SMC, mọi tín hiệu
vào đều được truyền qua các chuyển mạch hai

vị trí và tiêu chuẩn đểđiều khiển từng chuyển
mạch.

Tất cả các vịng đóng góp tín hiệu
tương ứng và tín hiệu tổng sẽ là:

U = U0 + U1 + U2 (14)
Quỹ đạo tương ứng cho các phần tăng
tốc độ - tốc độ hằng - giảm tốc độ.

Luật SMC được định nghĩa như sau

2
2
1
1
3

.Sgn X X

A

U = σ +ψ +ψ (15)
Trong đó:

3 =+

Sgn nếu σ3 ≥0

3 =−

Sgn nếu σ3 <0

i

ψ1 = nếu 0σiX1 ≥
i

ψ1 = nếu σiX1 <0
i

ψ2 = nếu 0σiX2 ≥

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

2.4. Mơ hình hóa hệ thống trên Matlab – Simulink

Hình 8.Mơ hình hệ thống điều khiển vị trí động cơ KĐB trên Matlab – Simulink

3. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 
3.1. Thơng sốđộng cơ

Chọn động cơ MTKM311-6 với thông số cơ bản.

+ Công suất định mức PN (kW) : PN = 7,5kW
+ Điện áp định mức UN(V) : UN = 380V
+ Dòng điện định mức IN (A) : IN = 17,5A

+ Tốc độ quay định mức nN (vòng/phút) : nN = 930vòng/phút
+ Hệ số công suất định mức cosφ : cosφ = 0,83

</div>

Điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần Vector bằng bộ điều khiển trượt

<b>Đ</b>

<b>I</b>

<b>Ề</b>

<b>U KHI</b>

<b>Ể</b>

<b>N V</b>

<b>Ị</b>

<b> TRÍ </b>

<b>ĐỘ</b>

<b>NG C</b>

<b>Ơ</b>

<b> KHƠNG </b>

<b>ĐỒ</b>

<b>NG B</b>

<b>Ộ</b>

<b> S</b>

<b>Ử</b>

<b> D</b>

<b>Ụ</b>

<b>NG BI</b>

<b>Ế</b>

<b>N T</b>

<b>Ầ</b>

<b>N </b>

<b>VECTOR B</b>

<b>Ằ</b>

<b>NG B</b>

<b>Ộ</b>

<b>Đ</b>

<b>I</b>

<b>Ề</b>

<b>U KHI</b>

<b>Ể</b>

<b>N TR</b>

<b>ƯỢ</b>

<b>T </b>

∑

∑

;

)

(

)

(

)

(

;

)

(

)

(

)

(

;

)

(

)

(

)

(

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣

⎡

=

⎥

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎢

⎣