- TRẦN TUẤN NGỌC TRẦN TUẤN NGỌC NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHẲNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU VÀ ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ NGUYÊN LÝ HỆ PHẲNG ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 2007-2009 Hà Nội 2009 Hà Nội - 2009 LỜI CAM ĐOAN Trong vài năm gần đây đã và đang có một số nhà khoa học trong nước và trên thế giới quan tâm, nghiên cứu các hệ truyền động sử dụng động cơ xoay chiều ba pha, phần lớn trong số đó là đối tượng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. - Riêng đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu đang là đối tượng được quan tâm nghiên cứu, chưa có công trình khoa học nào công bố một cách trọn vẹn các kết quả điều khiển cho đối tượng này. - TỔNG QUAN VỀ HỆ PHẲNG Giới thiệu chung. - 1 1.1.1 Đặt vấn đề Khái niệm hệ phẳng Vai trò tính phẳng – Mô hình ngược Một số ví dụ. - 6 1.2.1 Điều khiển cần gạt nước sử dụng động cơ một chiều Đối tượng ĐCKĐB xoay chiều ba pha Hệ tuyến tính MIMO CHƯƠNG 2. - CHỨNG MINH ĐẶC TÍNH PHẲNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM Đặc điểm cấu tạo và hoạt động của PMSM. - 18 2.3 Tính phẳng của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu. - ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ NGUYÊN LÝ HỆ PHẲNG Cấu trúc điều khiển thẳng dựa trên nguyên lý hệ phẳng. - 26 3.1.1 Đặt vấn đề Cấu trúc điều khiển truyền thẳng Khâu tính sqi Khâu tính sdu Khâu tính squ Các khâu thiết lập quỹ đạo Bộ điều khiển truyền thẳng Các bộ điều khiển bù sai lệch. - 36 3.2.1 Bù dòng cho khâu điều khiển tốc độ Bù điện áp cho khâu điều khiển dòng sdi Bù điện áp cho khâu điều chỉnh dòng sqi Cấu trúc điều khiển theo nguyên lý hệ phẳng. - MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG Điều khiển đối tượng PMSM dạng mô hình liên tục. - 46 4.1.1 Sơ đồ mô phỏng Kết quả mô phỏng Mô hình PLECS-PMSM. - 55 4.2.1 Sơ đồ mô phỏng Kết quả mô phỏng KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu si Vector dòng stator fsss,ii Vector si : trên hệ tọa độ dq, αβ susvswi,i,i Dòng pha sdsqi,i Thành phần dòng stator trục d, trục q ssi,iαβ Thành phần dòng stator trụcα, trụcβ Wm Mômen tải fsss,uu Vector su: trên hệ tọa độ dq, αβ sdsqu,u Thành phần điện áp stator trục d, trục q ssu,uαβ Thành phần điện áp stator trụcα, trụcβ ω Vận tốc góc cơ pψ Từ thông vĩnh cửu rd rq sd sq,,,ψψψψ Thành phần trục d, q của từ thông rotor, từ thông stator rdψ′ Thành phần trục d dòng nhánh ngang mi trên sơ đồ thay thế ϑ Góc cơ J Mômen quán tính mrsL,L,L Hỗ cảm, điện cảm rotor, điện cảm stator sdsqL,L Điện cảm stator đo theo trục d, trục q rsR,R Điện trở rotor, stator T Chu kỳ trích mẫu pulseT Chu kỳ xung rsT,T Hằng số thời gian rotor, stator sdsqT,T H ằng số thời gian stator trục d, trục q pz Số đôi cực Các chữ viết tắt ĐC Điều chỉnh ĐCKĐB Động cơ không đồng bộ ĐCĐB Động cơ đồng bộ ĐCXCBP Động cơ xoay chiều ba pha ĐK Điều khiển IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor T4R Tựa theo từ thông rotor PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor XCBP Xoay chiều ba pha DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển ngược Hình 1.2 Đối tượng cần gạt nước và động cơ một chiều điều khiển Hình 1.3 Đề xuất cấu trúc điều khiển phẳng đối tượng ĐCKĐB ba pha Hình 2.2 Vector dòng stator is khi động cơ đồng bộ làm việc Hình 3.1 Sơ đồ điều khiến sử dụng bộ điều khiển truyền thẳng Hình 3.2 Khâu tính sqi Hình 3.3 Khâu tính sdu Hình 3.4 Khâu tính squ Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc khâu thiết lập quỹ đạo tốc độ Hình 3.7 Kết quả mô phỏng khâu thiết lập quỹ đạo omega Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng khâu thiết lập quỹ đạo sdi Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển thẳng trên nguyên lý hệ phẳng Hình 3.10 Sơ đồ mô phỏng sử dụng bộ điều khiển truyền thẳng cho đối tượng PMSM.....34 Hình 3.11 Bộ điều khiển truyền thẳng theo nguyên lý hệ phẳng Hình 3.12 Đáp ứng tốc độ động cơ khi sử dụng bộ điều khiển truyền thẳng Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển tốc độ sử dụng khâu bù dòng Hình 3.10 Mô hình khâu điều khiển tốc độ Hình 3.11 Sơ đồ điều khiển dòng sdi sử dụng khâu bù điện áp Hình 3.12 Mô hình khâu điều chỉnh dòng sdi Hình 3.13 Sơ đồ điều khiển dòng sqi sử dụng khâu bù điện áp Hình 3.14 Mô hình khâu điều chỉnh dòng sqi Hình 3.15 Bộ điều khiển theo cấu trúc truyền thẳng Hình 3.16 Sơ đồ cấu trúc ĐK trên nguyên lý hệ phẳng ĐCĐB kích thích vĩnh cửu Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc khâu điều chỉnh tốc độ có bù dòng Hình 3.18 Sơ đồ cấu trúc khâu điều chỉnh dòng sdi có bù điện áp Hình 3.19 Sơ đồ cấu trúc khâu điều chỉnh dòng sqi có bù điện áp Hình 4.1 Đối tượng ĐCĐB kích thích vĩnh cửu trên hệ tọa độ dq Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng điều khiển ĐCĐB kích thích vĩnh cửu trên Simulink Hình 4.3 Bộ điều khiển phẳng (Flatness-based Controller Hình 4.4 Khâu điều chỉnh tốc độ Hình 4.5 Khâu điều chỉnh dòng sdi Hình 4.6 Khâu điều chỉnh dòng sqi Hình 4.7 Tốc độ động cơ khi chạy không tải, đóng tải và đảo chiều quay Hình 4.8 Dòng isd , thời điểm đóng tải( 0.5s), tăng tốc (1s) và đảo chiều quay (1.3s Hình 4.9 Dòng isq , thời điểm đóng tải( 0.5s), tăng tốc (1s) và đảo chiều quay (1.3s Hình 4.10 Các dòng pha Hình 4.11 Điện áp stator usd Hình 4.12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển ĐCĐB kích thích vĩnh cửu Hình 4.13 Điều khiển PMSM trên PLECS Hình 4.14 Khâu điều chế vector Hình 4.15 Đối tượng PMSM và bộ nghịch lưu đi kèm Hình 4.16 Tốc độ động cơ mô phỏng với công cụ PLECS và biến tần Hình 4.17 Dòng stator ,sdsqii Hình 4.18 Các dòng pha MỞ ĐẦU Nguyên tắc truyền động điều chỉnh bằng các động cơ đồng bộ đã được biết đến từ những năm 30 của thế kỷ trước. - Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu rất phù hợp với loại hình truyền động này, các máy điện đồng bộ dần được ứng dụng vào hệ thống nhiều hơn, đòi hỏi sự đồng bộ tuyệt đối, nhất là với ứng dụng trong máy công cụ, tàu điện hay là trong các truyền động trực tiếp. - Trong các ứng dụng như vậy, một số động cơ đồng bộ có công suất vài kilo watts được sử dụng rộng rãi. - Đặc tính tương quan giữa mômen quay và mômen quán tính, tương quan công suất – trọng lượng của động cơ đồng bộ là tối ưu so với các loại máy điện khác. - Không như các loại động cơ không đồng bộ đã quá phổ biến và gần như trở thành sự lựa chọn duy nhất cho mọi ứng dụng truyền động từ nhiều thập kỷ qua, việc ứng dụng đối tượng động cơ đồng bộ trong những năm trở lại đây đã rộng rãi hơn, các nghiên cứu trên đối tượng này cũng mang tính thực tiễn rất cao, đem lại hiệu quả hoạt động tốt. - Tuy nhiên xét về mặt công nghệ, các nghiên cứu ứng dụng trước đó vẫn chỉ coi các đối tượng động cơ xoay chiều ba pha này như đối tượng tuyến tính (mối quan hệ giữa các biến trong hệ là quan hệ tuyến tính) và do đó việc thiết kế điều khiển cho những đối tượng này cũng chỉ đáp ứng cho đặc tính tuyến tính đó. - Một đối tượng động cơ xoay chiều ba pha luôn hoạt động ở với cả hai đặc tính: tuyến tính và phi tuyến, tuy nhiên trong từng phạm vi ứng dụng cụ thể, người ta có thể coi đối tượng này làm việc ở vùng tuyến tính mà bỏ qua ảnh hưởng phi tuyến, chất lượng điều khiển cũng khá hoàn hảo. - Trong các ứng dụng khác, phạm vi hoạt động của đối tượng có thể chuyển sang miền làm việc phi tuyến, mối quan hệ và sự biến đổi giá trị các thành phần dòng, áp hay mômen không còn tuyến tính nữa, ví dụ: khi đối tượng đi vào miền suy giảm từ thông hay có giới hạn dòng/ áp. - Khi đó, cấu trúc điều khiển tuyến tính kiểu kinh điển không còn đáp ứng được yêu cầu bài toán, người ta hy vọng một cấu trúc điều khiển mới sẽ giúp chế ngự tốt các đặc tính phi tuyến của đối tượng. - Bản luận văn này tập trung nghiên cứu một lý thuyết điều khiển mới, dựa trên một đặc tính mới của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, đó là đặc tính phẳng (flatness), và cấu trúc điều khiển áp dụng được gọi là cấu trúc điều khiển phẳng (Flatness-based Control). - Bản luận văn chia làm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ phẳng, chương này giúp người đọc hiểu được khái niệm và đặc điểm của một hệ phẳng. - Thông qua các ví dụ, người đọc cũng hiểu thêm về tính phẳng có trong các đối tượng quen thuộc. - Chương 2: Đặc tính phẳng của đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu Chương 3: Đề xuất cấu trúc điều khiển phẳng. - Dựa trên những lập luận về hệ phẳng ở chương 1 và việc chứng minh đối tượng ĐCĐB mang đặc tính phẳng, đề xuất cấu trúc điều khiển dựa trên đặc tính phẳng này của đối tượng. - Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã nhiều lần gặp khó khăn do tính mới mẻ của đề tài và sự thiếu thốn tài liệu nghiên cứu về đối tượng động cơ đồng bộ ở nước ta. - Tác giả cũng muốn cảm ơn hai kỹ sư ngành điều khiển tự động, khóa 49, trường Đại học Bách khoa Hà nội đã cung cấp tư liệu giúp hoàn thành bản luận văn này. - Tổng quan về hệ phẳng GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ CHƯƠNG 1. - TỔNG QUAN VỀ HỆ PHẲNG 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Đặt vấn đề Các hệ thống điều khiển sử dụng cấu trúc phản hồi hiện nay đã có mặt ở nhiều lĩnh vực, từ bộ điều chỉnh nhiệt độ đến các bộ điều khiển số dùng trong công nghệ chế tạo ô tô, đóng tàu hay đến các hệ thống điều khiển bay. - Sự phát triển của vi điều khiển, vi xử lý hỗ trợ bởi máy tính và các công nghệ truyền động giúp thúc đẩy xu hướng sử dụng trên, qua đó khẳng định vai trò của lý thuyết điều khiển hiện đại ngày càng được nâng cao. - Các bài toán điều khiển có điểm chung là đều thực hiện nhiệm vụ chuyển từ động học mong muốn của hệ thống về tính toán các giá trị đầu vào tương ứng, tức phải tìm ra các đầu vào thích hợp nhằm đưa hệ từ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, qua đó các biến trạng thái và biến đầu ra di chuyển trên những quỹ đạo mong muốn nhất định. - Ngày nay, các bộ điều khiển tuyến tính vẫn được sử dụng rộng rãi cho những đối tượng động cơ xoay chiều ba pha, phương pháp thường được sử dụng là điều khiển tuyến tính trên mô hình không gian trạng thái. - Người điều khiển không chỉ quan tâm đến mối quan hệ giữa các tín hiệu vào và ra (ở đây tín hiệu vào là điện áp đặt lên các cuộn dây Stator và tín hiệu ra là tốc độ của động cơ), các thông số khác như điện áp, dòng điện đầu ra, mô men, từ thông… cũng được quan tâm. - Khi đối tượng hoạt động ở miền tuyến tính, các bộ điều khiển này đã đem lại chất lượng điều khiển rất tốt. - Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho đối tượng động cơ xoay chiều ba pha hiện tại gần như đã hoàn hảo về tính năng và chất lượng. - Tuy nhiên, khi đối tượng đi vào “miền phi tuyến”, ví dụ với đối tượng động cơ xoay chiều ba pha, khi giá trị dòng điện và điện áp đi vào giới hạn, hay khi động cơ hoạt động ở miền suy giảm từ thông, thì mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện hay từ Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 1. - Tổng quan về hệ phẳng GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ thông với các biến trạng thái khác sẽ không còn tuyến tính nữa, các bộ điều khiển tuyến tính lúc này không thể đem lại kết quả đáp ứng phù hợp. - Do đó, một cấu trúc điều khiển phi tuyến phù hợp hơn với bản chất phi tuyến của động có thể hứa hẹn sẽ đem lại những phẩm chất mới cho hệ thống, góp phần chế ngự tốt hơn các trạng thái vận hành phi tuyến. - Ngày nay các kỹ thuật điều khiển phi tuyến được sử dụng rộng rãi cho nhiều loại đối tượng khác nhau, ví dụ kỹ thuật điều khiển Backstepping thích nghi hệ thống có tham số bất định (Adaptive Backstepping Control of Nonlinear System with Uncertainly Parameters), bộ điều khiển mờ thích nghi cho đối tượng phi tuyến rời rạc sử dụng kỹ thuật tự chỉnh độ mở (Auto-tuning Gain of an Adaptive Fuzzy Controller for Discrete time Systems)… Trong luận văn này người viết xin giới thiệu về việc sử nguyên lý hệ phẳng để điều khiển đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, đây là một phương pháp còn khá mới. - 1.1.2 Khái niệm hệ phẳng Khái niệm hệ phẳng lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1992 bởi M. - Tổng quan về hệ phẳng GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ r)x ( y, y. - Trong những năm gần đây, tính chất phẳng (flatness) đã được hiểu theo nhiều cách khác nhau, nhưng chung lại thì đây vẫn là một công cụ hữu ích cho các bài toán điều khiển hệ phi tuyến. - Martin thì “mọi hệ phẳng có thể tuyến tính hóa sử dụng phản hồi động học, nhưng, flatness là đặc điểm của một hệ và không có nghĩa hàm ý rằng nó sẽ chuyển hệ từ phi tuyến sang hệ tuyến tính đơn. - Khi một hệ là phẳng, nghĩa là cấu trúc phi tuyến của hệ có thể được nhận dạng, và chúng ta có thể sử dụng cấu trúc đó trong xây dựng thuật toán điều khiển như điều khiển vị trí, bám quỹ đạo hay ổn định trạng thái…” [9]. - Hệ cho trước có thể tồn tại một tập các biến đơn thỏa mãn điều kiện đầu ra phẳng, nhưng chỉ một số hay toàn bộ các biến đó được sử dụng như các biến phẳng chính thức, đó là các biến có liên quan trực tiếp tới yêu cầu điều khiển. - Người điều khiển sẽ tập trung vào các biến trực tiếp đó và sử dụng (có chứng minh) chúng như tập đầu ra phẳng của đối tượng. - Ví dụ với đối tượng động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha, ta có thể chứng minh được tập biến thỏa mãn điều kiện biến phẳng là rd my(, ,T)ωψ′= với Tm là mô men tải tác động lên đối tượng. - Thực chất ở đây mô men tải lại mang tính chất của một biến đầu vào, do vậy hiển nhiên ta chỉ nên lấy 2 biến còn lai là tốc độ động cơ ω và từ thông rdψ′ làm biến đầu ra phẳng của đối tượng. - Người đọc có thể nhận Luận văn thạc sĩ khoa học Chương 1. - Tổng quan về hệ phẳng GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ ra rằng, việc chọn 2 biến ωvà rdψ′ làm đầu ra phẳng cũng mang ý nghĩa vật lý kỹ thuật rất rõ ràng, giá trị của ωvà rdψ′ quyết định chất lượng điều khiển đối tượng, trong khi ωlà giá trị tốc độ còn từ thông rotor rdψ′ lại quyết định trạng thái từ hóa của động cơ, và do đó xác định hiệu suất sử dụng máy điện và nghịch lưu. - Tóm lại, với từng đối tượng cần điều khiển cụ thể mà chúng ta lựa chọn biến đầu ra phẳng khác nhau. - Căn cứ vào yêu cầu bài toán mà quyết định những biến cần điều khiển chính, sau đó chứng minh tính phẳng của chúng và xây dựng cấu trúc điều khiển phẳng với biến đầu ra đó. - 1.1.3 Vai trò tính phẳng – Mô hình ngược Ứng dụng của tính phẳng để giải quyết các vấn đề điều khiển ngày càng trở nên quan trọng trong những năm gần đây. - Bộ điều khiển trên cơ sở nguyên lý hệ phẳng áp dụng tốt cho đối tượng phi tuyến, một điều mà các bộ điều khiển tuyến tính trước đó không làm được. - Với tính chất đặc trưng của các hệ phẳng là luôn tồn tại tập biến phẳng 12 my ( y , y. - Có nghĩa người ta có thể tính toán trước quỹ đạo (trajectory) của đầu vào từ quỹ đạo mong muốn của đầu ra phẳng, hay nói cách khác bài toán điều khiển được giải mà không cần tới các phép giải phương trình vi phân. - Với đặc điểm các biến trong tập đầu ra phẳng chính là các giá trị cần điều khiển chính của bài toán, ý nghĩa vật lý kỹ thuật được thể hiện rõ ràng, ta sẽ đưa trực tiếp các tín hiệu đầu ra mong muốn này về làm giá trị đặt (reference) đầu vào, dẫn tới một cấu trúc điều khiển mà giá trị cần điều khiển của hệ lại là đầu vào điều khiển, gọi là cấu trúc Điều khiển ngược, hay Mô hình ngược. - Để hiểu rõ hơn ta xét ví dụ sau: Đối tượng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc hoạt động dựa trên nguyên lý trượt từ thông giữa hai thành phần cơ bản Stator và Rotor. - Tổng quan về hệ phẳng GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ dụng sử dụng loại động cơ này, chúng ta mong muốn điều khiển tốc độ trục quay (ký hiệu là ω) theo yêu cầu bài toán. - Thành phần từ thông rotor trên trục d ('rdΨ) cũng cần điều chỉnh vì nó quyết định trạng thái từ hóa của động cơ. - Điện áp stator su bao gồm 2 thành phần sdu và squ đặt lên các pha của động cơ, chính là tín hiệu điều khiển. - Bằng phương pháp mô hình hóa đối tượng trên miền thời gian liên tục, tập biến phẳng được xác định là 'rdy(, )ωΨ. - Theo tính chất hệ phẳng, mọi biến trạng thái và tín hiệu điều khiển như. - Vậy ta có thể đưa trực tiếp 2 tín hiệu ω và 'rdΨ này làm đầu vào điều khiển. - Sơ đồ điều khiển: Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển ngược MÔ HÌNH NGƯỢC ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA ω'rdΨ dωωA ''drd rdΨΨA. - Tổng quan về hệ phẳng GVHD: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang HV: Trần Tuấn Ngọc, CH ĐKTĐ Như vậy từ bài toán ban đầu là phải tính toán giá trị sduvà squ đưa tới động cơ để được tín hiệu ra là ωvà 'rdΨ, chúng ta sẽ đưa 2 tín hiệu ωvà 'rdΨ này vào Bộ điều khiển ngược để xuất ra sdu và squ . - Đó chính là nguyên lý cơ bản của cấu trúc điều khiển phẳng đối tượng động cơ xoay chiều ba pha. - 1.2 Một số ví dụ 1.2.1 Điều khiển cần gạt nước sử dụng động cơ một chiều Hình 1.2 Đối tượng cần gạt nước và động cơ một chiều điều khiển Động cơ điện một chiều có cấu trúc Stator gồm một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, Rotor của động cơ có các cuộn dây quấn và được nối với dòng điện một chiều. - Phương trình điện của đối tượng động cơ một chiều: mmemmLI RI K Uθ. - (1.10) Trong đó L là điện cảm riêng, R là điện trở dây cuốn, Ke là hằng số phản điện động của động cơ, Um là điện áp đặt lên động cơ với vai trò đầu vào điều khiển. - Phương trình cân bằng mômen giữa động cơ và cần gạt như sau: 2θ1θ eM1 M2l1 l2
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt