- Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí LỜI CAM ĐOAN Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Viện Đào tạo sau đại học, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, với sự hƣớng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa XNCN. - Hà Nội, Ngày 20 tháng 3 năm 2016 Tác giả Luận văn Lê Thị Thu Phƣơng Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài “Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí”, tôi xin đƣợc cảm ơn PGS.TS. - Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC. - 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA. - 3 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA. - Mạch điện tƣơng đƣơng của động cơ không đồng bộ. - Các quan hệ công suất trong động cơ không đồng bộ. - MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA. - Thông số của động cơ không đồng bộ. - Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto. - Thiết kế điều khiển dòng điện trong hệ thống điều khiển vector tựa từ thông rotor của động cơ không khồng bộ. - Thông số động cơ. - Mô hình động cơ sử dụng điều khiển vector tựa từ thông rotor FOC. - Nguyên lý điều khiển. - Thiết kế điều khiển trƣợt cho động cơ điện ba pha roto lồng sóc. - 40 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 3.2. - Mô hình động cơ trên mô phỏng bằng matlab. - 53 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ 3 pha. - 7 Hình 1.4: Hệ tọa độ stator (α-β. - 10 Hình 1.7: Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng động cơ không đồng bộ. - Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục α,β. - 14 Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc của động cơ KĐB trong hệ tọa độ α,β. - 18 Hình 1.14: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay dq. - 19 Hình 2.1: Đồ thị vector cho phƣơng pháp điều khiển vector tựa từ thông roto. - 21 Hình 2.2: Tƣ tƣởng điều khiển ĐCKĐB. - 22 Hình 2.3: Mô hình điều khiển vectơ kiểu trực tiếp lấy s từ bộ quan sát. - 23 Hình 2.4: Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ. - 26 Hình 2.5: Mô hình bộ điều khiển dòng điện có bù tách kênh. - 27 Hình 2.6: Mô hình gần đúng mạch vòng điều khiển từ thông rotor. - 28 Hình 2.7: Mô hình động cơ điều khiển vector tựa từ thông rotor. - 29 Hình 2.8 :Dạng sóng mômen động cơ không tải. - 30 Hình 2.9: Dạng sóng từ thông roto động cơ. - 30 Hình 2.10: Dạng sóng tốc độ động cơ khi không tải. - 31 Hình 2.11: Dạng sóng từ thông rotor của động cơ. - 31 Hình 2.12 : Dạng sóng moment của động cơ. - 32 Hình 2.13: Dạng sóng tốc độ của động cơ. - 32 Hình 3.1:Hệ thống cấu trúc điều khiển biến đổi hai trạng thái. - 36 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí Hình 3.4: Mô tả phƣơng pháp SMC. - 39 Hình 3.6: Phƣơng pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng smc. - 40 Hình 3.7: Mô hình điều khiển SMC. - 43 Hình 3.9: Mô hình động cơ sử dụng điều khiển trƣợt SMC. - 47 Hình 3.10: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc hệ tọa độ dq. - 47 Hình 3.11: Khối mô hình điều khiển dòng điện tách kênh. - 48 Hình 3.12: Tín hiệu đặt tốc độ (X2) và vị trí (X1)của bộ điều khiển SMC. - 50 Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 1 LỜI NÓI ĐẦU 1. - Để có thể thực hiện tự động hoá sản xuất, bên cạnh các thiết bị máy móc cơ khí hay điện, các dây chuyền sản xuất…v.v, cũng cần có các bộ điều khiển để điều khiển chúng. - Một trong số đó có hệ thống điều khiển vị trí, một hệ thống có yêu cầu cao về độ chính xác, bền vững với biến thiên tham số và nhiễu tải. - Điều này không thể thỏa mãn bằng hệ điều khiển tuyến tính. - Đồng thời hệ điều khiển trƣợt (SMC) giúp đảm bảo tính bền vững cho các hệ thống truyền động điện xoay chiều. - Hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí thuộc loại hệ thống đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhƣ trong cơ cấu truyền động cho tay máy, ngƣời 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 tƣợng phi tuyến khá phức tạp với nhiều đầu vào, nhiều đầu ra. - bộ điều khiển trƣợt đƣợc ứng dụng để điều khiển cho hệ thống phi tuyến là động cơ không đồng bộ ba pha. - Mục đích nghiên cứu Thiết kế đƣợc một hệ điều khiển SMC cho truyền động vị trí 3. - Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha - Điều khiển vị trí động cơ không đồng bộ ba pha Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 2 - Điều khiển trƣợt động cơ không đồng bộ ba pha Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu về động cơ điện ba pha - Xây dựng mô hình động cơ điện 3 pha - Mô phỏng điều khiển trƣợt điều khiển động cơ điện 3 pha biến tần vecto 4. - Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu về bộ điều khiển trƣợt SMC, động cơ điện ba pha. - Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa khoa học Đề tài sẽ mang lại một hƣớng đi trong việc thiết kế bộ điều khiển trƣợt SMC cho hệ truyền động điện, cụ thể là động cơ không đồng bộ ba pha biến tần vecto. - Điều khiển cho động cơ điện chạy với các nhiễu tải và bất định tham số ổn định nhanh. - Ý nghĩa thực tiễn Đề tài thực hiện làm cơ sở để thực hiện các bộ điều khiển sử dụng hệ điều khiển trƣợt SMC cho hệ truyền động điện với chất lƣợng đạt yêu cầu. - Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1.1 Giới thiệu Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator đƣợc cung cấp điện từ lƣới điện, và nhờ hiện tƣợng cảm ứng điện từ có đƣợc sức điện động cảm ứng và dòng điện bên trong dây quấn rotor. - Do kết cấu rất đơn giản và chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đƣợc sử dụng làm nguồn động lực rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng nhƣ trong sinh hoạt. - Trong hai loại động cơ trên, loại rotor lồng sóc đã chiếm ƣu thế tuyệt đối trên thị trƣờng vì dễ chế tạo, không cần bảo dƣỡng, kích thƣớc nhỏ hơn. - Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 4 1.1.2. - Mạch điện tƣơng đƣơng của động cơ không đồng bộ Hình 1.1: Sơ đồ mạch điện thay thế của động cơ không đồng bộ 3 pha - Phƣơng trình điện áp cung cấp cho động cơ: Vs = E + I*(Rs+jωsLs) (1.1) Với : Vs : Điện áp pha của lƣới điện cung cấp cho động cơ. - Các quan hệ công suất trong động cơ không đồng bộ Công suất động cơ lấy từ lƣới điện: P= (1.2) Tổn hao trong dây quấn stator: Pcu1=3I2Rs (1.3) Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 5 Công suất điện từ chuyển từ stator qua rotor qua từ thông khe hở không khí: /s (1.4) Tổn hao nhiệt trên rotor do dòng điện rotor sinh ra: (1.5) Công suất cơ của động cơ: (1.6) Moment điện từ: (1.7) Với: (1.8) 1.2. - Biểu diễn vector không gian cho các đại lƣợng ba pha Động cơ không đồng bộ ba pha có ba cuộn dây stator với điện áp ba pha đƣợc bố trí trong không gian nhƣ hình vẽ [1]. - Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 6 Hình 1.2: Vị trí không gian của pha. - Phƣơng trình điện áp stator : (1.9) Với (1.10) Trong mặt phẳng cắt ngang trục động cơ, động cơ không đồng bộ có 3 cuộn dây lệch nhau một góc 1200. - Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục phức đi qua trục cuộn dây pha A của động cơ, ta định nghĩa vectơ không gian cho điện áp stator: (1.11) Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 7 Theo công thức (1.11), vector us(t) là vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs= 2πfs và tạo với trục thực một góc pha γ=ωst . - Đối với các đại lƣợng khác của động cơ nhƣ dòng rotor, dòng stator, từ thông rotor và từ thông stator đều có thể xây dựng trên vector không gian tƣơng tự nhƣ điện áp stator. - Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 8 Hình 1.4: Hệ tọa độ stator (α-β) Bằng cách chiếu vector không gian lên hai trục tọa độ (α-β) ta có thể tính đƣợc thành phần theo hai trục tọa độ bằng phƣơng pháp hình học. - Xét thành phần vector điện áp trong hệ trục tọa độ (α-β): (1.12) Suy ra: (1.13) Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 9 Theo phƣơng trình trên ta xác định hai thành phần điện áp pha A, pha B thì ta có thể xác định vector điện áp không gian. - Hình 1.5: Mối liên hệ giữa tọa độ (α-β) và tọa độ (d-q) Mối quan hệ giữa hai tọa độ này: Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 10 (1.15) Và : (1.16) Biến đổi 2 phƣơng trình ta đƣợc: (1.17) Các hệ phƣơng trình này có tác dụng chuyển từ hệ tọa độ (α-β) sang (d-q) và ngƣợc lại cho điện áp stator và cũng đúng khi áp dụng cho các thành phần khác của động cơ. - MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.3.1. - Thông số của động cơ không đồng bộ Động cơ KĐB có các dây quấn ba pha ở rotor và stator, các dây quấn ở ba pha đối xứng và đƣợc 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 phƣơng trình nhƣ sau: (1.18) Từ thông móc vòng của mỗi dây quấn và mômen điện từ của động cơ: Ψk= ;M Đặt as, bs, cs, ar, br, cr là tên gọi của dây quấn stator và rotor j = as/bs/cs/ar/br/cr . - Với: L- điện cảm chính của các dây quấn pha stator Lδ - điện cảm tản Ns - số vòng dây một pha stator Nr - số vòng dây một pha rotor θm - vị trí góc của dây quấn rotor Đặc tính động của động cơ không đồng bộ đƣợc mô tả với một hệ phƣơng trình vi phân. - Để xây dựng phƣơng trình cho động cơ ta giả thiết rằng: Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 12 + Các cuộn dây stator đƣợc bố trí đối xứng trong không gian. - Hình 1.7: Sơ đồ mạch tương đương động cơ không đồng bộ Phöông trình ñieän aùp pha: dttdtiRtusssssss. - (1.20) Phöông trình cuûa doøng ñieän stator vaø töø thoâng stator jscjsbsassetietititi jscjsbsassetettt (1.22) Töông töï ta coù phöông trình ñieän aùp cuûa maïch stator khi quan saùt treân heä quy chieáu rotor : 0)()()(dttdtiRtursrssrs (1.23) Caùc vector töø thoâng stator vaø rotor : rmsssiLiL (1.24) Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 13 smrrriLiL Và tất cả các đại lƣợng điện từ (điện áp, từ thông, dòng điện) đƣợc coi nhƣ là các vector ra ba hƣớng theo trục của dây quấn. - (1.26) Từ (1.25) ta rút đƣợc hệ phƣơng trình sau: (1.27) Mômen điện từ của động cơ có thể đƣợc tính nhƣ sau: (1.28) Mô hình động cơ KĐB trong các hệ tọa độ trực giao: hệ trục tọa trực giao gắn 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 lƣợng vector đƣợc biểu diễn bởi hai thành phần hình chiếu của nó trên các trục tọa độ. - Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 14 Hình 1.8: Biểu diễn vector trên hệ trục α, β. - Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ trong hệ trục α,β Từ sơ đồ thay thế dạng hai pha vuông góc của máy điện, ta dễ dàng viết đƣợc các phƣơng trình mô tả động cơ: Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 15 (1.32) Để xác định dòng stator phía từ thông ta có: 0= Suy ra: (1.33) Hệ phƣơng trình (1.32) có thể đƣợc thể hiện bởi sơ đồ cấu trúc hình (1.10) sử dụng ánh xạ liên tục s=d/dt, kết hợp với phƣơng trình chuyển động của hệ: Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 16 Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc của động cơ KĐB trong hệ tọa độ α,β 1.3.2. - Nếu ta cho trục cực quay với tốc độ đúng bằng tốc độ quay đồng bộ ωs=2πf/pp Hình 1.11: Hệ trục tọa độ quay Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 17 Đặt vector trong hệ tọa độ trực giao (d,q) quay với tốc độ đồng bộ ωs=2πf/pp. - Hình 1.12: Mối liên hệ giữa tọa độ (α,β) và tọa độ (d,q) Lập luận nhƣ trên đúng với các đại lƣợng còn lại của mô hình động cơ: (1.35) Trong đó ωsl = ωs - ppω là tốc độ trƣợt của động cơ. - 0 ωs ωs ωs Trục dây quấn roto Trục cực Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 18 Phƣơng trình từ thông: (1.36) Tƣơng tự nhƣ trên toạ độ ta cũng có phƣơng trình mômen cho toạ độ dq: )(..23fsfrrmcMiLLpm (1.37) Thay đại lƣợng vectơ bằng các phần tử của nó : isf = isd+jisq và sf = sd+jrq ta có: sqrdrmcMiLLpm Hình 1.13: Vecto không gian trong hệ tọa độ (d,q) Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 19 Chuyển sang các dạng thành phần của vector trên hai trục tọa độ Hình 1.14: Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay dq Sau này, khi đi sâu vào bài toán điều khiển ta sẽ sử dụng mô hình quay dq. - Mô hình động cơ biểu diễn dƣới dạng ma trận: hệ phƣơng trình (1.39) sau khi tách r = s - có thể viết lại dƣới dạng mô hình trạng thái phi tuyến nhƣ sau: sffsffffxNuBxAdtxd (1.40) Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 20 Trong đó: xf = [isd, isq, rd, rq] T ufs = [usd, usq] T rrmrrmrmmmrmfTTLTTLTLLTLTLTA ssfLLB N Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 21 CHƢƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN VECTOR TỰA TỪ THÔNG ROTO 2.1. - Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tƣơng tác giữa dòng điện và từ thông. - Động cơ điện tƣơng tự nhƣ 1 nguồn moment điều khiển đƣợc. - Yêu cầu điều khiển chính xác giá trị moment tức thời của động cơ đặt ra trong các hệ truyền động có đặc tính động học cao và sử dụng phƣơng pháp điều khiển vị trí trục roto. - Phƣơng pháp FOC gồm có các loại sau: điều khiển định hƣớng theo từ thông stator và điều khiển định hƣớng theo từ thông rotor.Tuy nhiên phƣơng pháp điều khiển định hƣớng theo từ thông rotor có nhiều ƣu điểm vƣợt trội: ứng dụng phƣơng pháp vector không gian ta có thể dễ dàng xây dựng mô hình động cơ và các phƣơng trình trên hệ tọa độ (d – q), triệt tiêu thành phần từ thông rotor trên trục (q), còn thành phần từ thông rotor trên trục (d) có thể xem nhƣ một đại lƣợng một chiều, các đại lƣợng dòng điện, điện áp khi đƣợc chiếu lên hai trục tọa độ d và q cũng là các thành phần một chiều. - Hình 2.1: Đồ thị vector cho phương pháp điều khiển vector tựa từ thông roto Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 22 Ở chế độ tựa xác lập tất cả các vector không gian đều quay với tốc độ đồng bộ nên góc γi =θi-θs biến thiên rất chậm nên các thành phần chiếu của vector dòng điện lên các trục sẽ giống nhƣ các đại lƣợng một chiều, điều này cho phép có thể tổng hợp đƣợc các bộ điều khiển vô hƣớng cho từng thành phần. - Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto Xây dựng một hệ điều khiển tƣơng tự cho động cơ không đồng bộ nhƣng trên toạ độ dq. - Nhƣ vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq, lƣợng đặt là và isd : Hình 2.2: Tư tưởng điều khiển ĐCKĐB. - Phần bên trái của sơ đồ là phần các thuật điều khiển đƣợc xây dựng trên hệ tọa độ dq gắn với từ thông rô tô, do các đại lƣợng điện-cơ là biến thiên chậm (một chiều) nên về hình… có thể xây dựng các mạch vòng điều khiển đơn biến (siso), phần góc trên bên phải chính là đối tƣợng điều khiển bao gồm nghịch lƣu và động cơ không đồng bộ (NL-ĐK). - R Risq Risd * Isd* Isq* Nhánh kích từ Nhánh mômen Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 23 Hình 2.3: Mô hình điều khiển vectơ kiểu trực tiếp lấy s từ bộ quan sát Mạch lực của sơ đồ bao gồm nghịch lƣu nguồn áp có điều chế PWM hoặc SVM cung cấp cho động cơ ĐK nguồn điện áp bap ha đƣợc coi là hình Sin: Uas, Ubs, và Ucs. - Mạch vòng điều khiển tốc độ cho đầu ra là giá trị mô men đặt M* và thông qua hệ số mô men Km ta đƣợc giá trị đặt của thành phần dòng điện ngang trục i*sq, quan hệ bởi phƣơng trình (2.1). - ||.'.32**rLmrLrMsqiKm (2.1) Thành phần dòng điện dọc trục (sinh ra từ thông rô to) đƣợc xuất ra bởi bộ điều khiển từ thông Rψ, quan hệ giữa isd* và ψr*, tần số trƣợt ωsl* để thỏa mãn tính chính xác của đồ thị: rLrRrLmsqislKs. - (2.2) Giá trị từ thông đặt đƣợc xác định bởi đặc tính của khâu dẫn từ thông DTT, đảm bảo động cơ có thể làm việc với tốc độ trên tốc độ định mức, tức là trong vùng giản từ thông. - Trong Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 24 trƣờng hợp chung, có thể bộ điều chỉnh từ thông là cần thiết bởi vì từ thông tỉ lệ với thành phần dọc trục của dòng điện qua một khâu quán tính, với hằng số thời gian quán tính là Tr = Lr/Rr. - Từ thông rô to cũng có thể tính toán đƣợc nếu ta cộng vào hai vế của các phƣơng trình thứ ba và thứ tƣ của hệ (3.14) tƣơng ứng với isLrLmRrvà isLrLmRr, ta đƣợc: rwirLrisLmLrRrdtrd)..(isLrLmRr (2.7) rwirLrisLmLrRrdtrd)..(isLrLmRr (2.8) Để ý rằng các biểu thức trông dấu ngoặc đơn chính là thành phần dọc trục và ngang trục của véc tơ từ thông stato và đặt Tr=Lr/Rr từ các thành phần này có thể tính đƣợc biên độ của véc tơ từ thông rôto: Luận văn Thạc sĩ Ứng dụng điều khiển chế độ trƣợt SMC cho hệ truyền động vị trí 25 |ψr. - Mô hình gần đúng của động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ d,q tựa từ thông rotor
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt