Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng kỹ thuật điều khiển trượt

Nội dung text: Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng kỹ thuật điều khiển trượt

1. 1 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ENGINE CONTROL TECHNIQUES USED ASYNCHRONOUS SLIDING CONTROLS Nguyễn Thanh Phương1,a, Võ Văn Thắng1,b 1,aĐại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh 1,bĐại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh ant.phuong@hutech.edu.vn, bvvthangtcnhg@gmail.com TÓM TẮT Hiện nay, vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ (KĐB) được các nhà nghiên cứu đã triển khai và tìm ra giải thuật điều khiển mới nhằm đem lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Tuy nhiên, chất lượng điều khiển bị ảnh hưởng nhiều nếu thông số của động cơ không chính xác hoặc thay đổi liên tục. Bài báo này giới thiệu kỹ thuật điều khiển trượt kết hợp mô hình tham chiếu thích nghi cải tiến (MRAS) dựa trên phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC (Direct Torque Control) để điều khiển động cơ không đồng bộ. Mô hình MRAS ước lượng tốc độ rotor và điện trở stator song song sử dụng bộ quan sát vòng kín từ thông rotor. Đồng thời, điện trở stator được ước lượng song song cùng với tốc độ sẽ nâng cao độ chính xác của cả mô hình tham chiếu và mô hình thích nghi trong MRAS. Kết quả cho thấy áp dụng điều khiển trượt trong mô hình MRAS cải tiến cho ra đáp ứng tốc độ nhanh, ít nhiễu động, sai số nhỏ và độc lập giữa từ thông – momen. Từ khóa: Phương pháp DTC, mô hình tham chiếu thích nghi, điều khiển trượt. ABSTRACT Currently, the issue of control asynchronous motors (KĐB) is the researchers have developed and find new control algorithm in order to bring greater efficiency than the traditional method of control. However, quality control affected if the parameters of the engine incorrectly or changed constantly. This paper introduces sliding control techniques combined adaptive reference model improvements (MRAS) based on the method of direct torque control DTC (Direct Torque Control) to control asynchronous motors. MRAS model estimates the rotor speed and stator resistance in parallel using a closed-loop observed rotor flux. At the same time, the stator resistance is evaluated in parallel with the speed will improve the accuracy of the reference model and adaptive model in MRAS. Results showed that application of controlled slip in MRAS improved models for a fast response speed, less turbulence, and independent small error between the flux - torque. Keywords: Method DTC, adaptive reference model, sliding control. 1. GIỚI THIỆU việc ứng dụng điều khiển động cơ theo ý Đổi mới công nghệ và áp dụng các giải thuật muốn mang lại hiệu quả về kinh tế là rất lớn. điều khiển mới hiện đang là xu hướng chung Tại những hệ thống làm việc yêu cầu độ chính trong ngành công nghiệp của Việt Nam. Động xác cao về tốc độ người ta phải dùng cảm biến cơ không đồng bộ hiện tại chiếm số lượng tốc độ hay gọi là bộ mã hóa xung (encoder). tương đối lớn trong ngành công nghiệp. Các Vì thế, việc loại bỏ cảm biến tốc độ loại động cơ này thường không được điều (sensorless) góp phần giảm chi phí cũng như khiển mà sử dụng nguồn trực tiếp nên gây ra đơn giản hoá việc lắp đặt, bảo trì cho hệ thống sự lãng phí tương đối lớn khi vận hành. Do đó động cơ không đồng bộ 3 pha. Hiện đây là
2. 2 một trong những hướng nghiên cứu điều khiển sensorless phụ thuộc nhiều vào thông số khiển động cơ đang được phát triển mạnh. động cơ đặc biệt ở vùng tốc độ thấp [3, 4]. Đã có nhiều phương pháp và giải thuật điều Mục tiêu của bài báo này là đề xuất Áp dụng khiển cho động cơ không đồng bộ 3 pha được kỹ thuật điều khiển trượt trong mô hình nghiên cứu và đề xuất, tuy nhiên chúng có MRAS cải tiến để ước lượng tốc độ rotor. một số nhược điểm sau: 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phương pháp điều khiển theo hệ số công suất 2.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp có thể thực hiện đơn giản, nhưng mỗi động cơ momen DTC có hệ số công suất khác nhau, nên không thể tổng hợp mô hình thống nhất. Ngoài ra, người Phương pháp DTC dựa trên nền tảng của điều khiển phải có kiến thức nhất định về phương pháp điều khiển vector không gian động cơ và lợi ích kinh tế đem lại không lớn được nghiên cứu bởi Blaschke, Hasse, và đặc biệt đối với các động cơ loại nhỏ. Leonhard. Điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp DTC bắt đầu công bố vào Phương pháp hiệu chỉnh trực tiếp từ thông tối năm 1985. ưu từ các biểu thức đòi hỏi phải có thông số thực nghiệm động cơ chính xác. Đồng thời, ta Nguyên tắc điều khiển của phương pháp DTC cần phải ước lượng chính xác mô men và tốc là dựa trên biểu thức tính mômen của động cơ độ động cơ mới có thể đạt chất lượng điều để điều khiển các trạng thái đóng ngắt của bộ khiển cũng như hiệu suất cao. nghịch lưu, qua đó thay đổi điện áp cấp vào động cơ KĐB. Điều khiển theo phương pháp tìm kiếm điểm cực trị không phụ thuộc vào thông số của động cơ, nhưng khả năng đáp ứng của hệ thống chậm. Vì vậy không thể áp dụng đạt hiệu quả cao cho các loại tải khác nhau. Nhiều giải thuật điều khiển đề xuất mới chỉ dừng lại ở mức mô phỏng, chỉ có một số được thực nghiệm sử dụng DSPACE, vi điều khiển và áp dụng cho tải dạng tỷ lệ thuận với tốc độ và bình phương của tốc độ. Hình 1. Mô hình bộ điều khiển DTC. Bên cạnh đó những năm gần đây việc điều khiển động cơ không đồng bộ không dùng Tóm lại, bộ điều khiển động cơ KĐB bao gồm cảm biến tốc độ (sensorless) phát triển mạnh 3 phần chính: bộ so sánh trễ, bộ chọn trạng vì những ưu điểm vượt trội của nó như: giảm thái đóng ngắt (chọn vector điện áp), bộ ước giá thành, đơn giản hoá hệ thống cơ khí Một lượng từ thông và mômen. trong những phương pháp điều khiển hay Ngoài ra ta cần bộ điều khiển tốc độ và bộ được sử dụng là phương pháp điều khiển định điều khiển từ thông đặt để đạt tốc độ cần thiết hướng trường FOC (Field Oriented Control) và đạt từ thông tối ưu hoặc hãm từ thông. được phát triển bởi blaschke [1]. Phương pháp Theo phương pháp điều khiển DTC ta thấy để điều khiển trực tiếp momen DTC (Direct điều khiển chính xác từ thông momen ta cần Torque Control) được phát triển bởi bộ tính toán rất nhanh để đáp ứng từ thông và Takahashi [2]. momen dao động nhỏ nhất. Phương pháp DTC thường được dùng trong 2.2 Phương pháp điều khiển sensorless Đây là nhược điểm chính của phương pháp DTC, nhưng bù lại nó cho đáp ứng tốc độ momen cũng như từ thông rất nhanh. điều khiển sensorless. Tuy nhiên, việc điều
3. 3 Để đảm bảo đặc tính động học, ta phải điều 1 L s  s   s m i s khiển độc lập được từ thông và momencủa drTT dr r qr ds rr động cơ. Người ta thường dùng hai phương (1) s1 s sLm s pháp chính đó là: qr  qr  r  dr i qs TTrr . Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) [12]. Mô hình quan sát dòng loại bỏ được ảnh . Phương pháp điều khiển trực tiếp hưởng điện trở stator, điện cảm rò và ước momen (DTC) [3], [4]. lượng từ thông không ảnh hưởng nhiều trong vùng điện áp thấp. Tuy nhiên lại có vấn đề khi Trong cả hai trường hợp, ta cần sử dụng cảm động cơ hoạt động ở vận tốc cao vì độ nhạy biến tốc độ (encoder) hồi tiếp chính xác tốc độ điện trở rotor. đáp ứng yêu cầu mô hình điều khiển cũng như đáp ứng yêu cầu người sử dụng. Để cải thiện chính xác bộ quan sát từ thông, người ta phát triển một số hướng thiết kế bộ Phương pháp DTC là phương pháp đang được quan sát từ thông vòng kín. dần dần áp dụng phổ biến trong công nghiệp. Trong đề tài này, phương pháp DTC được sử Có 2 yêu cầu chính khi thiết kế mô hình dụng trong mô hình điều khiển sensorless kết sensorless: hợp với điều khiển trượt để ước lượng tốc độ Một là đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định rotor và điện trở stator cho động cơ không khi thông số động cơ thay đổi. đồng bộ 3 pha. Hai là xây dựng mô hình thích nghi có thể tự Hầu hết các mô hình điều khiển sensorless điều chỉnh hoạt động ổn định trong nhiều điều đều dựa trên 2 bộ quan sát: kiện khác nhau. . Mô hình quan sát từ thông theo điện áp Thông thường thực tế yêu cầu điều khiển tốc (Voltage Model Flux Observer) độ đáp ứng cho các loại tải khác nhau. Bộ Từ thông stator: điều chỉnh ổn định tốc độ hay dùng nhất là PI, s s s bộ điều khiển PI được điều chỉnh tốt cho đáp ds v ds r s i ds ứng ổn định khi xác lập. (2) s s s qs v qs r s i qs Trong trường hợp động cơ ở trạng thái quá độ, ước lượng tốc độ sai lệch, thông số động cơ Từ thông rotor được xác định theo công thức: thay đổi, dẫn điến điều khiển PI mất ổn định. L Để giải quyết vấn đề này người ta chia thành s r ()  s Li s dr ds ds 2 hướng: Hướng thứ nhất đó là dùng các bộ Lm (3) điều chỉnh thông minh như: fuzzy logic, sLr s s qr ()  qs Li qs sliding mode, neural network, adaptive L m nonlinear [6], [7], [8] v.v để ổn định tốc độ, Mô hình quan sát áp nhược điểm chính là ước các bộ điều khiển này giữ tốc độ động cơ đáp lượng từ thông sai số lớn khi chạy ở tốc độ ứng tốt trong trường hợp quá độ, ước lượng thấp, khi đó điện áp stator thấp, điện áp rơi tốc độ sai lệch, thông số động cơ thay đổi. trên điện trở stator đáng kể, trong khi đó điện Khuyết điểm phương pháp này là phương trở stator ảnh hưởng nhiều khi nhiệt độ thay trình toán khá phức tạp, tính toán khá nhiều, đổi làm từ thông ước lượng sai lệch. với động cơ là một hệ thống phi tuyến việc . Mô hình quan sát từ thông theo dòng tìm ra các trọng số tối ưu cho bộ điều khiển điện (Current Model Flux Observer) gặp nhiều khó khăn. Từ thông rotor được xác định theo công thức:
4. 4 Hướng thứ 2 người ta dùng các bộ quan sát tối SMC là một bộ điều khiển cấu trúc với điều ưu, để ước lượng chính xác tốc độ trong các khiển tần số cao không liên tục nó chuyển đổi điều kiện làm việc khác nhau động cơ, cũng giữa vài chức năng phụ thuộc vào trạng thái như thông số động cơ thay đổi. hệ thống [13]. Nó có thể là một trong những cách điều khiển hiệu quả và mạnh mẽ nhất, 2.3 Phương pháp RMAS và SMC ước thêm vào đó khả năng hạn chế loại nhiễu cũng lượng tốc độ và điện trở stato của động cơ như là mô hình không chính xác, cái làm cho 2.3.1 Nguyên tắc điều khiển trượt nó thích hợp cho điều khiển phi tuyến động cơ Một bộ SMC về cơ bản là một hệ thống điều không đồng bộ ba pha. Trong toán học cơ khiển cấu trúc nhiều biến (VSS) ở đó cấu trúc bản, quy trình thiết kế và ứng dụng của SMC của điều khiển là có chủ ý thay đổi độ ổn định trong điều khiển điện học đã được nhắc đến điều khiển và làm cho nó đáp ứng nhanh. trong [13]. Nguyên tắc của SMC là để xác Quan tâm hệ thống tuyến tính bật hai như định một luật điều khiển, chuyển mạch điều hình 5.1 với tham số độ lợi K. Nó có thể dễ khiển cho một quỹ đạo phi tuyến trên một mặt dàng nhìn thấy hệ thống không ổn định ở cả phẳng chuyển mạch và duy trì quỹ đạo trượt chế độ hồi tiếp dương hoặc âm. Tuy nhiên trên bề mặt cho tất cả thời gian tiếp theo [14]. bằng các Switching và Forth giữa chế độ hồi Luật điều khiển dựa trên học thuyết Lyapunov tiếp âm và dương, hệ thống không chỉ được đảm bảo sự chuyển động của trạng thái quỹ tạo ổn định mà còn phản ứng độc lập bởi đạo về phía trước mặt phẳng trượt. Điều này thông số K. được thực hiện bằng cách chọn độ lợi phù hợp để duy trì đạo hàm của chức năng Lyapunov luôn âm [15]. Hình 2. Mô hình điều khiển Sliding mode. 2.3.2 Ứng dụng trượt trong MRAS để ước lượng tốc độ điều khiển Các thành phần từ thông Rotor được từ mô Hình 3. Mô hình điều khiển MRAS kết hợp hình được cho bởi phương trình sau [5]: Sliding mode L 1 ˆm ˆ ˆ (7) pird sD  rd r  rq 2.4 Mô phỏng và thảo luận. TTrr 2.4.1 Mô hình tổng quát hệ thống điều ˆLm 1 ˆ ˆ pirq sQ  rq  r  rd (8) khiển tốc độ động cơ sử dụng MRAS và TT rr SMC Biểu thức điều chỉnh tốc độ và ước lượng tốc độ được cho bởi công thức sau [14]: ˆˆ  rq  rd  rd  rq (5) (6)
5. 5 Trong phần này, các điều kiện mô phỏng được thay đổi như sau: - Tốc độ đặt: . 0s t 0.3 s : 0 ref 50rad / s . 0.3s t 1.8 s : ref 50rad / s . 1.8s t 2.1 s : 50 ref 100rad / s . 2.1s t 3.5 s : ref 100rad / s . 3.5s t 3.8 s : 100 ref dmrad / s . 3.8 ts 5 : ref dmrad/ s Hình 4. Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển Trong đó, dm 147rad / s . sensorless cho động cơ không đồng bộ 3 pha - Momen tải: Mô hình điều khiển sensorless có ước lượng . 0s t 1 s : TN 1.0 .m điện trở stator song song với ước lượng tốc độ L . 1.0s t 2.0 s : TN 2.0 .m rotor. Đồng thời, các giải thuật điều khiển L . 2.0s t 3.0 s : TN 3.0 .m giảm tổn hao cũng được tiến hành nhằm nâng L . 3.0s t 4.0 s : TN 4.0 .m cao hiệu suất của động cơ ở điều kiện non tải. L . 4.0s t 5.0 s : TNL 5.1 .m Mô hình được mô phỏng trên thư viện Trong đó, Tdm 5.1 N . m. simulink của phần mềm MATLAB 2014a. Mô - Điện trở stator: phỏng trên miền rời rạc, kiểu mô phỏng fix- step với bước tính Tstep = 5e-5 (s), phương . 0s t 0.5 s : Rs 13 t pháp giải ode-4 Runge-Kutta. . 0.5s t 5 s : Rs 0.13*100* 13  9 Bảng 1: Thông số động cơ sử dụng mô phỏng 2.4.2.2 Kết quả mô phỏng công suất Pđm = 1HP - Dòng điện Power 1 HP Stator resistance 13  Rotor resistance 8.5  Iron loss resistance 760  Number of pole pairs 2 Stator leakage inductance 0.036 H Mutual inductance 0.46 H Inertia 0.002kgm2 Rated speed 1395 RPM - Tốc độ và Momen 2.4.2 Kết quả mô phỏng 2.4.2.1 Các điều kiện mô phỏng
6. 6 2.4.2.3 Nhận xét Trong phương pháp DTC cổ điển, do sử dụng trực tiếp tín hiệu hồi tiếp từ encoder nên đáp ứng tốc độ tốt, ít đao động, sai số nhỏ. Phương pháp DTC cho đáp ứng về momen và từ thông bị nhiễu động lớn do đóng cắt theo các khâu trễ. Tuy nhiên, lợi điểm của phương pháp DTC là thời gian đáp ứng về từ thông rất nhanh chóng. Giúp cho việc điều khiển từ thông và momen gần như là độc lập nhau. Trong phương pháp sensorless dựa trên MRAS cải tiến nhờ vào bộ quan sát vòng kín từ thông, giúp cho việc ước lượng tốc độ rotor và điện trở stator được chính xác, ít gây nhiễu động ở đáp ứng tốc độ hơn so với MRAS cổ điển. - Từ thông và góc từ thông Điểm chính của luận văn là áp dụng điều khiển trượt trong mô hình MRAS cải tiến để ước lượng tốc độ rotor. Dựa vào đáp ứng tốc độ đã công bố bên trên. Ta thấy rõ rằng, đáp ứng tốc độ có ứng dụng điều khiển trượt ít nhiễu động hơn, sai số nhỏ hơn so với MRAS cổ điển và so với MRAS cải tiến. 3. KẾT LUẬN Đề tài cũng đã áp dụng các phương pháp điều khiển thông minh và cải tiến trong mô hình MRAS cổ điển. Đó là áp dụng bộ quan sát vòng kín từ thông và thay thế bộ điều khiển truyền thống PI bằng bộ điều khiển trượt. Điều này giúp cho hệ thống đáp ứng về tốc độ tốt hơn, sai số do ước lượng nhỏ hơn. - Điện trở Stator.
7. 7 TÀI LIỆU THAM KHẢO [9] K. Rajashekara, A. Kawamura, and K. [1] B. K. Bose, “Power Electronics and Matsuse (Ed), Sensorless Control of AC Variable Frequency Drives, IEEE Press, NY, Drives, IEEE Press, NY, 199s6. 1996. [10] Hamid A. Toliyat, Emil Levi, and Mona [2] I. Takahashi and T. Noguchi, A new quick Raina, Review of RFO Induction Motor response and high efficiency control strategy Parameter Estimation Techniques. IEEE of an induction motor. Rec. IEEE – IAS, TRANSACTIONS ON ENERGY 1995; IEEE Trans. IA – 22, 820 – 827 (1986). CONVERSION, VOL. 18, NO. 2, JUNE 2003 [3] J. Holtz, “Sensorless position control of [11] Veran Vasic, Slobodan N. Vukosavic and induction motor – an emerging technology”, Emil Levi. A Stator Resistance Estimation IEEE IECON Conf, Rec., pp I1 – I12, 1998. Scheme for Speed Sensorless Rotor Flux Oriented Induction Motor Drives. IEEE [4] P.Vas, Sensorless Vector and Direct TRANSACTIONS ON ENERGY Torque Control, Oxford, NY, 1998. CONVERSION, VOL. 18, NO. 4, [5] Schauder, C. (1992) Adaptive speed DECEMBER 2003 identification for vector control of induction [12] Hisao Kubota and Kouki Matsuse.Speed motors without rotational transducers.IEEE Sensorless Field-Oriented Control of Trans. Ind. Appl., 28, 1054–1061. Induction Motor with Rotor Resistance [6] Garcia, P., Briz, F., Raca, D., and Lorenz, Adaptation. IEEE TRANSACTIONS ON R. D. (2007) Saliency-tracking-based INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 30, sensorless control of AC machines using NO. 5, SEPTEMBER / OCTOBER 1994 structured neural networks.IEEE Trans. Ind. [13] V. Utkin, "Sliding mode control design Appl., 43(1), 77–86. principles and applications to electric drives," [7] Batran, A., Abu-Rub, H., and. Guzinski, J. IEEE Transactions on Industrial Electronics, (2005) Wide range sensorless control of vol. 40, no. 1, pp. 23-36, February 1993. induction motor using power measurement [14] W. S. Levine, The control handbook. and speed observer.11th IEEE Int. Conf. Boca Raton, FL: CRC Press, 1996. Meth. Models Auto. Robot, MMAR ’05, Miedzyzdroje, Poland [15] J. Lo and Y. Kuo, "Decoupled fuzzy sliding-mode control," IEEE Transactions on [8] Krzeminski, Z. (2008) Observer of Fuzzy systems, vol. 6, no. 3, pp. 426-435, induction motor speed based on exact August 1998. disturbance model.Int. Conf. EPE-PEMC’ 2008, Poznan, Poland. Tp.HCM, ngày 15 tháng 11 năm 2016 Tp.HCM, ngày 15 tháng 11 năm 2016 Giảng viên hướng dẫn Người thực hiện PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Võ Văn Thắng
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.