Điều khiển trượt động cơ không đồng bộ ba pha

Nội dung text: Điều khiển trượt động cơ không đồng bộ ba pha

1. ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA SLIDING MODE CONTROL FOR INDUCTION MOTOR Đặng Thanh Huy1, Dƣơng Hoài Nghĩa2 1Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM 2Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM TÓM TẮT Bài báo này giới thiệu một bộ điều khiển trượt cho động cơ không đồng bộ. Bộ điều khiển được phát triển dưới hệ tọa độ dq. Nó được thiết kế bao gồm 2 vòng: Ở vòng trong, từ thông rotor và mô-men động cơ được điều khiển quanh giá trị đặt bởi bộ điều khiển trượt nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra (MIMO). Ưu điểm của bộ điều khiển này là cho đáp ứng nhanh từ thông rotor và mô-men động cơ. Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép tính đến ảnh hưởng của sai số mô hình. Các điều kiện ổn định bền vững được thực hiện nhằm chống lại sự thay đổi trong thông số động cơ (điện trở rotor và stator, điện cảm, quán tính rotor). Ở vòng ngoài, tốc độ rotor được chỉnh định bởi bộ điều khiển PI. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống được đề xuất có chất lượng tốt (đáp ứng nhanh, sai số xác lập nhỏ) và bền vững với sai số mô hình. ABSTRACT This paper presents a sliding mode controller for induction motors. The controller is developed in the dq co-ordinates. It is designed with two loops: In the inner loop, the rotor flux and the motor torque are regulated around the reference values by a multi input multi output (MIMO) sliding mode controller. This controller yields quick response of rotor flux and motor torque. Moreover, it provides a mean to cope with the model uncertainty. The stability robustness conditions of the controller are carried out to cope with the change in motor parameters (rotor and stator resistances, inductances, rotor inertia). In the outer loop, the rotor speed is controlled by a PI controller. Simulation results show that the proposed controller has good performance (quick response, low steady state error) and is robust against model uncertainty. 1. GIỚI THIỆU Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) được Mục đích của bài báo này là giới thiệu một sử dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi nó có hệ thống điều khiển được đề xuất xây dựng trên độ ổn định cao và giá thành thấp. Tuy nhiên, hệ tọa độ quay dq và được thiết kế bao gồm 2 nó có nhược điểm là đặc tính phi tuyến vòng: Ở vòng trong, từ thông rotor và mô-men mạnh. Điều khiển ĐCKĐB là một chủ đề đã động cơ được điều khiển quanh giá trị đặt bởi và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan bộ điều khiển trượt nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra. tâm. Ta có thể kể đến một số công trình tiêu Ở vòng ngoài, tốc độ rotor được chỉnh định bởi biểu như sau: bộ điều khiển PI. - Điều khiển định hướng trường (FOC) [2] Một trong những ưu điểm của phương pháp - Điều khiển mô-men trực tiếp (DTC) [3] điều khiển trượt ĐCKĐB là cho phép tính đến ảnh hưởng của sai số mô hình. - Điều khiển dựa vào tính thụ động (PBC) [4] Ngoài ra, phương pháp này cũng được đánh - Điều khiển tuyến tính hóa vào ra (IOL) [5] giá là có tính đơn giản, dễ thiết kế. Tuy nhiên, - Điều khiển dùng logic mờ và mạng nơron điều khiển trượt ĐCKĐB cũng có một số hạn [6,7] chế nhất định: Do thời gian trễ của khâu chấp hành, quĩ đạo pha có thể dao động quanh mặt - Điều khiển trượt (SMC) [1,8,9,10,11] trượt với tần số cao (hiện tượng chattering), dẫn 1
2. đến chất lượng mô-men quay không cao. Để Mục tiêu điều khiển ở đây chính là điều cải thiện điều này, bài báo này đề xuất sử khiển từ thông rotor r và tốc độ rotor  đạt giá dụng hàm saturation thay cho hàm sign trong trị đặt ref và ref tương ứng. biểu thức xác định luật điều khiển (21). 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Phần 2 trình bày mô hình ĐCKĐB Hệ thống điều khiển trượt ĐCKĐB như ba pha trên hệ tọa độ quay dq, Phần 3 giới trong Hình 1, gồm có 2 vòng lặp điều khiển: thiệu bộ điều khiển trượt ĐCKĐB ba pha, vòng lặp bên ngoài là bộ điều khiển PI hiệu Phần 4 trình bày các kết quả mô phỏng và chỉnh tốc độ; vòng lặp bên trong là bộ điều Phần 5 rút ra các kết luận. khiển mô-men và từ thông sử dụng kỹ thuật điều khiển trượt. 2. ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3.1 Vòng điều khiển trong Mô hình động của ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ dq như sau [12]: di sd a i  i a  a  a u (1) dt 1 sd s sq 2 rd 3 rq 4 sd di sq  i a i a  a  a u (2) dt s sd 1 sq 3 rd 2 rq 4 sq d rd a i a  ( ) (3) dt 5 sd 5 rd s rq d Hình 1: Sơ đồ khối bộ điều khiển trượt rq (4) a5isq (s ) rd a5 rq dt ĐCKĐB [8] 2 2 2 Te a6  rdisq  rqisd  (5) Đặt:   r  rd  rq (8) d a T T  (6) Từ (5) và (8) ta có: dt 7 e L  2     với (i , i ), (u , u ), ( ,  ) lần lượt là rd rd rq rq sd sq sd sq rd rq (9) dòng stator (A), điện áp stator (V), từ thông 2  rd a5isd a5 rd (s ) rq  rotor chuẩn hóa (A) bởi hỗ cảm Lm trên hệ  rq a5isq (s ) rd a5 rq  tọa độ dq,  là tốc độ rotor (rad/s), s là tốc  2 a i a  ( ) 2 độ đồng bộ (rad/s), Te là mô-men điện từ  5 sd 5 rd s rq  (Nm), TL là mô-men tải (Nm) và  rd a5  a1isd sisq a2 rd a3 rq a4usd  a a i a  ( ) 1 1  1  1  5  5 sd 5 rd s rq  a ; a ; a ; 1 2 3 ( ) a i ( ) a  (10) Ts Tr Tr  s  5 sq s rd 5 rq  2 2 a i ( ) a  1 3pL p  5 sq s rd 5 rq  1 ; a ; m ; a ; a4 5 a6 7  rq a5  sisd a1isq a3 rd a2 rq a4usq  Ls Tr 2Lr J 2 a5 a5isq (s ) rd a5 rq  L L L  1 m ; s ; T r ; Ts r (s )a5isd a5 rd (s ) rq  Ls Lr Rs Rr T a  i  i  i  i là các hằng số, Rs là điện trở stator (), Rr là e 6  rd sq rd sq rq sd rq sd  điện trở rotor (), Ls là điện cảm stator (H), a6 isq a5isd a5 rd (s ) rq  Lr là điện cảm rotor (H), Lm là hỗ cảm giữa    i a i a  a  a u  (11) stator và rotor (H), p là số đôi cực, J là rd s sd 1 sq 3 rd 2 rq 4 sq 2 mô-men quán tính của rotor (kg.m ). isd a5isq (s ) rd a5 rq   a i  i a  a  a u 2 2 rq  1 sd s sq 2 rd 3 rq 4 sd  Đặt  r  rd  rq (7) Đặt: e ref  (12) 2
3. và eT Tref Te (13) Với: 2 Phương trình (12) và (13) là sai số từ f11 2  a5isd a5 rd (s ) rq  thông và mô-men tương ứng. Với ref và Tref  rd a5  a1isd sisq a2 rd a3 rq  lần lượt là các giá trị mong muốn của  và T a5 a5isd a5 rd (s ) rq  (Tref là ngõ ra của bộ điều khiển tốc độ). ( ) a i ( ) a  Mặt trượt được định nghĩa như sau: s  5 sq s rd 5 rq  2   a5isq (s ) rd a5 rq  S1  e e  ref  ref  (14)  rq a5  sisd a1isq a3 rd a2 rq  S2 eT Tref Te (15) a5 a5isq (s ) rd a5 rq   > 0 là hằng số thời gian của đáp ứng (s )a5isd a5 rd (s ) rq  từ thông ở chế độ trượt. Nếu ref là hằng số ta có: 2  rd a5isd a5 rd (s ) rq      rq a5isq (s ) rd a5 rq  S1   (16)    f12 2 a4a5 rd S2 eT Tref Te (17) Thay (9), (10), (11) vào (16) và (17) ta f13 2 a4a5 rq được: f 21 a6 isq a5isd a5 rd (s ) rq   2 S1 2  a5isd a5 rd (s ) rq   rd  sisd a1isq a3 rd a2 rq   rd a5  a1isd sisq a2 rd a3 rq a4usd  isd a5isq (s ) rd a5 rq  a5 a5isd a5 rd (s ) rq   rq  a1isd sisq a2 rd a3 rq  (s )a5isq (s ) rd a5 rq  2 (18) f22 a4a6 rq a5isq (s ) rd a5 rq   a   i a i a  a  a u  rq 5 s sd 1 sq 3 rd 2 rq 4 sq f23 a4a6 rd a5 a5isq (s ) rd a5 rq  Để S1 0 và S2 0 luật điều khiển được ( ) a i a  ( ) s  5 sd 5 rd s rq  xác định như sau: 2  rd a5isd a5 rd (s ) rq  S k sat(S )  a i ( ) a   1 1 1 (21) rq 5 sq s rd 5 rq  S2 k2sat(S2 )   S2 Tref a6 isq a5isd a5 rd (s ) rq  Với k1 và k2 là các hằng số dương, k1, k2   i a i a  a  a u rd  s sd 1 sq 3 rd 2 rq 4 sq  (19) ảnh hưởng đến tính bền vững của bộ điều khiển isd a5isq (s ) rd a5 rq  đối với sai số của mô hình. k1, k2 càng lớn thì độ   a i  i a  a  a u  bền vững càng cao, tuy nhiên sẽ làm tăng hiệu rq 1 sd s sq 2 rd 3 rq 4 sd ứng chattering. Từ phương trình (18) và (19) ta được ma trận sau: 1 if x 1  sat x x if 1 x 1 (22) S f11 f f usd 1 12 13 (20) 1 if x 1  T f u S2 ref 21 f22 f23 sq Trong đề tài này, hàm saturation(x) được sử dụng thay thế cho hàm signum(x) để giảm hiệu ứng chattering. 3
4. Từ (20) và (21) ta có tín hiệu điều khiển: 3.4 Ƣớc lƣợng từ thông rotor  và mô-men 1 động cơ Te usd f12 f13 f11 k1sat(S1 ) u  Từ thông Rotor được ước lượng từ phương usq f22 f23 Tref f21 k2 sat(S2 ) (23) trình (1) - (4). Mô-men động cơ được ước lượng ' '  từ phương trình (5). usd f12 f11 k1sat(S1 ) f13Tref f21 k2 sat(S2 ) u f ' f k sat(S ) f ' T f k sat(S ) di sq 22 11 1 1  23 ref 21 2 2  sd a i  i a  a  a u k i i (29) dt 1 sd s sq 2 rd 3 rq 4 sd 3 sd sd Với: di sq (30) sisd a1isq a3 rd a2 rq a4usq k4 isq isq    rq dt f ' rd ; f ' 12 2 13 2 2  a4a5 r   a4a6 r d rd a i a  ( ) k i i  (31) dt 5 sd 5 rd s rq 3 sd sd   f ' rq ; f ' rd 22 2 23 2 d rq 2  a4a5 r   a4a6 r a i ( ) a  k i i  (32) dt 5 sq s rd 5 rq 4 sq sq 2 2 3.2 Vòng điều khiển ngoài  r  rd  rq (33) Vòng ngoài của bộ điều khiển tốc độ là T a  i  i  (34) bộ điều khiển PI: e 6 rd sq rq sd K Trong đó các hệ số a - a xác định tương G s K I (24) 1 6 C P s tự các thông số của mô hình. Chú ý rằng các thông số k i i và k i i là các thông số Ngõ vào của bộ PI là sai số giữa tốc độ 3  sd sd  4  sq sq  mong muốn ref và tốc độ thực tế . Ngõ ra quan sát trạng thái. Hệ số hiệu chỉnh k3, k4 được của bộ điều khiển PI là tín hiệu đặt cho bộ lựa chọn sao cho sai số hiệu chỉnh là nhỏ nhất ~ điều khiển mô-men (Tref). Các thông số KP, tức là x 0 khi t . KI được lựa chọn dựa trên phương pháp thử 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG sai. Trên thực tế, khi điều khiển động cơ ta chỉ sử dụng khâu hiệu chỉnh PI mà không 4.1 Đáp ứng khi chƣa có bộ ƣớc lƣợng dùng khâu vi phân (khâu D) vì khâu D Hệ thống điều khiển được thiết kế với các thường rất nhạy cảm với nhiễu loạn của hệ thông số của động cơ như sau: R 1,177 ; thống. sm Rrm 1,382; Lsm 0,119H; Lrm 0,118H; 3.3 Ƣớc lƣợng s 2 Lmm 0,113H; pm 2 ; J m 0,00126 kgm . Các Ta có: thông số của bộ điều khiển được chọn như sau:  0,05 s; k1 = 12000; k2 = 3000; KP = 1,1; s =  + r (25)  KI = 30. Trong đó  là tốc độ rotor, r được xác định như sau: Động cơ khởi động tại t = 0s với tốc độ 150rad/s ở chế độ không tải. Tại t = 1,5s d d  rq  rq rd  rd rq  r arctan (26) mô-men tải TL = 3,5Nm được áp dụng. [8] r 2 dt dt  rd  r Thông số s được xác định từ các phương trình (25) và (26):    (27) s r  rq rd  rd rq r 2 (28)  r 4
5. 4.2 Đáp ứng khi có bộ ƣớc lƣợng Hệ thống điều khiển được thiết kế với các thông số ước lượng như sau: Rs 2,5 ; Rr 1,4 ; Ls 0,118H; Lr 0,118H; Lm 0,112 H; 2 p 2; J 0,00126 kgm . Các thông số của bộ điều khiển được chọn như sau:  0,05 s; k1 = 12000; k2 = 3000; k3 = k4 = 0,01; KP = 0,7; KI = 24. Động cơ khởi động tại t = 0s với tốc độ 150rad/s ở chế độ không tải. Tại t = 1,5s mô-men tải TL = 3,5Nm được áp dụng. Hình 2: Đáp ứng hệ thống khi chưa có bộ ước lượng  Nhận xét - Thời gian đáp ứng tốc độ khoảng 1,2s, từ thông khoảng 0,3s. - Quá trình quá độ của tốc độ và từ thông không có vọt lố, không có dao động. - Sai số xác lập của tốc độ và từ thông gần như bằng không. - Mô-men vọt lố với biên độ không đáng kể (<3%). - Biên độ dao động của mặt trượt S1 rất nhỏ khoảng 0,01, biên độ dao động của mặt trượt S2 < 0,03. 5
6. - Mặt trượt S1 và S2 cũng dao động quanh điểm 0 với biên độ nhỏ. - Đáp ứng mô-men ước lượng và từ thông ước lượng bám sát với tín hiệu mô-men đặt và đáp ứng từ thông thực tế của động cơ. 5. KẾT LUẬN Bài báo này giới thiệu một bộ điều khiển trượt cho động cơ không đồng bộ được phát triển dưới hệ tọa độ dq bao gồm 2 vòng: Ở vòng Hình 3: Đáp ứng hệ thống khi có trong, từ thông rotor và mô-men động cơ được bộ ước lượng điều khiển quanh giá trị đặt bởi bộ điều khiển trượt nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra (MIMO). Ở  Nhận xét vòng ngoài, tốc độ rotor được chỉnh định bởi bộ - Đáp ứng mô-men, tốc độ và dòng điều khiển PI. điện không có sự thay đổi đáng kể so với Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống được trường hợp danh định. đề xuất có chất lượng tốt (đáp ứng nhanh, sai số - Đáp ứng từ thông thay đổi đáng kể, xác lập nhỏ) và bền vững với các sai số mô hình giảm vọt lố, sai số xác lập bằng không. (điện trở, điện cảm rotor, stator). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Minh. Điều khiển trượt thích nghi hệ thống động phi tuyến. Luận án Tiến Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 2012. [2] David M. Reed. Direct field-oriented control of an induction machine using an adaptive rotor resistance estimator. Master Thesis, The Pennsylvania State University, 2009. [3] Marcin Żelechowski. Space Vector Modulated – Direct Torque Controlled (DTC – SVM) Inverter – Fed Induction Motor Drive. Ph.D. Thesis, Warsaw University of Technology, Poland, 2005. [4] Salim Aissi, Lamir Saidi, Rachid Abdessemed and Fakhr-Eddine Ababsa. Passivity Based Control of Doubly Fed Induction Machine Using a Fuzzy Controller. International Journal of Advanced Science and Technology. Vol. 36, November, 2011. [5] Abdelkrim Benchaib, Ahmed Rachid, and Eric Audrezet. Sliding Mode Input – Output Linearization and Field Orientation for Real - Time Control of Induction Motors. Ieee Transactions On Power Electronics, Vol. 14, No. 1, 1999. [6] Opas Ruksaboon and Chaiyapon Thongchaisuratkrul. Fuzzy PID Control Compensation System for Speed of VVVF Induction Motor Drive. International Journal of Computer Theory and Engineering. Vol. 5, No. 6, 2013. [7] Amit Mishra, Zaheer Uddin. Design of Speed Controller for Squirrel-cage Induction Motor using Fuzzy logic based Techniques. International Journal of Computer Applications. Vol. 58, No. 22, 2012. [8] Đặng Thanh Huy. Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều khiển Trượt. Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, 2016. [9] Đỗ Thị Hồng Thắm. Điều khiển trượt mô-men động cơ không đồng bộ. Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 2007. [10] Đỗ Thị Hồng Thắm, Dương Hoài Nghĩa. Sliding Mode Control of Induction Motor. International Symposium on Advanced Science and Engineering. Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 2007. 6
7. [11] Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Văn Nhờ, Nguyễn Xuân Bắc. Điều khiển trượt động cơ không đồng bộ ba pha nuôi bởi bộ nghịch lưu áp ba mức. Tạp chí Khoa Học & Công Nghệ các trường Đại học Kỹ Thuật. Số 74, 2009. [12] Nguyễn Phùng Quang. Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha. NXB Giáo Dục, 1998. Địa chỉ liên hệ: Đặng Thanh Huy – Tel: 0945898711, Email: dthuy1704@gmail.com Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Số 1, Võ Văn Ngân, Phường Linh Chiểu, Quận Thủ Đức, Tp. Hồ Chí Minh Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 Giảng viên hƣớng dẫn Học viên thực hiện (Ký & ghi rõ họ tên) (Ký & ghi rõ họ tên) Đặng Thanh Huy 7
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.