Luận Văn Thạc Sĩ Về Tự Động Hóa Điều Khiển Thích Nghi Vị Trí Động Cơ Không Đồng Bộ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp điều khiển thích nghi vị trí động cơ không đồng bộ, ứng dụng hiệu quả trong tự động hóa công nghiệp.

• Tác giả: Đặng Thanh Thương
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Thành
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Thích Nghi Vị Trí Động Cơ Không Đồng Bộ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn thạc sĩ 'Tự Động Hóa Điều Khiển Thích Nghi Vị Trí Động Cơ Không Đồng Bộ' tập trung vào việc phát triển hệ thống điều khiển thích nghi cho động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) rotor lồng sóc. Động cơ này được sử dụng rộng rãi nhờ kết cấu vững chắc và giá thành hợp lý. Tuy nhiên, yêu cầu về độ chính xác trong điều khiển đòi hỏi các giải pháp tiên tiến. Điều khiển vector dựa trên định hướng từ trường đã được áp dụng để tách mô-men xoắn và thông lượng, tương tự như động cơ DC. Với sự phát triển của điện tử công suất và bộ vi xử lý, các hệ thống điều khiển ĐCKĐB đã đạt được hiệu quả cao. Tuy nhiên, các hệ thống tuyến tính vẫn bị ảnh hưởng bởi sự không chắc chắn về tham số và nhiễu phụ tải. Điều khiển chế độ trượt được đề xuất để giải quyết các vấn đề này, mang lại hiệu suất cao và khả năng chống nhiễu tốt.

1.1 Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của luận văn là xây dựng bộ điều khiển thích nghi cho ĐCKĐB, có khả năng đối phó với nhiễu tải bên ngoài và sự thay đổi thông số động cơ. Nghiên cứu này nhằm cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống truyền động, đáp ứng yêu cầu thực tiễn trong các ứng dụng công nghiệp.

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi, tập trung vào việc xử lý nhiễu tải và sự thay đổi thông số động cơ. Nghiên cứu được thực hiện thông qua mô hình lý thuyết và mô phỏng, sau đó kiểm chứng bằng thực nghiệm.

II. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ kết cấu đơn giản và giá thành thấp. Mô hình liên tục của ĐCKĐB được xây dựng dựa trên các phương trình điện áp stator và rotor, cùng với phương trình từ thông và mô-men quay. Mô hình này được biểu diễn trong hệ tọa độ 3 pha và hệ tọa độ dq. Trong hệ tọa độ dq, các phương trình được đơn giản hóa, giúp dễ dàng thiết kế các bộ điều khiển. Mô hình trạng thái của ĐCKĐB được sử dụng để thiết kế các khâu điều khiển và quan sát, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác.

2.1 Mô hình liên tục trong hệ tọa độ af

Mô hình liên tục của ĐCKĐB trong hệ tọa độ af được xây dựng dựa trên các phương trình điện áp stator và rotor. Các thành phần a và β của điện áp stator, dòng stator và từ thông rotor được biểu diễn dưới dạng vector. Mô hình này được sử dụng để thiết kế các khâu điều khiển và quan sát trên hệ tọa độ af, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

2.2 Mô hình liên tục trong hệ tọa độ dq

Trong hệ tọa độ dq, các phương trình của ĐCKĐB được đơn giản hóa, giúp dễ dàng thiết kế các bộ điều khiển. Mô hình này bao gồm các phương trình điện áp stator và rotor, cùng với phương trình từ thông và mô-men quay. Mô hình trạng thái trong hệ tọa độ dq được sử dụng để thiết kế các khâu điều khiển, đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và ổn định.

III. Điều khiển vector tựa theo từ thông rotor

Điều khiển vector tựa theo từ thông rotor (FOC) là phương pháp điều khiển hiện đại, được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền động chất lượng cao. Phương pháp này dựa trên nguyên lý tách mô-men xoắn và thông lượng, tương tự như động cơ DC. Vector không gian và hệ tọa độ từ thông được sử dụng để biểu diễn các đại lượng điện từ trong động cơ. Điều chế vector không gian (SVPWM) được áp dụng để điều khiển nghịch lưu, giúp tạo ra các vector điện áp chuẩn, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

3.1 Nguyên lý điều chế vector không gian

Nguyên lý điều chế vector không gian (SVPWM) dựa trên việc tạo ra các vector điện áp chuẩn từ các trạng thái đóng ngắt của các van bán dẫn. Các vector này được sử dụng để điều khiển nghịch lưu, giúp tạo ra dòng điện và từ thông mong muốn trong động cơ. Phương pháp này đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định.

3.2 Thiết kế bộ điều khiển tựa theo từ thông

Bộ điều khiển tựa theo từ thông được thiết kế dựa trên mô hình trạng thái của ĐCKĐB. Các khâu điều khiển và quan sát được thiết kế để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Bộ điều khiển này có khả năng đối phó với sự thay đổi thông số động cơ và nhiễu phụ tải, đảm bảo hiệu suất cao trong các ứng dụng thực tế.

IV. Điều khiển chế độ trượt vị trí động cơ không đồng bộ

Điều khiển chế độ trượt là phương pháp điều khiển phi tuyến, được sử dụng để đối phó với sự không chắc chắn về tham số và nhiễu phụ tải. Phương pháp này mang lại hiệu suất cao và khả năng chống nhiễu tốt. Lý thuyết ổn định Lyapunov được sử dụng để phân tích sự ổn định của bộ điều khiển. Bộ điều khiển trượt được thiết kế để điều khiển tốc độ và vị trí của ĐCKĐB, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác trong các điều kiện khác nhau.

4.1 Thiết kế bộ điều khiển trượt

Bộ điều khiển trượt được thiết kế dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov. Các tham số của bộ điều khiển được điều chỉnh để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Bộ điều khiển này có khả năng đối phó với sự thay đổi thông số động cơ và nhiễu phụ tải, đảm bảo hiệu suất cao trong các ứng dụng thực tế.

4.2 Ứng dụng điều khiển trượt trong điều khiển vị trí

Bộ điều khiển trượt được áp dụng để điều khiển vị trí của ĐCKĐB. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển này có khả năng bám theo quỹ đạo tốt và ổn định với sự thay đổi tham số và nhiễu phụ tải. Phương pháp này mang lại hiệu suất cao và khả năng chống nhiễu tốt, đáp ứng yêu cầu thực tiễn trong các ứng dụng công nghiệp.

V. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được thực hiện để kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển trượt. Mô phỏng điều khiển PI và điều khiển trượt được thực hiện để so sánh hiệu suất của hai phương pháp. Kết quả cho thấy bộ điều khiển trượt có khả năng bám theo quỹ đạo tốt và ổn định với sự thay đổi tham số và nhiễu phụ tải. Thực nghiệm điều khiển PI và điều khiển trượt cũng được thực hiện để kiểm chứng kết quả mô phỏng. Các kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển trượt mang lại hiệu suất cao và khả năng chống nhiễu tốt, đáp ứng yêu cầu thực tiễn trong các ứng dụng công nghiệp.

5.1 Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển trượt có khả năng bám theo quỹ đạo tốt và ổn định với sự thay đổi tham số và nhiễu phụ tải. So sánh với bộ điều khiển PI, bộ điều khiển trượt mang lại hiệu suất cao hơn và khả năng chống nhiễu tốt hơn. Các kết quả này khẳng định hiệu quả của phương pháp điều khiển trượt trong các ứng dụng thực tế.

5.2 Kết quả thực nghiệm

Các kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển trượt có khả năng bám theo quỹ đạo tốt và ổn định với sự thay đổi tham số và nhiễu phụ tải. So sánh với bộ điều khiển PI, bộ điều khiển trượt mang lại hiệu suất cao hơn và khả năng chống nhiễu tốt hơn. Các kết quả này khẳng định hiệu quả của phương pháp điều khiển trượt trong các ứng dụng thực tế.

VI. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã trình bày các phương pháp điều khiển thích nghi cho ĐCKĐB, tập trung vào điều khiển chế độ trượt. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển trượt mang lại hiệu suất cao và khả năng chống nhiễu tốt. Phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, đáp ứng yêu cầu thực tiễn. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải tiến các thuật toán điều khiển và tích hợp các công nghệ mới để nâng cao hiệu suất và độ chính xác của hệ thống.

6.1 Kết luận

Luận văn đã trình bày các phương pháp điều khiển thích nghi cho ĐCKĐB, tập trung vào điều khiển chế độ trượt. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển trượt mang lại hiệu suất cao và khả năng chống nhiễu tốt. Phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, đáp ứng yêu cầu thực tiễn.

6.2 Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải tiến các thuật toán điều khiển và tích hợp các công nghệ mới để nâng cao hiệu suất và độ chính xác của hệ thống. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các loại động cơ khác và các ứng dụng mới trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TONG QUAN VE ĐỘNG CƠ KHÔNG DONG BOQ 1. Khai quat chung: Ngày nay, kỹ thuật điều khiến động cơ điện xoay chiều ba pha đã phat triển đến mức gần như hoàn thiện. Cấu trúc điều khiến theo nguyên lý điều khiến TAR thường được sử dung là điều khiển dòng điện riêng rẽ cũng như áp dat nhanh mômen quay.

Hai mạch vòng điều khiến tốc độ và từ trường quay được tông hợp riêng biệt. Mô hình liên tục của DCKDB: Giả thiết ĐCKĐB rotor lồng sóc có 3 pha đối xứng, khe hở không khí là đều và phân bồ từ thông theo khe hở không khí là sin. Hệ phương trình của DCKDB rotor lồng sóc viết trong hệ toa độ 3 pha dạng thu gọn như sau: e Phương trình điện áp stator (rên hệ thống cuộn đây stator) „ ay, e Phương trình điện áp rotor (trên hệ thống cuộn dây rotor ngắn mach) 0= R7 +2.2) di e Phuong trình từ thông lM =Li+L,i, với ñ =L,, +L, (13) Ự, = hư, + Li. là = bự +L, e Phuong trình mémen quay my = 52, =-52, (1.5) HVTH: Dang Thanh Thuong MSHV: 10150055 Chương 1 4 GVHD: TS.

Nguyễn Đức Thành e Phương trình chuyên động J do T,=T, + z, dt (1. Mô hình liên tục của DCKDB trong hệ toa độ af Hệ phương trình cua động co trong hệ tọa độ af: Aa at oT 4 +xu tuy oT. Via toØ Wg Ba OL, fo.- roy 4 H,g dt ƠI, oT. Ø oT’ oL, Moa 1) dy, aT, 1, avy “ "=.

r r Với: W„„=W„„!L„; Vig =Vog! hn Dé hoàn thiện mô hình DCDB, ta phải bố sung thêm phương trình mômen có sử dụng các thành phân af.8) | My u, 1 T [bo 1 i), 37 ~ [2 oL, 1+sT. Ệ_ j1+sT, ot _- 2L * ln, sử 1<=0ø |" oT 1-g ⁄ Ha | oT. | ' 1 ‡ with 1 - 1 1 l-o —| —— SẼ —— : “E]— TL4 ơ T£ o Zlyr / 1+sT, : Pr) 1 abe sT, Wen Hình 1.1 M6 hình liên tục DCDB rotor long soc trén hé toa do af. HVTH: Dang Thanh Thuong MSHV: 10150055 Chương 1 5 GVHD: TS.

Nguyễn Đức Thanh Ta có thể tập hợp các phương trình (1.8) lại thành mô hình liên tục của DCDB.1 giới thiệu sơ đồ cau trúc của mô hình. Các thành phan a và B của điện áp stator, dòng stator và từ thông rotor có thé viết dưới dạng vector với thành phần thực như sau: x = li.W2g | s7 ¬ u, = | Ug Uap | sĩ _ Với vector trạng thai x mới định nghĩa, ta thu được từ (1.7) mô hình trang thái liên tục của ĐCDB rotor lồng sóc. dx =A’x’ + Bru? dt (1.9) Tham số cu thé của hai ma trận 4° va ø' được rút ra từ (1.7) và viết lại trong công thức (1. Ø 0 vo l-o, l-o l-o of ƠI, Ø oT.10) | 9 OL, B= 0 Ji OL, 0 0 Công thức (1.10) minh họa rat rõ: đối tuong DCDB (mô tả trên hệ toa độ aB) có mô hình trạng thái với @ trong ma trận hệ thống A’ được coi như là một tham số ham (biến thiên theo thời gian) có thé đo được.

Mô hình trạng thái đó (hình HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương 1 6 GVHD: TS. Nguyễn Đức Thành 1.2) là cơ sở dé thiết kế các khâu DC, khâu quan sát trên hệ tọa độ af. Trên hệ af Hình 1.2 M6 hình trạng thái voi hệ số hàm của ĐCDB trên hệ tọa độ gÿ. Mô hình liên tục của DCKDB trong hệ tọa độ dq Hệ phương trình cua động cơ trong hệ tọa độ dq: đu dh — oT.

Wid 4422 oO oyrq wy oOL, sd dig ay; _( | 41-9), leo, wee, 4, df s sả oT. Sq oO Waa oT. Wig oOL, Sq dy, 1, 1`, , dt T sd -—y,,-(0,-@ —4=_j ae ( Ss Wg Me ST, (0, -OW, -=V, a .m sq — ‘so rd Pe rạ a 1 f, (1.11) Dé hoàn thiện mô hình DCDB ta phải bố sung thêm phương trình mômen có sử dụng các thành phan da.12) Hai phương trình (1.12) được kết hợp với nhau thành mô hình liên tục trọn vẹn của DCDB trên hệ tọa độ dq (hình 1. HVTH: Đặng Thanh Thuong MSHV: 10150055 Chương 1 7 GVHD: TS.

Nguyễn Đức Thành ư u #1 Q - _ |1+s7 Lá t ae uo, i1 1 with ae SS aes iy See mie lo Lb, ‡ Hình 1.3 M6 hình liên của ĐCDB rotor lông sóc trên hệ tọa độ da. Các thành phan d và q của điện áp stator, dòng stator và từ thông rotor có thé viết dưới dạng vector với thành phần thực như sau: xl = lia lg ? W 4 ? Wg | U;ST — | Ugo | Với vector trạng thai x mới định nghĩa, ta thu được từ (1.11) mô hình trạng thái liên tục của ĐCDB rotor lồng sóc. a" dt = Ax! + Blu! + Nx’@ (1.13) Tai day ta sé nhan thay sự khác biệt co bản giữa mô hình trên hệ toa độ aB va mô hình trên hệ tọa độ dq: đó là sự xuất hiện của thành phan tương tác phi tuyến N. Đề hiểu rõ hơn ta phải xem xét bản chất vẫn đẻ, đối tượng ĐCXCBP được nuôi bởi điện áp stator là một đại lượng vector đặc trưng bởi: module |u, , sóc pha ban đầu 2} và vận tốc góc @.

Có thé tạm thời bỏ qua góc pha ban đầu 2,, ta kết luận: khi biểu diễn các thành phan của vector đại lượng vào, ngoài module còn phải có 4. Khi xét cụ thể ta nhận thấy: HVTH: Đặng Thanh Thuong MSHV: 10150055 Chương 1 8 GVHD: TS. Nguyễn Đức Thanh e Hai đại lượng đầu vào „và u,, của mô hình trên hệ toa độ af là đại lượng hình sin, đã ân chứa ø. e Hai đại lượng dau vào u,,va u,, của mô hình trên hệ tọa độ dq là đại lượng một chiều, chưa có ø.9) có đặc điểm của một hệ tuyến tính hệ số hàm.13) có chứa tích của vector trạng thái x’ với đại lượng vào thứ ba u, = @., tng với trường hop phi tuyến yếu.

Tham so cụ thê của hai ma trận 4°, ø' vàN: "“¬—=. Ø 0 vo l-o _l-o l-o of ƠI, Ø oT. Điểm khác nhau giữa hai mô hình là thành phan phi tuyến với ma trận N. Các ma trận còn lại giống hệt nhau.

Đến đây ta đã đặt nền tảng cơ bản cho các công việc tiếp theo. Các mô hình liên tục không thích hop cho việc thiết kế khâu DC. Các thiết bị DC làm việc gián HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương 1 9 GVHD: TS. Nguyễn Đức Thanh Hình 1.4 M6 hình trạng thái dang phi tuyến yếu của ĐCDB trên hệ tọa độ dq.

đoạn và cũng chi thu thập dữ liệu, xu ly giá tri thực của động cơ ở các thời điểm gián đoạn cách đều. Vì vậy, cần phải xét đến đặc điểm đó của hệ thống, sử dụng một mô hình gián đoạn của đối tượng khi thiết kế. Việc đi tìm mô hình gián đoạn của ĐCDB là nhiệm vụ của mục tiếp theo. Ta sẽ lần lượt tìm cho cả hai hệ tọa độ từ thông dq và hệ toa độ stator af, vì trong thực tiễn vẫn ton tại các giải pháp ĐC trên cả hai hệ đó.3 Mô hình gián đoạn của DCKDB: Về nguyên tắc, việc gián đoạn hóa mô hình liên tục của đối tượng của các doi tượng tuyến tinh với hệ số hang tương đôi đơn giản.

Nếu xét tới đặc điểm của một hệ truyền động điện, gud trình quá độ của các đại lượng điện bao giờ củng xảy ra nhanh hon quá trình quả độ của các đại lượng cơ, ta sẽ thay mô hình của ĐCDB trên hệ tọa độ stator aB có thể được coi là tuyến tính hệ số hằng. Điều kiện trên sẽ không còn được thỏa mãn khi xét đối tượng trên hệ tọa độ từ thông. Hệ có đặc điểm phi tuyến yếu, thêm vào đó: vận tốc góc @ (bao gôm tốc độ quay @ và phụ tải @) đã làm cho mô hình mang đặc điểm của một đối tượng hệ số hàm. Điều này gây khó dễ cho việc tìm mô hình gián đoạn.

Tuy nhiên, dưới điều kiện: nêu các đại lượng vào w,,, z„ và ø có thê được coi là hang trong phạm vi chu HVTH: Đặng Thanh Thuong MSHV: 10150055 Chương 1 10 GVHD: TS. Nguyễn Đức Thành kỳ trích mẫu, ta vẫn có thé tiến hành gián đoạn hóa mô hình phi tuyến yếu với hệ số hàm nói trên. Mô hình gián doan của DCKDB trong hệ toa độ af Mô hình gián đoạn DCKDB: x(k +1) = @°x'(k) + H*w°() (1.16) Mô hình nay có thé được triển khai thành hai phương trình như sau: là +1) =@% i(k) + Oy! (k)+ Hui (k) ự7(K+D=®j2(&)+®),W2 (k) (1.17) 11 Ø 1, Ø 0 pty ee) eg : of, 7, Ø Ø 1, T 0 [TT —ol l ; " 7, T, TR a 9 2 or 1= ®, ®, Tự _ —— QO OL, H’= 0 T— — A, OL, H; 0 | 00.18) Việc biéu diễn mô hình trạng thái gián đoạn bang các ma trận con cho phép ta HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương 1 11 GVHD: TS. Nguyễn Đức Thanh nhìn rõ hơn quan hệ vật lý nội tại của ĐCDB.

H; E - Thờ | (k +1) ws | [aie Nt | because H, =0 _- _ = | s/f | yp is (&) | discontinued, Hình 1.5 Cau tric mô hình trạng thai giản đoạn cua DCDB trên hệ toa độ Stator. Mô hình gián doan của DCKDB trong hệ tọa độ dq Mô hình gián đoạn DCKDB: x/(+)=®'x/(k)+Nu/ (k) (1.20) Mô hình nay có thé được triển khai thành hai phương trình như sau: HVTH: Đặng Thanh Thuong MSHV: 10150055 Chương 1 12 GVHD: TS. Nguyễn Đức Thành discontinued, because HỆ =0 | Hình 1.6 Cau tric mô hình trạng thai giản đoạn của DCDB trên hệ tọa độ từ thông rotor.21) 2 bytes ol I-oT leo - 1 _ _ of, T o 7, Ø oT, T, ơ o T, + 0 I—— (@ —@)T = _ | ®/ o 2 ⁄ -(@ ~@Wf 1-5 | Là Px (1.22) HVTH: Dang Thanh Thuong MSHV: 10150055 Chương 1 13 GVHD: TS. Nguyễn Đức Thành _— 0 OL, oL, Hi 0 0 0 0 L : (1.23) Việc biêu diễn mô hình trạng thái gián đoạn băng các ma trận con cho phép ta nhìn rõ hơn quan hệ vật lý nội tại của ĐCDB.

HVTH: Đặng Thanh Thương MSHV: 10150055 Chương 2 14 GVHD: TS. Nguyễn Đức Thành CHƯƠNG 2. DIEU KHIEN VECTOR TỰA THEO TỪ THONG ROTOR ĐỘNG CO KHONG DONG BO 2. Khái quát cau trúc hệ : 2.

Vector không gian và hệ tọa độ từ thông Ba dòng pha hình sin phía stator i,,, i, và i,, của DCXCBP không nối điểm trung tính: i „Œ) +1) +1,, (t) =0 (2.1) có thé được mô tả dưới dạng vector i,(t) quay trên không gian với tan sô stator f. i, =F [ig +10)67 tủy Qe! Jy=2213 (2.