Chương 1: TONG QUAN 1. Ngày nay, các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền. Ước tính có khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền động điện. [TLTK 4] Hệ truyền động điện có thê hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được.
Hiện nay khoảng 75 + 80% các hệ truyền động là loại hoạt động với tốc độ không đổi.Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ dé phối hợp đặc tính động cơ và đặc tính tải theo yêu cầu. Trong đó động cơ điện xoay chiều được chia làm 2 loại: Động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như: Kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việc trong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nỗ cao.
Vì những ưu điểm này nên động cơ không đồng bộ được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW.2 Các phương pháp điều khiển ĐC KĐB. Do tính phức tạp trong mô hình toán nên việc điều khiển tốc ĐCKĐB trở nên khó khăn. Ngày nay, sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi xử lý đã cho phép áp dụng các giải thuật điều khiển phức tạp trong thời gian thực điều khiển Trang số -1- Luận văn thạc sĩ - Ứng dụng phương pháp đk backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB ĐCKĐB. Do vậy, nhiều nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đã đề xuất nhiều phương pháp điều khiển khác nhau như phương pháp điều khiển tựa trường (FOC)[TLTK 3, 4], phương pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ (DTC) [TLTK 3, 4].Trong những năm gần đây, một số tác giả đề xuất nhiều phương pháp điều khiển ĐCKĐB mới đặc biệt là các phương pháp điều khiển phi tuyến, có thể kể đến như: Điều khiển dùng mô hình nội (Internal Model Control: IMC), điều khiển trượt (Sliding Mode Control: SMC).Mặc dù mỗi phương pháp từ khi xuất hiện đều đã đưa ra những kết quả nhất định nhưng đa số đều có những khuyết điểm riêng và cần khắc phục hơn nữa nhằm nâng cao chất lượng điều khiển.
Luận văn này chủ yếu nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping (cuỗn chiếu) để điều khiển tốc độ ĐCKĐB. Tuy nhiên để có cái nhìn tổng quát về các phương pháp điều khiển thuộc nhóm 2 này, tác giả trình bày tóm tắt hai phương pháp điều khiển điển hình, truyền thống là: Điều khiển trực tiếp mô men ( DTC: Direct Torque Control), Điều khiển định hướng trường (FOC: Field Oriented Control) trước khi đi vào phương pháp điều khiển backstepping. Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control: FOC) Nguyên lý điều khiển FOC dựa trên phương pháp phân tích phi tuyến được sử dụng trong các hệ thống phi tuyến. Bản chất của phương pháp này là điều khiển các biến đã chọn sao cho chúng luôn bằng 0.
Như vậy mô hình toán học sẽ trở nên đơn giản hơn vì có thể loại bớt một số biến trong mô hình tổng quát. Nguyên lý định hướng trường xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ thông và momen. Mô hình toán học động cơ trong hệ tọa độ dq (xem chỉ tiết chương 2): Trang số -2- Luận văn thạc sĩ - Ứng dụng phương pháp đk backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB di, [ 1 „is i ¢0i. +22 1- 1 u dt oT, oT, })* `* ơTL, “” ơL, Var oL, “ Myf 1 tee), oi 4 tee y et oy 4 dt oT, oT J® ** oTL, Ver oL,, Vor oL, * dy, Ly.1 _ = T, las _- — OW or (1.
1 = ig 7 Ve FOV r r M, = <p = (Warkes — W¿i¿ } = 50a (Vai — Wại¿.} rer Néu y,,= 0 thi: M= wld PL, .2) Nếu thỏa mãn điều kiện y „ = const thì có thé diéu khién momen bang dong i, 4 1. Sơ đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor. Nguồn | - | i Ts ; Hệ thông >| Bo nghich định hướng > lưu MÌ————>_ tựa trường > zk Tin hiéu hồi tiếp Động cơ KDB Hình 1.3: Sơ đô khối tổng quát của hệ thông điều khiển Trang số -3- Luận văn thạc sĩ - Ứng dụng phương pháp đk backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB Sơ đồ hệ thống điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ được trình bày như hình 1. Hệ thống định hướng tựa theo vectơ từ thông tạo ra các tín hiệu dong stator đặt ở ngo ra i., dựa trên tín hiệu ngõ vào là từ thông rotor và momen động cơ.
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ cung cấp dòng stator ¡„„i„,¡. theo các giá trị đòng yêu cầu. Như trình bày trên hình 1.3, động cơ không đồng bộ được điều khiển định hướng theo vectơ từ thông, các thành phần dòng ¡„ và 1„„ được sử dụng dé điều khiển độc lập từ thông và momen. Vì vậy, hệ thống điều khiển định hướng theo vectơ từ thông trên hình I.3 đầu tiên sẽ chuyển đổi tín hiệu y, và M” thành tín hiệu điều khiển tương ứng i s và ing của các vectơ dòng stafor trong hệ tọa độ trục dq và sau đó chuyền đổi tín * hiệu điêu khiến các dòng pha stator ¡j.
Để chuyên tín hiệu ïj_ và ï; sang 7 „; ,¡ˆ, sử dụng phép biến đổi øØ —› abe và để chuyển doi tin higu ij, va i,, sang i,, va i,, can sir dung phép chuyển trục dq + af. Tuy nhién tro ngại ở phép chuyên trục dq > af 1a cac giá trị của thành phần ct. Van dé là hệ trục tọa độ quay dq được định nghĩa quay cùng vận tốc góc với các đại lượng vectơ của động cơ. Vì thế một đại lượng vectơ sẽ được chọn làm chuẩn để định vị hệ trục tọa độ quay dq theo vectơ này.
Đây là bản chất của phương pháp điều khiển định hướng hệ trục tọa độ quay tựa theo vectơ chuẩn. Trên thực tế có nhiều phương án để thực hiện kỹ thuật điều khiển định hướng tựa trường (từ thông) tùy theo vectơ nào được chọn làm chuẩn. Trong phương pháp tiếp cận cô điển, vectơ thường được chọn làm chuẩn là vectơ từ thông rotor y , và hệ trục Trang số -4- Luận văn thạc sĩ - Ứng dụng phương pháp đk backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB tọa độ quay dq sẽ được định vị theo vectơ này. Sơ đồ điều khiển vectơ trong trường hợp này được gọi là sơ đồ định hướng tựa theo vectơ từ théng rotor.
VỊ trí góc của vectơ từ thông rotor ®” trong hệ tọa độ nh z/ được định nghĩa là Ø. Phép bién hinh dq > af duge viết lại là : ánh Đã : ` bs §in(,) cos(q,) 8.4 Từ thông rotor sẽ được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh thành phần ¡„ của vectơ dòng stator một cách độc lập so với điều khiên moment thông qua quá trình hiệu chỉnh thành phần i,,. Yéu cầu đối với bộ điều khién này là xác định chính xác giá trị góc 6, (la vi tri của vectơ y,). Điều này có thể thực hiện một cách trực tiếp hoặc gián tiếp dẫn tới 2 phương pháp điều khiển hướng trường: - Phương pháp điều khiển trực tiếp: Sử dụng cảm biến để đo trực tiếp từ thông động cơ.
- _ Phương pháp điều khiển gián tiếp: Dựa trên việc đo vị trí rotor. Sơ đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor trực tiếp. s Dam Khau hiéu chinh Khâu tin từ thông —†Khâu hiệu chỉn - Nghịch lưu | hậu tính mômen Hình 1.4 Sơ đồ khối điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rolor trực tiếp Trang số -5- Luận văn thạc sĩ - Ứng dụng phương pháp đk backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB Trong sơ đồ điều khiển vectơ trực tiếp, biên độ và vị trí góc của vectơ từ thông chuẩn được đo hoặc ước tính từ các giá trị của điện áp và dòng stator thông qua các bộ phận quan sát từ thông. Bằng cách đặt các cảm biến hiệu img Hall vào trong các khe hở không khí của động cơ ở trục zvà , có thể xác định các thành phần tương ứng của vectơ từ thông khe hở không khí y „.
Ta có : Y„= Lain= Lạ(, + i, ) (13) .4) Li : Do vecto F , khac véi vecto y ,, boi tir thong tan trong roto, vay: + Li +L c1 lễ = 1= - 1T Yr Ym Ir Ym “fr số © 1,9 .5 Ệ Le” Ir's L,, Ym Ir's ( ) Việc ước lượng từ thông được thực hiện như sau : - Cac tin hiéu i,, va i,,dugc tinh tir dong stator thu i,,,i,,,i,, sw dung phép chuyén truc abe > af. - Phuong phap xac dinh y,, va F,, : L, : F,. F br L —F bm — Ly, (1.7) Trang số -6- Luận văn thạc sĩ - Ứng dụng phương pháp đk backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB - _ Biên độ và góc pha : F,+EF,b FĐq, Khâu tính toán moment theo các bước sau: - Phép biến hình abe->z# được dùng để chuyển dòng stator ®1 1, , Ingo tˆc as ot - Goc Ø, lây từ ngõ ra khâu tính toán từ thông rotor. - _ Biên độ ở, của từ thông rotor được tính từ khâu tính toán từ thông rotor.
Sơ đồ điều khiển định hướng theo vectơ từ thông gián tiếp. Cảm biến vị trí Động cơ Nghịch lưu Hình 1.5 Sơ đồ khối điều khiển định hướng theo vectơ từ thông rotor gián tiếp Trong phương pháp điều khiển trực tiếp, góc Ø, của vectơ từ thông rotor được đo trực tiếp nhờ cảm biến Hall. Ngược lại, trong phương pháp điều khiển gián tiếp, góc 6. được tính toán dựa trên vận tốc trượt œ„ và thông tin về vận tốc động cơ øœ.
t t t 0, = [edt = | dt + | ødt (1.8) 0 0 0 Với Ø là góc dời của rotor và có thể được đo bằng cảm biến vị trí trục. Vận tốc trượt ø} có thể được tính từ các phương trình sau. Trang số -7- Luận văn thạc sĩ - Ứng dụng phương pháp đk backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB Do y,= y „ nên phương trình (1.10) Từ phương trình (1.10) ta có thể suy ra y„[I+ T,(p+ jwj)]= Lại, (1.11) Phan thực và phần ảo của phương trinh (1.11) 1a: [I+ Tp]= Lại Yat DÌ ™ sd (1.12) y ar dy -Wa = Lit Vậy tốc độ ø„ được tính như sau: Lựa, w= (1.