CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Sự phát triển của khoa học công nghệ ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp. Trong lĩnh vực điều khiển động cơ, đối với động cơ không đồng bộ ba pha mặc dù việc chế tạo khá đơn giản và giá thành thấp. Tuy nhiên việc điều khiển chính xác tốc độ của loại động cơ này thì phức tạp hơn nhiều so với việc điều khiển các loại động cơ khác. Nhờ vào sự phát triển của ngành công nghiệp vi xử lý nên việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển phức tạp vào điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha ngày càng trở nên dễ dàng hơn.
Phương pháp điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến dựa vào hồi tiếp các biến trạng thái của hệ thống. Bộ điều khiển được thiết kế sao cho quỹ đạo pha của hệ thống luôn hướng về một mặt phẳng trượt. Một khi quỹ đạo pha đã nằm trên mặt trượt thì chúng sẽ tiến về vị trí mong muốn. Vì vậy bài toán điều khiển chuyển thành điều khiển ổn định hóa hàm trượt.
Điều khiển trượt có hai thành phần là thành phần điều khiển tương đương và thành phần điều khiển bền vững. Nhiệm vụ chính của thành phần điều khiển bền vững là điều khiển quỹ đạo pha của các trạng thái luôn hướng về mặt trượt. Khi quỹ đạo pha đã nằm trên lân cận mặt trượt thì thành phần điều khiển tương đương có tác dụng điều khiển các trạng thái bám sát trên mặt trượt. Để thiết kế thành phần điều khiển tương đương trong điều khiển trượt, ta cần phải biết rõ mô hình của đối tượng điều khiển.
Còn để thiết kế thành phần điều khiển bền vững trong điều khiển trượt thì ta cần phải biết các giới hạn của các thành phần bất định trong mô hình của đối tượng cần điều khiển. Trong đó, các dạng thành phần bất định của mô hình đối tượng điều khiển bao gồm nhiễu của hệ thống, nhiễu đo lường, sai số của mô hình. [1] 1 Luan van Trong luận văn này, tôi lựa chọn đề tài “Điều khiển trượt động cơ không đồng bộ ba pha” để nghiên cứu ứng dụng giải thuật điều khiển trượt để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc.2 Tình hình nghiên cứu Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha là một vấn đề đã được nghiên cứu từ rất lâu và hiện tại có rất nhiều phương pháp để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha hiện đang được áp dụng: + Phương pháp điều khiển V/f. + Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Orient Control – FOC).
+ Phương pháp điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control – DTC). + Phương pháp điều khiển dùng logic mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC). + Phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra (Input Output Linearization – IOL) + Phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control – SMC). Phương pháp V/f là phương pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp.
Đặc điểm của phương pháp này là mối quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số. Cấu trúc mạch điều khiển thì đơn giản và thường sử dụng dạng không có hồi tiếp tốc độ. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là độ chính xác về đáp ứng tốc độ và moment không cao. Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Orient Control – FOC) là phương pháp điều khiển vector đầu tiên đối với động cơ không đồng bộ được trình bảy bởi K.
Blaschke (Direct FOC) trong những thập niên 1970. Phương pháp này được nghiên cứu và thảo luận bởi nhiều nhà nghiên cứu. Với phương pháp này các phương trình của động cơ được chuyển về hệ tọa độ quay đồng bộ với vector từ thông rotor. Phương pháp FOC có hai loại là điều khiển định hướng theo từ thông stator và điều khiển định hướng theo từ thông rotor.
Tuy nhiên phương pháp điều khiển định hướng theo từ thông rotor có nhiều ưu điểm vượt trội hơn. Hiện nay có hai phương pháp tiếp cận trong điều khiển vector từ thông rotor thường được sử dụng là phương pháp điều khiển trực tiếp (Direct Rotor 2 Luan van Field Oriented Control – DRFOC) và phương pháp điều khiển gián tiếp (Indirect Rotor Field Oriented Control – IRFOC). Với phương pháp DRFOC ta sử dụng cảm biến để đo từ thông rotor của động cơ, phương pháp này có nhược điểm là cảm biến sẽ làm mô hình động cơ thêm cồng kềnh, phức tạp, giá thành tang đồng thời từ thông đo được cũng không chính xác. Còn đối với phương pháp IRFOC thì dựa vào việc đo vị trí của rotor.
Do phương pháp DRFOC có nhiều nhược điểm nên với phương pháp IRFOC này dễ được chấp nhận hơn. Vấn đề đặt ra là làm sao xây dựng được mô hình nhằm hiệu chỉnh sai số của từ thông rotor và tốc độ của động cơ được ước lượng hồi tiếp về. Với phương pháp DTC, từ thông và moment điện từ được điều khiển trực tiếp và độc lập bằng cách chọn chế độ chuyển mạch tối ưu cho bộ nghịch lưu nguồn áp dựa trên sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của moment và từ thông. Mặt khác ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu PWM thông qua các tín hiệu điều khiển đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép đã được xác định từ trước.
Đối với phương pháp DTC có một số ưu điểm như đáp ứng moment tốt, giảm thiểu sự phức tạp trong việc điều khiển (không cần lắp cảm biến vào trục động cơ), độ chắc chắn và tính ổn định động cao. Phương pháp điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến dựa vào hồi tiếp các biến trạng thái của hệ thống. Bộ điều khiển được thiết kế sao cho quỹ đạo pha của hệ thống luôn hướng về một mặt phẳng trượt. Một khi quỹ đạo pha đã nằm trên mặt trượt thì chúng sẽ tiến về vị trí mong muốn.
Vì vậy bài toán điều khiển chuyển thành điều khiển ổn định hóa hàm trượt. Điều khiển trượt có hai thành phần là thành phần điều khiển tương đương và thành phần điều khiển bền vững. Nhiệm vụ chính của thành phần điều khiển bền vững là điều khiển quỹ đạo pha của các trạng thái luôn hướng về mặt trượt. Khi quỹ đạo pha đã nằm trên lân cận mặt trượt thì thành phần điều khiển tương đương có tác dụng điều khiển các trạng thái bám sát trên mặt trượt.
Để thiết kế thành phần điều khiển tương đương trong điều khiển trượt, ta cần phải biết rõ mô hình của đối tượng điều khiển. Còn để thiết kế 3 Luan van thành phần điều khiển bền vững trong điều khiển trượt thì ta cần phải biết các giới hạn của các thành phần bất định trong mô hình của đối tượng cần điều khiển. Trong đó, các dạng thành phần bất định của mô hình đối tượng điều khiển bao gồm nhiễu của hệ thống, nhiễu đo lường, sai số của mô hình.3 Mục tiêu và nhiệm vụ Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển trượt để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc. Trong đó có cải thiện hiện tượng dao động chattering.
Nhiệm vụ của đề tài bao gồm: - Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trên hệ trục tọa độ dq. - Nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển trượt để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. - Xây dựng mô hình mô phỏng bộ điều khiển trên Matlab/Simulink. - So sánh kết quả với phương pháp điều khiển PI từ đó nêu lên được các kết quả đạt được của đề tài.4 Giới hạn đề tài Nghiên cứu lý thuyết điều khiển trượt động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc.5 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu, phân tích và tổng hợp lý thuyết.
Dùng phần mềm Matlab/Simulink để mô hình hóa và mô phỏng bộ điều khiển.6 Nội dung luận văn Luận văn gồm năm chương như sau: Chương 1 trình bày tổng quan về các tài liệu có sẵn về điều khiển vô hướng, điều khiển vector và nêu những điểm hạn chế của nó. Chương 2 trình bày mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha được thể hiện qua các phương trình vi phân trong hệ trục tọa độ (d – q). 4 Luan van Chương 3 tập trung thiết kế bộ điều khiển trượt điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha. Chương 4 xây dựng mô hình bộ điều khiển trượt điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha trên phần mềm Matlab/Simulink, trình bày các kết quả mô phỏng.
Chương 5 Kết luận và đưa ra một số khuyến nghị để phát triển trong tương lai. 5 Luan van CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Giới thiệu Mặc dù việc thiết kế, xây dựng động cơ không đồng bộ ba pha khá là đơn giản, nhưng việc điều khiển tốc độ thì phức tạp hơn nhiều so với động cơ DC 1 chiều. Nguyên nhân là do mô hình không gian đa biến trạng thái có tính tương tác cao và đặc tính phi tuyến của động cơ. Những tiến bộ mạnh mẽ , mang tính cách mạng trong vi xử lý và những bộ biến tần tĩnh với tần số thay đổi cùng với việc ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại cho phép ta có thể xây dựng được những bộ điều khiển phức tạp dùng cho việc truyền động động cơ AC.
Việc thiết kế và phát triển hệ thống truyền động yêu cầu mô hình toán học phù hợp của động cơ nhằm tối ưu hóa cấu tạo của bộ điều khiển, đầu vào cần thiết và những tham số khuếch đại. Trong chương này sẽ trình bày việc mô hình hóa động cơ không đồng bộ ba pha.2 Cơ sở lý thuyết vector không gian và hệ tọa độ.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha Động cơ không đồng bộ ba pha có 3 cuộn dây ở stator, khi cấp ba điện áp vào ba đầu cuộn dây stator của động cơ, ba điện áp này có thể lấy từ lưới điện hay từ bộ nghịch lưu thì ba điện áp này thỏa mãn phương trình sau: 6 Luan van Hình 2.1: Điện áp stator của động cơ không đồng bộ ba pha usa(t) + usb(t) + usc(t) = 0 (2.2) 𝑢𝑠𝑐 (𝑡 ) = |𝑢𝑠 |cos(𝜔𝑠 𝑡 + 1200 ) Xét về phương diện mặt phẳng cơ học, mặt cắt ngang động cơ không đồng bộ ba pha có 3 cuộn dây nằm lệch nhau một góc 1200. Nếu trên mặt cắt đó, ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực trùng với trục cuộn dây pha A của động cơ.