a. Điện áp và sức điện động stato
-5
/6
V1
V2
V6
V5
V4
V3
-
/6
/6
/2
5
/6
-
/2
F
S
1
1S
F
ˆ
IS
S
-IS
Rs
-ISRs
US-IS(RS+
RS)
0 US-ISRs
Hình 1. Đồ thị minh họa ảnh hưởng của Rs
b) Từ thông stato
ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI ĐIỆN TRỞ STATO
TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔMEN
THE EFFECT OF STATOR RESISTANCE VARIATION ON DIRECT TORQUE
CONTROLLED PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR DRIVES
VÕ NHƯ TIẾN
Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Trong quá trình làm việc, điện trở dây quấn stato của động cơ thay đổi theo nhiệt độ hay tần
số, dẫn đến sai số trong việc ước lượng từ thông, mô men điện từ, làm ảnh hưởng xấu đến
chất lượng hệ truyền động điều khiển trực tiếp mô men (DTC). Vì vậy cần phải xem xét và bù
ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở stato. Bài báo khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi điện
trở trong DTC, đề xuất thuật toán bù sự thay đổi điện trở stato.
ABSTRACT
The variation of stator resistance due to temperature and frequency degrade direct torque
control (DTC) controller performance at low speed. So the compensation for the effect of
stator resistance varation is necessary. This paper investigates the effect of variation of stator
resistance on DTC performance. A method of stator resistance estimation is also proposed in
this paper.
1. Đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở stato
Phương pháp DTC là dựa vào sai lệch giữa mô men đặt với mô men ước lượng và sai
lệch giữa từ thông đặt với từ thông stato ước lượng, trong đó việc ước lượng mô men được
tính theo giá trị từ thông được ước lượng, do vậy việc ước lượng từ thông có tính quyết định
trong phương pháp DTC.
Từ thông stato:
Fs = f(Us -
R
ˆsIs) dt
Fs = f(Us -
R
ˆsIs) dt (1)
Từ biểu thức (1) ta thấy rằng module và góc pha của từ thông stato cũng thay đổi. Nếu
gọi F là giá trị từ thông stato thực và FS là giá trị từ thông stato được ước lượng, khi không xét
tới sự thay đổi của RS, tại thời điểm t1, ta tính được giá trị từ thông thay đổi:
)dtiR(Δ-
)dtiR(uF -)dt iR
ˆ
(uF
ˆ
FF
ˆ
F
ss
t
t
ss
t
t
s0ss
t
t
s0
s
s
s
s
1
0
1
0
1
0
(2)
Giá trị từ thông thực và từ thông ước lượng tại thời điểm đang xét được biểu diễn như
trên hình 1b. Ta thấy rằng khi dùng giá trị từ thông được ước lượng, nếu không xét tới
RS sẽ
tạo ra sai lệch từ thông có giá trị âm và do đó véc tơ điện áp chuẩn được chọn là V3. Trong
khi đó nếu giá trị từ thông được ước lượng là đúng thì sai lệch từ thông có giá trị dương và
véc tơ điện áp chuẩn được chọn phải là V2. Qua đó chúng ta có thể thấy được ảnh hưởng của
RS tới việc chọn véc tơ điện áp chuẩn.
Khi động cơ hoạt động ở vùng tốc độ cao, thành phần (IS.
Rs) giá trị không đáng kể
so với thành phần (US – ISRS), lượng sai lệch từ thông
F là không đáng kể so với FS. Hơn
nữa khi tốc độ động cơ càng lớn thì tốc độ quay của véc tơ từ thông càng lớn, sai lệch từ
thông bé gần như không ảnh hưởng tới việc chọn véc tơ điện áp chuẩn, trong trường hợp này
có thể bỏ qua sự thay đổi của điện trở.
Khi động cơ làm việc ở vùng tốc độ thấp hoặc cận không, thành phần (IS
Rs) có giá
trị đủ lớn so với thành phần (US – IS.RS), kéo theo sai lệch từ thông đủ lớn so với FS. Điều này
dẫn tới lượng sai lệch lớn về biên độ véc tơ từ thông cũng như góc tải, do vậy đưa hệ thống
tới trạng thái mất ổn định.
Khi module và góc pha của véc tơ từ thông stato thay đổi sẽ làm cho hai thành phần từ
thông Fs
và Fs
không còn dạng hình sin nữa, làm cho quỹ đạo từ thông thay đổi về tốc
độ góc, độ lớn và có thể dẫn đến trạng thái mất ổn định, hình 2.
2. Nhận dạng và bù ảnh hưởng sự thay đổi điện trở stato
Ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở stato trong phương pháp DTC đã được trình bày
trong mục 1. Khi điện trở stato thay đổi sẽ dẫn tới sự thay đổi của từ thông theo biểu thức (2),
trong biểu thức này nếu coi dòng điện là không đổi, trong mỗi chu kỳ tính. Quan hệ tuyến tính,
giữa lượng thay đổi từ thông
Fs với lượng thay đổi điện trở stato
Rs theo biểu thức (3):
tI
F
R
S
S
S
(3)
wb
s
s
c) Đáp ứng mô men d) Quỹ đạo từ thông stato
a) Điện trở stato b) Đáp ứng từ thông stato
F
s
Fs
N.m
s
Hình 2. Ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở stato
Sử dụng một khâu tích phân (PI) để thực hiện ước lượng thành phần thay đổi của điện
trở (Rs được thể hiện theo biểu thức (4):
Rs = (KP + Ki/S) FS (4)
Với Kp là hằng số tỷ lệ được chọn dựa vào biểu thức (3), Ki là hằng số tích phân được
chọn theo thực nghiệm, phụ thuộc vào đặc tính gia nhiệt của cuộn dây và chế độ làm việc cụ
thể của động cơ.
Sai lệch giữa từ thông đặt và từ thông ước lượng qua khâu lọc thông thấp, với tần số
cắt nhỏ nhằm làm suy giảm thành phần tần số cao của từ thông stato ước lượng. Tín hiệu sau
bộ lọc được đưa tới khâu ước lượng sự thay đổi điện trở để đưa ra thành phần
Rs, lượng
thay đổi này được cộng với giá trị điện trở ở chu kỳ tính trước (k - 1). Giá trị điện trở ước
PI
RS(k)
Lọc thông thấp
Lọc thông thấp
RS
RS(k-1)
R'S(k)
Hình 3. Cấu trúc bộ bù sự thay đổi điện trở
s
1
τ1
1
1/s
Kp
K
i
s1
1
2
FS(k-1)
F*S(k)
c. Đáp ứng mô men d. Quỹ đạo từ thông
Hình 4. Bù ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở stato
a. Điện trở stato b. Đáp ứng từ thông stato
s
s
N.m
Wb
s
F
s
Fs
lượng tiếp tục được đi qua bộ lọc thông thấp để cắt các thành phần sóng hài bậc cao, đưa ra
giá trị điện trở đến chu kỳ tính thứ k.
Điện trở stato được ước lượng tại chu kỳ tính thứ k, được sử dụng để ước lượng từ
thông và mô men tại chu kỳ tính thứ k. Động cơ sử dụng loại servo 750 Watts. Kết quả mô
phỏng khi có bù sự thay đổi điện trở
Rs được thể hiện trên hình 4.
3. Kết luận
Khi không bù ảnh hưởng điện trở Rs thì trong quá trình làm việc điện trở stato tăng, hệ
thống sẽ dễ rơi vào vùng mất ổn định.
Sau khi bù ảnh hưởng của sự thay đổi điện trở stato, các đặc tính của động cơ như từ
thông, quỹ đạo từ thông, mô men được cải thiện một cách đáng kể.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Võ Như Tiến, Nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động động cơ xoay chiều
đồng bộ, đề tài NCKH cấp Bộ, mã số B 99 - III – 12, 2002.
[2] Võ Như Tiến, Bùi Quốc Khánh, Đoàn Quang Vinh, “Điều khiển trực tiếp mô men trong
truyền động động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học
Toàn quốc về Tự động hóa, lần thứ 5 (VICA 5), trang 202-207, 2002.
[3] Võ Như Tiến, Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ truyền động động cơ đồng bộ nam châm
vĩnh cửu điều khiển trực tiếp mô men, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội, 2004.
[4] M. F. Rahanman, L. Zhong, “Analysis of Direct Torque control in Permanent Magnet
Synchronous Mômen tor Drives”, IEEE. Trans. on Power Electronics, Vol.12, No. 3, pp. 528
– 535, 1997.
[5] P. Z. Grabowski, M.P. Kazmierkowski, “A Simple Direct Torque Neuro Fuzzy Control of
PWM Inverter Fed Induction Motor Drive” IEEE Trans. Ind. Electronics, Vol. 47, No. 4, pp
863- 777, 2000.
[6] Jorge Solsoma, M. I. Valla, C. Muravchik, “On Speed and Rotor Position Estimation in
Permanent Magnet AC Drives”, IEEE Trans. on Ind. Electronics, Vol. 47, No. 5, pp 1176 –
1180, 2000.