Báo cáo tóm tắt đề tài khoa học và công nghệ cấp Bộ: Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao

Chia sẻ: Mucnang000 Mucnang000 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là Mô hình hóa, mô phỏng và đề xuất các giải pháp điều khiển và điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao. Các kết quả nghiên cứu sẽ được mô phỏng và phân tích làm tiền đề cho các ứng dụng trong công nghiệp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tóm tắt đề tài khoa học và công nghệ cấp Bộ: Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO Đà Nẵng, 11/2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO
I MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................................... I DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................................ II THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................................... III INFORMATION ON RESEARCH RESULTS ............................................................................. IV MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ................................................................................................ 2 1.1 Tổng quan về hệ truyền động điện tốc độ cao ....................................................................... 2 1.2 Tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở ................................................................................... 2 1.2.1 Nguyên lý cơ bản của động cơ đồng bộ từ trở ..............................................................2 1.2.2 Các cấu trúc roto của động cơ đồng bộ từ trở ...............................................................2 1.3 Điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở ............................................................. 2 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ ..................... 3 2.1 Mô tả bàn thí nghiệm............................................................................................................. 3 2.2 Mô hình động cơ đồng bộ từ trở ............................................................................................ 3 2.2.1 Phương trình điện áp trong hệ tọa độ abc ......................................................................3 2.2.2 Phương trình điện áp trong hệ tọa độ .......................................................................3 2.2.3 Phương trình điện áp trong hệ tọa độ quay d-q .............................................................3 2.2.4 Phương trình động học ..................................................................................................3 2.3 Nhận dạng tham số điện cảm................................................................................................. 3 2.3.1 Xác định giá trị điện trở stator .......................................................................................3 2.3.2 Nhận dạng giá trị điện cảm stator ..................................................................................3 2.4 Mô phỏng động cơ đồng bộ từ trở ......................................................................................... 3 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ................................................................................... 5 3.1 Cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ từ trở .......................................................................... 5 3.2 Phương pháp điều khiển tối ưu động cơ đồng bộ từ trở ........................................................ 5 3.2.1 Giới hạn dòng điện và điện áp .......................................................................................5 3.2.2 Phương pháp điều khiển tối ưu M/I (MTPA) ................................................................5 3.2.3 Phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ (MTPW) .............................................................5 3.3 Kết quả mô phỏng ................................................................................................................. 5 3.4 Kết luận ................................................................................................................................. 7 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG ....................... 8 4.1 Giới thiệu chung .................................................................................................................... 8 4.2 Nguyên lý bộ lọc Kalman mở rộng ....................................................................................... 8 4.3 Bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình đầy đủ (bậc 4) .................................................... 8 4.3.1 Mô hình trạng thái bậc 4 của động cơ đồng bộ từ trở ...................................................8 4.3.2 Ước lượng tốc độ với bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình đầy đủ (bậc 4) .........9 4.3.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm nghiệm .................................................................10 4.4 Bộ lọc Kalman mở rộng bậc 2 dựa trên mô hình ngược ..................................................... 12 4.4.1 Mô hình ngược của động cơ đồng bộ từ trở ................................................................12 4.4.2 Ước lượng tốc độ với bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình bậc 2 ......................13 4.4.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm nghiệm .................................................................13 4.5 Kết luận ............................................................................................................................... 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................. 17
II DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2-1 : Dạng sóng điện áp trên đầu cực động cơ ........................................................................4 Hình 2-2 : Giá trị dòng điện pha mô phỏng và đo từ thí nghiệm .....................................................4 Hình 2-3 : Giá trị dòng id,iq mô phỏng và giá trị đo .........................................................................4 Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển ................................................................................................5 Hình 3-2: Đáp ứng tốc độ ................................................................................................................6 Hình 3-3: Sai số tốc độ.....................................................................................................................6 Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện ..........................................................................................................6 Hình 3-5: Đáp ứng điện áp...............................................................................................................7 Hình 4-1: Cấu trúc điều khiển với bộ lọc Kalman mở rộng ............................................................8 Hình 4-2: Đáp ứng tốc độ ước lượng với mô hình bậc 4 ...............................................................10 Hình 4-3: Đáp ứng vị trí ước lượng với mô hình bậc 4 .................................................................11 Hình 4-4: Tốc độ ước lượng và tốc độ đo thực nghiệm .................................................................11 Hình 4-5: Sai số tốc độ ước lượng và tốc độ đo.............................................................................11 Hình 4-6: Tốc độ động cơ ở chế độ xác lập ...................................................................................11 Hình 4-7: sai số ước lượng ở chế độ xác lập..................................................................................11 Hình 4-8: Tốc độ lúc khởi động .....................................................................................................12 Hình 4-9: Vị trí rô to lúc khởi động ...............................................................................................12 Hình 4-10: Tốc độ thử nghiệm 8500 vòng/phút ............................................................................12 Hình 4-11: Sai số tốc độ ước lượng ...............................................................................................12 Hình 4-12: Tốc độ động cơ (mô phỏng) ........................................................................................14 Hình 4-13: Vị trí ước lượng (mô phỏng) .......................................................................................14 Hình 4-14: Tốc độ của động cơ .....................................................................................................14 Hình 4-15: Sai số giá trị ước lượng và giá trị đo ...........................................................................14 Hình 4-16: Tốc độ động cơ lúc khởi động .....................................................................................14 Hình 4-17: Vị trí rô to khi khởi động .............................................................................................14 Hình 4-18: Tốc độ động cơ 8500 vòng/phút với bộ ước lượng Kalman bậc 2 ..............................15 Hình 4-19: Sai số tốc độ khi thí nghiệm 8500 vòng/phút ..............................................................15
III THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao - Mã số: B2016-DNA-45-TT - Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Đức Quận - Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 12/2016 – 12/2018 2. Mục tiêu: - Mô hình hóa, mô phỏng và đề xuất các giải pháp điều khiển và điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao. - Các kết quả nghiên cứu sẽ được mô phỏng và phân tích làm tiền đề cho các ứng dụng trong công nghiệp. 3. Tính mới và sáng tạo: - Nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao, đặc biệt là nghiên cứu, đề xuất cho các ứng dụng trong thực tế. - Đề xuất giải pháp điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở nhằm giảm giá thành hệ truyền động điện tốc độ cao. 4. Kết quả nghiên cứu: - Điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng bậc 4 dựa trên mô hình động cơ thống. - Điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao với bộ lọc Kalman mở rộng bộc 2 dựa trên mô hình ngược được đề xuất. - Hai được phương pháp điều khiển này đã được mô phỏng và thí nghiệm trên một động cơ thí nghiêm có tốc độ 8.000 vòng/phút và công suất 15kW. 5. Sản phẩm: - Sản phẩm khoa học: Bài báo “ Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao” Tác giả: Nguyễn Đức Quận, Hoàng Dũng và Nguyễn Anh Duy. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN 1859-1531. Số: 11(120). Trang: 100 - 104 (Quyển 2). Năm 2017. - Sản phẩm đào tạo: Đào tạo 01 thạc sỹ đã bảo vệ thành công Luận văn thạc sỹ - Sản phẩm ứng dụng: Tài liệu về điểu khiển không cảm biến động cơ động bộ từ trở tốc độ cao. 6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu: - Chuyển giao kết quả nghiên cứu làm tiền đề cho các ứng dụng trong công nghiệp - Phòng thí nghiệm tự động hóa, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng - Tài liệu nghiên cứu đối với sinh viên đại học, học viên cao học và nghiên cứu sinh. - Góp phần cải thiện, nâng cao chất lượng hệ truyền động điện không cảm biến tốc độ cao.
IV INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Research high-speed sensorless control of synchronous reluctance motor Code number: B2016-DNA-45-TT Coordinator: Dr. Nguyen Duc Quan Implementing institution: The University of Danang Duration: from December 2016 to December 2018 2. Objective(s): - Modeling, simulating and proposing solutions to control and sensorless control of synchronous reluctance motors in applications of high-speed driver - The research results will be simulated and analyzed for industrial applications 3. Creativeness and innovativeness: - Research on high-speed sensorless control of synchronous reluctance motor, especially suggestion for practical applications. - propose solution for speed sensorless control of synchronous reluctance motor to reduce the cost of high-speed electric driver. 4. Research results: - Command without mechanical sensor of synchronous reluctance motor with Kalman Filter Extended of order 4, basing on motor classic model. - Command without mechanical sensor of synchronous reluctance motor with Kalman Filter Extended basing on second order inverse model of the machine proposed. - These two approaches are simulated and tested experimentally on a test bench with 8000 rpm - 15kW motors. 5. Products: - Scientific products: article: “Extended kalman filter application for high-speed sensorless control of synchronous reluctance motor”, Authors: Nguyen Duc Quan, Hoang Dung and Nguyen Anh Duy. Journal of Science an Technology, The University of Danang, vol. 2, no. 11(120), pp. 100–104, 2017. - Training products: Training 01 Master has successfully defended Master thesis - Application products: Document of high speed sensorless control of synchronous reluctance motor 6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: - Transfer of research results as the premise for applications in industry - Automation Laboratory, University of Technology and Education, the University of Danang - Study on materials for students, master students and PhD students - Improve and increase the efficiency of high-speed sensorless electric drives
Trang 1 MỞ ĐẦU Động cơ đồng bộ từ trở có cấu trúc đơn giản và vững chắc, có stator giống hệt stator của động cơ không đồng bộ hay động cơ đồng bộ truyền thống, rôto dạng cực lồi và đặc, không có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu, phù hơp cho các ứng dụng tốc độ cao và làm việc trong môi trường nhiệt độ cao. Do động cơ đồng bộ từ trở có cấu trúc đơn giản nên dễ dàng chế tạo, không có tổn thất ở rôto, giá thành rẻ hơn nhiều so với các loại động cơ khác có cùng công suất. Với những ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ từ trở như trên, trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị bán dẫn công suất và điều khiển số, động cơ đồng bộ từ trở đã thu hút sự chú ý và quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao. Để thực hiện điều khiển vectơ đối với động cơ đồng bộ từ trở, cần phải biết chính xác vị trí của rôto. Việc lắp đặt cảm biến để xác định vị trí của rôto tồn tại nhiều nhược điểm như kết cấu của hệ thống cồng kềnh, tăng giá thành của hệ thống, độ tin cậy và hiệu suất giảm trong trường hợp thiếu chính xác của cảm biến vị trí. Hầu hết các nhà sản xuất thiết bị ứng dụng luôn tìm kiếm giải pháp để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy, giảm tối đa chi phí sản xuất. Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở không sử dụng cảm biến tốc độ đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu, nhưng hầu hết các nghiên cứu chỉ tập trung đến điều khiển ở vùng tốc độ thấp và cận không (dưới 1.000 vòng/phút). Hiện nay, rất ít công trình nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao, đặc biệt là nghiên cứu, đề xuất cho các ứng dụng trong thực tế. Với yêu cầu phát triển và công nghiệp hóa đất nước, cùng với các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước, việc nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ động bộ từ trở cho các ứng dụng tốc độ cao là yêu cầu cần thiết và có ý nghĩa về mặt lý thuyết cũng như đề xuất các ứng dụng trong thực tế. Căn cứ vào điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam cũng như khả năng kết hợp với các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Chúng tôi đề xuất đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao”. 1. Mục tiêu đề tài Mô hình hóa, mô phỏng và đề xuất các giải pháp điều khiển và điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao. Các kết quả nghiên cứu sẽ được mô phỏng và phân tích làm tiền đề cho các ứng dụng trong công nghiệp. 2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu - Động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao - Các phương pháp điều khiển tối ưu và điều khiển không cảm biến - Bộ lọc Kalman mở rộng  Phạm vi nghiên cứu - Động cơ từ trở có công suất đến 15kW, tốc độ đến 8.000 vòng/phút - Nghiên cứu mô phỏng - Kiểm tra kết quả bằng thực nghiệm 3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu - Tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước, phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài - Kế thừa các kết quả đã có của nhóm tác giả thực hiện đề tài nghiên cứu - Đề xuất giải pháp mới nhằm tối ưu hóa mô hình động cơ trong điều khiển không cảm biến ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa, mô phỏng và phân tích kết quả mô phỏng bằng Matlab – Simulink - Nghiên cứu thực nghiệm
Trang 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày tổng quan về máy điện tốc độ cao và điều khiển không cảm biến tốc độ. Phần mở đầu chúng tôi sẽ trình bày các khái niệm về máy điện tốc độ cao và phân tích các máy điện được ứng dụng ở tốc độ cao đồng thời phân tích những ưu điểm của động cơ đồng bộ từ trở ở tốc độ cao. Phần cuối chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan về điều khiển không cảm biến tốc độ, đặc biệt là ở tốc độ cao. 1.1 Tổng quan về hệ truyền động điện tốc độ cao Trong hầu hết các hệ truyền động tốc độ cao sẽ bao gồm ba bộ phần chính : Máy điện, bộ phận điều khiển điện tử công suất và bộ phận truyền động cơ khí. Đối với hệ truyền động điện tốc độ cao chúng ta có thể phân ra thành hai nhóm truyền động chính đó là truyền động trực tiếp và truyền động gián tiếp. Các hệ truyền động trực tiếp được đặc trưng bởi khớp nối trực tiếp của máy điện với máy sản xuất. Ngược lại đối với các hệ truyền động gián tiếp cần có hộp tốc độ cơ khí kết nối giữa máy điện và máy sản xuất. Việc dùng hộp tăng tốc cho các máy sản xuất cần tốc độ cao có thể giảm được tốc độ quay cho máy điện thông qua tỉ số truyền của bộ tăng tốc cơ khí, nhưng giải pháp này sẽ tồn tại nhiều hạn chế. Do vậy việc sử dụng máy điện tốc độ cao kết nối trực tiếp với máy sản xuất để loại bỏ hộp giảm tốc sẽ làm giảm khối lượng hệ truyền động [1] và giảm chi phí và tổn thất của hệ thống truyền động [2], đồng thời nâng cao độ tin cậy và thuận lợi trong công tác bảo trì và sữa chữa hệ thống. Với việc loại bỏ hộp tốc độ sẽ giảm được tiếng ồn và tránh việc sử dụng dầu bôi trơn có thể gây khó khăn cho một số ứng dụng trong công nghiệp [3]. 1.2 Tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở 1.2.1 Nguyên lý cơ bản của động cơ đồng bộ từ trở 1.2.2 Các cấu trúc roto của động cơ đồng bộ từ trở Đối với động cơ đồng bộ từ trở, dòng điện stator sẽ làm nhiệm vụ từ hóa và tạo ra mô men từ trở, roto thướng có các dạng cơ bản như trong Gần đây, một cấu trúc roto đơn giản hơn dưới dạng đục lỗ dọc theo trục roto và cắt rãnh [4][5]. Với cấu trúc roto dạng này sẽ làm giảm tổn thất động học trong động cơ đặc biệt là vận hành ở tốc độ cao. 1.3 Điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở Để điều khiển vec tơ đối với động cơ đồng bộ từ trở, chúng ta cần phải biết chính xác vị trí của rô to. Tuy nhiên việc xác định vị trí của rô to bằng cảm biến tốc độ (Encoder) sẽ tồn tại một số nhược điểm như làm tăng kính thước, tăng chi phí cho hệ truyền động [6]. Do đó, nhiều Kỹ thuật điều khiển không cảm biến tốc độ đã được đề xuất trong những năm gần đây [7][8][9]. Đối với động cơ đồng bộ từ trở, phương pháp điều khiển không cảm biến thường được sử dụng là dựa trên sức điện động cảm ứng mở rộng [10]. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là không thể áp dụng ở vùng tốc độ thấp. Một phương pháp khác cũng được sử dụng để ước lượng tốc độ đối với động cơ đồng bộ từ trở là bơm tín hiệu tần số cao [11][12]. Tuy nhiên, phương pháp này lại không đáp ứng đối với vùng tốc độ cao. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF) để ước lượng tốc độ và vị trí của động cơ đồng bộ từ trở. Bộ lọc Kalman là một thuật toán ước lượng đệ quy áp dụng rất hiệu quả cho các hệ thống có nhiễu đo [8]. Trong một số tài liệu, điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng đã được đề xuất [9] [10]. Nhưng hầu hết chỉ áp dụng đối với động cơ có tốc độ trung bình và thấp (thường nhỏ hơn 1000 vòng/phút). Chúng tôi thực hiện điều khiển không cảm biến đối với động cơ động bộ từ trở tốc độ cao, tốc độ của động cơ đạt 8000 vòng/phút.
Trang 3 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ 2.1 Mô tả bàn thí nghiệm Các thí nghiệm đo đạc thực tế được chúng tôi phối hợp với đồng nghiệp thực hiện trên một bàn thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Điều khiển Máy điện của Trung tâm Nghiên cứu IREENA, Đại học Nantes, Cộng hòa Pháp. Đây là một bàn thí nghiệm chuyên về Điều khiền Máy điện tốc độ cao. Bàn thí nghiệm bao gồm một động cơ đồng bộ từ trở 3 pha có rotor đặc, cực lồi, công suất 15kW, tốc độ quay định mức 8.000 vòng/phút. Động cơ này được kết nối trực tiếp với một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có chức năng như một phụ tải. 2.2 Mô hình động cơ đồng bộ từ trở 2.2.1 Phương trình điện áp trong hệ tọa độ abc Với các giả thiết ở trên, mô hình động cơ đồng bộ từ trở trong hệ tọa độ cố định stator được mô tả như sau [13]: 𝑑 [𝑉𝑎𝑏𝑐 ] = [𝑅𝑠 ][𝐼𝑎𝑏𝑐 ] + [𝛹 ] (2-1) 𝑑𝑡 𝑎𝑏𝑐 2.2.2 Phương trình điện áp trong hệ tọa độ  Với một hệ thống dòng điện hai pha được tạo ra bởi hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc π⁄2 rad trong không gian, chúng ta cũng có thể tạo ra một hệ thống hai pha tương tự từ một hệ thống ba pha bất kỳ (a,b,c). Có hai phép chuyển đổi đó là phép chuyển đổi Clarke và phép chuyển đổi Concordia. Đối với phép chuyển đổi Clarke sẽ thỏa mãn điều kiện biên độ bất biến nhưng công suất và mô men sẽ thay đổi. Ngược lại đối với phép chuyển đổi Concordia sẽ thỏa mãn điều kiện công suất bất biến, do đó biên độ sẽ thay đổi. Trong nghiên cứu này chúng tối sử dụng phép biến đổi Clarke. 𝑣𝛼 𝑖𝛼 𝑑 𝛹𝛼 [𝑣 ] = 𝑅𝑠 [𝑖 ] + 𝑑𝑡 [𝛹 ] (2-2) 𝛽 𝛽 𝛽 2.2.3 Phương trình điện áp trong hệ tọa độ quay d-q 𝑣𝑑 𝑅𝑠 −𝐿𝑞 𝑖𝑑 𝐿𝑑 0 𝑑 𝑖𝑑 [𝑣 ] = [ ] [𝑖 ] + [ 0 𝐿 ] 𝑑𝑡 [𝑖 ] (2-3) 𝑞 𝐿𝑑 𝑅𝑠 𝑞 𝑞 𝑞 2.2.4 Phương trình động học Biểu thức mô men điện từ của động cơ đồng bộ từ trở được viết như sau : 3 3 𝛤 = 2 𝑝(𝛹𝑑 𝑖𝑞 − 𝛹𝑞 𝑖𝑑 ) = 2 𝑝(𝐿𝑑 − 𝐿𝑞 )𝑖𝑑 𝑖𝑞 (2-4) 𝑑 𝐽 𝑑𝑡 + 𝑓 =  − 𝑟 (2-5) Từ các phương trình (2-3),(2-4),(2-5) mô hình trạng thái tổng quát của động cơ đồng bộ từ trở trong hệ tọa độ quay dq được viết lại như sau : −𝑅𝑠 𝐿 𝐿𝑑 𝑑 𝑖 + 𝐿𝑞 𝑖𝑞  1 0 𝑖𝑑 −𝑅𝑠 𝑑 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝑑 𝑖𝑞 𝐿𝑞 𝑞 𝑖 − 𝑖  𝐿𝑞 𝑑 1 𝑣𝑑 [ ] 𝑑𝑡  = + 0 𝐿𝑞 [𝑣 ] (2-6) 3 𝑞 𝑝(𝐿𝑑 −𝐿𝑞 )𝑖𝑑 𝑖𝑞 𝑟 𝜃 2 −𝐽− 𝑓 0 0 𝐽 𝐽 [0 0] [  ] 2.3 Nhận dạng tham số điện cảm 2.3.1 Xác định giá trị điện trở stator 2.3.2 Nhận dạng giá trị điện cảm stator 2.4 Mô phỏng động cơ đồng bộ từ trở Phần mô phỏng động cơ đồng bộ từ trở được thực hiện với những giá trị tham số đo được của Rs và các giá trị điện cảm Ld và Lq bằng phương pháp nhận dạng đã trình bày ở phần trên. Với giá trị điện trở pha Rs = 80mΩ giá trị điện cảm được chọn Ld = 4,45 mH và Lq = 1,39 mH (tương ứng với dòng điện xác lập I = 25A).
Trang 4 Điện áp cấp cho động cơ đồng bộ từ trở được lấy từ biến tần, giá trị điện áp được lưu lại cùng với giá trị dòng điện khi thực hiện thí nghiệm, chúng ta dùng giá trị điện áp này thực hiện mô phỏng động cơ để đánh giá các tham số nhận dạng được. Hình 2-1 : Dạng sóng điện áp trên đầu cực động cơ Hình 2-1 trình bày dạng sóng điện áp ba pha trên đầu cực động cơ đồng bộ từ trở được cấp từ biến tần nghịch lưu áp khi tốc độ động cơ là 8.000 vòng/phút, biên độ cực đại của điện áp ở chế độ xác lập là 40V. Trên Hình 2-2, chúng ta nhận thấy rằng dòng điện đo từ thí nghiệm và dòng điện mô phỏng có biên độ và pha gần như trùng khớp nhau. Điều này chứng tỏ mô hình động cơ đồng bộ từ trở và các tham số nhận dạng ở phần trên là tương đối chính xác. Hình 2-3 biểu diễn sự so sánh giá trị dòng id, iq trong trường hợp đo và mô phỏng. Hình 2-2 : Giá trị dòng điện pha mô phỏng và đo từ thí nghiệm đ o Hình 2-3 : Giá trị dòng id,iq mô phỏng và giá trị đo Trong phần này chúng tôi đã giới thiệu mô hình động cơ đồng bộ từ trở, phương pháp xác định các tham số điện cảm và mô phỏng động cơ. Để xây dựng các thuật toán điều khiển chính xác, đặc biệt là điều khiển không cảm biến tốc độ, việc xác định chính xác các tham số điện là rất quan trọng. Do đó, chúng tôi đã tập trung nghiên cứu để xác định các giá trị điện cảm Ld và Lq, đây là những tham số cơ bản có ảnh hưởng đến việc thiết lập bộ điều khiển cho động cơ.
Trang 5 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày mô phỏng phương pháp điều khiển động cơ đồng bộ từ trở với cảm biến tốc độ. Việc điều khiển mô men của động cơ sẽ được thực hiện thông qua việc điều khiển các thành phần dòng id và iq của dòng điện stator trong hệ tọa độ quay dq. Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, tuy nhiên chúng tôi sẽ cân nhắc việc lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu nhất. Bộ điều khiển gồm hai vòng điều khiển dòng điện (một vòng cho trục d và một vòng cho trục q) và một vòng điều khiển tốc độ. 3.1 Cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ từ trở Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển véc tơ động cơ đồng bộ từ trở được trình bày như trên Hình 3-1, gồm các cấp điều khiển: cấp trong cùng là vòng điều khiển dòng điện sử dụng bộ điều khiển PI. Cấp thứ 2 là xác định giá trị dòng điện tham chiếu 𝑖𝑑∗ và 𝑖𝑞∗ theo giá trị của mô men và các giá trị giới hạn của dòng điện và điện áp. Cấp cuối cùng là vòng điều khiển tốc độ cũng sử dụng bộ điều khiển PI. * * * * Phương pháp idq vdq dq * vabc PI điều khiển và PI PWM các giới hạn abc 3~  idq   dq iabc abc d/dt  ĐCTT Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển 3.2 Phương pháp điều khiển tối ưu động cơ đồng bộ từ trở 3 Từ phương trình mô men của động cơ đồng bộ từ trở 𝛤 = 2 𝑁𝑝 (𝐿𝑑 − 𝐿𝑞 )𝑖𝑑 𝑖𝑞 , việc điều khiển mô men đã trở thành điều khiển đồng thời các dòng điện id và iq, khác với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường chọn giá trị dòng id = 0 để giảm thiểu tổn thất Joule. Việc lựa chọn các phương pháp điều khiển tối ưu sẽ phụ thuộc vào việc xác định các dòng điện tham chiếu 𝑖𝑑∗ và 𝑖𝑞∗ . Hiện có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau theo những tiêu chí tối ưu nhất định như tối ưu mô men, tối ưu hiệu suất, tối ưu hệ số công suất và một số yêu cầu đặc trưng nào đó (ví dụ như kiểm soát được mô men ở tốc độ thấp hoặc trong quá trình khởi động hay nhiễu …). Trong nghiên cứu này chúng tôi áp dụng phương pháp điều khiển véc tơ và điều khiển kết hợp ở hai vùng tốc độ: ở vùng tốc độ thấp (trong giai đoạn động cơ tăng tốc) sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu M/I (“Maximum torque per Ampere’’: MTPA) và được chuyển sang phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ (‘‘Maximum torque per Weber’’: MTPW) khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao (trên tốc độ định mức). Hoạt động của bộ điều khiển trong phạm vi giới hạn của dòng điện và điện áp cho phép. Để có được một giá trị mô men cực đại, chúng ta phải đi tìm những giá trị tối ưu của dòng điện tham chiếu 𝑖𝑑∗ và 𝑖𝑞∗ theo tốc độ của động cơ đồng thời tuân thủ giới hạn của dòng điện và xét đến vấn đề bảo hòa điện áp nguồn cấp. 3.2.1 Giới hạn dòng điện và điện áp 3.2.2 Phương pháp điều khiển tối ưu M/I (MTPA) 3.2.3 Phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ (MTPW) 3.3 Kết quả mô phỏng Trong phần này chúng tôi sẽ trình bày các kết quả mô phỏng bằng phần mềm matlab-simulink. Chúng tôi đã thực hiện các thử nghiệm cho động cơ khởi động không tải và cho mang tải ở tốc độ cao. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển véc tơ vòng kín được trình bày như trên Hình 3-1.
Trang 6 14000 12000 10000 Speed (rpm) 8000 6000 4000  2000 mes  ref 0 0 5 10 15 20 25 Time (s) Hình 3-2: Đáp ứng tốc độ 150 100 Speed error (rmp) 50 0 -50 -100 -150 -200 0 5 10 15 20 25 Time (s) Hình 3-3: Sai số tốc độ Từ Hình 3-2 đến Hình 3-5 trình bày các đáp ứng tốc độ, sai số tốc độ đặt, đáp ứng dòng điện và đáp ứng điện áp cho một tín hiệu tốc độ đặt là 12.000 vòng/phút. Để khởi động một động cơ tốc độ cao, chúng tôi đã thực hiện khởi động với gia tốc 100 rad/s2. Động cơ tăng tốc từ 0 đến giá trị đặt 12.000 vòng/phút với khoảng thời gian 12.5s. 60 50 40 Current (A) 30 20 10 Iq Id 0 0 5 10 15 20 25 Time (s) Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện Ở chế động khởi động và trong vùng tốc độ thấp (dưới tốc độ định mức), sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu M/I để có được mô men tối đa trên giá trị dòng điện đặt với id=iq. Khi tốc độ đạt 8500 vòng/phút, bộ điều khiển sẽ chuyển từ phương pháp tối ưu M/I sang phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ. Quá trình quá độ xảy ra khi chuyển đổi giữa 2 phương pháp điều khiển, dòng id giảm và tăng dòng iq. Tốc độ động cơ tiếp tục tăng đến giá trị đặt 12.000 vòng/phút. Trong suốt quá trình tăng tốc, tốc độ của động cơ luôn bám theo giá trị đặt với sai số tốc độ là 50 vòng/phút. Khi tốc độ động cơ đạt đến giá trị xác lập, sai số tốc độ sẽ trở về 0 (Hình 3-3).
Trang 7 Tại thời điểm t=18s, áp vào động cơ một mô men tải với giá trị bằng 2Nm, giá trị sụt tốc tại thời điểm mang tải khoảng 130 vòng/phút và trở về giá trị tốc độ đặt sau thời gian khoảng 3s. Hình 3-5 trình bày đáp ứng các dòng điện thành phần id và iq cho quá trình khởi động và mang tải của động cơ. 150 Vd Vq 100 Voltage (V) 50 0 -50 -100 0 5 10 15 20 25 Time (s) Hình 3-5: Đáp ứng điện áp 3.4 Kết luận Việc nghiên cứu điều khiển véc tơ động cơ đồng bộ từ trở có xét đến các giới hạn dòng điện và điện áp của động cơ đã được trình bày. Nhằm đạt được mô men tối đa trên toàn dải tốc độ, đặc biệt là ở vùng tốc độ cao (vùng điều khiển suy giảm từ thông) mà không cần cung cấp điện áp một chiều cho biến tần quá lớn. Một bộ điều khiển kết hợp giữa hai phương pháp điều khiển tối ưu M/I và điều khiển tối ưu M/Ψ đã được thực hiện. Ở gia đoạn động cơ khởi động và bắt đầu tăng tốc, sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu M/I. Khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, do giới hạn về điện áp, phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ được thực hiện. Các phương pháp điều khiển này đã được mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy quá trình quá độ chuyển đổi giữa 2 phương pháp điều khiển là khá trơn. Đối với hệ truyền động tốc độ cao, sử dụng cảm biến để xác định vị trí của rotor là một nhược điểm, nhằm nâng cao độ tin cậy, giảm sự cồng kềnh và giá thành của hệ thống. Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao không sử dụng cảm biến tốc độ là cần thiết, đây cũng là hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài sẽ được trình bày trong chương 4.
Trang 8 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG 4.1 Giới thiệu chung Để điều khiển vec tơ đối với hệ truyền động điện nói chúng và động cơ đồng bộ từ trở nói riêng, chúng ta cần phải biết chính xác vị trí của rô to. Tuy nhiên việc xác định vị trí của rô to bằng cảm biến tốc độ (Encoder) sẽ tồn tại một số nhược, đặc biệt đối với động cơ tốc độ cao sẽ làm tăng kính thước, tăng chi phí cho hệ truyền động. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF) để ước lượng tốc độ và vị trí của động cơ đồng bộ từ trở. Chúng tôi thực hiện điều khiển không cảm biến đối với động cơ động bộ từ trở tốc độ cao, tốc độ của động cơ đạt 8000 vòng/phút. 4.2 Nguyên lý bộ lọc Kalman mở rộng Bộ lọc Kalman là một tập hợp các phương trình toán học cần thiết để thực hiện một phương pháp ước lượng theo nguyên lý Dự báo-Hiệu chỉnh (Predict-Correct) cho ta khả năng ước lượng các biến trạng thái của hệ thống đã xét đến ảnh hưởng của nhiễu. Bộ lọc Kalman hay còn gọi là bộ quan sát Kalman được xây dựng trên cơ sở tối ưu sao cho phương sai của độ lệch giữa giá trị thực và giá trị ước lượng của véc tơ trạng thái hệ thống là nhỏ nhất, cùng với một số điều kiện được giả thiết. Do những thuận lợi trong việc cài đặt cho các máy tính số cũng như tính bền vững với các tác động của nhiễu vào hệ thống nên bộ lọc Kalman đã được áp dụng rộng rãi vào thực tiễn. Vì thuật toán của bộ lọc Kalman cơ bản được thiết kế để ước lượng véc tơ trạng thái cho các hệ thống có mô hình tuyến tính. Tuy nhiên, tốc độ và vị trí ước lượng của động cơ đồng bộ từ trở dựa trên mô hình phi tuyến. Do đó, chúng ta phải thực hiện tuyến tính hóa để có thể áp dụng các công thức truy hồi của bộ lọc Kalman được gọi là bộ lọc Kalman mở rộng. 4.3 Bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình đầy đủ (bậc 4) Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao không sử dụng cảm biến tốc độ được thực hiện dựa trên cấu trúc điều khiển được trình bày trên hình Hình 4-1. Vấn đề đặt ra là việc ước lượng tốc độ và vị trí của động cơ trên một phạm vi rộng nhưng với một bộ điều khiển với chi phí hợp lý. Tuy nhiên bộ lọc Kalman đòi hỏi bộ điều khiển có công suất tính toán lớn phụ thuộc vào các ma trận có trong hệ thống, do đó giá thành của bộ điều khiển sẽ tăng tỉ lệ với số bậc của của mô hình trạng thái hay nói cách khác là tỉ lệ với số biến trạng thái cần ước lượng. Trước tiên chúng ta sẽ xem xét mô hình trạng thái đầy đủ (bậc 4), tiếp theo đó một mô hình trạng thái với bậc thấp hơn sẽ được đề xuất với phương châm giảm thiểu khối lượng tính toán cho vi xử lý của bộ điều khiển. * * * * Phương pháp idq vdq dq * vabc PI điều khiển và các PI PWM giá trị giới hạn abc 3~ ^ ^ ^ idq dq iabc abc idq EKF SynRM vdq Hình 4-1: Cấu trúc điều khiển với bộ lọc Kalman mở rộng 4.3.1 Mô hình trạng thái bậc 4 của động cơ đồng bộ từ trở Phương trình điện áp của động cơ đồng bộ từ trở trong hệ tọa độ tựa theo từ thông roto được viết như sau: 𝑑𝑖𝑑 𝑣𝑑 = 𝑅𝑠 + 𝐿𝑑 − 𝜔𝐿𝑞 𝑖𝑞 { 𝑑𝑡 (4-1) 𝑑𝑖𝑞 𝑣𝑞 = 𝑅𝑠 + 𝐿𝑞 + 𝜔𝐿𝑑 𝑖𝑑 𝑑𝑡 Trong đó vd , vq , id , iq là điện áp và dòng điện stator, R s là điện trở stator, ω là tốc độ góc của động cơ, Ld và Lq là các giá trị điện cảm theo trục d và trục q. Vì không xác định được mô men tải, do đó với giả thiết tốc độ là hằng số trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu ta có:
Trang 9 𝑑𝜔 𝑑𝑡 =0 (4-2) Từ các phương trình (4-1), (4-2), mô hình trạng thái tổng hợp của động cơ đồng bộ từ trở được viết lại như sau : 𝑑𝑖𝑑 𝑣 𝑅𝑠 𝑖𝑑 𝐿 𝑑𝑡 = 𝐿𝑑 − 𝐿𝑑 + 𝜔 𝐿𝑞 𝑖𝑞 𝑑 𝑑 𝑑𝑖𝑞 𝑣𝑞 𝑅𝑠 𝑖𝑞 𝐿 𝑑𝑡 =𝐿 − 𝐿𝑞 − 𝜔 𝐿𝑑 𝑖𝑑 𝑞 𝑞 (4-3) 𝑑𝜔 𝑑𝑡 =0 𝑑𝜃 { 𝑑𝑡 =𝜔 Hệ phương trình (4-3) là phi tuyến và có dạng tổng quát như sau: 𝑥̇ = 𝑓(𝑥, 𝑢) (4-4) Trong đó: 𝑇 𝑥 = [𝑖𝑑 𝑖𝑞 𝜔 𝜃] : là véc tơ trạng thái 𝑇 𝑢 = [𝑣𝑑 𝑣𝑞 ] : là véc tơ đầu vào Rời rạc hóa mô hình (4-4) bằng phương pháp xấp xỉ Euler đơn giản ta có mô hình rời rạc tương ứng như sau : 𝑥𝑘+1 = 𝑥𝑘 + 𝑇𝑠 𝑓(𝑥𝑘 , 𝑢𝑘 ) (4-5) Trong đó : Ts là chu kỳ lấy mẫu, phải chọn rất nhỏ so với hằng số thời gian điện của mô hình động cơ. Trong các hệ truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại với tần số băm xung fx và tần số trích mẫu 1/Ts cao, điều kiện này có thể coi là thỏa mãn. Từ các phương trình (4-3) và (4-5) ta có: 𝑑𝑖𝑑 𝑅𝑠 𝐿𝑞 𝑣𝑑,𝑘 𝑖𝑑,𝑘+1 = 𝑖𝑑,𝑘 + 𝑇𝑠 | = (1 − 𝑇𝑠 ) 𝑖𝑑,𝑘 + 𝜔𝑇𝑠 𝑖𝑞,𝑘 + 𝑇𝑠 𝑑𝑡 𝑡𝑘 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝑑𝑖𝑞 𝐿𝑑 𝑅𝑠 𝑣 𝑞,𝑘 𝑖𝑞,𝑘+1 = 𝑖𝑞,𝑘 + 𝑇𝑠 | = −𝜔𝑇𝑠 𝑖𝑑,𝑘 + (1 − ) 𝑖𝑞,𝑘 + 𝑇𝑠 𝑑𝑡 𝑡𝑘 𝐿𝑞 𝐿𝑞 𝐿𝑞 (4-6) 𝑑𝜔 𝜔𝑘+1 = 𝜔𝑘 + 𝑇𝑠 | = 𝜔𝑘 𝑑𝑡 𝑡𝑘 𝑑𝜃 𝜃𝑘+1 = 𝜃𝑘 + 𝑇𝑠 | = 𝜃𝑘 + 𝑇𝑠 𝜔𝑘 { 𝑑𝑡 𝑡𝑘 Tuyến tính hóa mô hình này quanh điểm làm việc xk, chúng ta thu được mô hình tuyến tính hóa với các ma trận trạng thái như sau: 𝑅𝑠 𝑇𝑠 𝐿𝑞 𝑇𝑠 𝐿𝑞 𝑇𝑠 1− 𝜔 𝑖 0 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝑘 𝐿𝑑 𝑞,𝑘 𝐿𝑑 𝑇𝑠 𝑅𝑠 𝑇𝑠 𝐿𝑑 𝑇𝑠 1 0 0 0 𝐴4,𝑘 = − 𝐿 𝜔𝑘 1− 𝐿𝑞 − 𝐿𝑞 𝑑,𝑘 𝑖 0 𝐶4,𝑘 = [ ] (4-7) 𝑞 0 1 0 0 0 0 1 0 [ 0 0 𝑇𝑠 1] 4.3.2 Ước lượng tốc độ với bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình đầy đủ (bậc 4) Mặc dù mô hình tuyến tính rời rạc (4-6) là không quan sát được nhưng có thể sử dụng mô hình này để xây dựng một bộ lọc Kalman để ước lược các biến trạng thái của mô hình. Từ các phương trình trên, chúng ta viết các phương trình của bộ lọc Kalman mở rộng như sau: 𝑇  Dự báo (Prediction) : 𝑥̂𝑘|𝑘−1 = [𝑖̂𝑑,𝑘|𝑘−1 𝑖̂𝑞,𝑘|𝑘−1 𝜔 ̂𝑘|𝑘−1 𝜃̂𝑘|𝑘−1 ]
Trang 10 𝑅 𝐿 𝑣𝑑,𝑘−1 ̂𝑘−1|𝑘−1 𝑇𝑠 𝐿𝑞 𝑖̂𝑞,𝑘−1|𝑘−1 + 𝑇𝑠 𝑖̂𝑑,𝑘|𝑘−1 = (1 − 𝑇𝑠 𝐿 𝑠 ) 𝑖̂𝑑,𝑘−1|𝑘−1 + 𝜔 𝐿𝑑 𝑑 𝑑 𝐿𝑑 𝑅𝑠 𝑣𝑞,𝑘−1 𝑖̂𝑞,𝑘|𝑘−1 = −𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 𝑇𝑠 𝑖̂ + (1 − ) 𝑖̂ + 𝑇𝑠 𝐿𝑞 𝑑,𝑘−1|𝑘−1 𝐿𝑞 𝑞,𝑘−1|𝑘−1 𝐿𝑞 (4-8) 𝜔̂𝑘|𝑘−1 = 𝜔̂𝑘−1|𝑘−1 { 𝜃̂𝑘|𝑘−1 = 𝜃̂𝑘−1|𝑘−1 + 𝑇𝑠 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 𝑃𝑘|𝑘−1 = 𝐴4,𝑘−1 𝑃𝑘−1|𝑘−1 𝐴𝑇4,𝑘−1 + 𝑄4,𝑘−1 (4-9) 𝑅𝑠 𝑇𝑠 𝐿𝑞 𝑇𝑠 𝐿𝑞 𝑇𝑠 1− 𝐿𝑑 𝐿𝑑 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 𝑖̂ 𝐿𝑑 𝑞,𝑘−1|𝑘−1 0 𝐿𝑑 𝑇𝑠 𝑅𝑠 𝑇𝑠 𝐿 𝑇 − 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 1− − 𝐿𝑑 𝑠 𝑖̂𝑑,𝑘−1|𝑘−1 0 Trong đó 𝐴4,𝑘−1 = 𝐿𝑞 𝐿𝑞 𝑞 0 0 1 0 [ 0 0 𝑇𝑠 1] 𝑇  Hiệu chỉnh (Correction) : 𝑥̂𝑘|𝑘 = [𝑖̂𝑑,𝑘|𝑘 𝑖̂𝑞,𝑘|𝑘 𝜔 ̂𝑘|𝑘 𝜃̂𝑘|𝑘 ] 𝑇 𝑇 −1 𝐾𝑘 = 𝑃𝑘|𝑘−1 𝐶4,𝑘 [𝐶4,𝑘 𝑃𝑘|𝑘−1 𝐶4,𝑘 + 𝑅𝑘 ] (4-10) 𝑥̂𝑘|𝑘 = 𝑥̂𝑘|𝑘−1 + 𝐾𝑘 (𝑦𝑘 − 𝐶4,𝑘 𝑥̂𝑘|𝑘−1 ) (4-11) 𝑃𝑘|𝑘 = 𝑃𝑘|𝑘−1 − 𝐾𝑘 𝐶4,𝑘 𝑃𝑘|𝑘−1 (4-12) 4.3.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm nghiệm 4.3.3.1 Kết quả mô phỏng Từ mô hình của động cơ đồng bộ từ trở và thuật toán bộ lọc Kalman ở trên, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở với mô hình đầy đủ. Kết quả này nhóm tác giả đã thực hiện và báo cáo trong tài liệu [14]. Kết quả mô phỏng điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở dựa trên mô hình tuyến tính hóa của động cơ và thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng ứng với mô hình đầy đủ bậc 4. 8000 Speed (rpm) 6000 4000  est 2000  mes  ref 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (s) 200 Speed error (rpm) 100 0  est -  mes -100  ref -  mes 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Time (s) Hình 4-2: Đáp ứng tốc độ ước lượng với mô hình bậc 4 Hình 4-2 trình bày kết quả mô phỏng với đáp ứng tốc độ đối với mô hình bậc 4, khi động cơ khởi động không tải với tốc độ đặt là 8.000 vòng/phút. Tốc độc ước lượng bám theo tốc độ của động cơ sau thời gian khoảng 0.4s và sai số tốc độ bằng không. Ở chế độ xác lập, tốc độ ước lượng và tốc độ động cơ bám theo sát tốc độ đặt. Vị trí ước lượng hội tụ ngay về giá trị đo sau thời gian 0.4s (Hình 4-3).
Trang 11 7 7 est 6 6 est  5 mes (rad) mes (rad) 5 4 Position 4 3 Position 3 2 2 1 1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0 0.1 0.2 0.3 Time 0.5 0.4 (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 1 120 Time (s) 120 100 100 error(rad) (°) 80 Position error 60 60 Position 40 40 20 0 20 -20 00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Time (s) Time (s) Hình 4-3: Đáp ứng vị trí ước lượng với mô hình bậc 4 Hiệu quả của bộ ước lượng phụ thuộc vào việc lựa chon các ma trận Hiệp phương sai (R và Q) được sử dụng trong bộ lọc Kalman mở rộng. Hiện nay, hầu như chưa có một phương pháp nào để có thể chon các ma trận này một cách tối ưu nhất mà chủ yếu chọn theo phương pháp thử nghiệm. Trong mô phỏng này, ma trận Hiệp phương sai được chọn thử nghiệm và mô phỏng nhiều lần bằng cách thay đổi giá trị của các ma trận và xem xét sự ảnh hưởng của nó đến đáp ứng của các biến trạng thái. Trên cở sở kết quả của mô phỏng này, chúng tôi đã thực hiện thí nghiệm trên động cơ đồng bộ từ trở với các kết quả sẽ được trình bày ở phần tiếp theo. 4.3.3.2 Kết quả thực nghiệm 100 8000 80 60 6000 Speed error (rpm) 40 4000 20 0 2000 Speed (rpm) -20 -40 0 -60 -2000 -80 -100 0 10 20 30 40 50 60 -4000 Time (s) est -6000 mes Hình 4-5: Sai số tốc độ ước lượng và tốc -8000 ref độ đo 0 10 20 30 40 50 60 Time (s) Hình 4-4: Tốc độ ước lượng và tốc độ đo thực nghiệm 8010 8005 10 Speed error (rpm) Speed (rpm) 8000 5 7995 0 7990 est mes -5 7985 ref -10 7980 11.2 11.205 11.21 11.215 11.22 11.225 11.23 11.235 11.24 11.245 11.25 11.2 11.205 11.21 11.215 11.22 11.225 11.23 11.235 11.24 11.245 11.25 Time (s) Time (s) Hình 4-6: Tốc độ động cơ ở chế độ xác lập Hình 4-7: sai số ước lượng ở chế độ xác lập Ở chế độ xác lập, tốc độ ước lượng luôn bám theo giá trị đo, sai sô lớn nhất là 5 vòng/phút, điều này cho thấy giá trị ước lượng của bộ lọc Kalman bậc 4 là tương đối chính xác. Tốc độ và vị trí của rô to lúc khởi động như trên Hình 4-8 và Hình 4-9, chúng ta nhận thấy rằng vị trí ước lượng hội tụ rất nhanh về giá trị đo (sau khoảng 0.08s).
Trang 12 7 mes 800 6 Speed (rpm) est 5 Position (rad) 600 4 400 est 3 200 mes 2 ref 1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Time (s) Time (s) Hình 4-8: Tốc độ lúc khởi động Hình 4-9: Vị trí rô to lúc khởi động Chúng tôi cũng thực hiện thí nghiệm với một tốc độ đặt lớn hơn 8000 vòng/phút với cùng gia tốc góc 100 rad/s², tuy nhiên bộ ước lượng không đáp ứng và hệ thống mất ổn định. Nếu giảm gia tốc góc là 80 rad/s² đồng thời thử nghiệm với một tốc độ đặt 8500 rad/s, hệ thống vẫn ổn định, tốc độ ước lượng bám sát tốc độ đo như được trình bày trên Hình 4-10, sai số tốc độ ước lượng được thể hiện trên Hình 4-11, tuy nhiên động cơ cũng chỉ hoạt động với tốc độ tối đa 8500 vòng/phút (trong vùng điều khiển tối ưu MTPA), nếu thử nghiệm với tốc độ lớn hơn động cơ sẽ chuyển sang hoạt động trong vùng điều khiển MTPW, lúc này quá trình chuyển đổi giữa hai phương pháp điều khiển xảy ra, bộ ước lượng vị trí và tốc độ có sai số lớn và hệ thống mất ổn định. 9000 150 8000 100 7000 Speed error (rpm) 50 6000 Speed (rpm) 5000 0 4000 -50 3000  2000 est -100  mes 1000  -150 ref 0 5 10 15 20 25 0 Time (s) 0 5 10 15 20 25 Time (s) Hình 4-11: Sai số tốc độ ước lượng Hình 4-10: Tốc độ thử nghiệm 8500 vòng/phút 4.4 Bộ lọc Kalman mở rộng bậc 2 dựa trên mô hình ngược Qua các kết quả thu được từ thực nghiệm, chúng ta nhận thấy rằng bộ lọc Kalman mở rộng đã đáp ứng rất tốt việc ước lượng dựa trên mô hình đầy đủ bậc 4 của động cơ đồng bộ từ trở. Tuy nhiên khi thực hiện trong thời gian thực sẽ yêu cầu một khối lượng tính toán lớn đối với vi xử lý bởi vì ma trận trạng thái ước lượng là một ma trận vuông 4*4 và bộ hiểu chỉnh của nó liên quan đến 4 phương sai của ma trận Hiệp phương sai Q. Do đó nếu xây dựng được một mô hình trạng thái rút gọn thì sẽ giảm được khối lượng tính toán của vi xử lý khi thực hiện ước lượng đối với bộ lọc Kalman. Vấn đề này có thể thực hiện được bằng việc đảo ngược đầu vào và đầu ra của mô hình điện ta sẽ thu được một mô hình bậc 2 (mô hình rút gọn). 4.4.1 Mô hình ngược của động cơ đồng bộ từ trở Từ công thức (4-1), các phương trình điện áp của động cơ đồng bộ từ trở có thể được viết lại như sau : 𝑑𝑖𝑑 𝑣𝑑 − 𝐿𝑑 = 𝑅𝑠 𝑖𝑑 − 𝜔𝐿𝑞 𝑖𝑞 { 𝑑𝑡 (4-13) 𝑑𝑖𝑞 𝑣𝑞 − 𝐿𝑞 = 𝑅𝑠 𝑖𝑞 + 𝜔𝐿𝑑 𝑖𝑑 𝑑𝑡 Chúng ta có thể xây dựng lại mô hình trạng thái ngược với các đại lượng như sau: T Đầu vào: 𝑢 = [𝑖𝑑 𝑖𝑞 ] Biến trạng thái: 𝑥 = [ω θ]T
Trang 13 𝑇 Đầu ra: 𝑦 = [𝑦𝑑 𝑦𝑞 ] 𝑑𝑖𝑑 𝑦𝑑 = 𝑣𝑑 − 𝐿𝑑 𝑑𝑡 Trong đó { 𝑑𝑖𝑞 (4-14) 𝑦𝑞 = 𝑣𝑞 − 𝐿𝑞 𝑑𝑡 Từ các công thức (4-13), (4-14) ta có hệ phương trình đầu ra như sau : yd = R s id − ωLq iq { (4-15) yq = R s iq + ωLd id Để xây dựng mô hình tuyến tính hóa và mở rộng đến các biến cơ học về vị trí và tốc độ, chúng ta luôn luôn giả định tốc độ là hằng số hoặc biến đổi chậm trong một chu kỳ lấy mẫu, phương trình trạng thái sẽ trở nên đơn giản và được viết như sau : 𝑑ω =0 { 𝑑𝑡 (4-16) 𝑑θ =ω 𝑑𝑡 Tương tự như đã phân tích ở mục 4.3.1 chúng ta có mô hình rời rạc tương ứng ωk = ωk−1 { 𝜃 =𝜃 (4-17) k k−1 + Ts ωk−1 Phương trình đầu ra tại thời điểm t= tk: 𝑦𝑑,𝑘 = 𝑅𝑠 𝑖𝑑,𝑘 − 𝜔𝑘 𝐿𝑞 𝑖𝑞,𝑘 { (4-18) 𝑦𝑞,𝑘 = 𝑅𝑠 𝑖𝑞,𝑘 + 𝜔𝑘 𝐿𝑑 𝑖𝑑,𝑘 Mô hình tuyến tính hóa với các ma trận như sau: 1 0 −𝐿𝑞 𝑖𝑞,𝑘 0 𝐴2,𝑘 = [ ] 𝐶2,𝑘 = [ ] (4-19) 𝑇𝑠 1 𝐿𝑑 𝑖𝑑,𝑘 0 4.4.2 Ước lượng tốc độ với bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình bậc 2 Từ thuật toán tổng quát ở mục 4.2, chúng ta sẽ có được bộ lọc Kalman mở rộng bậc 2 như sau: 𝑇  ̂𝑘|𝑘−1 Dự báo (Prediction) : 𝑥̂𝑘|𝑘−1 = [𝜔 𝜃̂𝑘|𝑘−1 ] 𝜔 ̂𝑘|𝑘−1 = 𝜔̂𝑘−1|𝑘−1 {̂ (4-20) 𝜃𝑘|𝑘−1 = 𝜃̂𝑘−1|𝑘−1 + 𝑇𝑠 𝜔 ̂𝑘−1|𝑘−1 𝑃𝑘|𝑘−1 = 𝐴2,𝑘−1 𝑃𝑘−1|𝑘−1 𝐴𝑇2,𝑘−1 + 𝑄2,𝑘−1 (4-21) 1 0 Trong đó 𝐴2,𝑘 = [ ] 𝑇𝑠 1 𝑇  ̂𝑘|𝑘 Hiệu chỉnh (Correction) : 𝑥̂𝑘|𝑘 = [𝜔 𝜃̂𝑘|𝑘 ] 𝑇 𝑇 −1 𝐾𝑘 = 𝑃𝑘|𝑘−1 𝐶2,𝑘 [𝐶2,𝑘 𝑃𝑘|𝑘−1 𝐶2,𝑘 + 𝑅𝑘 ] (4-22) 𝑥̂𝑘|𝑘 = 𝑥̂𝑘|𝑘−1 + 𝐾𝑘 (𝑦𝑘 − 𝐶2,𝑘 𝑥̂𝑘|𝑘−1 − 𝐷2,𝑘 𝑢𝑘 ) (4-23) 𝑃𝑘|𝑘 = 𝑃𝑘|𝑘−1 − 𝐾𝑘 𝐶2,𝑘 𝑃𝑘|𝑘−1 (4-24) −𝐿𝑞 𝑖𝑞,𝑘 0 𝑅𝑠 −𝜔𝐿𝑞 Trong đó 𝐶2,𝑘 = [ ] 𝑣à 𝐷2,𝑘 = [ ]. 𝐿𝑑 𝑖𝑑,𝑘 0 𝜔𝐿𝑑 𝑅𝑠 Rõ ràng là so với mô hình bậc 4, mô hình bậc 2 sẽ giảm đáng kể khối lượng tính toán của bộ lọc Kalman mở rộng, mặc khác việc hiệu của chỉnh bộ lọc Kalman mở rộng cũng trở nên đơn giản vì chỉ còn hai phương sai của nhiễu trạng thái cần hiệu chỉnh. Ngược lại, cần phải tính giá trị đạo hàm của dòng id, iq xác định giá trị của đầu ra y mới. 4.4.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm nghiệm