Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trong điều kiện thời gian thực

4. Kết luận<br /> Bài báo đã trình bày cách thiết kế bộ nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul IGBT<br /> PS22A76 của hãng Mitsubishi Electric. Các kết quả thu được từ mô hình thực nghiệm cho thấy bộ<br /> nghịch lưu ba pha ba nhánh sử dụng modul này hoạt động tốt, giống như bộ nghịch lưu ba pha ba<br /> nhánh được xây dựng từ Conventional IPM nhưng phát huy được những ưu điểm: Rút ngắn thời<br /> gian thiết kế, nâng cao độ tin cậy; giảm tổn hao công suất; độ tích hợp cao, một số linh kiện và<br /> thiết bị phụ trợ ngoài giảm, kích thước mạch nhỏ gọn. Tuy nhiên, modul này không được tích hợp<br /> sẵn các cảm biến đo dòng điện. Vì vậy, yêu cầu phải sử dụng thêm các cảm biến ngoài khi cần<br /> xây dựng mạch vòng điều chỉnh dòng điện cho hệ biến tần - ĐCKĐB.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] G. Majumdar, et al. - A New Generation High Performance Intelligent Module - PCIM Europe<br /> May, 1992.<br /> [2] E. Motto, et. al. - A New Generation of Intelligent Power Devices for Motor Drive Applications -<br /> IEEE IAS Conference October, 1993.<br /> [3] John Donlon, et. al. - A New Converter/Inverter System for Windpower Generation Utilizing a<br /> New 600 Amp, 1200 Volt Intelligent IGBT Power Module - IEEE IAS Conference October, 1994.<br /> [4] Eric R. Motto - Application Specific Intelligent Power Modules - A Novel Approach to System<br /> Integration in Low Power Drives.<br /> [5] Mitsubishi Electric - 1200V large dipipm ver. 4 series application note PS22A7* - October, 2012.<br /> [6] Mitsubishi Electric - DIPIPM APPLICATION NOTE Bootstrap Circuit Design Manual - October,<br /> 2012.<br /> <br /> ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC<br /> TRONG ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC<br /> REAL-TIME VECTOR CONTROL OF INDUCTION MOTOR<br /> TS. PHẠM TÂM THÀNH<br /> Khoa Điện-Điện tử, Trường ĐHHH Việt Nam<br /> Tóm tắt<br /> Bài báo đề xuất hệ thống thực nghiệm hệ truyền động không đồng bộ. Cấu trúc sử dụng<br /> vi xử lý tín hiệu số DSP họ C2000 của Texas Instruments. Với hệ thống thực nghiệm này<br /> cho phép can thiệp vào các phần của bộ biến tần, triển khai các bài thí nghiệm các cấu<br /> trúc điều khiển động cơ không đồng bộ và cho phép phát triển các cấu trúc điều khiển<br /> hiện đại cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc.<br /> Abstract<br /> The paper proposed experiment systems of electric drive. This structure uses digital<br /> signal processor family C2000 of Texas Instruments. This system permits users can log<br /> in firmware of inverter and implement experiment of structure control of induction motor<br /> (IM). Advantage Control strutures can be developed for IM.<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều ba pha rotor lồng sóc (KĐB-RLS) là<br /> lĩnh vực được nghiên cứu từ nhiều thập kỷ. Từ các lý thuyết điều khiển kinh điển cho đến các kỹ<br /> thuật hiện đại [2], [3]. Ngày nay điều khiển động cơ điện xoay chiều đã đạt được những tiến bộ<br /> vượt bậc, chủ yếu nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn, công nghệ vi xử lý [1], [11] và kỹ<br /> thuật điều khiển. Các bộ biến tần được thiết kế ngày càng hoàn thiện, đáp ứng được những đòi<br /> hỏi khắt khe trong điều chỉnh tự động, dải công suất cũng như tốc độ cho phép điều chỉnh ngày<br /> càng mở rộng, nhiều tính năng mới được thêm vào biến tần để đáp ứng các nhu cầu điều khiển đa<br /> dạng trong thực tế [3][7], [9], [10]. Điều khiển vector là một phương pháp điều khiển động cơ điện<br /> xoay chiều ba pha hiện đại, với ưu điểm gắn liền một cách rõ ràng các phương pháp mô tả toán<br /> học chính xác các mối quan hệ vật lý của động cơ với các công nghệ điều khiển mới, nó có khả<br /> năng vượt trội về áp đặt dòng điện, momen [2] [3]. Ở Việt Nam cũng như ở nước ngoài đề tài<br /> nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha đã được nhiều nhà khoa học<br /> quan tâm. Các cấu trúc điều khiển cho động cơ xoay chiều ba pha rất đa dạng, phong phú. Cấu<br /> trúc điều khiển động cơ xoay chiều ba pha có thể là tuyến tính, phi tuyến. Mô hình biến tần-động<br /> cơ đã có sẵn trong phòng thí nghiệm, tuy nhiên để sinh viên nắm bắt được cấu trúc điều khiển<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 43 – 08/2015 54<br /> động cơ xoay chiều ba pha, can thiệp vào các bộ điều chỉnh dòng, bộ điều chỉnh tốc độ, phương<br /> pháp điều chế thì mô hình này không thực hiện được.<br /> Do đó cần thiết phải xây dựng hệ thống thí nghiệm truyền động điện động cơ xoay chiều ba<br /> pha cho phép can thiệp được cấu trúc điều khiển, giúp sinh viên nắm bắt được cấu trúc điều khiển<br /> hiện đại nhất của các loại biến tần trên thị trường, cũng như có thể nghiên cứu phát triển, triển khai<br /> các cấu trúc điều khiển. Đó cũng chính là nội dung đề xuất trong bài báo này.<br /> 2. Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor (T4R) động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc<br /> dựa trên nguyên lý tựa theo từ thông rotor<br /> Cấu trúc hình 1 được cài đặt thành công trong các công trình [2] [3], trong đó chương trình<br /> điều khiển được thực hiện bởi DSP TMS320C20/C25 bằng ngôn ngữ assembly. Bài báo đề xuất<br /> thực hiện thuật toán điều khiển sử dụng DSP C2000 bằng ngôn ngữ bậc cao.<br /> Cấu trúc gồm các khâu: Khối nghịch lưu nguồn áp (VSI - Voltage Source Inverter), khâu<br /> điều chế vector không gian (SVM - Space Vector Modulation), các khâu chuyển trục tọa độ, khâu<br /> điều chỉnh dòng hai chiều RI, khâu điều chỉnh từ thông ( R ) và khâu điều chỉnh tốc độ quay ( R  ).<br /> Khâu suy giảm từ thông (Field Weakening), mô hình từ thông (Flux Model).<br /> 3. Hệ thống thí nghiệm truyền động không đồng bộ xoay chiều ba pha<br /> 3.1. Vi điều khiển C2000<br /> Họ vi điều khiển C2000 là họ vi điều khiển mạnh, có thể thực hiện các thuật toán điều khiển<br /> phức tạp với sự kết hợp của các thiết bị ngoại vi để giao tiếp với các thành phần khác nhau của<br /> phần cứng điều khiển động cơ DMC (Digital Motor Control) như ADC (Analog Digital Conveter),<br /> ePWM (Pulse Width Modulation), QEP (Quadrature Encoder), ECAP (Capture),... Cùng với phần<br /> mềm đi kèm của C2000 giúp giảm thời gian phát triển các cấu trúc điều khiển động cơ. Thư viện<br /> điều khiển số động cơ DMC cung cấp các khối cấu hình có thể được sử dụng để thực hiện các<br /> phương pháp điều khiển mới. Thư viện IQMath cho phép chuyển đổi dễ dàng từ các thuật toán<br /> dấu phẩy động sang dấu phẩy tĩnh do đó đẩy nhanh được thời gian phát triển. Trong cấu trúc thí<br /> nghiệm sử dụng vi xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) F28035.<br /> 3.2. Cấu trúc thực nghiệm<br /> Mô hình thực nghiệm được xây dựng trên cơ sở DSP C2000 của hãng Texas Instruments,<br /> module công suất chuẩn. Hệ truyền động bao gồm một động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (là<br /> đối tượng điều khiển) nối trục với tải. Với thế mạnh của hệ thống này cho phép chúng ta có thể<br /> thực hiện được hầu hết các thuật toán điều khiển truyền động như: Điều khiển vector, điều khiển<br /> sensorless, điều khiển phi tuyến,…<br /> Động cơ sử dụng trong hệ thống là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Marathon có các<br /> thông số sau: Công suất định mức: PN = 0,18 kW, dòng điện định mức: IN = 1,0 A, tần số định mức:<br /> fN = 60 Hz, số đôi cực: zp = 2, tốc độ định mức: nN = 1800 vòng/phút, điện áp định mức: UN = 220 V,<br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 43 – 08/2015 55<br /> điện trở stator: Rs = 11,05W, điện trở Rotor: Rr = 6,11W, điện cảm stator: Ls = 0,316423 H, điện cảm<br /> Rotor: Lr = 0,316423 H, hỗ cảm giữa Stator và Rotor: Lm= 0,293939 H.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối cấu trúc của Hình 3. Hình ảnh của hệ thống thực nghiệm<br /> hệ thống thí nghiệm<br /> <br /> 4. Cài đặt các cấu trúc điều khiển<br /> Ref<br /> SpeedRef PI<br /> Spd_Out Ref<br /> MACRO<br /> Fbk (lsw=1) Q_Out<br /> Spd Reg<br /> Fbk<br /> <br /> Q_s SVGEN Ta Mfunc_C1 PWM1 A/B<br /> CURRENT IPARK Ualpha<br /> CONTROLLER<br /> MACRO Alpha MACRO 3-Phase<br /> MACRO Tb Mfunc_C2 PWM PWM PWM2 A/B<br /> Inverter<br /> IdRef D_s MACRO HW<br /> Ref Beta Tc PWM3 A/B<br /> Mfunc_C3<br /> Fbk D_Out Ubeta<br /> <br /> <br /> Omega<br /> CUR_MOD ThetaFlux<br /> Qs Sine/Cos<br /> MACRO<br /> <br /> Ds<br /> <br /> <br /> <br /> Ds PARK Alpha Alpha CLARK AdcResult0 ADCIn1 (Ia)<br /> As<br /> MACRO MACRO<br /> AdcResult1 ADC ADC ADCIn1 (Ib)<br /> Beta Bs MACRO HW<br /> Qs Beta<br /> ADCIn1 (Ib)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> M<br /> 3~<br /> Speed ElecTheta<br /> SPEED FR<br /> MACRO QEP QEP QEPn<br /> MACRO HW<br /> Incremental<br /> SpeedRpm Direction Encoder<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Cấu trúc phần mềm điều khiển động cơ<br /> không đồng bộ rotor lồng sóc có sử dụng cảm biến tốc độ<br /> Chương trình điều khiển được lập trình dưới dạng cấu trúc, gồm các module (macro) kết nối<br /> với nhau. Phần mềm soạn thảo được sử dụng là phần mềm Code Composer Studio (CCS) của<br /> hãng Texas Instruments, thuận lợi cho việc phát triển các cấu trúc điều khiển khác nhau. Hai cấu<br /> trúc điều khiển được giới thiệu trong bài báo: Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor<br /> lồng sóc có sử dụng cảm biến tốc độ (hình 4) và cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor<br /> lồng sóc không sử dụng cảm biến tốc độ (hình 5).<br /> IqRef(lsw=0)<br /> Ref<br /> SpeedRef PI<br /> Spd_Out Ref<br /> MACRO<br /> Fbk (lsw=1) Q_Out<br /> Spd Reg<br /> Fbk<br /> <br /> Q_s SVGEN Ta Mfunc_C1 PWM1 A/B<br /> IPARK Ualpha<br /> CURRENT MACRO Alpha MACRO 3-Phase<br /> CONTROLLER Tb Mfunc_C2 PWM PWM PWM2 A/B<br /> Inverter<br /> MACRO MACRO HW<br /> D_s Beta Tc Mfunc_C3 PWM3 A/B<br /> Ubeta<br /> IdRef Ref<br /> D_Out<br /> Fbk<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ADCIn1 (Ia)<br /> Ds PARK Alpha Alpha CLARK AdcResult0<br /> As<br /> mp.Out MACRO MACRO ADCIn1 (Ib)<br /> (Isw=0) AdcResult1 ADC ADC<br /> Beta Bs<br /> Qs Beta MACRO HW ADCIn1 (Ib)<br /> AdcResult3<br /> Sine/Cos ADCIn1 (Vdc)<br /> ThetaFlux(Isw=1)<br /> <br /> Isalpha<br /> <br /> Isbeta<br /> Isalpha<br /> Estimated ACI_SE Ta<br /> PsiQrs PsiQrs<br /> Speed MACRO<br /> ACI_FE Isbeta Vabc<br /> PsiDrs PsiDrs PHASE Tb<br /> MACRO<br /> VOLT<br /> Valpha Valpha Tc<br /> ThetaFlux ThetaFlux MACRO<br /> <br /> Vbeta Vbeta<br /> DcBusVolt M<br /> 3~<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Cấu trúc phần mềm điều khiển động cơ<br /> không đồng bộ rotor lồng sóc khi không sử dụng cảm biến tốc độ<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 43 – 08/2015 56<br /> 5. Kết quả thực nghiệm<br /> Một số kết quả bước đầu<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Dạng sóng PWM1H, PWM2H và PWM1L-PWM2L<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Thời gian đóng ngắt các van Ta- Tb, Ta-Tc, Tb-Tc và Ta&Tb-Tc quan sát bởi oscilloscope<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Đáp ứng tốc độ thực khi tốc độ đặt Hình 9. Đáp ứng tốc độ khi tốc độ đặt là<br /> từ 600 lên 1050 vòng/phút<br /> 1200 vòng/phút<br /> Tốc độ thực bám sát tốc độ đặt, chứng tỏ<br /> hệ thống thực nghiệm điều khiển số (digital<br /> control) động cơ KĐB-RLS đã xây dựng đáp<br /> ứng được yêu cầu. Phần 4 làm nhiệm vụ cài đặt<br /> các cấu trúc điều khiển điển hình cho động cơ<br /> không đồng bộ rotor lồng sóc. Với kết quả đạt<br /> được bước đầu được đưa ra trong phần 5 cho<br /> thấy mô hình thí nghiệm có khả năng cài đặt,<br /> phát triển các cấu trúc điều khiển, có ý nghĩa<br /> thực tiễn trong công tác giảng dạy các học phần<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 43 – 08/2015 57<br />