Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không dùng cảm biến

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:123

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Nghiên cứu hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không dùng cảm biến" là xây dựng bộ quan sát để ước lượng vị trí góc rotor và tốc độ quay thay thế thiết bị đo tốc độ trong hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục theo phương pháp tựa theo từ thông rotor...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không dùng cảm biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGÔ MẠNH TÙNG NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGÔ MẠNH TÙNG NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Phạm Quang Đăng 2. PGS.TS. Nguyễn Huy Phương Hà Nội - 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh TS. Phạm Quang Đăng PGS.TS. Nguyễn Huy Phương Ngô Mạnh Tùng i
LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian dài, với rất nhiều khó khăn và thử thách về mặt chuyên môn, về kinh nghiệm nghiên cứu, về kinh nghiệm sống, nghiên cứu sinh cũng đã hoàn thành bản luận án của mình. Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ, hỗ trợ vô cùng lớn lao của các thầy trong tập thể hướng dẫn, của các đơn vị chuyên môn ở đơn vị đào tạo cũng như tại đơn vị công tác, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, các anh chị cùng học nghiên cứu sinh, các bạn sinh viên và của gia đình. Qua đây tác giả muốn gửi những lời cảm ơn chân thành và trân trọng tới các thầy TS. Phạm Quang Đăng, PGS.TS. Nguyễn Huy Phương và PGS.TS. Nguyễn Quang Địch, tập thể hướng dẫn đã có những định hướng sâu sắc để nghiên cứu sinh không chỉ hoàn thành luận án mà còn trưởng thành lên trong tư tưởng và thái độ trước các vấn đề chuyên môn và nghiên cứu khoa học. Tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy thuộc Viện Kĩ thuật điều khiển & tự động hóa và bộ môn Tự động hóa đã cho nghiên cứu sinh rất nhiều những góp ý trong các buổi báo cáo chuyên môn định kì của Viện. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các Phòng ban của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án. Tác giả cũng xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu -Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh đi học; cảm ơn tới Ban chủ nhiệm Khoa, các anh chị đồng nghiệp Khoa Điện đã hỗ trợ để nghiên cứu sinh sắp xếp được thời gian, vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa nghiên cứu luận án. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới Viện Nghiên cứu phát triển công nghệ cao về Kĩ thuật công nghệp - Trường Đại học Kĩ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh khảo sát đối tượng nghiên cứu của luận án. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cám ơn tới gia đình, bố mẹ hai bên, vợ và hai con đã hết lòng ủng hộ, ở bên cạnh để nghiên cứu sinh hoàn thành nội dung nghiên cứu này. Ngô Mạnh Tùng ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... ii MỤC LỤC................................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .......................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................................................x MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................... 1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................... 2 3. Mục tiêu nghiên cứu......................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................. 2 5. Những đóng góp mới của luận án .................................................................... 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ......................................................................... 3 7. Bố cục và nội dung của luận án ....................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC .............................................................5 1.1 Giới thiệu động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục ............. 5 1.1.1 Khái quát về động cơ ổ từ .................................................................... 5 1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục ................................................................................................ 8 1.2 Tổng quan các nghiên cứu về điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục .................................................................................................... 9 1.3 Định hướng nghiên cứu của luận án ............................................................ 14 1.4 Kết luận chương 1 ........................................................................................ 14 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC .............................................. 15 2.1 Mô hình toán học động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục 15 2.2 Cấu trúc hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục 24 2.2.1 Nguyên tắc xác định dòng điện đặt cho hai stator ............................. 24 2.3 Thiết kế hệ điều khiển ứng dụng bộ quan sát nhiễu và thành phần bất định dựa trên thuật toán Backstepping cải tiến .................................................................... 28 iii
2.3.1 Đặt vấn đề .......................................................................................... 28 2.3.2 Thiết kế bộ quan sát High-gain ước lượng thành phần nhiễu hệ thống ............................................................................................................................ 30 2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển vị trí dọc trục dựa trên thuật toán Backstepping cải tiến ................................................................................................................ 32 2.3.4 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ dựa trên thuật toán Backstepping cải tiến ............................................................................................................................ 34 2.3.5 Chứng minh tính ổn định của toàn hệ thống ...................................... 35 2.3.6 Mô phỏng và kết quả .......................................................................... 37 2.3.7 Nhận xét ............................................................................................. 47 2.4 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 47 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC ....................................................................................................... 49 3.1 Đặt vấn đề .................................................................................................... 49 3.2 Thiết kế bộ quan sát High-gain ứng dụng điều khiển không dùng cảm biến tốc độ 50 3.3.1 Bộ quan sát High-gain ước lượng sức điện động cảm ứng ................ 50 3.2.2 Chứng minh tính ổn định của bộ quan sát High-gain ........................ 54 3.2.3 Kết quả mô phỏng hệ sử dụng bộ quan sát High-gain ước lượng sức điện động.................................................................................................................... 55 3.2.4 Nhận xét ............................................................................................. 64 3.3 Thiết kế bộ quan sát trượt ứng dụng điều khiển không dùng cảm biến tốc độ 65 3.3.1 Bộ quan sát trượt ước lượng sức điện động cảm ứng ........................ 66 3.3.2 Chứng minh sự ổn định của hệ thống sử dụng bộ quan sát trượt ...... 70 3.3.3 Kết quả mô phỏng .............................................................................. 71 3.3.4 Nhận xét ............................................................................................. 81 3.4 Kết luận chương 3 ........................................................................................ 81 CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC ................. 83 4.1 Khái niệm mô phỏng thời gian thực HIL ..................................................... 83 4.2 Thiết lập hệ mô phỏng thời gian thực cho động cơ đồng bộ KTVC TTDT 84 4.2.1 Thiết bị Typhoon HIL402 .................................................................. 84 4.2.2 Thiết bị card DSP Interface TSM320F2808 ...................................... 87 iv
4.3 Thiết lập hệ thống mô phỏng HIL cho động cơ đồng bộ KTVC TTDT ...... 88 4.4 Kết luận chương 4 ........................................................................................ 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................................... 95 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN............................. 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 99 PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 106 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng anh Ý nghĩa tiếng việt 1 KTVC Kích Thích Vĩnh Cửu 2 TTDT Từ trường dọc trục 3 PLL Phase-Lock Loop Vòng khóa pha 4 HGO High-gain Obsever Bộ quan sát hệ số khuếch đại lớn 5 AFM Axial Flux Motor Động cơ từ thông dọc trục 6 INFORM Indirect Flux Detection Xác định từ thông gián by Online Reactance tiếp bằng việc đo điện Measurement kháng trực tuyến 7 PMSM Pemanent Magnet Động cơ đồng bộ kích từ Synchronous Motor nam châm vĩnh cửu 8 HIL Hard ware in the loop Mô phỏng hệ có thiết bị simulation phần cứng vi
2. Danh mục các ký hiệu STT Ký Hiệu Đơn vị Ý Nghĩa 01 Lsd mH Điện cảm pha của stator trên trục d 02 Lsq mH Điện cảm pha của stator trên trục q 03 Lsl mH Điện cảm rò 04 g mm Khe hở giữa rotor và stator 05 g0 mm Khoảng cách khe hở khi rotor ở vị trí cân bằng so với hai stator 06 z mm Độ lệch vị trí của rotor so với vị trí cân bằng 07 Lm mH Hỗ cảm giữa cuộn dây rotor với cuộn dây stator 08 λm wb Từ thông móc vòng giữa từ trường rotor với stator 09 λf wb Từ thông rotor 10 isd A Dòng điện stator trên trục d 11 isq A Dòng điện stator trên trục q 12 λsd wb Từ thông stator trên trục d 13 λsq wb Từ thông stator trên trục q 14 usd V Điện áp stator trên trục d 15 usq V Điện áp stator trên trục q 16 ꞷe rad/s Tốc độ góc rotor 17 θe rad Vị trí vector từ trường rotor 18 isα A Dòng điện stator trên trục α 19 isβ A Dòng điện stator trên trục β 20 usα V Điện áp stator trên trục α 21 usβ V Điện áp stator trên trục β 22 Rs Ω Điện trở stator 23 T Nm Momen tổng sinh ra chuyển động quay 24 J Kg.m2 Momen quán tính động cơ vii
25 F N Lực tổng tác động dọc trục 26 p Số đôi cực từ 27 id0 A Dòng điện offset 28 W N Năng lượng từ trường trong động cơ 29 KT Hệ số momen 1 30 KR Hệ số momen 2 31 KFd Hệ số lực dọc trục 1 32 KFd Hệ số lực dọc trục 2 33 FL N Nhiễu tải lực dọc trục 34 TL Nm Nhiễu momen tải 35 d1 N Thành phần gồm nhiễu tải dọc trục và thông số bất định 36 d2 Nm Thành phần gồm nhiễu tải momen và thông số bất định 37 esα V Sức điện động cảm ứng trên trục α 38 esβ V Sức điện động cảm ứng trên trục β 39 ɛ1 Hệ số bộ quan sát nhiễu tải dọc trục và thông số bất định 40 ɛ2 Hệ số bộ quan sát nhiễu tải momen và thông số bất định 41 ɛα Hệ số bộ quan sát sức điện động cảm ứng trên trục α 42 ɛβ Hệ số bộ quan sát sức điện động cảm ứng trên trục β 43 kt Hệ số bộ quan sát trượt viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số cơ bản động cơ đồng bộ KTVC TTDT cực lồi............................... 37 Bảng 3.1 Các thông số cơ bản động cơ đồng bộ KTVC TTDT cực ẩn............................... 55 Bảng 4.1 Thông số kĩ thuật các cổng vào ra của Typhoon 402 ………………………….83 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Động cơ sử dụng ổ từ...........................................................................................5 Hình 1.2 Cấu trúc hệ động cơ ổ từ kinh điển (nguồn: [6]) ................................................6 Hình 1.3 Cấu trúc hệ tích hợp ổ từ ngang trục- động cơ (nguồn: [6])..............................7 Hình 1.4 Cấu trúc hệ tích hợp ổ từ dọc trục- động cơ [6] .................................................7 Hình 1.5 Cấu trúc động cơ đồng bộ KTVC TTDT (nguồn:[7]).......................................8 Hình 1.6 Rotor cực lồi (a) và rotor cực ẩn (b)....................................................................9 Hình 2.1 Cấu trúc động cơ đồng bộ KTVC TTDT (a) và cách bố trí nam châm vĩnh cửu (b) (nguồn: [7]) ........................................................................................................................ 16 Hình 2.2 Các hệ trục tọa độ (nguồn: [27]) ...................................................................... 17 Hình 2.3 Mối quan hệ giữa điện cảm pha với vị trí góc rotor (nguồn: [60]) ................ 18 Hình 2.4 Mối quan hệ giữa điện cảm pha với khe hở không khí (nguồn: [60]) ........... 19 Hình 2.5 Cấu trúc hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục………… ........................................................................................................................... 26 Hình 2.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển Backstepping cải tiến kết hợp bộ quan sát thành phần bất định…………………………………………………………………………..38 Hình 2.7 Đáp ứng ước lượng nhiễu d1 và sai lệch ước luợng........................................ 39 Hình 2.8 Đáp ứng ước lượng nhiễu d2 và sai lệch ước luợng........................................ 40 Hình 2.9 Đáp ứng ước lượng nhiễu d1 khi hệ thống không có nhiễu tải....................... 41 Hình 2.10 Đáp ứng ước lượng nhiễu d2 khi hệ thống không có nhiễu tải....................... 41 Hình 2.11 Đáp ứng vị trí dọc trục khi tốc độ bằng không................................................ 42 Hình 2.12 Đáp ứng tốc độ khi khởi động không tải ......................................................... 42 Hình 2.13 Đáp ứng vị trí z khi sử dụng thuật toán có quan sát nhiễu và khi không có khâu quan sát nhiễu trong trường hợp có tải dọc trục..................................................................... 43 Hình 2.14 Đáp ứng dòng điện id khi có tải lực dọc trục ................................................... 43 Hình 2.15 Đáp ứng tốc độ khi có tải lực dọc trục ............................................................. 44 Hình 2.16 Đáp ứng tốc độ khi khi sử dụng thuật toán có quan sát nhiễu và khi không có khâu quan sát nhiễu trong trường hợp có momen tải ............................................................ 44 Hình 2.17 Đáp ứng dòng điện iq khi có momen tải .......................................................... 45 Hình 2.18 Đáp ứng vị trí z khi có momen tải.................................................................... 45 Hình 2.19 Đáp ứng tốc độ và dòng điện iq khi thay đổi giá trị đặt tốc độ ....................... 46 Hình 2.20 Đáp ứng vị trí dọc trục và dòng điện id khi thay đổi giá trị đặt tốc độ ........... 47 Hình 3.1 Cấu trúc bộ quan sát High-gain kết hợp khâu hiệu chỉnh đầu ra ................... 53 x
Hình 3.2 Cấu trúc hệ điều khiển sử dụng bộ quan sát High-gain kết khâu hiệu chỉnh đầu ra quan sát vị trí góc rotor và tốc độ động cơ ......................................................................... 56 Hình 3.3 Đáp ứng tốc độ ước lượng và sai lệch tốc độ khi thay đổi giá trị đặt 150 rad/s lên 200 rad/s và ngược lại........................................................................................................ 57 Hình 3.4 Đáp ứng ước lượng eα và eβ .............................................................................. 58 Hình 3.5 Đáp ứng vị trí góc θe và sai lệch vị trí góc ....................................................... 59 Hình 3.6 Đáp ứng vị trí z dòng điện id khi có tải dọc trục.............................................. 60 Hình 3.7 Đáp ứng tốc độ khi có tải dọc trục ................................................................... 60 Hình 3.8 Đáp ứng tốc độ và dòng điện iq khi có momen tải .......................................... 62 Hình 3.9 Đáp ứng vị trí z khi có momen tải.................................................................... 62 Hình 3.10 Đáp ứng tốc độ và dòng điện iq khi thay đổi giá trị đặt tốc độ........................ 63 Hình 3.11 Đáp ứng z và dòng điện id khi thay đổi giá trị đặt tốc độ ................................ 64 Hình 3.12 Mô hình phi tuyến tương đương với cấu trúc bộ quan sát trượt ………67 Hình 3.13 Cấu trúc của khâu hiệu chỉnh đầu ra cải tiến được ứng dụng …………68 Hình 3.14 Cấu trúc hệ điều khiển sử dụng bộ quan sát trượt kết hợp khâu hiệu chỉnh đầu ra cải tiến quan sát vị trí góc rotor và tốc độ động cơ …………..………70 Hình 3.15 Đáp ứng ước lượng tốc độ và sai lệch ước lượng…………..…………73 Hình 3.16 Đáp ứng ước lượng dòng điện isα và isβ …………..…………..………74 Hình 3.17 Đáp ứng ước lượng sức điện động esα và esβ …………..…………..…75 Hình 3.18 Đáp ứng ước lượng góc theta và sai lệch ước lượng …..…………..…76 Hình 3.19 Đáp ứng vị trí z và dòng điện id khi có lực tải dọc trục …..…………..…77 Hình 3.20 Đáp ứng tốc độ khi có lực tải dọc trục…………………..…………..…77 Hình 3.21 Đáp ứng tốc độ và dòng điện iq khi có momen tải.……..…………..…78 Hình 3.22 Đáp ứng vị trí z khi có momen tải………………..……..…………..…79 Hình 3.23 Đáp ứng tốc độ và dòng điện iq khi thay đổi giá trị đặt tốc độ…..…..…80 Hình 3.24 Đáp ứng vị trí z và dòng điện id khi thay đổi giá trị đặt tốc độ……..…81 Hình 4.1 Mô phỏng thời gian thực HIL .......................................................................... 83 Hình 4.2 Mô phỏng HIL cấp tín hiệu .............................................................................. 84 Hình 4.3 Thiết bị Typhoon HIL 402 ............................................................................... 85 Hình 4.4 Giao diện người dùng của phần mềm Typhoon HIL Control Center ........... 86 Hình 4.5 Thư viện công cụ của phần mềm Typhoon HIL Control Center................... 86 Hình 4.6 Card DSP Interface cho dòng TMS320F28379D ........................................ 87 Hình 4.7 Sơ đồ ghép nối HIL- DSP ................................................................................ 88 Hình 4.8 Cấu trúc mô phỏng HIL cho hệ động cơ đồng bộ KTVC TTDT.................. 89 xi
Hình 4.9 Hệ thống mô phỏng HIL cho động cơ đồng bộ KTVC TTDT ..................... 89 Hình 4.10 Đáp ứng vị trí dọc trục z và dòng điện id ................................................... 90 Hình 4.11 Đáp ứng tốc độ và dòng điện iq .................................................................... 91 Hình 4.12 Đáp ứng sức điện động esα và esβ và hình ảnh phóng to ........................... 91 Hình 4.13 Đáp ứng góc θe và sai lệch vị trí góc ............................................................ 92 Hình 4.14 Đáp ứng vị trí dọc trục z và dòng điện id khi có lực tải dọc trục ........... 92 Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ khi có lực tải dọc trục ......................................................... 93 Hình 4.16 Đáp ứng tốc độ và dòng điện iq khi có momen tải ..................................... 93 Hình 4.17 Đáp ứng vị trí dọc trục z khi có momen tải ................................................ 94 xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, động cơ sử dụng ổ từ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất, với đặc điểm trục động cơ được nâng bởi lực từ trường mà không có tiếp xúc về cơ khí. Vì thế động cơ sử dụng ổ từ có một số ưu điểm như làm việc ở dải tốc độ rất cao, vận hành tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt với nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp, không yêu cầu dầu bôi trơn, do đó sạch sẽ, không gây ô nhiễm, loại bỏ nguy cơ cháy nổ và nâng cao thời gian vận hành của toàn bộ hệ thống. Từ các ưu điểm trên, động cơ sử dụng ổ từ được ứng dụng chủ yếu cho các trường hợp yêu cầu tốc độ cao như máy phát điện sức gió, bơm phân tử tuabin chân không, máy nén dạng ống, máy phát điện dùng tuabin khí; ở môi trường làm việc đặc biệt như máy nén khí hóa lỏng; hoặc các hệ thống nguồn dự phòng (UPS) như hệ bánh đà tích trữ năng lượng. Trong số các cấu trúc động cơ ổ từ hiện nay, cấu trúc hệ tích hợp ổ từ dọc trục- động cơ nhận được nhiều sự quan tâm về thiết kế, chế tạo và điều khiển. Lí do vì cấu trúc này đã giảm số lượng ổ từ và rút ngắn chiều dài trục động cơ, từ đó kích thước hệ thống bớt cồng kềnh, giá thành hạ và quá trình điều khiển cũng được tinh giản. Một hệ cấu trúc tích hợp ổ từ dọc trục- động cơ có thể bao gồm hai ổ từ ngang trục và một ổ từ dọc trục, nếu trên rotor gắn nam châm vĩnh cửu thì ta có thể gọi là hệ động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục. Trong hệ thống đó, động cơ thực hiện hai nhiệm vụ, vừa sinh mô men quay vừa sinh lực dọc trục giữ rotor ở vị trí cân bằng. Cho tới thời điểm hiện tại, hầu hết các công trình nghiên cứu và ứng dụng đối với động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục, phần lớn có đặc điểm chung là trong hệ thống điều khiển đều sử dụng thiết bị đo tốc độ quay để thu được tín hiệu phản hồi cho các mạch vòng điều khiển. Tuy nhiên, khác với các động cơ truyền thống, động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục có thể được coi là động cơ chuyên dụng với dải làm việc ở tốc độ cao, vì thế cảm biến dùng để đo tốc độ tương ứng có giá thành không hề rẻ, làm tăng chi phí cho toàn hệ thống, thậm chí thiết bị đo cho dải tốc độ rất cao có thể làm cho hệ thống có giá thành đắt, khó chấp nhận được. Bên cạnh đó, về mặt kĩ thuật, cảm biến đo tốc độ cần được tích hợp với động cơ, chẳng hạn gắn thành phần đầu đo của cảm biến trên trục quay của động cơ. Điều này làm tăng kích thước của hệ và yêu cầu về vấn đề bảo trì, bảo dưỡng thiết bị. Đồng thời, khi động cơ quay với tốc độ lớn, hệ thống cũng bị suy giảm độ cứng vững cơ khí, tăng rung lắc, xung lực do quán tính và từ đó làm giảm độ tin cậy của hệ thống. 1
Với những phân tích ở trên, việc giải quyết các tồn tại do sử dụng cảm biến đo tốc độ gây ra là rất cần thiết cho các ứng dụng truyền động tốc độ cao. Vì thế, chiến lược điều khiển loại bỏ cảm biến đo tốc độ (điều khiển sensorless) đón nhận nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu và được ứng dụng rộng rãi. Trong khi đó, do sự xuất hiện của cấu trúc hệ động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục là khá mới so với tuổi của các động cơ truyền thống, nên số lượng các công trình nghiên cứu điều khiển hệ động cơ này chưa thực sự nhiều và phong phú như động cơ đồng bộ thông thường. Vì thế, xu hướng nghiên cứu điều khiển không dùng cảm biến tốc độ cho hệ động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục để nâng cao khả năng ứng dụng vào thực tiễn đang được khá nhiều nhà khoa học quan tâm hiện nay. Trong luận án này, tác giả tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển không đo tốc độ quay, sau đó xây dựng một hệ điều khiển dựa trên phương pháp ước lượng sức điện động cảm ứng để từ đó xác định chính xác vị trí góc và tốc độ độ quay của rotor ứng dụng cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục. Phạm vi nghiên cứu: - Hoàn thiện hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục theo phương pháp tựa theo từ thông rotor có sử dụng cảm biến đo vị trí và tốc độ quay. - Phương pháp ước lượng vị trí và tốc độ quay động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục trong phạm vi tốc độ trung bình và lớn. 3. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng bộ quan sát để ước lượng vị trí góc rotor và tốc độ quay thay thế thiết bị đo tốc độ trong hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục theo phương pháp tựa theo từ thông rotor. - Xây dựng hệ thống mô phỏng thời gian thực để đánh giá hoạt động của các bộ quan sát ước lượng vị trí góc rotor và tốc độ quay thay thế thiết bị đo vị trí góc và tốc độ trong hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục theo phương pháp tựa theo từ thông rotor. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu hệ thống điều khiển dựa trên cấu trúc điều khiển vector, áp dụng phương pháp thuật toán Backstepping tổng hợp các bộ điều khiển. Áp dụng phương pháp ước lượng sức điện động cảm ứng để thiết kế bộ quan sát từ đó xác định vị trí góc và tốc độ quay. Cuối cùng, sử dụng phương pháp mô phỏng trên lý thuyết và mô phỏng thời gian thực để kiểm nghiệm hiệu quả của hệ thống điều khiển đề xuất. 2
5. Những đóng góp mới của luận án Luận án có những đóng góp mới như sau: - Đề xuất một hệ điều khiển tích hợp, bao gồm: thuật toán Backstepping cải tiến để tổng hợp bộ điều khiển phản hồi trạng thái (vị trí dọc trục và tốc độ) có tính đến tác động của nhiễu và sai lệch mô hình, kết hợp với thuật toán quan sát High-gain ước lượng nhiễu tải và thành phần bất định để bù ở đầu vào bộ điều khiển Backstepping, áp dụng điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục với kết quả giảm sai lệch đáp ứng đầu ra và hạn chế tương tác xen kênh. - Nghiên cứu và đề xuất các thuật toán thiết kế bộ quan sát (bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt) để ước lượng sức điện động cảm ứng, từ đó tính toán vị trí góc và tốc độ rotor, áp dụng cho hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không dùng cảm biến đo tốc độ. Kết quả cho thấy các đáp ứng ước lượng bám theo giá trị lí thuyết, trong đó bộ quan sát trượt có chất lượng tốt hơn thể hiện ở việc giảm sai lệch trong quá trình quá độ và sai lệch tĩnh. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a, Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất một hệ điều khiển tích hợp các bộ điều khiển có tính thích nghi với sai lệch mô hình và nhiễu, kết hợp một bộ quan sát ước lượng nhiễu bù đầu vào bộ điều khiển. Thêm vào đó, luận án đã đề xuất hai thuật toán để thiết kế bộ quan sát ước lượng sức điện động cảm ứng là bộ quan sát trượt và bộ quan sát High-gain ứng dụng cho hệ thống điều khiển không sử dụng cảm biến đo tốc độ quay cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục. b, Ý nghĩa thực tiễn: Các thuật toán điều khiển và thuật toán quan sát được đề xuất trong luận án có thể được áp dụng cho thực tế nhằm thay thế cảm biến đo tốc độ quay, giảm kích thước và giá thành hệ thống. 7. Bố cục và nội dung của luận án Luận án gồm 5 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục. Giới thiệu về các cấu trúc động cơ sử dụng ổ từ và đặc điểm của các cấu trúc đó. Tiếp theo, phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đối tượng nghiên cứu. Dựa trên đặc điểm về đối tượng, tìm hiểu và đánh giá các công trình nghiên cứu, các ưu nhược điểm và các kết quả, qua đó lựa chọn định hướng phương pháp điều khiển và quan sát trạng thái phù hợp cho đối tượng luận án. Chương 2: Xây dựng mô hình toán học cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục trên hai hệ tọa độ quay dq và hệ tọa độ đứng yên αβ, trình bày các 3
phương trình tính toán lực tổng dọc trục và momen tổng. Từ đặc điểm và mô hình toán học của đối tượng, lựa chọn cấu trúc điều khiển vector tựa theo từ thông rotor để xây dựng hệ thống điều khiển. Sau đó, thiết kế một thuật toán điều khiển Backstepping cải tiến để tổng hợp bộ điều khiển vị trí dọc trục và bộ điều khiển tốc độ quay. Bên cạnh đó, một bộ quan sát High-gain có nhiệm vụ ước lượng các nhiễu tải và thành phần bất định của hệ thống cũng được thiết kế ứng dụng vào hệ điều khiển này Chương 3: Thiết kế một bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt để ước lượng sức điện động cảm ứng trên stator của động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục. Từ đó tính toán vị trí góc và tốc độ quay của rotor. Một khâu hiệu chỉnh đầu ra được thiết kế, sử dụng tín hiệu đầu ra của bộ quan sát để hiệu chỉnh góc pha ước lượng vị trí góc rotor. So sánh chất lượng của hai bộ quan sát và đưa ra kết luận bộ quan sát trượt cho đáp ứng quan sát tốt hơn bộ quan sát High-gain. Chương 4: Xây dựng hệ thống mô phỏng thời gian thực dựa trên nền tảng thiết bị Typhoon HIL402 và DSP interface TMS320F28379D điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục không dùng cảm biến tốc độ quay sử dụng các bộ quan sát trượt được đề xuất để đánh giá chất lượng hệ thống. Phần kết luận: đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án. Đưa ra đề xuất, định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 1.1 Giới thiệu động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục 1.1.1 Khái quát về động cơ ổ từ Động cơ là một thiết bị rất quan trọng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp ngày nay. Ở các động cơ truyền thống, trục quay được nâng bởi hệ thống ổ đỡ cơ khí. Tuy nhiên, ngày nay hệ thống động cơ sử dụng ổ từ ngày càng được ứng dụng rộng rãi, trong đó trục động cơ được nâng bởi lực từ trường mà không có tiếp xúc về vật lí. Có thể kể đến một số ưu điểm của động cơ ổ từ như sau [1]–[4]: - Do tính không tiếp xúc trực tiếp cho phép động cơ hoạt động với tốc độ cao. Giới hạn về tốc độ phụ thuộc vào sức bền của vật liệu làm rotor. - Chất lượng vận hành tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt, cho phép động cơ vận hành tốc độ rất cao ở nhiệt độ rất cao hoặc rất thấp. - Nâng cao thời gian vận hành của toàn bộ hệ thống. - Sạch sẽ và an toàn do không cần dầu bôi trơn nên không gây ô nhiễm và loại bỏ nguy cơ cháy nổ do chất bôi trơn. Hình 1.1 Động cơ sử dụng ổ từ Hiện nay, các động cơ ổ từ đã được thiết kế và chế tạo ở nhiều quốc gia tiên tiến trên thế giới. Các sản phẩm ngày càng được ứng dụng nhiều hơn vào đời sống sản xuất thực tế với hiệu quả cao. Các ứng dụng điển hình của động cơ ổ từ như bơm phân tử tuabin chân không, máy nén khí dạng ống, máy phát điện sức gió, máy phát điện tuabin khí, máy nén khí hóa lỏng, bơm làm mát khí hóa lỏng, hệ thống nguồn điện dự phòng (bánh đà tích trữ năng lượng) … Cấu trúc động cơ ổ từ cũng có đặc điểm tương đồng với cấu trúc của động cơ điện thông thường, bao gồm hai thành phần cơ bản: phần tĩnh là stator và phần quay là rotor. Tuy nhiên, do không sử dụng vòng bi cơ khí làm ổ đỡ nên để nâng rotor và 5
trục động cơ theo phương thẳng đứng vuông góc với trục động cơ ta cần các ổ từ ngang trục. Ngài ra hệ động cơ này còn cần một ổ từ dọc trục để đảm bảo rotor tại một vị trí cố định cân bằng theo phương của trục của động cơ. Một hệ động cơ ổ từ kinh điển có cấu trúc được trình bày như Hình 1.2, hệ thống này thường có sáu bậc tự do [1], [5]. Trong cấu trúc này bao gồm có hai bộ ổ từ ngang trục, một bộ ổ từ dọc trục và nằm giữa hai ổ từ ngang trục là một động cơ có stator bên ngoài rotor. Các bộ ổ từ dọc trục, ổ từ ngang trục và động cơ đòi hỏi phải được điều khiển riêng biệt. Vì vậy, hệ động cơ ổ từ cần đến nhiều hệ điều khiển khác nhau: hệ điều khiển các ổ từ và hệ điều khiển động cơ. Ngoài ra, động cơ hoạt động ở tốc độ cao và đáp ứng nhanh nên kích thước các ổ từ phải đủ lớn để tránh hiện tượng bão hòa từ. Do vậy, hệ thống có kích thước lớn, cồng kềnh và điều khiển rất phức tạp, điều này gây khó khăn cho cho những ứng dụng trong không gian nhỏ hẹp. Mặt khác, khi ghép nối thêm các ổ từ, chiều dài trục động cơ phải tăng lên, điều đó không đảm bảo được độ ổn định khi làm việc. Vì trục động cơ quá dài rất dễ bị uốn cong khi bị tác động bởi các xung lực trong quá trình quay và cồng kềnh trong lắp đặt vận chuyển. Đồng thời vấn đề điều khiển cũng trở nên phức tạp hơn. Ổ từ ngang trục Động cơ Ổ từ ngang trục Ổ từ dọc trục Hình 1.2 Cấu trúc hệ động cơ ổ từ kinh điển (nguồn: [6]) Để khắc phục một số hạn chế của động cơ ổ từ kinh điển, các nghiên cứu về động cơ ổ từ trên thế giới tập trung vào việc đơn giản hóa cấu trúc hệ thống trong khi vẫn đảm bảo sự chính xác về mặt cơ khí và sự tối ưu trong việc điều khiển. Một trong những thành tựu nghiên cứu đã được đề xuất và ứng dụng đó là tích hợp chức năng của ổ từ vào động cơ, trong đó có hai cấu trúc rất hiệu quả: cấu trúc tích hợp ổ từ ngang trục- động cơ và cấu trúc tích hợp ổ từ dọc trục- động cơ [7], [8]. 6