Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ điều khiển fuzzy FOC

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:99

Thêm vào BST

Báo xấu

69
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha; Nghiên cứu vẽ điều khiển mờ; Thiết kế bộ điều khiển fuzzy FOC cho động cơ không đồng bộ 3 pha; Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên phần mểm Matlab.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ điều khiển fuzzy FOC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- VƯƠNG THỊ HỒNG VÂN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY FOC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- VƯƠNG THỊ HỒNG VÂN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY FOC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 25 tháng 9 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS.Trương Việt Anh Chủ tịch 2 TS.Huỳnh Châu Duy Phản biện 1 3 TS.Đặng Xuân Kiên Phản biện 2 4 TS.Trần Vinh Tịnh Ủy viên 5 TS.Võ Hoàng Duy Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày…… tháng….. năm 20..… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Vương Thị Hồng Vân Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 25/5/1966 Nơi sinh: Đồng Tháp Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1441830049 I- Tên đề tài: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ điều khiển fuzzy FOC II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu tổng quan về điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha - Nghiên cứu vẽ điều khiển mờ - Thiết kế bộ điều khiển fuzzy FOC cho động cơ không đồng bộ 3 pha - Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên phần mểm Matlab III- Ngày giao nhiệm vụ : Tháng 23/01/2016 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 30/7/2016 V- Cán bộ hướng dẫn : PGS.TS.Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên)
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với TS. Nguyễn Thanh Phương người đã hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình thực hiện Luận văn. Thầy đã có những định hướng cho bài báo cáo luận văn của tôi và đã quan tâm giúp đỡ khi tôi gặp khó khăn. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo bộ môn trong khoa đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường. Trong quá trình thực tập và làm báo cáo do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ Thầy, Cô để tôi học thêm được nhiều kinh nghiệm và được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn!
iii TÓM TẮT Trong lý thuyết điều khiển hiện đại, động cơ cảm ứng được mô tả bởi các mô hình toán học khác nhau, theo các phương pháp kiểm soát được sử dụng. Trong phiên bản ba pha đối xứng, loại động cơ điện này có thể được kết hợp với chiến lược kiểm soát vector. Thông qua phương pháp điều khiển này, sự vận hành của động cơ cảm ứng có thể được phân tích trong một cách tương tự như một động cơ DC. Luận văn này mô tả việc sử dụng các kỹ thuật logic mờ để điều khiển tốc độ của động cơ cảm ứng ba pha.
iv ABSTRACT In modern control theory, the induction motor is described by different mathematical models, In the symmetrical three-phase version, this electrical motor type can be associated with vector control strategy. Through this control method, the induction motor operation can be analysed in a similar way to a DC motor. This thesis describes the use of fuzzy logic techniques to control the speed of a three-phase induction motor.
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................ii TÓM TẮT ............................................................................................................................iii ABSTRACT ........................................................................................................................iv MỤC LỤC ............................................................................................................................ v DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH .................................................. viii Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 1 1.1. Tổng quan về đề tài .............................................................................................. 1 1.2. Các phương pháp điều khiển ................................................................................ 2 1.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) ..................................... 2 1.2.2. Phương pháp điều chế Vector không gian ........................................................ 3 1.2.3. Điều khiển định hướng trường .......................................................................... 4 1.2.4. Điều khiển định hướng từ thông Rotor trực tiếp ............................................... 5 1.2.5. Điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp .............................................. 5 1.2.6. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường ............................................ 6 1.2.7. Nhận xét ............................................................................................................ 7 1.3. Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay ........................................................................ 7 1.3.1. Điều khiển thông minh ...................................................................................... 7 1.3.2. Những kỹ thuật khác ......................................................................................... 8 1.4. Định hướng........................................................................................................... 9 1.5. Mục tiêu đề tài ...................................................................................................... 9 1.6. Nội dung luận văn ................................................................................................ 9 Chương 2. MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA .............. 11 2.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha .................................................... 11 2.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha ..................................................... 12 2.2.1. Xây dựng Vector không gian .......................................................................... 12 2.2.2. Chuyển hệ trục tọa độ cho Vector không gian ................................................ 14 2.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor ....................... 14 2.3. Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha ..................................................... 17 2.3.1. Lý do xây dựng mô hình ................................................................................. 17
vi 2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ .............................................................. 18 2.3.3. Các tham số của động cơ................................................................................. 19 2.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator...................................... 20 2.3.5. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor ....................................... 22 2.3.6. Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor ................................................................................................................. 23 2.3.7. Bộ điều chế độ rộng xung PWM ..................................................................... 23 2.3.8. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab ................................................................................................................. 25 2.3.8.1. Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha ......................... 25 2.3.8.2. Mô hình động cơ trong simulink .................................................................. 25 2.3.8.3. Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ ................................. 26 2.4. Nhận xét ............................................................................................................. 29 Chương 3. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC - FIELD ORIENTED CONTROL)............................................................................................................... 31 3.1. Đại cương về phương pháp FOC ....................................................................... 31 3.2. Cấu trúc nội dung phương pháp FOC ................................................................ 33 3.2.1. Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC ............................................................... 33 3.2.2. Xây dựng thuật toán điều khiển ...................................................................... 34 3.2.3. Cấu trúc hiện đại của FOC .............................................................................. 36 3.3. Mô phỏng phương pháp foc bằng simulink matlab .......................................... 37 3.3.1. Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp foc trong simulink matlab ........... 37 3.3.2. Giải thích nguyên lí hoạt động ........................................................................ 37 3.3.3. Phân tích sơ đồ ............................................................................................... 38 3.4. Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC ................................................................................................................................... 41 3.4.1. Tham số mô phỏng .......................................................................................... 41 3.4.2. Trình tự mô phỏng .......................................................................................... 42 3.4.3. Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong Simulink Matlab ........................... 44 3.4.3.1.Từ thông của động cơ .................................................................................... 44 3.4.3.2.Tốc độ của động cơ ....................................................................................... 44
vii 3.4.3.3. Moment của động cơ................................................................................ 45 3.4.3.4. D ng điện các pha của động cơ .................................................................. 46 3.4.3.5. Khi đảo chiều quay động cơ......................................................................... 47 3.4.3.6. Khi tăng moment tải (TL 10,5 N.m) ......................................................... 48 3.4.3.7. Khi tăng moment quán tính ( 0,0256 kg.m2) ........................................... 51 3.4.4. Nhận xét kết quả mô phỏng điều khiển FOC .................................................. 54 Chương 4. DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PI MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ................................................................................................. 57 4.1. Tổng quan về phương pháp đề xuất ................................................................... 57 4.2. Bộ điều khiển mờ PI........................................................................................... 57 4.2.1. Giới thiệu......................................................................................................... 57 4.2.2. Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ ......................................................................... 59 4.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai .................................................................... 60 4.2.4. Xây dựng các bộ điều khiển PI mờ ................................................................ 61 4.3. Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào ước lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ PI để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha ............................................................................................................ 72 4.4. Nhận xét ............................................................................................................. 80 Chương 5. KẾT LU N ,HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............ 82 5.1. Kết luận .............................................................................................................. 82 5.2. Hướng phát triển đề tài....................................................................................... 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 83
viii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều 3 pha hiện đại 2 Hình 1.2. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng .......................... 3 Hình1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển moment vô hướng............................... 3 Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian ................. 4 Hình 1.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản ................................................ 5 Hình 1.6. Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định hướng từ thông rotor gián tiếp .................................................................................... 6 Hình 2.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha .................................................... 11 Hình 2.2. Sơ đồ cuộn dây và d ng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha ........... 12 Hình 2.3. Thiết lập Vector không gian từ các đại lượng pha .................................... 13 Hình 2.4. Biểu diễn d ng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ  .... ................................................................................................................................... 13 Hình 2.5. Chuyển hệ tọa độ giữa  và dq ................................................................ 14 Hình 2.6. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor ................. 15 Hình 2.7. Thu thập giá trị thực của vector d ng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq) ............................................................................................................ 16 Hình 2.8. Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc ..... ................................................................................................................................... 17 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ PWM ................................................. 23 Hình 2.10. Cơ chế đóng ngắt của PWM (pha U) ...................................................... 24 Hình 2.11. Dạng sóng 3 pha khi được điều chế PWM ............................................. 24 Hình 2.12. Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha ......................... 26 Hình 2.13. Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM ................................................................................................................................... 26 Hình 2.14. Dòng từ hóa ............................................................................................ 27 Hình 2.15. Từ thông rotor ......................................................................................... 27 Hình 2.16. Tốc độ động cơ ........................................................................................ 28 Hình 2.17. Moment động cơ ..................................................................................... 28 Hình 2.18. D ng điện stator ...................................................................................... 28 Hình 2.19. Điện áp Stator .......................................................................................... 29
ix Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp. .............................................. 32 Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp. .............................................. 33 Hình 3.3. Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC .................................................... 34 Hình 3.4. Vector d ng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q). ... 35 Hình 3.5. Sơ đồ khối điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC ............... 37 Hình 3.6. Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) ........ 38 Hình 3.7. Sơ đồ khối chuyển điện áp từ (d, q) sang (α, β) ........................................ 39 Hình 3.8. Sơ đồ khối chuyển d ng điện từ (u, v, ) sang (d, q) ............................... 39 Hình 3.9. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ................................................................. 40 Hình 3.10. Sơ đồ khối Firef và Wref ........................................................................ 41 Hình 3.11. Sơ đồ khối TL .......................................................................................... 41 Hình 3.12. Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng........................................................42 Hình 3.13. Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng đảo chiều động cơ .........................43 Hình 3.14. Moment đặt cho quá trình mô phỏng ......................................................43 Hình 3.15. Biểu diễn quá trình mô phỏng theo thời gian khi đóng cắt tải ............... 43 Hình 3.16. Từ thông thật của động cơ....................................................................... 44 Hình 3.17. Từ thông ước lượng của động cơ ............................................................ 44 Hình 3.18. Tốc độ thật của động cơ .......................................................................... 45 Hình 3.19. Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt ............................................ 45 Hình 3.20. Moment thực của động cơ ....................................................................... 45 Hình 3.21. Moment của động cơ được ước lượng .................................................... 46 Hình 3.22. D ng điện pha U của động cơ ................................................................. 46 Hình 3.23. D ng điện ba pha của động cơ ................................................................ 46 Hình 3.24. Từ thông thật của động cơ (khi đảo chiều quay) .................................... 47 Hình 3.25. Từ thông của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay) ................. 47 Hình 3.26. Tốc độ thật của động cơ (khi đảo chiều quay) ........................................ 47 Hình 3.27. Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi đảo chiều động cơ) ...... 48 Hình 3.28. Moment thật của động cơ (khi đảo chiều quay) ...................................... 48 Hình 3.29. Moment của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay) .................. 48 Hình 3.30. Từ thông thật của động cơ (khi tăng moment tải) ................................... 49 Hình 3.31. Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải) ........................ 49
x Hình 3.32. Tốc độ thật của động cơ (khi tăng moment tải) ...................................... 49 Hình 3.33. Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi tăng moment tải) ......... 50 Hình 3.34. Moment thực của động cơ (khi tăng moment tải) ................................... 50 Hình 3.35. Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải) ......................... 50 Hình 3.36. D ng điện pha U của động cơ (khi tăng moment tải) ............................. 51 Hình 3.37. D ng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment tải) ............................ 51 Hình 3.38. Từ thông thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)....................... 51 Hình 3.39. Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính) ............. 52 Hình 3.40. Tốc độ thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) .......................... 52 Hình 3.41. Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt (khi tăng moment quán tính) ................................................................................................................................... 52 Hình 3.42. Moment thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) ........................ 53 Hình 3.43. Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính) .............. 53 Hình 3.44. D ng điện pha u của động cơ (khi tăng moment quán tính) ................... 53 Hình 3.45. D ng điện pha v của động cơ (khi tăng moment quán tính) ................... 54 Hình 3.46. D ng điện pha của động cơ (khi tăng moment quán tính) ................. 54 Hình 3.47. D ng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment quán tính) ................. 54 Hình 4.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID thông thường ................................................ 57 Hình 4.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ .......................................................... 58 Hình 4.3. Hệ thống điều khiển mờ theo sai lệch e và đạo hàm sai lệch ................... 59 Hình 4.4. Sơ đồ khối Bộ điều khiển PI mờ ............................................................... 59 Hình 4.5. Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ xây dựng trong SIMULINK/MATLAB .................................................................................... 59 Hình 4.6. Sơ đồ khối điều khiển PI MỜ xây dựng trên Simulink Matlab ............... 60 Hình 4.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển PI mờ lai ........................................................... 60 Hình 4.8. Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ lai trong SIMULINK/MATLAB ............................................................................................. 60 Hình 4.9. Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai xây dựng trên Matlab ........................... 61 Hình 4.10. Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PI mờ ................................................... 61 Hình 4.11. Tập mờ sai số tốc độ ............................................................................... 62 Hình 4.12. Tập mờ ngõ ra của bộ KP mờ .................................................................. 62
xi Hình 4.13. Quy luật thay đổi KP................................................................................ 63 Hình 4.14 Tập mờ sai số ngõ vào.............................................................................. 63 Hình 4.15. Tập mờ ngõ ra của bộ KI mờ................................................................... 64 Hình 4.16. Quy luật thay đổi KI ................................................................................ 64 Hình 4.17. Sơ đồ khối điều khiển động cơ có bộ điều khiển từ thông PI mờ ........... 65 Hình 4.18. Tập ngõ vào của bộ KP mờ...................................................................... 65 Hình 4.19. Tập ngõ ra của bộ KP mờ ........................................................................ 66 Hình 4.20. Quy luật thay đổi KP................................................................................ 66 Hình 4.21. Tập ngõ vào của bộ KI mờ ...................................................................... 67 Hình 4.22. Tập ngõ ra của bộ KI mờ ......................................................................... 67 Hình 4.23. Quy luật thay đổi KI ................................................................................ 68 Hình 4.24. Sơ đồ khối điều khiển moment có PI mờ ................................................ 68 Hình 4.25. Tập ngõ vào của bộ KP mờ...................................................................... 69 Hình 4.26. Tập ngõ ra KP mờ .................................................................................... 69 Hình 4.27. Quy luật thay đổi KP................................................................................ 70 Hình 4.28. Tập ngõ vào bộ KI mờ ............................................................................. 70 Hình 4.29. Tập ngõ ra của bộ KI mờ ......................................................................... 71 Hình 4.30.Quy luật thay đổi KI ................................................................................. 71 Hình 4.31. Mô hình 3 bộ điều khiển mờ từ thông - moment và tốc độ .................... 72 Hình 4.32. Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI thông thường ........... 72 Hình 4.33. Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI mờ lai ....................... 73 Hình 4.34. So sánh kết quả mô phỏng giữa Bộ điều khiển PI mờ & PI thông thường ................................................................................................................................... 73 Hình 4.35. Kết quả Bộ điều khiển PI mờ lai ............................................................ 74 Hình 4.36. Kết quả Bộ điều khiển PI thông thường ................................................. 74 Hình 4.37. So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ......... 75 Hình 4.38. So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ............. 75 Hình 4.39. So sánh moment khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường .......... 76 Hình 4.40. So sánh d ng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ....... 76 Hình 4.41. So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ......... 77 Hình 4.42. So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ............. 78
xii Hình 4.43. So sánh moment khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường .......... 79 Hình 4.44. So sánh d ng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ....... 80
1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. T ng uan về đề tài Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng những phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên các thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi, vi xử lý và điện tử công suất. Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968 và Balaschke đưa ra 1970. K.Haase: Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969). F.Balaschke: Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha. Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972. TS. Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp điều chỉnh d ng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế của chúng” nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phương pháp mạnh dùng mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cách tiếp cận với các thuật toán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điều khiển gián đoạn bằng vi xử lý. Phần ứng dụng của tác giả TS. Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra đời và được ứng dụng thành công không chỉ trong ph ng thí nghiệm mà c n cả trên thiết bị hiện đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị trường. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:  Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn.  Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải quyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoại với hệ thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với thiết bị ngoại vi tại chỗ PLC.
2 Ngoại vi phụ Bus tuần tự Vi xử lý với chức năng điều chỉnh Động cơ xoay chiều Biến tần 3 pha 1 5 a1 b1 2 6 a2 b2 3 7 a3 b3 4 8 a4 b4 GND 0 Vi xử lý với chức năng thông tin Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại 1. . Các phương pháp điều khiển 1. .1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của d ng điện và điện áp của nguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời. Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độ hoặc moment đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động cơ ổn định. Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện áp hoặc d ng điện được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của những vector tương ứng. Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector. Kỹ thuật vô hướng Volts chung nhất thường được dùng trong thực tế là không đổi (Constant Hertzs Volts/Hertzs - CVH) nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông stator không đổi. Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp. Moment được cải tiến phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor. Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ. Tín hiệu tốc độ thật  M sẽ so sánh với tín hiệu tốc độ chuẩn  M* , sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn sl* . Tín hiệu này cộng với  M tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệ p / 2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần.
3 Dc supply Voltage Voltage controller VS* Slip Controller  M  * S1  * Syn Inverter  *M * P/2 M M motor M Speed sensor Hình 1.2. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển moment (Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của d ng điện stator, vì thế momen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi. Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai tr phụ vì hồi tiếp d ng điện có phần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts Hertzs (CVH). DC Supply Voltage I s* * I sT* T Calculator Calculator Inverter 1 2 /*R I s* M * Current sensor motor Speed sensor Hình1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển moment vô hướng 1. . . Phương pháp điều chế Vector không gian
4 Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong những thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong ba thập niên qua. Không chỉ đ i hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn công suất mà c n yêu cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác. Có nhiều kỹ thuật điều chế như: kỹ thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian... nhưng bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn d ng và nguồn áp. Phương pháp điều chế vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha. Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn. Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu. Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều. Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao. Van bán dẫn được dùng ở đây là IGBT, MOSFET. Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tr n. Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tr n, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp. + + + + - - - - + + + + - - - - Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian 1. .3. Điều khiển định hướng trường