Tóm tắt 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:24

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 5
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: Tóm tắt 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

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, động cơ sử dụng ổ từ được xếp vào sản phẩm công nghệ cao, được nhiều quốc gia trên thế giới tập trung nghiên cứu, phát triển và ứng dụng. Trong phần lớn các công trình nghiên cứu và ứng dụng cho động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục, hầu hết có đặc điểm chung là sử dụng thiết bị đo tốc độ quay để thu được tín hiệu phản hồi cho 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 với 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 vào động cơ. Điều này làm tăng kích thước của hệ và yêu cầu 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. Với những phân tích ở trên, chiến lược điều khiển không sử dụng cảm biến đo tốc độ (điều khiển sensorless) ngày càng đón nhận nhiều sự quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Vì vậy, trong luận án, tác giả tập trung nghiên cứu các phương pháp điều khiển không sử dụng thiết bị đo tốc độ quay. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 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. 1
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. 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. Những đóng góp mới - 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. 2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn *) Ý nghĩa khoa học Luận án đề xuất thuật toán điều khiển Backstepping cải tiến để tổng hợp cho các bộ điều khiển kết hợp một bộ quan sát High-gain ước lượng nhiễu. 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. *) 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. Bố cục luận án: Gồm 5 chương và phần kết luận chung Chương 1: Tổng quan về hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc Chương 2: Mô hình và cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục Chương 3: Thiết kế bộ quan sát High-gain và bộ quan sát trượt, với cùng mục đích ứng dụng điều khiển không dùng cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cử từ trường dọc trục Chương 4: Xây dựng hệ thống mô phỏng thời gian thực dựa trên nền tảng thiết bị Typhoon HIL402 và DSP interface TMS320F28379D. Phần kết luận và kiến nghị. 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 1.2 Tổng quan các nghiên cứu về điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục 3
a, Nghiên cứu cấu trúc điều khiển và thuật toán điều khiển cho các mạch vòng điều khiển trong hệ b, Nghiên cứu chiến lược điều khiển không dùng cảm biến đo tốc độ Hai giải pháp lớn như sau: Giải pháp ước lượng vị trí góc rotor dựa trên sự biến thiên điện cảm do ảnh hưởng đặc điểm cực lồi stator; và giải pháp sử dụng các bộ quan sát ước lượng vị trí góc động cơ thông qua các thành phần cơ bản như điện áp và dòng điện. Giải pháp ước lượng vị trí góc rotor dựa trên sự biến thiên điện cảm do ảnh hưởng đặc điểm cực lồi stator. Giải pháp này lại chia làm hai hướng nhỏ điển hình: đó là xác định trực tiếp từ thông bằng việc đo điện kháng trực tuyến (còn gọi là INFORM) và chèn tín hiệu phụ tần số cao. Phương pháp INFORM dựa trên việc đo trực tiếp điện kháng để ước lượng vị trí góc rotor hoặc từ thông. Phương pháp chèn tín hiệu phụ tần số cao dựa vào sự khác nhau của cực lồi giữa đỉnh cực và ngang cực [42]–[47], thông tin vị trí rotor được đạo hàm từ tín hiệu biến đổi của dòng điện đầu ra do việc chèn tín hiệu điện áp tần số cao và cuộn dây stator. Ở phương pháp này, động cơ sử dụng thành phần của nó như một resolver, tín hiệu chèn vào trên stator hiệu quả vì biên độ của tín hiệu tần số cao sử dụng không chịu phụ thuộc vào tốc độ quay, và do đó cho phép ước lượng tại cả điểm dừng và tốc độ thấp thấp. Tuy nhiên, sự phức tạp do yêu cầu chú ý trong thiết kế hệ thống điều khiển và xử lí biến đổi tín hiệu để trích xuất ra vị trí góc rotor. Ngoài ra nó chỉ thích hợp cho động cơ đồng bộ KTVC TTDT cực lồi. 1.3 Định hướng nghiên cứu của luận án - Thiết kế các bộ điều khiển vòng ngoài kết hợp bộ quan sát nhiễu và thành phần bất định để đảm bảo cấu trúc điều khiển vector cho động cơ đồng bộ KTVC TTDT bền vững với nhiễu tải và các thành phần bất định. - Thiết kế bộ quan sát ước lượng sức điện động cảm ứng để xác định chính xác vị trí góc rotor và tốc độ động cơ cho đối tượng động cơ đồng bộ KTVC TTDT. Kiểm nghiệm thông qua mô phỏng matlab và mô phỏng thời gian thực. 4
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 2.1 Mô hình toán học động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục Từ cơ sở phép biểu diễn vector không gian và phép chuyển hệ tọa độ Park-Clark, mô hình toán học của động cơ đồng bộ KTVC TTDT được biểu diễn trên hệ tọa độ quay dq hay còn gọi là hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor. Hình 2.2 Cấu trúc động cơ đồng bộ KTVC TTDT (a) và cách bố trí nam châm vĩnh cửu (b) Các thành phần điện cảm của stator trên hệ tọa độ dq:  3L'sd 0  Lsd = + Lsl  2g  ' (2.1)  L = 3Lsq 0 + L  sq sl  2g Khi đó, từ thông rotor được biểu diễn trên hệ tọa độ quay: 5
 f =  fd = L f i f + Lmisd (2.6) Phương trình từ thông sator trên hệ tọa độ dq như sau: sd = Lsd isd + m   (2.7)  sq = Lsq isq  Điện áp stator trên hệ dq:  disd usd = Rs isd + Lsd − e Lsqisq  dt  (2.12) u = R i + L disq + e Lsd isd + e m  sq  s sq sq dt Momen T1 và momen T2 tác động lên hai phía của rotor: 3 pc ( Lsdo − Lsqo ) ' ' 3 pc L'sdo T1 = i f iq1 + id 1iq1 2 go − z 2 go − z (2.15) 3 pc ( Lsdo − Lsqo ) ' ' 3 pc L'sdo T2 = i f iq 2 + id 2iq 2 2 go + z 2 go + z Các lực dọc trục F1 và F2 tác động lên hai phía của rotor: 3 L'sdo 3 L'sqo F1 = (id 1 + i f ) 2 + i 2 4 ( go − z ) 2 4 ( go − z) 2 q1 ' (2.20) 3 L'sdo 3 Lsqo F2 = (i + i f ) 2 + iq 2 2 4 ( go + z ) 2 d2 4 ( g o + z )2 2.2 Cấu trúc hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục 2.2.1 Nguyên tắc xác định dòng điện đặt cho hai stator 6
id 1 = id 0 − id Luật điều khiển xác định dòng điện đặt: i = i + i (2.27)  d2 d0 d i = i = i  q1 q 2 q Công thức tính momen tổng và lực dọc trục tổng như sau: 2 K Rid iq z T = 2 KT iq + 2 K Riqid 0 + = T1 + T2 + T3 (2.28) g0 F = 4 K Fd ( i f + id 0 ) id + 4  K Fd ( id + id 0 + i 2 ) + 2 K Fd i f id 0 + K Fq iq  2 2 2 z (2.29)  f g 0 2.2.2 Cấu trúc điều khiển vector Hình 2.5 Cấu trúc hệ điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu từ trường dọc trục 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 2.3.1 Đặt vấn đề Phương trình đặc tính động học của vị trí dọc trục và tốc độ: 7
4 K Fd id 0id + 4  K Fd ( id + id 0 + i 2 ) + 2 K Fd i f id 0 + K Fq iq  2 2 2 z F − FL 4 K Fd i f id  f g FL z= = + 0 − m m m m FL = g1id + d z − (2.33) m 2 K R id iq z 2 K R iq id 0 + T − TL 2 KT iq g0 TL T = = + − = g 2iq + d − L (2.34) J J J J J 2.3.2 Thiết kế bộ quan sát High-gain ước lượng thành phần nhiễu hệ thống Các biến phụ trạng thái ξ1 và ξ2 được định nghĩa ˆ x ˆ x 1 = d1 − 2 ;  2 = d 2 − 3 (2.46) 1 2 Nhiễu hệ thống được ước lượng bởi phương trình sau: ˆ x + g1isd x2 d1 = − 2 + 1 s + 1 1 (2.47) ˆ x + g 2 isd x3 d2 = − 3 + 2s +1 2 2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển vị trí dọc trục dựa trên thuật toán Backstepping cải tiến Tín hiệu mong muốn x1d đi qua một bộ lọc bậc nhất: x1* = 1 x1d + x1d (2.51) Sai số vị trí dọc trục được xác định bởi: e1 = x1d − x1 + ki1e1' (2.53) Chọn luật điều khiển ở vòng thứ nhất: x2 = x1d + ki1 ( x1d − x1 ) + k1e1 * (2.58) Chọn luật điều khiển ảo id được xác định như sau: 8
x2 d + ki 2 ( x2 d − x2 ) + k2 e2 − d1 ˆ id = (2.66) g1 2.3.4 Thiết kế bộ điều khiển tốc độ dựa trên thuật toán Backstepping cải tiến Tín hiệu điều khiển đặt qua khâu lọc bậc nhất: 3 x3d + x3d = x3 * (2.67) lựa chọn luật điều khiển ucq như sau: x3d + ki 3 ( x3d − x3 ) + k3e3 − d 2 ˆ iq = (2.74) g2 2.3.5 Chứng minh tính ổn định của toàn hệ thống Ta chọn hàm Lyapunov như sau: 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 V = e12 + e2 + e32 + d12 + d 22 + y12 + y2 + y32 (2.75) 2 2 2 2 2 2 2 2 Đạo hàm của V, ta có:  2 1   2 1 2  V = − k1e12 −  k2 e2 + e2 d1 + d12 − d1d1  −  k3 e3 + e3 d 2 + d 2 − d 2 d 2   2   3  (2.76)  * y2 y2 y2  +  y1 x1 + y2 x2 + y3 x3 − 1 − 2 − 3  * *  1 2 3  Sử dụng bất đẳng thức |x||y| ≥ xy, ta viết lại đạo hàm: 9
2 2    ej  V  − ( yi2 ) −   j  d j − 3 2 1 2 Aj Dj  −  k j  +  A 2k j  d  2 j   i =1 j =1   j =1  j j  2   3  1 (2.78) 2 c  3 1 +   −  (| yi || M i | −ci )  +   i  2 Dj  4  i =1 2c j =1  j   i  i =1  2  2    1   2 − K 0  ( yi2 ) −   1 − 2  k j e 2 − 0 e 2  −  k1 − 0 3 K K   Aj  j j    e1 i =1 j =1    2  2  2  B2  K −  − 0 d2  j  4k j j =1  2 j   Nếu các hệ số được chọn thỏa mãn điều kiện:  K0 K0 Aj 2 k1  ;kj  ( )  2 2 A2 − 1 j (2.79)   B2  k j K0 j   2 Thì hệ thống là ổn định ISS: 3  1 2  3 c  V  − K 0V +   Dj  +   i  (2.80) i =1  4 J  i =1  2  = − K 0V +  2.3.6 Mô phỏng và kết quả 10
Hình 2.6 Cấu trúc hệ thống điều khiển Backstepping cải tiến kết hợp bộ quan sát thành phần bất định Phần 1: chứng minh khả năng ước lượng nhiễu hệ thống của bộ quan sát High-gain. - Để xét khả năng ước lượng nhiễu d1 và d2 của bộ quan sát High-gain, ta giả thiết momen tải và lực tải dọc trục xuất hiện như sau: 5 N khi 0,6s  t  1s FL =  −5 N khi 2 s  t  2, 4 s TL = 0,1 Nm khi 1s ≤ t ≤2s Hình 2.7 Đáp ứng ước lượng nhiễu d1 và sai lệch ước luợng 11
Hình 2.8 Đáp ứng ước lượng nhiễu d2 và sai lệch ước luợng Phần 2: chứng minh hiệu quả của hệ thống điều khiển. Hình 2.11 Đáp ứng vị trí dọc trục khi tốc độ bằng không Hình 2.12 Đáp ứng tốc độ khi khởi động không tải 12
Hình 2.13 và Hình 2.14 Đáp ứng vị trí z và dòng điện id khi có tải lực dọc trục Hình 2.16 Đáp ứng tốc độ khi có momen tải 13
Hình 2.17 Đáp ứng dòng điện iq khi có momen tải Hình 2.19 Đáp ứng tốc độ và dòng điện iq khi thay đổi giá trị đặt tốc độ 2.4 Kết luận chương 2 Hệ điều khiển được đề xuất có đáp ứng tốc độ và vị trí dọc trục được điều khiển ổn định với thời gian xác lập nhanh, độ vọt lố nhỏ, sai lệch tĩnh gần như triệt tiêu. Sự tương tác xen kênh giữa hai mạch vòng điều khiển vòng ngoài được hạn chế đáng kể. Hệ điều khiển này sẽ tiếp tục được sử dụng cho hệ điều khiển động cơ đồng bộ KTVC TTDT không dùng cảm biến đo tốc độ trong các mô phỏng ở các chương tiếp theo. 14
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT HIGH GAIN ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU TỪ TRƯỜNG DỌC TRỤC 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Thiết kế bộ quan sát High-gain ứng dụng điều khiển không dùng cảm biến tốc độ 3.2.1 Bộ quan sát High-gain ước lượng sức điện động cảm ứng Mô hình toán học động cơ đồng bộ KTVC TTDT cực ẩn:  dis Rs 1 1  dt = − L is + L us - L es  s s s (3.2)   dis = − Rs i + 1 u - 1 e s s s  dt  Ls Ls Ls Sức điện động cảm ứng chiếu trên hệ tọa độ αβ es = - m e sin e   (3.3) es = m e cos e  Đạo hàm các biến phụ trạng thái này ta có: 1  Li  1  = −   + s s  − ( − Rs is + us )      (3.7) 1  Ls is  1  = −   +   − ( − Rs is + us )       Ta tính các giá trị vị trí góc: ˆ −es ˆ e = arctan( ) (3.8) ˆ es Giá trị tốc độ được xác định như sau: es + es  ˆ2 ˆ2 e = ˆ (3.9) m 15
3.2.2 Chứng minh tính ổn định của bộ quan sát High-gain 3.2.3 Kết quả mô phỏng hệ sử dụng bộ quan sát High-gain ước lượng sức điện động Bảng 3.1 Các thông số cơ bản động cơ đồng bộ KTVC TTDT cực ẩn Hình 3.2 Cấu trúc hệ điều khiển sử dụng bộ quan sát High-gain kết hợp vòng khóa pha quan sát vị trí góc rotor và tốc độ động cơ 16
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 Hình 3.4 Đáp ứng ước lượng eα và eβ 17
Hình 3.5 Đáp ứng vị trí góc θe và sai lệch vị trí góc 3.2.4 Nhận xét Bộ quan sát High-gain tuy nhiên còn tồn tại hai vấn đề như sau: - Quá trình quá độ, còn tồn tại sai lệch ước lượng - Ở chế độ xác lập, xuất hiện sai lệch tĩnh vị trí góc rotor ước lượng 3.3 Thiết kế bộ quan sát trượt ứng dụng điều khiển không dùng cảm biến tốc độ 3.3.1 Bộ quan sát trượt ước lượng sức điện động cảm ứng Viết lại phương trình (3.2) trên hệ tọa độ tĩnh αβ:  dis Rs 1 1  dt = − L is + L us - L (es +  )  s s s  dis Rs 1 1  = − is  + us  - (es  +  ) (3.26)  dt Ls Ls Ls   des  dt = −e es   des  dt = −e es  Thuật toán bộ quan sát trượt đề xuất được xác định như sau: ˆ  dis R 1 1 ˆ  = − s is + us -   dt Ls Ls Ls (3.27)  diˆ  s = − Rs i + 1 u - 1 ˆ   dt Ls s Ls s Ls   = k f (i ) ˆ   t  ˆ   = kt f (i )  18
3.3.2 Chứng minh sự ổn định của hệ sử dụng bộ quan sát trượt 3.3.3 Kết quả mô phỏng Hình 3.14 Cấu trúc hệ điều khiển sử dụng bộ quan sát trượt kết hợp vòng khóa pha cải tiến quan sát vị trí góc rotor và tốc độ động cơ Hình 3.15 Đáp ứng ước lượng tốc độ và sai lệch ước lượng 19
Hình 3.17 Đáp ứng ước lượng dòng điện esα và esβ ˆ Hình 3.18 Đáp ứng ước lượng  e và sai lệch ước lượng 20