ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG CẦN CẢM BIẾN

 

VƠ NHƯ TIẾN

Đại học Đà Nẵng

 

 

TÓM TẮT

Bài báo đề nghị thuật toán mới và sơ đồ để điều khiển động cơ đồng bộ (ĐB) nam châm vĩnh cửu (NCVC) không cần cảm biến. Phương pháp được khẳng định bằng các kết quả mô phỏng.

 

1. Giới thiệu

            Phương pháp điều khiển không cần bộ cảm biến đă có một vài tác giả nghiên cứu với máy điện không đồng bộ như Boldea và Nasar (năm 1992). Đối với máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, cho đến nay chưa có công tŕnh nghiên cứu có tính hệ thống, đầy đủ, chuyên biệt [2] – [4] đi sâu đối với phương pháp này.

            Từ thông stator được ước lượng bằng cách đo các ḍng điện [1], điện trở stator là tham số của máy điện cần biết trước. Một động học nhanh có thể đạt được bằng cách tính toán từ thông và mô men tức thời. Các yêu cầu chuyển mạch được thực hiện bởi bộ biến tần.

 

2. Điều khiển động cơ đồng bộ NCVC

2.1. Mô h́nh véc tơ điện áp đầu ra của biến tần

            Trong bộ biến tần 3 pha được nuôi bởi nguồn áp, các yêu cầu chuyển mạch của mỗi chân biến tần là sự bổ khuyết. V́ vậy ở mỗi chân biến tần là một trạng thái logic Si(i = a, b, c) có thể được xác định, Si = 1 nếu công tắc trên được yêu cầu đóng và Si = 0 nếu công tắc dưới được yêu cầu đóng,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           

 

V́ có 3 chân độc lập sẽ có 8 trạng thái tương ứng với 8 điện thế khác nhau [6], áp dụng biến đổi véc tơ được mô tả như sau:

                                                                                       (1)

            Va, Vb, Vc là các điện áp pha, và a =

2.2. Cơ sở để điều khiển không cần cảm biến

Điều khiển trực tiếp không cần cảm biến đang là vấn đề quan tâm cho lựa chọn cho truyền động máy điện xoay chiều cần thay đổi tốc độ. Từ thông stator được ước lượng bằng cách lấy tích phân sức điện động. Điện trở stator là tham số của máy điện cần biết trước. Động học nhanh có thể đạt được bằng cách tính toán mô men và từ thông tức thời. Sử dụng bộ chuyển mạch không chỉ đơn giản hóa hệ thống điều khiển, mà c̣n tăng tốc độ của truyền động.

ư tưởng căn bản của phương pháp điều khiển là chọn lựa véc tơ điện áp mà làm cho từ thông quay và sản sinh ra mô men mong muốn. Trong sự quay này biên độ của từ thông xem như đă được xác định. Thật vậy nó hầu như là hằng số với một biến tần nguồn áp 3 pha, có 6 véc tơ điện áp khác không và 2 véc tơ điện áp không mà có thể được áp dụng đối với các cực máy điện.

Véc tơ từ thông stator có thể được ước lượng bằng cách dựa vào các véc tơ điện áp và ḍng điện

                                                                                                    (2)

Mô men có thể được tính toán bằng cách sử dụng các thành phần của các ḍng điện được đo và từ thông được ước lượng:

                                                                                                  (3)

                        p: là số đôi cực

                        a, b là các tham số chỉ thành phần thay đổi của ḍng điện và từ thông.

                        Điện trở Rs là thông số của máy điện cần được biết trước.

 

2.3. Phân tích điều khiển không cần cảm biến

            Phần này chứng minh một cách toán học sự gia tăng của mô men điện từ trong động cơ nam châm vĩnh cửu, tương ứng với sự gia tăng góc giữa từ thông rotor và stator và v́ vậy đáp ứng mô men nhanh có thể đạt được bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của từ thông stator càng nhanh càng tốt.

Véc tơ từ thông stator Ys và véc tơ từ thông rotor Yfr có thể được vẽ trong các hệ tọa độ cố định (DQ), từ thông stator (xy), từ thông rotor (dq) như sau:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H́nh 2. Từ thông rotor và stator trong các hệ tọa độ khác nhau

           

Góc giữa từ thông stator và rotor là góc tải d khi không quan tâm đến điện trở stator. ở trạng thái ổn đinh, d là hằng số tương ứng với một mô men tải và cả từ thông rotor và stator tỉ lệ với tốc độ đồng bộ, Khi hoạt động d thay đổi và từ thông rotor và stator tỉ lệ với các tốc độ khác nhau. V́ hằng số thời gian về điện thông thường nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời gian cơ, tốc độ quay của từ thông stator có quan hệ với từ thông rotor, nó được chứng minh trong phần này rằng sự gia tăng mô men có thể được điều khiển bằng cách điều khiển sự thay đổi d hoặc tốc độ quay của từ thông stator.

            Phương tŕnh mô men điện từ:

                                                                                         (4)

            Phương tŕnh (4) chứng tỏ rằng sự gia tăng mô men theo sự gia tăng góc d nếu như biên độ của từ thông stator được giữ là hằng số và được điều khiển trong phạm vi từ đến .

Hay nói một cách khác từ thông stator sẽ được điều khiển theo cách giữ biên độ bằng hằng số, tốc độ quay được điều khiển càng nhanh càng tốt để đạt sự thay đổi cực đại mô men.

 2.4. Lựa chọn véc tơ điện thế stator thích hợp

             Trong phần này sẽ chứng minh cả biên độ và tốc độ quay của từ thông stator có thể được điều khiển bằng cách lựa chọn các véc tơ điện thế thích hợp.

            Véc tơ điện thế Vs được xác định bởi phương tŕnh sau:

                                                                                  (5)

            ở đây Va, Vb, Vc là các giá trị tức thời của các điện thế dây trung tính (điện thế các pha a, b, c) khi các cuộn dây cơ bản được cung cấp bởi một biến tần, như trong h́nh 2 các điện thế cơ bản Va, Vb, Vc được xác định bởi vị trí của Sa, Sb, Sc, Va được nối tới Vdc nếu Sa ở vị trí 1 nếu không th́ Va được nối tới 0, cũng tương tự cho Vb và Vc... V́ vậy có 6 véc tơ điện thế khác không đó là V1(100), V2(110), V3(010)... V6(101) và 2 véc tơ điện thế không V7(000) và V8(111). Sáu véc tơ điện thế khác không lệch nhau 600 , tám véc tơ điện thế:

                        Vs (Sa, Sb, Sc) = Vdc (Sa + Sb + Sc )                                          (6)

            ở đây Vdc là điện thế dây dc và  là thừa số của phép biến đổi Park.

2.5. Cấu trúc của hệ thống điều khiển không cần cảm biến


 

           

 

           

 

 

 

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H́nh 4. Sơ đồ mô phỏng điều khiển động cơ bằng Matlab/simulink

 

            Các kết quả được thực hiện bởi phần mềm Matlab và thư viện Simulink:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kết luận:

Điều khiển động cơ đồng bộ NCVC đă được khảo sát, nó được chứng minh một cách toán học sự gia tăng mô men điện từ, trong động cơ đồng bộ NCVC th́ tương ứng với sự gia tăng về góc lệch pha giữa từ thông rotor và stator. V́ vậy đáp ứng mô men nhanh chóng được h́nh thành bằng cách điều chỉnh tốc độ quay từ thông stator càng nhanh càng tốt.

Các kết quả mô h́nh hóa khẳng định điều khiển không cần cảm biến cho đáp ứng mô men nhanh hơn nhiều so với điều khiển ḍng điện.

Nghiên cứu về lư thuyết tŕnh bày trên và đề xuất phương pháp điều khiển không cần cảm biến được xem là phương pháp mới trong điều khiển véc tơ mô men với từ thông được ước lượng trước. Việc ước lượng từ thông và mô men được thực hiện bằng việc đo ḍng điện và điện áp của máy điện. Một bộ chuyển mạch được lựa chọn, đầu ra véc tơ điện áp không phụ thuộc vị trí rotor. Như vậy phương pháp điều khiển máy điện đồng bộ không cần cảm biến để xác định vị trí rotor và tốc độ sẽ dẫn đến giá thành bộ điều khiển rẽ hơn nhiều so với các bộ điều khiển trước đây.

 

Tài liệu tham khảo

[1]               Nesimi Ertugrul and Paul Acarnley (1998),”Indirect Rotor Position Sensing in Real Time for Brushless Permanent Magnet Motor Drives”IEEE Trans. on Power Electronics, Vol.13, No.4, pp. 608-616.

[2]               Chris French and Paul Acarnley (1990),”Direct Torque Control of Permanent Magnet Drives”, IEEE Trans. on Industrial Applications, Vol.32, No.5, pp. 1080-1087.

[3]               Chris French and Paul Acarnley (1996),”Control of Permanent Magnet Motor Drives Using a New Position Estimation Technique”, IEEE Trans. on Indutry Applications, Vol.32, No.5, pp. 1003-1007.

[4]               Dean K.Frederick, Joe H.Chon (2000), Feedback Control Problems, Using Matlab and the Control System, Toolbox - Brooks / Cole, Thamson Lerning, Toronto.

[5]               Minghua Fu, Longya Xu (1998),”A Sensorless Direct Torque Control Technique for Permanent Magnet Synchronous Motor”, IEEE. ISA. Annual Meeting, pp. 21-27.

[6]               Jacek F. Gieras, Mitchell Wing (1997), Permanent Magnet Motor Technology Design and Applications, Marcel Dekker Inc., NewYork.

 

 

EYETECK.VN

Theo: Tạp chí Khoa học & Công nghệ - BKĐN