Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện: Phát triển giải thuật ước lượng thông số cơ điện và điều khiển servo động cơ không đồng bộ ba pha - Nguyễn Tấn Nó

I BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Tấn Nó PHÁT TRIỂN GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ CƠ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN SERVO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.Chức danh, tên HD1: TS. Trương Nguyên Vũ 2.Chức danh, tên HD2: PGS. Nguyễn Tấn Tiến Hà Nội – 2021 II LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của chính bản thân tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.

TÁC GIẢ LUẬN ÁN III LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Học Viện Khoa Học và Công Nghệ - Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn. Quý Thầy đã nhiệt tình định hướng, hỗ trợ tôi hoàn thành luận án. Xin cảm ơn Anh (Chị) cán bộ các phòng ban đã tạo điều kiện, trao đổi kinh nghiệm chuyên môn và hỗ trợ vật tư, kinh phí, thiết bị để tôi hoàn thành thực nghiệm luận án với kết quả tốt nhất.

Cuối cùng, xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người thân đã động viên và dành cho tôi những tình cảm, chia sẻ những lúc khó khăn. Hà Nội, ngày …… tháng …. năm 20…… Tác giả luận án IV MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA. I LỜI CAM ĐOAN.

II LỜI CẢM ƠN .III MỤC LỤC. IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT. VIII DANH MỤC CÁC BẢNG. X DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.

XI MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết của luận án .1 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu .2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .3 Các đóng góp mới của luận án .3 Cấu trúc nội dung của luận án. Những công trình nghiên cứu liên quan. Các vấn đề nghiên cứu trong luận án. ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN.

Động cơ điện một chiều. Nguyên lý hoạt động. Mô hình động cơ điện một chiều. Chuyển đổi hệ tọa độ trong điều khiển động cơ xoay chiều.

Chuyển đổi hệ tọa độ. Hàm truyền Clarke. Hàm truyền Park. Cấu tạo động cơ PMSM.

Nguyên lý hoạt động. Mô hình toán động cơ PMSM. Động cơ không đồng bộ ba pha. Nguyên lý hoạt động.

Mô hình toán động cơ IM. Các phương pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ ỨNG DỤNG TRONG ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ ĐIỆN. Lý thuyết điều khiển trượt.

Phương pháp khắc phục chattering trong điều khiển trượt. Phương pháp thay thế hàm sign bằng hàm sigmoid. Phương pháp điều khiển trượt bậc cao FONTSM. Ứng dụng điều khiển trượt trong ước lượng thông số hệ thống.

Sử dụng bộ trượt cổ điển. Sử dụng bộ trượt NTSM. ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. Ước lượng thông số cơ điện của động cơ điện một chiều.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả mô phỏng. Kết quả thực nghiệm. ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ CƠ ĐIỆN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU (PMSM).

Ước lượng thông số cơ điện động cơ PMSM. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả mô phỏng. Kết quả thực nghiệm.

ƯỚC LƯỢNG THÔNG SỐ CƠ ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ (IM). Thiết kế bộ điều khiển trực tiếp mô-men. Ước lượng thông số cơ điện động cơ không đồng bộ. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

Kết quả mô phỏng. Kết quả thực nghiệm. Những nội dung nghiên cứu chính của luận án. Những đóng góp khoa học mới của luận án.

Định hướng nghiên cứu phát triển. 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 118 VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu/ Đơn vị Ý nghĩa Viết tắt R Ω Điện trở cuộn dây động cơ điện một chiều L H Độ tự cảm i A Dòng điện động cơ điện một chiều Kt Nm/A Hằng số mô-men động cơ điện một chiều Ke V/(rad/sec) Hằng số Back-emf động cơ điện một chiều v V Điện áp động cơ điện một chiều  rad Góc rotor động cơ điện một chiều T Kg/m Mô-men động cơ điện một chiều Tl Nm Mô-men tải Tf Nm Mô-men ma sát tĩnh b Nms/rad Hệ số ma sát nhớt TL Nm Tất cả ngoại lực tác động bao gồm nhiễu hệ thống v   V Điện áp stator động cơ PMSM i   A Dòng điện stator động cơ PMSM Rs Ω Điện trở stator động cơ PMSM e Rad Góc rotor f Wb Từ thông np Số cặp cực động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu J Kg.m2 Mô-men quán tính vs   V Điện áp stator trên hệ tọa độ (α-β) is   A Dòng điện stator trên hệ tọa độ (α-β)  s   Wb Từ thông stator trên hệ tọa độ (α-β) vr   V Điện áp rotor trên hệ tọa độ (α-β) Rr Ω Điện trở rotor  r   Wb Từ thông rotor trên hệ tọa độ (α-β) IX  Rad/s Vận tốc góc rotor Ls mH Cảm kháng Stator Lr mH Cảm kháng Rotor Lm mH Hỗ cảm te Kg.m2 Mô-men vsd q V Điện áp stator trên hệ di động (d-q) isd  q A Dòng điện stator trên hệ di động (d-q)  sd q Wb Từ thông stator trên hệ di động (d-q) s Rad/s Vận tốc góc từ thông stator PMSM Pernament Magnet Sychronous Motor IM Induction Motor DC Direct Current AC Alternate Current FOC Field Oriented Control DTC Direct Torque Control SLM Sliding Mode TSM Terminal Sliding Mode NTSM Nonsingular Terminal Sliding Mode HOTSM High-Order Terminal Sliding Mode FONTSM Full-Order Nonsingular Terminal Sliding Mode CNC Computer Numerical Control LPF Low Pass Filter X DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.

Bảng đóng ngắt các khóa bán dẫn dựa vào mô-men và góc từ thông. So sánh giữa phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) và phương pháp điều khiển tựa từ thông (FOC). Thông số động cơ điện một chiều được sử dụng trong mô phỏng. Bảng so sánh kết quả ước lượng tốc độ rotor của các bộ điều khiển.

Kết quả sai số dòng điện ước lượng từ các bộ điều khiển. Bảng kết quả ước lượng tốc độ khi Rˆ  1. Bảng kết quả ước lượng tốc độ khi Rˆ  3R, Lˆ  2 L. Bảng so sánh kết quả tốc độ ước lượng của các bộ điều khiển.

Thông số động cơ điện một chiều thực nghiệm. Đáp ứng tốc độ thực nghiệm của lý thuyết ước lượng. Đáp ứng dòng điện thực nghiệm của lý thuyết ước lượng. Thông số kỹ thuật động cơ PMSM sử dụng trong mô phỏng.

Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển. Thông số động cơ PMSM thực nghiệm. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển.

Thông số kỹ thuật động cơ IM được sử dụng trong mô phỏng. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển. Kết quả ước lượng tốc độ các bộ điều khiển. Thông số động cơ IM thực nghiệm.

Bảng tổng hợp kết quả ước lượng. 106 XI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Sơ đồ điều khiển động cơ điện một chiều có tín hiệu hồi tiếp. Hiện tượng chattering trong điều khiển trượt.

Các phương pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều. Bộ ước lượng trong phương pháp điều khiển động cơ. Các hàm điều khiển ứng dụng trong tín hiệu điều khiển trượt. Mặt trượt Nonsingular Terminal Sliding Mode.

Sơ đồ bộ ước lượng thông số cơ điện của động cơ trong luận án. Cấu tạo động cơ điện một chiều. Sơ đồ mạch tương đương động cơ điện một chiều. Mối liên hệ giữa hệ tọa độ abc và hệ tọa độ cố định (α – β).

Mối liên hệ giữa hệ tọa độ (α – β) và (d – q). Rotor và stator động cơ PMSM. Nguyên lý hoạt động của động cơ PMSM. Mạch chuyển đổi tương đương động cơ PMSM.

Động cơ không đồng bộ ba pha. Cấu tạo stator động cơ không đồng bộ ba pha. Cấu tạo rotor động cơ không đồng bộ ba pha. Nguyên lý tạo ra từ tường bên trong Stator.

Vị trí của động cơ trong một chu kì dòng điện cấp cho Stator. Dòng điện xuất hiện trong rotor. Sơ đồ mạch điện tương đương IM. Các phương pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều.

Kiến trúc cơ bản của phương pháp điều khiển FOC. Sơ đồ phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men DTC. Chọn véc-tơ điều khiển tương ứng với Sector. Tín hiệu điều khiển.

Biến trượt. Mặt phẳng pha. Đáp ứng biến trạng thái. Tín hiệu điều khiển.

Biến trượt. Mặt phẳng pha. Đáp ứng biến trạng thái. Tín hiệu điều khiển.

Biến trượt. Mặt phẳng pha. Đáp ứng biến trạng thái. Ước lượng thông số sử dụng bộ trượt cổ điển.

Ước lượng thông số sử dụng bộ trượt NTSM. Sơ đồ mạch tương đương động cơ điện một chiều. Kết quả ước lượng tốc độ rotor. Kết quả phóng to giá trị tốc độ ước lượng từ 0.

Đồ thị hiển thị sai số giữa tốc độ ước lượng và tốc độ thật. Đồ thị hiển thị sai số giữa dòng điện ước lượng và dòng điện thực. Phóng to sai số giữa dòng điện ước lượng và dòng điện thật. Tín hiệu điều khiển.

Giá trị ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ  1. Sai số ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ  1. Kết quả sai số dòng điện khi Rˆ  1. Giá trị ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ  3R, Lˆ  2L.

Sai số ước lượng tốc độ rotor khi Rˆ  3R, Lˆ  2L. Kết quả sai số dòng điện khi Rˆ  3R, Lˆ  2L. Tốc độ thật và tốc độ ước lượng khi có tải thay đổi. Sai số dòng điện của các bộ ước lượng.

Sơ đồ mô hình thực nghiệm. Mô hình thực nghiệm ước lượng thông số động cơ một chiều. Tốc độ ước lượng và tốc độ thật .