Luận án TS: Điều khiển vector phi tuyến máy điện xoay chiều ba pha thời gian thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Tâm Thành ĐIỀU KHIỂN VECTOR PHI TUYẾN CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA TRONG ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Tâm Thành ĐIỀU KHIỂN VECTOR PHI TUYẾN CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA TRONG ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. NGUYỄN PHÙNG QUANG Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của GS. Nguyễn Phùng Quang. Các số liệu, kết quả trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.

Tác giả luận án Phạm Tâm Thành LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy GS. Nguyễn Phùng Quang. Ngoài những chỉ dẫn về mặt khoa học, sự động viên và lòng tin tưởng của thầy dành cho tác giả luôn là động lực lớn giúp tác giả tự tin và say mê trong nghiên cứu. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lòng quý mến đối với thầy.

Tác giả cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo, các thầy, các đồng nghiệp trong Trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao (Hitech) nay là Viện Kỹ thuật Điều khiển&Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo một môi trường học tập và nghiên cứu thuận lợi giúp tác giả hoàn thành luận án này. Tại đây tác giả đã nhận được nhiều chỉ dẫn, góp ý cũng như một môi trường khoa học nghiêm túc và thân thiện, điều không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án của tác giả. Tác giả cũng xin được cảm ơn các Thầy, các anh chị, các bạn đồng nghiệp công tác tại Bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, những người đã có những góp ý quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin được cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Ban lãnh đạo, các chuyên viên của Viện Đào tạo Sau đại học Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện hỗ trợ tác giả trong quá trình nghiên cứu, hoàn thiện luận án.

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Ban chủ nhiệm Khoa Điện-Điện tử, Ban chủ nhiệm Bộ môn, các anh chị đồng nghiệp công tác tại Bộ môn Điện tự động công nghiệp- Khoa Điện-Điện tử, trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả học tập, công tác và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bố mẹ, vợ và con trai, những người luôn cảm thông và động viên tác giả trong quá trình hoàn thành luận án. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn bè, bạn bè nguồn động viên to lớn đối với tác giả. Tác giả MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.

4 DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .2 Tổng quan các phương pháp điều khiển máy điện xoay chiều ba pha .3 Điều khiển thời gian thực (realtime control, digital control) cho máy điện xoay chiều ba pha .1 Bộ điều khiển thời gian thực tuyến tính cho máy điện xoay chiều ba pha .2 Bộ điều khiển thời gian thực phi tuyến cho máy điện xoay chiều ba pha .4 Tình hình và định hướng nghiên cứu .1 Tình hình nghiên cứu trong nước .2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .3 Định hướng nghiên cứu của luận án.25 2 MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA THÍCH HỢP CHO THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN.1 Mô hình toán học của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc .2 Mô hình dòng phi tuyến dạng affine của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc .3 Mô hình gián đoạn bilinear của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thích hợp với điều khiển thời gian thực.1 Nghiệm của phương trình vi phân dạng ma trận .2 Nghiệm của phương trình bilinear.3 Mô hình trạng thái gián đoạn của máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng phương pháp Taylor.4 Kết luận chương 2 .36 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA .1 Cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác .1 Khái quát về phương pháp tuyến tính hoá chính xác .2 Cấu trúc điều khiển .2 Cấu trúc điều khiển phi tuyến cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc theo nguyên lý hệ phẳng.1 Khái quát về nguyên lý hệ phẳng .2 Cấu trúc điều khiển .3 Cấu trúc điều khiển cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng phương pháp backstepping .1 Khái quát về phương pháp backstepping.2 Cấu trúc điều khiển .4 Kết luận chương 3 .48 4 ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN THỜI GIAN THỰC CHO MÁY ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA .1 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác .2 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng .3 Cấu trúc điều khiển máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc thiết kế theo phương pháp backstepping .4 Kết luận chương 4 .61 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM .1 Kết quả mô phỏng cho máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc .1 Mô phỏng cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác .2 Mô phỏng cấu trúc điều khiển thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng .3 Mô phỏng cấu trúc điều khiển thiết kế theo phương pháp backstepping. Đánh giá kết quả mô phỏng khi các cấu trúc điều khiển được thiết kế theo các phương pháp khác nhau .2 Kết quả thí nghiệm .1 Cấu trúc thực nghiệm và ưu thế .2 Kết quả thí nghiệm động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc .3 Kết luận chương 5 .104 2 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .114 Phụ lục A: Mô hình của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu.114 A1: Mô hình trạng thái của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu tựa theo từ thông cực .114 A2: Mô hình dòng affine .115 A3: Mô hình trạng thái gián đoạn bilinear .116 Phụ lục B: Mô hình của máy điện không đồng bộ nguồn kép.117 B1: Mô hình trạng thái của máy điện không đồng bộ nguồn kép tựa theo vector điện áp lưới.117 B2: Mô hình dòng affine.120 B3: Mô hình trạng thái gián đoạn bilinear.121 Phụ lục C: Các phương pháp thiết kế điều khiển phi tuyến liên tục cho máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ nguồn kép .122 C1: Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu .122 C2: Máy điện không đồng bộ nguồn kép .126 Phụ lục D: Các cấu trúc điều khiển phi tuyến thời gian thực của máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu và không đồng bộ nguồn kép.131 D1: Máy điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu .131 D2: Máy điện không đồng bộ nguồn kép .144 Phụ lục E: Thông số của các máy điện sử dụng trong quá trình mô phỏng và thực nghiệm .154 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ws , wr Tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator, rotor w Tốc độ góc cơ học của rotor is Vector dòng stator isd , isq , is , is Các thành phần của vector dòng stator trên hệ tọa độ dq và β ir Vector dòng rotor ird , irq , ir , ir  Các thành phần của vector dòng rotor trên hệ tọa độ dq và β Ys Vector từ thông stator ysd , ysq Các thành phần của vector từ thông stator trên hệ tọa độ dq Ψr Vector từ thông rotor yrd , yrq Các thành phần của vector từ thông stator trên hệ tọa độ dq us Vector điện áp stator usd , usq Các thành phần của vector điện áp stator trên hệ tọa độ dq A Ma trận hệ thống B Ma trận đầu vào N Ma trận tương tác phi tuyến u Vector biến đầu vào x Vector biến trạng thái y Vector biến đầu ra r Vector bậc tương đối L( x) Ma trận tách kênh Lm Hỗ cảm giữa stator và rotor Ls , Lr Điện cảm stator và rotor L s , L r Điện cảm tản phía stator và rotor Rs , Rr Điện trở stator và rotor  Hệ số từ tản toàn phần zp Số cặp cực mM , mW Mômen quay của động cơ, mômen tải J Mômen quán tính cơ KĐB Không đồng bộ KĐB-NK Không đồng bộ nguồn kép 4 KĐB-RLS Không đồng bộ rotor lồng sóc TTHCX Tuyến tính hóa chính xác TKTT Tách kênh trực tiếp ĐB Đồng bộ ĐB-KTVC Đồng bộ kích thích vĩnh cửu ĐB-KTĐL Đồng bộ kích thích độc lập MĐXCBP Máy điện xoay chiều ba pha ĐCVTKG Điều chế vector không gian ĐCD Điều chỉnh dòng ĐC Điều chỉnh TTR Từ thông rotor T4R Tựa từ thông rotor TTGĐ Trạng thái gián đoạn ĐLĐK Đại lượng điều khiển ĐK Điều khiển QS Quan sát DFIM Doubly-Fed Induction Machine IM Induction Motor PI Proportional–integral controller PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor PWM Pulse Width Modulation FRT Finite respone time RTI Real time interface RFO Rotor Flux Orientation SFO Statator Flux Orientation NFO Natural Field Orientation GAS Globally asymptotically stable MIMO Multi-Input – Multi-Output MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Tranzitor PC Personal computer ISA Integrated Systems Architecture DSP Digital Signal Processor IGBT Insulated Gate Bipolar Tranzitor 5 DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Các loại máy điện xoay chiều ba pha 16 Hình 1.2 Các phương pháp điều khiển đối tượng MĐXCBP 17 Hình 1.3 Hệ thống hóa các phương pháp điều khiển MĐXCBP 18 Hình 1.4 Các phương pháp điều khiển vector phi tuyến cho 19 MĐXCBP Hình 2.1 Đặc điểm phi tuyến bilinear của mô hình máy điện KĐB 27 trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor Hình 2.2 Đặc điểm phi tuyến bilinear của mô hình dòng máy điện 29 KĐB-RLS trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor Hình 2.3 Các phương án tìm mô hình trạng thái gián đoạn 31 Hình 3.1 Cấu trúc của đối tượng phi tuyến sau khi đã TTHCX 38 (chuyển tọa độ trạng thái) Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển phi tuyến máy điện KĐB-RLS thiết 40 kế theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác [62] Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng [83] 41 Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống thiết kế theo nguyên lý hệ phẳng [83] 42 Hình 3.