Điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHẠM ÁI QUỐC

ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN

ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã chuyên ngành: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018

Công trình đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Phạm Công Duy.

Ngƣời phản iện 1: PGS.TS Trƣơng Đình Nhơn.

Ngƣời phản iện 2: TS. Bạch Thanh Quý.

Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ tại Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng

Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 23 tháng 9 n m 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm:

1. PGS.TS Võ Ngọc Điều ...................................- Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS Trƣơng Đình Nhơn............................- Phản iện 1

3. TS. Bạch Thanh Quý.......................................- Phản iện 2

4. TS. Nguyễn Trung Nhân .................................- Ủy viên

5. TS. Lê V n Đại ...............................................- Thƣ ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CN ĐIỆN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên:Phạm Ái Quốc MSHV: 16003311

Ngày, tháng, n m sinh: 10/12/1966 Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã chuyên ngành:60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Điều khiển không cảm iến động cơ đồng ộ nam châm v nh cửu

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Xây dựng ộ điều khiển không cảm iến động cơ đồng ộ nam châm v nh cửu.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 552/QĐ-ĐHCN ngày 30/01/2018.

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/7/2018.

IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Công Duy.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 …

NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Phạm Công Duy, đã nêu ý tƣởng và tận tình hƣớng

dẫn tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận v n này.

Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô khoa Công nghệ Điện đã giúp đỡ tôi trong suốt thời

gian thực hiện luận v n này.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 7 n m 2018

Học viên

Phạm Ái Quốc.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận v n có mục tiêu giải quyết việc ƣớc tính tốc độ, vị trí của rotor ằng phƣơng

pháp điều khiển trƣợt trong hệ thống điều khiển không cảm iến động cơ đồng ộ

nam châm v nh cửu. Nhằm nghiên cứu tìm kiếm giải pháp chế tạo hệ điều khiển

không cảm iến các động cơ đồng ộ nam châm v nh cửu với giá thành thấp.

Luận v n đã xây dựng mô hình quan sát trƣợt ằng phƣơng pháp kinh điển từ hệ

phƣơng trình cơ ản mô tả trạng thái động cơ đồng ộ nam châm v nh cửu. Ƣớc

tính tốc độ và vị trí của rotor ằng cách giám sát các giá trị ƣớc tính và giá trị thực

của dòng điện stator. Mô phỏng quan sát trƣợt theo phƣơng pháp kinh điển trong

môi trƣờng Simulink để thấy đƣợc các nhƣợc điểm „cố hữu‟ của phƣơng pháp điều

khiển trƣợt trong việc chọn hệ số trƣợt. Đó là hiện tƣợng „chattering‟, đáp ứng

chậm, vùng tốc độ làm việc hẹp và sai số ƣớc tính vị trí rotor ởi hiện tƣợng „delay‟

do mạch lọc thông thấp tạo ra. Luận v n áp dụng lý thuyết tối thiểu hóa ình

phƣơng sai số và trình ày giải pháp thiết kế quan sát trƣợt tự thích nghi với cấu

trúc đơn giản. Trong đó khối điều khiển trƣợt đƣợc thiết kế tự điều chỉnh hệ số trƣợt

theo sai số ƣớc tính dòng điện stator làm t ng khả n ng đáp ứng và mở rộng vùng

tốc độ làm việc. Khối tính sức điện động đƣợc thiết kế tự điều chỉnh hệ số lọc theo

sai số ƣớc tính sức điện động stator, làm t ng khả n ng ƣớc tính vị trí của rotor.

Quan sát trƣợt tự thích nghi đƣợc đề xuất trong luận v n đƣợc kiểm nghiệm trong

môi trƣờng Simulink, trong vùng tốc độ rộng từ 15rpm đến 4000rpm. Kết quả kiểm

nghiệm cho thấy quan sát trƣợt tự thích nghi đƣợc đề xuất có khả n ng đáp ứng

nhanh dƣới 0,2 giây, khả n ng ƣớc tính chính xác với sai số ƣớc tính tốc độ dƣới

1% và sai số ƣớc tính vị trí rotor dƣới 1°. Quan sát trƣợt tự thích nghi đƣợc đề xuất

có thể vận hành đơn giản, giảm thiểu hiện tƣợng „chattering‟, giảm dao động cơ học

trên rotor, làm t ng tuổi thọ cho động cơ.

iii

ABSTRACT

This thesis focuses on rotor speed and position estimation using sliding mode

methodology for sensorless control permanent magnet drive system. Using the

outcome from the thesis, a low-cost permanent magnet drive neglecting sensor

requirement may be achieved.

First, based on machine equivalent mathematical model, a conventional sliding

mode model was developed for estimating rotor speed and position information

using machine currents. Implementation of this model in Matlab/Simulink

highlights disadvantages of the conventional sliding mode model: chattering issue,

slow response, low working bandwidth, and estimated error due to delay issue of

the low-pass filter. To solve this issue, the ordinary least squares method together

with an adapted sliding mode is proposed. It is shown that, using a sliding factor

adapted to stator current estimation error may result in better dynamic response and

higher working bandwidth. In addition, accuracy of rotor position estimation may

be improved using an adapted low-pass filter based on difference on estimated back

electromotive force.

The proposed method has been implemented in Matlab/Simulink for a speed range

from 15rpm to 4000rpm. From this study, a speed response up to 0.2s can be

achieved with an accuracy up to 1% for speed estimation and 1 degree for rotor

position estimation. Thus, implementation of the proposed method may provide

better dynamic response, attenuate chattering issue, reduce rotor vibration, and

increase machine longevity.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của ản thân tôi. Các kết quả nghiên

cứu và các kết luận trong luận v n là trung thực, không sao chép từ ất kỳ một

nguồn nào và dƣới ất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Học viên

Phạm Ái Quốc.

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC...................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... viii

DANH MỤC BẢNG................................................................................................. xi

TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................................... xii

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề......................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................1

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................1

4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu....................................................2

5. Ý ngh a thực tiễn của đề tài...........................................................................2

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .............................3

1.1 Thực trạng các nghiên cứu liên quan: ...........................................................3

1.2 Nội dung nghiên cứu của luận v n:...............................................................5

1.3 Kết luận: ........................................................................................................6

CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................7

2.1 Vector không gian trong hệ quy chiếu αβ và hệ quy chiếu dq:.....................7

2.1.1 Chuyển đổi các thành phần từ hệ quy chiếu abc sang hệ quy chiếu αβ

(Forward Clarke Transformation): .......................................................................9

2.1.2 Chuyển đổi các thành phần từ hệ quy chiếu αβ sang hệ quy chiếu abc

(Inverse Clarke Transformation):.......................................................................10

2.1.3 Chuyển đổi các thành phần từ hệ quy chiếu dq sang hệ quy chiếu αβ

(Forward Park Transformation): ........................................................................10

2.1.4 Chuyển đổi các thành phần từ hệ quy chiếu αβ sang hệ quy chiếu dq

(Inverse Park Transformation): ..........................................................................10

2.2 Động cơ đồng bộ nam châm v nh cửu (PMSM): ........................................11

2.3 Phƣơng pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor động cơ PMSM: .............12

2.4 Điều chế độ rộng xung vector không gian (SVPWM): ...............................17

2.5 Mô hình cơ ản của động cơ đồng bộ nam châm v nh cửu: .......................22

vi

2.5.1 Giới thiệu ma trận phụ:.........................................................................22

2.5.2 Mô hình cơ ản của động cơ PMSM trong hệ quy chiếu αβ:...............23

2.5.3 Mô hình cơ ản của động cơ PMSM trong hệ quy chiếu d-q:..............25

2.6 Cơ sở các phƣơng pháp điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ nam

châm v nh cửu bằng mô hình cơ ản: ...................................................................26

2.6.1 Quan sát không gian trạng thái:............................................................26

2.6.2 Hệ tự thích nghi với mô hình tham chiếu (MRAS):.............................28

2.6.3 Lọc Kalman mở rộng (EKF):................................................................29

2.6.4 Quan sát trƣợt (SMO):..........................................................................30

2.6.5 Nhận diện thông số động cơ PMSM:....................................................35

2.7 Kết luận: ......................................................................................................36

CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN SÁT TRƢỢT THEO PHƢƠNG

PHÁP KINH ĐIỂN:..................................................................................................37

3.1 Viết biểu thức xây dựng khối điều khiển trƣợt: ..........................................37

3.2 Chọn mặt trƣợt:............................................................................................37

3.3 Đánh giá ổn định của khối điều khiển trƣợt:...............................................38

3.4 Sơ đồ thiết kế khối điều khiển trƣợt:...........................................................39

3.5 Thiết kế khối ƣớc tính sức điện động (EMF_estimate):..............................41

3.6 Đánh giá ổn định của khối EMF_cal:..........................................................42

3.7 Sơ đồ thiết kế khối EMF_estimate: .............................................................42

3.8 Kết luận: ......................................................................................................44

CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ QUAN

SÁT TRƢỢT VỚI HỆ SỐ TRƢỢT TỰ THÍCH NGHI...........................................45

4.1 Mô phỏng thiết kế quan sát trƣợt kinh điển: ...............................................45

4.1.1 Mô phỏng với động cơ PMSM tốc độ thấp: .........................................45

4.1.2 Mô phỏng với động cơ PMSM tốc độ cao: ..........................................49

4.2 Giải pháp thiết kế quan sát trƣợt với hệ số trƣợt tự thích nghi với tốc độ: .51

4.2.1 Mô phỏng thiết kế SMO có hệ số trƣợt tự thích nghi với động cơ

PMSM tốc độ thấp:.............................................................................................54

4.2.2 Mô phỏng thiết kế SMO có hệ số trƣợt tự thích nghi, với động cơ

PMSM tốc độ cao:..............................................................................................58

vii

4.3 Kết luận: ......................................................................................................62

CHƢƠNG 5 THỰC NGHIỆM............................................................................63

5.1 Kiểm nghiệm so sánh với đề tài „Sliding Mode Neuro-Adaptive Control of

Electric drives‟, IEEE [17]:...................................................................................63

5.1.1 Kiểm nghiệm khả n ng ƣớc tính tốc độ của SMO với [17] khi t ng từ

tốc độ thấp lên tốc độ cao:..................................................................................64

5.1.2 Kiểm nghiệm khả n ng ƣớc tính tốc độ của SMO với [17] khi đảo

chiều tốc độ: .......................................................................................................66

5.2 Kiểm nghiệm so sánh với đề tài „New Sliding-Mode Observer for Position

Sensorless Control of Permanent-Magnet Synchronous Motor‟,IEEE [18]:........67

5.2.1 Kiểm nghiệm khả n ng ƣớc tính của SMO với [18] khi t ng tốc độ từ

15rpm đến 100rpm: ............................................................................................67

5.2.2 Kiểm nghiệm n ng ƣớc tính của SMO với [18] khi đảo chiều tốc độ từ

15rpm đến -15rpm:.............................................................................................72

5.3 Kiểm nghiệm so sánh với đề tài „A Sliding Mode O server for Sensorless

Control of Permanent Magnet Synchronous Motors‟ IEEE [20]: ........................75

5.4 Thử nghiệm SMO trên mô hình phần cứng: ...............................................79

5.3.1 Mô hình gián đoạn của SMO(Discrete SMO):.....................................79

5.3.2 Mô hình phần cứng:..............................................................................80

5.3.3 Thử nghiệm quan sát trƣợt:...................................................................81

5.5 Kết luận: ......................................................................................................85

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................86

1. Kết luận: ......................................................................................................86

2. Hƣớng phát triển:.........................................................................................87

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................88

PHỤ LỤC..................................................................................................................91

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN.........................................................94