Thiết kế bộ điều khiển Adaptive Backstepping cho truyền động điện không đồng bộ có bão hòa từ thông

Bài viết đề xuất một phương pháp mới trong cấu trúc mô hình toán điều khiển của động cơ không đồng bộ khi xét tới hiện tượng bão hòa từ thông. Trên cơ sở mô hình phi tuyến này mô hình dòng stator của động cơ được tuyến tính hóa chính xác và tách kênh trực tiếp.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế bộ điều khiển Adaptive Backstepping cho truyền động điện không đồng bộ có bão hòa từ thông THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ADAPTIVE BACKSTEPPING CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ CÓ BÃO HÒA TỪ THÔNG ADAPTIVE BACKSTEPPING CONTROLLER DESIGN FOR SATURATED INDUCTION MOTOR DRIVES ĐINH ANH TUẤN Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Trong bài báo này, tác giả đề xuất một phương pháp mới trong cấu trúc mô hình toán điều khiển của động cơ không đồng bộ khi xét tới hiện tượng bão hòa từ thông. Trên cơ sở mô hình phi tuyến này mô hình dòng stator của động cơ được tuyến tính hóa chính xác và tách kênh trực tiếp. Một bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping bền vững được thiết kế để đáp ứng chất lượng của hệ khi có thêm các nhiễu dao động phi tuyến. Các thuật toán được mô phỏng và tiến hành thực nghiệm đều cho kết quả rất tốt. Từ khóa: Bão hòa từ thông, Adaptive Backstepping, nhiễu dao động phi tuyến. Abstract In this paper, a new method of modeling stator current of an induction motor with saturation features of the flux is proposed. First, the nonlinear control approach using the full state feedback linearization will be presented. A new current controller named “direct - decoupling”, based on exact linearization algorithm of the motor current model is proposed. Then, the report presents the adaptive backstepping controller for stable of the control system with nonlinear noise. Simulations and experiment results show that the rotor flux can be well estimated in all operating conditions and that the new method has improved the drive performance under all dynamic modes. Keywords: Saturation features of the flux, Adaptive Backstepping, nonlinear noise. 1. Đặt vấn đề Lý thuyết điều khiển phi tuyến đang đóng vai trò hết sức quan trọng để giải quyết nhiều vấn đề như nâng cao chất lượng điều khiển, nâng cao độ ổn định của hệ thống, tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng điều khiển phức tạp và đặc thù. Hàng loạt các công trình nghiên cứu về điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu hay điều khiển mờ và mạng nơron để tổng hợp các bộ điều khiển cho động cơ không đồng bộ (KĐB) được công bố trong những năm gần đây cho thấy sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên khắp thế giới về những vấn đề, các hướng nghiên cứu phát triển trong điều khiển phi tuyến truyền động KĐB [2], [4] ,[5] và [8]. Như chúng ta đã biết, khi xem xét đầy đủ các mối liên hệ cơ - điện - từ thì động cơ KĐB là một mô hình phi tuyến hết sức phức tạp nên các phương pháp thiết kế kinh điển dựa trên điều khiển tuyến tính trong nhiều trường hợp không đảm bảo được yêu cầu do đặc tính phi tuyến của động học đối tượng điều khiển. Bên cạnh đó, các yếu tố khác như đặc tuyến đầu đo hoặc cơ cấu chấp hành cũng như tính chất không đầy đủ, chính xác của các mô hình thay thế (động học chưa biết, nhiễu, điều kiện ban đầu) cũng là những ví dụ rõ nhất về tính phi tuyến trong cả hệ. Tuy nhiên, đặc tính phi tuyến thể hiện rõ nhất của động cơ KĐB là khi xét đến hiện tượng bão hòa từ thông trong một số ứng dụng đặc biệt. Hiện nay, hầu hết các phương án tiếp cận để thiết kế bộ điều khiển cho động cơ KĐB là coi động cơ không có hiện tượng bão hòa từ thông và xem đặc tính của từ trường là tuyến tính. Tuy nhiên, trên thực tế điều này không hoàn toàn đúng nhất là trong một số chế độ làm việc của động cơ xuất hiện với một vài phụ tải, cơ cấu chấp hành thuộc các lĩnh vực như: hàng hải, các băng tải công nghiệp,… Để tránh các tác động không tốt của hiện tượng này thì các bộ điều khiển thường chọn giá trị đặt của từ thông thấp và giới hạn nó bởi tốc độ quay của động cơ. Ngoài ra, nếu bỏ qua hiện tượng bão hòa từ thông sẽ dẫn đến làm giảm hiệu suất điều khiển trong những khoảng thời gian ngắn và tức thời. Do đó, các xu hướng phát triển các bộ điều khiển động cơ hiện nay là: - Tìm cách đưa mô hình phi tuyến thực sự của động cơ vào thiết kế điều khiển hoặc tìm cách đưa hiện tượng bão hòa từ thông vào trong nhiệm vụ thiết kế bộ điều khiển; - Tối ưu hóa và nâng cao chất lượng điều khiển động cơ KĐB trong các chế độ làm việc nặng nhọc của động cơ nhất là các chế độ động như khởi động, dừng; dao động thường xuyên của nguồn cấp cũng như phụ tải. Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 39 2. Mô hình toán động cơ không đồng bộ có bão hòa từ thông Để hình thành mô hình toán của động cơ KĐB có xét tới hiện tượng bão hòa từ thông thì vấn đề quan trọng đầu tiên là xét dòng điện từ hóa i . Theo [7] biểu thức của dòng điện từ hóa có dạng: i  is  k.ir (1) Trong đó: k  kr .nr / ks .ns . Như vậy dòng điện từ hóa i tạo ra từ thông của động cơ bao gồm cả hai thành phần dòng điện stator is và rotor ir . Đặt i d , i q là thành phần dòng điện từ hóa dọc theo các trục dq của dòng i khi đó ta có: id  isd  k.ird , iq  isq  k.irq , i2  i2d  i2q (2) Tính chất phi tuyến của đặc tính từ trường sẽ gây ra sự tác động qua lại giữa hai thành phần dọc theo hai trục của động cơ. Từ phương trình (2), công trình [2] đã đưa ra biểu thức của các thành phần của từ thông rotor  rd và  rq có các biểu thức như sau:  rd  lr .ird  kr nr d  lr .ird  k . M d .i d  M dq .i q   d 0  (3)   rq  lr .irq  kr nr q  lr .irq  k. M q .iq  M dq .id  q 0  2 sd m i d ;  m i d .i q ; sq ...