Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB – RLS thích hợp với điều khiển thời gian thực

Bài báo này trình bày Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS thích hợp với điều khiển thời gian thực làm tiền đề để thiết kế điều khiển số cho hệ truyền động điện động cơ xoay chiều ba pha KĐB-RLS. Mô hình trạng thái gián đoạn (TTGĐ) là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển (ĐK) thời gian thực và có ý nghĩa quyết định tới chất lượng của hệ thống ĐK số (Digital Control) của động cơ KĐB Rotor lồng sóc (KĐB-RLS).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB – RLS thích hợp với điều khiển thời gian thực Lê Thu Thủy Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 45 - 48 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRẠNG THÁI GIÁN ĐOẠN CỦA ĐỘNG CƠ KĐB-RLS THÍCH HỢP VỚI ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC Lê Thu Thủy Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Bài báo này trình bày Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS thích hợp với điều khiển thời gian thực làm tiền đề để thiết kế điều khiển số cho hệ truyền động điện động cơ xoay chiều ba pha KĐB-RLS. Mô hình trạng thái gián đoạn (TTGĐ) là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển (ĐK) thời gian thực và có ý nghĩa quyết định tới chất lượng của hệ thống ĐK số (Digital Control) của động cơ KĐB Rotor lồng sóc (KĐB-RLS). Từ khóa: động cơ KĐB-RLS; thời gian thực. ĐẶT VẤN ĐỀ* Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (KĐB-RLS) có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn nhưng vấn đề điều khiển lại gặp rất nhiều khó khăn do động cơ KĐB-RLS là một đối tượng phi tuyến phức tạp. Trong những năm gần đây, điện tử công suất và kỹ thuật vi xử lý đã có bước phát triển rất mạnh mẽ, do đó nó cho phép thực hiện phương pháp điều khiển số với khối lượng tính toán lớn, và do đó bộ điều khiển động cơ xoay chiều đã dần thay thế bộ điều khiển động cơ một chiều trong phần lớn những ứng dụng công nghiệp. Mô hình trạng thái gián đoạn (TTGĐ) là xuất phát điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển (ĐK) thời gian thực và có ý nghĩa quyết định tới chất lượng của hệ thống ĐK số (Digital Control) của động cơ KĐB Rotor lồng sóc (KĐB-RLS). PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mô hình liên tục động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ tựa theo từ thông Rotor dq Xây dựng vector không gian - Hệ toạ độ cố định αβ Động cơ không đồng bộ có cấu tạo gồm hai phần chính: Phần cố định stator và phần quay rotor. Trên stator người ta đặt các cuộn dây u, v, w lệch nhau một góc 1200 Rotor có hai loại: Lồng sóc và dây quấn. Động cơ xoay chiều ba pha dù là động cơ đồng bộ hay không đồng bộ đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha, bố trí không gian tổng quát như trong hình 1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Bài viết này góp phần hoàn thiện việc xây dựng và đánh giá mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS, là cơ sở cho việc thiết kế điều khiển số động cơ KĐB-RLS. Xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB-RLS và làm tiền đề để thiết kế điều khiển số cho hệ truyền động điện động cơ xoay chiều ba pha KĐB-RLS. * Pha V Pha U isu isv Pha W isw ro to r sta to r Hình 1. Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ xoay chiều ba pha Tel: 0988.109.808; Email: lethuthuy@tnut.edu.vn 45 Lê Thu Thủy Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 45 - 48 Việc xây dựng vector is (t) được mô tả trong hình 2. Ta có thể xây dựng vector không gian sau: is(t)= [ o o 2 isu (t) + isv (t )e j120 + isw(t)e j 240 3 ] =|is|ejγ (1.1) Hình 4. Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor Mô hình liên tục của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq Hình 2. Thiết lập vector không gian từ các đại lượng ba pha Hệ toạ độ quay dq Bây giờ ta quay trở lại với vector dòng stator mà ta đã xét trên hình 2, trong đó hệ tọa độ stator (hoặc hệ tọa độ αβ) tương ứng với hệ xy trong hình 3. Giả sử ta quan sát một động cơ xoay chiều ba pha đang quay với tốc độ góc ω = d ϑ /dt, trong đó ϑ là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn (đã quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha u). Hình 5. Mô hình liên tục của động cơ KĐB-RLS trên hệ tọa độ dq Mô hình trạng thái gián đoạn thích hợp với điều khiển thực Mô hình trạng thái trên miền thời gian Một hệ thống liên tục có thể được mô tả tổng quát như sau: xɺ (t ) = f ( x (t ), u (t ) ); x ∈ R n ; u ∈ R m ; x 0 = x (t 0 ) y (t ) = h( x (t ), u (t ) ); y ∈ R p (2.1) Mô hình trạng thái gián đoạn Ma trận hệ thống và ma trận đầu vào của mô hình gián đoạn tương đương: Hình 3. Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor,hệ tọa độ dq Toàn bộ quá trình các diễn giải ở trên được tổng kết lại một cách đầy đủ ở hình 4. 46 Φ (k ) = e H (k ) = T m   N i u i ( k ) T  A+ i =1   ∫e 0 ∑   A+  m  i =1  ∑ N i u i ( k ) τ dτ B (2.2) Lê Thu Thủy Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ αβ Hình 6. Cấu trúc mô hình trạng thái gián đoạn của ĐC KĐB trên hệ tọa độ stator. Phương pháp gián đoạn hóa trực tiếp mô hình trạng thái liên tục của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ tựa từ thông rotor dq  T Tr 112(12)/2: 45 - 48 Khảo sát đặc điểm ổn định của mô hình gián đoạn tìm được nhờ gián đoạn hóa mô hình liên tục động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq Phương trình (2.5) chính là phương trình đặc trưng phụ thuộc vào T. Và ảnh hưởng của tham số T đến mô hình có thể được khảo sát thông qua phương trình: 1+ 2T  1 1  +  =0 z − 1  σ Ts σ Tr  (2.5) Sử dụng phần mềm Matlab ta sẽ thu được đường quỹ đạo nghiệm số khi T thay đổi có dạng như hình 8. T Tr  ψrq/ (k +1) = isq(k) − (ωs −ω)Tψrd/ (k) + 1− .ψrq/ (k)  (2.3) Từ hệ phương trình trên ta xây dựng được mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐBRLS như hình 7. Hình 7. Mô hình trạng thái gián đoạn động cơ KĐB-RLS trên hệ tọa độ dq Phương pháp tìm mô hình gián đoạn trên hệ dq bằng cách chuyển hệ tọa độ cho mô hình gián đoạn trên hệ αβ H f H = H f 1 f 2  0 H 2f =    với 0 0 0  (2.4) Đến đây, ta đã thu thập được mô hình trạng gián đoạn của động cơ đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trên hệ tọa độ dq theo hai phương pháp. Hình 8. Vị trí điểm cực (a) và đáp ứng bước nhảy của hệ thống (b) khi T = 500 µs KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Mô hình gián đoạn trên hệ tọa độ dq thu được bằng cách chuyển hệ tọa độ cho mô hình gián đoạn αβ. Với biện pháp đó ta có thể tránh được các giá trị riêng phức của ma trận hệ thống cũng như sự mất ổn định có thể xảy ra sau khi gián đoạn hóa. Kết quả thu được sẽ là 47 Lê ...