Bài giảng Điều khiển số hệ thống điện cơ điều khiển máy điện/động cơ điện - Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông động cơ không đồng bộ

 Nếu n ≈ ndat thì e ≈ 0. PID sẽ GIỮ NGUYÊN u để n ỔN ĐỊNH. ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )11 −=+++−= kukukukukuku DIP 
ndat 
 Động cơ 
+ 
 u 
 _ 
 n 
 n 
PIDtốc độ e 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.5 
void PID(void) 
{ 
// -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 ek =(int)(((long)(N_ref - N_sensor)*255)/3000); 
 // Tốc độ cao nhất của động cơ là 3000, quy đổi là *255/3000 
 // để ek < 255 (số 8 bit chứa giá trị tối đa là 255). 
 Proportional = (ek - ek_1)*Kp; 
 Integral = ek*Ki; 
 Differential = (ek-2*ek_1+ek_2)*Kd; 
 PID_D = (Proportional + Integral + Differential); 
 uk = uk_1 + PID_D; // uk phải là số interger (số 16 bit) 
// -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 uk_1 = uk; 
 ek_2 = ek_1; 
 ek_1 = ek; 
// -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 if(uk < 0) 
 uk = 0; // Không có giá trị (điện áp) âm 
 if(uk > 255) 
 uk = 255; // Giá trị lớn nhất là 255 (số 8bit) 
// -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 
 duty_cycle = uk /Umax * T_PWM; 
} 
Một số đáp ứng của hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID 
 Đáp ứng bước Vọt lố Dao động 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.6 
II. Điều khiển tiếp dòng - điều khiển moment, từ thông 
III. Điều khiển tiếp áp - điều khiển dòng điện trong HQC quay 
Điều khiển dòng điện động cơ (hồi tiếp) bằng dòng điện lệnh (đặt) bằng cách điều 
chỉnh điện áp đầu ra (tiếp áp). 
ed, eq =??? 
IV. Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) 
IV.1. Mô hình động cơ KĐB 3 pha 
M 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.7 
 ω =??? 
ψr , Te , φr=??? 
IV.2. Điều khiển trực tiếp 
Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp đo về: 
Điều khiển tiếp dòng: 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.8 
 ψr , Te , φr=??? 
Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp - tiếp áp: 
ed, eq =??? 
M 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.9 
ed, eq =??? 
Điều khiển trực tiếp từ giá trị đặt - tiếp áp: 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.10 
IV.3. Điều khiển gián tiếp 
Điều khiển gián tiếp từ giá trị đặt - tiếp dòng: 
ids , iqs , ωsl =??? 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.11 
K1 , K2 =??? ω, ωmech =??? 
 φr =??? 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.12 
IV.4. Điều khiển trực tiếp - tiếp áp 
 Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng trường định hướng trường 
(Field Oriented Control -FOC) trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha 
được trình bày trong hình vẽ sau: 
Hình 4.1: Cấu trúc của hệ thống điều khiển ĐCKĐB ba pha dùng FOC 
 Bằng việc mô tả ĐCKĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor, vector si
r
 sẽ 
chia thành hai thành phần: isd để điều khiển từ thông rotor rψr , isq để điều khiển 
momen quay Te, từ đó có thể điều khiển tốc độ của động cơ. 
 (4.1a) 
 (4.1b) 
M 
TL 
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
b
a
i
i
MTu 
BBĐ 
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
c
b
a
u
u
u
ω
Động cơ 
– 
*
sdi + ĐCid 
ĐCiq 
MTi 
– 
+ 
*
rψ 
CTĐi 
ĐCω 
– 
+ 
ω 
*ω 
+ 
+ 
ω
*
rω 
*
rω 
sω rθ 
*
sqi 
sdi 
sqi 
sdiΔ 
sqiΔ 
dy
qy
sdu 
squ 
 ∫ ωΔ 
isd → rψr 
isq → Te → ω 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.13 
IV.4.1. Xây dựng thuật toán điều khiển 
 Giải thuật của từng khối trong hệ thống điều khiển định hướng trường (hình 
4.1) được trình bày như sau: 
 Mạng tính dòng (MTi) 
 ( )
m
*
r
r
*
sd L
sT1i Ψ+= (4.2a) 
 *r
m
*
rr*
sq L
Ti ωΨ= (4.2b) 
 Mạng tính áp (MTu) 
 q
s
s
dssd ysT1
L
yRu
σ
σ
+−= (4.3a) 
 *dr
r
m
d
s
s
qssq L
Ly
sT1
L
yRu Ψ+++= σ
σ (4.3b) 
Trong đó, 
s
ms
s
s
s R
LL
R
L
T
−== σσ 
 Tính góc θr 
s
r
r
ωθ = (4.4) 
 Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CTĐi) 
 isα = isa (4.5a) 
 isβ = ( )sbsa i2i3
1 + (4.5b) 
 isd = isαcosθr + isβsinθr (4.6a) 
 isq = - isαsinθr + isβcosθr (4.6b) 
 Bộ biến đổi (BBĐ) 
o Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CTĐi) 
 usα = usdcosθr – usqsinθr (4.7a) 
 usβ = usdsinθr + usqcosθr (4.7b) 
o Bộ biến đổi điện áp (bộ điều chế vector không gian) 
 usa = usα (4.8a) 
 βα +−= sssb u2
3u
2
1u (4.8b) 
 usc = – usa – usb (4.8c) 
 Khâu điều chế tốc độ quay (ĐCω) 
 Là khâu hiệu chỉnh PI: 
 ( )ω−ω⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +=ω ωω *IP*r sKK (4.9) 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.14 
 Các khâu điều chế dòng (DCid và DCiq) 
o Khâu điều chế dòng isd (DCid) 
 sdIdPdd is
K
Ky Δ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ += (4.10) 
o Khâu điều chế dòng isq (DCiq) 
 sq
Iq
Pqq is
K
Ky Δ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ += (4.11) 
Chú ý: Xét trong hệ tọa độ từ thông rotor nên 0rq =Ψ , rdr Ψ=Ψ (4.12) 
 Các thông số KP và KI trong các bộ điều khiển PI được hiệu chỉnh sao cho hệ 
thống đạt tới đáp ứng tốt nhất. 
IV.4.2. Đánh giá đáp ứng của thuật toán điều khiển FOC 
 Hệ thống ổn định. 
 Sai số xác lập của tốc độ nhỏ, sai số xác lập của từ thông rotor lớn. 
 Thời gian đáp ứng của hệ thống tương đối nhanh. 
 Momen tải không tác động nhiều đến đáp ứng của tốc độ, và đáp ứng của từ 
thông rotor. 
 Chất lượng đáp ứng suy giảm khi bị nhiễu tác động lên tín hiệu hồi tiếp. 
 Hệ thống dễ mất ổn định khi có sai số mô hình hay bị tác động của nhiễu. 
 Dòng điện khởi động lớn so với dòng điện làm việc; dòng khởi động tăng lên 
khi có sai số mô hình. 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.15 
V. Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển gián tiếp ĐCKĐB theo phương pháp 
định hướng từ thông rotor 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.16 
Tính Isd, Isq, ωsl, ψr, nr? 
f2
X
L mm π= f2
X
L ss π
σ
σ = sms LLL σ+= 
r
s
s R
L
T = 
f2
X
L rr π
σ
σ = rmr LLL σ+= 
r
r
r R
L
T = 
sT1
iL
r
sdm
rd +=ψ Từ thông không đổi, ⇒ dsmr iL=Ψ 
sdm
e
m
r
r
e
m
r
sq iL
T
L
L
P3
2T
L
L
P3
2i == ψ ⇒ e2m
r
sdsq TL
L
P3
2ii = 
Mà s2ds2sqs I2iii =+= 
Khi biết momen điện Te và dòng điện Is, 
Từ 2 phương trình trên tính được isd và isq và Ψr. 
Chú ý: khi động cơ vận hành ở định mức, thì isd thường nhỏ hơn isq. 
Thông thường isd bằng 20-40% Is định mức. 
Và tính được 
rr
qsm
sl T
iL
Ψ=ω . 
Từ đó tính được tốc độ góc trựơt cơ: 
p
sl
co_slsl
ωω ==Ω và tính được tốc độ động cơ. 
m
rrdrd
sd L
sT
i
ψψ += 
r
e
r
m
sq
T
L
L
p2
3i ψ= rrr
qs
r
m
sl LT
i
L
L
Ψ=ω 
Rs sI& jXσs 
sU& 
'
rI& 
'
rR jX’σr 
Mạch tương đương động cơ KĐB với tổn hao sắt từ 
'
rRs
s1− 
RFe jXm 
mI&FeI&
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.17 
Từ thông không đổi: *dsm*r iL=Ψ 
 *e1*qs TKi = ⇒ *
ds
2
m
r
*
e
*
qs
1 i
1
L
L
p3
2
T
i
K == 
 *qs2*sl iK=ω ⇒ *
dsr
m
*
rr
m
*
qs
*
sl
2 iT
L
T
L
i
K =Ψ==
ω vì *sl*rr*qsm TiL ωΨ= 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.18 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.19 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.20 
Chú ý: 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.21 
Với 
Bộ điều khiển 
Bộ xử lý 
PWM
QEP ADC
SCI
I/O
ADC
L3 
L2 
L1 
N
L
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.22 
Với Tdom = J/P và σ = Tdelay = chu kỳ xử lý (≥ tổng thời gian trễ). 
Thêm khâu smooth: 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.23 
Ví dụ: 
Điều khiển trực tiếp từ giá trị hồi tiếp: 
Điều khiển gián tiếp từ giá trị đặt: 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.24 
Tính tất cả các giá trị cần thiết để điều khiển gián tiếp từ thông rotor, được minh 
họa trong ví dụ này. Động cơ KĐB 3 pha 4 cực, nối Y, rotor lồng sóc, các thông số 
ở 50Hz là: 
Dòng điện định mức là 2.1A ở 380V. Điều khiển gián tiếp định hướng từ thông 
rotor (FOC) động cơ KĐB trên. 
Bộ điều khiển dòng cần tính toán từ giá trị dòng điện đo về và giá trị dòng điện đặt. 
Tốc độ động cơ được điều khiển từ 0 đến tốc độ định mức. Từ thông không đổi và 
bằng giá trị từ thông định mức. Moment định mức là 5.07Nm và moment quán tính 
là 0.1 kgm2. Vì vậy cần tính dòng điện định mức isdn, isqn từ moment định mức Ten, 
tính từ thông định mức Ψr n và tính vận tốc góc định mức ωsln? 
(Chú ý, khi vận hành ở công suất định mức: isdn < isqn) 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.25 
Bài tập: 
Một động cơ không đồng bộ có các thông số (tất cả quy về stator) như sau: 
Động cơ 3 pha, 4 cực, cuộn dây stator nối Y, 50Hz, 380V, 1400rpm. Tính dòng 
điện định mức isdn, isqn, từ thông định mức Ψr n và dòng điện định mức Isn? Tính K1, 
K2, Kp, Ti? Biết chu kỳ xử lý của bộ điều khiển là 20μs, moment quán tính của động 
cơ là 0.5 kgm2. 
Rs sI& jXγs 
sE&sU&
Stator với dòng từ hoá 
mI& 
jXm 
s
R 'r 
jX’γr 
'
rE& 
'
rI& 
Rotor quy về stator 
Rs sI& jXγs 
sU&
Mạch tương đương động cơ KĐB với dòng từ hoá 
mI& 
jXm 
jX’γr 'rI& 
'
rR 
'
rRs
s1− 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.26 
 *e1*qs TKi = ⇒ *
ds
2
m
r
*
e
*
qs
1 i
1
L
L
p3
2
T
i
K == 
 *qs2*sl iK=ω ⇒ *
dsr
m
*
rr
m
*
qs
*
sl
2 iT
L
T
L
i
K =Ψ==
ω
 vì *sl*rr*qsm TiL ωΨ= 
Với Tdom = J/P và σ = Tdelay = chu kỳ xử lý (≥ tổng thời gian trễ). 
(ĐK.CMĐXC) T©B 
Chương 4: Điều khiển định hướng từ thông ĐCKĐB IV.27 
Dong stator: isn = 3.549093 
Momen dien tu: Te = 6.401969 
isn = 3.549093 A 
Te = 6.401969 Nm 
isn = 3.549093 A 
isdn = 1.984 
isqn =2,941 
K1 = 0.462 
K2 = 2.888 
Kp = 6.25*103 
Ti = 0.00008