Báo cáo Tóm tắt Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO Đà Nẵng, 11/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO I MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................................... I DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................................ II THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................................... III INFORMATION ON RESEARCH RESULTS ............................................................................. IV MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÔNG CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ................................................................................................ 2 1.1 Tổng quan về hệ truyền động điện tốc độ cao ....................................................................... 2 1.2 Tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở ................................................................................... 2 1.2.1 Nguyên lý cơ bản của động cơ đồng bộ từ trở ..............................................................2 1.2.2 Các cấu trúc roto của động cơ đồng bộ từ trở ...............................................................2 1.3 Điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở ............................................................. 2 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ TỪ TRỞ ..................... 3 CHƯƠNG 2: 2.1 Mô tả bàn thí nghiệm ............................................................................................................. 3 2.2 Mô hình động cơ đồng bộ từ trở ............................................................................................ 3 2.2.1 Phương trình điện áp trong hệ tọa độ abc ......................................................................3 2.2.2 Phương trình điện áp trong hệ tọa độ  .......................................................................3 2.2.3 Phương trình điện áp trong hệ tọa độ quay d-q .............................................................3 2.2.4 Phương trình động học ..................................................................................................3 2.3 Nhận dạng tham số điện cảm................................................................................................. 3 2.3.1 Xác định giá trị điện trở stator .......................................................................................3 2.3.2 Nhận dạng giá trị điện cảm stator ..................................................................................3 2.4 Mô phỏng động cơ đồng bộ từ trở ......................................................................................... 3 MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO SỬ CHƯƠNG 3: DỤNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ ................................................................................... 5 3.1 Cấu trúc điều khiển động cơ đồng bộ từ trở .......................................................................... 5 3.2 Phương pháp điều khiển tối ưu động cơ đồng bộ từ trở ........................................................ 5 3.2.1 Giới hạn dòng điện và điện áp .......................................................................................5 3.2.2 Phương pháp điều khiển tối ưu M/I (MTPA) ................................................................5 3.2.3 Phương pháp điều khiển tối ưu M/Ψ (MTPW) .............................................................5 3.3 Kết quả mô phỏng ................................................................................................................. 5 3.4 Kết luận ................................................................................................................................. 7 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ TỐC ĐỘ CAO KHÔNG SỬ CHƯƠNG 4: DỤNG CẢM BIẾN ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG ....................... 8 4.1 Giới thiệu chung .................................................................................................................... 8 4.2 Nguyên lý bộ lọc Kalman mở rộng ....................................................................................... 8 4.3 Bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình đầy đủ (bậc 4) .................................................... 8 4.3.1 Mô hình trạng thái bậc 4 của động cơ đồng bộ từ trở ...................................................8 4.3.2 Ước lượng tốc độ với bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình đầy đủ (bậc 4) .........9 4.3.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm nghiệm .................................................................10 4.4 Bộ lọc Kalman mở rộng bậc 2 dựa trên mô hình ngược ..................................................... 12 4.4.1 Mô hình ngược của động cơ đồng bộ từ trở ................................................................12 4.4.2 Ước lượng tốc độ với bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình bậc 2 ......................13 4.4.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm nghiệm .................................................................13 4.5 Kết luận ............................................................................................................................... 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................. 17 II DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2-1 : Dạng sóng điện áp trên đầu cực động cơ ........................................................................4 Hình 2-2 : Giá trị dòng điện pha mô phỏng và đo từ thí nghiệm .....................................................4 Hình 2-3 : Giá trị dòng id,iq mô phỏng và giá trị đo .........................................................................4 Hình 3-1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển ................................................................................................5 Hình 3-2: Đáp ứng tốc độ ................................................................................................................6 Hình 3-3: Sai số tốc độ.....................................................................................................................6 Hình 3-4: Đáp ứng dòng điện ..........................................................................................................6 Hình 3-5: Đáp ứng điện áp ...............................................................................................................7 Hình 4-1: Cấu trúc điều khiển với bộ lọc Kalman mở rộng ............................................................8 Hình 4-2: Đáp ứng tốc độ ước lượng với mô hình bậc 4 ...............................................................10 Hình 4-3: Đáp ứng vị trí ước lượng với mô hình bậc 4 .................................................................11 Hình 4-4: Tốc độ ước lượng và tốc độ đo thực nghiệm .................................................................11 Hình 4-5: Sai số tốc độ ước lượng và tốc độ đo.............................................................................11 Hình 4-6: Tốc độ động cơ ở chế độ xác lập ...................................................................................11 Hình 4-7: sai số ước lượng ở chế độ xác lập ..................................................................................11 Hình 4-8: Tốc độ lúc khởi động .....................................................................................................12 Hình 4-9: Vị trí rô to lúc khởi động ...............................................................................................12 Hình 4-10: Tốc độ thử nghiệm 8500 vòng/phút ............................................................................12 Hình 4-11: Sai số tốc độ ước lượng ...............................................................................................12 Hình 4-12: Tốc độ động cơ (mô phỏng) ........................................................................................14 Hình 4-13: Vị trí ước lượng (mô phỏng) .......................................................................................14 Hình 4-14: Tốc độ của động cơ .....................................................................................................14 Hình 4-15: Sai số giá trị ước lượng và giá trị đo ...........................................................................14 Hình 4-16: Tốc độ động cơ lúc khởi động .....................................................................................14 Hình 4-17: Vị trí rô to khi khởi động .............................................................................................14 Hình 4-18: Tốc độ động cơ 8500 vòng/phút với bộ ước lượng Kalman bậc 2 ..............................15 Hình 4-19: Sai số tốc độ khi thí nghiệm 8500 vòng/phút ..............................................................15 III THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao - Mã số: B2016-DNA-45-TT - Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Đức Quận - Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 12/2016 – 12/2018 2. Mục tiêu: - Mô hình hóa, mô phỏng và đề xuất các giải pháp điều khiển và điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao. - Các kết quả nghiên cứu sẽ được mô phỏng và phân tích làm tiền đề cho các ứng dụng trong công nghiệp. 3. Tính mới và sáng tạo: - Nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao, đặc biệt là nghiên cứu, đề xuất cho các ứng dụng trong thực tế. - Đề xuất giải pháp điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở nhằm giảm giá thành hệ truyền động điện tốc độ cao. 4. Kết quả nghiên cứu: - Điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng bậc 4 dựa trên mô hình động cơ thống. - Điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao với bộ lọc Kalman mở rộng bộc 2 dựa trên mô hình ngược được đề xuất. - Hai được phương pháp điều khiển này đã được mô phỏng và thí nghiệm trên một động cơ thí nghiêm có tốc độ 8.000 vòng/phút và công suất 15kW. 5. Sản phẩm: - Sản phẩm khoa học: Bài báo “ Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao” Tác giả: Nguyễn Đức Quận, Hoàng Dũng và Nguyễn Anh Duy. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN 1859-1531. Số: 11(120). Trang: 100 - 104 (Quyển 2). Năm 2017. - Sản phẩm đào tạo: Đào tạo 01 thạc sỹ đã bảo vệ thành công Luận văn thạc sỹ - Sản phẩm ứng dụng: Tài liệu về điểu khiển không cảm biến động cơ động bộ từ trở tốc độ cao. 6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu: - Chuyển giao kết quả nghiên cứu làm tiền đề cho các ứng dụng trong công nghiệp - Phòng thí nghiệm tự động hóa, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng - Tài liệu nghiên cứu đối với sinh viên đại học, học viên cao học và nghiên cứu sinh. - Góp phần cải thiện, nâng cao chất lượng hệ truyền động điện không cảm biến tốc độ cao. IV INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Research high-speed sensorless control of synchronous reluctance motor Code number: B2016-DNA-45-TT Coordinator: Dr. Nguyen Duc Quan Implementing institution: The University of Danang Duration: from December 2016 to December 2018 2. Objective(s): - Modeling, simulating and proposing solutions to control and sensorless control of synchronous reluctance motors in applications of high-speed driver - The research results will be simulated and analyzed for industrial applications 3. Creativeness and innovativeness: - Research on high-speed sensorless control of synchronous reluctance motor, especially suggestion for practical applications. - propose solution for speed sensorless control of synchronous reluctance motor to reduce the cost of high-speed electric driver. 4. Research results: - Command without mechanical sensor of synchronous reluctance motor with Kalman Filter Extended of order 4, basing on motor classic model. - Command without mechanical sensor of synchronous reluctance motor with Kalman Filter Extended basing on second order inverse model of the machine proposed. - These two approaches are simulated and tested experimentally on a test bench with 8000 rpm - 15kW motors. 5. Products: - Scientific products: article: “Extended kalman filter application for high-speed sensorless control of synchronous reluctance motor”, Authors: Nguyen Duc Quan, Hoang Dung and Nguyen Anh Duy. Journal of Science an Technology, The University of Danang, vol. 2, no. 11(120), pp. 100–104, 2017. - Training products: Training 01 Master has successfully defended Master thesis - Application products: Document of high speed sensorless control of synchronous reluctance motor 6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: - Transfer of research results as the premise for applications in industry - Automation Laboratory, University of Technology and Education, the University of Danang - Study on materials for students, master students and PhD students - Improve and increase the efficiency of high-speed sensorless electric drives Trang 1 MỞ ĐẦU Động cơ đồng bộ từ trở có cấu trúc đơn giản và vững chắc, có stator giống hệt stator của động cơ không đồng bộ hay động cơ đồng bộ truyền thống, rôto dạng cực lồi và đặc, không có cuộn dây hay nam châm vĩnh cửu, phù hơp cho các ứng dụng tốc độ cao và làm việc trong môi trường nhiệt độ cao. Do động cơ đồng bộ từ trở có cấu trúc đơn giản nên dễ dàng chế tạo, không có tổn thất ở rôto, giá thành rẻ hơn nhiều so với các loại động cơ khác có cùng công suất. Với những ưu điểm nổi bật của động cơ đồng bộ từ trở như trên, trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị bán dẫn công suất và điều khiển số, động cơ đồng bộ từ trở đã thu hút sự chú ý và quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao. Để thực hiện điều khiển vectơ đối với động cơ đồng bộ từ trở, cần phải biết chính xác vị trí của rôto. Việc lắp đặt cảm biến để xác định vị trí của rôto tồn tại nhiều nhược điểm như kết cấu của hệ thống cồng kềnh, tăng giá thành của hệ thống, độ tin cậy và hiệu suất giảm trong trường hợp thiếu chính xác của cảm biến vị trí. Hầu hết các nhà sản xuất thiết bị ứng dụng luôn tìm kiếm giải pháp để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy, giảm tối đa chi phí sản xuất. Điều khiển động cơ đồng bộ từ trở không sử dụng cảm biến tốc độ đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu, nhưng hầu hết các nghiên cứu chỉ tập trung đến điều khiển ở vùng tốc độ thấp và cận không (dưới 1.000 vòng/phút). Hiện nay, rất ít công trình nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao, đặc biệt là nghiên cứu, đề xuất cho các ứng dụng trong thực tế. Với yêu cầu phát triển và công nghiệp hóa đất nước, cùng với các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước, việc nghiên cứu điều khiển không cảm biến động cơ động bộ từ trở cho các ứng dụng tốc độ cao là yêu cầu cần thiết và có ý nghĩa về mặt lý thuyết cũng như đề xuất các ứng dụng trong thực tế. Căn cứ vào điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam cũng như khả năng kết hợp với các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Chúng tôi đề xuất đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao”. 1. Mục tiêu đề tài Mô hình hóa, mô phỏng và đề xuất các giải pháp điều khiển và điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở trong các ứng dụng truyền động tốc độ cao. Các kết quả nghiên cứu sẽ được mô phỏng và phân tích làm tiền đề cho các ứng dụng trong công nghiệp. 2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu - Động cơ đồng bộ từ trở tốc độ cao - Các phương pháp điều khiển tối ưu và điều khiển không cảm biến - Bộ lọc Kalman mở rộng  Phạm vi nghiên cứu - Động cơ từ trở có công suất đến 15kW, tốc độ đến 8.000 vòng/phút - Nghiên cứu mô phỏng - Kiểm tra kết quả bằng thực nghiệm 3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu - Tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước, phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài - Kế thừa các kết quả đã có của nhóm tác giả thực hiện đề tài nghiên cứu - Đề xuất giải pháp mới nhằm tối ưu hóa mô hình động cơ trong điều khiển không cảm biến ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa, mô phỏng và phân tích kết quả mô phỏng bằng Matlab – Simulink - Nghiên cứu thực nghiệm Trang 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỘNG BỘ TỪ TRỞ VÀ ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG 1: KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày tổng quan về máy điện tốc độ cao và điều khiển không cảm biến tốc độ. Phần mở đầu chúng tôi sẽ trình bày các khái niệm về máy điện tốc độ cao và phân tích các máy điện được ứng dụng ở tốc độ cao đồng thời phân tích những ưu điểm của động cơ đồng bộ từ trở ở tốc độ cao. Phần cuối chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan về điều khiển không cảm biến tốc độ, đặc biệt là ở tốc độ cao. 1.1 Tổng quan về hệ truyền động điện tốc độ cao Trong hầu hết các hệ truyền động tốc độ cao sẽ bao gồm ba bộ phần chính : Máy điện, bộ phận điều khiển điện tử công suất và bộ phận truyền động cơ khí. Đối với hệ truyền động điện tốc độ cao chúng ta có thể phân ra thành hai nhóm truyền động chính đó là truyền động trực tiếp và truyền động gián tiếp. Các hệ truyền động trực tiếp được đặc trưng bởi khớp nối trực tiếp của máy điện với máy sản xuất. Ngược lại đối với các hệ truyền động gián tiếp cần có hộp tốc độ cơ khí kết nối giữa máy điện và máy sản xuất. Việc dùng hộp tăng tốc cho các máy sản xuất cần tốc độ cao có thể giảm được tốc độ quay cho máy điện thông qua tỉ số truyền của bộ tăng tốc cơ khí, nhưng giải pháp này sẽ tồn tại nhiều hạn chế. Do vậy việc sử dụng máy điện tốc độ cao kết nối trực tiếp với máy sản xuất để loại bỏ hộp giảm tốc sẽ làm giảm khối lượng hệ truyền động [1] và giảm chi phí và tổn thất của hệ thống truyền động [2], đồng thời nâng cao độ tin cậy và thuận lợi trong công tác bảo trì và sữa chữa hệ thống. Với việc loại bỏ hộp tốc độ sẽ giảm được tiếng ồn và tránh việc sử dụng dầu bôi trơn có thể gây khó khăn cho một số ứng dụng trong công nghiệp [3]. 1.2 Tổng quan về động cơ đồng bộ từ trở 1.2.1 Nguyên lý cơ bản của động cơ đồng bộ từ trở 1.2.2 Các cấu trúc roto của động cơ đồng bộ từ trở Đối với động cơ đồng bộ từ trở, dòng điện stator sẽ làm nhiệm vụ từ hóa và tạo ra mô men từ trở, roto thướng có các dạng cơ bản như trong Gần đây, một cấu trúc roto đơn giản hơn dưới dạng đục lỗ dọc theo trục roto và cắt rãnh [4][5]. Với cấu trúc roto dạng này sẽ làm giảm tổn thất động học trong động cơ đặc biệt là vận hành ở tốc độ cao. 1.3 Điều khiển không cảm biến động cơ đồng bộ từ trở Để điều khiển vec tơ đối với động cơ đồng bộ từ trở, chúng ta cần phải biết chính xác vị trí của rô to. Tuy nhiên việc xác định vị trí của rô to bằng cảm biến tốc độ (Encoder) sẽ tồn tại một số nhược điểm như làm tăng kính thước, tăng chi phí cho hệ truyền động [6]. Do đó, nhiều Kỹ thuật điều khiển không cảm biến tốc độ đã được đề xuất trong những năm gần đây [7][8][9]. Đối với động cơ đồng bộ từ trở, phương pháp điều khiển không cảm biến thường được sử dụng là dựa trên sức điện động cảm ứng mở rộng [10]. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm