Tài liệu điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc trong điều kiện thời gian thực

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC TRONG ĐIỀU KIỆN THỜI GIAN THỰC REAL-TIME VECTOR CONTROL OF INDUCTION MOTOR TS. PHẠM TÂM THÀNH Khoa Điện-Điện tử, Trường ĐHHH Việt Nam Tóm tắt Bài báo đề xuất hệ thống thực nghiệm hệ truyền động không đồng bộ. Cấu trúc sử dụng vi xử lý tín hiệu số DSP họ C2000 của Texas Instruments. Với hệ thống thực nghiệm này cho phép can thiệp vào các phần của bộ biến tần, triển khai các bài thí nghiệm các cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ và cho phép phát triển các cấu trúc điều khiển hiện đại cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Abstract The paper proposed experiment systems of electric drive. This structure uses digital signal processor family C2000 of Texas Instruments. This system permits users can log in firmware of inverter and implement experiment of structure control of induction motor (IM). Advantage Control strutures can be developed for IM. 1. Đặt vấn đề Điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều ba pha rotor lồng sóc (KĐB-RLS) là lĩnh vực được nghiên cứu từ nhiều thập kỷ. Từ các lý thuyết điều khiển kinh điển cho đến các kỹ thuật hiện đại [2], [3]. Ngày nay điều khiển động cơ điện xoay chiều đã đạt được những tiến bộ vượt bậc, chủ yếu nhờ sự phát triển của công nghệ bán dẫn, công nghệ vi xử lý [1], [11] và kỹ thuật điều khiển. Các bộ biến tần được thiết kế ngày càng hoàn thiện, đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe trong điều chỉnh tự động, dải công suất cũng như tốc độ cho phép điều chỉnh ngày càng mở rộng, nhiều tính năng mới được thêm vào biến tần để đáp ứng các nhu cầu điều khiển đa dạng trong thực tế [3][7], [9], [10]. Điều khiển vector là một phương pháp điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha hiện đại, với ưu điểm gắn liền một cách rõ ràng các phương pháp mô tả toán học chính xác các mối quan hệ vật lý của động cơ với các công nghệ điều khiển mới, nó có khả năng vượt trội về áp đặt dòng điện, momen [2] [3]. Ở Việt Nam cũng như ở nước ngoài đề tài nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha đã được nhiều nhà khoa học quan tâm. Các cấu trúc điều khiển cho động cơ xoay chiều ba pha rất đa dạng, phong phú. Cấu trúc điều khiển động cơ xoay chiều ba pha có thể là tuyến tính, phi tuyến. Mô hình biến tần-động cơ đã có sẵn trong phòng thí nghiệm, tuy nhiên để sinh viên nắm bắt được cấu trúc điều khiển động cơ xoay chiều ba pha, can thiệp vào các bộ điều chỉnh dòng, bộ điều chỉnh tốc độ, phương pháp điều chế thì mô hình này không thực hiện được. Do đó cần thiết phải xây dựng hệ thống thí nghiệm truyền động điện động cơ xoay chiều ba pha cho phép can thiệp được cấu trúc điều khiển, giúp sinh viên nắm bắt được cấu trúc điều khiển hiện đại nhất của các loại biến tần trên thị trường, cũng như có thể nghiên cứu phát triển, triển khai các cấu trúc điều khiển. Đó cũng chính là nội dung đề xuất trong bài báo này. 2. Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor (T4R) động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Hình 1. Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc dựa trên nguyên lý tựa theo từ thông rotor Cấu trúc hình 1 được cài đặt thành công trong các công trình [2] [3], trong đó chương trình điều khiển được thực hiện bởi DSP TMS320C20/C25 bằng ngôn ngữ assembly. Bài báo đề xuất thực hiện thuật toán điều khiển sử dụng DSP C2000 bằng ngôn ngữ bậc cao. Cấu trúc gồm các khâu: Khối nghịch lưu nguồn áp (VSI - Voltage Source Inverter), khâu điều chế vector không gian (SVM - Space Vector Modulation), các khâu chuyển trục tọa độ, khâu điều chỉnh dòng hai chiều RI, khâu điều chỉnh từ thông ( R ) và khâu điều chỉnh tốc độ quay ( R  ). Khâu suy giảm từ thông (Field Weakening), mô hình từ thông (Flux Model). 3. Hệ thống thí nghiệm truyền động không đồng bộ xoay chiều ba pha 3.1. Vi điều khiển C2000 Họ vi điều khiển C2000 là họ vi điều khiển mạnh, có thể thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp với sự kết hợp của các thiết bị ngoại vi để giao tiếp với các thành phần khác nhau của phần cứng điều khiển động cơ DMC (Digital Motor Control) như ADC (Analog Digital Conveter), ePWM (Pulse Width Modulation), QEP (Quadrature Encoder), ECAP (Capture),... Cùng với phần mềm đi kèm của C2000 giúp giảm thời gian phát triển các cấu trúc điều khiển động cơ. Thư viện điều khiển số động cơ DMC cung cấp các khối cấu hình có thể được sử dụng để thực hiện các phương pháp điều khiển mới. Thư viện IQMath cho phép chuyển đổi dễ dàng từ các thuật toán dấu phẩy động sang dấu phẩy tĩnh do đó đẩy nhanh được thời gian phát triển. Trong cấu trúc thí nghiệm sử dụng vi xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) F28035. 3.2. Cấu trúc thực nghiệm Mô hình thực nghiệm được xây dựng trên cơ sở DSP C2000 của hãng Texas Instruments, module công suất chuẩn. Hệ truyền động bao gồm một động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (là đối tượng điều khiển) nối trục với tải. Với thế mạnh của hệ thống này cho phép chúng ta có thể thực hiện được hầu hết các thuật toán điều khiển truyền động như: Điều khiển vector, điều khiển sensorless, điều khiển phi tuyến,… Động cơ sử dụng trong hệ thống là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc Marathon có các thông số sau: Công suất định mức: PN = 0,18 kW, dòng điện định mức: IN = 1,0 A, tần số định mức: fN = 60 Hz, số đôi cực: zp = 2, tốc độ định mức: nN = 1800 vòng/phút, điện áp định mức: UN = 220 V, điện trở stator: Rs = 11,05, điện trở Rotor: Rr = 6,11, điện cảm stator: Ls = 0,316423 H, điện cảm Rotor: Lr = 0,316423 H, hỗ cảm giữa Stator và Rotor: Lm= 0,293939 H. Hình 2. Sơ đồ khối cấu trúc của hệ thống thí nghiệm Hình 3. Hình ảnh của hệ thống thực nghiệm 4. Cài đặt các cấu trúc điều khiển SpeedRef Ref Fbk PI MACRO Spd Reg Spd_Out (lsw=1) Ref Q_Out Fbk Q_s CURRENT CONTROLLER MACRO IdRef D_s Ref Fbk D_Out IPARK MACRO Ualpha Alpha SVGEN MACRO Beta Ubeta Ta Mfunc_C1 Tb Mfunc_C2 Tc Mfunc_C3 PWM1 A/B PWM MACRO PWM HW PWM2 A/B 3-Phase Inverter PWM3 A/B Omega Qs CUR_MOD MACRO ThetaFlux Sine/Cos Ds Ds Qs PARK MACRO Alpha Alpha Beta Beta CLARK MACRO As Bs AdcResult0 AdcResult1 ADCIn1 (Ia) ADC MACRO ADC HW ADCIn1 (Ib) ADCIn1 (Ib) M 3~ Speed SpeedRpm SPEED FR MACRO ElecTheta QEP MACRO Direction QEP HW QEPn Incremental Encoder Hình 4. Cấu trúc phần mềm điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có sử dụng cảm biến tốc độ Chương trình điều khiển được lập trình dưới dạng cấu trúc, gồm các module (macro) kết nối với nhau. Phần mềm soạn thảo được sử dụng là phần mềm Code Composer Studio (CCS) của hãng Texas Instruments, thuận lợi cho việc phát triển các cấu trúc điều khiển khác nhau. Hai cấu trúc điều khiển được giới thiệu trong bài báo: Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có sử dụng cảm biến tốc độ (hình 4) và cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc không sử dụng cảm biến tốc độ (hình 5). IqRef(lsw=0) SpeedRef Ref Fbk PI MACRO Spd Reg Spd_Out (lsw=1) Ref Q_Out Fbk Q_s CURRENT CONTROLLER MACRO IPARK MACRO D_s IdRef Ref Ualpha Alpha SVGEN MACRO Beta Ubeta Ta Mfunc_C1 Tb Mfunc_C2 Tc Mfunc_C3 PWM1 A/B PWM MACRO PWM HW PWM2 A/B 3-Phase Inverter PWM3 A/B D_Out Fbk Ds mp.Out (Isw=0) PARK MACRO Qs Alpha Alpha Beta Beta CLARK MACRO As Bs AdcResult1 AdcResult3 ADCIn1 (Ib) ADC MACRO ADC HW ADCIn1 (Ib) ADCIn1 (Vdc) Sine/Cos ThetaFlux(Isw=1) ADCIn1 (Ia) AdcResult0 Isalpha Isbeta Estimated Speed Isalpha ACI_SE MACRO PsiQrs PsiQrs PsiDrs PsiDrs ThetaFlux ThetaFlux ACI_FE MACRO Ta Isbeta Vabc Valpha Valpha Vbeta Vbeta PHASE VOLT MACRO Tb Tc DcBusVolt M 3~ Hình 5. Cấu trúc phần mềm điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc khi không sử dụng cảm biến tốc độ 5. Kết quả thực nghiệm Một số kết quả bước đầu Hình 6. Dạng sóng PWM1H, PWM2H và PWM1L-PWM2L Hình 7. Thời gian đóng ngắt các van Ta- Tb, Ta-Tc, Tb-Tc và Ta&Tb-Tc quan sát bởi oscilloscope Hình 8. Đáp ứng tốc độ thực khi tốc độ đặt từ 600 lên 1050 vòng/phút Hình 9. Đáp ứng tốc độ khi tốc độ đặt là 1200 vòng/phút Hình 10. Đáp ứng tốc độ khi thực nghiệm khi tốc độ đặt từ 1000 lên 1500 vòng/phút Tốc độ thực bám sát tốc độ đặt, chứng tỏ hệ thống thực nghiệm điều khiển số (digital control) động cơ KĐB-RLS đã xây dựng đáp ứng được yêu cầu. Phần 4 làm nhiệm vụ cài đặt các cấu trúc điều khiển điển hình cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Với kết quả đạt được bước đầu được đưa ra trong phần 5 cho thấy mô hình thí nghiệm có khả năng cài đặt, phát triển các cấu trúc điều khiển, có ý nghĩa thực tiễn trong công tác giảng dạy các học phần về điều khiển truyền động điện, điện tử công suất,… 6. Kết luận Bài báo đã giải quyết được các vấn đề sau: Nghiên cứu cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc dựa trên nguyên lý tựa theo từ thông rotor, nghiên cứu về DSP, xây dựng cấu trúc hệ thống thực nghiệm hệ truyền động không đồng bộ, cài đặt và tiến hành thử nghiệm một số cấu trúc điều khiển điển hình cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] Nguyễn Phùng Quang (1998), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo dục, Hà Nội. [3] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2004), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [4] Cao-Minh Ta, Yoichi Hori (2001),"MRAS-based Speed Sensorless Control for Induction Motor Drives Using Instantaneous Reactive Power", the 27th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society. [5] C.Schauder (1992),"Adaptive Speed Identification for Vector Control of Induction Motors without Rotational Transducers", IEEE Trans. Ind. Applicat., vol.28, no.5, pp. 1054 - 1061. [6] Joachim Holtz, “Sensorless Control of Induction Motor Drives” Proceedings of the IEEE, vol. 90, no. 8, pp. 1359-1394. [7] Xingang Fu, Shuhui Li (2015), “Novel Neural Network Vector Control Technique for Induction Motor Drive”, IEEE Transactions on Energy Conversion, Issue: 99, pp. 1-10. [8] Robert H.Bishop (1996), Morden Control System Analysis and Design Using Matlab and Simulink, Adision Wesley Longman, Inc. [9] Jie Li, Hai-Peng Ren, Yan-Ru Zhong (2015), "Robust Speed Control of Induction Motor Drives Using FirstOrder Auto-Disturbance Rejection Controllers", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 51, No.1, pp.712-720. [10] Y.P. Landau (1979), "Adaptive Control: The Model Reference Aproach - Macrel Dekker", New York. [11] Texas Instruments:TMS320F28xx-Digital Signal Processor. [12] Phạm Tâm Thành, Nguyễn Phùng Quang (2012). Điều khiển động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc dựa trên cấu trúc tách kênh trực tiếp. CD tuyển tập Hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6, VCM-2012, tr.202-209, Hà Nội. [13] Phạm Tâm Thành, Nguyễn Phùng Quang (2013) Cấu trúc điều khiển thời gian thực động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính xác. Hội nghị Điều khiển và tự động hóa toàn quốc lần thứ 2, tr.247-254, Đà Nẵng.