Bài giảng Điều khiển máy điện nâng cao - Chương 7: Ước lượng từ thông và điều khiển dòng trong FOC

1Bài giảng 7
Bài giảng
Điều Khiển Máy Điện Nâng Cao
Ước lượng từ thông và điều khiển dòng trong FOC
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài giảng 7

 Trước hết, các phương pháp ước lượng từ thông rôto sẽ 
được khảo sát.

 Ước lượng từ thông rôto thường chỉ cần thiết với động cơ 
KĐB.

 Bài giảng này khảo sát sâu hơn về các phương pháp ước 
lượng từ thông rô to đã được giới thiệu ở bài giảng 5.

 Bài giảng cũng khảo sát các phương pháp điều khiển 
dòng điện cung cấp cho động cơ thông qua bộ nghịch lưu.
Giới thiệu
3Bài giảng 7

 Phương pháp đã giới thiệu ở bài giảng 5, được lặp lại 
để đảm bảo tính hệ thống:
Ước lượng gián tiếp với cảm biến tốc độ/vị trí
( )∫ += dtmslM ωωθ **

 Với cảm biến vị trí

 Với cảm biến tốc độ
( ) mslM dt θωθ += ∫ **
4Bài giảng 7

 Trong thực tế, vị trí của trục máy có thể được tính toán từ
một cảm biến tốc độ tương đối (incremental encoder).

 Phương án này có ưu điểm là bộ điều khiển gián tiếp có
thể hoạt động chính xác ngay cả khi tốc độ trục máy bằng 0.

 Chú ý rằng một thay đổi đột ngột của mômen sẽ dẫn đến 
thay đổi đột ngột của dòng điện isq, đồng thời dẫn đến một 
giá trị cực lớn của độ trượt ωsl.

 Do đó, cần có thêm khâu giới hạn tốc độ thay đổi của isq.

 Các tham số LM, LσR, và Rr ảnh hưởng đến độ chính xác.
Ước lượng gián tiếp với cảm biến tốc độ/vị trí (tt)
5Bài giảng 7
Ước lượng trực tiếp với cảm biến từ trường
6Bài giảng 7

 Từ thông tổng đo được:
Ước lượng trực tiếp với cảm biến từ trường (tt)
βα ψψψ mmm j+=
r

 Từ thông rôto có thể ước lượng:
( ) ssSmM iLL rrr σσψψ −−=

 Việc ước lượng vị trí từ thông có phức tạp hơn so với 
trường hợp chọn a = 1, nhưng bộ điều khiển lại được đơn 
giản hóa (nhờ Lσr = 0).

 Sử dụng cảm biến từ trường dẫn đến cấu hình máy phi 
tiêu chuẩn, và vấn đề về độ tin cậy của cảm biến.
7Bài giảng 7
Ước lượng trực tiếp với cuộn dây stato
8Bài giảng 7

 Cần tích phân các điện áp cảm ứng để có từ thông stato 
ψs. Từ đó có thể ước lượng từ thông rôto:
Ước lượng trực tiếp với cuộn dây stato (tt)
sSsM iL
rrr
σψψ −=

 Chọn a = Ls/Lm sẽ dẫn đến Lσs = 0, do đó ψM sẽ bằng ψs, 
như vậy tránh được việc phải đo dòng điện stato.

 Sử dụng cuộn dây stato dẫn đến cấu hình máy phi tiêu 
chuẩn.

 Việc cần tính tích phân điện áp dẫn đến hạn chế của 
phương pháp đối với các ứng dụng tần số thấp (đến 0).
9Bài giảng 7
Ước lượng trực tiếp với cảm biến dòng và áp

 Cần liên tục xử lý dạng sóng điện áp (từ bộ nghịch lưu 
PWM) để ước lượng từ thông.

 Điện trở stato thay đổi theo nhiệt độ làm việc gây sai số 
ước lượng, đặc biệt ở tốc độ thấp, khi điện áp ngõ ra của bộ
nghịch lưu có mức xấp xỉ điện áp rơi trên Rs.

 Phương pháp cũng không phù hợp với tần số stato = 0.
10Bài giảng 7
Ước lượng trực tiếp với cảm biến dòng và tốc độ

 Sai lệch giá trị của RR, thay đổi của LM do bão hòa, và sai 
số đo tốc độ sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác, đặc biệt ở tần 
số trượt nhỏ, ứng với độ lợi tích phân lớn.
11Bài giảng 7
Ước lượng trực tiếp với cảm biến dòng và tốc độ

 Ưu điểm chính của bộ quan sát này là tránh phải đo điện 
áp ngõ ra bộ biến đổi.

 Phương án này đặc biệt có ưu thế ở tốc độ thấp, độ trượt 
lớn (sai số đo tốc độ/điện trở rôto không ảnh hưởng lớn).

 Trong một số trường hợp, người ta kết hợp 2 bộ quan sát 
dựa vào cảm biến dòng điện (ứng với tốc độ thấp) và dựa 
vào cảm biến điện áp (ứng với tốc độ cao).

 Cần chú ý đảm bảo sự chuyển đổi trơn tru giữa hai bộ
quan sát (dòng điện/tốc độ và điện áp/dòng điện).
12Bài giảng 7
Kỹ thuật điều khiển dòng

 Điều khiển dòng thường được đặt ra với các bộ nghịch 
lưu nguồn áp (dạng phổ biến) để tạo ra hệ dòng điện cần 
thiết nhằm điều khiển máy điện.

 Bài giảng sẽ giới thiệu các kỹ thuật đối với tải 1 pha, sau 
đó sẽ đề cập các kỹ thuật tương ứng cho tải 3 pha.
13Bài giảng 7
Giới thiệu khâu trễ

 Ký hiệu và đáp ứng của khâu trễ được thể hiện dưới đây.

 Ngõ ra thay đổi giữa hai trạng thái 1 và -1 tùy theo ngõ 
vào, với độ trễ đáp ứng được xác định là ε. Khi x ≥ ε/2, y = 
1, và khi x ≤ -ε/2, y = -1.

 Khi -ε/2 ≤ x ≤ ε/2, y sẽ không thay đổi (đáp ứng trễ). 
14Bài giảng 7
Điều khiển trễ

 Sơ đồ khối của bộ điều khiển trễ (còn gọi là điều khiển 
bang-bang) cho dòng điện được thể hiện dưới đây, trong đó
mục tiêu là giữ cho dòng điện i nằm trong giới hạn i* ± ∆i/2.

 Bộ so sánh A cùng với khâu hồi tiếp với độ lợi ∆i/2 hiện 
thực khâu trễ, còn bộ so sánh B tạo tín hiệu điều khiển khóa 
công suất của bộ nghịch lưu.
15Bài giảng 7
Điều khiển trễ (tt)

 Dạng sóng điển hình khi điều khiển trễ dòng điện.
16Bài giảng 7
Điều khiển trễ (tt)

 Phương pháp điều khiển dòng đơn giản nhất.

 Vì phương pháp này chỉ quan tâm đến sai lệch dòng điện 
so với giá trị tham chiếu, nên tần số chuyển mạch sẽ thay 
đổi trong một dải nào đó (có thể dẫn đến các vấn đề về 
tương thích điện từ).

 Có thể khắc phục nhược điểm trên bằng phương pháp 
điều chế sóng mang (so sánh sai lệch dòng điện với sóng 
tham chiếu).
17Bài giảng 7
Điều khiển so sánh sóng mang

 Sai lệch giữa giá trị tham chiếu và giá trị thực của dòng 
điện được hiệu chỉnh bởi bộ điều khiển PI, sao cho khi so 
sánh với sóng mang tam giác sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển 
thích hợp cho bộ nghịch lưu.
Single phase
inverter
PI
controller
i*
i
18Bài giảng 7
Điều khiển theo mô hình

 Giả sử bản chất của tải là đã biết. Có thể thiết kế bộ điều 
khiển để từ sai lệch dòng điện, tính toán điện áp yêu cầu ở
mỗi khoảng lấy mẫu, để giảm sai lệch về 0.

 Trong sơ đồ khối dưới đây, ue là sức phản điện động 
(EMF) của tải.
19Bài giảng 7
Điều khiển theo mô hình (tt)

 Dạng sóng điển hình của bộ điều khiển số theo mô hình, 
để ý rằng ở mỗi thời điểm lấy mẫu, sai lệch dòng điện là 0.
20Bài giảng 7
Điều khiển theo mô hình rời rạc hóa

 Mô hình của tải được rời rạc hóa, dẫn đến cấu trúc bộ 
điều khiển dưới đây.

 Chú ý: các khâu vi phân trong mô hình rời rạc gây ảnh 
hưởng xấu khi bị nhiễu.
21Bài giảng 7
Điều khiển dòng của tải 3 pha

 Việc mở rộng các phương pháp điều khiển vừa đề cập 
cho tải 3 pha thường được thực hiện với sự hỗ trợ của 
vectơ không gian, nhờ đó giảm số bậc tự do xuống còn 2.

 Bộ điều khiển cũng được hiện thực trong một hệ quy 
chiếu quay đồng bộ, để đơn giản hóa các yêu cầu tính toán.

 Có hai kỹ thuật điều khiển dòng 3 pha. Thứ nhất, dò tìm 
quỹ đạo của dòng điện thực và so sánh nó với quỹ đạo 
dòng điện tham chiếu. Vectơ sai lệch dòng điện kết hợp 
điều kiện biên để chọn vectơ điện áp.

 Thứ hai, mở rộng khái niệm điều khiển theo mô hình.
22Bài giảng 7
Điều khiển trễ hệ dòng điện 3 pha

 Tải bao gồm tổng trở tản và sức điện động 3 pha. Bộ điều 
khiển so sánh các vectơ dòng điện và điều khiển trạng thái 
đóng ngắt của bộ nghịch lưu.
23Bài giảng 7
Điều khiển trễ hệ dòng điện 3 pha (tt)

 Một phương án hiện thực bộ điều khiển được thể hiện 
dưới đây. Vị trí của vectơ từ thông được xác định từ vectơ 
sức điện động ue.
24Bài giảng 7
Điều khiển trễ hệ dòng điện 3 pha (tt)

 Một “hộp” giới hạn được 
áp đặt đối với vectơ dòng 
điện thực, so với vectơ 
dòng điện tham chiếu.

 Nếu đầu mút của vectơ 
sai lệch điện áp vi phạm 
các biên được đánh số, sẽ
có các thao tác cụ thể 
được tiến hành (xem slide 
sau).
25Bài giảng 7
Điều khiển trễ hệ dòng điện 3 pha (tt)

 Biên 1: Nếu vectơ tích cực hiện dùng trễ hơn ue, chọn 
vectơ tích cực ngược chiều kim đồng hồ kế tiếp.

 Biên 2: Kiểm tra vectơ tích cực nào đang dùng và chuyển 
sang vectơ 0 gần nhất.

 Biên 3: Nếu vectơ tích cực hiện dùng sớm hơn ue, chọn 
vectơ tích cực theo chiều kim đồng hồ kế tiếp.

 Biên 4: Kiểm tra vectơ tích cực nào vừa được dùng và tái 
kích hoạt vectơ đó.
26Bài giảng 7
Điều khiển trễ hệ dòng điện 3 pha (tt)

 Ví dụ của phương pháp dùng hộp giới hạn dòng điện.
27Bài giảng 7
Điều khiển theo mô hình hệ dòng điện 3 pha

 Cấu trúc của bộ điều khiển.
28Bài giảng 7
Điều khiển theo mô hình hệ dòng điện 3 pha (tt)

 Cấu trúc của bộ điều khiển định hướng trường.
29Bài giảng 7
Điều khiển theo mô hình hệ dòng điện 3 pha (tt)

 Ví dụ đáp ứng của bộ điều khiển theo mô hình.
30Bài giảng 7
Điều khiển dòng 3 pha theo mô hình rời rạc hóa

 Cấu trúc của bộ điều khiển.