Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
7 Điều khiển tìm kiếm (search control)

7 Điều khiển tìm kiếm (search control)

Tải bản đầy đủ - 0trang

Đối với một bộ lái phổ thơng thì ý tưởng được Kusko và Galler đề cập đầu tiên

vào năm 1983. Nhóm của Kirschen thực hiện mơ phỏng đầu tiên vào năm 1985.

Các kết quả thực nghiệm được báo cáo vào năm 1987. Họ đã thực hiện điều khiển

tìm kiếm với một sơ đồ điều khiển vectơ từ thông rotor, và đã tối thiểu cơng suất

ngõ vào bộ lái, duy trì ngõ ra động cơ không đổi bằng cách điều khiển tốc độ với giả

thiết đặc tính tải khơng đổi như trong hình 3.12. Một hệ thống tương tự cũng được

nghiên cứu bởi Chen và Yeh năm 1991.



Hình 3.12 thực thi điều khiển tìm kiếm cho bộ điều khiển theo từ thơng rotor

Ưu điểm chính của điều khiển tìm kiếm là nó khơng phụ thuộc vào các thơng số

của động cơ như các chiến thuật điều khiển khác mà vẫn tìm được hiệu suất tối ưu

thật sự. Mặc khác, nó cần thời gian hội tụ dài để đạt được hiệu suất tối ưu (khơng

dưới 4s) và có thể xuất hiện các xung nhiễu liên tục trong moment và tốc độ phụ

thuộc vào cách thức thiết kế giải thuật. Thuật tốn tìm kiếm có thể khó điều chỉnh

để đảm bảo hội tụ chính xác trong mọi trường hợp. Nếu tối thiểu cơng suất thì cần

thêm các cảm biến chính xác trừ khi dòng stator được tái tạo từ dòng khâu DC nhờ

vậy mà cơng suất ở khâu DC có thể dễ dàng thu thập được.

Nhóm Kirschen thảo về nhiễu loạn và tắt dần moment trong động cơ. Họ thấy

rằng ở gần điểm hiệu suất tối ưu các nhiễu loạn với một bước nhảy từ thông cho

trước sẽ lớn hơn và tắt dần chậm hơn, nhưng điều này có thể được bù bằng cách

tăng độ lợi của bộ điều khiển tốc độ nhờ vào việc lập trình độ lợi khá đơn giản.



37



Khơng chỉ trong điều khiển tìm kiếm mà trong tất cả các chiến lược điều khiển

tối ưu năng lượng, một vấn đề đối với các bộ lái điều khiển vectơ từ thông rotor là

đáp ứng của động cơ khi từ thông được giảm thiểu và yêu cầu moment lớn đột

ngột. Khi từ thơng thấp và dòng stator bị giới hạn ở ngưỡng dòng danh định, động

cơ khơng thể chuyển tải đầy đủ moment chỉ bằng cách tăng dòng moment xoắn.

Nếu bộ lái khơng được chuẩn bị trước, nó sẽ ứng xử bằng cách tăng dòng tạo ra

moment xoắn cho tới giá trị giới hạn, nhưng dòng trường thì khơng tăng cho nên

động cơ không thể phân phối moment xoắn theo yêu cầu. Một đề nghị là thiết lập

một giới hạn nhân tạo cho dòng moment xoắn cho tới khi giá trị trường đạt tới

danh định, sau đó tiếp tục tăng dòng moment xoắn. Điều này chỉ làm giảm đặc tính

động của hệ thống một ít so với bộ lái hoạt động với trường liên tục.

Năm 1988 Sul và Park đề nghị một loại được tìm kiếm cho động cơ máy bơm.

Giả thiết rằng đặc tính tải khơng đổi. Moment tải đối với đặc tính tốc độ được chia

thành nhiều phần. Trong suốt quá trình khởi động, động cơ hoạt động theo đường

tải từ zero đến tốc độ định mức, và trong mỗi phần của đường tải sử dụng một

thuật toán điều khiển tìm kiếm để tìm ra các tần số trượt tối ưu năng lượng và lưu

vào bộ nhớ. Khi hoạt động bình thường thì động cơ được điều khiển theo tần số

trượt sử dụng các tần số trượt tối ưu làm giá trị tham khảo. kết quả là sơ đồ điều

khiển rất đơn giản và rất nhanh khi hoạt động bình thường, tuy nhiên khi đặc tính

tải thay đổi thì các giá trị tần số tham khảo phải được dò tìm lại.

Nhóm Moreira đã cơng bố vào năm 1989 và 1991 điều khiển tìm kiếm cho một

bộ lái vơ hướng. Phát minh chính là thay vì đo tốc độ, nó sẽ được ước lượng thành

phần hài bậc 3 của điện áp stator. Thêm vào đó, đối với các hệ thống mà đặc tính

moment- tốc độ có tính cố định, họ đề nghị bỏ qua việc đo hay ước lượng tốc độ

và thay vào đó là việc ước lượng moment xoắn và sử dụng để chỉ thị công suất ngõ

ra động cơ. Trong cả hai trường hợp đã tối thiểu hóa được công suất ở khâu DC.



38



Năm 1990 Kim đã công bố phát minh cho việc tối thiểu hóa dòng stator bằng

điều khiển tìm kiếm thay vì tối thiểu hóa cơng suất ngõ vào. Nhưng ông đã chứng

minh không thể điều khiển cơng suất ngõ ra hay tốc độ, vì thế khơng thể khẳng

định được bộ lái đã mô tả sẽ làm việc được trong thực tế.

Năm 1996 Kioskeridis và Margaris đưa tài liệu dẫn chứng về ưu điểm của việc

tối thiểu hóa dòng stator thay vì cơng suất ngõ vào. Kết quả hầu như giống với hiệu

quả thực hiện, tối thiểu hóa dòng stator dễ thấy hơn nhiều so với cơng suất cho

nên ít tốn các cảm biến hơn. Bằng cách tính tốn họ nói rằng điều này đặc biệt có

ưu điểm trong các bộ lái lớn hơn, khi mà rất khó để đo được tối thiểu cơng suất

ngõ vào.

Nhiều tác giả đã thực hiện điều khiển tìm kiếm với những thay đổi nhỏ trong

thực tế. Năm 1991 Famouri và Cathey đã tối thiểu hóa cơng suất vào inverter cho

một bộ lái vô hướng bằng việc điều chỉnh tần số trượt rotor. Năm 1993 Blaabjerg

và Pedersen tối thiểu hóa cơng suất khâu DC bằng cách điều chỉnh tỉ số V/Hz như

trong hình 3.13



Hình 3.13 Ví dụ về việc thực hiện tối ưu hiệu suất tìm kiếm trong một bộ lái vơ

hướng

Năm 1995 nhóm Cleland đã đề nghị thực hiện điều khiển tìm kiếm trong một

bộ lái điều khiển vòng hở với đặc tính tải biết trước. Họ khẳng định có thể điều

chỉnh tốc độ mà không cần biết các thông số động cơ, bằng việc tăng tần số stator



39



mỗi khi giảm điện áp stator. Tuy nhiên, họ chưa bao giờ chứng minh điều này trong

thực tế, nên rất đáng nghi là nó có thể làm việc được.

3.7.2 Điều khiển tìm kiếm dùng Logic mờ và mạng thần kinh nhân tạo

Các nghiên cứu gần đây nhất về điều khiển tìm kiếm đã sử dụng logic mờ làm

thuật tốn tối ưu hóa. Các thuật tốn điều khiển mờ có ưu điểm so với các phương

pháp điều khiển kinh điển khi không biết rõ hệ thống hoặc nó q phức tạp để mơ

hình hóa. Vì thế nó ứng dụng tốt cho điều khiển tìm kiếm tối ưu năng lượng nơi

mà thuật toán được áp dụng khơng biết mơ hình hệ thống động cơ. Ưu điểm chính

của việc sử dụng điều khiển mờ thay cho các thuật tốn điều khiển tìm kiếm kinh

điển là nó làm cho thuật tốn hội tụ nhanh hơn và có thể chấp nhận các tín hiệu

khơng chính xác do nhiễu gây ra. Mức độ tin cậy của phát biểu sau đáng nghi ngờ.

Điều khiển mờ được giới thiệu lần đầu tiên với điều khiển tối ưu năng lượng

nhóm Sousa năm 1993 và năm 1995, trong đó họ tối thiểu cơng suất khâu DC của

một bộ lái điều khiển vectơ từ thơng rotor như trong hình 3.14. Họ cũng giới thiệu

một đường thuận trục q để lấp vào nhấp nhô moment xoắn khi dòng trường nhảy

bậc. Hai bài báo trên đã công bố thời gian hội tụ là 4s. Điều khiển tìm kiếm mờ

cũng được mơ tả bởi nhóm Cleland năm 1995, Wang và Liaw năm 1997, và Bose.



40



Hình 3.14 Điều khiển mờ tối ưu năng lượng được thực hiện với điều khiển

động cơ hướng từ trường

Năm 1997 nhóm của Bose đã giới thiệu điều khiển tìm kiếm logic mờ được hiện

thực trong một bộ lái động cơ điều khiển theo từ thông stator không dùng cảm

biến, và họ báo cáo thời gian hội tụ là 10s. Năm 1997 Bose và Patel cũng mơ tả như

vậy. Đó là lần đầu tiên điều khiển tìm kiếm được thực nghiệm trong một bộ lái

khơng có cảm biến. Họ cũng đề nghị giảm từ thơng theo hàm tam giá thay vì hàm

nấc để giảm nhấp nhơ moment xoắn. Hơn nữa, họ còn sử dụng sơ đồ điều khiển

logic mờ để huấn luyện một mạng thần kinh sử dụng cho công việc thực hiện sau

cùng.

Năm 1996 nhóm của Choy và năm 1997 nhóm của Hasan cũng sử dụng một

mạng thần kinh để thực thi điều khiển tìm kiếm. Cả hai nhóm thiết lập một mơ

hình của bộ lái động cơ và sử dụng các thuật tốn điều khiển tìm kiếm kinh điển để



41



huấn luyện mạng thần kinh ở các điểm làm việc khác nhau. Sau đó thì điều khiển

tìm kiếm sẽ được mạng thần kinh thực hiện độc lập. Phương pháp này trơng có vẻ

khá vụng về, bởi vì nếu trước tiên họ phải thiết lập một mơ hình để huấn luyện

mạng thì họ đã đánh mất đi ưu điểm của điều khiển tìm kiếm đó là nó có thể làm

việc mà khơng cần biết mơ hình của động cơ. Dĩ nhiên, họ có thể chọn cách huấn

luyện mạng theo thực nghiệm.

Năm 1997 nhóm Moreno-Eguilaz đã tiến hành so sánh các thuật tốn điều khiển

tìm kiếm khác nhau. Họ kết luận là điều khiển mờ là tốt nhất và cho độ hội tụ

nhanh nhất.

3.8 Kết luận

Phần trên đã trình bày tổng quan về tổn hao trong điều khiển động cơ thay đổi

được tốc độ và cũng đã giải thích vắn tắt cách giảm thiểu tổn hao của động cơ

bằng việc cải tiến cấu tạo và bảo dưỡng bộ converter, động cơ và đường truyền.

Phân tích về điều khiển tối ưu năng lượng cho động cơ điện đã xem xét bộ lái tần

số cố định – điện áp thay đổi (VVFF) cũng như bộ lái tần số thay đổi – điện áp thay

đổi (VVVF) trên cơ sở của PWM-VSI.

Như đã phân tích, bộ lái VVFF chỉ có thể tiết kiệm năng lượng ở tải rất thấp, và

nói chung nó khơng thích hợp cho việc tối ưu năng lượng ở các động cơ điện vài

ngựa trở lên. Và vì khơng thể thay đổi tốc độ trong khoảng rộng, nó cũng khơng

được dùng trong các ứng dụng HVAC. Các chiến lược điều khiển cho bộ lái VVVF

được chia thành 3 nhóm như trong bảng 3.3



Bảng 3.3 Ước lượng của các phương pháp điều khiển tối ưu năng lượng cho bộ lái

động cơ không đồng bộ



Phương pháp điều

khiển



Trạng thái đơn



42



Dựa vào mơ hình



Tìm kiếm



Động cơ xác định thơng











Khơng











Khơng



Khả năng chính xác



Trung bình



Trung bình



Cao



Khả năng hội tụ



Nhanh



Nhanh



Chậm (4-10s)



Độ phức tạp



Đơn giản



số

Cảm biến được thơng

số



Đo hoặc xác định tốc độ



Trung bình/phức

tạp



Tần số trượt: có

Cos(  ): khơng



Trung bình

Có (khơng cần nếu



Thỉnh thoảng



biết được moment

tải)



Nhược điểm lớn nhất của điều khiển trạng thái đơn giản và điều khiển theo mơ

hình là nó cần phải biết được các thông số của động cơ. Nhưng có ưu điểm là

nhanh, và điều khiển trạng thái đơn giản có thể thực hiện rất rẻ, đặc biệt là điều

khiển hệ số cơng suất khơng u cầu tín hiệu cảm biến tốc độ. Nhược điểm chính

của điều khiển tìm kiếm là u cầu phải có tín hiệu cảm biến tốc độ và thời gian hội

tụ lâu nhưng có ưu điểm là khơng đòi hỏi thơng số của động cơ.



43



Chương 4



PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ TRƯỜNG

( FIELD ORIENTED CONTROL - FOC ) VÀ HƯỚNG NGHIÊN

CỨU

4.1 Phương pháp điều khiển định hướng trường

Tổng quát, một động cơ điện tương tự như một nguồn moment điều khiển

được. Yêu cầu điều khiển chính xã giá trị moment tức thời của động cơ được đặt ra

trong hệ truyền động có đặc tính động cao và sử dụng phương pháp điều khiển vị

trí trục rotor.

Moment sinh ra trong động cơ là kết quả tương tác giữa dòng trong cuộn ứng

và từ thơng sinh ra trong hệ thống kích từ của động cơ. Từ thông phải được giữ tối

ưu nhằm đảm bảo moment sinh ra tối đa và giảm tối thiểu độ bão hòa của mạch

từ. Với từ thơng có giá trị khơng đổi, moment sẽ tỉ lệ thuận với dòng ứng. Trong

động cơ khơng đồng bộ, dòng ứng là dòng rotor và từ thơng được sinh ra bởi dòng

stator. Tuy nhiên, dòng rotor khơng được trực tiếp điều khiển bởi nguồn ngồi mà

là hệ quả do sức điện động cảm ứng sinh ra do kết quả chuyển động của rotor so

với từ trường stator. Do đó, dòng stator là nguồn của từ thơng và dòng ứng.

Trong động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc, chỉ có dòng stator được điều

khiển trực tiếp, do đó việc điều khiển moment tối ưu khó thực hiện vì khơng thể

bố trí cố định về mặt vật lý giữa từ thông stator và rotor được và phương trình

moment là phi tuyến.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã đưa ra nguyên lý định hướng

theo trường (FOC). Nguyên lý này xác định điều kiện để điều khiển độc lập từ

thơng và moment, nó dựa trên phương pháp phân tách phi tuyến được sử dụng

trong điều khiển các hệ thống phi tuyến. Bản chất của phương pháp này là điều



44



khiển các biến đã chọn sao cho chúng ln bằng 0. Điều này làm cho mơ hình tốn

trở nên đơn giản hơn rất nhiều vì có thể loại bỏ một số nhánh trong mơ hình tổng

qt.

Phương pháp điều khiển định hướng theo trường bao gồm:

- Điều khiển định hướng theo vector từ thông stator (trực tiếp, gián tiếp)

- Điều khiển định hướng theo vector từ thông rotor (trực tiếp, gián tiếp)

- Điều khiển định hướng theo vector từ thơng khe hở khơng khí (trực tiếp,

gián tiếp)

Hệ thống định hướng trường (từ thông) tổng quát được cho như trong hình







bên dưới, tạo ra các tín hiệu điện áp đặt ở ngõ ra U a , U b , U c dựa trên tín hiệu đặt



ở ngõ vào là từ thông rotor r và mômen M  (tốc độ   ). Bộ nghịch lưu có nhiệm



vụ cung cấp điện áp theo điện áp đặt.



Hình 4.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hướng từ trường

Ta chỉ đề cập đến phương pháp điều khiển “định hướng từ thơng rotor”

do nó có thể điều khiển độc lập từ thơng và moment. Còn phương pháp điều khiển

định



45



hướng từ thơng stator và từ thơng khe hở khơng khí khơng thể điều khiển độc lập

hai thành phần này.

Trong phương pháp điều khiển định hướng từ thơng rotor, mơ hình động cơ

không đồng bộ được biểu diễn trên hệ trục d-q bởi nó những ưu điểm sau:

rf

- Trong hệ từ thơng rotor (d-q), các vector dòng stator is và vector từ thông

r



rotor  rf , cùng với hệ trục (d-q) quay gần đồng bộ với nhau với tốc độ s quanh

r



điểm gốc, do đó các phần tử của vector is f ( isd, isq) là các đại lượng một chiều.

- Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như khơng đổi; trong q trình q

độ, các giá trị này có thể biến thiên theo một thuật tốn đã được định trước.

Từ phương trình cơ bản của động cơ khơng đồng bộ :



Với



r r dr rr

�r r r

ur  0  Rr ir 



dt



rf

rf

rf



 r  Lm is  Lr ir





(4.1)



r r



ir r  ir f .e jr .e  j



�r r r f jr  j

 r   r .e .e





(4.2)



r (chỉ số trên): hệ quy chiếu trục rotor

s (chỉ số phía trên) : hệ trục α-β

f (chỉ số phía trên) : hệ trục d-q



 r : góc lệch giữa hệ trục α-β và d-q

 : góc lệch giữa trục rotor và trục α



46







d

dt



r 



d r

�s

dt



s    sl



(4.3)



Với r : tốc độ góc của từ thơng rotor so với stator (rad/s)



s : tốc độ góc của từ thông stator so với stator (rad/s)

sl : tốc độ trượt (rad/s)

Kết hợp các phương trình (4.1) (4.2) (4.3) ta được:

r

�r f

d rf Lm r f �1



is  �  jsl �

r

dt

Tr

�Tr





Hay



1

�d rd Lm

� dt  T isd  T  rd  sl rq



r

r



�d rq  Lm i  1    

sq

rq

sl rd



Tr

Tr

� dt



Trong hệ trục d-q,  rq  0 .Suy ra, phương trình từ thơng được viết lại như sau:

d r d rd Lm

1





isd   rd

dt

dt

Tr

Tr

� r 



Lm

isd ( s: toán tử laplace)

1  Tr s



(4.4)



Mơmen của động cơ được tính như sau:

Te 



3 rf rf

p( s �is )

2



Phương trình từ thơng stator và rotor trong hệ d-q:

r

r

r



 sf  Ls is f  Lm ir f



r

r

�r f

 r  Lm is f  Lr ir f





r f Ls Lr  L2m r f Lm r f

� s 

is   r

Lr

Lr



Thay phương trình trên vào phương trình tính moment ta được:

Te 



3 Lm

3 L

p

( rd isq  rq isd )  p m  rd isq

2 Lr

2 Lr



47



( rq  0) (4.5)



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

7 Điều khiển tìm kiếm (search control)

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×