Bài viết Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ PID2 vào điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển mờ PID2, đây chính là bộ điều khiển tự chỉnh mờ PID nhưng có kết hợp thêm luật điều khiển tham số PID theo hàm e mũ.
Trang 1ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 2 41
ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
Đinh Văn Nhượng 1 , Nguyễn Văn Tiệp 1 , Trần Hoàng Vũ 2
1 Trường Đại học Sao Đỏ; Email: nhuongdv2000@gmail.com
2 Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; Email: tranhoangvu_university@yahoo.com.vn
Tóm tắt - Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng các phương pháp vào
điều khiển PMSM, tuy nhiên PMSM có tính phi tuyến phức tạp nên
việc điều khiển gặp nhiều khó khan, đặc biệt khi tham số động cơ
thay đổi Kỹ thuật điều khiển thông minh như logic mờ đã được
phát triển và ứng dụng vào cải thiện chất lượng điều chỉnh tốc độ
động cơ điện Có nhiều nghiên cứu so sánh hoạt động bộ điều
khiển fuzzy logic với bộ điều khiển PI kinh điển và đều đi đến một
kết luận là sử dụng bộ điều khiển fuzzy logic cho chất lượng cao
hơn Tuy nhiên vấn đề tham số động cơ thay đổi vẫn là bài toán
khó cho quá trình điều khiển Bài báo này đề xuất phương pháp
dùng bộ điều khiển mờ PID2, đây chính là bộ điều khiển tự chỉnh
mờ PID nhưng có kết hợp thêm luật điều khiển tham số PID theo
hàm e mũ Với tốc độ điều chỉnh tham số theo hàm e mũ vào điều
khiển tốc độ PMSM, kết quả cho thấy chất lượng điều khiển tốt, độ
tin cậy cao
Abstract - There have been many studies on the application of
PMSM control methods; however, the motor has complicated non-linear characteristics so that it is difficult to control it, especially when there are changes in parameters of the motor Intelligent control techniques such as fuzzy logic have been developed and applied to improving the quality of motors speed control There are many comparative studies between fuzzy logic and classical PI controller and all of these studies come to a conclusion that it is better to use fuzzy logic controller However, the changes in motor parameter is difficult in control process and control quality In this paper, writers propose a method of using PID2 fuzzy logic control This is the PID fuzzy self control but having PID exponential control With the application of the exponent speed of parameter control to controlling the speed of PMSM, as a result, the control quality is good and the reliability is high
Từ khóa - logic mờ; bộ điều khiển PI; bộ điều khiển PID; PMSM;
chất lượng điều khiển
Key words - fuzzy logic, PI control, PID control, PMSM, Quality
of control
1 Đặt vấn đề
Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có một vị
trí quan trọng trong công nghiệp Lớp động cơ này đạt được
hiệu quả tốt, và có phần vượt trội hơn nhiều các loại động cơ
cảm ứng khác trong công nghiệp Đã có rất nhiều đề tài
nghiên cứu ứng dụng các phương pháp vào điều khiển động
cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), tuy nhiên động cơ
đồng bộ nam châm vĩnh cửu có tính phi tuyến phức tạp nên
việc điều khiển gặp nhiều khó khăn đặc biệt khi tham số
động cơ thay đổi Kỹ thuật điều khiển thông minh như logic
mờ đã được phát triển và nghiên cứu ứng dụng vào cải thiện
chất lượng điều chỉnh tốc độ động cơ cũng như thiết bị điện
nói chung Có rất nhiều nghiên cứu so sánh giữa hoạt động
bộ điều khiển fuzzy logic với bộ điều khiển PI kinh điển và
đều đi đến một kết luận là sử dụng bộ điều khiển fuzzy logic
cho chất lượng cao hơn [1,2,3] Tuy nhiên vấn đề tham số
động cơ thay đổi vẫn là bài toán khó cho quá trình điều
khiển, khiến chất lượng điều khiển còn nhiều hạn chế [4],
bài báo đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển mờ PID2
với tốc độ điều chỉnh tham số theo hàm e mũ vào điều khiển
tốc độ PMSM Ý nghĩa của ký hiệu PID2 ở đây đó là sử dụng
bộ điều khiển tự chỉnh mờ PID nhưng có kết hợp thêm luật
điều khiển tham số PID theo hàm e mũ
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển động cơ PMSM
2 Mô hình toán học PMSM
2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển PMSM
Trên Hình 1 là sơ đồ điều khiển PMSM theo kiểu điều
khiển vector PMSM được cung cấp bởi nguồn áp V dc cùng với bộ điều khiển tốc độ, dòng điện và bộ chuyển đổi PWM
2.2 Mô hình toán học trong hệ tọa độ d-q
Khi chuyển sang hệ tọa độ dq, từ thông được tách ra
thành 2 thành phần dọc trục (I d ), thành phần ngang trục (I q)
Khi I ds là hằng số thì PMSM giống như động cơ một chiều [5] Lúc này phương trình điện áp của động cơ như sau:
d
d s d d s q q
di
dt
q
q s q q s d d f
di
V s + L i s = R +L s = + s (3)
V s − L i s + = R +L s= + s (4)
Trong đó R s là điện trở stator, L d là điện cảm dọc trục,
q
L là điện cảm ngang trục, là tốc độ góc dòng điện, s là f
s
s s
Phương trình momen:
3
Vì L d =L q nên (5) được viết lại như sau:
3
Chuyển đổi laplace phương trình (6)
Trang 242 Đinh Văn Nhượng, Nguyễn Văn Tiệp, Trần Hoàng Vũ
q
T s
p là số đôi cực của động cơ
Phương trình cân bằng momen
L
d
dt
Chuyển đổi Laplace phương trình (8)
s
=
L
T là momen tải, J là momen quán tính, B hệ số ma sát
2.3 Sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ
Từ các phương trình (1-9) có thể mô tả cấu trúc PMSM
theo sơ đồ khối được trình bày trên hình 2
3 Thiết kế bộ điều khiển mờ PID 2
Cấu trúc bộ điều khiển mờ PID2 dạng số bởi 4 tín hiệu
đầu vào xuất phát từ sai lệch e và tín hiệu đầu ra được biểu
diễn bởi các phương trình sau:
2
0
n
i
=
(10)
Trong đó: các biến trạng thái sai lệch e định nghĩa bởi:
*
2
e n e n e n
s
T- thời gian lấy mẫu
*
( )n
- tốc độ đặt
( )n
- tốc độ thực tế
( )
e n- sai lệch
( )
e n
- vi phân sai lệch
2
( )
e n
- vi phân bậc 2 của sai lệch
K p - hệ số tỉ lệ
K I - hệ số tích phân
K D - hệ số vi phân
Nếu đặt:
2
0
n
i
=
(12) Thì u n( )=u n1( )+u n2( ) với:
3.1 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển
Trên Hình 3 biểu diễn cấu trúc bộ điều khiển tốc độ
động cơ PMSM sử dụng điều khiển mờ kết hợp với bộ PID
(P+I+D+D2) và chỉnh định tham số PID theo hàm e mũ
Với các biến đầu vào bộ mờ FC1 gồm sai lệch tốc độ
e(kt) và vi phân bậc 1 e d1 (kt); biến đầu vào của bộ điều
khiển mờ FC2 gồm vi phân bậc 2 e d2 (kt) và tích phân e i (kt)
Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển sẽ là:
u kt =u kt +u kt
3.2 Xây dựng quy tắc mờ cho bộ điều khiển
Xác định tín hiệu vào ra của bộ điều khiển mờ:
- Tín hiệu vào của bộ điều khiển mờ FC1 là e(kt),
e d1 (kt); của FC2 là e d2 (kt), e i (kt) Gọi tập mờ đầu vào của
FC1 và FC2 tương ứng là {âm nhiều, zero, dương nhiều}, hay viết tắt là {NB, ZO,PB}
- Tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ FC1 là u FC1 (kt) ; của
FC2 là u FC2 (kt) Gọi tập mờ đầu ra của FC1 và FC2 đương
ứng là {âm nhiều, zero, dương nhiều}, hay viết tắt là {NB, ZO,PB}
Lựa chọn hàm liên thuộc tín hiệu vào và ra hình tam giác (trimf), sử dụng hàm suy luận logic mờ Mamdani Xác định quy tắc điều khiển mờ:
- Đối với bộ điều khiển mờ FC1 có 4 quy tắc mờ:
R1: if e(kt) is N and e d1 (kt) is N, then u FC1 (kt) is N;
R2: if e(kt) is N and e d1 (kt) is P, then u FC1 (kt) is Z;
R3: if e(kt) is P and e d1 (kt) is N, then u FC1 (kt) is Z;
R4: if e(kt) is P and e d1 (kt) is P, then u FC1 (kt) is P;
- Đối với bộ điều khiển mờ FC2 có 4 quy tắc mờ:
R5: if e I (kt) is N and e d2 (kt) is N, then u FC2 (kt) is N;
R6: if e I (kt) is N and e d2 (kt) is P, then u FC2 (kt) is Z;
R7: if e I (kt) is P and e d2 (kt) is N, then u FC2 (kt) is Z;
R8: if e I (kt) is P and e d2 (kt) is P, then u FC2 (kt) is P
4 Ưu điểm của việc kết hợp điều chỉnh các tham số theo hàm mũ e với bộ điều khiển PID mờ
- Phương pháp tận dụng được các ưu điểm của các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID đã có sẵn, phép chỉnh định thực hiện ngay trong hệ thống kín như vậy có khả năng ứng dụng cao trong thực tế
- Phương pháp này không đòi hỏi việc phải nhận dạng chính xác đối tượng điều khiển hay hệ thống
- Phương pháp này cũng dễ thực hiện và lập trình để chỉnh định tự động trên máy tính trong các hệ thống thực
5 Kết quả mô phỏng
Bài báo sử dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng với đối tượng là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có các tham số như sau:
P = 1kW, Vd = 300V, Rs = 1.4, Ls = 9.5mH,
Jmin=0.03kgm2, Jmax=0.23kgm2B = 0.4*10-3 kgm2/s Các kết quả mô phỏng được trình bày trên các hình: từ Hình 4 đến Hình 8
Từ Hình 4, Hình 5 và Hình 6 cho thấy đáp ứng tốc độ,
dòng điện (I d , I q) nhanh ổn định, độ bám theo quỹ đạo đặt tốt, lượng quá điều chỉnh khi thay đổi mô men tải nhỏ và thời
gian quá độ (t qđ < 1s) nhỏ Hình 7 và Hình 8 thể hiện đáp
ứng tốc độ khi thay đổi các tham số như mô men tải, điện trở
R s Mặc dù thay đổi các tham số khác nhau nhưng đáp ứng đầu ra vẫn nhanh ổn định và bám theo quỹ đạo đặt trước Trong giai đoạn giảm tốc (do tải thay đổi) bắt đầu từ thời gian t = 1.6, chúng ta cũng nhận thấy các kết luận tương tự
đó là đầu ra vẫn nhanh ổn định và bám theo quỹ đạo đặt
Trang 3ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 2 43
trước
Hình 2 Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển PMSM
Hình 3 Cấu trúc bộ điều khiển mờ PID 2
Hình 4 Đáp ứng tốc độ (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8,
ngắt tải; t=1.2 giảm tốc độ)
Trang 444 Đinh Văn Nhượng, Nguyễn Văn Tiệp, Trần Hoàng Vũ
Hình 5 Đáp ứng sai lệch e (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8,
ngắt tải; t=1.2 giảm tốc độ)
Hình 6 Đáp ứng dòng I d và I q (tại t=0.4, T L =4Nm; t=0.8,
ngắt tải; t=1.2 giảm tốc độ)
Hình 7 Đáp ứng tốc độ (tại t=0.4, T L =4Nm; t=0.8,
T L =6Nm; t=1.2 ngắt tải)
Hình 8 Đáp ứng tốc độ(khi thay đổi tham số
R s1 =1.4; R s2 =2.4)
6 Kết luận
Từ kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink cho thấy thuật toán bộ điều khiển tự chỉnh mờ PID2 là hoàn toàn chính xác, cho được kết quả điều khiển có chất lượng cao,
có khả năng thích nghi được với những thay đổi của tham
số của đối tượng phi tuyến là PMSM Với sự điều chỉnh
các tham số K p , K d , K I , K d2 theo hàm e mũ và đặc biệt là có thêm thành phần xác định gia tốc biến đổi tín hiệu K d2 kết hợp với luật điều khiển mờ PI, làm cho đáp ứng đầu ra luôn
ở trạng thái tăng tốc nhanh khi hệ thống còn ở trạng thái quá độ Do đó đã rút ngắn được thời gian quá độ của hệ thống Kết quả cho thấy các thông số về chất lượng điều chỉnh như sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ của quá trình đều đáp ứng tốt được yêu cầu của hệ thống điều khiển tự động Có thể nói điều khiển tự chỉnh mờ PID2
hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng cao cho đối tượng là PMSM
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S.Z.HE, S.Tan, and F.L.Xu, “Fuzzy gain scheduling of PID
controller”, IEEE Trance Syst, Man, Cybern, Vol 23, pp
1392-1398, Oct 1993
[2] M Cheng, Q Sun, and E Zhou, “New self-tuning fuzzy PI control
of anovel doubly salient permanent - magnet motor drive”, IEEE Trans Ind Electron., Vol 53, No 3, pp 814-821, Jun 2006
[3] M N Uddin, T S Radwan, M A Rahrans, “Perfornabces of fuzzy
logic based indirect vector for induction motor drive”, IEEE Trans Ind Electron., Vol 38, pp 1219 - 1225, Sept./Oct 2002
[4] Jin-Woo Jung, Han Ho Choi, and Tae-Heoung Kim, “Fuzzy PD Speed Controller for Permanent Magnet Synchronous Motors”,
Journal of Power Electronics, Vol 11, No 6, Nov 2011
[5] K Hakiki, A Meroufel, V Cocquempot, M Chenafa, “A New Adaptive Fuzzy Vector Control for Permanent Magnet Synchronous
Motor Drive”, IEEE Trans Ind Electron., Vol 58, pp 922 - 927,
Jun 2010
(BBT nhận bài: 10/03/2014, phản biện xong: 02/04/2014)
