Ứng dụng thuật giải bầy đàn (PSO) để xác định thông số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

TÓM TẮT Đề tài trình bày về phương pháp điều khiển định hướng từ thông Field Orientated Control - FOC cho động cơ không đồng bộ ba pha và giải thuật bầy đàn Particle swarm optimazation-

TÓM TẮT

Đề tài trình bày về phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field Orientated Control - FOC) cho động cơ không đồng bộ ba pha và giải thuật bầy đàn (Particle swarm optimazation- PSO) Trình bày chi tiết về phương pháp điều chỉnh thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp cổ điển Ziegler Nichols và giải thuật bầy đàn Xây dựng mô hình và kiểm tra tính đúng đắng của mô hình Trong đề tài này sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab simulink để mô hình hóa và mô phỏng cho điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp Ziegler Nichols và giải thuật bầy đàn Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này hoạt động tốt

Từ Khóa: Động cơ ba pha, Điều chỉnh tham số, Giải thuật bầy đàn, Ziegler Nichols

Bộ điều khiển PID- PSO, Điều khiển định hướng từ thông

ABSTRACT

This thesis presents field oriented control (FOC) of induction motor and Particle swarm optimazation algorithm It presents in details about tuning of PID controller using Ziegler –Nichols (ZN) and Particle swarm optimazation (PSO) methods Constructing control model and checking the correctness of model are also included in this topic This thesis uses the programe language MATLAB SIMULINK for tuning of PID controller of induction motor using Ziegler –Nichols (ZN) and Particle swarm optimazation (PSO) The simmulation results show that the proposed method has good performance

Keywords: Induction Motor, Control Tuning Parameters, Particle Swarm

Optimization, Ziegler Nichols, PID-PSO Controller, Field Orientated Control

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân - i

Lời cam đoan - iii

Lời cảm ơn - iv

Tóm tắt - v

Mục lục - vi

Danh sách các chữ viết tắt - x

Danh sách các hình - xi

Danh sách các bảng - xiv

Ch ơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước - -1

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu - 4

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu - 4

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu - 4

1.3 Đối tượng nghiên cứu - 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu - 4

1.5 Kế hoạch thực hiện - 4

1.6 Kết cấu luận văn - 5

Ch ơng 2: C SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ điều khiển PID - 7

2.1.1 Định nghĩa - 7

2.1.2 Đáp ứng ngõ ra - 8

2.2 Hiệu chỉnh bộ PID bằng phương pháp Ziegler-Nichols - 8

2.2.1 Phương pháp Ziegler Nichol thứ nhất - 9

2.2.2 Phương pháp Ziegler Nichol thứ hai - 10

2.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha - 11

2.3.1 Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp ( V/f) - 11

2.3.1.1 Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi - 12

2.3.1.2 Trường hợp tốc độ động cơ thấp - 13

2.3.1.3 Trường hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức - 13

2.3.1.4 Đặc tính cơ - 13

2.3.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông FOC - Field Orientated

Control - 15

2.3.2.1 Các phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor - 15

2.3.2.2 Vector không gian - 16

2.3.2.3 Chuyển từ a b c, ,    ,  - 17

2.3.2.4 Chuyển từ  ,   d q,  - 17

2.3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC – Direct Torque Control - 18

Ch ơng 3: MÔ HÌNH Đ NG C KHÔNG Đ NG B BA PHA 3.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha - 20

3.1.1 Giới thiệu - 20

3.1.2 Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ - 20

3.1.3 Các quan hệ công suất trong động cơ không đồng bộ - 21

3.2 Vector không gian và các đại lượng ba pha - 22

3.2.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại lượng ba pha - 22

3.2.2 Hệ tọa độ cố định stator (  ) - 24

3.2.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d – q) - 26

3.3 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha - 28

3.3.1 Thông số của động cơ không đồng bộ - 28

3.3.2 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha - 28

3.3.3 Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ(  ) - 30

3.3.4 Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ (d – q) - 31

3.4 Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ bằng Matlab – Simulink - 33

3.4.1 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ , - 33

3.4.2 Mô hình động cơ trong hệ tọa độ dq - 35

Ch ơng 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH H NG TỪ THÔNG ậ FOC 4.1 Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC - 38

4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển - 40

4.3 Giới thiệu cấu trúc hiện đại của FOC - 42

4.4 Phân tích các khối trong FOC - 43

4.4.1 Khối mô hình động cơ - 43

4.4.2 Khối chuyển tọa độ voltage (d-q) sang  - 46

4.4.3 Khối chuyển tọa độ current(ABC) sang dq - 48

4.4.4 Khối MHTT (mô hình từ thông) - 50

Ch ơng 5: GIẢI THU T T I U HÓA B Y ĐÀN 5.1 Lịch sử phát triển - 52

5.2 Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn - 55

5.3 Mô tả thuật toán - 55

5.4 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO - 58

5.4.1 Mã hóa cá thể - 58

5.4.1.1 Mã hóa nhị phân - 58

5.4.1.2 Mã hóa hoán vị - 59

5.4.1.3 Mã hóa theo giá trị - 60

5.4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu - 60

5.4.3 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) - 61

5.4.4 Hàm vận tốc v - 61

5.4.5 Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể - 63

5.5 Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO - 64

5.5.1 Đặc điểm - 64

5.5.2 ng dụng - 65

5.6 Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng thuật giải bầy đàn - 65

Ch ơng 6: KẾT Q A MÔ PHỎNG

6.1 Thông số của động cơ - 68

6.2 Sơ đồ tổng quan các khối mô phỏng trên Matlab - 68

6.3 Kết quả mô phỏng - 69

6.3.1 Theo phương pháp cổ điển ZN - 69

6.3.1.1 Động cơ khởi động không tải - 69

6.3.1.2 Động cơ khởi động không tải, có thay đổi tốc độ - 70

6.3.1.3 Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải - 71

6.3.1.4 Động cơ khởi động không tải, sau đó đổi chiều quay - 72

6.3.2 Theo thuật toán bầy đàn - 73

6.3.2.1 Động cơ khởi động không tải - 73

6.3.2.2 Động cơ khởi động không tải, có thay đổi tốc độ - 74

6.3.2.3 Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải - 75

6.3.2.4 Động cơ khởi động không tải, sau đó đổi chiều quay - 76

6.4 So sánh giữa hai phương pháp - 77

6.4.1 Tham số bộ PID và đáp ứng của tốc độ động cơ - 77

6.4.2 Hình ảnh mô phỏng - 77

6.4.2.1 Động cơ khởi động không tải - 77

6.4.2.2 Động cơ khởi động không tải, sau đó đổi chiều quay - 79

6.4.2.3 Động cơ khởi động không tải, sau đó đóng tải - 80

Ch ơng 7: KẾT LU N VÀ H NG PHÁT TRIỂN C A ĐỀ TÀI 7.1 Kết luận - 81

7.2 Hạn chế - 81

7.3 Hướng phát triển của đề tài - 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC

ACO Ant Colony Optimization

ANN Artificial Neural Network

DTC Direct Torque Control

FOC Field Orientated Control

GA Genetic Algorithms

IAE Integral absolute-error criterion

ISE Integral square-error criterion

ITSE Integral-of-time multiplied square-error criterion

ITAE Integral-of-time-multiplied absolute-error criterion

MIMO Multiple-Input-Multiple-Output

MISO Multiple-Input-Single-Output

P Proportional controller

PI Proportional-integral controller

PID Proportional-integral-derivative controller

PSO Particle Swarm Optimization

SI Swarm Intelligence

SIMO Single-Input-Multiple-Output

SISO Single-Input-Single-Output

ZN Ziegler- Nichols

Hình Trang

Hình 2.1: Khâu điều khiển vịng kín - 7

Hình 2.2: Cấu trúc PID - 8

Hình 2.3: Sơ đồ khối của một hệ hở - 9

Hình 2.4: Đáp ứng của hệ hở - 9

Hình 2.5: Sơ đồ khối của một hệ kín cĩ bộ PID - 9

Hình 2.6: Sơ đồ khối của hệ kín cĩ bộ tỉ lệ P - 10

Hình 2.7: Đáp ứng của hệ kín - 10

Hình 2.8: Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số - 13

Hình 2.9: Sơ đồ khối phương pháp V/f vịng hở - 14

Hình 2.10: Sơ đồ khối phương pháp V/f vịng kín - 15

Hình 2.11: Biểu diễn vector istrong khơng gian với các thành phần a, b, c - 16 Hình 2.12: Dịng điện stator istrong hệ a b c, ,  và  ,  - 17

Hình 2.13:Vector khơng gian của dịng stator trong hệ trục  ,  và d q, -17 Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment DTC – Direct Torque Control - 18

Hình 3.1: Sơ đồ tương đương một pha động cơ khơng đồng bộ - 21

Hình 3.2: Vị trí không gian các pha - 22

Hình 3.3: Xây dựng vector không gian từ các đại lượng pha - 24

Hình 3.4: Hệ tọa độ stator (α - β) - 25

Hình 3.5: Mối liên hệ giữa tọa độ (α – β) và tọa độ (d-q) - 26

Hình 3.6: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q) - 27

Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ - 29

Hình 3.8: Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độ (  ) - 33

Hình 3.11: Sơ đồ động cơ trong hệ tọa độ d q - 36

Hình 4.1: Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC - 39

Hình 4.2: Vector dòng điện, điện áp và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d – q) - 41

Hình 4.3: Cấu trúc hiện đại của FOC được xây dựng bằng Matlab - 42

Hình 4.4: Sơ đồ khối mô hình động cơ - 44

Hình 4.5: Sơ đồ khối voltage chuyển tọa độ từ dq sang  và cài đặc thông số của khối - 47

Hình 4.6: Sơ đồ khối current chuyển tọa độ từ (ABC) sang (d – q) và cài đặt thông số của khối - 49

Hình 4.7: Sơ đồ khối mô hình từ thông - 50

Hình 5.1: Mô tả kiến tìm đường - 53

Hình 5.2: Lưu đồ giải thuật của thuật toán PSO - 57

Hình 5.3: Cá thể biểu diễn một biểu thức toán học - 60

Hình 5.4: Chuyển động của cá thể - 62

Hình 5.5: Bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn - 66

Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật của hệ thống điều khiển PSO-PID - 67

Hình 6.1: Sơ đồ tổng quan các khối - 68

Hình 6.2: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha của động cơ - 69

Hình 6.3: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha của động cơ - 70

Hình 6.4: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha của động cơ - 71

Hình 6.5: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha của động cơ - 72

Hình 6.6: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha

B ng 2.1: Bảng tính các thông số PID theo Z–N1 - 10

B ng 2.2: Bảng tính các thông số PID theo Z–N2 - 11

B ng 6.1: Tham số PID và đáp ứng ngõ ra của tốc độ động cơ - 77

Ch ng 1

T NG QUAN

1.1 T ng quan lĩnh vực nghiên c u, các k t qu nghiên c u trong vƠ ngoƠi n c

Trong thực t và đời sống, để truyền đ ng cho những cơ cấu sản xuất ng ời ta

th ờng sử dụng các đ ng cơ điện làm cơ cấu chấp hành Tr c đây, các hệ thống điều khiển và truyền đ ng điện có yêu cầu cao về chất l ợng điều chỉnh tốc đ

th ờng dùng đ ng cơ điện m t chiều, loại đ ng cơ này có nhiều nh ợc điểm so v i

đ ng cơ điện xoay chiều, nên khi công nghệ điện tử công suất phát triển, đ ng cơ điện xoay chiều đ ợc sử dụng r ng rải hơn Hiện nay, v i khả năng thi t k các b điều khiển hiện đại, nhờ cải ti n, ng dụng không ngừng các b bi n đổi bán dẫn công suất l n, đ ng cơ xoay chiều đư trở thành m t đối t ợng điều khiển có nhiều

u th và vì vậy, rất nhiều các hệ điều khiển đư sử dụng đ ng cơ xoay chiều không đồng b , đồng b nh m t đối t ợng điều khiển có nhiều u điểm v ợt tr i

Cũng nh các hệ thống điều khiển khác, chất l ợng các hệ điều khiển truyền

đ ng điện phụ thu c rất nhiều vào các b điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra đ ợc khả năng thay đổi tốc đ v i phạm vi điều chỉnh r ng, đ chính xác c a đại l ợng điều chỉnh ở ch đ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc v i sai số nhỏ, hệ làm việc

v i bất c quá trình quá đ nào cũng đạt đ ợc đ ổn định cao và hệ có khả năng đáp

ng nhanh v i yêu cầu điều chỉnh Tất cả những điều này thực sự đư đặt ra những yêu cầu càng ngày càng khắc khe hơn cho các hệ thống điều khiển tự đ ng

Để giải quy t những vấn đề trên ng ời ta đư nghiên c u và áp dụng nhiều lý thuy t điều khiển, mỗi m t ph ơng pháp điều có những mặt mạnh, mặt y u nh ng nhìn chung ở mỗi hệ thống khi đư lựa chọn ph ơng án điều khiển nào thì ng ời thi t

k đều đạt đ ợc những k t quả nhất định cho mục đích c a mình Hiện nay, để điều khiển các hệ truyền đ ng điện ng ời ta đư áp dụng m t số các lý thuy t tiêu biểu

nh : Ph ơng pháp điều chỉnh thích nghi, điều khiển tr ợt, mạng nơron nhân tạo, hệ

mờ (Fuzzy)…và m t số hệ điều khiển lai

Đối v i đ ng cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng b đ ợc sử dụng nhiều trong công nghiệp và đời sống Điều khiển tốc đ đ ng cơ xoay chiều còn nhiều vấn

đề cần giải quy t bởi nó phụ thu c vào nhiều thành phần phi tuy n có tham số bất định nh điện trở c a rôtor (phụ thu c vào nhiệt đ ), từ thông, hệ số ma sát và tải thay đổi Điều khiển đ ng cơ xoay chiều đư là ch đề c a rất nhiều nghiên c u vài chục năm gần đây.[4] Trong các nghiên c u đó đ ợc chia làm 2 h ng:

H ng 1: Sử dụng các b cảm bi n để đo các tham số c a đ ng cơ xoay chiều

và dựa vào đó đ a ra các tín hiệu điều khiển phù hợp Khi sử dụng cảm bi n s làm tăng giá thành c a đ ng cơ và ph c tạp trong k t nối điều khiển, nh ng h ng này cho đ chính xác cao mà thuật toán điều khiển lại đơn giản

H ng 2: Không sử dụng các b cảm bi n mà ta dùng mô hình toán học để c

l ợng tốc đ đ ng cơ thay cảm bi n tốc đ Trong h ng này, các nghiên c u tập trung vào m t số ph ơng pháp nh : sử dụng các b lọc Kalman, lọc phi tuy n hay

b quan sát theo ch đ tr ợt [10], [15] để c l ợng tốc đ đ ng cơ H ng này giúp giảm giá thành sản phẩm, nh ng hiệu quả điều khiển phụ thu c vào nhiều thuật toán c l ợng và đ chính xác c a mô hình đ ng cơ

Tuy nhiên do hệ đ ng lực c a đ ng cơ xoay chiều có nhiều tham số bất định nên việc điều khiển đ ng cơ theo các ph ơng pháp cổ truyền có cảm bi n hay không có cảm bi n đều không đảm bảo chất l ợng khi có tải thay đổi l n Trong

tr ờng hợp này các ph ơng pháp điều khiển thích nghi [10], các ph ơng pháp nhận dạng và ph ơng pháp điều chỉnh thông số b điều khiển PID trong điều khiển tốc

đ đ ng cơ v i sự hổ trợ c a mạng nơron, giải thuật di truyền (GA), giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) [6], [11] th ờng đ ợc sử dụng

Căn c vào các đánh giá nêu trên cùng v i yêu cầu nghiên c u ng dụng

ph ơng pháp điều khiển hiện đại để xác định thông số b điều khiển PID trong điều

khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b 3 pha, tác giả c a đề tài đư chọn thuật giải B y ĐƠn (PSO:Particle swarm optimization ) để thực hiện

Cho đ n nay các công trình nghiên c u về điều khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b ba pha thì rất nhiều v i các ph ơng pháp điều khiển khác nhau nh Nơron

Fuzzy, PSO hoặc PID-Fuzzy, PID-GA, PID-PSO… Nh ng hầu h t các công trình nghiên c u đều chỉ dừng ở k t quả mô phỏng trên lý thuy t, ch a đ ợc kiểm ch ng bằng thực nghiệm

Tiêu biểu đó là công trình nghiên c u c a nhóm tác giả Phạm Th ợng Cát, Lê Minh Hùng, Phạm minh Tuấn Viện công nghệ thông tin, thu c Tr ờng Đại Học

Thái Nguyên “Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Sử Dụng

Mạng Nơron Nhân Tạo” K t quả mô phỏng cho thấy tốc đ c a đ ng cơ khi sử

dụng mạng nơron bám sát tốc đ đặt Tại thời điểm tải thay đổi đ t bi n tốc đ có quá trình quá đ nhất định nh ng chỉ sau m t khoảng thời gian ngắn mạng nơron tự học và tác đ ng đ a tốc đ đ ng cơ về v i tốc đ yêu cầu, sai số trung bình 10-3

.[4] Công trình nghiên c u c a Phạm Văn Lực, Tr ờng Đại Học S Phạm Kỹ

Thuật TPHCM “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương

pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha” K t

quả mô phỏng cho thấy ph ơng pháp PID- mờ tốt hơn so v i ph ơng pháp PID thông th ờng nh dòng điện khởi đ ng nhỏ, tốc đ đ ng cơ bám sát tốc đ đặt v i sai số nhỏ [5]

Công trình nghiên c u c a nhóm tác giả Radha Thangaraj; Thanga Raj Chelliah; Millie Pant; Ajith Abraham and Crina Grosan, Indian Institute of Technology Roorkee; Scientific Network for Innovation and Research Excellence Washington, USA and Department of Computer Science, Babes-Bolyai University Cluj-Napoca, Romania “Optimal gain tuning of PI speed controller in induction

đư sử dụng bốn ph ơng pháp để điều chỉnh b PID trong điều khiển tốc đ c a

đ ng cơ không đồng b ba pha rotor lồng sóc đó là: PID cổ điển, PID- PSO, PID

mờ và PID mờ lai K t quả mô phỏng cho thấy, ph ơng pháp PID mờ lai thì thời gian đáp ng tốc đ nhanh, đ vọt lố và đ sụt dốc c a đ ng cơ khi thay đổi tải tốt hơn so v i các ph ơng pháp trên Bên cạnh đó k t quả mô phỏng cũng cho thấy v i

ph ơng pháp tối u b PID bằng thuật giải bầy đàn (PSO) thì đ vọt lố và đ sụt dốc c a đ ng cơ khi thay đổi tải đều nhỏ hơn so v i ph ơng pháp PID cổ điển [12]

1.2 Mục tiêu vƠ ph m vi nghiên c u

1.2.1 Mục tiêu nghiên c u

ng dụng giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) cho việc xác định thông số b PID trong điều khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b 3 pha

1.2.2 Phạm vi nghiên c u

Đề tài tập trung nghiên c u giải thuật bầy đàn (PSO) cho việc xác định thông

số b điều khiển PID trong điều khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b 3 pha

1.3 Đ i t ng nghiên c u

 B điều khiển PID

 Đ ng cơ không đồng b ba pha

 Ph ơng pháp điều khiển tốc đ đ ng cơ định h ng theo từ thông rotor

 B PID trong khâu điều chỉnh tốc đ đ ng cơ không đồng b

 Giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization)

1.4 Ph ng pháp nghiên c u

Trong đề tài này học viên đư sử dụng các ph ơng pháp nghiên c u:

Ph ơng pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin và tài liệu từ sách, tạp chí, báo điện tử và truy cập mạng internet

Ph ơng pháp quan sát: khảo sát m t số mô hình, mô phỏng thực t đang có từ các đồ án tr c và các bài báo trên mạng internet, từ đó mô phỏng lại bằng phần mềm Matlab/Simulink để so sánh v i k t quả đư có nhằm rút ra những kinh nghiệm trong việc mô phỏng

Ph ơng pháp thực nghiệm: từ những ý t ởng và ki n th c vốn có k t hợp v i

sự h ng dẫn c a giáo viên, ng ời nghiên c u đư mô phỏng m t số bài tập và các

ph ơng pháp điều khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b 3 pha để từ đó chọn lọc

ph ơng pháp điều khiển tối u

1.5 K ho ch thực hi n

 Giai đoạn 1 (9/2010-10/2010): Tìm tài liệu tham khảo

 Giai đoạn 2 (10/2010 – 12/2010): Tìm hiểu và nghiên c u

 B điều khiển PID

 Mô hình đ ng cơ không đồng b ba pha

 Các ph ơng pháp điều khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b

 Giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization)

 Giai đoạn 3 (1/2011 – 6/2011): ng dụng

 Ph ơng pháp ZN và giải thuật PSO vào điều chỉnh thông số b PID

trong điều khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b ba pha

 Chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink

 Giai đoạn 4 (7/2011): Vi t báo cáo

 Ch ơng này trình bày những n i dung sau :

 B điều khiển PID

 Hiệu chỉnh b PID bằng ph ơng pháp Ziegler- Nichols

 Các ph ơng pháp điều khiển tốc đ đ ng cơ không đồng b ba pha

Ch ng 3: Mô hình đ ng cơ không đồng b ba pha

 Ch ơng này tìm hiểu các vấn đề :

 Mô hình đ ng cơ không đồng b ba pha

 Xây dựng các khối mô phỏng đ ng cơ không đồng b ba pha bằng Matlab/Simulink

Ch ng 4: Điều khiển định h ng từ thông FOC- Field Orientated Control

 Ch ơng này gồm những n i dung sau:

 Cấu trúc FOC cơ bản

 Xây dựng thuật toán điều khiển

 Cấu trúc FOC hiện đại

Ch ng 5: Thuật toán tối u hóa bầy đàn

 Ch ơng này tìm hiểu các vấn đề:

 Lịch sử hình thành

 Các khái niệm cơ bản c a giải thuật bầy đàn

 Mô tả thuật toán

 Đặc điểm và ng dụng c a giải thuật bầy đàn

 Hiệu chỉnh PID bằng giải thuật bầy đàn

Ch ng 6: K t quả mô phỏng

Ch ng 7: K t luận và h ng phát triển c a đề tài

Hình 2.1: Khâu điều khiển vòng kín

Điều khiển PID là m t kiểu điều khiển có hồi ti p, ngõ ra thay đổi t ơng ng

v i sự thay đổi c a giá trị đo Ng ời ta có thể chỉ áp dụng điều khiển P, PI, hay PID [7]

Công th c toán c a b điều khiển PID trên miền Laplace:

)

1 1 ( )

s T K

s K s

K K s

i p d

 Ti=Kp/Ki: thời gian khâu vi phân

 Td : thời gian khâu tích phân

Điều chỉnh tỉ lệ (P): là ph ơng pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ

v i sai lệch đầu vào

Điều chỉnh tích phân (I): là ph ơng pháp điều chỉnh tỉ lệ để lại m t đ lệch (offset) sau điều chỉnh rất l n Để khắc phục ta sử dụng k t hợp điều chỉnh tỉ lệ v i

điều chỉnh tích phân Điều chỉnh tích phân là ph ơng pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho đ lệch giảm t i 0 Thời gian càng nhỏ thể hiện tác đ ng điều chỉnh tích phân càng mạnh, ng v i đ lệch càng bé

Điều chỉnh vi phân (D): khi hằng số thời gian c a hệ thống rất l n điều chỉnh theo P hoặc PI có đáp ng quá chậm thì ta sử dụng k t hợp v i điều chỉnh vi phân Điều chỉnh vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ v i tốc đ thay đổi sai lệch đầu vào

Thời gian càng l n thì điều chỉnh vi phân càng mạnh, ng v i b điều chỉnh đáp ng v i thay đổi đầu vào càng nhanh

(.)()

S

s E K s E K s

2.2 Hi u ch nh b PID bằng ph ng pháp Ziegler-Nichols

Ziegler và Nichols đ a ra hai ph ơng pháp thực nghiệm để xác định tham số

b điều khiển PID Ph ơng pháp th nhất dùng mô hình quán tính bậc nhất c a đối

t ợng điều khiển Ph ơng pháp th hai không cần đ n mô hình toán học c a đối

t ợng nh ng chỉ áp dụng cho m t số l p đối t ợng nhất định [5]

2.2.1 Ph ơng pháp Ziegler-Nichols th nhất

Xác định thông số c a b điều khiển PID dựa vào đáp ng c a hệ hở:

Hình 2.3: Sơ đồ khối c a m t hệ hở

Hình 2.4: Đáp ng c a hệ hở

Khi đó ta có bảng tính thông số c a b PID là:

Hình 2.5: Sơ đồ khối c a m t hệ kín có b PID

B điều khiển PID :   

s

I P C

1

1 (2.3)

B ng 2.1: Bảng tính các thông số PID theo Z–N1

2.2.2 Ph ơng pháp Ziegler-Nichols th hai

T

1

29

PID

K T

T

1

2

2

Ph ơng pháp này thay b điều khiển PID trong hệ kín bằng b khu ch đại sau

đó tăng K cho đ n khi hệ nằm ở biên gi i ổn định, t c là hệ kín trở thành khâu dao

đ ng điều hòa Lúc này ta có Kgh và chu kì c a dao đ ng đó là Tgh Tham số cho b điều khiển PID chọn theo bảng sau:

K K T

2.3 Các ph ng pháp đi u khi n t c đ đ ng c không đ ng b ba

2.3.1 Điều khiển tốc đ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp ( V/f)

Tốc đ đồng b c a đ ng cơ không đồng b tỉ lệ trực ti p v i tần số nguồn cung cấp Do đó khi ta thay đổi tần số nguồn cung cấp cho đ ng cơ s làm thay đổi tốc đ đồng b , t ơng ng là tốc đ đ ng cơ thay đổi [1]

S c điện đ ng cảm ng trong stator E tỉ lệ v i tích c a tần số nguồn cung cấp

và từ thông trong khe hở không khí N u bỏ qua các điện áp rơi trên điện trở stator

có thể xem s c điện đ ng E  điện áp nguồn cung cấp N u giảm tần số nguồn

nh ng giữ nguyên điện áp s dẫn đ n việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí

Đ ng cơ th ờng đ ợc thi t k làm việc tại “điểm cánh chỏ” c a đặc tuy n từ hóa nên sự gia tăng từ thông s dẫn đ n bưo hòa mạch từ [1], [2] Điều này khi n cho dòng từ hóa tăng, méo dạng dòng điện và điện áp nguồn cung cấp, gia tăng tổn hao

lõi và tổn hao đồng stator và gây ra ồn đ ng cơ ở tần số cao Ng ợc lại, từ thông khe hở không khí giảm d i định m c s làm giảm khả năng tải c a đ ng cơ Vì vậy, việc giảm tần số đ ng cơ xuống d i tần số định m c th ờng đi đôi v i việc giảm điện áp pha sao cho từ thông trong khe hở không khí đ ợc giữ không đổi 2.3.1.1 Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi

N u bỏ qua sụt áp không đáng kể trên stator, điện áp stator ở ch đ xác lập tỉ

lệ thuận v i từ thông và tốc đ đồng b theo biểu th c sau:

.s s

Do đó, n u điều khiển vận tốc đ ng cơ d i giá trị định m c bằng cách thay đổi tần số nguồn và giữ nguyên đ l n điện áp stator, từ thông đ ng cơ s tăng đ n giá trị bảo hòa Để tránh hiện t ợng bảo hòa và giảm tổn hao, điện áp stator cần

đ ợc thay đổi cùng v i tần số f sao cho duy trì tác dụng c a từ thông bằng định

V V

'

V 3

3.p K

Ta thấy, khi điều khiển đ ng cơ theo nguyên lý V/f không đổi thì đặc tính cơ

có moment max không đổi M max = const

Điện áp stator s đ ợc duy trì không đổi và bằng giá trị định m c, tần số f

đ ợc điều khiển tăng lên, đ ng cơ s làm việc ở ch đ non kích từ Khi đó, để tránh đ ng cơ quá tải, moment đ ng cơ s đ ợc điều khiển theo nguyên lý công suất không đổi, M max s giảm khi tần số tăng

2.3.1.4 Đặc tính cơ

Từ thông s đ ợc giữ không đổi trong khoảng từ 0 f đm, và khi đ ng cơ làm việc v i vận tốc l n hơn vận tốc định m c thì điện áp stator đ ợc giữ không đổi, tần

số thay đổi (giảm từ thông)

Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số trong ph ơng pháp điều khiển V/f = const

f

U M

Hình 2.9 là sơ đồ điều khiển tốc đ vòng hở theo nguyên lý V/f =const, đặt

đ ợc đ a vào b khởi đ ng mềm và khối V/f , khối này có ch c năng thi t lập đ

l n điện áp stator theo hàm điều khiển điện áp V - f để đảm bảo từ thông đ ng cơ

đ ợc sử dụng hiệu quả Ngõ ra c a điều khiển từ thông là đại l ợng điện áp yêu cầu Giá trị điện áp này đ ợc đ a vào khối vector không gian để tạo xung kích đóng cắt các khóa bán dẫn c a bô nghịch l u áp [1]

Hình 2.9: Sơ đồ khối ph ơng pháp V/f vòng hở

Hình 2.10 là sơ đồ điều khiển tốc đ vòng kín theo nguyên lý V/f =const, ở sơ

đồ này chỉ khác v i sơ đồ vòng hở là có thêm khâu hồi ti p tốc đ từ đ ng cơ [1]

Hình 2.10: Sơ đồ khối ph ơng pháp V/f vòng kín

2.3.2 Ph ng pháp đi u khi n đ nh h ng t thông FOC - Field Orientated Control:

2.3.2.1 Các ph ơng pháp điều khiển định h ng từ thông rotor

Có 2 ph ơng pháp trong việc điều khiển định h ng tựa theo vector từ thông

th ờng đ ợc sử dụng là: [2]

2.3.2.1.1 Ph ơng pháp điều khiển trực ti p

Trong sơ đồ điều khiển vector trực ti p, biên đ và vị trí góc (pha) c a vector

từ thông đ ợc đo hoặc đ ợc c tính từ các giá trị điện áp hoặc dòng điện stator thông qua các cảm bi n Cảm bi n Hall có thể đ ợc sử dụng để đo từ tr ờng bằng cách đặt các cảm bi n này vào trong khe hở không khí c a đ ng cơ Tuy nhiên, yêu cầu đặt cảm bi n vào trong khe hở không khí s làm tăng giá thành và làm giảm đ tin cậy c a hệ truyền đ ng

2.3.2.1.2 Ph ơng pháp điều khiển gián ti p

Trong ph ơng pháp điều khiển gián ti p thì góc  đ ợc tính toán dựa trên tốc

đ tr ợt *

sl

 và thông tin về tốc đ đ ng cơ  Theo sơ đồ ta thấy đặc tính c a hệ thống phụ thu c rất nhiều vào việc xác định chính xác các thông số đ ng cơ

Ph ơng pháp này nhìn chung đơn giản hơn ph ơng pháp trực ti p, tuy nhiên cũng

có m t số nh ợc điểm nên đặc tính c a sơ đồ s kém n u không sử dụng các giải

pháp đặc biệt khác

2.3.2.2 Vector không gian

Các thành phần điện áp 3 pha, dòng điện và từ thông c a đ ng cơ không đồng

b có thể đ ợc phân tích thành các số hạng trong biểu th c vector không gian [1] Trong đó ia, ib, iclà các dòng t c thời trên stator, iSđ ợc biểu diễn là:

Trong đó a, b, c là hệ trục tọa đ 3 pha Dòng điện vector không gian này mô tả

hệ thống sin 3 pha Tuy nhiên thì ta vẫn cần phải chuyển sang hệ tọa đ 2 trục không đổi theo thời gian, để làm điều này ta phải qua 2 b c :

 Chuyển từ hệ a b c, ,    ,  v i ngõ ra là 2 bi n thay đổi theo thời gian

 Chuyển từ  ,   d q,  v i ngõ ra là 2 bi n không thay đổi theo thời gian

Đây là khâu chuyển đổi quan trọng nhất c a ph ơng pháp FOC

Hình 2.13 : Vector không gian c a dòng stator trong hệ trục  ,  và d q, 

Trong đó  là vị trí c a từ thông rotor Thành phần từ thông và moment c a vector dòng điện đ ợc thể hiện qua biểu th c:

cos sinsin cos

Kỹ thuật m i này u th là đơn giản vì không cần gắn cảm bi n vào trục đ ng

cơ giá thành và đ tin cậy, điều khiển hiệu quả và tính ổn định n i cao Do đó DTC

thu c loại kỹ thuật điều khiển không dùng cảm bi n

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực ti p moment DTC

– Direct Torque Control

N i dung c a ph ơng pháp này là dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị

c l ợng từ các khâu tính toán hồi ti p về c a moment và từ thông Mặt khác ta có thể điều khiển trực ti p trạng thái c a b nghịch l u PWM thông qua các tín hiệu điều khiền đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép đ ợc xác định tr c

Sai số giữa moment T và moment đặt T*

đ ợc đ a vào khâu so sánh trễ bậc 3 trong khi sai số giữa biên đ từ thông stator c tính và từ thông đặt đ ợc đ a vào khâu so sánh trễ bậc 2

Ch ng 3

MÔ HỊNH Đ NG C KHÔNG Đ NG B BA PHA

3.1 GI I THI U V Đ NG C KHÔNG Đ NG B BA PHA:

3.1.1 Gi i thiệu

Máy điện không đồng b ba pha có dây quấn stator đ ợc cung cấp điện từ l i điện và nhờ hiện t ợng cảm ng điện từ có đ ợc s c điện đ ng cảm ng và dòng điện bên trong dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối x ng trong dây quấn ba pha s tạo ra từ tr ờng quay v i tốc đ đồng b s(rad/s) [1], [3] Rotor máy điện không đồng b gồm 2 loại:

Rotor dây quấn v i dây quấn nhiều pha (th ờng là ba pha) quấn trong các rưnh rotor, có cùng số cực v i dây quấn stator, các đầu dây ra nối v i các vành tr ợt

đ ợc cách điện v i trục rotor Việc ti p điện đ ợc thông qua các chổi than đặt trong các b giá đỡ chổi than

Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rưnh rotor chúng đ ợc nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do k t cấu rất đơn giản

và chắc chắn, đ ng cơ không đồng b rotor lồng sóc đ ợc sử dụng làm nguồn đ ng lực rất r ng rưi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng nh trong sinh hoạt [1]

Trong hai loại đ ng cơ trên, loại rotor lồng sóc đư chi m u th tuyệt đối trên thị tr ờng vì dễ ch tạo, không cần bảo d ỡng, kích th c nhỏ hơn Sự phát triển

nh vũ bưo c a kỹ thuật vi điện tử v i giá thành ngày càng hạ đư cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều chỉnh ph c tạp đối v i loại rotor lồng sóc

3.1.2 Mạch điện t ơng đ ơng c a đ ng cơ không đồng b

Hình 3.1: Sơ đồ t ơng đ ơng m t pha đ ng cơ không đồng b

Ph ơng trình điện áp cung cấp cho đ ng cơ: [1]

V s EI*(R s  js L s) (3.1)

V i :

Vs : Điện áp pha c a l i điện cung cấp cho đ ng cơ

E : S c điện đ ng cảm ng trong dây quấn stator

I : Dòng điện pha stator

Rs : Điện trở pha dây quấn stator

Ls : Điện cảm tản từ dây quấn stator

s: Tốc đ góc c a l i điện

3.1.3 Các quan hệ công suất trong đ ng cơ không đồng b

Công suất đ ng cơ lấy từ l i điện:

cos

cu

2

1  3 (3.3) Công suất điện từ chuyển từ stator qua rotor qua từ thông khe hở không khí:

' 2

3 r r

dt I R

P  (3.4) Tổn hao nhiệt trên rotor do dòng điện rotor sinh ra:

' 2

2 3 r r

P  (3.5)

Công suất cơ c a đ ng cơ:

s

s R I

3 2 ' 1 (3.6) Moment điện từ:

db s

dt dt

s

R I

P M





13

' 2 2 ' 2





11

3.2 VECTOR KHÔNG GIAN VÀ CÁC Đ I L NG BA PHA

3.2.1 Biểu diễn vector không gian cho các đại l ợng ba pha

Đ ng cơ không đồng b ba pha có ba cu n dây stator v i điện áp ba pha đ ợc

bố trí trong không gian nh hình v [1]

Hình 3.2: Vị trí không gian các pha

Phương trình điện áp stator :

0 ) ( ) ( ) (t u t u t 

u sa sb sc (3.10) Với :

)(

)120cos(

)(

))cos(

)(

0 0

t u

t u

t u

t u

t u

t u

s s

sc

s s

sb

s s

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ không đồng b có

3 cuộn dây lệch nhau một góc 0

120 Nếu trên mặt cắt đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây pha A của động cơ, ta có thể xây dựng

vector không gian cho điện áp stator: [1]

3

2)

()(3

2)

sc

j sb sa

u

(3.12)

Theo công thức (3.12), vector us(t) là vector có modul không đổi quay trên

mặt phẳng phức với tốc độ góc s 2f s và tạo v i trục thực (trục cuộn dây pha

A) một góc pha  s t (fs là tần số mạch stator) Việc xây dựng được mô tả như

hình 3.3

Hình 3.3: Xây dựng vector khơng gian từ các đại l ợng ba

Điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp stator us lên trục cuộn dây tương ứng Đối với các đại lượng khác của động cơ như dòng rotor dòng stator [3], từ thông rotor và từ thông stator đều có thể xây dựng trên vector không gian tương tự như điện áp stator

3.2.2 Hệ tọa độ cố định stator (  )

Vector không gian điện áp stator có modul là |us| và quay trong mặt phẳng phức với tốc độ góc ωs và tạo với trục cuộn dây A một góc ωst Đặt tên trục cuộn dây A là trục thực  và trục vuông góc với nó là trục ảo β Khi đó ta có được một hệ tọa độ là hệ tọa độ cố định stator ( -β) và các vector không gian có thể mô tả thông qua 2 thành phần là trục thực  và trục ảo β

Hình 3.4: Hệ toạ đ stator (α - β)

Bằng cách chiếu vector không gian lên hai trục tọa độ ( -β) ta có thể tính được thành phần theo hai trục tọa độ bằng phương pháp hình học [2] Xét thành phần vector điện áp trong hệ trục tọa độ ( -β):

sb sa sc

s s

sb

s sa

u u

u u u

u u

u

u u

2

32

12

32

sa s

sa s

u u u

u u

u u

3

12

u s u s  ju s (3.15)

3.2.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d – q)

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ ( -β) ta xét thêm một hệ tọa độ thứ hai có trục hoành d và trục tung q, hệ tọa độ này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc s so với hệ tọa độ stator [1] Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ và một vector không gian có thể biểu diễn trên hai tọa độ này

Hình 3.5: Mối liên hệ giữa toạ đ (α – β) và toạ đ (d-q)

Từ hình trên ta có thể biểu diễn mối liên hệ giữa hai tọa độ như sau:

s sq s sd

s

u u

u

u u

sin cos

(3.16) Và ta lại có:

s s

sq

s s

s s

sd

u u

u

u u

sin cos (3.18)

Các hệ phương trình này có tác dụng chuyển từ hệ tọa độ ( -β) sang (d-q) và ngược lại cho điện áp stator và cũng đúng khi áp dụng cho các thành phần khác của động cơ [3] Khi xét hệ tọa độ (d-q), ta cho trục d trùng với trục từ thông rotor và quay với tốc độ góc bằng với tốc độ góc của vector từ thông rotor

Hình 3.6: Biểu diễn vector khơng gian trên hệ toạ đ (d – q)

● Trong hệ tọa độ từ thông rotor, các vector dòng stator và các vector từ thông rotor quay cùng với hệ tọa độ (d – q), do đó các phần tử của vector dòng rotor là các đại lượng một chiều, trong chế độ xác lập các giá trị này gần như không đổi,

còn trong quá trình quá độ, các đại lượng này biến thiên theo một thuật toán đã được định trước

● Một ưu điểm nữa là thành phần từ thông rotor trên trục (q) có giá trị là 0 do vuông góc với từ thông rotor trùng với trục (d), do đó từ thông rotor chỉ còn thành phần theo trục (d) và là đại lượng một chiều

3.3 MƠ HỊNH Đ NG C KHƠNG Đ NG B BA PHA [1]

3.3.1 Thông số của động cơ không đồng bộ

R

L

T  Hằng số thời gian rotor (3.22)

:1

2

r s

m

L L

f

X L

f

X L

f

X L



2

3.3.2 Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha

Việc xây dựng mô hình ở đây không nhằm mục đích mô phỏng chính xác về mặt toán học đối tượng động cơ Điều đó cho phép chấp nhận các điều kiện giả định trong quá trình thiết lập mô hình, tất nhiên sẽ tạo ra một số sai lệch nhất định giữa đối tượng và mô hình trong phạm vi cho phép

Đặc tính động của động cơ không đồng bộ được mô tả với một hệ phương trình vi phân Để xây dựng phương trình cho động cơ, ta lý tưởng hóa bằng các giả thiết sau:

● Các cuộn dây stator được bố trí đối xứng trong không gian

● Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa của mạch từ

● Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trong khe hở không khí

● Các giá trị điện trở và điện kháng xem như không thay đổi

Phương trình điện áp trên ba cuộn dây stator: [1]

dt

t d t i R t

u sb( ) s sb( ) sb( ) (3.28)

dt

t d t i R t

sc s sc

) ( )

( )

Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện t ơng đ ơng đ ng cơ khơng đồng b

Biểu diễn điện áp theo dạng vector :

3

2 ) ( sa sb j1200 sc j2400

s s s

s s s

s

)()

()





Tương tự như đối với điện áp, ta có phương trình của dòng điện stator và từ thông stator :

) ) ( )

( ) ( ( 3

2 ) ( sa sb j1200 sc j2400

( ) ( ( 3

2 )

sc j

sb sa

u

r r r

r r r

s

)()

(0

Việc xây dựng mô hình cho động cơ không đồng bộ ba pha trong các phần

sau đều phải dựa vào các phương trình cơ bản trên đây của động cơ

3.3.3 Mơ hình đ ng cơ khơng đồng b trên hệ tọa đ ():[1]

Từ hệ quy chiếu rotor quy về hệ quy chiếu stator, theo các phương trình:

s r

r

dt

t d t i