điều khiển thông minh động cơ không đồng bộ

II> ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động cơ điện không đồng bộ ba pha và điều khiển động cơ sử dụng phương pháp điều khiển định hướng trường... MỤC ĐÍCH NGH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

MÃ SỐ: T66 - 2008

Tp Hồ Chí Minh, 2009

S 0 9

S KC 0 0 2 1 2 0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp HCM

*****

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

A- PHẦN GIỚI THIỆU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 2

II ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2

III MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2

IV PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

V NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN ĐỌNG 3

B-PHẦN NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA 6

1.1 TỔNG QUAN 6

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 7

1.3 NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY 13

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG 16

2.1 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 16

2.2 CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG ĐCKĐB ĐIỀU KHIỂN DỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR 17

2.3 MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG DÙNG SIMULINK 21

Chương 3 ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG MẠNG NEURAL 26

3.1 GIỚI THIỆU 26

3.2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 26

3.3 HUẤN LUYỆN MẠNG ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG 28

Chương 4 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI BỘ ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR DÙNG MẠNG TRUYỀN THẲNG CÓ BỘ PI MỜ 49

4.1 TỔNG QUAN 49

4.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PI 51

C-KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 2 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

I> TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Động cơ điện không đồng bô ̣ so với các loa ̣i đô ̣ng cơ khác có cấu tạo và vận hành đơn giản, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được s ử dụng nhiều trong sản xuất và đời sống Tuy nhiên viê ̣c điều khiển hoa ̣t đô ̣ng của đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ là tương đối khó do đă ̣c tính phi tuyến của đô ̣ng cơ Với sự phát triển nhanh của kỹ thuâ ̣t điê ̣n tử hiê ̣n nay , đă ̣c biê ̣t là các hệ thống xử lý tín hiê ̣u số đã cho phép thực hiê ̣n các giải thuâ ̣t phức ta ̣p để điều khiển đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ Nhiều giải thuâ ̣t điều khiển đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ đã được nghiên cứu và ứng du ̣ng rô ̣ng rãi trong lĩnh vực truyền đô ̣ng điê ̣n như phương pháp m oment trực tiếp , phương pháp điều khiển phi tuyến , phương pháp đi ̣nh hướng trường , phương pháp điều khiển vector không gian,…Trong đó, phương pháp sử du ̣ng ma ̣ng neural kết hợp với các phương pháp điều khiển thông thường đang là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng trong điều khiển máy điê ̣n không đồng bô ̣

Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều và

làm tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Điều

khiển thông minh động cơ không đồng bộ”

II> ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động cơ điện không đồng bộ ba pha và điều khiển động cơ sử dụng phương pháp điều khiển định hướng trường

III > MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường , là phương pháp điều khiển tốt đã được ứng du ̣ng rô ̣ng rãi trong điều khiển đô ̣ng cơ điê ̣n

Sử du ̣ng ma ̣ng neural ước lượng từ thông rotor để sử dụng trong hệ t hống điều khiển đi ̣nh hướng trường

Xây dựng hê ̣ thống điều khiển sử du ̣ng các bô ̣ điều khiển PI mờ để điều khiển từ thông, moment và tốc độ động cơ

IV> PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài này tâ ̣p trung nghiên cứu phương pháp điều k hiển đi ̣nh hướng trường sử du ̣ng ba bô ̣ điều khiển PI để điều khiển từ thông, moment và tốc đô ̣ đô ̣ng cơ Đây

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 3 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

là phương pháp tỏ ra hiệu quả , đơn giản nhưng đòi hỏi phải có hồi tiếp từ thông rotor của đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ vốn là đại lượ ng không thể đo lường được Với mục đích đó, đề tài tập trung nghiên cứu mạng neural truyền thẳng nhiều lớp để ước lươ ̣ng từ thông rotor nhằm ổn đi ̣nh và điều khiển đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ theo đi ̣nh hướng trường

V> NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI

Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điều khiển mờ và ma ̣ng neural kết hợp với phương pháp đi ̣nh hướng trường điều khiển đô ̣ng cơ không đồng bô ̣, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox

Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên nhóm nghiên cứu chỉ mới thực hiện mô phỏng trên máy tính, chưa đưa ra được mô hình thực tế của bộ điều khiển ANN và PID mờ

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 4 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

B

NỘI DUNG

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 5 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu phương pháp định hướng trường điều khiển động cơ điện không đồng

bộ kết hợp mạng neural truyền thẳng nhiều lớp và 3 bộ PID mờ

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp tham khảo tài liệu

- Mô hình mô phỏng

- Kiểm tra và đánh giá kết quả đạt được

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 6 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA

1.1 TỔNG QUAN

Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng những phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng nên các thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện tử,

vi xử lý và điện tử công suất Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại là phương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968 và Balaschke đưa ra 1970

K.Haase : Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969)

F.Balaschke : Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972

TS Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp điều chỉnh dòng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế của chúng” nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phương pháp mạnh dùng mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cách tiếp cận với các thuật toán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điều khiển gián đoạn bằng vi xử lý

Phần ứng dụng của tác giả TS Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra đời và được ứng dụng thành công không chỉ trong phòng thí nghiệm mà còn cả trên thiết bị hiện đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị trường

Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:

 Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 7 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

 Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải quyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoại với hệ thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với thiết bị ngoại vi tại chỗ PLC

5 6 7 8 GND

0

Ngoại vi phụ Bus tuần tự

Vi xử lý với chức năng thông tin

Vi xử lý với chức năng điều chỉnh

Biến tần Động cơ xoay chiều 3 pha

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

1.2.1 Điều khiển vô hươ ́ ng đô ̣ng cơ không đồng bô ̣ (scalar)

Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của nguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độ hoặc momen đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động cơ ổn định Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện áp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số được điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của những vector tương ứng

Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector Kỹ thuật vô hướng chung nhất thường được dùng trong thực tế là

Hertz

Volts

không đổi (Constant Volts/Hertzs - CVH) nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông stator không đổi Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc

độ từ trường quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp Momen được cải tiến phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc

Inverter P/2

Speed sensor

motor

Dc supply Voltage Voltage

Hình 1.2 Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng

Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển momen (Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện stator, vì thế momen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ vì hồi tiếp dòng điện có phần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH)

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 9 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Calculator 1

Calculator

2 Inverter

DC Supply Voltage

Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng

1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian

Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong những thiết bi ̣ điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong 3 thập niên qua Không chỉ đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn công suất mà còn yêu cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác Có nhiều

kỹ thuật điều chế như: kỹ thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian nhưng

bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng

và nguồn áp Phương pháp điều chế vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao Van bán dẫn được dùng ở đây là IGBT, MOSFET

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 10 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tròn, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên

độ áp ra trở nên tuyến tính Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp

Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều khiển vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữa momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và momen tương tự như động cơ DC kích từ độc lập

Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều khiển momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của động cơ không đồng bộ

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 11 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp trong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa vào đo lường vị trí rotor

1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp

Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector

từ thông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và dòng điện stator sử dụng bộ quan sát từ thông (flux observer) Đặt cảm biến ở khe hở không khí của động cơ, trục dq nhằm xác định vector từ thông hỗ cảm (từ thông khe hở không khí)

DQ dq

dq

abc

Rotor flux calculator

i

*

s qs



s dm

Hình 1.5 Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản

1.2.6 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán tốc độ trượt *

r

 được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp đặt tốc độ này lên động cơ

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 12 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

DQ dq

i

*

s qs

Hình 1.6 Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định

hướng từ thông rotor gián tiếp

1.2.7 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường

Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn, người ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của máy điện Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài bậc cao theo hướng từ thông rotor Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo thành momen động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ tác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên momen động cơ) Việc lựa chọn vector đóng ngắt sẽ thực hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ nhất và việc đóng ngắt theo trục d của dòng điện có thể được hạn chế do khả năng

mở rộng đường bao của nó Các sóng hài momen giảm xuống nhưng các sóng hài dòng điện sẽ tăng lên (theo trục d)

- Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây sóng hài bậc cao

- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp

- Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổi thông số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chính xác tại tốc độ thấp Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thì không thể duy trì yêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi

Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệ nhân tạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời góp phần không nhỏ trong việc phát triển lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha

1.3 NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY

1.3.1 Điều khiển thông minh

Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tử công suất Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phần chính kia thì truyền động đó gọi là truyền động thông minh

Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não và trung tâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng Phần cứng của đơn vị điều khiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây Còn phần mềm chứa những kỹ thuật điều khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng

Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh: điều khiển thích nghi hay điều khiển tự tổ chức Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là

hệ thống tự tổ chức hoặc tự xử lý Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh của thiết kế và sản xuất mạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính toán cao đưa điều khiển thông minh vào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 14 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính toán cứng và tính toán mềm Hệ chuyên gia thuộc về tính toán cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên Trong 2 thập kỷ gần đây, tính toán mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như sự cải tiến cấu trúc vi xử lý Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo, tập logic mờ, mạng neural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen

Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được quan tâm đến như một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định và tăng độ bền cơ học Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật If- then (Kawaji and Matsunaga, 1994)

Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì những đặc tính đặc biệt sau:

- Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều khiển tự động

- Khả năng của ANN có thể học mẫu

- Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc

- Khả năng thích nghi

Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnh vực điều khiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ động cơ; bộ điều khiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần…

Kết quả mô phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạng neural trong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường ( như bộ điều khiển PI) không có ANNs

1.3.2 Những kỹ thuật khác

Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là giá thành cao của những thiết bị biến đổi, sự phức tạp của xử lý tín hiệu và độ chính xác kém Trong những năm gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt vì sự tiến bộ của kỹ thuật điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao Trong hầu hết những ứng dụng, cảm biến tốc độ là cần thiết và thích hợp trong vòng kín điều khiển tốc độ Tuy nhiên, cảm biến tốc độ có một vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 15 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

loại trừ nhiễu Những phương pháp khác nhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ

sử dụng một vài thông số điện như dòng điện, điện áp, tần số và từ thông Chúng dựa vào sự kết hợp của lý thuyết ước lượng trạng thái và thuyết điều khiển vector (điều khiển động cơ không có cảm biến tốc độ)

Tuy nhiên, các giá trị của thông số điện bị lệch do các giá trị thiết kế vì sự thay đổi của môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn

Những phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không phù hợp vì một vài lý do như trên…Vì vậy, một vài mô hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra mà không cần biết đến phương trình chuyển động Nhiệm vụ chính là tập trung vào việc nhận dạng bao gồm bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển tuyến tính (Schouken, 1990), để ước lượng thông số vật lý (Moons và Moor, 1995) và ước lượng hệ số hàm chuyển tuyến tính dựa vào đo lường lực từ và tốc độ (Gahler và Herzog, 1994), kỹ thuật NARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) nhằm

mô hình hóa mối quan hệ giữa tốc độ và điện áp của động cơ không đồng bộ

Tương tự, khi ước lượng từ thông, người ta cũng áp dụng những nguyên tắc giống như điều khiển và ước lượng tốc độ Thật sự, cảm biến từ thông khó chế tạo và lắp đặt Vì vậy, việc chế tạo ra một bộ ước lượng từ thông từ những thông số điện có sẵn, hoặc những kỹ thuật tiên tiến là mối quan tâm thiết yếu cho những ai quan tâm đến lĩnh vực điều khiển động cơ

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 16 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG

2.1 ĐIỀU KHIỂN ĐI ̣NH HƯỚNG TRƯỜNG CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

2.1.1 Điều kiện điều khiển momen tối ưu

Điều kiện điều khiển momen tối ưu ở dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ

trường là tiết diện dây dẫn song song với đường sức từ, tức là khi vector dòng điện i

chạy trong dây dẫn vuông góc với vector từ thông  được tạo ra do nguồn cung cấp

bên ngoài và có ảnh hưởng đến dây dẫn

Sự vuông góc giữa vector dòng điện i và từ thông  sẽ sinh ra lực điện động F

Lúc này dây dẫn chịu lực F lớn nhất, lực F này sẽ sinh ra momen quay tối đa

2.1.2 Cơ sở của phương pháp tựa theo từ thông rotor

Kỹ thuật của phương pháp tựa theo từ thông rotor là cần biết hướng (góc pha)

của vector từ thông rotor

Ở động cơ không đồng bộ, để có thể biết hướng của vector từ thông rotor, ta cần

biết modul của vector từ thông rotor, một đại lượng không đo được Vì vậy cần có

bộ ước lượng chính xác modul r của động cơ không đồng bộ

Hình 2.1 Điều kiện tạo ra

momen không tối ưu:

Động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp có nghĩa là đại lượng điều khiển phải là điện áp, điện áp đó sẽ thông qua khâu điều chế vec tơ không gian và biến tần

để đặt lên động cơ Nếu điện áp được cho trước dưới dạng usd, usq và sthì phải sử dụng khâu chuyển tọa độ điện áp (CTDu) để tính chuyển sang dạng u ,s ustrước khi đưa vào khâu điều chế vector không gian

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 18 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Cần sử dụng một khâu điều chỉnh dòng (ĐCD) nhằm áp đặt nhanh 2 dòng isd,

isq nhằm điều khiển từ thông rotor và momen quay Vì vậy, người ta sử dụng riêng

lẽ 2 bộ điều chỉnh dòng id và iq (ĐCid và ĐCiq) kiểu PID, trong đó giá trị cần và giá trị thực là các đại lượng hình sin Các đầu ra của ĐCid và ĐCiq được gọi là yd và yq

Để tính usd và usq ta cần dùng mạng tính áp (MTu) với các giá trị đầu vào của mạng là yd và yq

ĐCVTKG CTĐu

3 2

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển định hướng trường

2.2.2 Mô tả sơ đồ nguyên lý điều khiển định hướng trường

Động cơ được nuôi bởi biến tần nguồn áp Điều đó có nghĩa đại lượng điều khiển phải là điện áp, điện áp đó sẽ thông qua khâu điều chế vector không gian và biến tần để đặt lên stator động cơ Khâu điều chế vector không gian được coi là khâu truyền đạt trung thành về pha, về biên độ Nếu điện áp cho trước dưới dạng

usd, usq vàs ta cần sử dụng khâu chuyển tọa độ điện áp để tính chuyển sang

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 19 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Cảm biến dòng đo được isu, isv Thông qua các bộ chuyển đổi hệ tọa độ chuyển thành hai dòng isd và isq là hai đại lượng điều khiển từ thông và momen quay Hai giá trị này sẽ được so sánh với hai giá trị cần được tạo ra bởi mạng tính dòng MTi, đo được độ sai lệch, sau đó đưa vào 2 bộ điều khiển riêng lẽ PID tạo tín hiệu điều khiển vector không gian trước khi đưa vào bộ biến tần

Máy đo tốc độ quay đo tốc độ của rotor là  rồi hồi tiếp so sánh với tốc độ mong muốn*, lấy tín hiệu sai lệch đưa vào khâu điều chỉnh tốc độ ĐC thu được tín hiệu cần *

mô hình này, những khó khăn mà vấn đề nêu ra đã được giải quyết

Để xây dựng mạng tính áp MTu:

f s f

s s f

dt

d i R

Ngoài ra còn có thêm một số đại lượng khác:

- Ls   Ls: điện cảm tiêu tán phía stator

- Ts  Ls / Rs: hằng số thời gian từ thông tiêu tán tổng

Phương trình (2.2) được biến đổi trong không gian Laplace:

2 '

)1

(

)1

(

rd r

m s sd s s sq s s

sq

sq s s sd s s

sd

L

L i

L i

pT R

u

i L i

pT R

(2.5)

(2.6)

(2.7) (2.8)

11

0

11

rd r sq r rd s

sq r

rd r sd r rd

i T

i T

T

i T dt d

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 21 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Trong đó:

rd

 : phần tử d của vector từ thông rotor

Isd, isq: phần tử d và q của vector dòng stator

mM : momen quay của động cơ

Lr, Lm: điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor

pc: số đôi cực của động cơ

Tr: hằng số thời gian rotor

p: toán tử Laplace

Phương trình đầu cho thấy có thể điều khiển (tăng giảm gián tiếp) từ thông rotor thông qua điều khiển (tăng giảm) dòng stator isd với mối quan hệ trễ bậc nhất Tr Cần áp đặt nhanh và chính xác dòng isd để ổn định từ thông rd tại mọi điểm làm việc của động cơ, đồng thời áp đặt nhanh và chính xác dòng isq điều khiển mômen của động cơ, ta có thể coi isd là đại lượng điều khiển từ thông rotor (dòng kích từ) và isq là đại lượng điều khiển momen động cơ (dòng tạo momen quay) Bằng việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ dq, không còn quan tâm đến từng dòng điện pha riêng lẽ nữa, mà là toàn bộ vector không gian dòng stator của động cơ Khi đó issẽ cung cấp hai thành phần isd điều khiển từ thông và isq điều khiển mômen quay, từ đó có thể điều khiển tốc độ động cơ

SIMULINK

2.3.1 Mô hình mô phỏng điều khiển định hướng trường

Dựa vào sơ đồ nguyên lý điều khiển định hướng trường ở hình 4.5 và các phương trình biến đổi có liên quan đến các khối trong sơ đồ, mô hình mô phỏng đã được thiết kế và chạy trong Simulink với các thông số có liên quan

(2.11) (2.12)

U

V

W PWM

Y d

Y q Ws Fi'r Usd

Usq MTu

Uu Uv Uw mT

Fi'r W

mM Iuv w DCKDB

PID DCIsq

PID DCIsd

Usd Usq Theta

Ua Ub Uc CTDu

Iabc Theta w

Fi'r Isd Isq CTDi

Hình 2.6 Mô hình điều khiển động cơ dùng nguyên lý định hướng trường được mô

phỏng trong môi trường Simulink - Matlab

Trong đó:

Khối Fi’r và Wref là từ thông đặt và tốc độ đặt với Fi’r = 1 (Wb) và Wref =

150 rad/s

MTi: mạng tính dòng

DCIsd: điều chỉnh dòng Isd bằng bộ PID (Kp=1000, Ki = 10, Kd = 0)

DCIsq: điều chỉnh dòng Isq bằng bộ điều khiển PID (Kp=750, Ki = 0, Kd = 0) DCw: điều chỉnh tốc độ bằng bộ điều khiển PID (Kp=500, Ki = 50, Kd = 0) MTu: mạng tính áp

CTDu: chuyển đổi hệ tọa độ điện áp

CTDi: chuyển đổi hệ tọa độ dòng

Khối TL là momen tải với giá trị là 3.5 (N)

2.3.2 Kết quả mô phỏng

Quá trình mô phỏng diễn ra trong thời gian 4 giây, động cơ tăng tốc trong khoảng thời gian từ 0 ->2 giây, sau 2 giây động cơ giảm tốc độ Trong quá trình tăng tốc, khoảng 1,5 giây đóng tải vào, sau 3 giây cắt tải, lúc này động cơ vừa chạy không tải vừa giảm tốc

4 giây

1,5 giây

3 giây

Hình 2.7 Quá trình mô phỏng với thời gian mô phỏng Tsim = 4 giây

Sau thời gian mô phỏng, ta thu được kết quả về từ thông, dòng điện, mômen và tốc độ của động cơ không đồng bộ được điều khiển bởi định hướng trường có PWM

Điều khiển mở máy trực tiếp

Tốc độ đạt được giá trị mong muốn

Dòng điện ba pha chạy trong động cơ cân bằng pha và có dao động lúc đóng tải vào động cơ từ 1,5 (s) -> 3(s)

Dòng điện khởi động của động cơ khi được điều khiển theo phương pháp định hướng trường nhỏ hơn gần 4 lần so với khi không được điều khiển định hướng trường

Dong dien stator (A)

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 26 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Chương 3 ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG MẠNG NEURAL

3.1 GIỚI THIÊ ̣U

Trong các sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ, ta cần phải đo từ thông

r của rotor Để thực hiện điều đó, cần phải có các cảm biến phức tạp đặc biệt là cảm biến đo từ thông Để thay thế cho cảm biến nói trên, nhiều tác giả đã sử dụng các bộ ước lượng từ thông Thường các khâu ước lượng này sử dụng các giá trị dòng và áp stator để ước đoán các giá trị cần đo

Trong chương này, từ thông của động cơ không đồng bộ sẽ được ước lượng dùng mạng nơron Như đã trình bày ở chương trước, ưu điểm của mạng nơron là có thể xấp xỉ các quan hệ phi tuyến mà không cần biết cấu trúc của quan hệ đó Các bộ ước lượng từ thông sẽ được sử dụng vào sơ đồ điều khiển định hướng trường động

Động cơ không đồng bộ có các thông số sau:

Điện trở Stator: Rs = 1,177 ,

Điện trở rotor: Rr = 1,382 ,

Điện cảm stator: Ls = 0,119 H,

Điện cảm rotor: Lr = 0,118 H,

Hệ số hổ cảm: Lm = 0,113 H,

Ths Nguyễn Thị Bích Mai - 27 -

Ths Lê Thị Hồng Nhung

Số đôi cực: p = 2,

Moment quán tính của rotor: J = 0,00126 Kgm²

Các mạng nơron được huấn luyện với 200 epochs Lớp ẩn chứa 20 nút được chọn bởi phương pháp thử và sai Lớp ngõ ra chứa 1 nút đơn cho kết quả ngõ ra là

từ thông rotor ở giá trị hiện tại Hàm hoạt tính của lớp ngõ ra là hàm tuyến tính Kết

quả, mạng neural được chọn có cấu trúc là (9-20-1) Sai số huấn luyện của mạng này đạt 2.44158 10 -7

được biểu diễn ở hình 3.5

Hình 3.3 Sai số huấn luyện của mạng 9 – 20 – 1

3.3.2 Kiểm chứng và đánh giá bộ ước lượng từ thông

Để so sánh chất lượng của hai hệ thống điều khiển, ta xem xét những điều kiện vận hành khác nhau của động cơ trong hai chế độ: Trong hệ thống vòng hở (chưa hồi tiếp bộ ước lượng từ thông dùng ANN) và trong hệ thống vòng kín (sử dụng hồi tiếp bộ ước lượng từ thông)

Hình 3.4 Từ thông ước lượng và từ thông thật trong hệ thống vòng hở

Nhận xét: Tại thời điểm 1,5s, đóng tải vào, từ thông bị dao động nhƣng sau đó

cũng ổn định lại tại giá trị là 1(Wb)

b) So sánh từ thông khi đƣa bộ ƣớc lƣợng từ thông dùng mạng nơron vào điều khiển và từ thông thật ban đầu (hệ thống vòng kín)

Từ thông thật

của động cơ

Từ thông ƣớc lƣợng