Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dùng bộ điều khiển PID mờ lai

62 CHƯƠNG 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ..... Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

NGUYỄN MINH CHƠN

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

3 PHA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2018

-

NGUYỄN MINH CHƠN

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

3 PHA DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ LAI

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm …

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TP HCM, ngày 18 tháng 02 năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Minh Chơn Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 06-12-1983 .Nơi sinh: Phú Tân – Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1641830004

I- Tên đề tài:

Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dung bộ điều khiển PID mờ lai

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tìm hiểu tổng quan về động cơ không đồng bộ 3 pha và các phương pháp điều khiển tốc

độ

- Tìm hiểu về logic mờ, bộ điều khiển PID và ứng dụng trong điều khiển động cơ không đồng bộ

- Xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab

- Viết luận văn

III- Ngày giao nhiệm vụ: (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài)

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15 tháng 8 năm 2018

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

PGS TS Nguyễn Thanh Phương PGS TS Nguyễn Thanh Phương

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Lời đầu tiên xin chân thành cám ơn thầy cô trong Viện Kỹ thuật HUTECH và Viện Đào tạo Sau đại học đã nhiệt tình giảng dạy và hỗ trợ để tôi hoàn thành khóa học Đặc biệt PGS TS Nguyễn Thanh Phương đã truyền cảm hứng vá hướng dẫn để tôi hoàn thành luận văn này

Cám ơn các bạn học viên cùng lớp đã đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi trong học tập để vượt qua khó khăn trong học tập và nghiên cứu tại trường

Cuối cùng, tôi xin chân thành cám ơn sự quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện về vật chất và tinh thần của gia đình trong suốt quá trình học tập

Nguyễn Minh Chơn

MỤC LỤC

Mục lục i

Tóm tắt luận văn iv

Danh sách các hình vi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1. Tổng quan đề tài 1

1.2 Các phương pháp điều khiển 2

1.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) 2

1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian 4

1.2.3 Điều khiển định hướng trường 5

1.2.4 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 6

1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 6

1.2.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường 7

1.2.7 Nhận xét 8

1.3 Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay 8

1.3.1 Điều khiển thông minh 8

1.3.2 Những kỹ thuật khác 9

1.4 Trình tự mô phỏng động cơ không đồng bộ 10

1.4.1 Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển 10

1.4.2 Bộ biến tần điều khiển 11

1.4.3 Kiểm tra thiết bị truyền động AC 11

1.4.4 Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm 11

1.5 Định hướng 11

1.6 Mục tiêu của đề tài 11

1.7 Phạm vi nghiên cứu 12

1.8 Nội dung của luận văn 12

1.9 Ý nghĩa đề tài 12

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA13 2.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha 13

2.2 Vector không gian của các đại lượng ba pha 14

2.2.1 Xây dựng vector không gian 14

2.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian 16

2.2.3 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor 17

2.3 Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha 17

2.3.1 Lý do xây dựng mô hình 20

2.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ 21

2.3.3 Các tham số của động cơ 22

2.3.4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator 23

2.3.5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor 25

2.3.6 Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor 26

2.3.7 Bộ điều chế độ rộng xung PWM 27

2.3.8 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab 28

2.4 Nhận xét 34

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG 35

3.1 Đại cương về phương pháp FOC 35

3.2 Cấu trúc nội dung phương pháp FOC 37

3.3 Mô phỏng phương pháp foc bằng simulink/matlab 41

3.3.1 Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC trong Simulink/Matlab 41

3.3.2 Giải thích nguyên lí hoạt động 41

3.3.3 Phân tích sơ đồ 42

3.4 Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC 46

3.4.1 Tham số mô phỏng 46

3.4.2 Trình tự mô phỏng 46

3.4.3 Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong Simulink/Matlab 48

3.4.4 Nhận xét kết quả mô phỏng điều khiển FOC 62

CHƯƠNG 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 65

4.1 Tổng quan về phương pháp đề xuất 65

4.2 Bộ điều khiển mờ pi 65

4.2.1 Giới thiệu 65

4.2.2 Cấu trúc bộ điều khiển pid mờ 67

4.2.3 Cấu trúc bộ điều khiển pid mờ lai 68

4.2.4 Xây dựng các bộ điều khiển pi mờ 69

4.3 Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào ước lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ pi để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha 80

4.4 Nhận xét 89

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN , HẠN CHẾVÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 91

5.1 Kết luận 91

5.2 Hạn chế 91

5.3 Hướng phát triển 92

Tài liệu tham khảo 93

TÓM TẮT

Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị chủ lực trong truyền động điện xoay chiều

vì các ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì, sữa chữa, giá thành hạ, hiệu suất cao… so với động cơ một chiều Tuy nhiên, việc điều khiển động

cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn, phức tạp vì động cơ không đồng bộ là một hệ phi tuyến mạnh và cần một thuật toán điều khiển hết sức chặt chẽ

Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control-FOC) có khả năng điều khiển độc lập từ thông và moment, đang được sử dụng phổ biến để điều khiển

động cơ Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau, và

cũng như với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều Trong

luận văn thạc sỹ này, đề tài “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” được thực hiện

Với mục đích cải tiến phương pháp điều khiển PI thông thường (với thông số Kp

và Ki cố định) bằng cách đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ lai (với sự thay đổi

động các thông số Kp và Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động cơ -IM) Các kết quả mô phỏng sẽ cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất

ABSTRACT

Induction motors, are known with their ruggedness and reliability, due to their simple construction, much lower cost, lack of commutating elements, better power to mass ratio compared to the DC motors, which make them an attractive alternative in these applications However, the advantages above mentioned come with the very complicated, strongly coupled nonlinear dynamics, which requires putting in place sophisticated control algorithms in order to obtain good controlling

Field Oriented Control (FOC), provides independent control of torque and flux method is being used popularly to control induction motor response improving.Writer (author) combined other method’s advantage, together with high expection of wide &

deep study of in duction motor drivers In this Master thesis, the theme: “The

application of PID Fuzzy control method combine with FOC to speed control of induction motor” are presented

With an aim of improving the PI normally control method ( with parameter point of

Kp and Ki) by proposed the PI Fuzzy hybrid control method ( with variable parameter

of Kp and Ki).Simulation results show the effectiveness of the proposed method

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại 2

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

rotor (hệ tọa độ dq)

Hình 2.12 Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM 30

vii

Hình 3.35 Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt (khi tăng moment quán tính) 59

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI:

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:

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

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 hướng động cơ không đồng bộ (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 độ rotor Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ

M

p/2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần

*

S

V

*ω1

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)

Hình 1.3 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 bị 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

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

Hình 1.4 Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian

1.2.3 Điều khiển định hướng trường

Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng Tuy nhiên, trong những ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu

là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành

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

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

1.2.4 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)

i

*

s qs

λ

s dm

Hình 1.5 Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản

1.2.5 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

r

độ này lên động cơ

*

e QS

i

*

s ds i

*

s qs

i

as i

*

bs i

*

cs

i

bs i cs

i

rotor Inverter

*

as i

Bộ điều khiển Momen đặt

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

1.2.6 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)

1.2.7 Nhận xét

Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển động cơ Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn tại những khuyết điểm:

- 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

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

10vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng 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

1.4 TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ:

Thông thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hành theo những bước chính sau:

1.4.1 Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển

Thông thường, mô hình toán học của động cơ không đồng bộ là: phương trình vector tổng quát, mô hình mạch điện dưới dạng 2 pha, phương trình trạng thái Thông số của động cơ được xác định theo phương pháp thực nghiệm Điện trở stator đo được từ kiểm tra DC; điện trở rotor và điện cảm tiêu tán đo được khi rotor bị ghìm; đo điện cảm

từ hóa khi kiểm tra không tải Việc điều chỉnh thông số khi mô phỏng động cơ trong điều kiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức lúc tải định mức

1.4.2 Bộ biến tần điều khiển

Bộ biến tần có tụ DC được dùng trong truyền động động cơ không đồng bộ gồm

bộ biến tần nguồn áp (VSI) và bộ biến tần nguồn dòng (CSI), dựa theo phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) nhằm điều khiển điện áp và dòng điện Ngoài ra còn có bộ biến tần kết hợp bộ CSI công suất cao và bộ VSI công suất thấp làm việc song song

1.4.3 Kiểm tra thiết bị truyền động AC

Một phòng thí nghiệm được xây dựng bao gồm: động cơ không đồng bộ cần kiểm tra làm việc như tải cơ được kéo bởi máy phát điện đồng bộ Mỗi máy điện được cấp nguồn từ bộ biến tần, và được điều khiển bởi bộ điều khiển card ở PC

1.4.4 Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm

Tùy theo tính chất, mục đích sử dụng, tài nguyên hiện có mà ta lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp như điều khiển vô hướng, điều chế vector không gian, định hướng trường

1.5 ĐỊNH HƯỚNG:

Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau, cũng như

với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều Trong luận văn

thạc sỹ này, đề tài “Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha dung bộ điều

khiển PID mờ lai” được thực hiện

- Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ Các luật hợp thành của tập mờ được xây dựng dựa vào các suy luận của người thiết kế, kinh nghiệm của chuyên gia…

1.7 PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường sử dụng bộ điều khiển PID mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ Việc ước lượng từ thông rotor nhằm ổn định và điều khiển động cơ không đồng bộ theo định hướng trường được thực hiện dựa vào tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov

1.8 NỘI DUNG LUẬN VĂN:

Luận văn được trình bày theo các chương như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN

Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG-FOC

Chương 4 DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ KẾT HỢP ĐIỀU

KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Chương 5 KẾT LUẬN – HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Chương 2

MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator được cung cấp điện từ lưới điện, và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điện bên trong dây quấn rotor Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra từ

Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnh rotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượt được cách điện với trục rotor Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong các bộ giá

đỡ chổi than

Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh rotor, chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do kết cấu rất đơn giản và chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động lực rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt

Trong hai loại động cơ trên, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị trường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn Sự phát triển như vũ bão của kỹ thuật vi điện tử với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc

2.2 VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA

2.2.1 Xây dựng vector không gian

Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố

trí không gian tổng quát như hình 2.1

Trong hình trên không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác Ba dòng

biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần

Hình 2.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha

Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:

Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau:

)120cos(

)

s s

)240cos(

)

s s

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ xoay chiều 3 pha có

phức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau:

γ

j s j

sw j

sv su

i = [ ( )+ ( ) o + ( ) o]=

3

2)

Theo công thức (2.5), vector is(t ) là một vector có modul không đổi quay trên

một góc γ = ωst, trong đó fs là tần số mạch stator Việc xây dựng vector is(t ) được mô

tả trong hình 2.2

Hình 2.2 Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha

Theo hình vẽ trên, dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng

vector i s lên hai trục, ta được hai hình chiếu là isαvà isβ Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ

cố định (hệ tọa độ stator)

Hình 2.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ αβTheo phương trình isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 và dựa trên hình 2.3 thì chỉ cần xác định hai trong số ba dòng điện stator là có đầy đủ thông tin về vectori s

)2(3

1

sv su s

su s

i i i

i i

2.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian

hai hệ tọa độ này Mối liên hệ được thể hiện ở hình vẽ 2.4

Hình 2.4 Chuyển hệ tọa độ giữa αβ và dq

s s

s s

sq

s s

s s

sd

i i

i

i i

i

θ θ

θ θ

α β

α β

sin cos

cos sin

−

=

+

=

2.2.3 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Hình 2.5 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

(2.8) (2.9)

đó fs là tần số của mạch điện stator

đó có thể được biểu diễn dưới dạng vector irquay với tốc độ ωr= 2 π fr

Xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của vector

i j s

)2(3

1

sv su s

su s

i i i

i i

+

=

=

β α

s s s s sq

s s s s sd

i i

i

i i

i

θθ

θθ

α β

α β

sincos

cossin

(2.15) (2.16)

Hình 2.6 Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ

tọa độ dq)

Trong thực tiễn, việc tính toán isd, isq gặp nhiều khó khăn vì việc xác định θs

r

chưa biết Vậy phương pháp mô tả trên hệ tọa độ dq đòi hỏi phải xây dựng được phương

rotor

Hình 2.7 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc

Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh, phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Điều đó dẫn đến các điều kiện được giả thiết trong khi lập mô hình Các điều kiện đó một mặt đơn giản hóa

mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặt khác chúng gây nên sai lệch nhất định, sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình

Về phương diện động, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặt không gian,

vì các mạch từ móc vòng, một số điều kiện được chấp nhận khi mô hình hóa động cơ:

- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua

- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha u Ta

sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ

2.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator:

dt

t d t i R t u

dt

t d t i R t u

dt

t d t i R t u

sw sw

s sw

sv sv

s sv

su su

s su

)()

()

(

)()

()

(

)()

()

(

ψψψ

Với: Rs: điện trở cuộn dây pha stator

ψsu,ψsv,ψsw: từ thông stator của cuộn dây pha u, v, w

Áp dụng công thức ta thu được điện áp:

])()

()([3

2)

sw j

sv su

S S S

Phương trình trên thu được do các quan sát từ hệ thống 3 cuộn dây stator, vì vậy

dt

d i R u

S S S

S S S S

ψ

+

(2.19) (2.18) (2.17)

22Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch)

dt

d i R

r r r r r

Rr: điện trở rotor đã quy đổi về phía stator

Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator:

k S k

k S k

S S k

dt

d i R

Đối với hệ tọa độ cố định Stator αβ thì ωk= 0 cho ta công thức (2.22) Thay “k” =”s”

Đối với hệ tọa độ từ thông rotor (dq) thì

dt

d S

S k

θω

trục q với trục thực Thay “k” =”f”

Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor:

k r k

k r k r

dt

d i

2.3.3 Các tham số của động cơ

L L

Ts = Ls/Rs hằng số thời gian stator

r s

r

m r s s

s

L i L i

L i L i

2

3 ) (

2

3

r r c s

s c

J m m

c T M

ω

+

2.3.4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator

Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:

=

+

=

s r

s r s r r

s s s s s s s

j dt

d i R

dt

d i R u

ψωψ

m s r s s s s s

L i L i

L i L i

ψψ

Với: Lm :hỗ cảm giữa stator va rotor

(2.30) (2.29)

(2.32) (2.31)

s s r r

m s s s s

L

L L

L i

dt

d L

L dt

i d L i R u

s r r

s r r

m s s

s r r m s s s s s s s

s

ψωψ

ψσ

+

−+

−

=

++

=

)

1(0

Ta chuẩn hóa ψrα và ψrβ như sau:

( )

( ) A L

A L

m

r r

m

r r

β β

α α

ψ ψ

ψ ψ

L

ψ của động cơ

Thay các vector dòng từ hóa vào hệ phương trình (2.35) đồng thời chuyển sang viết dưới dạng các phần tử của vector, ta thu được hệ phương trình mới mô tả đầy đủ phần hệ thống điện của một ĐCKĐB như sau:

α β

α α

r s

r s

L T

T

i T T dt

+

−+

−+

α β

s r s

s

u L T

i T T dt

+

−+

β α

α

ψ

r r

r s r

r

T

i T dt

d = − −

/ r r

/ r s

d

β α

(2.38) (2.39)

Trong đó: σ =1−L m2/(L s L r): hệ số tiêu tán tổng

Ta cũng có phương trình mômen:

)(2

3)(2

3

r r c s

s c

m = ψ =− ψ

r m s s s

3)

1)(

(2

3)(

2

s s r r

m C r

m s s s r s r c s

r s r c

L

L p L

L i x p i

x p

Thay các vector bằng các phần tử tương ứng, ta được:

)(

2

α β β

ψr s r s r

m C

L

L p

2.3.5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor

r f r m f s

f

r

m f r s f s

f

s

f r r

f r f

r r

f s s

f s f s s f

s

L i L i

L i L i

j dt

d i

R

j dt

d i R

=

++

=

ψ

ψ

ψωψ

ψωψ

0

Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vectơ từ thông stator

s f r r

m s f s f

L

L L