Chuẩn đoán lỗi cho động cơ điện một chiều không sử dụng chổi than sử dụng bộ quan sát Luenberger

Sau nhiều thập kỷ phát triển, công nghệ chẩn đoán lỗi đã phát triển theo 3 hướng chính là: chẩn đoán lỗi dựa trên mô hình model based, chẩn đoán lỗi dựa vào tín hiệu signal based và chẩn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Lê Hòa

Phản biện 1: TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH

Phản biện 2: TS HÀ XUÂN VINH

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa họp tại Trường

Đại học Bách khoa vào ngày 29 tháng 12 năm 2108

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐH

MỞ ĐẦU

Động cơ BLDC ngày càng phổ biến và được sử dụng nhiều trong các ứng dụng yêu cầu chống cháy nổ, đòi hỏi độ tin cậy cao và giảm thiểu việc bảo trì

Theo dõi tình trạng làm việc và chẩn đoán lỗi của động cơ điện là cần thiết để tối ưu hóa việc bảo trì và nâng cao mức độ tin cậy, đặc biệt trong ứng dụng quan trọng Chẩn đoán sớm các lỗi có thể xảy ra trong quá trình giám sát có thể thực hiện các hoạt động phòng ngừa quan trọng, cho phép tránh thiệt hại kinh tế nặng nề liên quan đến dừng sản xuất, thay thế thiết bị Điều này đã dẫn đến việc nghiên cứu và phát triển các khái niệm về chẩn đoán lỗi và giám sát hiện đại

Sau nhiều thập kỷ phát triển, công nghệ chẩn đoán lỗi đã phát triển theo 3 hướng chính là: chẩn đoán lỗi dựa trên mô hình (model based), chẩn đoán lỗi dựa vào tín hiệu (signal based) và chẩn đoán dựa lỗi vào tri thức (knowledge based)

Sau khi tìm hiểu thông tin về các nghiên cứu được thực hiện

và công bố bởi các cơ sở nghiên cứu trong nước cũng như ở nước ngoài nước về phát hiện và chẩn đoán lỗi cho động cơ BLDC Tác giả mong muốn nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết về phát hiện và chẩn đoán lỗi cho đối tượng là động cơ BLDC với phương pháp chẩn đoán lỗi dựa vào mô hình

Do đó tác giả đề xuất thực hiện đề tài luận văn: “Chuẩn

đoán lỗi cho động cơ điện một chiều không sử dụng chổi than sử dụng bộ quan sát Luenberger”

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN LỖI 1.1 Lỗi và chẩn đoán lỗi

Khoa học về chẩn đoán lỗi bắt đầu được nghiên cứu vào những năm 60 của thế kỷ 20 bởi Hoa Kỳ và một số nước Châu Âu Các định nghĩa:

Lỗi (Fault) là một sự sai lệch không chấp nhận được của ít

nhất một tham số, thuộc tính hay biến so với giá trị chuẩn

Chẩn đoán lỗi (Fault Diagnostics) là khoa học về xác định

trạng thái của một hệ thống ở một thời điểm xác định đang hoặc sẽ diễn ra, dựa trên các triệu chứng bên ngoài

Chẩn đoán lỗi có nhiều mức độ:

 Mô hình lỗi

 Phát hiện lỗi

 Cách ly lỗi

 Nhận dạng lỗi

 Đánh giá lỗi và ra quyết định

Một hệ thống làm việc bình thường được mô tả bởi hàm quan hệ:

y(t) = ψ[u(t), x(t)]

Trong đó:

 u(t): Véc tơ thông số đầu vào của đối tượng chẩn đoán

 y(t): Véc tơ thông số đầu ra của đối tượng chẩn đoán

 x(t): Véc tơ thông số cấu trúc của đối tượng chẩn đoán

 f(t): Lỗi tác động đến hệ thống

1.2 Một số phương pháp phát hiện và chẩn đoán lỗi

1.2.1 Phương pháp phát hiện lỗi bằng phần cứng dự phòng (Redundancy hardware)

1.2.2 Phương pháp phát hiện và chẩn đoán lỗi dựa vào tri thức (Knowledge based)

1.2.3 Phương pháp phát hiện lỗi dựa vào tín hiệu (Signal based)

1.2.4 Phương pháp chẩn đoán lỗi dựa vào mô hình (Model based)

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống chẩn đoán lỗi dựa vào mô hình

Phương pháp chẩn đoán lỗi dựa trên mô hình dựa vào một

mô hình đối chứng được xây dựng có hàm truyền giống hàm truyền của đối tượng cần chẩn đoán trong trạng thái bình thường và chạy song song với đối tượng Mô hình đối tượng được mô tả bởi hàm quan hệ : y(t) = f[u(t), x(t)]

Triệu chứng lỗi được xác định bởi giá trị sai lệch giữa giá trị thực tế và giá trị tính toán

( ) = ( ) − ( ) Trong đó, r(t) được gọi là các dư thừa (thặng dư) hay mã kiểm tra nhằm xác định sai lệch của hệ thống

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG ĐỘNG CƠ

BLDC 2.1 Giới thiệu tổng quan động cơ một chiều không chổi than BLDC

2.1.1 Cấu tạo – Nguyên lý hoạt động

Hình 2.2 Cấu tao động cơ BLDC

Giới thiệu điểm khác biệt chính giữa động cơ DC và động cơ BLDC Động cơ DC có nhược điểm chính là hệ thống cổ góp-chổi than sinh

ra tia lửa điện, có khả năng gây cháy nổ, đòi hỏi tần suất bảo trì cao, tuổi thọ động cơ kém do ma sát giữa chổi than và cổ góp Để tránh những nhược điểm trên máy điện một chiều không chổi than BLDC

ra đời, đây thực chất là máy điện một chiều có hệ thống đảo chiều dòng điện bán dẫn

Động cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí Rotor để cho động

cơ hoạt động Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định

vị trí Rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí Rotor như vậy nên

động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ

Hình 2.9: Chuyển mạch với công tắc điện tử

Hoạt động của động cơ được điều khiển bởi dòng điện đi vào 3 cuôn dây stator theo tuần tự 6 bước Tại một thời điểm bất kỳ sẽ có 2 trong 3 cuộn dây được dẫn điện Thời điểm chuyển mạch dòng điện là thời điểm mà một trong ba tín hiệu cảm biến Hall thay đổi mức logic Trong một chu kỳ điện có sáu lần chuyển mức logic của ba cảm biến Hall Do đó trình tự chuyển mạch này gọi là trình tự chuyển mạch 6 bước

Hình 2.11: Mô tả trình tự chuyển mạch của các van bán dẫn trong

mạch điều khiển động cơ BLDC 3 pha

2.1.2 Đánh giá ưu nhược điểm

2.1.3 Một số lĩnh vực ứng dụng động cơ BLDC

 Công nghiệp hàng không- không gian:

 Sản xuất và công nhiệp:

 Hàng hải:

 Y tế:

 Giao thông

2.2 Các lỗi của động cơ BLDC và các phương pháp chẩn đoán

2.2.1 Các lỗi của động cơ BLDC

Các lỗi chính hay xảy ra bên trong động cơ BLDC có thể được chia thành 3 loại: Lỗi phần điện, lỗi phần cơ khí và lỗi bên ngoài

Hình 2.14: Phân loại lỗi động cơ điện

2.2.2 Một số phương pháp chẩn đoán lỗi cho động cơ BLDC

 Phương pháp phân tích dòng điện

 Phương pháp phân tích độ rung

 Phương pháp phân tích phóng điện cục bộ

 Phương pháp mô hình hóa

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER TRONG CHẨN ĐOAN LỖI CẢM BIẾN ĐỘNG CƠ BLDC 3.1 Mô hình toán học động cơ một chiều không chổi than BLDC

3.1.1 Mô hình toán học động cơ DC

Áp dụng định luật Kirchoff’s ta có:

Trong đó, V s là điện áp phần ứng, i là dòng điện phần ứng, R,

L lần lượt là điện trở và điện cảm phần ứng

Xét định luật Newton II cho hệ thống động học động cơ DC ở hình trên, ta có:

Trong đó ke là hằng số phản sức điện động emf, kt là hằng số momen

Sau một số phép biến đổi ta có hàm truyền động cơ BLDC là

tỷ số giữa vận tốc góc ωm và điện áp nguồn Vs

G(s) =ω

1k

τ τ s + τ s + 1Trong đó:

Hằng số thời gian cơ học

τ = RJ

k k

Và hằng số thời gian điện học

τ =LR

3.1.2 Mô hình toán học động cơ BLDC

Động cơ BLDC được xem xét là động cơ 3 pha nối Y Điện

áp sẽ được cấp tuần tự vào 3 cuộn dây theo một trình tự nhất định theo tín hiệu của cảm biến vị trí Vì bất kỳ tại bất kỳ thời điểm nào cũng có 2 pha được cấp điện nên sẽ có ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha, tức là ảnh hưởng đến các giá trị điện cảm và điện trở của động

cơ

Vì hệ thống đối xứng và 3 pha nên ta có

Hằng số thời gian cơ học

τ = J 3R

K KHằng số thời gian điện học:

τ = L

3 RXem xét ảnh hưởng giữa các pha

τ = 3 R∅ J

K ( )/√3 K

τ =3 R∅ J

K KTrong đó, Ke là giá trị pha của hằng số sức điện động

K = K ( )/√3

Do đó phương trình toán cho BLDC có thể có được theo phương trình với việc phải xem xét các hằng số ảnh hưởng và pha tương ứng

G(s) =ω

1K

τ τ s + τ s + 1

3.1.3 Mô hình không gian trạng thái BLDC

Mô hình không gian trạng thái động cơ BLDC có dạng sau

Ta tìm được mô hình không gian trạng thái với

và điều kiện ban đầu cũng giống nhau

Hình 3.4: Sơ đồ mô hình bộ quan sát ước lượng vòng hở

Phương pháp này không hiệu quả với đối tượng có A biến đổi hoặc có nhiễu Trong thực tế, rất khó để xác định điều kiện đầu của đối tượng và của bộ quan sát giống nhau

Hình 3.6: Sơ đồ mô hình bộ quan sát Luenberger

Bộ quan sát Luenberger dựa vào 2 khái niệm chính Đầu tiên

là tạo ra mô hình bản sao của hệ thống gọi là thành phần ước

lượng(predictor) Thứ hai là khái niệm đánh giá mức độ sai số ước lượng gọi là thành phần điều chỉnh(corrector)

3.3 Ứng dụng bộ quan sát để phát hiện lỗi cảm biến động cơ BLDC

Ở trạng thái bình thường(không có lỗi), khi cho 1 điện áp kích thích vào thì động cơ sẽ quay với tốc độ nhất định phụ thuộc

vào đặc tính động cơ như đã mô tả trong mô hình không gian trạng thái ở phần trước Khi có một lỗi xảy ra (có thể do thay đổi thông số bên trong hoặc kích thích bên ngoài) thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi Trong hoạt động thực tế, có thể xảy ra nhiều lỗi có thể dẫn đến tốc

độ động cơ thay đổi như thay đổi điện áp kích thích, các thông số động cơ như R, L Ngoài ra, tốc độ đo được có thể bị sai lệch bởi cảm biến đo tốc độ động cơ bị lỗi

Hình 3.7: Mô hình phát hiện lỗi cảm biến tốc độ động cơ BLDC

Các bước phát hiện lỗi động cơ BLDC dùng bộ quan sát Luenberger

Hình 3.8: Các bước phát hiện lỗi động cơ BLDC dùng bộ quan sát

( ) = ( ) − ( )

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Sử dụng Matlab Simulink để mô phỏng ứng dụng chẩn đoán lỗi trong động cơ BLDC

4.1 Mô phỏng động cơ BLDC

Động cơ BLDC được đề cập trong luận văn là động cơ BLDC của hãng MAXON Các tham số tính toán cho động cơ được dựa trên bảng thông số cung cấp bởi hãng MAXON

Hình 4.1: Mô hình động cơ BLDC có thành phần nhiễu

4.2 Mô phỏng bộ quan sát Luenberger cho động cơ BLDC và phát hiện lỗi cảm biến tốc độ động cơ

Thiết kế mô hình bộ quan sát Luenberger và sau đó giả lập các lỗi

cơ bản của cảm biến tốc độ động cơ BLDC

Hình 4.4: Sơ đồ mô hình chẩn đoán động cơ BLDC và bộ quan sát

Luenberger

Mô phỏng hệ thống chẩn đoán lỗi cảm biến động cơ BLDC

Khi không có lỗi:

Hình 4.7: Sai lệch thặng dư % khi không có lỗi

Nhận xét: Xem kết quả ta nhận thấy tại thời điểm khởi động, giá trị

sai số thặng dư là rất lớn do do điều kiện đầu của động cơ thực tế và

bộ quan sát là khác nhau Còn tất cả thời gian sau khi khởi động, sai lệch thặng dư % dao động trong ngưỡng r% < 3 % Để tránh bộ phát

hiện lỗi báo động động nhầm, ta phải bắt đầu chẩn đoán khi động cơ

đã hoạt động ổn định

Khi có lỗi:

Trường hợp 1: Lỗi gián đoạn

Hình 4.9: Đáp ứng tốc độ động cơ và mô hình(lỗi gián đoạn)

Hình 4.10: Sai lệch thặng dư (lỗi gián đoạn)

Nhận xét: Tại các thời điểm có biến động (tăng, giảm) giá trị tín

hiệu đo từ cảm biến, bộ phát hiện lỗi phát hiện được các sai lệch vượt ra ngoài giới hạn bình thường Tại thời điểm 8s không phát hiện được lỗi do mức độ lỗi không lớn đủ để phát hiện

Trường hợp 2: Lỗi đột ngột

Hình 4.12: Đáp ứng tốc độ động cơ và mô hình (Lỗi đột ngột)

Hình 4.13: Sai lệch thặng dư (Lỗi đột ngột)

Nhận xét: tại thời điểm có thay đổi tốc độ động cơ, sai lệch thặng dư

lệch mạnh khỏi ngưỡng vận hành bình thường Do đó, bộ phát hiện lỗi đã phát hiện được tình trạng làm việc bất thường của hệ thống cũng như cảm biến

Trường hợp 3: Lỗi tiến triển

Hình 4.15: Đáp ứng tốc độ động cơ và mô hình (Lỗi tiến triển)

Hình 4.16: Sai lệch thặng dư (Lỗi tiến triển)

Nhận xét: Khi có sự biến thiên giá trị đo của cảm biến thì giá trị của

sai lệch thặng dư phần trăm cũng thay đổi, tuy nhiên tốc độ thay đổi khá chậm Sau một khoảng thời gian thì sai lệch thặng dư % cũng vượt ra ngoài ngưỡng cài đặt Lúc này Lỗi mới được phát hiện Do

đó, để phát hiện được loại lỗi này, ta phải chú ý đến ngưỡng cài đặt báo lỗi Nếu ngưỡng cài đặt quá rộng, thì khả năng phát hiện lỗi càng chậm

KẾT LUẬN Luận văn “Chuẩn đoán lỗi cho động cơ điện một chiều không sử dụng chổi than sử dụng bộ quan sát Luenberger” đã

hoàn thành Để có một cái nhìn tổng thể về các công việc đã thực hiện, tác giả xin đánh giá lại các kết quả đã đạt được cũng như các hạn chế của luận văn

Về chẩn đoán lỗi và các phương pháp chẩn đoán lỗi: Khoa học chẩn đoán lỗi đã phát triển hàng chục năm với nhiều thành tựu

và đã đưa ra được nhiều phương pháp chẩn đoán lỗi như chẩn đoán lỗi dựa vào tín hiệu, chẩn đoán lỗi dựa vào tri thức, chẩn đoán lỗi dựa vào mô hình Trong đó, chẩn đoán lỗi dựa vào mô hình là một trong những phương pháp được chú ý

Về động cơ một chiều không chổi than: Động cơ không chổi than BLDC ngày càng được sử dụng nhiều do khả năng làm việc tin cậy, không đòi hỏi nhiều chi phí cũng như thời gian cho bảo trì, hiệu suất cao Tuy vậy, động cơ BLDC cũng là một loại động cơ điện, có khả năng xảy ra hư hỏng Việc giám sát và phát hiện lỗi của động cơ BLDC được sử dụng trong các hệ thống có yêu cầu cao về độ tin cậy

là một nhu cầu lớn và có thật

Trong luận văn này, tác giả đã ứng dụng thành công phương pháp dùng phương pháp xây dụng mô hình sử dụng cho chẩn đoán lỗi cho động cơ BLDC Mô hình quan sát được sử dụng ở đây là bộ quan sát kinh điển Luenberger Từ đáp ứng tốc độ của động cơ thực

và đáp ứng của mô hình quan sát Luenberger, ứng dụng đã tạo ra giá trị sai lệch thặng dư Giá trị này được dùng như là một tính hiệu chẩn đoán lỗi Phương pháp đánh giá thặng dư sử dụng phép so sánh ngưỡng để xác định liệu có lỗi xảy ra hay không Mức độ chẩn đoán

ở đây chỉ dừng lại ở mức độ phát hiện lỗi Tuy nhiên, kết quả thu được là đáng tin cậy, có thể tiếp tục được sử dụng cũng như phát

triển thành các ứng dụng cụ thể kết hợp với các phương pháp và công cụ khác để dùng trong chẩn đoán các lỗi khác của động cơ BLDC

Mặc dù, tác giả muốn được nghiên cứu sâu hơn, chi tiết hơn

về chẩn đoán lỗi cho động cơ BLDC nhưng vì điều kiện thời gian hạn hẹp, tài liệu nghiên cứu còn khó khăn, nên chỉ dừng lại ở nội dung được trình bày ở trên