Ước lượng các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc sử dụng mạng nơron nhân tạo

Cụ thể: Các phương pháp đã được đề cập ở trên chưa giải quyết được vấn đề ước lượng online đồng thời cả điện trở rôto và stato cho truyền động không cảm biến tốc độ bởi sẽ xảy ra vòng lặ

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nhiều công trình nghiên trên thế giới đã đề cập đến việc ước lượng tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc với nhiều phương pháp ước lượng khác nhau Tuy nhiên quá trình ước lượng tốc

độ động cơ đòi hỏi phải biết trước các thông số của động cơ như điện trở rôto, điện trở stato [5], [9], [14], [15] Do đó ước lượng điện trở rôto và stato theo thời gian thực có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực truyền động không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Các phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha phụ thuộc vào giá trị điện trở rôto và stato Ngoài ra phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp, tính toán góc từ thông rôto phụ thuộc vào giá trị điện trở rôto [6], [16], [35] Mặt khác điện trở rôto có thể biến thiên tới 100% do sự thay đổi nhiệt độ, tần số rôto và lấy lại các thông tin này với một mô hình nhiệt hoặc một cảm biến nhiệt độ là rất khó khăn, phức tạp bởi các cảm biến nhiệt độ phải được gắn vào các

vị trí khác nhau của rôto, điều đó có thể không thực hiện được trong tất cả các ứng dụng [5], [14], [17], [36], [37] Điện trở stato cũng có thể thay đổi 50% trong quá trình làm việc của động cơ [5], [17], [37]

do sự thay đổi nhiệt độ Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato Tuy đã có nhiều kết quả được công

bố, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu và giải quyết tiếp để nâng cao hơn nữa chất lượng của việc ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc Cụ thể: Các phương pháp đã được đề cập ở trên chưa giải quyết được vấn đề ước lượng online đồng thời cả điện trở rôto và stato cho truyền động không cảm biến tốc độ bởi sẽ xảy ra vòng lặp đại số trong chương trình ước lượng đồng thời tốc độ và điện trở rôto, dẫn đến việc ước lượng tốc độ và các điện trở sẽ không thực hiện được Chính vì vậy, những nghiên cứu về ước lượng online điện trở rôto và stato cho động

cơ không đồng bộ ba pha ứng dụng trong truyền động động cơ không đồng bộ ba pha không cảm biến tốc độ vẫn luôn cấp thiết và thu hút

được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước đặc là các phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu về ước lượng các thông số động

cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rôto lồng sóc trong quá trình làm việc sử dụng mạng nơron nhân tạo

Phạm vi nghiên cứu: trong luận án này tác giả chỉ nghiên cứu ước

lượng điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha rôto lồng sóc Bởi điện trở rôto và stato có thể thay đổi rất lớn trong quá trình làm việc của động cơ, và lấy được thông tin các giá trị của điện trở là rất khó khăn đặc biệt là đối với động cơ không đồng bộ

ba pha rôto lồng sóc Mặt khác việc ước lượng chính xác điện trở rôto

và stato sẽ nâng cao nâng cao chất lượng làm việc cho hệ truyền động không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ

4 Mục tiêu của đề tài luận án

Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ được thực hiện trong luận án:

 Các phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

 Hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha không cảm biến tốc

độ tựa từ thông rôto, các ưu và nhược điểm của hệ truyền động này; các tham số ảnh hưởng đến quá trình ước lượng tốc độ

 Các phương pháp ước lượng điện trở rôto động cơ không đồng bộ

ba pha rôto lồng sóc, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp

 Các phương pháp ước lượng điện trở stato động cơ không đồng bộ

ba pha rôto lồng sóc, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp

 Sử dụng mạng nơron nhân tạo để ước lượng đồng thời điện trở rôto

và stato trong quá trình làm việc của hệ truyền động động cơ không

tác động vào hệ truyền động không cảm biến tốc độ Các thuật toán này được thực hiện trên card DS 1104 Mục đích của nội dung nghiên cứu này là để kiểm chứng phương pháp ước lượng đồng thời cả điện trở rôto và stato trong quá trình làm việc sử dụng mạng nơron nhân tạo được tác giả đề xuất trong luận án; ngoài ra để đánh giá, kiểm chứng ý nghĩa của việc ước lượng điện trở rôto và stato cho hệ truyền động không cảm biến tốc độ với phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp- phương pháp điều khiển cơ bản, được sử dụng rộng rãi trong các biến tần hiện nay

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Ứng dụng được lý thuyết trí tuệ nhân tạo trong nhận dạng tham số

và điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha

 Xây dựng được phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng mạng nơron với tốc độ học thay đổi

 Nâng cao chất lượng làm việc của các hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không cảm biến tốc độ khi có ước lượng điện trở rôto và stato

6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sẽ được vận dụng trong luận án này bao gồm:

Sử dụng lý thuyết điều khiển và mạng nơron nhân tạo để nhận dạng điện trở rôto và stato cho hệ thống điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc; Sử dụng phần mềm mô phỏng trên máy tính (phần mềm Matlab/ Simulink) để kiểm chứng các nghiên cứu về lý thuyết; Thực nghiệm kiểm tra, khẳng định các kết quả nghiên cứu lý thuyết được cài đặt trên bộ vi điều khiển DS 1104

7 Các đóng góp mới của luận án

 Đề xuất phương pháp ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato trong quá trình làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng

bộ sử dụng mạng nơron nhân tạo với tốc độ học thay đổi (khác với [5], [17]- tốc độ học là hằng số) Ở đây tác giả đã đưa ra được hai thuật toán mới để ước lượng điện trở rôto và stato, bao gồm:

- Sử dụng mạng nơron với tốc độ học là một hàm số để ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato;

- Sử dụng mạng nơron với tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ

để ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato

 Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng phương pháp ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo với tốc độ học là hàm số trên nền vi điều khiển DS 1104

 Sử dụng các thuật toán ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato được đề xuất, sẽ nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không cảm biến tốc

độ

8 Cấu trúc của luận án

Luận án được trình bày theo các chương sau đây:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔTO

VÀ STATO CHO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 1.1 Mô hình toán của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc 1.2 Tổng quan một số phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato

Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp ước lượng điện trở rôto: thuật toán thích nghi tham chiếu mô hình MRAS của từ thông hoặc công suất phản kháng đã được thực hiện ở [38], [39], [40], [41];

bộ lọc Kalman mở rộng [42], [43], [44], [45]; bộ quan sát trượt [46], [47], [48]; lôgic mờ [50], [51], [52], [53]; mạng nơron nhân tạo [5], [17], [54] Phương pháp ước lượng điện trở stato đã được thực hiện ở [21], [55] sử dụng MRAS; bộ lọc Kalman mở rộng [56], [57]; bộ quan

sát trượt [47], [58]; bộ quan sát Luenberger [4], [59]; bộ lôgic mờ [60], [61], [62], [63], [64]; mạng nơron nhân tạo [5], [17], [65], [66] Mặc dù hiện nay có nhiều phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu, giải quyết tiếp, để nâng cao hơn nữa chất lượng của việc ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, đặc biệt là việc ứng dụng mạng nơron nhân tạo trong ước lượng điện trở rôto và stato Ở [5], [17] đã trình bày phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo nhưng phương pháp này cũng có nhược điểm: vì tốc độ học của mạng nơron là hằng số được chọn trước, việc lựa chọn tốc độ học phụ thuộc vào người nghiên cứu, do vậy nếu lựa chọn tốc độ học không phù hợp sẽ dẫn đến mạng nơron hội tụ chậm, điện trở rôto và stato được ước lượng không chính xác Do vậy nghiên cứu cải thiện độ chính xác của ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo bằng cách thay đổi tốc độ học là một hướng nghiên cứu của luận án này và sẽ được tác giả đề cập chi tiết trong chương tiếp theo

Chương 2: NGHIÊN CỨU ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔTO VÀ STATO TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC SỬ DỤNG MẠNG

NƠRON NHÂN TẠO 2.1 Tổng quan về mạng nơron trong nhận dạng các tham số 2.2 Ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo

2.2.1 Ước lượng điện trở rôto sử dụng mạng nơron nhân tạo 2.2.1.1 Ước lượng điện trở rôto sử dụng mạng nơron với tốc độ học là hằng số

Ước lượng điện trở rôto của động cơ sử dụng mạng nơron là một phần của hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình MRAS bao gồm hai

mô hình cơ bản: mô hình tham chiếu (mô hình điện áp) và mô hình thích nghi Hệ phương trình sử dụng để ước lượng từ thông rôto theo

mô hình tham chiếu như sau:

Mô hình mạng nơron (Mô hình thích nghi) (2.23)

_ +

Hình 2.7 Cấu trúc bộ ước lượng điện trở rôto dựa trên MRAS bao gồm mạng nơron được huấn luyện với thuật toán lan truyền ngược sai

số

Từ hệ phương trình (2.23), xây dựng được một mạng nơron truyền

thẳng (hình 2.8)

ψrα im (k) ψrβ im (k)

W1 W2

W3

Hình 2.8 Đồ hình mạng nơron dùng để ước lượng từ thông rôto

Các trọng số của mạng W 1 , W 3 được tìm ra từ việc huấn luyện mạng

sao cho cho hàm bình phương sai số E là nhỏ nhất ([17], [73]) Hàm bình phương sai số E được xác định như sau:

L T

2.2.1.2 Ước lượng điện trở rôto sử dụng mạng nơron nhân tạo với tốc độ học là hàm số

Phương pháp ước lượng điện trở sử dụng mạng nơron được đề xuất

ở mục 2.2.1.1 vẫn bị giới hạn là tốc độ học được lựa chọn trước và không thay đổi trong quá trình ước lượng Do vậy, nếu lựa chọn tốc độ học không phù hợp sẽ dẫn đến quá trình huấn luyện mạng chậm và sai

số đầu ra của mạng lớn Việc lựa chọn tốc độ học phù hợp chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người nghiên cứu Vấn đề được đặt ra là sẽ

thay thế các tốc độ học là hằng số bằng một hàm sao cho sau mỗi lần

cập nhật trọng số hiệu chỉnh sẽ làm giảm giá trị sai lệch E

Hàm ε i (k) là tích sai lệch của trọng số hiệu chỉnh (i= 1 hoặc 3) ở

lần tính k và (k-1) Từ đó xây dựng hàm hàm tốc độ học dựa vào sai lệch ε i (k-1) sao cho tốc độ học thay đổi theo hướng giảm sai lệch E

của mạng (Hàm sai lệch E chỉ ra ở phương trình (2.24)), tức là nếu

ε i (k-1) dương, mạng có tốc độ hội tụ chậm, phải tăng tốc độ học; nếu

ε i (k-1) âm, mạng bị quá điều chỉnh, phải giảm tốc độ học Xét hàm số:

sign( ) i

Mặt khác f(0)= 0, suy ra ε i (k)f(ε i (k) > 0 với mọi ε i (k)≠0 Từ đó xây

dựng được tốc độ học viết theo luật dưới đây:

i (k) i (k )( f ( (k i )))

Ở đây: η i (k-1) là tốc độ học ở thời điểm (k-1), η i (k) là tốc độ học ở

thời điểm k= 1 hoặc 3; α 0 Є (0, 1)

Tốc độ học được xác định ở (2.33) khác với tốc độ học đã được đề cập ở các tài liệu [5], [17], [69] Đây chính là một đóng góp mới của luận án trong phương pháp ước lượng điện trở rôto sử dụng mạng nơron nhân tạo Ở đây tốc độ học là hàm số

Điện trở rôto được ước lượng theo (2.29) hoặc (2.30) với tốc độ học xác định như (2.33)

2.2.2 Ước lượng điện trở stato sử dụng mạng nơron nhân tạo 2.2.2.1 Ước lượng điện trở stato sử dụng mạng nơron với tốc độ học là hằng số

Theo [5], [17] ta có phương trình như sau:

Trọng số của mạng W 4 được tìm ra từ việc huấn luyện mạng sao

cho cho hàm bình phương sai số E 2 là nhỏ nhất [17] W 4 được xác định như sau:

Với:

2 4

Tốc độ học được xác định ở (2.43) khác với tốc độ học đã được đề cập

ở tài liệu [5], [17], [73] Đây chính là một đóng góp mới của luận án trong phương pháp ước lượng điện trở stato sử dụng mạng nơron nhân tạo Ở đây với tốc độ học là hàm số, điện trở stato được ước lượng như (2.42)

R s_es

Phát xung

Hình 2.11 Sơ đồ khối của hệ truyền động động cơ không đồng bộ IFOC với ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron/ tốc

độ học là hàm số

Hình 2.12 Điện trở rôto của

động cơ bao gồm: điện trở

thực, điện trở ước lượng

Hình 2.13 Điện trở stato của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng

2.3 Ước lượng điện trở rôto và stato với hàm tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ

2.3.1 Ước lượng điện trở rôto với hàm tốc độ học được xây dựng

từ lôgic mờ

Như đã trình bày ở mục 2.2.1.2, hàm ε i (k) là tích sai lệch của trọng

số hiệu chỉnh i (i=1 hoặc 3) ở lần tính k và (k-1) Từ đó xây dựng hàm hàm tốc độ học dựa vào sai lệch ε i (k) sao cho tốc độ học thay đổi theo

hướng giảm sai lệch E

Nghiên cứu này sẽ đề xuất một bộ lôgic mờ để xác định tốc độ học của mạng nơron Bộ lôgic mờ sử dụng mô hình mờ Mamdani được tác giả lựa chọn để xác định tốc độ học bởi đây là mô hình mờ đơn giản,

dễ dàng trong xây dựng luật hợp thành

Z -1

Sử dụng

FL để tính toán

sự thay đổi tốc độ học

Hình 2.19 Sơ đồ khối sử dụng lôgic mờ để tính toán tốc độ học

Giá trị tốc độ học ở chu kỳ trích mẫu thứ k như sau:

1

i (k) i (k ) i (k)

Tốc độ học được xác định ở (2.47) khác với tốc độ học đã được đề cập

ở các tài liệu [5], [17], [69] Đây là một đóng góp mới của luận án trong phương pháp ước lượng điện trở rôto sử dụng mạng nơron nhân tạo Ở đây tốc độ học được xác định sử dụng lôgic mờ Điện trở rôto được ước lượng theo (2.29) hoặc (2.30)

2.3.2 Ước lượng điện trở stato với hàm tốc độ học được xây dựng

từ lôgic mờ

Tương tự như phương pháp xây dựng hàm tốc độ học ở mục 2.3.1 để ước lượng điện trở rôto Để xác định tốc độ học dùng cho ước lượng điện trở stato, cũng đề xuất một bộ lôgic mờ với các đầu vào là các tín

hiệu ε 4 (k) và Δε 4 (k); đầu ra là giá trị sai lệch của tốc độ học Δη 4 (k); luật

điều khiển mô hình mờ được chỉ ra như Bảng 2.1

Tốc độ học được xác định ở (2.48) khác với tốc độ học đã được đề cập

ở tài liệu [17], [77] Đây là một đóng góp mới của luận án trong phương pháp ước lượng điện trở stato sử dụng mạng nơron nhân tạo với tốc độ học được xác định sử dụng lôgic mờ Điện trở stato có thể được ước lượng như (2.42)

2.3.3 Các kết quả mô phỏng

Phát xung

Hình 2.24 Sơ đồ khối của hệ truyền động FOC với ước lượng điện trở rôto và stato với tốc độ học được xác định sử dụng lôgic mờ

Hình 2.27 Điện trở rôto của

động cơ bao gồm: điện trở

thực, điện trở ước lượng

Hình 2.28 Điện trở stato của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng

đã chỉ ra: ước lượng điện trở rôto và stato với tốc độ học thay đổi (tốc

độ học là hàm số hoặc tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ) đã được

đề xuất có độ chính xác cao hơn so với trường hợp tốc độ học là hằng

số Trong chương tiếp theo tác giả sẽ tập trung nghiên cứu và đánh giá các đáp ứng đầu ra của hệ truyền động không cảm biến tốc độ điều khiển tựa từ thông rôto ở hai trường hợp: khi có bộ ước lượng điện trở rôto, stato với khi không có bộ ước lượng tác động Từ đó sẽ thấy được ước lượng điện trở rôto và stato được đề xuất ở chương 2 góp phần nâng cao chất lượng cho hệ truyền động động cơ không đồng bộ

ba pha rôto lồng sóc không cảm biến tốc độ

Chương 3: TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RÔTO LỒNG SÓC KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ VỚI ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔTO VÀ STATO

3.1 Các phép biến đổi hệ tọa độ

3.2 Điều khiển tựa từ thông rôto động cơ không đồng bộ ba pha 3.3 Điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp không cảm biến tốc độ (Sensorless IFOC) với giả thiết là các tham số của động cơ không đổi trong quá trình làm việc

Ước lượng tốc

độ sử dụng mạng nơron

thông mô hình thích nghi (2.20)

Phát xung

Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha IFOC không cảm biến tốc độ với các thông số của động cơ không thay

đổi