Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp mô hình nội kết hợp mạng neural network

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN THANH TÂM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH NỘI KẾT HỢP MẠNG NEURAL NETWORK Chuyên ngành : .TỰ ĐỘNG HÓA Mã số:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN THANH TÂM

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH NỘI KẾT HỢP MẠNG NEURAL NETWORK

Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 605260

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS TRỊNH HOÀNG HƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN THANH TÂM MSHV:11156071

Ngày, tháng, năm sinh: 02.10.1988 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số : 605260

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA DÙNG

PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH NỘI KẾT HỢP VỚI MẠNG NEURAL

NETWORK

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Điều khiển tốc độ, từ thông động cơ không đồng bộ ba pha, kết hợp thay thế

mô hình thuận và ngược bằng neural network, thực nghiệm điều khiển bằng

DSPACE 1104

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: / / 2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: / / 2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS TRỊNH HOÀNG HƠN

Tp HCM, ngày tháng năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ là đề tài hoàn chỉnh cuối cùng tôi đang thực hiện trước khi hoàn thành chương trình thạc sĩ Kết quả này có được bằng chính nỗ lực học tập, nghiên cứu không ngừng của bản thân trong suốt thời gian học tập tại trường dưới sự hướng dẫn, giảng dạy của Thầy Cô

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong suốt thời gian học tập tại vừa qua

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô bộ môn Thiết Bị Điện và bộ môn Điều Khiển Tự Động đã hỗ trợ các phương tiện và tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện luận văn thạc sĩ này

Lòng cảm ơn chân thành xin gởi đến Thầy TS Trịnh Hồng Hơn, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện hoàn thành đề tài này

Xin kính gửi đến cha mẹ và những người thân lòng biết ơn vô hạn vì sự động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt để cho tôi đạt được kết quả hôm nay

Chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Ngọc Tú cùng các anh chị, đồng nghiệp và bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoàn thành luận văn này

Một lần nữa xin gửi đến Thầy Cô, gia đình và bạn bè lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất

Học viên Nguyễn Thanh Tâm

Luận văn trình bày phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp mô hình nội, có sự kết hợp với mạng neural network Trong đó, mạng neuron thay thế cho mô hình thuận và mô hình ngược của bộ điều khiển dùng mô hình nội Kết quả mô phỏng trên máy tính và thực nghiệm với DSPACE 1104 cho kết quả tốt, bộ điều khiển ổn định khi các thông số động cơ thay đổi (điện trở, điện cảm, moment quán tính thay đổi )

Abstract — The paper presents a method for controlling induction

motor using internal model control (IMC) approach combine with Neural network The forward and inverse models are nonlinear in the rotor flux coordinate and replaced by Neural network models Simulation and experiment results show that the control system has good performance and robust against changes in motor parameters (rotor and stator resistances, inductances, rotor inertia)

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, có sự hỗ trợ từ giảng viên hướng dẫn chính là Thầy Trịnh Hoàng Hơn Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn / luận án là trung thực, các tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn

Nếu phát hiện bất kỳ sự gian lận nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả

Nguyễn Thanh Tâm

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2 1.1 Tổng quan: 2

1.1.1 Động cơ không đồng bộ 2

1.1.2 Tình hình nghiên cứu 3

1.1.3 Tính cấp thiết của ứng dụng 3

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ 5

1.3.1 Phương pháp điều khiển vô hướng: 6

1.2.2 Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) 6

1.2.4 Bảng so sánh các phương pháp điều khiển: V/f, FOC, DTC 9

1.2.5 Phương pháp điều khiển Sliding mode 11

1.3 Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp dùng mô hình nội (IMC) 11

1.3.1 Ưu khuyết điểm của phương pháp điều khiển dùng mô hình nội 11

1.3.2 Cấu trúc chính của IMC: 12

1.3.3 Cấu trúc bộ điều khiển động cơ dùng phương pháp mô hình nội đối với động cơ không đồng bộ 3 pha 15

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ 17

2.1 Sơ đồ thực nghiệm 17

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý đo điện trở stator 17

2.1.2 Đo không tải và ngắn mạch xác định thông số 17

2.2 Số liệu đo đạc: 18

2.3 Xử lý số liệu và tính toán trên MATLAB 19

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH NỘI 21

3.1 Mô phỏng động cơ trên hệ tọa độ stator 21

3.2 Mô phỏng điều khiển động cơ bằng phương pháp dùng mô hình nội 33

3.2.1 Khối đối tượng điều khiển: 33

3.2.2 Xây dựng khối mô hình thuận: 33

3.2.3 Xây dựng khối mô hình ngược: 39

3.2.4 Xây dựng bộ lọc và các khối biến đổi: 43

3.3 Kết quả mô phỏng: 45

3.3.1 Thông số mô phỏng: 45

3.3.2 Đáp ứng của hệ thống 45

CHƯƠNG 4: MẠNG NEURON VÀ HUẤN LUYỆN MẠNG 51

4.1 Tổng quan về mô hình mạng nơron 51

4.2 Huấn luyện và xây dựng mạng nơron 55

4.3 Huấn luyện mạng cho bài toán điều khiển động cơ: 63

4.3.1 Dữ liệu huấn luyện mạng 63

4.3.2 Thuật toán huấn luyện mạng 63

4.3.3 Huấn luyện mạng và kết quả: 63

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG IMC KẾT HỢP VỚI MẠNG NEURON 73

5.1 Xây dựng mô hình bằng MATLAB/ Simulink 73

6.1 Kết quả mô phỏng: 74

CHƯƠNG 6: TỔNG QUAN VỀ DSPACE, CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN, ĐO LƯỜNG VÀ CÔNG SUẤT 81

6.1 Cấu hình phần cứng của DSPACE 81

6.2 Khối ADC: 82

6.3 Khối DAC: 83

6.4 Khối đọc xung tín hiệu từ encoder: 84

6.5 Các khóa công suất và điều khiển: 85

6.5.1 Khối IGBT: 85

6.5.2 Khối Nguồn DC: 86

6.5.3 Khối cấp nguồn ±15VDC: 87

6.5.4 Khối đo dòng điện: 87

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẲNG DSPACE 1104 88

7.1 Mô hình điều khiển dùng dspace 1104: 88

7.2 Phần cứng: 91

7.3 Kết quả thực nghiệm: 92

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN 98

8.1 Đánh giá tính bền vững của hệ thống điều khiển 98

8.2 Nhận xét hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha 98

8.3 Hướng phát triển và ứng dụng của đề tài 99

8.3.1 Hướng phát triển thuật toán điều khiển động cơ 99

8.3.2 Hướng phát triển hệ thống điều khiển động cơ 100

8.4 Hướng triển khai ứng dụng 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 – Động cơ khơng đồng bộ ba pha và cấu tạo bên trong 2

Hình 1 2 - Các phương pháp điều khiển động cơ khơng đồng bộ 5

Hình 1 3 - Điều khiển V/f là hằng số 6

Hình 1 4 – Mơ hình điều khiển FOC 7

Hình 1 5 – Mơ hình điều khiển DTC 8

Hình 1 6 - Điều khiển trượt cho động cơ khơng đồng bộ ba pha 11

Hình 1 7 – Cấu trúc phương pháp điều khiển dùng mơ hình nội 12

Hình 1 8 - Phương pháp mơ hình nội cĩ bộ lọc 15

Hình 1 9 - Hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ dùng mô hình nội 15 Hình 1 10 – Bộ biến đổi 16

Hình 1 11 – Mơ hình thuận 16

Hình 1 12 – Mơ hình ngược 16

Hình 2 1 - Đo điện trở stator 17

Hình 2 2 - Đo thơng số động cơ lúc khơng tải 18

Hình 2 3 - Đo thơng số động cơ lúc ngắn mạch 18

Hình 3 1 - Mơ hình tổng quát mơ phỏng động cơ 26

Hình 3 2 –Chi tiết khối mơ phỏng động cơ 27

Hình 3 3 – Khối mơ phỏng dịng điện isα 27

Hình 3 4 – Khối mơ phỏng dịng điện is 28

Hình 3 5 – Khối mơ phỏng từ thơng 28

Hình 3 6 – Khối mơ phỏng từ thơng và tốc độ 29

Hình 3 7 – Mơ hình mơ phỏng động cơ 29

Hình 3 8 – Đáp ứng dịng điện của động cơ 3 pha 30

Hình 3 9 – Đáp ứng tốc độ khi khơng tải và khi đầy tải (rad/s) 31

Hình 3 10 – Đáp ứng moment của động cơ 31

Hình 3 11 – Đáp ứng từ thơng 32

Hình 3 12 – Mơ hình mơ phỏng điều khiển dùng phương pháp IMC 33

Hình 3 13 – Tổng quan khối process 33

Hình 3 14 - Biểu diễn vector khơng gian trên hệ tọa độ dq 34

Hình 3 15 – Khối process 37

Hình 3 16 – Sơ đồ chi tiết khối mô hình thuận 38

Hình 3 17 – Khối tính dòng điện trong hệ dq 38

Hình 3 18 – Khối tính dòng điện trong hệ dq 39

Hình 3 19 – Khối tính tốc độ trong hệ dq 39

Hình 3 20 – Sơ đồ chi tiết khối mô hình ngược 41

Hình 3 21 - Equ – 2.36abe 42

Hình 3 22 - Equ – 2.36c 42

Hình 3 23 - Equ – 2.36d 42

Hình 3 24 – Khối chuyển hệ tọa độ dq sang α 43

Hình 3 25 – Bộ lọc IMC 44

Hình 3 26 – Đáp ứng danh định hệ thống 45

Hình 3 27 – Đáp ứng hệ thống khi điện trở thay đổi (bằng 1.5 lần) 46

Hình 3 28 - Đáp ứng hệ thống khi điện trở thay đổi (bằng 0.8 lần) 46

Hình 3 29 - Đáp ứng hệ thống khi điện cảm thay đổi (bằng 1.2 lần) 47

Hình 3 30 - Đáp ứng hệ thống khi điện cảm thay đổi (bằng 0.8 lần) 47

Hình 3 32 - Đáp ứng hệ thống khi moment quán tính thay đổi (bằng 5 lần) 48

Hình 3 33 - Đáp ứng hệ thống khi tất cả thông số thay đổi 48

Hình 4 1 - Cấu trúc của một nơron sinh học điển hình 51

Hình 4 2 - Nơron nhân tạo 52

Hình 4 3 - Mạng tự kết hợp 53

Hình 4 4 - Mạng kết hợp khác kiểu 54

Hình 4 5 - Mạng truyền thẳng 54

Hình 4 6 - Mạng phản hồi 55

Hình 4 7 - Mạng MLP tổng quát 55

Hình 4 8 - Mối liên hệ giữa sai số và kích thước mẫu 58

Hình 4 9 - Huấn luyện luân phiên trên hai tập mẫu 62

Hình 4 10 - Mô hình mô phỏng lấy dữ liệu huấn luyện 64

Hình 4 11 – So sánh đáp ứng của mô hình và ngõ ra neuron khi tải TL thay đổi 65

Hình 4 12 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác và mạng neuron khi điện trở thay đổi 66 Hình 4 13 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác mạng neuron khi điện cảm thay đổi 66

Hình 4 14 - So sánh đáp ứng của mô hình chính xác và mạng neuron khi J thay đổi 67

Hình 4 15 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác, neuron khi toàn bộ thông số thay đổi 67 Hình 4 16 - So sánh đáp ứng của mô hình chính xác và mạng neuron khi tải thay đổi 69 Hình 4 17 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác và mạng neuron khi điện trở thay đổi 70 Hình 4 18 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác và mạng neuron khi điện cảm thay đổi70

Hình 4 19 - So sánh đáp ứng của mô hình chính xác và mạng neuron khi J thay đổi 71

Hình 4 20 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác và mạng neuron khi toàn bộ thông số thay đổi 71

Hình 5 1 - Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ dùng phương pháp mô hình nội kết hợp neuron 73

Hình 5 2 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi danh định 74

Hình 5 3 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện trở bằng 0.8 lần thiết kế 75

Hình 5 4 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện trở bằng 1.5 lần thiết kế 76

Hình 5 5 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện cảm bằng 0.8 lần thiết kế 77

Hình 5 6 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện cảm bằng 1.2 lần thiết kế 77

Hình 5 8 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi J bằng 5 lần thiết kế 78

Hình 5 9 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi tất cả các thông số thay đổi (tăng) 79

Hình 5 10 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi tất cả các thông số thay đổi (giảm) 79

Hình 6 1 – Khối giao tiếp thiết bên ngoài của DSPACE 1104 81

Hình 6 2 - Khối ADC trong DSPACE 82

Hình 6 3 - Vị trí các kênh ADC của bộ DSPACE 82

Hình 6 4 - Khối DAC trong DSPACE 83

Hình 6 5 - Vị trí các kênh DAC của bộ DSPACE 83

Hình 6 6 - Khối master setup (encoder) 84

Hình 6 7 - Khối ngõ ra encoder 84

Hình 6 8 - Kết nối encoder với card DSPACE 85

Hình 6 9 - Khóa công suất IGBT 85

Hình 6 10 - Nguồn chỉnh lưu ba pha không điều khiển 86

Hình 6 11 - Bộ nguồn đôi 15VDC 87

Hình 6 12 - Khối đo dòng điện xoay chiều ba pha 87

Hình 7 1 - Mô hình mô phỏng thời gian thực dùng phương pháp IMC 88

Hình 7 2 - Khối đọc tín hiệu dòng điện và ước lượng từ thông 89

Hình 7 3 - Khối đọc tín hiệu từ ecoder 89

Hình 7 4 – Bộ điều khiển động cơ 90

Hình 7 5 - Mô hình điều khiển động cơ thời gian thực trên simulink 90

Hình 7 6 – Kết nối phần cứng của động cơ 91

Hình 7 7 – Mạch chuyển mức tín hiệu từ 5V lên 15V 92

Hình 7 8 – Tín hiệu từ thông và tốc độ đặt 92

Hình 7 9 - Khối quan sát dòng điện trên các pha của động cơ 93

Hình 7 10 - Bảng điều khiển xây dựng trên Control desk 94

Hình 7 11 – Đáp ứng của động cơ khi tốc độ thay đổi, từ thông không đổi 95

Hình 7 12 - Đáp ứng của động cơ khi tốc độ thay đổi, từ thông không đổi 96

Hình 7 13 - Đáp ứng của động cơ khi cả tốc độ, từ thông đều thay đổi 97

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, động cơ không đồng bộ ngày càng chứng tỏ ưu thế của mình trong các lĩnh vực công nghiệp, theo đó điều khiển động cơ không đồng bộ theo hướng chính xác và chất lượng cao thu hút nhiều sự quan tâm chú ý Tuy nhiên một vấn

đề quan trọng là động cơ không đồng bộ là hệ phi tuyến và thông số động cơ thay đổi trong quá trình làm việc Nhiều phương pháp được đưa ra để điều khiển động cơ, nhưng thường nhạy cảm với sự thay đổi thông số động cơ Một số phương pháp có tính robust cao, ít nhạy cảm với thông số như phương pháp mô hình nội, nhưng nhược điểm của phương pháp này là khối lượng tính toán lớn và phức tạp Để giảm khối lượng tính toán này, ta phải ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại: Fuzzy, Neuron Do đó, yêu cầu kết hợp các phương pháp điều khiển hiện đại vào điều khiển để ứng dụng trong thực

tế là một yêu cầu cần thiết

Với đề tài: “Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp mô hình nội kết hợp với mạng neuron network” Luận văn được trình bày gồm các chương sau:

o Chương 1: Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

o Chương 2: Thực nghiệm đo đạc thông số động cơ

o Chương 3: Mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ dùng phương pháp mô hình nội

o Chương 4: Mạng neuron và huấn luyện mạng cho bộ điều khiển

o Chương 5: Mô phỏng điều khiển động cơ bằng imc kết hợp với mạng neuron

o Chương 6: Tổng quan về dspace, các khối điều khiển, đo lường và công suất

o Chương 7: Thực nghiệm điều khiển động cơ bằng dspace 1104

o Chương 8: Kết luận

CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Hình 1 1 – Động cơ không đồng bộ ba pha và cấu tạo bên trong

Ưu điểm chính của động cơ ba pha:

- Khả năng quá tải lớn

- Hoạt động ở tốc độ thấp hoặc cao được điều chỉnh tương đối dễ dàng

- Kết cấu phần quay (rotor) chắc chắn: nhất là loại rotor lồng sóc

- Không phát sinh tia lửa điện như động cơ một chiều nên có thể hoạt động trong môi trường yêu cầu về độ an toàn cao như: cháy nổ, xăng dầu

- Ít bảo trì bảo dưỡng, bảo dưỡng dễ dàng

Một số phương pháp điều khiển động cơ được giới thiệu như sau:

- Điều khiển động cơ bằng phương pháp định hướng trường

- Phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào ra (input – output linearization)

- Phương pháp điều khiển chế độ trượt (điều khiển trượt – non linear sling mode)

- Phương pháp điều khiển dựa trên tính thụ động (passivity based control)

- Phương pháp điều khiển toàn phương tuyến tính trạng thái (linear quadratic state feedback)

-

1.1.3 Tính cấp thiết của ứng dụng

Có nhiều phương pháp được đề nghị sử dụng, nhưng được áp dụng rộng rãi nhất là phương pháp định hướng trường (FOC), phương pháp này ngày càng hoàn thiện nhờ áp dụng các tiến bộ của kỹ thuật xử lý trên máy tính và vi xử lý

Tuy nhiên nhược điễm chính của phương pháp này là nhạy cảm với sự thay đổi thông số của động cơ, thông số này ảnh hưởng lớn đến đặc tính của bộ điều khiển, để khắc phục cần phải có sự hỗ trợ từ các bộ điều khiển hiện đại như: Fuzzy, Neuron trên nền xử lý tốc độ cao

Để khắc phục sự ảnh hưởng của thông số lên bộ điều khiển, cũng có các phương pháp điều khiển khắc phục một phần tính bền vững (Robust) nhưng thuật toán tương đối phức tạp và các thông số điều khiển khó xác định

1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

- Tên đề tài: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp mô hình nội kết hợp với mạng neuron network

1.3 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

Về cơ bản, các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ được chia làm hai loại:

- Điều khiển vô hướng (scalar control)

- Điều khiển vector (vector control)

Trong phương pháp điều khiển vô hướng: biên độ và tần số của không gian vector điện áp, dòng điện và từ thông liên kết được điều khiển

Trong phương pháp điều khiển vector: vị trí tức thời cũng như biên độ và tần số của không gian vector điện áp, dòng điện, từ thông móc vòng đều được kiểm soát

Các phương pháp điều khiển động cơ dựa theo tần số được liệt kê theo sơ đồ bên dưới V/f là phương pháp điều khiển vô hướng kinh điển nhất trong khi FOC (định hướng trường – Field Oriented Control) và DTC (điều khiển momen trực tiếp – Direct Torque Control) là hai phương pháp điều khiển vector phổ biến nhất và ngày càng phát triển nhờ

sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý và vi tính

Ngoài ra, còn có một số phương pháp điều khiển khác:

Hình 1 2 - Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ

1.3.1 Phương pháp điều khiển vô hướng:

Hình 1 3 - Điều khiển V/f là hằng số

Điều khiển vô hướng là phương pháp điều khiển cổ điển và đơn giản nhất để điều khiển ĐCKĐB 3 pha Phương pháp này tạo ra điện áp 3 pha có điện áp và tần số thay đổi được và tỉ số điện áp/tần số được giữ là một hằng số để giữ cho từ thông không đổi khi điều khiển, còn được gọi là phương pháp V/f

Phương trình biểu diễn như sau:

4.44

stator stator stator

1.2.2 Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)

Phương pháp điều khiển định hướng trường được trình bày lần đầu bởi K.Hasse (Indirect FOC) và F.Blaschke (Direct FOC) vào đầu những năm 70 của thế kỷ 20

Ý tưởng của phương pháp này là nhằm biến đổi máy điện xoay chiều thành máy điện một chiều kích từ độc lập trên phương diện điều khiển

Trong phương pháp này các phương trình toán của ĐC được chuyển sang hệ trục tọa

độ từ thông rotor Từ thông rotor và momen được điều khiển thông qua điều khiển dòng điện stator

Hình 1 4 – Mô hình điều khiển FOC

Ưu điểm của điều khiển FOC:

- Các đại lượng dòng stator trong hệ tọa độ từ thông rotor trở thành các đại lượng một chiều và gần như không đổi

- Từ thông rotor và momen được điều khiển thông qua điều khiển dòng điện stator

- Từ thông và moment được điều khiển một cách độc lập

Nhược điểm của điều khiển FOC:

- Các phương trình tính toán là tương đối nhiều và sử dụng nhiều bộ thay đổi hệ trục tọa độ

- Áp dụng thuật toán FOC để điều khiển ĐC cần một bộ xử lý trung tâm đủ nhanh

và mạnh để xử lý tính toán, hoàn thành chu kỳ tính toán nhanh nhất để cho ra đáp ứng tốt nhất, các vi xử lý thông thường như 89C51, PIC16F, PIC18F không thể đáp ứng tốc độ tính toán này được

- Yêu cầu thông tin chính xác về các thông số của ĐC, khi thông số của ĐC bị thay đổi trong quá trình hoạt động thì đòi hỏi những giải thuật thích nghi phức tạp, nếu không đáp ứng của ĐC sẽ không đạt yêu cầu

1.2.3 Phương pháp điều khiển DTC

Hình 1 5 – Mô hình điều khiển DTC

Phương pháp này được phát triển lần đầu bởi I.Takahashi và T.Noguchi vào giữa những năm 80 của thế kỷ 20 Phương pháp này điều khiển trực tiếp từ thông stator và momen bằng cách so sánh từ thông, momen ước lượng với từ thông stator, momen đặt sau đó qua khâu so sánh trễ Ngõ ra của khâu so sánh trễ là sai số từ thông stator, momen, các giá trị này cùng với vị trí của từ thông stator kết hợp lại với nhau thành bộ chọn lựa điện áp điều khiển

Ưu điểm của DTC:

- Nhờ thuật toán đơn giản và đáp ứng nhanh, phương pháp này ngày càng trở nên phổ biến

- Vòng hồi tiếp bên trong của nó không phụ thuộc nhiều vào các thông số của ĐC, đối với những ĐC mà ta không biết được thông số cụ thể, đây là phương pháp phù hợp để điều khiển

Nhược điểm của DTC:

- Tần số đóng cắt ngõ ra thay đổi chứ không cố định

- Đáp ứng momen sẽ gây ra hiên tượng đập mạch nếu bộ so sánh trễ có khoảng trễ quá lớn

1.2.4 Bảng so sánh các phương pháp điều khiển: V/f, FOC, DTC

V/f = const

- Sơ đồ và giải thuật rất đơn giản

- Không cần sử dụng các cảm biến hồi tiếp dòng và

áp, tiết kiệm chi phí

- Khi điều khiển vòng

hở không kiểm soát chính xác tốc độ

- Chất lượng truyền động thấp

- Bị ảnh hưởng bởi sụt

áp nguồn và tải thay đổi làm

ảnh hưởng đến từ thông và momen ĐC

FOC

- Tần số đóng ngắt khóa cố định

- Tổn hao đóng ngắt thấp

- Có thể điều khiển độc lập

từ thông và momen

- Đáp ứng không bị ảnh hưởng khi tải thay đổi

- Phải sử dụng nhiều phép biến đổi tương quan

- Phương trình tính toán tương đối nhiều, đòi hỏi vi điều khiển có khả năng tính toán mạnh

- Phụ thuộc rất nhiều vào thông số của ĐC

DTC

- Hầu như không phụ thuộc vào thông số ĐC

- Không cần phải sử dụng các phép biến đổi tương quan

- Cho đáp ứng rất nhanh, chất lượng truyền động rất tốt, hiệu suất điều khiển cao

- Có thể điều khiển độc lập

từ thông và momen

- Đáp ứng không bị ảnh hưởng khi tải thay đổi

- Từ thông ĐC luôn được giữ tối ưu

- Tần số đóng ngắt linh kiện thay đổi khi không sử dụng các giải thuật nâng cao -Yêu cầu tốc độ tình toán và tần số lấy mẫu cao

-Xảy ra hiện tượng đập mạch do momen có sự dao động khi điều khiển ở tốc

độ thấp

1.2.5 Phương pháp điều khiển Sliding mode

Điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến đơn giản hiệu quả Tuy nhiên để thiết kế thành phần điều khiển trượt cần phải biết rõ các thông số của mô hình đối tượng cũng như các chặn trên của các thành phần bất định của mô hình Điều khiển trượt có dạng hàm dấu và có hiện tượng chattering các trạng thái xung quanh mặt trượt

Hình 1 6 - Điều khiển trượt cho động cơ không đồng bộ ba pha

Ngoài ra, còn có một số phương pháp điểu khiển khác áp dụng cho động cơ không đồng bộ được giới thiệu:

o Tuyến tính hóa vào ra

o Điều khiển dựa trên tính thụ động

o Điều khiển dựa vào phương trình trạng thái

o Điều khiển dùng phương pháp mô hình nội (IMC)

o Điều kiện ổn định nội và bền vững diễn tả bằng các hàm truyền đơn giản nên dễ sử dụng trong thiết kế (Trong lĩnh vực điều khiển động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sĩc, thơng số động cơ thay đổi theo thời gian và rất khĩ xác định chính xác)

Khuyết điểm:

- Dùng chủ yếu cho hệ tuyến tính

- Chưa được sử dụng rộng rãi trong hệ phi tuyến, đặc biệt là các hệ đa biến (Multi-input multi output-MIMO)

1.3.2 Cấu trúc chính của IMC:

Hình 1 7 – Cấu trúc phương pháp điều khiển dùng mơ hình nội

Trong đĩ:

P : Đối tượng điều khiển

Pˆ : Mô hình của đối tượng

Q : Bộ điều khiển (Mô hình ngược của ˆP) r(t) : Các tín hiệu đặt (set points)

y(t) : Các tín hiệu ngõ ra tương ứng d(t) : Nhiễu tác động lên hệ thống

Bộ Điều Khiển Q (mơ hình ngược)

Mơ hình lý tưởng: mơ hình đối tượng trùng khớp với đối tượng điều khiển

Ta cĩ: y -yˆ = 0

Trường hợp này không có tín hiệu hồi tiếp về do đó:

y = P*u = P*(Q* r) = P*Q*r

Chọn Q = ˆP-1 = P-1 nên P.Q = I (với I là ma trận đơn vị)

 y = r : giá trị ngõ ra mong muốn

Mơ hình khơng lý tưởng: mơ hình đối tượng khác với đối tượng điều khiển (đây

 y = r

Ta nhận thấy rằng nếu P  ˆP thì giá trị ra vẫn đạt được giá trị yêu cầu (giá trị mong muốn)

Nhận xét về ma trận Q

Khi tìm ma trận Q = ˆP 1 thì xuất hiện các vấn đề như sau:

o Xuất hiện thừa số (s – α ) với α > 0 ở mẫu số làm cho hệ thống mất ổn định

o Bậc tử lớn hơn bậc mẫu  không khả thi

Khắc phục: Chọn Q sao cho: Q = ˆ  1

s

a s k

) (

) (

a s k P I P u P

) (

) ( ˆ ˆ )

(

) ( ˆ

1 1

a s k P s

a s k P P I s

a s k P

)(

)(ˆ)(

)(ˆ)

(

)(

1 1

Chọn k và  sao cho sai số xác lập giữa y và r là nhỏ nhất

Khi điều khiển động cơ không đồng bộ, ngõ vào bộ điều khiển Q là tín hiệu đặt có giá trị lớn, khi có nhiễu tác động thì sai số e sẽ lớn làm hệ thống dễ mất ổn định lúc quá

độ

Để khắc phục điều này, Zafiriou và Morari đưa ra thiết kế theo kiểu 2 bước ( two – step design procedure) và cấu trúc IMC khi sai số như sau:

Hình 1 8 - Phương pháp mơ hình nội cĩ bộ lọc

Bước 1: Thiết kế bộ điều khiển danh định Q cho trường hợp mơ hình hồn tồn chính xác và khơng cĩ tác động của nhiễu ( P = ˆP, d =0)

Bước 2: Thiết kế bộ lọc IMC dựa vào đặc tính vịng kín mong muốn và sai số của

mơ hình

1.3.3 Cấu trúc bộ điều khiển động cơ dùng phương pháp mơ hình nội đối với động cơ

khơng đồng bộ 3 pha

LỌC IMC MÔ HÌNHNGƯỢC BBD ĐỘNG CƠ

MÔ HÌNH THUẬN

* Tín hiệu điều khiển là tốc độ và thông

* Khối đối tượng cần điều khiển gồm động cơ và bộ biến đổi

* Động cơ không đồng bộ 3 pha bằng hệ phương trình toán học trong hệ tọa độ từ thông stator, được qui đổi về hai pha

* Bộ biến đổi: biến đổi điện áp từ usd,usq là s - là tín hiệu ngỏ ra của mô hình ngược cũng chính la øgiá trị điện áp mong muốn đặt vào động cơ nhưng ở hệ tọa độ từ thông rotor - sang điện áp hai pha us, usp để đưa vào động cơ

BỘ BIẾN ĐỔI

Hình 1 11 – Mơ hình thuận

* Mô hình ngược: được xây dựng trên hệ tọa độ từ thông rotor, tín hiệu vào r-ref và ref sau khi qua bộ lọc nó phản ánh đúng sự nghịch đảo của mô hình thuận nên cũng được mô tả:

Hình 1 12 – Mơ hình ngược

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC THÔNG SỐ

ĐỘNG CƠ

Đo đạc thông số của đối tượng điều khiển là một trong những khâu quan trọng của quá trình thiết kế bộ điều khiển, đối tượng điều khiển trong luận văn này là động cơ không đồng bộ ba pha, đo đó việc xác định thông số động cơ là rất cần thiết

Thông số động cơ xác định được dựa trên các thí nghiệm với nguồn DC và nguồn AC

3 pha thông qua các thí nghiệm đo điện trở các cuộn dây và hỗ cảm giữa các cuộn dây của máy ba pha Các thông số xác định được là các thông số ở chế độ tĩnh, khi hoạt động, tùy theo mức độ tải mà thông số có thể thay đổi theo

2.1 Sơ đồ thực nghiệm

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý đo điện trở stator

Hình 2 1 - Đo điện trở stator

2.1.2 Đo không tải và ngắn mạch xác định thông số

 Đo không tải ở điều kiện định mức: trục động cơ chạy tự do

Hình 2 2 - Đo thông số động cơ lúc không tải

 Đo ngắn mạch ở điều kiện định mức: giữ trục động cơ

Hình 2 3 - Đo thông số động cơ lúc ngắn mạch

2.2 Số liệu đo đạc:

Để có kết quả chính xác, thí nghiệm cần đo đạc thông số nhiều lần và lấy kết quả trung bình, bảng thông số trình bày trong báo cáo của luận văn là bảng kết quả sau khi lấy trung bình của nhiều lần đo

- Đo giá trị điện trở stator:

Pha Dòng điện [A] Điện áp [V] Điện trở[Ω]

V1 W2

U2 V2 W2

W1

W2 A

V

U1

V1 W2

U2 V2 W2

W1

W2 A

V

U1

Điện trở stator là trung bình cộng của 3 giá trị điện trở trên 3 pha

9.525 9.564 9.50

9.53 3

S

- Đo thông số lúc không tải:

Pha Dòng điện [A] Điện áp [V] Công suất[W]

Trung bình 3 pha I n= 1.972A V n= 44.87V  P 210W

2.3 Xử lý số liệu và tính toán trên MATLAB

Sau khi tiến hành đo đạc thông số động cơ, m_file đƣợc thành lập tính toán kết quả thông số của động cơ không đồng bộ, thông số này đƣợc sử dụng cho việc thiết kế bộ điều khiển động cơ không đồng bộ dùng trong luận văn Riêng thông số moment quán

tính được đo đạc bằng một cách riêng, không thông qua thí nghiệm như đã trình bày trong luận văn

- Thông số động cơ thay đổi theo điều kiện làm việc của động cơ và theo nhiệt độ môi trường, do đó, xác định thông số động cơ một cách chính xác là một vấn đề cần phải quan tâm khi thiết kế bộ điều khiển

CHƯƠNG 3: MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

KHƠNG ĐỒNG BỘ DÙNG PHƯƠNG PHÁP MƠ

HÌNH NỘI

3.1 Mơ phỏng động cơ trên hệ tọa độ stator

Phương trình điện áp trên 3 dây quấn stator:

Với usu(t), usv(t), usw(t) : Điện áp trên 3 cuộn dây pha của stator

su(t), sv(t), sw(t) : Từ thông móc vòng trên 3 dây quấn stator

Rs : Điện trở dây quấn pha của stator

Biểu diễn theo dạng vector : u s p (t) =  120 0 240 0

).

( ).

( ) ( 3

sw j

( ) ( 3

sw j

).

( ).

( ) ( 3

sw j

sv

su t   t e   t e

Với:

* i s s (t) : Vector dòng stator * s s (t) : Vector từ thông stator

* Chỉ số “s” ở trên chỉ hệ quy chiếu stator

Tương tự, ta có phương trình điện áp của mạch stotor Khi quan sát trên hệ rotor (rotor ngắn mạch) :

u : Vector điện áp rotor * i r r (t) : Vector dòng rotor

* r r (t) : Vector từ thông rotor

* Rr : Điện trở rotor đã tính quy đổi qua hệ stator

* 0 : Vector không (mođul bằng không)

Các cuộn dây của động cơ có giá trị điện cảm :

* Lm : Hỗ cảm giữa rotor và stator

* L : Điện kháng tản của dây quấn stator

* Lr : Điện kháng tản của dây quấn rotor

Từ các giá trị điện cảm trên ta có:

* Ls= Lm + L s : Điện cảm stator * Lr = Lm + L  r : Điện cảm rotor Các vector từ thông stator và rotor quan hệ với các dòng stator và rotor:

s

r

Đối với động cơ không đồng bộ là một hệ điện cơ nên ta có phương trình cơ:

Me = MT +

dt

d P

Với:

* J : Moment quán tính cơ * P : Là số đôi cực của động cơ

*  : Là tốc độ của động cơ

* MT : Moment tải * Me : Moment điện từ

Mô hình trạng thái động cơ trên hệ toạ độ stator

Từ phương trình (2.6), quy về hệ quy chiếu stator :

Me = MT +

dt

d P

1  s

s m

s m

L

: Hằng số thời gian stator

r

r r

R

L

T  : Hằng số thời gian rotor

r s

m L L

L dt

i d L i R U

s r r m s s m

s s S

s s

T

i F

r r

s s r

s r r

r m s

s s r r m s s s s

L

j T L

L L

i T L

L L L

R i

s s r m

s r

j T

i T

L dt

s s s

s r r

m

s s r s

s s

U i

j T L

i T T

1 1

s s r m

s r

j T

i T

L dt

m r

T

i T

L dt

m r

T

i T

L dt

s s m

s r s r

L

L P L

i L x

P

2

312

r T

L L

Vậy hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ 3 pha trên hệ tọa độ stator như sau:

a1= 1

s T



 1 ; a2=

r T





 1

a3=





 1 ; a4=

s L



1

a5=

r T

1

; a6=

2

3p

r

m L

L2

Mô hình xây dựng trên MATLAB/ Simulink có dạng tổng quát nhƣ sau:

Hình 3 1 - Mô hình tổng quát mô phỏng động cơ

Chi tiết các khối bên trong mô hình được xây dựng dựa trên hệ phương trình mô tả động cơ:

Hình 3 2 –Chi tiết khối mô phỏng động cơ

Khối mô phỏng dòng điện is dựa vào phương trình 2.24a (Equ _2.24a):

Hình 3 3 – Khối mô phỏng dòng điện i sα

Khối mô phỏng dòng điện is dựa vào phương trình 2.24b (Equ _2.24b)