Điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

Tính cấp thiết của ñề tài Ngày nay ñộng cơ ñiện ñồng bộ ñược sử dụng nhiều trong lĩnh vực ñiều khiển, trong công nghiệp vì nó có những ñặc ñiểm vượt trội như hiệu suất, Cos ϕ cao, tốc ñ

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Công trình ñược hoăn thănh tại

ĐẠI HỌC ĐĂ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Võ Như Tiến

Phản biện 1: Nguyễn Đức Thành

Phản biện 2: Trần Đình Khôi Quốc

Luận văn ñê ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đă Nẵng văo ngăy 07 thâng 5 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tđm Thông tin - Học liệu, Đại học Đă Nẵng

- Trung tđm Học liệu, Đại học Đă Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Ngày nay ñộng cơ ñiện ñồng bộ ñược sử dụng nhiều trong lĩnh vực

ñiều khiển, trong công nghiệp vì nó có những ñặc ñiểm vượt trội như

hiệu suất, Cos ϕ cao, tốc ñộ ít phụ thuộc vào ñiện áp

Cũng như các hệ thống ñiều khiển khác, chất lượng các hệ ñiều khiển truyền ñộng ñiện phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của các bộ ñiều khiển, ở ñó hệ thống phải tạo ra ñược khả năng thay ñổi tốc ñộ trơn, mịn với phạm vi ñiều chỉnh rộng

Nhiều giải thuật ñiều khiển ñộng cơ ñồng bộ ñã ñược nghiên cứu và

ứng dụng trong lĩnh vực truyền ñộng ñiện như: Phương pháp ñiều khiển

vector (Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control- DTC),

ñiều khiển tựa theo từ thông (Field Orientated Control- FOC)), phương

pháp ñiều khiển vô hướng (Điều khiển V/f = hằng số)

Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền ñộng ñiện xoay

chiều, người nghiên cứu chọn ñề tài “ñiều khiển ñộng cơ ñồng bộ

kích thích vĩnh cửu” làm ñề tài cho luận văn Thạc sĩ

2 Mục tiêu của ñề tài

- Nghiên cứu ứng dụng mạng neural truyền thẳng nhiều lớp ñiều khiển ñộng cơ ñồng bộ kích thích vĩnh cửu

- So sánh giữa hai phương pháp ñiều khiển: PID và neural

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Truyền ñộng ñộng cơ ñiện ñồng bộ xoay chiều ba pha kích thích

vĩnh cửu

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu nguyên lý ñiều khiển hệ truyền ñộng ñộng cơ ñồng bộ dùng PID và dùng mạng nơron

- Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng ñộng cơ ñiện ñồng bộ trên nền Matlab & Simulink

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

6 Cấu trúc của luận văn

Bản luận văn gồm: Phần mở ñầu, kết luận và 4 chương mục

Chương 1 Tổng quan về ñiều khiển truyền ñộng ñiện xoay chiều

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA 1.1 TỔNG QUAN

Truyền ñộng ñiện ñóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm

GS-TS Nguyễn Phùng Quang ñã cho ra ñời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp ñiều chỉnh dòng trong truyền ñộng ñiện xoay chiều ba pha: Nguyên lý và hạn chế của chúng” giới thiệu phương pháp ñiều khiển tựa theo từ thông, và giới thiệu cách tiếp cận với các thuật toán thích hợp cho việc ñiều khiển bằng số

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA

1.2.1 Điều khiển vô hướng ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha

1.2.2 Phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung (PWM)

1.2.2.1 Điều chế theo phương pháp SPWM

1.2.2.2 Phương pháp ñiều chế vector không gian

1.2.3 Điều khiển tựa theo từ thông

Điều khiển tựa theo từ thông (Field orientation control - FOC) hoặc ñiều khiển vector (Vas, 1990) cho ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha ñạt ñược việc tách biệt thay ñổi ñộng giữa moment và từ thông dẫn ñến

việc ñiều khiển ñộc lập giữa từ thông và moment tương tự như ñộng cơ

DC kích từ ñộc lập

1.2.3.1 Điều khiển tựa theo từ thông rotor trực tiếp

1.2.3.2 Điều khiển tựa theo từ thông rotor gián tiếp

1.2.4 Điều khiển ñộ rộng xung bằng phương pháp tựa theo từ thông

1.3 NHỮNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TIÊN TIẾN HIỆN NAY 1.3.1 Điều khiển thông minh

Điều khiển thông minh là bộ ñiều khiển trong ñó bộ ñiều khiển

gồm 2 phần: Phần mềm và phần cứng Phần cứng của ñơn vị ñiều khiển

ñã phát triển trong hai thập kỷ gần ñây Còn phần mềm chứa những kỹ

thuật ñiều khiển khác nhau ñược lập trình vào phần cứng

1.4.2 Bộ biến tần ñiều khiển

1.4.3 Kiểm tra thiết bị truyền ñộng AC

1.4.4 Phương pháp ñiều khiển, xây dựng và thiết kế bộ ñiều khiển

ñi kèm

1.4.5 Kết luận chương 1

Hiện nay các phương pháp trên ñã ñược ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực ñiều khiển truyền ñộng ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha Tuy nhiên, bên cạnh những ưu ñiểm, các phương pháp vẫn tồn tại những khuyết ñiểm:

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

- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền ñộng ñặc tính thấp

- Điều khiển tựa theo từ thông vẫn gặp một số hạn chế: Nhạy với sự thay ñổi thông số của ñộng cơ như hằng số thời gian rotor và ño lường

từ thông không chính xác tại tốc ñộ thấp Do ñó, hiệu suất giảm Để

khắc phục những nhược ñiểm trên, việc kết hợp ñiều khiển trí tuệ nhân

tạo với kỹ thuật ñiều khiển kinh ñiển ñã ra ñời góp phần không nhỏ

trong việc phát triển lĩnh vực ñiều khiển truyền ñộng ñiện xoay chiều 3 pha

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM) 2.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ PMSM

2.2 VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA 2.2.1 Xây dựng vector không gian

Động cơ xoay chiều ba pha ñều có ba cuộn dây stator với dòng ñiện

ba pha bố trí không gian

isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 (2.1)Nếu trên mặt phẳng ñó ta thiết lập một hệ tọa ñộ phức với trục thực

ñi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau:

γ

j s j

sw j

sv su

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

Dòng ñiện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng stator

s

i mới thu ñược lên trục của cuộn dây pha tương ứng

Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là

trục β Chiếu vector i s lên hai trục, ta ñược hai hình chiếu là isαvà

sv( t ) e

i 3 2

0

240 j

sw( t ) e

i 3 2

) t ( i 3

Hình 2.3 Biểu diễn dòng ñiện stator dưới dạng vector không gian ở hệ

tọa ñộ αβ

2.2.2 Chuyển hệ tọa ñộ cho vector không gian

Ta xây dựng một hệ tọa ñộ mới dq có chung ñiểm gốc với hệ tọa ñộ

αβ và nằm lệch ñi một góc θs

Dễ dàng chuyển tọa ñộ αβ sang tọa ñộ 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

Cuộn dây pha u

Cuộn dây

pha w

Cuộn dây pha v

ψ

i

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

Hình 2.5 Biểu diễn các vector trên hệ tọa ñộ từ thông rotor

Giả thiết ñộng cơ quay với tốc ñộ

θ π

ω =2 = trong ñó fs là tần số của mạch

ñiện stator.ω = ωsvà θ =θs

2.3 MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ PMSM BA PHA

2.3.1 Lý do xây dựng mô hình

Để xây dựng, thiết kế bộ ñiều khiển cần phải có mô hình mô tả ñối

tượng ñiều khiển

2.3.2 Hệ phương trình cơ bản của ñộng cơ

S f

f S f

S S f

dt

d i R

u = + ψ + ω ψ (2.16)

Véc tơ từ thông rotor :

f p

f s s f

Phương trình moment

) (

2

3

s s c

J m m

c T M

ω

+

2.3.3 Các tham số của ñộng cơ

2.3.4 Mô hình trạng thái của ñộng cơ trên hệ tọa ñộ rotor (dq)

Phương trình ñiện áp

sq sq s

sd sd sd s

dt

di L i

R

p s sd sd s

sq sq sq s

dt

di L i

R

Phương trình dòng ñiện

sd sd

sq sd

sq s sd sd

L

i L

L i

T

dt

+ +

−

sq

p s sq sq sq sq sd sq

sd s sq

L

u L

i T

i L

L dt

Hình 2.9 Mô hình ñộng cơ ñồng bộ ba pha kích thích vĩnh cửu trên hệ

tọa ñộ dq

Phương trình (2.23) ñược viết lại dưới dạng mô hình trạng thái sau

s p s

f s f f s f f s f

f

s

S i

N u B i A

pT

T

+ 1

L L

sd sq

L L

sq p

_

sq

sd L

L−

0 1

L

L B

1 0

0 1

sq

sd

sd sq

L

L

L L

Để thiết kế một hệ thống ñiều khiển cho ñộng cơ ñồng bộ trên cơ sở sử

dụng vi xử lý thì cần phải có một mô hình gián ñoạn ñể có thể mô tả một cách chính xác ñối tượng tại các thời ñiểm

sd s

sd

sq s sd f

T

T L

L T

L

L T T T

sd f

L

T L

T L T

L T L T H

is f

f

H

2.3.5 Đặc ñiểm phi tuyến của mô hình ñộng cơ ñồng bộ

Cấu trúc phi tuyến , tham số phi tuyến , phi tuyến rác

và vector từ thông rotor ψp , cùng với hệ tọa ñộ dq quay ñồng

bộ với nhau với tốc ñộ ωsquanh ñiểm gốc, do ñó các phần tử của

vector

f

s

i

(isd và isq) là các ñại lượng một chiều

- Trong chế ñộ xác lập, các giá trị này gần như không ñổi, trong quá trình quá ñộ, các giá trị này có thể biến ñổi theo một thuật toán ñiều khiển ñã ñược ñịnh trước

Chương 3: CẤU TRÚC TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR

3.1 ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

3.1.1 Điều kiện ñiều khiển moment tối ưu

3.1.2 Cơ sở của phương pháp tựa theo từ thông rotor

Ở ñộng cơ ñồng bộ, góc pha của từ thông rotor chính là góc cơ học

của rotor và do ñó có thể ño ñược dễ dàng bằng cách tích phân tín hiệu

ra của máy ño tốc ñộ quay với một gía trị ban ñầu nào ñó

3.2 CẤU TRÚC TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR

3.2.1 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor

Cần sử dụng một khâu ñiều chỉnh dòng (ĐCD) nhằm áp ñặt nhanh

2 dòng isd, isq ñể ñiều khiển từ thông rotor và mômen quay Vì vậy,

người ta sử dụng riêng lẽ 2 bộ ñiều chỉnh dòng isd và isq (ĐCid và ĐCiq) kiểu PI, trong ñó giá trị cần và giá trị thực là các ñại lượng hình sin Các ñầu ra của ĐCid và ĐCiq ñược gọi là yd và yq

Hình 3.5 Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ ñồng bộ nuôi bởi biến tần

nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor

3.2.2 Nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor

3.2.3 Xây dựng thuật toán ñiều khiển

d s

s s q s sq

q s

s s d s sd

y pT

L y

R u

y pT

L y

R u

σ σ σ σ

ω

ω++

▪ Chuyển ñổi hệ toạ ñộ dòng ñiện (CTĐi):

1

sv su s

su s

i i i

i i

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

s sq s sd s

cos u sin u u

sin u cos u u

θ θ

θ θ

s s

sv

s su

u u u

u 2

3 u

2

1 u

u u

α

(3.13)

▪ Khâu ñiều chỉnh tốc ñộ quay (ĐCω):

) )(

p

K K

(

y = + ∆ (3.16)

3.2.4 Kết luận chương 3

Cần áp ñặt nhanh và chính xác dòng isq của ñộng cơ, là ñại lượng

ñiều khiển moment ñộng cơ (dòng tạo mômen quay)

Bằng việc mô tả ñộng cơ ñồng bộ ba pha trên hệ dq, không còn

quan tâm ñến từng dòng ñiện pha riêng lẻ nữa, mà là toàn bộ vector không gian dòng stator của ñộng cơ

Chương 4 : ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG

CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU

4.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG NEURAL

4.1.1 Tổng quan bộ não người và neural sinh học

4.1.2 Khái niệm mạng neural

4.1.3 Mô hình mạng nơron nhân tạo

Nơron là ñơn vị xử lý thông tin cơ bản cho sự vận hành mạng nơron

Hình 4.4 Mô hình của một neural

4.1.4 Phân loại mạng neural

4.1.4.1 Mạng truyền thẳng (Feedforward Network)

4.1.4.2 Mạng hồi quy (Recurrent Network)

4.2.3 Mô hình toán học mạng neural truyền thẳng và mạng neural hồi quy

4.2.3.1 Mạng neural truyền thẳng một lớp (Single- Layer Feedforward Network)

Hình 4.10 Ký hiệu một lớp mạng

4.2.3.2 Mạng neural truyền thẳng nhiều lớp (Multi-Layer

Feedforward Network)

Hình 4.12 K ý hiệu tắt của mạng neural 3 lớp

4.2.3.3 Mạng nơron hồi quy không hoàn toàn (Partially Recrrent Networks)

4.2.3.4 Mạng nơron hồi quy hoàn toàn (Fully Recrrent Networks

Hình 4.13 Ký hiệu một lớp mạng hồi quy

4.2.4 Huấn luyện mạng neural

▪ Huấn luyện có giám sát (Supervised learning)

▪ Huấn luyện không giám sát (Unsupervised learning)

▪ Huấn luyện củng cố (Reinforcement learning)

4.2.5 Trình tự các bước xây dựng một mạng neural

Bước 1: Xác ñịnh vấn ñề cần phải ứng dụng mạng, chọn cấu trúc mạng

Bước 2: Xác ñịnh các biến ñầu vào và ñầu ra của mạng

Bước 3: Tìm kiếm tập mẫu

Bước 4: Huấn luyện mạng

Bước 5: Sử dụng mạng

4.2 GIẢI THUẬT LAN TRUYỀN NGƯỢC

4.2.1 Định nghĩa hàm mục tiêu

Cấu trúc của neural như hình 4.16

Hình 4.16 Cấu trúc của mạng neural

4.2.2 Tính toán trọng số mạng truyền thẳng nhiều lớp

4.2.2.1 Tính toán trọng số mạng truyền thẳng một lớp ẩn

a) Lan truyền thuận ( Forward pass phase)

b) Lan truyền ngược (Backward pass phase)

4.2.2.2 Tính toán trọng số mạng truyền thẳng nhiều lớp ẩn

4.3 ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

Ưu ñiểm của mạng neural là có thể xấp xỉ các quan hệ phi tuyến mà

không cần biết cấu trúc của quan hệ ñó, do ñó tác giả sử dụng thay thế

bộ PID của vòng ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ

4.3.1 Ứng dụng mạng neural truyền thẳng nhiều lớp thay thế bộ PID vòng ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ ñồng bộ kích thích vĩnh cửu

Mạng truyền thẳng nhiều lớp ñược sử dụng trong ñó những ngõ vào

là giá trị hiện tại và giá trị trễ TDL (Tapped Delay line) của dòng ñiện

và tốc ñộ của ñộng cơ Hệ thống sử dụng cả dữ liệu ngõ vào và ngõ ra Các trọng số và bias ñược update sau mỗi tập dữ liệu huấn luyện Trong phương pháp này, trọng số sẽ ñược ñiều chỉnh thông qua những vòng lặp cho ñến khi ñạt ñược sai số bình phương tối thiểu giữa ngõ ra mạng nơron và giá trị ñích thì dừng lại

4.3.2 Mô hình ñiều khiển ứng dụng mạng nơron

Mạng neural thay thế bộ PID của vòng ñiều khiển tốc ñộ ñồng bộ,

ñược luyện ñể “bắt chước” bộ ñiều khiển hiện tại

Hình 4.20 Mô hình ñiều khiển ứng dụng mạng neural

Quá trình luyện mạng gồm các bước sau

Bước 1: Chọn số nơ ron trong lớp ẩn Sj, việc chọn Sj phụ thuộc vào cấu trúc mạng, số biến tín hiệu vào N và mức ñộ phi tuyến của hệ thống, ban ñầu có thể chọn Sj = N.(N-1)

i

r

Mạng huấn luyện

Chọn biến ñầu vào mạng neural là tốc ñộ và dòng ñiện là các biến

có chứa thông tin của biến ñầu ra Isq*, ta xây dựng mô hình mạng neural truyền thẳng có1 lớp ẩn có ñặc ñiểm lớp vào có 3 ngõ vào, một lớp ẩn có 12 neural có hàm chuyển ñổi dạng tansig, ngõ ra có hàm chuyển ñổi dạng purelin như hình vẽ

Hình 4.21: Cấu trúc rút gọn của mạng (3x12x1)

Mạng neural ñiều khiển ñược thiết kế ñể thay thế bộ ñiều khiển PID kinh ñiển và bù thêm vào các tham số nhằm cực tiểu hoá sai lệch giữa tín hiệu ra hệ thống và tín hiệu mẫu làm cho hệ thống bám ñược theo

mô hình mẫu

Dùng phương pháp học có giám sát và luật cập nhật ma trận trọng số Tín hiệu vào của mạng bao gồm tín hiệu ñặt, tín hiệu ra của mạng ñược

so sánh với tín hiệu vào ñảm bảo sai lệch ñầu ra e(k+1) = 0

Việc dạy mạng ñiều khiển ñược tiến hành với 1000 lần học từ mô hình hệ thống, cập nhật trọng số theo thuật toán “giảm gradient”

4.3.3 Các sơ ñồ mô phỏng trên Matlab - Simulink

4.3.3.1 Mô hình ñộng cơ ĐB

Để thành lập mô hình ñộng cơ ĐB ta dựa vào các phương trình

(2.28), (2.29) và (2.30) trong hệ toạ ñộ dq

4.3.3.2 Mạng tính áp:

Khối Mạng tính áp MTu ñược xây dựng từ biểu thức (3.6), (3.7)

4.3.3.3 Chuyển ñổi hệ toạ ñộ ñiện áp

Khối ñổi hệ toạ ñộ ñiện áp CTĐu ñược xây dựng từ các biểu thức

(3.12), (3.13)

4.3.3.4 Chuyển ñổi hệ toạ ñộ dòng ñiện

Khối ñổi hệ toạ ñộ dòng ñiện CTĐi ñược xây dựng từ các biểu thức

(3.12), (3.13)

4.3.3.5 Điều chế ñộ rộng xung

4.3.3.6 Bộ nghịch lưu

Từ các khối trên, ta tiến hành xây dựng cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ

ĐB nuôi bởi biến tần nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor

Hình 4.33 Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ ĐB nuôi bởi biến tần nguồn

áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor

4.4 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

4.4.1 Mô phỏng truyền ñộng ñộng cơ ĐB sử dụng bộ PID kinh ñiển

a) Đáp ứng tốc ñộ khi khởi ñộng không tải và khi ñiều chỉnh tốc ñộ từ

1000V/p lên 1500V/p

c)Đáp ứng tốc ñộ và dòng ñiện khi khởi ñộng sau 0.1 giây ñóng tải

Hình 4.34.a),b),c) Các ñáp ứng của truyền ñộng ñộng cơ ĐB sử

dụng bộ PID kinh ñiển

Nhận xét: - Thời gian khởi ñộng 0,02s

- Tại thời ñiểm 0,01s, ñóng tải, dòng ñiện tăng tốc ñộ ít dao ñộng

4.4.2 Mô phỏng truyền ñộng ñộng cơ ĐB sử dụng mạng neural

H ình 4.35 Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ ĐB nuôi bởi biến tần nguồn áp

và ứng dụng mạng neural

a) Chọn tập dữ liệu huấn luyện

Tập dữ liệu huấn luyện ñược chọn là tốc ñộ và dòng ñiện trên hệ tọa ñộ dq Gồm 500 mẫu với chu kỳ lấy mẫu là 1ms

Đ óng tải

Đ óng tải