Điều khiển mờ động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

Trong hệ thống truyền ñộng ñiện, chất lượng ñiều khiển của hệ thống vẫn còn bị ảnh hưởng bởi sự thay ñổi biến tham số ñộng cơ như moment quán tính J, ñiện trở rotor Rr.. + Nghiên cứu lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PSG.TS.ĐOÀNQUANG VINH

Phản biện 1: Phản biện 2:

Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Tự ñộng hóa họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 05 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Thư viện trường Đại Học Bách Khoa Đà nẵng, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trước ñây, các hệ truyền ñộng ñiện thường sử dụng ñộng cơ

ñiện một chiều Những năm gần ñây, ñộng cơ một chiều ñược thay

thế dần bởi ñộng cơ không ñồng bộ (ĐCKĐB) ba pha vì những ưu

ñiểm nổi bật của nó như: hiệu suất cao, kết cấu ñơn giản, gọn nhẹ,

giá thành chế tạo và chi phí vận hành thấp, làm việc tin cậy, sử dụng tốt trong môi trường công nghiệp Bên cạnh những ưu ñiểm trên, nó

có nhược ñiểm là phức tạp trong ñiều khiển do ñặc tính phi tuyến

mạnh Như vậy, việc ñiều khiển ñộng ĐCKĐB ba pha là một chiến

lược hết sức cần thiết và quan trọng hiện nay

Trong hệ thống truyền ñộng ñiện, chất lượng ñiều khiển của

hệ thống vẫn còn bị ảnh hưởng bởi sự thay ñổi biến tham số ñộng cơ như moment quán tính J, ñiện trở rotor Rr Để giải quyết vấn ñề này trên ta sử dụng bộ ñiều khiển mờ ñể ñiều khiển tốc ñộ ĐCKĐB ba pha nhằm nâng cao chất lượng ñiều khiển

+ Nghiên cứu mô hình của ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc + Nghiên cứu nguyên lý, cấu trúc của hệ thống ñiều khiển vô hướng ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc

+ Nghiên cứu lý thuyết ñiều khiển mờ và ứng dụng bộ ñiều khiển mờ vào hệ thống ñiều khiển ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc

+ Tìm hiểu phần mềm Matlab và ứng dụng ñể mô phỏng

3 ĐẶT TÊN ĐỀ TÀI

Căn cứ vào mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ở trên, người

nghiên cứu chọn tên ñề tài: “Điều khiển mờ ñộng cơ không ñồng bộ

3 pha rotor lồng sóc”

4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

a Đối tượng nghiên cứu

+ Khảo sát trên ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc

+ Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm Matlab ñể mô phỏng hệ thống

b Phạm vi nghiên cứu

+ Điều khiển vô hướng dùng bộ ñiều khiển mờ

+ Xây dựng bộ ñiều khiển và mô phỏng trên Matlab

a Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Ở phương pháp này người nghiên cứu tìm hiểu các tài liệu

hỗ trợ có liên quan ñến ñề tài Qua ñó người thực hiện ñưa ra những nhận ñịnh và rút ra ñược nội dung cần trình bày trong luận văn Bên cạnh việc rút ra những nhận ñịnh, phương pháp nghiên cứu lý thuyết còn giúp cho người nghiên cứu hiểu ñược cách thức thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab

b Phương pháp nghiên cứu tổng hợp hệ thống

Người nghiên cứu tìm hiểu kết quả của các công trình ñi trước, từ ñó so sánh với kết quả ñã ñạt ñược Qua kết quả so sánh ñó,

người nghiên cứu ñiều chỉnh lại phương pháp nghiên cứu lý thuyết

và cân chỉnh lại kết quả mô phỏng ñể ñạt ñược kết quả thích hợp

c Phương pháp nghiên cứu quan sát kiểm nghiệm

Sau khi ñạt ñược kết quả thích hợp, người nghiên cứu sẽ

trình bày trước giới có chuyên môn cao ñể ñược nghe nhận xét và

ñóng góp ý kiến về kết quả ñã ñạt ñược Qua ñó kết quả mô phỏng

một lần nữa ñược cân chỉnh ñể hoàn thiện hơn

a Ý nghĩa khoa học

+ Sử dụng phương pháp ñiều khiển vô hướng

+ Ứng dụng lý thuyết ñiều khiển mờ

b Giá trị thực tiễn

Góp phần xây dựng vào các giải pháp nhằm nâng cao hiệu

suất sử dụng của các thiết bị ñiện, tạo thêm một hướng mới trong kỹ thuật ñiều khiển ĐCKĐB mà hiện nay trong lĩnh vực công nghiệp rất quan tâm

Nội dung chính của ñề tài bao gồm như sau: Ngoài phần mở

ñầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương:

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC

CHƯƠNG 2: HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ MÔ HÌNH ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC

1.1 XÁC ĐỊNH VECTOR KHÔNG GIAN

1.1.1 Bi ểu diễn vector không gian cho các ñại lượng ba pha

1.1.2 Hệ tọa ñộ cố ñịnh stator

1.1.3 Hệ quy chiếu quay

1.1.4 Biểu diễn các vector không gian trên hệ toạ ñộ từ thông rotor

1.2 MÔ HÌNH CỦA ĐCKĐB BA PHA

1.2.1 Các phương trình cơ bản của ñộng cơ KĐB ba pha 1.2.2 Phương trình ñiện áp stator

1.2.3 Ph ương trình ñiện áp rotor

1.3 MÔ HÌNH TRẠNG THÁI CỦA ĐCKĐB BA PHA TRÊN

HỆ TỌA ĐỘ αβ

Mô phỏng ĐCKĐB ba pha trên hệ toạ ñộ αβ:

Hình 1.9 S ơ ñồ khối mô phỏng ĐCKĐB ba pha trên hệ toạ ñộ αβ

1.4 MÔ HÌNH TRẠNG THÁI CỦA ĐCKĐB BA PHA TRÊN

H Ệ TỌA ĐỘ dq

Mô phỏng ĐCKĐB ba pha trên hệ toạ ñộ dq:

Hình 1.19 S ơ ñồ khối mô phỏng ĐCKĐB ba pha trên hệ toạ ñộ dq

CHƯƠNG 2: HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

ROTOR LỒNG SÓC

PHA

2.1.1 Giới thiệu chung

2.1.2 Bi ến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

2.1.3 Biến tần gián tiếp

2.1.3.1 Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu ñiều khiển

Mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi ĐCKĐB ba pha theo nguyên tắc thông thường:

Hình 2.5 S ơ ñồ khối mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi ĐCKĐB ba pha theo nguyên tắc thông thường

• Kết quả mô phỏng:

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -400

2.1.3.2 Biến tần dùng chỉnh lưu không ñiều khiển có thêm bộ

biến ñổi xung ñiện áp

2.1.3.3 Biến tần dùng chỉnh lưu không ñiều khiển với nghịch lưu PWM

Mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi ĐCKĐB ba pha theo phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung (PWM):

Hình 2.11 Sơ ñồ khối mô phỏng ñiều khiển nghịch lưu nuôi ĐCKĐB

ba pha theo phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung

2.1.3.4 Biến tần ñiều khiển vector

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐCKĐB BA PHA 2.2.1 Ph ương pháp ñiều khiển vô hướng

Trị số hiệu dụng sức ñiện ñộng stator là:

Es = ωsΦmKwN1/ 2= 4.44KwfsN1Φm (2.3)

Từ (2.3) thấy rằng Φm sẽ tỉ lệ với tỉ số Es/ωs hoặc Es/fs

Khi ñiều khiển tần số, nếu giữ từ thông khe hở không ñổi thì

ñộng cơ sẽ ñược sử dụng hiệu quả nhất, tức là khả năng sinh moment

lớn nhất Từ thông khe hở không ñổi khi duy trì tỉ số Es/fs không ñổi Nếu sụt áp trên trở kháng từ bé có thể bỏ qua thì sức ñiện ñộng Es sẽ xấp xỉ bằng ñiện áp Us Do ñó từ thông khe hở sẽ ñược duy trì gần không ñổi khi duy trì tỉ số Us/fs là hằng số Đây là nội dung cơ bản

của luật ñiều khiển ñiện áp - tần số không ñổi

Đặc tính tuyến tính ñiện áp - tần số ñược thực hiện bằng kỹ

thuật ñiều khiển ñiện áp - tần số trong các bộ biến tần Tuy nhiên ở

vùng tần số thấp, sụt áp trên trở kháng từ lớn nên từ thông khe hở sẽ

giảm, khả năng sinh moment của ñộng cơ sẽ giảm

Vì vậy trong áp dụng thực tế, tỉ lệ ñiện áp - tần số thường

ñược tăng lên ở vùng tần số thấp ñể bù lại sụt áp trên ñiện trở stator

Trên hình (2.14) là các ñặc tính ñiện áp - tần số Dạng ñặc tính tuyến

tính là dạng mang tính lý thuyết, hai ñặc tính khác là ñặc tính sử

dụng trong thực tế Với dạng ñặc tính phi tuyến, ñiện áp tỉ lệ tần số ở

vùng tần số cao, khi tần số giảm nhỏ, ñiện áp ñược tăng trơn ñều

tương ñối so với lý thuyết Ở ñặc tính thứ ba, ñiện áp stator ñược

Máy ño tốc ñộ quay

2.2.2 Sơ ñồ cấu trúc hệ thống ñiều khiển

Hình 2.17 S ơ ñồ cấu trúc ñiều khiển vô hướng ĐCKĐB ba pha

• Sơ ñồ khối mô phỏng:

Hình 2.18 S ơ ñồ khối mô phỏng hệ thống ñiều khiển vô hướng

Hình 2.24 Tốc ñộ Rotor

Hình 2.26 Tốc ñộ Rotor

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

U f

U

ñm ñm

s

50

3805.47361

 Với giá trị tốc ñộ ñặt ωrñ giữ nguyên, thay ñổi moment

tải Mc: Chọn ωrñ = 152 (Rad/s), MC =10N.m

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 60

Kết luận: Như vậy ta ñã thực hiện ñược nhiệm vụ ñề ra là

ñiều khiển ñiện áp - tần số không ñổi, tốc ñộ ñộng cơ ñược ñiều

khiển bám theo tốc ñộ ñặt rất tốt Tuy nhiên các kết quả trên chỉ tính toán cho một chế ñộ làm việc cụ thể Trong thực tế, trong quá trình làm việc, các tham số của ñộng cơ sẽ thay ñổi như ñiện trở Rotor Rr

hoặc moment quán tính J sẽ ảnh hưởng ñến chất lượng ñiều khiển Ví

dụ ta mô phỏng hệ thống với ωrñ = ωñm và các thông số J thay ñổi

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -50

Hình 2.29 Tốc ñộ Rotor (J =0.004)

- Nhận xét: Ta thu ñược kết quả không tốt như mong muốn

Như vậy khi moment quán tính J thay ñổi thì các thông số của hệ thống cũng thay ñổi dẫn ñến ñáp ứng ñầu ra thay ñổi Nên ta phải dùng một bộ ñiều khiển có thể chỉnh ñịnh lại các thông số hệ thống

ứng với sự thay ñổi của moment quán tính J Bộ ñiều khiển có thể ñáp ứng yêu cầu ñề ra là bộ ñiều khiển mờ

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR

3.2 GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ

3.2.1 Cấu trúc một bộ ñiều khiển mờ

3.2.2 Nguyên lý ñiều khiển mờ

3.2.3 Thiết kế bộ ñiều khiển mờ

HsKP

HsKI

y

3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÔ HƯỚNG ĐCKĐB BA PHA

3.3.1 Đặt vấn ñề

Trong hệ thống truyền ñộng ĐCKĐB ba pha, chất lượng

ñiều khiển của hệ thống bị ảnh hưởng bởi sự thay ñổi biến tham số ñộng cơ như moment quán tính J trong quá trình ñộng cơ làm việc,

dẫn ñến ñáp ứng ñầu ra thay ñổi mà mà bộ ñiều khiển PI chỉ ñược tính toán cho một chế ñộ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh ñịnh các hệ số này cho phù hợp

với thực tế ñể phát huy tốt hiệu quả của bộ ñiều khiển Dựa theo

nguyên lý chỉnh ñịnh ñó, ta thiết kế bộ ñiều khiển mờ ở vòng ngoài

ñể chỉnh ñịnh tham số bộ PI ở vòng trong ứng với sự thay ñổi của

moment quán tính J ñể thu ñược kết quả mong muốn

3.3.2 Cơ sở thiết kế bộ ñiều khiển mờ

Bộ chỉnh ñịnh mờ

Đối tượng ñiều khiển

Thiết bị chỉnh ñịnh

dt

d

Cơ sở ñể thiết kế bộ ñiều khiển mờ là dựa vào việc phân tích sai lệch e(t) và ñạo hàm của sai lệch de/dt, các tham số KP, KI của bộ

ñiều khiển PI sẽ ñược tự ñộng chỉnh ñịnh theo phương pháp chỉnh ñịnh mờ Như vậy bộ chỉnh ñịnh mờ sẽ có hai ñầu vào là e(t), ñạo

hàm của sai lệch de/dt và hai ñầu ra là HsKP, và HsKI, do ñó có thể xem nó gồm hai bộ chỉnh ñịnh mờ, mỗi bộ gồm có hai ñầu vào và

một ñầu ra

3.3.3 Thiết kế bộ ñiều khiển mờ

• Áp dụng mô hình mờ Mamdani

• Xác ñịnh các ñầu vào ra:

+ Mỗi bộ có 2 ñầu vào gồm: Sai lệch e, ñạo hàm sai lệch de/dt

+ Mỗi bộ có 1 ñầu ra: Đầu ra bộ 1 là hệ số chỉnh ñịnh của

KP Đầu ra bộ 2 là hệ số chỉnh ñịnh của KI

• Xác ñịnh biến ngôn ngữ:

Nguyên lý chung là số lượng các giá trị ngôn ngữ cho

mỗi biến nên nằm trong khoảng từ 3 ñến 10 giá trị Nếu số lượng ít

hơn 3 thì quá thô và ít có ý nghĩa vì không thực hiện ñược việc lấy vi phân Nếu lớn hơn 10 thì quá mịn con người khó có khả năng cảm nhận quá chi ly, bao quát hết các trường hợp xảy ra và ảnh hưởng

ñến bộ nhớ, tốc ñộ tính toán Với yêu cầu của ñiều khiển ổn ñịnh tốc

ñộ hệ truyền ñộng T-Đ, chọn số lượng tập mờ cho mỗi biến ñầu vào

bằng 7 và biến ñầu ra bằng 4 là vừa phải

Hình 3.11 Biến ngôn ngữ của HsKP

Hình 3.12 Biến ngôn ngữ của HsKI

• Luật ñiều khiển:

Dựa vào bản chất vật lý, các số liệu vào ra có ñược, kinh nghiệm ñiều khiển, và dựa vào ñặc tính quá ñộ thường gặp của hệ thống ñiều khiển dùng PI , ta xác ñịnh các luật ñiều khiển tương ứng Khi bắt ñầu khởi ñộng, lúc này cần tín hiệu ñiều khiển lớn ñể tín hiệu

ra tăng nhanh, suy ra KP lớn và KI lớn , ta có luật: Nếu e(t) lớn và de/dt là Zero thì KP lớn KI lớn Khi sai lệch tiến về Zero, ta muốn tín hiệu ñiều khiển nhỏ ñể không quá ñiều chỉnh, nghĩa là KP nhỏ, KI

nhỏ, ta có luật: Nếu e(t) là Zero và dω/dt lớn thì KP nhỏ, KI nhỏ Với suy luận tương tự, mỗi một biến ra có tất cả tổ hợp của 7 x 7 = 49

luật

• Luật hợp thành mờ Sum – Prod

• Giải mờ theo phương pháp trọng tâm

3.3.4 Sơ ñồ khối ñiều khiển

Mô phỏng hệ thống ñiều khiển:

Hình 3.14 Sơ ñồ khối mô phỏng hệ thống ñiều khiển ĐCKĐB ba

pha dùng b ộ ñiều khiển mờ

Hình 3.17 Tốc ñộ Rotor với J = 0.01

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 100

Hình 3.18 Tốc ñộ Rotor với J = 0.005

Kết luận:

Sử dụng bộ ñiều khiển mờ kết hợp với bộ PI kinh ñiển với

cấu trúc và thông số thích hợp, tốc ñộ ñộng cơ ñược ñiều khiển bám

theo tốc ñộ ñặt rất tốt Các thông số về chất lượng ñiều chỉnh như sai lệch tĩnh, ñộ quá ñiều chỉnh, thời gian quá ñộ, số lần dao ñộng của hệ truyền ñộng ñều tốt hơn rất nhiều so với việc dùng bộ ñiều khiển PI kinh ñiển Với kết quả mô phỏng ở trên, nhận thấy rằng với bộ ñiều khiển mờ như ñã thiết kế thì chất lượng của hệ luôn luôn ñược ñảm

bảo khi tham số moment quán tính J của hệ thay ñổi

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Việc nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt ñộng và xây dựng

bộ ñiều khiển mờ ñể ñiều khiển ñộng cơ ñiện không ñồng bộ ba pha rotor lồng sóc thật sự là vấn ñề cần thiết trong giai ñoạn hiện nay

Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao hiệu suất sử dụng các thiết

bị ñiện và cũng là một cách thức cải tiến phương pháp ñiều khiển

ñộng cơ không ñồng bộ trong công nghiệp

Trong phạm vi luận văn, người nghiên cứu ñã thực hiện các

công việc sau:

• Mô hình hóa ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc và mô phỏng trên Matlab

• Xây dựng cấu trúc và mô phỏng hệ thống ñiều khiển vô hướng ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc

• Thiết bộ ñiều khiển mờ ứng dụng vào hệ thống ñiều khiển

vô hướng ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc

2 KIẾN NGHỊ

Hiện tại do ñiều kiện khách quan nên quy mô triển khai mô hình chưa thể ñáp ứng các nhu cầu thực tế hiện nay một cách toàn diện và chưa xây dựng ñược mô hình ñiều khiển thật Vì vậy xin kiến nghị ñược trang bị phòng thí nghiệm ñể thử nghiệm trên thiết bị thật

và xin ñược ñầu tư kinh phí mở rộng ñề tài ñể ñạt ñược các yêu cầu

trong lĩnh vực ñiều khiển tự ñộng hóa sản xuất