BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ CÔNG TUẤN ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành: Tự ñộng hóa Mã số: 60.52.60 TÓ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
LÊ CÔNG TUẤN
ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ƯỚC LƯỢNG
TỪ THÔNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Chuyên ngành: Tự ñộng hóa
Mã số: 60.52.60
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng, Năm 2012
Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS Võ Như Tiến
Phản biện 1: TS Nguyễn Đức Thành
Phản biện 2: PGS.TS Nhuyễn Hồng Anh
Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 9 tháng
6 năm 2012
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng
Trang 2MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn ñề tài
- Trước ñây, các hệ ñiều khiển ñiện yêu cầu cao về chất
lượng ñiều khiển, thường sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều
- Điều khiển vectơ ra ñời, ñồng thời cùng với sự phát triển
công nghệ vi xử lý
- Để nâng cao chất lượng ñiều khiển thì bài toán ứng dụng
mạng nơron kết hợp với các phương pháp ñiều khiển thông thường
2 Mục ñích nghiên cứu
Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông rotor
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Điều khiển ñộng cơ KĐB xoay chiều ba pha
- Cấu trúc trong ñiều khiển ñộng cơ KĐB ñiều khiển tựa theo
từ thông rotor
- Ứng dụng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ước lượng từ
thông rotor
4 Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu cấu trúc ñiều khiển và xây dựng mô hình, mô
phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
▪ Ý nghĩa khoa học:
Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm
ñến ứng dụng mạng nơron và kết hợp với phương pháp ñiều khiển
tựa theo từ thông rotor, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ ñiều
khiển mô phỏng trên Matlab - Simulink
▪ Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu của ñề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp ñiều khiển mới khắc phục ñược một số nhược ñiểm của các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển, từ ñó mở ra một tiềm năng áp dụng cài ñặt vào các thiết bị ñiều khiển trong thương mại, ñể giải quyết vấn ñề cấp bách hiện nay là nâng cao chất lượng ñiều ñộng ñộng cơ ñiện không ñồng bộ
4 Cấu trúc luận văn
Luận văn ñược tổ chức như sau
Ngoài phần mở ñầu và kết luận luận văn chia thành 4 chương như sau
Chương 1 Tổng quan về ñiều khiển ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha
Chương 2 Mô hình ñộng cơ không ñồng bộ ba pha Chương 3 Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ không ñồng bộ ba pha ñiều khiển tựa theo từ thông rotor
Chương 4 Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông trong ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ
Kết luận và hướng phát triển của ñề tài
Tài liệu tham khảo
Trang 3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN
XOAY CHIỀU 3 PHA
1.1 Tổng quan
1.2 Các phương pháp ñiều khiển trong truyền ñộng ñộng cơ KĐB
1.3 Những kỹ thuật ñiều khiển tiên tiến hiện nay
1.4 Trình tự mô phỏng cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ KĐB
1.5 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 KĐB 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 và bộ ñiều khiển phổ biến như PID thì không thể duy trì yêu
cầu ñiều khiển dưới những ñiều kiện thay ñổi Do ñó, ñể 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: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Giới thiệu về ñộng cơ KĐB ba pha
2.2 Vectơ không gian của các ñại lượng ba pha
2.2.1 Xây dựng vector không gian
2.2.2 Chuyển hệ tọa ñộ cho vector không gian
2.2.3 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa ñộ từ thông rotor
2.3 Mô hình của ñộng cơ KĐB ba pha
2.3.1 Lý do xây dựng mô hình
2.3.2 Hệ phương trình cơ bản của ñộng cơ 2.3.3 Các tham số của ñộng cơ
2.3.4 Mô hình trạng thái của ñộng cơ trên hệ tọa ñộ rotor
Có hai loại hệ trục toạ ñộ:
- Hệ tọa ñộ βα gắn cố ñịnh với stator
- Hệ tọa ñộ dq còn gọi là hệ tọa ñộ tựa hướng từ thông rotor
2.3.5 Đặc ñiểm phi tuyến của mô hình ñộng cơ KĐB
- Cấu trúc phi tuyến
- Tham số phi tuyến
2.3.6 Kết luận chương 2
- Ưu ñiểm của việc mô tả ñộng cơ KĐB ba pha trên hệ tọa ñộ
từ thông rotor như sau:
- Trong hệ tọa ñộ từ thông rotor (hệ tọa ñộ dq), các vector
dòng stator
f s i
và vector từ thông rotor
f r
ψ
, cùng với hệ tọa ñộ dq
Trang 4quay ñồng bộ với nhau với tốc ñộ ωs quanh 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 Hơn nữa, trong hệ tọa ñộ dq,
0
=
rq
f
r ψ
Chương 3 CẤU TRÚC TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR
3.1 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor
Hình 3.5 Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ KĐB nuôi bởi biến tần
nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor
3.2 Nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor
3.3 Xây dựng thuật toán ñiều khiển
Giải thuật của từng khối trong hệ thống ñiều khiển tựa theo từ thông hình 3.5 như sau:
▪ Để xây dựng mạng tính áp (MTu):
Khâu tích
ĐCid
ĐCiq
∆isd
∆isq
*
sd i
*
sq i
MTi
*
rd
ψ
*
M m
yd
yq
usd
usq
usα
usβ
tu
tv
tw
αβ
dq
αβ
dq 2 3
Đo
tốc
θs
ωs
*
r
ω
ω ω
*
ω
isu
isv
isα
isβ
isd
isq
3~
CTĐi CĐω
Udc
Trang 5
/ rd r
2 m s d s
s s q s sq
q s
s s d s sd
L
L y
pT 1
L y
R u
y pT 1
L y
R u
ψ ω ω
ω
σ σ σ σ
+ +
+
=
+
−
=
(3.6)
▪ Để xây dựng mạng tính dòng (MTi):
*
'*
* '*
1 1
0
1 1
rd r sq r rd s
sq r
rd r sd r rd
i T
i T
T
i T dt
d
ψ ω ψ
ω ω
ψ ψ
−
=
−
−
=
−
=
(3.8)
▪ Chuyển ñổi hệ toạ ñộ dòng ñiện (CTĐi):
) 2 ( 3
1
sv su s
su s
i i i
i i
+
=
= β
α
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
−
=
+
=
▪ Chuyển ñổi hệ toạ ñộ ñiện áp (CTĐu):
s sq s sd s
s sq s sd s
cos u sin u u
sin u cos u u
θ θ
θ θ
β
α
+
=
−
=
sv s s
s su
u u u
u 2
3 u
2
1 u
u u
−
−
=
+
−
=
=
β α
α
(3.13)
▪ Khâu ñiều chỉnh tốc ñộ quay (ĐCω):
) )(
p
K K
P
*
▪ Các khâu ñiều chỉnh dòng (ĐCid và ĐCi q )
Điều chỉnh dòng isd (ĐCid): d Pd Id ) isd
p
K K
(
y = + ∆ (3.15)
Điều chỉnh dòng isq (ĐC iq): q Pq Iq ) isq
p
K K (
y = + ∆ (3.16)
▪ Bộ ước lượng từ thông rotor:
Theo [7] bộ ước lượng từ thông rotor dựa trên cơ sở dòng ñiện stator và tốc ñộ rotor ta có phương trình như sau:
s rq r
s rd r s sq r m s rq
s rd r
s rq r s sd r m s rd
T
1 i
T
L dt d
T
1 i
T
L dt d
ψ ψ
ω ψ
ψ ψ
ω ψ
− +
=
−
−
=
(3.17)
3.4 Kết luận chương 3
Quá trình tăng hoặc giảm từ thông rotor thông qua việc ñiều khiển tăng hoặc giảm dòng stator isd với mối quan hệ trễ bậc nhất Tr Cần áp ñặt nhanh và chính xác dòng isd ñể ổn ñịnh từ thông ψrd
tại mọi ñiểm làm việc của ñộng cơ, ñồng thời áp ñặt nhanh và chính xác dòng isq ñiều khiển momen của ñộng cơ, ta có thể coi isd là ñại lượng ñiều khiển từ thông rotor (dòng kích từ) và isq là ñại lượng ñiều khiển momen ñộng cơ (dòng tạo mômen quay)
Trang 6Bằng việc mô tả ñộng cơ KĐB ba pha trên hệ dq, không còn
quan tâm ñến từng dòng ñiện pha riêng lẽ nữa, mà là toàn bộ vector
không gian dòng stator của ñộng cơ Khi ñó issẽ cung cấp hai thành
phần isd ñiều khiển từ thông và isq ñiều khiển mômen quay, từ ñó có
thể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ
Chương 4: ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
4.1 Ảnh hưởng của từ thông ñến chất lượng ñiều khiển truyền ñộng ñộng cơ KĐB
- Mô hình trạng thái của ñộng cơ trên hệ toạ ñộ (dq) luôn tồn tại hằng
số thời gian của rotor
r
r r R
L
T =
- Góc pha của vector từ thông : θs = θs( 0 ) + ∫ ωsdt (4.37)
- Việc tính góc là cần phải tính tốc ñộ góc (hoặc tần số fr) của
mạch ñiện rotor ψrq/ =0 và
/
0
rq d dt
ψ
rd r
sq r
T
i
ψ
- Ước lượng chính xác từ thông và mọi sai số của ñều dẫn sai Do
ñó làm sai góc pha của vector từ thông 4.2 Ứng dụng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ước lượng từ thông trong truyền ñộng ñộng cơ KĐB
- Sử dụng phương pháp giảm gradient (Gradient descent)
- Thuật toán sử dụng phương pháp trung bình bình phương nhỏ nhất
N
1 n
)) k ( y ) k ( d ( 2
1 E
l
−
= ∑
=
Các trọng số ñược xác ñịnh sao cho E ñạt giá trị cực tiểu
- Điều chỉnh trọng số: w ( k + 1 ) = w ( k ) − η ∇ E ( w )
- Gradient của E ñược tính như sau:
Trang 7[ d ( k ) y ( k ) ] x ( k ) w
y y
E w
E )
w
(
E
T T
−
−
=
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂
=
∇
- Từ ñó ta tính ñược:
[ d ( k ) y ( k ) ] x ( k )
) k ( w )
1
k
(
Hình 4.10: Sai số cực tiểu Least Mean Squars error
4.3 Mô hình ñiều khiển mạng nơron ước lượng từ thông rotor
Mạng nơron ước lượng từ thông trong truyền ñộng ñộng cơ
KĐB, sử dụng hệ thống thích nghi mô hình tham Trước hết sự thực
hiện của hệ thống ñược xác ñịnh bởi một mô hình, thứ hai là sai số
của bộ ñiều khiển ñược hiệu chỉnh bởi sai số giữa mô hình chuẩn và
hệ thống Mô hình chuẩn sử dụng trong hệ thích nghi bắt nguồn từ hệ
liên tục sau ñó ñược mở rộng sang hệ rời rạc có nhiễu ngẫu nhiên
Hình 4.21 Cấu trúc của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu
Mô hình mẫu sẽ cho ñáp ứng ngõ ra mong muốn ñối với tín hiệu ñặt (yêu cầu) Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm ñối tượng và bộ ñiều khiển Sai số e là sai lệch giữa ngõ ra của
hệ thống và của mô hình mẫu e = y - ym Bộ ñiều khiển có thông số thay ñổi dựa vào sai số này Hệ thống có hai vòng hồi tiếp: Hồi tiếp trong là vòng hồi tiếp thông thường và vòng hồi tiếp bên ngoài hiệu chỉnh tham số cho vòng hồi tiếp bên trong Vòng hồi tiếp bên trong ñược giả sử là nhanh hơn vòng hồi tiếp bên ngoài
- Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu ñiều khiển trực tiếp có nghĩa là tham số ñược cập nhật một cách trực tiếp
- Sử dụng phương pháp gradient ñể cập nhật các tham số cho cấu trúc hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu
4.4 Ước lượng từ thông rotor dựa vào dòng ñiện và ñiện áp stator trên trục toạ ñộ dq
u u
Tham số ñiều
ym
y
Mô
Đối
Cơ cấu chấp
Bộ ñiều
Trang 8▪ Phương trình dòng ñiện và ñiện áp stator:
−
−
=
dt di dt
di L i
i R u
u L L
dt
d
dt
d
sq
sd
s sq
sd s sq sd m
r u
rq
u
rd
σ ψ
ψ
) (
) (
(4.41)
▪ Phương trình dòng ñiện stator và tốc ñộ rotor:
+
−
−
−
=
sq sd r
m ) i ( rq
) i ( rd
r r
r r
) i
(
rq
) i
(
rd
i
i T L T
1 T
1
dt
d
dt
d
ψ
ψ ω
ω ψ
ψ
(4.42)
Phương trình (4.42) ñược tính như sau:
s r
m ) ( r r r
)
(
T
L
J I T
+
−
Với:
)
(
r
ψ , ( u )
r
ψ : Từ thông rotor theo mô hình dòng ñiện và ñiện áp
=
1 0
0 1
=
0 1
1 0
J ;
=
sq
sd s i
i i
=
sq
sd s
u
u
= )
) )
i rq
i rd i
r ψ
ψ
= ( u )
rq
) u ( rd )
u (
ψ
ψ (4.44)
Dữ liệu mẫu của mạng nơron theo phương trình (4.43) ñược tính
như sau:
ψ( n )( k ) = ( w1I + w2J ) . ψ( n )( k − 1 ) + w3is( k − 1 ) (4.45)
Với:
: k ( ) n ( r
ψ Từ thông rotor khi dùng mạng nơron
r
s 1
T
T 1
w = − ; w2 = ωrTs; s
r
m
3 T T
L
w = (4.46) Thay vào phương trình (4.45) ta ñượ
( n ) 1 1 2 2 3 3
r ( k ) = w x + w x + w x
Trong ñó:
−
−
=
−
=
) 1 k (
) 1 k ( )
1 k ( I
rq
) n ( rd )
n ( r
ψ ψ
−
−
−
=
−
=
) 1 k (
) 1 k ( )
1 k ( J
rd
) n ( rq )
n ( r 2
ψ
ψ
−
−
=
−
=
) 1 k ( i
) 1 k ( i ) 1 k ( i I x
sq
sd s
Lỗi sai lệch giữa từ thông dòng ñiện và ñiện áp ñược tính như sau:
r )
u ( r
2
k ( )
k ( 2
1 ) k ( 2
1
Sử dụng phương pháp gradient descent ñược phân tích
Ta có:
) ( = ( ) − ( ) ( ) −
∆w k I n k
r
T n r u
ψ (4.50)
Trang 9[ ( n ) ]T
r )
u ( r )
n ( r
) k ( )
k ( )
k (
E )
(
ψ ψ
Sử dụng giải thuật lan truyền ngược, từ ñó ta tính ñược:
) n ( r )
u ( r 1
1( k 1 ) w ( k ) ( k ) ( k ) x
) n ( r )
u ( r 2
2( k 1 ) w ( k ) ( k ) ( k ) x
) n ( r )
u ( r 3
3( k 1 ) w ( k ) ( k ) ( k ) x
Dựa vào mô hình dòng ñiện và ñiện áp stator trên hệ toạ ñộ
dq như ñã phân tích ở trên, ta xây dựng mô hình ước lượng từ thông
với các ngõ vào và ra như hình (4.23)
Động cơ KĐB
Mô hình ñiện áp
Mạng huấn luyện
s
) u ( r
ψ
ε
r
ω
+
-
Hình 4.23 Ước lượng từ thông theo mô hình dòng ñiện
và ñiện áp stator
) n ( r
ψ
s
i
s i
ANN
Mô hình dòng ñiện
4.5 Các sơ ñồ mô phỏng trên Matlab – Simulink
Để kiểm chứng phương pháp ước lượng từ thông rotor bằng việc ứng dụng mạng nơron trong cấu trúc trong truyền ñộng ñộng cơ KĐB, luận văn ñược mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink cho ñộng cơ KĐB có các số liệu trong bảng sau:
Bảng thông số ñộng cơ KĐB
Trang 104.6 Mô hình ñộng cơ KĐB
Hình 4.24 Mô hình ñộng cơ KĐB và cấu trúc bên trong
4.7 Mạng tính dòng và áp
Hình 4.25 Mạng tính dòng, áp và cấu trúc bên trong
4.8 Chuyển ñổi hệ toạ ñộ ñiện áp
Hình 4.26 Chuyển ñổi hệ toạ ñộ ñiện áp và cấu trúc bên trong
4.9 Chuyển ñổi hệ toạ ñộ dòng ñiện
Hình 4.27 Chuyển ñổi hệ toạ ñộ dòng ñiện và cấu trúc bên trong
Trang 114.10 Điều chế vectơ không gian
Hình 4.28 Điều chế vectơ không gian
4.11 Bộ nghịch lưu
Hình 4.29 Bộ nghịch lưu và cấu trúc bên trong
4.12 Bộ ước lượng từ thông thông thường
Hình 4.30 Bộ ước lượng từ thông thông thường và cấu trúc bên trong Từ các
khối ở trên, ta tiến hành xây dựng cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ KĐB nuôi bởi
biến tần nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor
Hình 4.31 Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ KĐB nuôi bởi biến tần
nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor
4.13 Các kết quả mô phỏng
▪ Trạng thái ñộng cơ không ANN:
a: Đáp ứng từ thông
Đóng tải
Trang 12b: Đáp ứng tốc ñộ
c: Đáp ứng mômen
Giảm tốc
4.14 Mô phỏng truyền ñộng ñộng cơ KĐB ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông rotor
Hình 4.38 Cấu trúc ñiều khiển ñộng cơ KĐB nuôi bởi biến tần nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor ứng dụng mạng
nơron
▪ Trạng thái ñộng cơ có ANN:
a: Đáp ứng từ thông
Trang 13b: Đáp ứng tốc ñộ
c: Đáp ứng mômen
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Thông qua ñề tài “Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông
ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ”, người nghiên cứu
ñã thực hiện những nội dung nghiên cứu sau:
- Tìm hiểu phương pháp ñiều khiển tựa theo từ thông rotor
- Đề xuất thay thế bộ ước lượng từ thông thông thường bằng bộ
ước lượng từ thông dùng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp Ưu ñiểm là không cần biết chính xác ñối tượng và cấu trúc của mô hình ñiều khiển
- Mô phỏng hệ thống ñiều khiển ñã ñược ñề xuất trên trong môi trường Matlab - Simulink
Kết quả thực hiện cho thấy:
- Hệ thống làm việc ổn ñịnh, thời gian ñáp ứng nhanh
- Sai số xác lập nhỏ, không vọt lố và không dao ñộng Từ thông ước lượng luôn bám sát với giá trị ñặt
- Ít bị ảnh hưởng khi nhiệt ñộ ñộng cơ thay ñổi
- khi nhiệt ñộ ñộng cơ thay ñổi sai số nhỏ, ñộ giao ñộng nhanh chóng trở về vị trí xác lập
Trong tương lai, ñề tài có thể ñược phát triển theo hướng sau:
- Thực hiện trên mô hình thực tế
- Ước lượng trực tiếp các thông số của ñộng cơ ñể thích nghi với
sự thay ñổi của các thông số Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J
