Thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không cảm biến luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các nghiên cứu có liên quan 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.6 Phương pháp thực Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) 2.1.1 Mở đầu 2.1.2 Cấu tạo động PMSM 2.1.3 Nguyên lý làm việc động đồng nam châm vĩnh cửu 2.1.4 Mơ hình toán học động PMSM 2.2 Phương pháp nghịch lưu 10 2.3 Phương pháp điều chế vector không gian [20] 11 2.3.1 Giới thiệu 11 2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian 12 2.3.3 Kỹ thuật thực điều chế vector không gian 16 2.4 Bộ điều khiển PID 18 2.4.1 Giới thiệu chung 18 2.4.2 Lý thuyết điều khiển PID 21 2.5 Phương pháp điều khiển mờ 28 2.5.1 Giới thiệu 28 2.5.2 Bộ điều khiển mờ ([3], ([10],) 29 2.5.3 Nguyên lý điều khiển mờ 30 2.5.4 Bộ điều khiển mờ thích nghi 31 2.6 Phương pháp lọc Kalman mở rộng 32 Chương 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 35 3.1 Thiết kế phần điều khiển dòng điện 35 3.2 Thiết kế điều chế độ rộng xung không gian (SVPWM) 37 3.3 Thiết kế điều khiển mờ thích nghi 46 3.4 Thiết kế lọc Kalman [17, 18] 48 Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 51 4.1 Mô hình điều khiển động PMSM khơng cảm biến 51 4.1.1 Khối điều khiển tốc độ 51 4.1.2 Khối điều khiển dòng điện 52 4.1.3 Khối điều chế véc tơ không gian 52 4.1.4 Khối lọc kalman mở rộng 52 4.1.5 Khối động đồng nam châm vĩnh cửu 52 4.2 Tham số mơ hình 53 4.3 Đáp ứng tốc độ mơ hình 55 4.4 Đáp ứng góc từ thơng mơ hình 56 Chương 5: KẾT LUẬN 58 5.1 Kết luận 58 5.2 Hướng phát triển đề tài 58 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current BLDC Brushless DC Motor DSP Digital-signal-processor EKF extended Kalman filter FPGA Field Programmable Gate Array IPMSM Interior permanent manget synchronous motors PI Proportinal and Integral PID Proportional Integral Derivative PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor SMO Sliding mode observe SPWM Sinusoidal pulse width modulation SVPWM Space vecter pulse with modulation DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Động PMSM cực lồi Hình 2.2: Động PMSM cực ẩn Hình 2.3: Rotor nam châm vĩnh cửu cực ẩn Hình 2.4: Dẫn giải hệ thức tính τ1,τ2,τ0 14 Hình 2.5: Phạm vi điều khiển tuyến tính SVPWM 16 Hình 2.6: Modul vector không gian 17 Hình 2.7: Sơ đồ khối điều khiển PID 19 Hình 2.8: Đồ thị đầu theo thời gian, giá trị Kp,Ki Kd số 22 Hình 2.9: Đồ thị ngõ theo thời gian, tương ứng với ba giá trị Ki, 23 Hình 2.10: Đồ thị PV theo thời gian, với giá trị Kd,Kp Ki khơng đổi 24 Hình 2.11: Đồ thị đặc tính khâu PI 26 Hình 2.12: Mơ tả trình độ điều chỉnh quy luật PI 27 Hình 2.13: Bộ điều khiển mờ 29 Hình 2.14 Bộ điều khiển mờ động 30 Hình 2.15: Hệ kín phản hồi âm với tham gia điều khiển mờ 30 Hình 2.16: Tổng hợp phép toán lọc Kalman 34 Hình 3.1 Bộ điều khiển dòng điện 35 Hình 3.2 Dịng điện qua biến đổi Clark 35 Hình 3.3 Bộ biến đổi Park 36 Hình 3.4 Dịng điện biến đổi thông qua biến đổi Park-1 36 Hình 3.5 Dịng điện biến đổi thông qua biến đổi Clark-1 36 Hình 3.6 Mối liên hệ khối điều khiển dịng 37 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu ba pha 38 Hình 3.8 Trạng thái đóng ngắt khóa nghịch lưu 39 Hình 3.9 Bộ nghịch lưu trạng thái V1 40 Hình 3.10 Hoạt động vector V7 vector V0 40 → Hình 3.11 Các vector sở sector V ref hệ trục αβ 41 Hình 3.12 Một phần sáu hình lục giác phương pháp SVPWM 42 Hình 3.13 Hình mẫu xung chuyển mạch cho sector 45 Hình 3.14 Sơ đồ khối điều khiển Fuzzy thích nghi 46 Hình 3.15 Hàm liên thuộc ngõ vào Fuzzy 47 Hình 3.16 Hàm liên thuộc ngõ Fuzzy 47 Hình 4.1 Mơ hình điều khiển động PMSM khơng cảm biến 51 Hình 4.2 Mơ hình điều khiển thực Matlab 54 Hình 4.3 Đáp ứng tốc độ 55 Hình 4.4 Monent trục động 55 Hình 4.5 So sánh đáp ứng điều khiển 56 Hình 4.6 (a) Đáp ứng góc từ thông (Theta) 57 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Tám trạng thái khóa điện áp ngõ tương ứng: 38 Bảng 3.2: Thời gian chuyển mạch khóa bán dẫn 45 Bảng 4.1: Tham số mơ hình 53 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Động đồng nam châm vĩnh cửu PMSM lựa chọn tốt cho loại ứng dụng điều khiển chuyển động sử dụng rộng rãi công nghiệp cho robot, trung tâm gia cơng khí, thiết bị truyền động ứng dụng ứng dụng công suất cao động xe điện đồng thời sử dụng dân dụng thương mại PMSM thể đặc điểm bật như: Độ gợn sóng mơ-men xoắn thấp, hiệu suất động lực học vượt trội, hiệu suất công suất cao Với yêu cầu hệ thống chất lượng cao đòi hỏi sử dụng điều khiển động có độ xác cao, đáp ứng nhanh điều khiển động đóng vai trị quan trọng hệ thống truyền động Một hệ thống truyền động tốt phải tạo khả thay đổi tốc độ nhanh với phạm vị điều chỉnh rộng, độ xác đại lượng điều chỉnh chế độ tĩnh cao để tạo vùng làm việc có sai số nhỏ, có khả đáp ứng nhanh theo yêu cầu điều khiển Những yêu cầu toán cho nhà nghiên cứu điều khiển động Để giải vấn đề đặt người ta nghiên cứu áp dụng nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, phương pháp có ưu điểm, nhược điểm riêng Tùy vào yêu cầu cụ thể mà người thiết kế lựa chọn phương án điều khiển phù hợp Để điều khiển hệ thống truyền động điện người ta áp dụng số phương pháp tiêu biểu như: Phương pháp điều chỉnh thích nghi, điều khiển trượt, điểu khiển mờ, mạng nơron nhân tạo, …và số hệ điều khiển lai Với ưu điểm trội máy điện truyền thống, máy điện đồng nam châm vĩnh cửu ngày sử dụng nhiều công nghiệp với yêu cầu vận hành cao Các hệ thống điều khiển động đồng đa phần sử dụng cảm biến với điều khiển sử dụng tín hiệu phản hồi từ encoder để điều chỉnh tốc độ động Tuy nhiên, việc sử dụng encoder làm phức tạp hệ thống tăng thêm chi phí Chính lý trên, tác giả định chọn đề tài “Thiết kế điều khiển mờ thích nghi cho động đồng nam châm vĩnh cửu không cảm biến” Đề tài thực thành cơng mở hướng điều khiển xác tốc độ động mà không cần sử dụng cảm biến Điều góp phần làm giảm giá thành sản phẩm, giảm kích thước, giảm nhiễu tối ưu hóa hệ thống điều khiển 1.2 Các nghiên cứu có liên quan Đã có số đơn vị nước ngồi tiến hành nghiên cứu hệ thống thiết kế dựa xử lý tín hiệu số chuyên dụng (Digital-signalprocessor DSP), đảm bảo độ xác cao giá thành tốn [1] Thơng qua tạp chí, hội nghị nghiên cứu nước tìm kiếm thơng tin mạng internet, tác giả thấy đề tài “Ứng dụng công nghệ FPGA điều khiển tốc độ động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu không dùng cảm biến giải thuật mờ” [2] [3] [4] [5] [6]; “ Ứng dụng thuật toán lọc Kalman mở rộng điều khiển tốc độ động đồng nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến phương pháp điều khiển PI” [8] [9]; “Thiêt kế vi điều khiển dùng IC ứng dụng công nghệ FPGA điều khiển tốc độ động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu” [10] [11]; “Thiêt kế,mô điều khiển tốc độ động đồng kích từ nam châm vĩnh cửu khơng dùng cảm biến dựa SMO”; [12] số ứng dụng khác Ứng dụng thuật toán lọc Kalman mở rộng; [13] [14] [15] [16] [17] [20] Nhưng phương pháp độ ổn định tốc độ chưa cao Tác giả chưa thấy phương pháp “Thiết kế điều khiển mờ thích nghi cho động đồng nam châm vĩnh cửu không cảm biến” nghiên cứu công bố Việt Nam 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Thiết kế điều khiển mờ thích nghi cho động đồng nam châm vĩnh cửu không cảm biến 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Động xoay chiều đồng nam châm vĩnh cửu - Phương pháp nghịch lưu - Phương pháp điều chế véc tơ không gian - Bộ điều khiển PI - Phương pháp điều khiển mờ thích nghi - Phương pháp lọc Kalman mở rộng 1.5 Nhiệm vụ giới hạn đề tài - Thiết kế mơ hình mơ thuật tốn điều khiển cho động PMSM - Thiết kế điều khiển dòng điện - Thiết kế lọc Kalman mở rộng - Thiết kế điều khiển mờ thích nghi cho động đồng nam châm vĩnh cửu không cảm biến 1.6 Phương pháp thực Xây dựng mơ hình mơ phỏng, thuật tốn điều khiển kiểm chứng kết phần mềm Matlab-Simulink Modelsim Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) 2.1.1 Mở đầu Động đồng nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motors - PMSM) dạng đặc biệt máy điện đồng PMSM có cấu tạo gồm cuộn dây ba pha thông thường stato nam châm vĩnh cửu rôto Động điện đồng thông thường cần nguồn AC DC nguồn AC cung cấp cho cuộn dây quấn stator nguồn DC cấp cuộn dây quấn rotor thông qua chổi than vành trượt Điều gây tổn hao rotor, động hoạt động gây mòn chổi than cổ góp, động làm việc thiếu ổn định, tuổi thọ động giảm Nhằm khắc phục nhược điểm máy điện đồng thông thường, người ta thay dây quấn rotor, chổi than vành trượt nam châm vĩnh cửu để tạo động đồng PMSM yêu cầu nguồn AC cho động hoạt động Sự phát triển động PMSM mang lại nhiều lợi hệ thống truyền động, tiết kiệm lượng Động PMSM có sức điện động cảm ứng hình sinh, dịng điện dạng hình sin để tạo mơ men điện từ khơng đổi giống máy đồng thông thường Động đồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) có nhiều ưu điểm trongtruyền động so với loại động khác sử dụng Ở động không đồng dịng stator vừa tạo từ trường vừa tạo mơ men Động PMSM sử dụng nam châm vĩnh cửu rotor nên khơng cần cấp dịng điện kích từ qua stator để tạo từ thơng, dịng stator để tạo mô men Như vậy, làm việc động PMSM có hệ số cos lớn khơng cần dịng kích từ, hiệu suất động cao Ngồi động PMSM ta cịn thấy có loại động chiều khơng có cổ góp (BLDC) Hai động khác dạng suất điện động cảm ứng Trong cuộn dây stator động BLDC có dạng hình thang cịn động đồng PMSM có dạng hình sin Cấu tạo khác cuộn dây stator hai loại động định dạng sức phản điện động cuộn dây 2.1.2 Cấu tạo động PMSM Động PMSM (hay cịn gọi động sóng sin vĩnh cửu khơng chổi than) có cấu tạo giống động đồng thông thường bao gồm stato phần cố định roto phần quay Stato động PMSM sử dụng thép kỹ thuật điện ghép ... pháp ? ?Thiết kế điều khiển mờ thích nghi cho động đồng nam châm vĩnh cửu không cảm biến? ?? nghi? ?n cứu công bố Việt Nam 1.3 Mục tiêu nghi? ?n cứu đề tài - Thiết kế điều khiển mờ thích nghi cho động đồng. .. chọn đề tài ? ?Thiết kế điều khiển mờ thích nghi cho động đồng nam châm vĩnh cửu không cảm biến? ?? Đề tài thực thành công mở hướng điều khiển xác tốc độ động mà khơng cần sử dụng cảm biến Điều góp phần... - Nam châm vĩnh cửu Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn (IPMSM) Động đồng đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn có cấu tạo gồm hai phần stato roto Stato động cực ẩn có cấu tạo tương tự động đồng nam châm