(Luận văn thạc sĩ hcmute) điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng logic mờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ HẰNG ÐIỀU KHIỂN TỐC ÐỘ ÐỘNG CƠ KHÔNG ÐỒNG BỘ BA PHA SỬ DỤNG LOGIC MỜ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 9 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ HẰNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA SỬ DỤNG LOGIC MỜ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 62520202 Tp Hồ Chí Minh, Tháng Năm 2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ HẰNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA SỬ DỤNG LOGIC MỜ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 62520202 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 Luan van Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Phạm Thị Hằng Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 5/9/1989 Nơi sinh: Hà Nội Quê quán: Chuyên Mỹ-Phú Xuyên-Hà Nội Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Tổ 18-Ấp 5-Long Phước-Long Thành-Đồng Nai Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0979655489 Fax: E-mail: phamhang.ktk38@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 2011 đến 2013 Nơi học (trường, thành phố): ĐH Lạc Hồng-Đồng Nai Ngành học: Điện Công Nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 20/01/2013 ĐH Lạc Hồng Người hướng dẫn: Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 10/2015 đến 04/2017 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật điện Tên luận văn: Điều khiển tốc độ động không đồng ba pha sử dụng logic mờ Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 16/04/2017 Trường Đại học SPKT Tp.HCM Người hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tâm III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác 01/2013 đến Trường CĐ CNQT LILAMA2 10/2015 - 04/2017 Trường ĐH SPKT TP.HCM i Luan van Công việc đảm nhiệm Giáo viên Học viên LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên ghi rõ họ tên) Phạm Thị Hằng ii Luan van Lời cảm ơn Trải qua thời gian học tập nghiên cứu trường, tơi hồn thành đề tài tốt nghiệp cao học Để có thành này, nhận nhiều hỗ trợ giúp đỡ tận tình từ thầy cơ, gia đình, đơn vị chủ quản bạn bè Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Minh Tâm, người tận tình trực tiếp hướng dẫn tơi thực hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến Lãnh đạo Trường CĐN Lilama 2, tạo điều kiện thuận tiện cho tơi mặt thời gian để hồn thành khóa học Xin chân thành cảm ơn đến tất quý Thầy Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh dạy tơi kiến thức bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ cho tơi nhiều q trình học tập thời gian làm luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè giúp đỡ cho tơi nhiều, tạo cho tơi niềm tin, tình cảm để tơi hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn ! Tp Hồ Chí Minh, tháng Học viên năm 2017 Phạm Thị Hằng iii Luan van SUMMARY Motors have many applications in the industries This paper presents an intelligent speed control system based on fuzzy logic for an induction motor drive The fuzzy logic controller is implemented using the Field Oriented Control technique as it provides better control of motor speed The motor model is designed and membership functions are chosen according to the parameters of the motor model The simulated design is tested using various tool boxes in MATLAB The simulation results demonstrate that the performance of the proposed controller is better than that of the conventional PI controller iv Luan van TÓM TẮT Động điện ngày sử dụng nhiều công nghiệp Đề tài đề cập tới phương pháp điều khiển thông minh cách sử dụng lý thuyết mờ để điều khiển động không đồng ba pha Logic mờ sử dụng điều khiển định hướng từ thông FOC phương pháp điều khiển tốt để điều khiển tốc độ động Mơ hình động thiết kế hàm liên thuộc lựa chọn theo thông số mô hình Mơ hình mơ thết kế hộp công cụ matlab Kết mô so sách với PI truyền thống có đáp ứng tốt iv Luan van MỤC LỤC TRANG Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt vi Danh sách hình vii Danh sách bảng viii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu 1.2 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.3 Tính cần thiết đề tài 1.4 Tính để tài 1.5 Kết cấu luận văn Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động không đồng pha 2.2 Mạch điện tƣơng đƣơng động không đồng 2.3 Vector không gian đại lƣợng ba pha 2.4 Các phƣơng trình động khơng đồng ba pha 13 2.5 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ stator 17 2.6 Mơ hình trạng thái động hệ trục quay dq 23 2.7 Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động khơng đồng 29 Chƣơng 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ 42 3.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển đại IFOC 42 Luan van Bảng 5.5: So sánh đáp ứng momen tải thay đổi Ce (Nm) [25.2 50.4 25.2] Vọt lố [1 2.5]s % Thời gian xác lập (s) FLC 25.2 thời điểm (1s) 12.7 1.07 PI 25.2 thời điểm (1s) 43.17 1.1 FLC 50.4 thời điểm (2s) 11.25 2.07 PI 50.4 thời điểm (2s) 21.71 2.15 FLC 25.2 thời điểm (2.5s) -6.67 2.54 PI 25.2 thời điểm (2.5s) -15 1.3 Hình 5.12: Tốc độ điều chỉnh với PI GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 76 Luan van Hình 5.13: Tốc độ đáp ứng với FLC Bảng 5.6: So sánh đáp ứng tốc độ với tải thay đổi r (rad/s) tải Thay đổi Vọt lố % Thời gian xác lập (s) FLC 297.6 -0.27 1.06 PI 297.6 -2.08 1.06 FLC 297.6 -0.47 2.08 PI 297.6 -2.05 2.05 FLC 297.6 2.5 PI 297.6 2.42 2.6 Nhận xét: + Tại thời điểm t = 1s mô-men điện từ với FLC tăng khoảng 28.42Nm đạt giá trị xác lập t = 1.07s; với PI mô-men điện từ tăng khoảng 36,08Nm đạt giá trị xác lập t = 1,11s + Thời điểm t = 2s mơ-men điện từ FLC tăng nhanh vị trí xác lập so với PI, mô-men điện từ với FLC tăng khoảng 56.07Nm đạt giá trị xác lập GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 77 Luan van t = 2.07s; mơ-men điện từ với PI tăng khoảng 61.34Nm đạt giá trị xác lập t = 2.15s + Tại thời điểm t = 2,5s mô-men điện từ với PI giảm nhiều so với FLC thời gian xác lập lâu hơn; cụ thể với PI mô-men điện từ giảm xuống 14.31Nm đạt giá trị xác lập t = 2,62s; với FLC mô-men điện từ giảm 23.52Nm đạt giá trị xác lập t = 2,54s + Tại thời điểm t = 1s, với FLC: tốc độ đạt 297.6rad/s đạt định mức t=1.06s; với PI tốc độ giảm 296.8rad/s đạt định mức t = 1,06s + Tại thời điểm t = 2s, với FLC: tốc độ giảm 296.2rad/s đạt định mức t = 2.08s; với PI tốc độ giảm 291.5rad/s đạt định mức t = 2.05s + Tại thời điểm t = 2,5s, với FLC: tốc độ ổn định 297.6rad/s đạt định mức t=2,5s; với PI tốc độ tăng 304.8rad/s ổn định giá trị định mức t = 2,6s Bảng 5.7: So sánh đáp ứng với tải thay đổi r (rad/s) Vọt lố Thời Ce (Nm) Vọt lố Thời tải thay % gian [25.2 50.4 25.2] % gian xác lập [1 2.5]s đổi xác lập (s) (s) FLC 297.6 -0.27 1.06 25.2 thời điểm (1s) 12.7 1.07 PI 297.6 -2.08 1.06 25.2 thời điểm (1s) 43.17 1.1 FLC 297.6 -0.47 2.08 50.4 thời điểm (2s) 11.25 2.07 PI 297.6 -2.05 2.05 50.4 thời điểm (2s) 21.71 2.15 FLC 297.6 2.5 25.2 thời điểm (2.5s) -6.67 2.54 PI 297.6 2.42 2.6 25.2 thời điểm (2.5s) -15 1.3 TH4: Mô động thay đổi tốc độ mức ω= [148.8 297.6] rad/s thời điểm t = [0 1] s đặt tải Crn=50.4Nm (định mức) thời điểm t = 1s Động chạy tốc độ wr = ½ wrn = 148.8(rad/s), ứng với tải Cr = Crn = 50,4 thời điểm 1(s); sau vào thời điểm 1(s) đột ngột tăng tốc độ wr=wrn= 297,6(rad/s), Động mô với tốc độ định mức theo giản đồ hình 5.14, đáp ứng ngõ sau: GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 78 Luan van Đáp ứng ngõ ĐCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC tốc độ thay đổi ω= [148.8 297.6] rad/s ứng với thời điểm t = [0 1] s, đặt tải Crn= 50,4 thời điểm t = 1s cho điều khiển FLC PI truyền thống Hình 5.14: Tốc độ momen đặt Hình 5.15: Đáp ứng mô men với PI GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 79 Luan van Hình 5.16: Đáp ứng mô men với FLC Bảng 5.8: So sánh đáp ứng momen, với tốc độ thay đổi Ce (Nm) Vọt lố Thời gian xác lập (s) % FLC 50.4 (thời điểm 1s) PI 50.4 (thời điểm 1s) 46.37 1.53 72.1 1.56 GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 80 Luan van Hình 5.17: Đáp ứng tốc độ với PI Hình 5.18: Đáp ứng tốc độ với FLC Bảng 5.9: So sánh đáp ứng tốc độ, với tốc độ thay đổi r (rad/s) Thay đổi FLC 148.8 PI 148.8 FLC 297.6 PI 297.6 Vọt lố % Thời gian xác lập (s) 1.04 0.5 1.68 0.5 1.46 -0.126 1.56 GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 81 Luan van  Nhận xét: Tại thời điểm đặt tải t = 1s: + Với FLC mô-men tăng cao khoảng 73.77Nm giảm dần đến giá trị định mức sau khoảng thời gian t = 1,53s; với PI mơ-men tăng cao hơn, vào khoảng 86.74Nm đáp ứng lại chậm t = 1,56s + Đáp ứng tốc độ 0.5s, với PI, tốc độ khoảng 151.3rad/s sau giảm xuống khoảng 148.8rad/s đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 0,5s; với FLC, tốc độ đạt định mức 0.47s + Khi tốc độ bắt đầu tăng lên thời điểm 1s để đạt định mức, với PI tốc độ giảm đột ngột xuống với FLC tốc độ giảm không đáng kể 147.5rad/s thay đổi tốc độ sau nhanh chóng đạt định mức 0.47s Tại thời điểm 1.5s + Đáp ứng tốc độ: với PI, tốc độ khoảng 300.7rad/s sau giảm xuống khoảng 297.2rad/s đạt giá trị xác lập sau khoảng thời gian 1,56s; với FLC, tốc độ đạt định mức 1.46s Bảng 5.10: So sánh đáp ứng, với tốc độ thay đổi r (rad/s) Vọt lố Thời gian Thay đổi % xác lập (s) FLC 148.8 PI 148.8 FLC 297.6 PI 297.6 Ce (Nm) Vọt lố Thời gian % xác lập (s) 1.04 0.5 50.4 46.37 1.53 1.68 0.5 50.4 72.1 1.56 1.46 -0.126 1.56 GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 82 Luan van 5.2 Kết luận Hệ truyền động điều khiển động không đồng ba pha phương pháp điều khiển đại IFOC sử dụng khâu hiệu chỉnh sai số hồi tiếp FLC mô với nhiều trường hợp khác có tính đến biến động tải, điều khiển với nhiều mức tốc độ khác Các kết thu so sánh với hệ truyền động sử dụng điều khiển PI truyền thống Với nhận xét trường hợp kể cho thấy FLC có đáp ứng động tốt hơn, ổn định , nhanh độ vọt lố tốc độ momen thấp so với PI truyền thống GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 83 Luan van Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Điều khiển mờ cho đáp ứng tốt nhờ ứng dụng điều khiển thông minh vào trường hợp mô điều khiển tốc độ động sử dụng phương pháp IFOC Nghiên cứu ứng dụng logic mờ phát triển nhanh, với kết tốt tương lai Hệ thống phần cứng cho hệ mờ phát triển, bao gồm bo mạch thực quy tắc mờ, thiết bị dùng cho suy luận mờ Những khó khăn việc sử dụng hệ mờ phải có kiến thức chuyên gia đối tượng điều khiển không chắn việc diễn tả cấu trúc ngôn ngữ cho quy trình điều khiển Đáp ứng tốc độ thu mô điều kiện vận hành khác tiến hành thay đổi tốc độ thay đổi tải mơ hình động Bộ điều khiển PI cổ điển thường cho đáp ứng tối ưu điều kiện giới hạn, điều khiển mờ mang lại hiệu tốt thời gian đáp ứng nhanh độ vọt lố thấp Hệ thống điều khiển sử dụng điều khiển mờ bị ảnh hưởng thay đổi đột ngột tốc độ, tải Vì vậy, đáp ứng tốt thường đạt với điều khiển mờ, điều khiển PI bị ảnh hưởng tốc độ đột ngột thay đổi với sai số xác lập cao Đáp ứng tốc độ bị ảnh hưởng điều kiện tải khác Đây nhược điểm điều khiển PI với điều kiện vận hành khác Từ kết mô cho thấy hệ truyền động sử dụng điều khiển mờ FLC xử lý lỗi sai số tốc độ cách nhanh chóng, giảm tối đa độ vọt lố hạn chế sai số xác lập, đáp ứng hệ PI cổ điển sử dụng hệ truyền động nhanh tốt điều khiển mờ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 84 Luan van 6.2 Hƣớng phát triển  Phát triển thêm điều khiển mờ thích nghi có khả chỉnh định lại luật điều khiển cách tự động để phù hợp cho đối tượng điều khiển  Tiếp tục nghiên cứu phát triển mạch phần cứng, tạo mã nhúng để đưa vào vi điều khiển nhằm đưa lý thuyết vào thực tiễn để điều khiển động  Phát triển hệ truyền động động không đồng không dùng cảm biến tốc độ (sensorless), ước lượng tốc độ có sử dụng logic mờ  Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho việc nghiên cứu vận hành máy điện GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 85 Luan van TÀI LỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU NƢỚC NGOÀI [1] P Tripura and Y Srinivasa Kishore Babu, “Fuzzy Logic Speed Control of Three Phase Induction Motor Drive”, World Academy of Science, Engineering and Technology 60 2011 [2] Biranchi Narayan Kar, K.B Mohanty, “Indirect Vector Control of Induction Motor Using Fuzzy Logic Controller”, Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela-769008 [3] M N Uddin, T S Radwan and M A Rahman “Performances of Fuzzy-Logic Based Indirect Vector Control for Induction Motor Drive,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 38, No 5, pp 1219-1225, September/October, 2002 TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [4] Trần Công Bỉnh, Bài giảng hệ thống điểu khiển số điều khiển máy điện, 2010 [5] Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, Nhà Xuất Bản KHKT HN, 2004 [6] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà Xuất Bản KHKT HN, 2006 [7] Phạm Hồ Huy Ánh, Điều khiển máy điện áp dụng tính toán mềm, nhà xuất ĐHQG TPHCM, 2014 [8] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & simulink, nhà xuất KHKT, 2008 [9] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý Thuyết ĐK Hiện Đại, nhà xuất ĐHQG TPHCM, Tháng 1, 2016 [10] Luận văn thạc sĩ Trương Minh Triệu, khóa 2010 - 2012, Điều khiển động không đồng pha theo phương pháp FOC, Thư viện ĐHSPKT Tp.HCM GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 86 Luan van [11] Luận văn thạc sĩ Lê Khắc Thịnh, khóa 2014 – 2016, Nghiên cứu điều khiển FOC DTC động không đồng với biến tần đa bậc, Thư viện ĐHSPKT Tp.HCM [12] Luận văn thạc sĩ Phạm Văn Lực khóa 2009-2011 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TpHCM “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động không đồng pha” [13] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Thị Oanh, khóa 2014 – 2016, Điều khiển mờ trượt cho hệ bóng thanh, Thư viện ĐHSPKT Tp.HCM [14] Luận Văn thạc sĩ Huỳnh Đức Chấn-khóa 2009-2010, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM “với phương pháp định hướng trường để điều khiển độ động không đồng pha sử dụng giải thuật bầy đàn” GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 87 Luan van Chương trình m_file dùng mơ clear all close all %Tc=100e-6; %============ MOTOR PARAMETERS ======== Pn=7500; Isn=16.5; Vn=380; ilim=sqrt (2) *Isn*3; vlim=Vn*sqrt (2/3); Rs=0.728; Rr=0.706; Lm=0.0969; Ls=0.0996; Lr=Ls; ms=3; np=2; sigma=1-Lm^2/(Ls*Lr); sigmar=Rr/Lr; J=0.062; Crn=50.4; Ts=Ls/Rs; Tr=Lr/Rr; Ra=Rs*(1+Ts/Tr); Ta=sigma*Ts*Tr/(Ts+Tr); Kc=ms/2*np*Lm/Lr; %=========== COEFFICENTS OF MODEL ======= A1=1/(sigma*Ls); A2=A1*(Rs+sigmar*Lm^2/Lr); A3=sigmar*Lm/(sigma*Ls*Lr); A4=Lm/(sigma*Ls*Lr); A5=sigmar*Lm; %=========== INITIAL PARAMETERS ======= wrn=Pn/Crn*np; frr=0.91527; fresiduo=0.01*frr; wr0=0; fralfa0=fresiduo; frbeta0=0; isalfa0=0; isbeta0=0; vsq0=Ra*isbeta0+Ls/Lm*fralfa0*wr0; vsd0=Rs*isalfa0; %=========== OTHER PARAMETERS ======= fsalfa0=sigma*Ls*isalfa0+fralfa0*Lm/Lr; fsbeta0=sigma*Ls*isbeta0+frbeta0*Lm/Lr; % =========== deflussaggio ======= speedpu = [-2: 0.02: 2]; speed = speedpu*wrn; n = length ([-2:0.02:2]); for i=1: n GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG 88 Luan van if abs(speed(i))