Luận văn:Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng mạng nơron thích nghi potx

- Tìm hiểu lý thuyết về bộ biến tần ma trận và ứng dụng bộ biến tần ma trận cùng phương pháp DTC trong ñiều khiển ñộng cơ KĐB.. - Tổng hợp và mô phỏng ñược bộ ñiều khiển ñộng cơ KĐB xoay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN THỊ TRUNG TÍN

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA DÙNG

MẠNG NƠRON THÍCH NGHI

Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số : 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2011

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 10 tháng 9 năm 2011

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

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Hiện nay trong các hệ truyền ñộng của các dây truyền sản

xuất hiện ñại, ñộng cơ xoay chiều ba pha không ñồng bộ (KĐB) rotor

lồng sóc ñang ñược sử dụng rộng rãi bởi có nhiều ưu ñiểm như cấu

tạo ñơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin cậy và an toàn

Với sự phát triển của lý thuyết ñiều khiển và các ngành có liên quan

làm cho ñộng cơ KĐB ñang chiếm dần ưu thế trong các hệ truyền

ñộng

2 Mục ñích nghiên cứu

- Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt ñộng và mô hình toán

học của ñộng cơ không ñồng bộ rotor lồng sóc

- Tìm hiểu các phương pháp ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB

ba pha rotor lồng sóc

- Tìm hiều cấu trúc của hệ truyền ñộng ñiện xoay chiều 3 pha

ñiều khiển trực tiếp moment (DTC)

- Tìm hiểu lý thuyết về bộ biến tần ma trận và ứng dụng bộ

biến tần ma trận cùng phương pháp DTC trong ñiều khiển ñộng cơ

KĐB

- Tổng hợp và mô phỏng ñược bộ ñiều khiển ñộng cơ KĐB

xoay chiều ba pha không dùng cảm biến tốc ñộ

- Trình bày kết quả so sánh giữa bộ PI thông thường và bộ ñiều

khiển dùng mạng nơron thích nghi nhằm cho thấy sự thích nghi tốt

của bộ ñiều khiển tốc ñộ dùng mạng nơron thích nghi trong các ñiều

kiện thông số thay ñổi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Động cơ xoay chiều ba pha KĐB có

roto lồng sóc

Phạm vi nghiên cứu: Điều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB có roto lồng sóc

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết, xử lý thông tin

- Mô phỏng giải thuật ñiều khiển ñộng cơ bằng phần mềm Matlab/Simulik

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài luận văn

Đề tài mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao bởi lẽ:

- Đáp ứng nhu cầu ñiều khiển truyền ñộng ñiện ngày một cao

- Sử dụng phương pháp ñiều khiển “thông minh”

6 Cấu trúc luận văn

Trong luận văn này, với nội dung nghiên cứu ñã ñược nêu ở trên, tác giả bố cục luận văn thành 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Biến tần ma trận và vấn ñề chuyển mạch Chương 3: Phương pháp DTC cho biến tần ma trận Chương 4: Thuật toán ñiều khiển vận tốc ñộng cơ KĐB xoay chiều ba pha dùng mạng nơron thích nghi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn ñề

1.2 Tổng quan về ñộng cơ không ñồng bộ ba pha

1.2.1 Giới thiệu

1.2.2 Cấu tạo

1.2.3 Nguyên lý hoạt ñộng

1.4 Các phương pháp ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB

1.4.1 Điều khiển vô hướng ĐCKĐB (scalar)

1.4.2 Phương pháp ñịnh hướng trường(FOC)

1.4.3 Phương pháp ñiều khiển trực tiếp moment (DTC)

+ Ưu ñiểm của phương pháp DTC so với phương pháp FOC:

o Ít phụ thuộc vào thông số ñộng cơ

o Không cần phải sử dụng các khối chuyển ñổi tương quan

o Cho ñáp ứng momen nhanh hơn

1.4.4 Giới thiệu bộ biến tần ma trận

Việc sử dụng biến tần ma trận có nhiều ưu ñiểm như:

o Biến tần ma trận có khả năng chuyển ñổi ñiện áp xoay chiều

có tần số và biên ñộ cố ñịnh ở ngõ vào thành ñiện áp xoay chiều có

tần số và biên ñộ thay ñổi

o Cho phép tải hoạt ñộng trong cả 4 góc phần tư mặt phẳng

V-A của tải (four-quadrant operation)

o Không cần sử dụng nhiều tụ ñiện như trong bộ biến ñổi

DC-link

o Ngăn chặn ñặc tính nguồn ngõ vào và làm tăng mật ñộ công

suất ở ngõ ra

o Tạo ra luồng công suất hai chiều bất chấp số pha của ngõ vào

và ngõ ra, cho phép nâng cao hiệu suất hoạt ñộng lên nhiều lần so với các bộ ñiều khiển AC thông thường

o Bằng cách sử dụng các phương pháp ñiều biên thích hợp, biến tần ma trận có thể tạo nhiều dạng sóng ngõ ra bất chấp các loại tải và nguồn ngõ vào

o Giảm khối lượng ñáng kể so với các bộ biến ñổi ña tầng

o Tuổi thọ cao

1.5 Những kỹ thuật ñiều khiển tiên tiến hiện nay 1.6 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 khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền ñộng ñặc tính thấp

- Điều khiển DTC: tần số ñóng ngắt linh kiện thay ñổi khi không sử dụng các giải thuật nâng cao, yêu cầu tốc ñộ tính toán và tần số lấy mẫu cao, xảy ra hiện tượng ñập mạch do momen có sự dao

ñộng khi ñiều khiển ở tốc ñộ 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 BIẾN TẦN MA TRẬN VÀ VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH

2.1 Tổng quan về biến tần ma trận

2.1.1 Nguyên lý ñiều khiển bộ biến tần ma trận

Hình 2.1 Sơ ñồ nguyên lý biến tần ma trận 3x3

2.1.2 Các giải thuật ñiều chế phổ biến

2.1.2.1 Giải thuật ñiều chế sóng mang Venturini

2.1.2.2 Giải thuật ñiều chế vô hướng (Roy)

2.1.2.3 Giải thuật ñiều chế vector không gian (VTKG)

2.1.2.4 Giải thuật ñiều chế gián tiếp

2.2 Vấn ñề chuyển mạch trong biến tần ma trận

2.2.1 Các hiện tượng không mong muốn trong quá trình chuyển

mạch

2.2.2 Giải thuật chuyển mạch 4 bước

Tổng quát hóa, ta có thể xây dựng giải thuật chuyển mạch 4

bước như sau:

o Bước 1: Ngắt IGBT ñang ở trạng thái không dẫn dòng trong

cặp IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ngắt

o Bước 2: Đóng IGBT sẽ ở trạng thái dẫn dòng trong cặp

Nguồn 3 pha

ngõ vào

Khóa 2

chiều

IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ñóng

o Bước 3: Ngắt IGBT ñang ở trạng thái dẫn dòng trong cặp

IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ngắt

o Bước 4: Đóng IGBT sẽ ở trạng thái không dẫn dòng trong

cặp IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ñóng

Giải thuật chuyển mạch 4 bước hiện nay có thể thực hiện dễ dàng trên các kit FPGA

2.3 Kết luận chương 2

Hiện nay, biến tần ma trận ñang trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện và trong tương lai sẽ thay thế các bộ biến tần truyền thống Việc sử dụng biến tần ma trận có nhiều ưu ñiểm như ñã ñược trình bày ở chương 1

Cùng với ñó, phương pháp DTC cũng là 1 lựa chọn mới trong các kỹ thuật ñiều khiển ĐCKĐB với những ưu ñiểm chính như:

o Đơn giản, không cần ñến các khối chuyển ñổi tương quan

o Tính linh hoạt cao

o Khả năng ñiều khiển bền bỉ và chính xác

o Không cần phải sử dụng các cảm biến ño từ thông trực tiếp

o Không phụ thuộc nhiều vào thông số của ñộng cơ

o Khả năng bám tốc ñộ ñặt cao, ngay cả khi tải thay ñổi Tuy nhiên, trước ñây phương pháp DTC thường chỉ áp dụng cho các bộ biến tần truyền thống ñể ñiểu khiển ñộng cơ Việc ứng dụng phương pháp DTC và biến tần ma trận có thể kết hợp tất cả những ưu ñiểm ở trên, cho ta ñáp ứng tốt của hệ thống trong những ñiều kiện thông số bên ngoải thay ñổi, kết cấu nhỏ gọn và có ñược hiệu suất tối ña

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP DTC CHO BIẾN TẦN MA TRẬN

3.1 Tổng quan về phương pháp DTC

Ưu ñiểm chính của phương pháp DTC là:

o Đơn giản, không cần ñến các khối chuyển ñổi phối hợp

o Tính linh hoạt cao

o Khả năng ñiều khiển bền bỉ và chính xác

o Không cần sử dụng cảm biến ño từ thông trực tiếp

Tuy nhiên, phương pháp DTC cũng có một vài hạn chế như:

khó khăn trong việc kiểm soát từ thông và momen ở tốc ñộ rất nhỏ

của ñộng cơ, dòng ñiện lớn và sự nhấp nhô của momen gây ra hiện

tượng thất thoát ñiện năng lớn và tiếng ồn khi ñộng cơ hoạt ñộng, tần

số ñóng ngắt hay thay ñổi

3.2 Cấu hình DTC thông thường (Conventional DTC)

Hình 3.2 Mô hình phương pháp DTC cơ bản

3.2.1 Biến tần nguồn áp ba pha (VSI)

3.2.2 Điều khiển từ thông trực tiếp

3.2.3 Điều khiển momen trực tiếp

3.2.4 Lựa chọn trạng thái ñóng ngắt cho khóa

Chọn Vector

ñiện áp VSI

Ước lượng

từ thông

và mômem

3.3 Mô hình ước lượng từ thông stator

3.3.1 Ước lượng theo ñiện áp

Hình 3.13 Sơ ñồ cấu trúc phương pháp ước lượng theo thuật toán

của Hu và Wu

Hình 3.14 Mô phỏng phương pháp ước lượng từ thông của Wu và

Hu

3.3.2 Ước lượng theo dòng ñiện

3.4 Mô hình ước lượng moment ñiện từ

Giá trị ước lượng momen ñiện từ ñược xác ñịnh theo công thức:

) (

2

3

α β β

ψT T T T

T

∧

∧

−

3.5 So sánh có tạo trễ (Hysteresis Controller)

3.5.1 Tần số ñóng ngắt 3.5.2 Độ gợn momen (torque ripple)

x

Ts

G y

+

= 1

Ts

G y

+

= 1

y +

+

z

3.6 Ứng dụng biến tần ma trận trong kỹ thuật DTC

Hình 3.21 Mô hình phương pháp DTC cho biến tần ma trận

3.7 Mô phỏng Matlab phương pháp DTC cho biến tần ma trận,

vòng ñiều khiển tốc ñộ dùng bộ PI

3.7.1 Tổng quát

- Hình 3.22 là mô hình tổng quát của kết quả mô phỏng DTC

cho biến tần ma trận sử dụng công cụ modeling của MATLAB Nó

bao gồm khối nguồn, khối khóa công suất và khối DTC (bao gồm

giải thuật chính và ñộng cơ không ñồng bộ)

BIẾN TẦN

MA TRẬN

Chọn vector

ñiện áp

VSI

Ước lượng

từ thông, momen

Ước lượng

<sin(ψi)>

3.7.2 Động cơ không ñồng bộ

3.7.3 Khối chuyển ñổi CLARKE (abc => αβ)

3.7.4 Vòng ñiều khiển từ thông và momen

3.7.5 Ước lượng từ thông và moment

Hình 3.27 Khối ước lượng từ thông và momen

3.7.6 Khối so sánh có tạo trễ

Hình 3.28 Khối so sánh từ thông và momen

3.7.7 Khối xác ñịnh sector của vector không gian

Hình 3.29 Khối xác ñịnh sector của vector không gian

3.7.8 Khối xác ñịnh cấu hình ñóng ngắt cho DTC cơ bản

Hình 3.31 Khối xác ñịnh vector VSI

3.7.9 Khối xác ñịnh cấu hình khóa cho DTC matrix

Hình 3.32.Khối xác ñịnh vector cho biến tần ma trận

3.8 Vòng ñiều khiển tốc ñộ với bộ PI cố ñịnh

Hình 3.34 Khối ñiều khiển tốc ñộ PI

3.9 Kết quả mô phỏng dùng phương pháp DTC, vòng ñiều khiển

tốc ñộ dùng bộ PI

- Với sơ ñồ mô phỏng ñược thiết kế như trên, ñiện áp nguồn 3

pha 220V/50Hz, tần số ngõ ra yêu cầu 25Hz ta có một số kết quả mô

phỏng:

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

2

: iA : iB : iC

-600 -400 -200 0 200 400 600

Dòng tải

Hình 3.35 Dòng tải mô phỏng

Áp tải:

Time (Sec)

Time (Sec)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

-600

-400

-200

0

200

400

600

-600

-400

-200

0

200

400

600

Hình 3.36 Áp dây tải Vab

- Mô tả hoạt ñộng của mô hình (Hình 3.22):

+ Tại thời ñiểm t = 0, tốc ñộ ñặt của ñộng cơ là 1000

vòng/phút Theo các hình tốc ñộ phản hồi ñang tăng dần theo hàm

dốc tốc ñộ ñặt

+ Tại thời ñiểm t = 0.5s (sau khi tốc ñộ ñã ñạt trạng thái xác

lập), moment tải ñịnh mức có giá trị 0.13 Nm ñược ñặt vào ñộng cơ

Khi ñó, tốc ñộ ñộng cơ có giảm ñi ñôi chút

+ Tại thời ñiểm t = 1s, tốc ñộ ñặt là 500vòng/phút Tốc ñộ

ñộng cơ do ñó giảm theo hàm dốc về 500vòng/phút

Time (Sec)

Time (Sec)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -0.05

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

: Moment hoi tiep : Moment dat

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -1

-0.5 0 0.5 1 1.5 2

+ Tại thời ñiểm t = 1.5s, moment tải ñịnh mức có giá trị là 0.22

Nm ñược ñặt vào ñộng cơ Khi ñó, tốc ñộ ñộng cơ có giảm ñi ñôi chút

Dòng ñiện stator:

Hình 3.37 Đáp ứng dòng ñiện stator của ñộng cơ

Dòng ñiện stator

Time (Sec)

Hình 3.38 Đáp ứng moment ñộng cơ

Time (Sec)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

Nhận xét: Ta thấy moment xảy ra hiện tượng ñập mạch Tuy

nhiên, bản chất ñộng cơ là một bộ lọc thông thấp với L lớn nên ñộng

cơ hoạt ñộng với moment ñập mạch mà không gây ra hư hỏng

Đáp ứng tốc ñộ:

3.10 Kết luận chương 3

Kết hợp những ưu ñiểm của biến tần ma trận và phương pháp

DTC Trong chương này, tác giả ñã xây dựng mô hình ñiều khiển tốc

ñộ ñộng cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc ứng dụng biến tần ma trận

trong phương pháp DTC với vòng phản hồi tốc ñộ dùng bộ PI thông

thường Kết quả cho thấy tốc ñộ phản hồi bám tương ñối chặt so với

tốc ñộ ñặt của ñộng cơ Moment của ñộng cơ moment xảy ra hiện

tượng ñập mạch Tuy nhiên, bản chất ñộng cơ là một bộ lọc thông

thấp với L lớn nên ñộng cơ hoạt ñộng với moment ñập mạch mà

không gây ra hư hỏng

Hình 3.39 Đáp ứng tốc ñộ

: Tốc ñộ phản hồi : Tốc ñộ ñặt

Time

Khi có moment tải

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC ĐỘNG CƠ KĐB

XOAY CHIỀU BA PHA DÙNG MẠNG

NƠRON THÍCH NGHI 4.1 Khái quát mạng nơron

4.1.1 Giới thiệu

Nơron sinh học có cấu tạo như hình 4.1

4.1.2 Tế bào nơron nhân tạo 4.1.3 Các loại mạng nơron nhân tạo thường gặp và phương pháp huấn luyện mạng

4.1.3.1 Mạng nơron truyền thẳng một lớp 4.1.3.2 Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp 4.1.3.3 Mạng nơron hồi quy một lớp

4.1.3.4 Mạng nơron hồi quy nhiều lớp

4.1.4 Các phương pháp huấn luyện mạng nơron nhân tạo

4.1.4.1 Học có giám sát 4.1.4.2 Học củng cố

4.1.4.3 Học không có giám sát

Đầu dây nơron

vào

Khớp nối

Đầu cuối sợi nơron Trục nơron

Thân nơron

Hình 4.1 Nơron sinh học

4.2 Xây dựng bộ ñiều khiển dùng mạng nơron thích nghi với

thuật toán MFA ñể lấy kết quả so sánh

Khối Speed Controller (Vòng ñiều khiển tốc ñộ) dùng mạng

nơron thích nghi là 1 mạng nơron như sau (Hình 4.19)

Lúc này, bộ ñiều khiển C có giải thuật ñiều khiển ñược trình

bày như sau:

- Bộ ñiều khiển C

1

( ) ( ) ( ) 1

N

i

p n w n E n

=

(4.21)

(4.22)

1

11( ) ( ) ( ) 1 1( )

N

j

v n K h n q n e n

=

(4.23) Hình 4.19 Mạng nơron thích nghi cho cấu trúc SISO

11

1

1

N

k

i c

=

1

c

4.3 Vòng ñiều khiển tốc ñộ với bộ ñiều khiển dùng mạng nơron thích nghi với thuật toán MFA

Tác giả thay thế vòng ñiều khiển tốc ñộ với bộ PI cố ñịnh bằng mạng nơron thích nghi

Hình 4.21 Vòng ñiều khiển tốc ñộ dùng mạng nơron thích nghi với

thuật toán MFA

Trong ñó, bộ ñiều khiển tốc ñộ dùng mạng nơron thích nghi với thuật toán MFA ñược tác giả ñã xây dựng trên Matlab-Simulink

từ các phương trình (4.21) ñến (4.25) như sau:

Hình 4.22 Bộ ñiều khiển dùng Mạng nơ ron thích nghivới thuật toán

MFA

Trong ñó, bộ ñiều khiển C có cấu trúc mạng (Hình 4.23) dưới

ñây

Hình 4.24 Cấu trúc mạng của bộ ñiều khiển C dùng nơron thích nghi

với thuật toán MFA

4.4 Kết quả mô phỏng dùng mạng nơron thích nghi với thuật

toán MFA

Nhìn chung, các kết quả dòng ñiện stator, moment ñộng cơ khi

vòng ñiều khiển tốc ñộ dùng khâu nơron thích nghi với thuật toán

MFA thay thế cho bộ PI cố ñịnh ñều có kết quả giống với PI thường

Sự khác biệt chỉ xảy ra ở ñáp ứng tốc ñộ của ñộng cơ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -200

0 200 400 600 800 1000

1200

: Toc do dat : Toc do phan hoi

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

1300

: Toc do dat : Toc do phan hoi

Đáp ứng tốc ñộ của ñộng cơ khi có khâu nơron thich nghi

Hình 4.25 Đáp ứng tốc ñộ của ñộng cơ khi có khâu nơron thich nghi Phóng to ñáp ứng tốc ñộ của ñộng cơ tại hai thời ñiểm ñóng tải

ta có thể thấy rõ tác dụng của dùng khâu nơron thích nghi với thuật toán MFA

Time (Sec)

Time (Sec)