Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp mô hình nội kết hợp mạng Neural Network

Một số phương pháp điều khiến động cơ được giới thiệu như sau:Điều khiến động cơ bằng phương pháp định hướng trường.Phương pháp điều khiến tuyến tính hóa vào ra input — output linearizat

NGUYEN THANH TAM

DIEU KHIEN DONG CO KHONG DONG BO BA PHA BANG PH ONGPHAP MO HÌNH NOI KET HỢP MẠNG NEURAL NETWORK

Chuyén nganh : TU DONG HOA

Ma so: 605260

LUẬN VAN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 12 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS TRINH HOANG HON

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYÊN THANH TÂM MSHV:11156071Ngày, tháng, năm sinh: 02.10.1988 Nơi sinh: Tiền GiangChuyên ngành: Tự động hóa «««<<+<<2 Mã số : 605260

I TÊN ĐÈ TÀI:

DIEU KHIỂN DONG CƠ KHÔNG ĐÔNG BỘ BA PHA DUNGPH ONG PHAP MO HÌNH NOI KET HỢP VỚI MẠNG NEURAL

NETWORK

H NHIEM VU VA NOI DUNG:

Điều khiến tốc độ, từ thông động cơ không đông bộ ba pha, kết hợp thay thé

mô hình thuận và ngược băng neural network, thực nghiệm điêu khiên băngDSPACE 1104.

HI NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: / / 2013 ccccccrekerrrec,IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: / [2013 veecccccccseseseseseseseseeesv CAN BO H ONG DAN: TS TRINH HOANG HƠN 5-5555ccc<c

Tp HCM, ngay thang năm 2013

CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

(Họ tên va chữ ky) (Họ tên và chữ ký)

TRUONG KHOA

(Họ tên và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ là để tài hoàn chỉnh cuối cùng tôi đang thực hiệntrước khi hoàn thành chương trình thạc sĩ Kết quả này có được bằng chính nỗlực học tập, nghiên cứu không ngừng của bản thân trong suốt thời gian họctập tại trường dưới sự hướng dẫn, giảng dạy của Thầy Cô.

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Cô KhoaĐiện - Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã tậntình giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quí báutrong suốt thời gian học tập tại vừa qua.

Tôi xin chân thành cảm ơn Thay Cô bộ môn Thiết Bi Điện và bộ mônĐiều Khién Tự Động đã hỗ trợ các phương tiện và tạo mọi điều kiện để tôithực hiện luận văn thạc sĩ này.

Long cảm ơn chân thành xin gởi đến Thầy TS Trịnh Hoàng Hơn,người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện hoàn thành đề tài này

Xin kính gửi đến cha mẹ và những người thân lòng biết ơn vô hạn vì sựđộng viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt để cho tôi đạt được kết quảhôm nay.

Chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Ngọc Tú cùng các anh chị, đồngnghiệp và bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ rất nhiều để tôi hoànthành luận văn này.

Mot lần nữa xin gửi đến Thầy Cô, gia đình và bạn bè lòng biết ơn chânthành và sâu sắc nhất.

Học viên

Nguyễn Thanh Tâm

Luận văn trình bày phương pháp điều khiến động cơ không đồng bộ bapha bằng phương pháp mô hình nội, có sự kết hợp với mạng neuralnetwork Trong đó, mạng neuron thay thế cho mô hình thuận và mô hìnhngược của bộ điều khiến dùng mô hình nội Kết quả mô phỏng trên maytính và thực nghiệm với DSPACE 1104 cho kết quả tốt, bộ điều khiến onđịnh khi các thông số động cơ thay đổi (điện trở, điện cảm, moment quántính thay di )

Abstract — The paper presents a method for controlling inductionmotor using internal model control (IMC) approach combine with Neuralnetwork The forward and inverse models are nonlinear in the rotor fluxcoordinate and replaced by Neural network models Simulation andexperiment results show that the control system has good performance androbust against changes in motor parameters (rotor and stator resistances,inductances, rotor inertia).

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, có sự hỗ trợ từgiảng viên hướng dẫn chính là Thầy Trịnh Hoàng Hơn Các số liệu, kết quả nêutrong luận văn / luận án là trung thực, các tài liệu tham khảo được trích dẫn

trong luận văn

Nếu phát hiện bất ky sự gian lận nao, tôi xin chịu hoàn toan trách nhiệm

Tác giả

Nguyễn Thanh Tâm

90098270 |CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHAP DIEU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐÔNG BỘ 2l.[ TOng qUan: + 5C SE2SE S33 1219111211111 211111 211111111101 01 1111 21.1.1 Động cơ không đồng bộ - - S2 S221 3E E1 1 151515112121 21 11151111 cxeE 2

1.1.2 Tinh hình nghiÊn CỨU << <5 190000 199.00 ngờ 3

1.1.3 Tính cấp thiết của ứng dụng ¿- 52 5E+c+S+Sx2ESEEE2EE E212 rkrkrreee 31.3 Các phương pháp điều khiển động co không đồng bộ - 5-5-5255: 51.3.1 Phương pháp điều khiển vô hướng: ¿ - - + 2 2 +E+E+E+E££E£EzEzesrrsred 61.2.2 Phương pháp điều khiến định hướng trường (FOC) -.- 2-55-5555: 61.2.4 Bảng so sánh các phương pháp điều khiến: V/f, FOC, DTC 91.2.5 Phuong pháp điều khiến Sliding mode w ccccceeccscesssesesssesessesessssseseseees 111.3 Điều khiến động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp dùng mô hình nội

(0/9 l1 11

1.3.1 Ưu khuyết điểm của phương pháp điều khién dùng mô hình nội 111.3.2 _ Cấu trúc chính của IMC? os eesessssesseesseesesseesneesecsseecneensecneesncesecnseasenneenseenses 121.3.3 Cau trúc bộ diéu khiến động co dùng phương pháp mô hình nội đối với động

cơ không đông bộ 3 pa <5 + 0090009900 15

CHUONG 2: THỰC NGHIỆM ĐO DAC THONG SỐ ĐỘNG CƠ 172.1 Sơ đồ thực nghiệm - ¿56 + S33 E9 E5 121115111511 111115 15111111111 1E 172.1.1 Sơ đồ nguyên lý do điện trở stator icc sesessssescscsessesesessssssssessesseesees 172.1.2 Do không tải và ngắn mạch xác định thông 86 -2-5- 525555: 172.2 Số liệu đo ạC: c1 11g TT TH ng ng net 182.3 Xử lý số liệu va tính toán trên MATLAB w eeccccccccsescssesessssesessesesessesesesseseseesesen 19CHUONG 3: MO PHONG DIEU KHIEN DONG CO KHONG DONG BO DUNGPHƯƠNG PHÁP MO HINH NOI c.cecessececescssccscscececcesecscececscsevscacececsesavacscsevevacseneeeveves 21

3.1 Mô phỏng động cơ trên hệ tọa dO stator ee eeeeesneceeceesessneeceeeeeeesnneeeeeeeeeees 21

3.2 Mô phỏng điều khiến động cơ bằng phương pháp dùng mô hình nội 333.2.1 Khối đối tượng điều KhiỂn: ¿+ + SE +E+E+E#ESEEEE£EEESEEEEEEEErErErkrrrrkred 333.2.2 Xây dựng khối mô hình thuận: ¿2 + 22+ S£+E+E+EE£EeEerrxrrrrererree 33

3.2.3 Xây dựng khối mô hình nguoc? - - 2 25 E2 £2EE£E£E£E+E£EE£E£ErEeEevererered 393.2.4 Xây dựng bộ lọc và các khối biến đổi: - - 25252 22+E+E2££EcEcEzrerrered 433.3 Kết quả mô phỏng: ¿+ - ¿5652 SE2E9EESE2E9EE 2123911232111 212111 111111111111 Ex 453.3.1 Thông số mô phỏng: - ¿+ 525229 SE +E£E£EE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrrrrrrrrree 453.3.2 Đáp ứng của hệ thong ¿- 52222222123 E123 12212111111 21111 11111111 45CHƯƠNG 4: MẠNG NEURON VA HUAN LUYEN MẠNG - 514.1 Tổng quan về mô hình mạng NOron c.cccescssssessssesessesesssscsesscsssesecscsesscsesesseseseseees 514.2 Huan luyện và xây dựng mang noon eececesessssesessesesesscsesscscsesecseseescsesesseseseeeees 554.3 Huấn luyện mang cho bài toán điều khiển động cơ: - 25 555s+ccse: 634.3.1 Dữ liệu huấn luyện mạng - + SE +E+k+E+ SE E15 1 121111111111 EE xe, 634.3.2 Thuật toán huấn TUYEN on 634.3.3 Huấn luyện mạng và kẾt Quả: ¿+2 22+ +*+E+E£E+EeErkrtererererrees 63CHƯƠNG 5: MÔ PHONG DIEU KHIỂN ĐỘNG CƠ BẰNG IMC KET HỢP VỚI

MẠNG NEURON 5-5 CS S3 12 121111121115 1111511111111 1115111110511 11 101111121111 73

5.1 _ Xây dựng mô hình băng MATLAB/ Simulink ¿5-55 2 5s+cecszscsee 736.1 Ket quả mô phỏng: -¿- - ¿2E 5£ SE9E+EESE£E9EEEEEEEEE E111 1112111121111 xye 74CHƯƠNG 6: TONG QUAN VE DSPACE, CÁC KHOI DIEU KHIEN, ĐO LƯỜNG VA

CONG SUAT vicccccccccccssscsscscssescsssscscsscscscsscscscsscssssscscsvsscscssscscsvsscscsvsecscsnsecatessesscatssecanavees 81

6.1 Cau hình phan cứng của DSPACE L cceccsccsessssesessesessssssesecsssessesesesscsesesseseseeseeesen 8]6.2 Khối ADC? veeeeeccceccccccscccssescscscsscscscscsssscscscscsescsescscsssscscsssssssscscsssssssscscscsssssseseaeass 826.3 Khối DAC? cececeeccccccccccsescscscsscscscscsssscscscscsssscscscscsssscscsssssssscscsvsesssscscsssesssseecacass 8364 Khối doc xung tín hiệu tly ©nCO(€T: (<< << 00 ke 346.5 Các khóa công suất và điều KhiỂn: ¿+2 25622 SE+E+EEEE2EEEEEEerxrkrerrees 856.5.1 Khối IGBT: -c- S2 SE 3 1E E1 11151151111 1115111 11111111 krk 856.5.2 Khối Nguồn DC: - 5222 2+E* S3 E911 1211121111 211112111111 cre 866.5.3 Khối cấp nguồn t15 VDC? - 52 Set 22v 2111112111111 ke 876.5.4 Khối đo dòng điệỆn: 5-5-5233 E1 1 1 1215111111111 111111111 87CHUONG 7: THỰC NGHIEM DIEU KHIEN ĐỘNG CƠ BANG DSPACE 1104 887.1 Mô hình điều khiến dùng dspace 1104: cccccccsessesssessssesessssessesssessessseseseseesesen 88

7.2 PAN cỨng: -5c SE SE St S231 E1 2111111 211111211111 11 1111111111111 re 917.3 Kết quả thực nghiGme cccccccccccsccsesessscsesscscscscscsscsesescsssscsescscsssssscsesssssesessesees 92CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN 6-55 2ct 2t tr Hee 988.1 Đánh giá tính bên vững của hệ thống điều khiển 5 + 5< +s£s£+s£s£+ 988.2 Nhận xét hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha 988.3 Hướng phát triển và ứng dụng của dé tầi << Sex SE re, 998.3.1 Hướng phát triển thuật toán điều khiển động CO 5 5 c<c+xcsczecsea 998.3.2 Hướng phát triển hệ thống điều khiển động cơ sees 5s +s£+s+s£zscsca 1008.4 Hướng triển khai ứng dụng

TÀI LIEU THAM KHẢO -G- <6 56911 1 E9 1191 1 1E 9111158 3 1111 rrrei 102

Hình 1.Hình 1.Hình 1.Hình 1.Hình 1.Hình 1.Hình 1.Hình 1.Hình 1.Hình 1.Hình 1.Hình 1.

Hình 2.Hình 2.Hình 2.

Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.

DANH MỤC HÌNH ẢNH

1 — Động cơ khơng đồng bộ ba pha và cau tạo bên trong - 5-55: 22 - Các phương pháp điều khiến động cơ khơng đồng bộ - 2 - 5: 53 - Điều khiển V/f là hăng SỐ ¿-¿- - ¿2 S2 2E2EEE2E E3 2331121111111 64 - Mơ hình điều khiển FOC + ++©++‡Ex‡ExxEEkkEEkktEkkrtrkrtkrrrkrrrkerrkerrie 75 — Mơ hình điều khiển IDƑTC ¿ +-©+S SE 86 - Điều khiến trượt cho động cơ khơng đồng bộ ba pha - «<< <<<<2 I17 — Câu trúc phương pháp điều khiển dùng mơ hình nội - 12

8 - Phương pháp mơ hình nội cĩ bộ lỌC << + 1111999 11 vn 15

9 - Hea thống điều khiện động cơ không đồng boa dugng moa hình nội I5

10 — Bộ biến đỔI - G11 11121 11 5111011111 01g11 201 TT ng ưu l6

II — Mơ hình thuận - - G99 vn 1612 — Mơ hình ngƯỢC G9900 16

7 — Mơ hình m6 phỏng động CƠ Gv re 298 — Dap ứng dịng điện của động cơ 3 pha (<< <5 S1 n k, 30

9 — Đáp ứng tốc độ khi khơng tải và khi day tải (rad/s) - 2 55555: 31

10 — Dap ứng Moment của động CƠ - (<< <5 1900 1n ng 31II — Dap ứng từ thÕƠng - 0g nọ kh 32

12 — Mơ hình mơ phỏng điều khién dùng phương pháp IMC - 33IV g 04,00 Sẽ 3314 - Biéu diễn vector khơng gian trên hệ tọa độ dq, -. -5- 2 55555: 3415 —KhOi process ::1‹1‹1 37

Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.Hình 3.

Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.Hình 4.

16 — Sơ đồ chi tiết khối mô hình thuận - ¿- + + 6k EE+EsESE+EEEEeEsEsesesererd 3817 — Khối tinh dòng điện trong hệ dd - ¿5-5 2522 £*+E+E£E+xeEezxrrereei 3818.— Khối tính dòng điện trong hệ dq - ¿2-5 2 52+E+E££E+EeEzEvverersrrereee 3919 — Khối tính tốc độ trong hệ d - - + 2+6 +E+E+EEEEE£E£E#EEEEEEEErErrvererered 3920 — Sơ đồ chỉ tiết khối mô hình ngược - - - + + 2 + +e+E£E+E+kcxrxrxeescee Al

21 - Equ — 2.36abDe - - - <0 4222 - EQU — 2 ẢỐC - G G000 0 nọ vớ 4223 - Equ — 2.36 :- - E221 121115151111 1111111511 111111111111 011101 01011100 1111 grrk 42

24 — Khối chuyền hệ tọa độ dq sang OP - + 255222 2 £E£E+EsEEErkrkrrrrees 43

25 5:0) 9 44

26 — Dap ứng danh định hệ thống - ¿5-5 2 2 E+E£E+E+E£EE£E£EzEeEerrrersred 4527 — Dap ứng hệ thống khi điện trở thay đổi (bang 1.5 lần) - 4628 - Đáp ứng hệ thống khi điện trở thay đối (bằng 0.8 lần) - 4629 - Đáp ứng hệ thống khi điện cảm thay đối (băng 1.2 lần) - AT30 - Dap ứng hệ thống khi điện cảm thay đối (bang 0.8 lần) - AT32 - Dap ứng hệ thống khi moment quán tính thay đối (băng 5 lần) 4633 - Đáp ứng hệ thống khi tat cả thông số thay đối - + 2555525255552 48

1 - Cau trúc của một noron sinh học điển hình - 5 + 5s £sEsEsEsesesesed 51

3 - Mạng tự Ket hop - + ¿c1 1 1 1 1 1515111111 111111 111101151111 0111 01010101111 y0 534 - Mạng kết hợp khác KiỂU - ¿2 2E E823 1E 5E 121115111 5111111 exe 545 - Mạng truyền thắng - ¿6-5-5 2E2EEE SE E2 123212121111 211111 211.111 1.xcxe 546 - Mang phan 0/00 7:1 557 - Mang MLP tong quất cccccccccsssscssssssessssesescsssessescsesscsesesscseseessscsesesscseseesesen 558 - Mối liên hệ giữa sai số và kích thước mẫu - + 52 2 2+s+£+£z££szx¿ 589 - Huan luyện luân phiên trên hai tập mẫu -+-2- 2 255252 5s+s+£z£s>s+2 6210 - Mô hình mô phỏng lay dữ liệu huấn luyện - 22 255252 s+s+5ze: 6411 — So sánh đáp ứng của mô hình và ngõ ra neuron khi tải TL thay đổi 6512 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác và mang neuron khi điện trở thay đối 6613 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác mạng neuron khi điện cảm thay đổi 6614 - So sánh đáp ứng của mô hình chính xác và mạng neuron khi J thay đối 6715 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác, neuron khi toàn bộ thông số thay đồi 6716 - So sánh đáp ứng của mô hình chính xác và mạng neuron khi tải thay đi 6917 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác và mang neuron khi điện trở thay đối 7018 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác và mang neuron khi điện cảm thay d6i70

Hình 4 19 - So sánh đáp ứng của mô hình chính xác và mang neuron khiJ thay đổi 71

Hình 4 20 - So sánh đáp ứng mô hình chính xác và mạng neuron khi toàn bộ thông số¡m0 71Hình 5 1 - Mô hình mô phỏng điều khiến động cơ dùng phương pháp mô hình nội kếtNOP 00001111777 73

Hình 5 2 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi danh định - 2-2 5 ss+ccse: 74Hình 5 3 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện trở bang 0.8 lần thiết kế 75

Hình 5 4 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi điện trở bang 1.5 lần thiết kế 76

Hình 5 5 - Đáp ứng tốc độ và từ thong rotor khi điện cảm băng 0.8 lần thiết kế 77

Hình 5 6 - Đáp ứng tốc độ và từ thong rotor khi điện cảm băng 1.2 lần thiết kế 77

Hình 5 8 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi J bằng 5 lần thiết kế - 78

Hình 5 9 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi tat cả các thông số thay đổi (tăng) 79

Hình 5 10 - Đáp ứng tốc độ và từ thông rotor khi tat cả các thông số thay đổi (giảm) 79

Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 6.Hình 7.Hình 7.Hình 7.Hình 7.Hình 7.Hình 7.1 — Khối giao tiếp thiết bên ngoài của DSPACE 1104 - 55555555: S12 - Khối ADC trong DSPACCE G5221 1 2121911212111 1111112111111 823 - Vị trí các kênh ADC của bộ DSPACCE + 2 255 2E+E2E2EE£E£E£ESEEEcErkrrrree, 824 - Khối DAC trong DSPACCE 5S 1223 19112121511 212111 21111111111 ecryeg 835 - Vị trí các kênh DAC của bộ DSPACCE + 25222 E222 £E£E£ESEEEEErErrrree, 836 - Khối master SELUP (€TCO€T') - 000000 ve 847 - Khi ng6 ra encoder sesescssssessssesessesesessesesscsesesscsesesscsesessesesesscsesesscsssesssseeeeees 848 - Kết nối encoder với card DSPACE c.cccccccscscssescesesesseseceseeseseeseseescseeseaeeseaeeees 859 - Khóa công suất IGBT cecccccscccsessssescssesesessesssesscsessscscssscsesessesesesssseesssseeeeses 8510 - Nguồn chỉnh lưu ba pha không điều khiến 2+ 25255 +c2£z£e>s2 S611 - Bộ nguồn đôi 15 VDC - 5-5523 1 E1 111115111111 11 011517110111 11 11k 8712 - Khối đo dòng điện xoay chiều ba pha 22-5252 55+5S£+E+Ee£ezeererecxee 871 - Mô hình mô phỏng thời gian thực dùng phương pháp [MC 88

2 - Khối doc tín hiệu dòng điện và ước lượng từ thông « «<< «<2 S93 - Khối đọc tín hiệu từ €CO.€T G61 5391 91 1E 91115121 3 5 11 113 xe 894— Bộ điều khiến động €Ơ - - - -ES 1E 5E 111 1 1 1 1111111111111 1e 905 - Mô hình điều khiến động co thời gian thực trên simulink - 906 — Kết nối phan cứng của động CƠ -. ¿- - 2655223 EE2EEEEEEEEErkrrrrkrerree 9Ị

Hình 7 7 — Mạch chuyển mức tín hiệu từ SV lên IS V TQ QQQSnH H1 1x xy 92Hình 7 8 — Tin hiệu tu thông va tốc (O06: re 92Hình 7 9 - Khối quan sát dòng điện trên các pha của động cơ -5- s+cscse: 93Hình 7 10 - Bảng điều khiến xây dựng trên Control desk - ¿555552 >s+s+cscs2 94Hình 7 11 — Đáp ứng của động cơ khi tốc độ thay đối, từ thông không đổi 95Hình 7 12 - Đáp ứng của động cơ khi tốc độ thay đối, từ thông không đổi 96Hình 7 13 - Đáp ứng của động cơ khi cả tốc độ, từ thông đều thay đổi - 97

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gan đây, động cơ không đồng bộ ngày càng chứng tỏ ưu thé củamình trong các lĩnh vực công nghiệp, theo đó điều khiến động cơ không đồng bộ theohướng chính xác và chất lượng cao thu hút nhiều sự quan tâm chú ý Tuy nhiên một vấndé quan trọng là động cơ không đồng bộ là hệ phi tuyến và thông số động co thay doitrong quá trình làm việc Nhiều phương pháp duoc đưa ra để điều khiển động cơ, nhưngthường nhạy cảm với sự thay đổi thông số động cơ Một số phương pháp có tính robustcao, ít nhạy cảm với thông số như phương pháp mô hình nội, nhưng nhược điểm củaphương pháp này là khối lượng tính toán lớn và phức tạp Để giảm khối lượng tính toánnày, ta phải ứng dụng các phương pháp điều khiến hiện đại: Fuzzy, Neuron Do đó, yêucầu kết hợp các phương pháp điều khiến hiện đại vào điều khiến dé ứng dụng trong thực

tê là một yêu câu can thiệt.

Với dé tài: “Điều khiến động cơ không đồng bộ ba pha bang phương pháp môhình nội kết hợp với mang neuron network” Luận văn được trình bày gồm các chương

cu_onci: CÁC PHƯƠNG PHAP DIEU KHIỂN

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐÔNG BỘ

1.1 Tổng quan:1.1.1 Động cơ không dong bộ

Động cơ không đồng bộ là loại động cơ sử dụng phổ biến trong công nghiệp, cóloại một pha và ba pha, động cơ một pha chủ yếu sử dụng trong dân dụng, trong các bộtruyền động công nghiệp, người ta sử dụng động cơ ba pha

Hình 1 1 — Động cơ không dong bộ ba pha và cấu tạo bên trongƯu điểm chính của động cơ ba pha:

- Kha năng qua tai lớn.

- Hoat động ở tốc độ thấp hoặc cao được điều chỉnh tương đối dễ dàng- _ Kết cau phan quay (rotor) chắc chan: nhất là loại rotor long sóc.- - Không phat sinh tia lửa điện như động cơ một chiều nên có thể hoạt động

trong môi trường yêu cau vé độ an toàn cao như: cháy nỗ, xăng dâu - _ Ít bảo tri bảo dưỡng, bảo dưỡng dễ dàng

Một số phương pháp điều khiến động cơ được giới thiệu như sau:

Điều khiến động cơ bằng phương pháp định hướng trường.Phương pháp điều khiến tuyến tính hóa vào ra (input — output linearization)Phương pháp điều khiến chế độ trượt (điều khiến trượt — non linear sling

phương pháp định hướng trường (FOC), phương pháp này ngày càng hoàn thiện nhờ áp

dụng các tiễn bộ của kỹ thuật xử lý trên máy tính và vi xử lý

Tuy nhiên nhược điễm chính của phương pháp này là nhạy cảm với sự thay đổi

thông sô của động cơ, thông sô này ảnh hưởng lớn dén đặc tính của bộ điều khiên, đêkhăc phục cân phải có sự hồ trợ từ các bộ điều khiên hiện đại như: Fuzzy, Neuron trênnên xử lý tôc độ cao.

Dé khắc phục sự ảnh hưởng của thông số lên bộ điều khiến, cũng có các phươngpháp điều khiển khắc phục một phân tính bền vững (Robust) nhưng thuật toán tương đốiphức tạp và các thông số điều khiến khó xác định.

1.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:- Tén dé tài: Điều khiến động cơ không đồng bộ ba pha bang phương pháp mô hình

nội kêt hợp với mang neuron network.- Noi dung:

O Xây dựng mô hình điều khiển động co không đồng bộ bang phương pháp

1.3 Các phương pháp điều khiến động cơ không đồng bộ

Về cơ bản, các phương pháp điều khiến động cơ không đồng bộ được chia làm hai

loại:

- _ Điều khiến vô hướng (scalar control).- _ Điều khiến vector (vector control).Trong phương pháp điều khiến vô hướng: biên độ và tần số của không gian vectorđiện áp, dòng điện và từ thông liên kết được điều khiến

Trong phương pháp điều khiến vector: vị trí tức thời cũng như biên độ và tần sốcủa không gian vector điện áp, dòng điện, từ thông móc vòng đều được kiểm soát

Các phương pháp điều khiến động cơ dựa theo tan số được liệt kê theo sơ dé bêndưới V/f là phương pháp điều khiến vô hướng kinh điển nhất trong khi FOC (định hướngtrường — Field Oriented Control) và DTC (điều khiến momen trực tiếp — Direct TorqueControl) là hai phương pháp điều khiến vector phố biến nhất và ngày càng phát triển nhờsự phát triển của kỹ thuật vi xử lý và vi tính

Ngoài ra, còn có một số phương pháp điều khiến khác:

Điều khiêntheo tân số

+

k i

Diéu khién Điều khiên

vô hướng vector

¿ ]

ị } f ‡= ; Field Direct TorqueU/f=const i, = f (@,) Oriented Control

(Blaschke) (Hasse) NFO Flux & Torque

(Jonsson Control

Hình 1 2 - Các phương pháp điều khién động cơ không dong bộ

1.3.1 Phương pháp điều khiển vô hướng:

Động coHình 1 3 - Điêu khiển VA là hang số

Điều khiến vô hướng là phương pháp điều khiến cổ điển và đơn giản nhất dé điềukhiến ĐCKĐB 3 pha Phương pháp này tạo ra điện áp 3 pha có điện áp và tân số thay đổiđược và tỉ số điện áp/tần số được giữ là một hăng số để giữ cho từ thông không đổi khiđiều khiến, còn được gọi là phương pháp V/f

Phương trình biểu diễn như sau:

V ator — E + R ator J stator x E

E=444{N®,, 27-0, = const

Phương pháp này chi điều khiến điện áp và tan số, không điều khiến dòng điện,thường chỉ được dùng cho những ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao về đáp ứngtốc độ, tải cô định ít thay đôi và thường chi dùng dé điều khiến vòng hở

1.2.2 Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC)Phương pháp điều khiến định hướng trường được trình bày lần đầu bởi K.Hasse(Indirect FOC) và F.Blaschke (Direct FOC) vào đầu những năm 70 của thé ky 20

Y tưởng của phương pháp này là nhằm biến đối máy điện xoay chiều thành máy điệnmột chiều kích từ độc lập trên phương diện điều khiến.

Trong phương pháp nay các phương trình toán của DC được chuyền sang hệ trục tọađộ từ thông rotor Từ thông rotor và momen được điều khiến thông qua điều khiển dòng

điện stator.

Ưu,———

Ver Flux Voltage

- Cac đại lượng dòng stator trong hệ toa độ từ thông rotor trở thành các đại lượng

một chiều và gần như không đổi.- _ Từ thông rotor và momen được điều khiến thông qua điều khiến dòng điện stator.- Tu thông va moment được điều khiến một cách độc lập

Nhược điểm của điều khiển FOC:- Cac phương trình tính toán là tương đối nhiều và sử dụng nhiều bộ thay đổi hệ trục

tọa độ.

- Ap dung thuat toan FOC dé điều khiển DC cần một bộ xử lý trung tâm đủ nhanhvà mạnh dé xử lý tính toán, hoàn thành chu ky tính toán nhanh nhất dé cho ra đápứng tốt nhất, các vi xử lý thông thường như 89C51, PICI6F, PICI8F không théđáp ứng tốc độ tính toán này được

- _ Yêu cầu thông tin chính xác về các thông số của DC, khi thông số của DC bị thayđổi trong quá trình hoạt động thì đòi hỏi những giải thuật thích nghi phức tạp, nếukhông đáp ứng của DC sẽ không đạt yêu cau

1.2.3 Phương pháp điều khiển DTC

ĐK từ thông Uy

+ | | 4

: NI Cự dy,

4~ Chon Vector S

trạng thái 8

dong ngắt S| C

M ® Cự đụ | 4

= =

DK Momen Xac dinh Tinh toan

sector tir thong điện ap

Phương pháp này được phát triển lần đầu bởi I:Takahashi và T.Noguchi vào giữanhững năm 80 của thé kỷ 20 Phương pháp này điều khiến trực tiếp từ thông stator vàmomen băng cách so sánh từ thông, momen ước lượng với từ thông stator, momen đặtsau đó qua khâu so sánh trễ Ngõ ra của khâu so sánh trễ là sai số từ thông stator, momen,các giá tri này cùng với vi trí cua từ thông stator kết hợp lại với nhau thành bộ chọn lựađiện áp điều khiến.

Uu điểm của DTC:

- - Nhờ thuật toán đơn giản và đáp ứng nhanh, phương pháp này ngày càng trở nên

pho biến.- Vong hôi tiếp bên trong của nó không phụ thuộc nhiều vào các thông số của DC,

đối với những DC mà ta không biết được thông số cụ thé, đây là phương pháp phùhợp dé điều khiến

Nhược điểm của DTC:- Tan số đóng cắt ngõ ra thay đối chứ không có định

- Pap ứng momen sẽ gây ra hiên tượng đập mạch nêu bộ so sánh trê có khoảng trêquá lớn.

1.2.4 Bang so sánh các phương pháp điều khiển: V/f, FOC, DTC

Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm

- Sơ đỗ và giải thuật rất đơn | - — Khi điều khiến vònggiản hở không kiểm soát chính

^ À 2 ⁄ xác tố Ộ

- Không cần sử dụng các Ốc độ

V/f = const cảm biến hỏi tiếp dòng và | - Chất lượng truyền

áp, tiết kiệm chi phí động thấp

- Bi anh huong boi sut

áp nguồn và tải thay đôi làm

từ thông và momen.

- Đáp ứng không bị ảnh

hưởng khi tải thay đối

- Phải sử dụng nhiều phépbiến đôi tương quan

quan.

- Cho đáp ứng rất nhanh,chất lượng truyền động rấttốt, hiệu suất điều khiển

cao.

- Có thé điều khiến độc lập

từ thông và momen.

- Đáp ứng không bị ảnh

hưởng khi tải thay đối

- Tu thông ĐC luôn đượcgift tôi ưu.

- Tan số đóng ngắt linh kiệnthay đổi khi không sử dụng

các giải thuật nâng cao.

-Yêu câu toc độ tình toán vàtần sô lây mâu cao.

-Xay ra hiện tượng đậpmạch do momen có sự dao

động khi điều khiến ở tốcđộ thấp

1.2.5 Phương pháp điều khiển Sliding mode

Điều khiến trượt là một phương pháp điều khiến phi tuyến đơn giản hiệu quả Tuynhiên dé thiết kế thành phan điều khiến trượt cần phải biết rõ các thông số của mô hìnhđối tượng cũng như các chặn trên của các thành phân bất định của mô hình Điều khiếntrượt có dạng ham dau và có hiện tượng chattering các trạng thái xung quanh mặt trượt

o Tuyến tính hóa vào rao_ Điều khiến dựa trên tính thụ độngo Điều khiến dựa vào phương trình trạng thái.o Điều khién dùng phương pháp mô hình nội (IMC)

1.3 Điều khiến động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp dùng mô hình nội

o Điều kiện 6n định nội và bền vững diễn tả băng các hàm truyền đơn giảnnên dé sử dụng trong thiết kế (Trong lĩnh vực điều khiến động cơ khôngđồng bộ rotor lồng sóc, thông số động cơ thay đổi theo thời gian và rất khó

xác định chính xác).

Khuyết điểm:

- Ding chủ yếu cho hệ tuyến tính

- Chua được sử dụng rộng rãi trong hệ phi tuyến, đặc biệt là các hệ đa biến

(Multi-input multi output-MIMO).

1.3.2 Cau trúc chính của IMC:

d(t}

r{t) Li(† —— vat tWan MO HINH Ut ĐỐI ob) + y(t)

r(t) : Các tin hiệu đặt (set points).

y(t) : Cac tín hiệu ngõ ra tương ung

d(t) : Nhiễu tác động lên hệ thống.

Bộ Điều Khiến Q (mô hình ngược)

M6 hình lý tưởng: mô hình đối tượng trùng khớp với đối tượng điều khiến

Ta có: y-y =0.

Trường hợp nay không có tín hiệu hổi tiếp về do đó:

y= Pu= P(Q’ r)= PQr.Chọn Q= P'=P' nên P.Q=I (với I là ma trận don vi)

=> y =r: giá trị ngõ ra mong muốn.M6 hình không lý tướng: mô hình đỗi tượng khác với đối tượng điều khiến (đâylà trường hợp thường gặp trong thực tế)

Ta có:

u=Q (re) = Q]r-(y- )|

= QT - QÏTP.u -Ð.ul>u= Q'r- QTP -P®].u

=lI+Qf(p-2)[u=Qr

=> u=[l+Q(P-#)]Qr+rNgo ra: y= Pu suy ra: y = P.[I+Q (P-P)J.Q+

Chọn Q=Ê'

=y=P|+P'P-P'2]'ô*'+=y=P.[+~@ *'p—I]'ô*'r

=y=P|j'p] p's

—=y=P.P'1P.P'r

Ta nhan thay rang nếu P ¥ P thi gia tri ra van dat duoc giá tri yêu cầu (giá trimong muốn)

Nhâm xét về ma tran O

Khi tìm ma trận Q = Pˆ thi xuât hiện các van đê như sau:

o Xuât hiện thừa sô (s — a ) với a > 0 ở mau sô làm cho hệ thong mat ôn định.

o Bậc tử lớn hơn bậc mẫu => không kha thi

—=>y= iG K(s=a) | - na] P1 k4) r

(s+A)" (s+A)" (s+A)"

Chọn k và Â sao cho sai sô xác lập giữa y và r la nhỏ nhát.

Khi điều khiến động cơ không đồng bộ, ngõ vào bộ điều khiến Q là tín hiệu đặt cógiá trị lớn, khi có nhiễu tác động thì sai số e sẽ lớn làm hệ thống dễ mat ôn định lúc quá

độ.

Đề khắc phục điều nay, Zafiriou và Morari đưa ra thiết kế theo kiểu 2 bước ( two —step design procedure) và cau trúc IMC khi sai số như sau:

Hình 1 8 - Phương pháp mô hình nội có bộ lọc

Bước l1: Thiết kế bộ điều khiến danh định Q cho trường hợp mô hình hoàntoàn chính xác và không có tác động của nhiễu (P= Ê,d=0)

Bước 2: Thiết kê bộ loc IMC dựa vào đặc tính vòng kín mong muôn và sai sô củamồ hình.

1.3.3 Cấu trúc bộ điều khiển động cơ dùng phương pháp mô hình nội đối với động cơ

không dong bộ 3 pha

THUẬN “N

Hình 1 9 - Hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ dùng mô hình nội

Trong đó:

* Tin hiệu điều khiển là tốc độ và thông

* Khối đối tượng cần điều khiển gồm động cơ và bộ biến đối.

* Động cơ không đồng bộ 3 pha bằng hệ phương trình toán học trong hệ tọa độtừ thông stator, được qui đối về hai pha.

* Bộ biến đổi: biến đổi điện áp từ u,,u¿„ là @, - là tín hiệu ngỏ ra của mô hìnhngược cũng chính la giá trị điện 4p mong muốn đặt vào động cơ nhưng ở hệ tọa độ từg g g Pp g g gthông rotor - sang điện ap hai pha u¿¿, Usp để đưa vào động cơ

———> Use

0 BIEN ĐÔI = Us

Hình 1 10 — Bộ bién doi* Khối mô hình thuận: được mô phỏng bằng hệ phương trình toán học trong hệ

tọa độ từ thông rotor Tin hiệu vào [ Usa, Usg, Ms | và tín hiệu ra [#ử, Oo] - từ thông rotor

và tốc độ động cơ Trong tập luận văn này khối mô hình thuận được mô phỏng bởi

^

MÔHÌNH r

THUẬN _——>®Usd ——3

0 —N

Hình I 11 — Mô hình thuận

* Mô hình ngược: được xây dựng trên hệ tọa độ từ thông rotor, tín hiệu vào \Wz er

và @;¿r sau khi qua bộ lọc nó phản ánh đúng sự nghịch đảo của mô hình thuận nên cũnq Pp g g gđược mô ta:

MO HINH; Susy

we) NGUOC S Wg

Hình 1, 12 — Mô hình ngược

cH_ơxg2: THỰC NGHIỆM ĐO DAC THONG SỐ

ĐỘNG CƠ

Do đạc thông số của đối tượng điều khiển là một trong những khâu quan trọng củaquá trình thiết kế bộ điều khiến, đối tượng điều khiến trong luận văn này là động cơkhông đồng bộ ba pha, đo đó việc xác định thông số động cơ là rất cần thiết

Thông số động cơ xác định được dựa trên các thí nghiệm với nguồn DC và nguồn AC3 pha thông qua các thí nghiệm đo điện trở các cuộn dây và hỗ cảm giữa các cuộn dâycủa máy ba pha Các thông số xác định được là các thông số ở chế độ tĩnh, khi hoạt động,tùy theo mức độ tải mà thông số có thé thay đổi theo

2.1 Sơ đồ thực nghiệm2.1.1 Sơ đồ nguyên lý do điện trở stator

Hình 2 1 - Do điện tro stator

2.1.2 Do không tải và ngắn mach xác định thông số

> Đo không tải ở điều kiện định mức: trục động cơ chạy tự do

Hình 2 2 - Do thông số động cơ lúc không tải

> Đo ngăn mạch ở điêu kiện định mức: giữ trục động cơ

trung bình của nhiều lần đo.

- Do giá tri điện tro stator:

Pha Dong dién [A] Dién ap [V] Điện tro[Q]

| 04 3.81 9.525

2 0.39 3.73 9.564

3 0.4 3.80 9.50

Điện trở stator là trung bình cộng của 3 giá trị điện trở trên 3 pha

3 1.970 45.1 70

Trung bình 3 pha| 7,=1.972A V =44.87V + P= 210W

2.3 Xử lý số liệu và tính toán trên MATLABSau khi tiễn hành đo đạc thông SỐ động cơ, m file được thành lập tính toán kếtquả thông số của động cơ không đồng bộ, thông sỐ này được sử dụng cho việc thiết kế bộđiều khiến động cơ không đồng bộ dùng trong luận văn Riêng thông số moment quán

tính được đo đạc bằng một cách riêng, không thông qua thí nghiệm như đã trình bày

trong luận văn.

Bảng kết quả tính toán được:Thông số R, R, L¡ L’, Lin J

Gia tri 9.53@ 9.279 O.5041H | 0.5041H 048H | 0.0006kg.m7

Bang 2.1 — Bang thông số động cơ không động bộ tính toán từ thực nghiệm2.4 Kết luận:

- _ Thông số của động cơ không đồng bộ được xác định thông qua các thí nghiệm làthông số động cơ lúc tĩnh, không phải thông số động

- _ Các thông số tính toán được bang cách đo đạc cho kết quả tương đối chính xác, dékiểm tra kết quả đo đạc cần phải tiến hành mô phỏng kiểm tra băng mô hình chính

xác của động cơ.

- Thông số động cơ thay đổi theo điều kiện làm việc của động cơ và theo nhiệt độmôi trường, do đó, xác định thông sỐ động cơ một cách chính xác là một vấn đềcần phải quan tâm khi thiết kế bộ điều khiến

cH_ơng3: MO PHONG DIEU KHIỂN DONG CƠKHONG DONG BO DUNG PHUONG PHAP MO

HINH NOI3.1 Mô phóng động cơ trên hệ tọa độ stator.

Phương trình điện áp trên 3 dây quấn stator:

Với u¿u(Ð, Usy(t), Usgw(t) : Điện áp trên 3 cuộn dây pha cua stator.

Pod), Pot), „(0 — : Từ thông móc vòng trên 3 dây quấn stator.

Rg : Điện trở dây quấn pha cua stator.

-2 ^ _P 2 (120° j24(P

Biểu diễn theo dang vector: ; (t) = ok (thtu,(te’” +u,, (te! | (2.2)

Thay các phương trình điện áp pha (2.1a),(2.1b),(2.1c) vào (2.2), ta được:

* i,(t) : Vector dong stator * W(t): Vector từ thông stator.* Chỉ số “s” ở trên chỉ hệ quy chiếu stator.

Tương tự, ta có phương trình điện áp của mạch stotor Khi quan sát trên hệ rotor

(rotor ngắn mạch) :

„=0 = R.i(t) + dW (0) (2.6)

dt

Với

* uy : Vector điện áp rotor * 7„() : Vector dong rotor

* W(t) + Vector từ thông rotor.* R, : Điện trổ rotor đã tính quy đổi qua hệ stator

* 0 : Vector không (mođul bằng không)

Các cuộn dây của động cơ có giá trị điện cảm :

* Lin : Hỗ cảm giữa rotor va stator.* Liss : Điện kháng tan của dây quấn stator.

* Ly : Điện kháng tan của dây quấn rotor.

Từ các giá trị điện cảm trên ta có:

*L= Lat Lạy, : Điện cảm stator *L,= Lạ+ L, : Điện cảm rotor.

Các vector từ thông stator và rotor quan hệ với các dòng stator va rotor:

WP, =Leist Ly ie (2.7a)W, =Lin ist Ly i: (2.7b)

Đối với động cơ không đồng bộ là một hệ điện cơ nên ta có phương trình cơ:

J doM.= Mr+ —*— 2.8rt oe (2.8)

Mô hình trạng thai động cơ trên hệ toa độ stator.

Từ phương trình (2.6), quy về hệ quy chiếu stator :

[Pr 7s —Ƒ —s

i, mi, 1° ,=W,e ?°

0=R¿iL+ LEO _ uy) (2.10)

Vay từ các phương trình :(2.3),(2.7),(2.8) va(2.10) ta có hệ phương trình:

u,=R,.is + av (2.11a)

dt

0=R¿ + EO _ uy; (2.11)

Wo=Lyis + Ly i (2.11c)PY =Ly is tL i (2.11d)

M = =p xis)=-S pF xi.) (2.11e)

J doM.= Mr+—*—— 2.11ttt (2.11f)

Để đưa về hệ phương trình với biến: Dòng điện stator và từ thông rotor, từ phươngtrình (2.11d) va (2.11e):

i, = _ W; -L#] (2.12)

P=L i 4+ W;—z„7] (2.13)

r

Thay (2.12) &(2.13) vào (2.11a) &(2.11b) va chú ý thêm các định nghĩa sau:

T,= e : Hằng số thời gian stator.

dis |b boys bot ig heya} (2.18)

dt of of oL,, \ T ƠI,

dP, Ls (1 wy

dT, Ề jo ~

di, |_| le ji +e Wt oP, tu, (2.20a)

dt oT oT oT.L oL,, oL,

dv, L` (2.204)dt T T

1 1- — —

Đặt a¡= + , ao= l-o a=-TC

of of, oT L,, oL,,

a 1_ ax<=—— a _3 —'4 ol, 5 T 65 Pp 1

Vậy hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ 3 pha trên hệ tọa độ stator như sau:

diSPdt

ƠI ƠI, of.

Hình 3 1 - Mô hình tong quát mô phỏng động cơ

Chi tiết các khối bên trong mô hình được xây dựng dựa trên hệ phương trình mô ta

động cơ:

UsAlfa ——>+e€ 3 `)

—————‡|F:^its IsAj£fa | —

W_FrBets Oa)Equ_2.24a ¡ beta

TLTL

LUsBets mÍrrpsta IsBeta >|IzBzta Te

— —————|F:Eztax W_FrAlfs

<a v|zas W thườ>

Equ_2.24b W

Equ_2.24efPy IsAlfs Frélfs

$}—— |W hterpretec

hTLAB Fdpe] |sBets FrBeta |Fi|

+

<2

Hình 3 3 — Khối mô phỏng dòng điện isaKhối mô phỏng dòng điện isa dựa vào phương trình 2.24b (Equ _2.24b)