Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Bùi Mạnh Hà ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài này, tôi xin chân thành cảm ơn Qúy thầy cô Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP HCM đã tận tình truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tôi trong suốt quá trình học cao học tại trƣờng. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy TS. Nguyễn Thanh Phƣơng ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và truyền đạt kinh nghiệm để tôi hoàn thành đề tài này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã động viên giúp đỡ tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này. TP HCM, Ngày 21 tháng 12 năm 2012 Học viên thực hiện Bùi Mạnh Hà iii TÓM TẮT Động cơ không đồng bộ ba pha là thiế t bị chủ lƣ̣ c trong truyề n độ ng điệ n xoay chiề u vì các ƣu điểm nhƣ: cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì, sửa chữa, giá thành hạ , hiệ u suấ t cao so vớ i độ ng cơ khác. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn , phức tạp vì động cơ không đồng bộ là một hệ phi tuyến mạ nh và cầ n mộ t thuậ t toá n điề u khiể n hế t sƣ́ c chặ t ch. Phƣơng phá p đ iề u khiể n trực tiếp momen (Direct Torque Control - DTC), từ thông stator và momen có thể đƣợc điều khiển trực tiếp bằng cách lựa chọn véc tơ điện áp thích hợp, đang đƣợ c sƣ̉ dụ ng phổ biế n để điề u khiể n độ ng cơ. Tác giả kết hợp tính ƣu việt của các phƣơng pháp điều khiển khác nhau và cũng nhƣ vớ i mong muố n tìm hiể u sâu về lnh vực truyền động điện xoay chiều . Trong luận văn này, đề tài “ Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai” đƣợc thực hiện. Vớ i mụ c đích cả i tiế n phƣơng phá p điều khiển PI thông thƣờng (với thông số Kp và Ki cố định ) bằng cách đề xuất phƣơng phá p điều khiển PI mờ lai (với sự thay đổi động các thông số Kp và Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động cơ). Các kế t quả mô phỏ ng sẽ cho thấ y hiệ u quả củ a phƣơng phá p đề xuấ t. iv ABSTRACT Induction motor is the most widely used in the traditional of the alternating current. The advantages of induction motor such as simple construction, reliable operation, performance high the price is cheaper than other types of motors, as well as easy maintenance. However, the induction motor control is a difficult problem, complicated because induction motor is a strong nonlinear systems and requires control algorithm very closely. Direct Torque Control method (Direct Torque Control - DTC), flux stator and moment can be controlled directly by selecting an appropriate inverter state, is in using widely to control motor. Author combined advantages of the method different together with high expectation of wide & deep study of induction motor drivers. In this thesis, the theme: “Control three-phase induction motor with DTC method using the hybrid fuzzy PI controller” are presented. With an aim of improving the PI normal control method (with parameter point of Kp and Ki) by proposed the Hybrid Fuzzy PI control method (with variable parameter of Kp and Ki). Simulative results show the effectiveness of the proposed method. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH xi Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1 1.1 GIỚI THIỆU 1 1.1.1 Đặt vấn đề 1 1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 1.2.1 Mục tiêu của đề tài 2 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 3 1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 3 1.3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 3 1.3.1 Giới thiệu tổng quan về phƣơng pháp điều khiển DTC 3 1.3.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 4 1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 7 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 2.1 ĐIỀU KHIỂN MỜ 8 2.1.1 Giới thiệu chung 8 2.1.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ 8 2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ 11 2.1.4 Điều khiển PID mờ [1] 11 2.1.4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ 12 2.1.4.2 Luật chỉnh định PID 12 vi 2.1.4.3 Điều khiển PD mờ 13 2.1.4.4 Điều khiển PI mờ 13 2.1.4.5 Điều khiển PID mờ 14 2.1.5 Hệ mờ lai 15 2.1.5.1 Hệ mờ lai không thích nghi 15 2.1.5.2 Hệ mờ lai cascade 16 2.1.5.3 Công tắc mờ 16 2.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG (FOC) 16 2.2.1 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor trực tiếp 18 2.2.2 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor gián tiếp 20 2.2.3 Ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng 21 2.3 ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC) 21 2.3.1 Giới thiệu phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen 21 2.3.2 Sự biến thiên các đại lƣợng của phƣơng pháp DTC 23 2.3.2.1 Sự biến thiên của từ thông stator 23 2.3.2.2 Sự biến thiên của từ thông rotor 24 2.3.2.3 Sự biến thiên của điện áp stator 27 2.3.2.4 Sự biến thiên của momen 27 2.3.3 Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) 29 2.3.3.1 Kỹ thuật đóng ngắt các khóa để điều khiển từ thông và momen 30 2.3.3.2 Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen-DTC 36 2.3.3.3 Phân tích các khối trong sơ đồ nguyên lý 37 2.3.3.3.1 Bộ so sánh từ thông 37 2.3.3.3.2 Bộ so sánh momen 39 2.3.3.3.3 Bảng đóng cắt 41 2.3.3.3.4 Bộ nghịch lƣu 44 2.3.3.3.5 Khâu ƣớc lƣợng momen và từ thông 45 2.3.3.4 Mô hình mô phỏng phƣơng pháp DTC trong Matlab/simulink 46 Chƣơng 3: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 47 vii 3.1 GIỚ I THIỆ U VỀ ĐỘ NG CƠ KHÔNG ĐỒ NG BỘ BA PHA 47 3.2 VECTOR KHÔNG GIAN VÀ CÁ C ĐẠ I LƢỢ NG BA PHA 48 3.2.1 Xây dựng vector không gian 48 3.2.2 Hệ tọa độ cố định stator (α-β) 49 3.2.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d-q) 51 3.3 MÔ HÌNH CỦ A ĐỘ NG CƠ KHÔNG ĐỒ NG BỘ BA PHA 53 3.3.1 Lý do xây dựng mô hình 53 3.3.2 Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ 54 3.3.3 Các tham số của động cơ 56 3.3.4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator (α-β) 56 3.3.5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (d-q) 59 3.3.6 Mô hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab 60 3.3.6.1 Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha 60 3.3.6.2 Mô hình động cơ trong simulink 61 3.3.6.3 Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ 61 Chƣơng 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA THEO PHƢƠNG PHÁP DTC 64 4.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ 64 4.2 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA THEO PHƢƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ PI MỜ LAI 67 4.2.1 Bộ điều khiển PI mờ lai 67 4.2.2 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai. 72 4.2.3 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều khiển PI thƣờng 72 Chƣơng 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 74 viii 5.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG PHƢƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ LAI VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI THƢỜNG 74 5.1.1 Động cơ chạy không tải với tốc độ đặt định mức: 74 5.1.2 Động cơ chạy không tải với tốc độ đặt thay đổi: 75 5.1.3 Động chạy không tải sau đó đóng tải: 77 5.1.4 Động cơ chạy với tải định mức, tốc độ đặt thay đổi : 77 5.1.5 Động cơ chạy không tải sau đó đảo chiều quay : 79 5.1.6 Động cơ chạy với tải thay đổi, tốc độ đặt định mức : 80 5.2 NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 81 Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82 6.1 KẾT LUẬN 82 6.2 HẠN CHẾ 82 6.3 KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DTC Direct Torque Control FOC Field Oriented Control PI Proportional Integrator PID Proportional Integral Derivative PWM Pulse Width Modulation ĐC KĐB Động cơ không đồng bộ x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector I 34 Bảng 2.2: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector II 34 Bảng 2.3: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector III 34 Bảng 2.4: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector IV 34 Bảng 2.5: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector V 35 Bảng 2.6: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector VI 35 Bảng 2.7: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector K bất kỳ 35 Bảng 2.8: Bảng đóng cắt tối ƣu khi từ thông ở sector K 42 Bảng 2.9: Bảng đóng cắt vector điện áp theo yêu cầu điều khiển 42 Bảng 2.10: Giá trị thông số điều khiển quy đổi 43 Bảng 3.1: Các thông số của ĐCKĐB dùng để mô phỏng 62 Bảng 4.1: Luật mờ của K p 65 Bảng 4.2: Luật mờ của K i 65 Bảng 4.3: Các thông số của ĐCKĐB dùng để mô phỏng 73 [...]... 2.1: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản 2.1.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành, giải mờ Khi ghép bộ điều khiển mờ vào hệ thống, thƣờng thêm vào hai khối tiền xử lý và hậu xử lý 9 Hinh 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ [1] Bộ điều khiển mờ cơ bản: Hinh 2 .3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản [1]  Bộ điều khiển mờ bao gồm :  Mờ hóa: Biến giá... nghiên cứu bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều khiển mờ lai trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ Việc thiết kế sẽ đƣợc mô phỏng trên Matlab/simulink 3 1.2.2 Nội dung nghiên cứu - Các phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha - Đặc tính của máy điện không đồng bộ - Xây dựng mô hình máy điện động cơ KĐB - Xây dựng... hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản 8 Hình 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 9 Hình 2 .3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản 9 Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ 12 Hình 2.5: Luật chỉnh định PID 12 Hình 2.6: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 13 Hình 2.7: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 13 Hình 2.8: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy... Xây dựng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB - Xây dựng bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phƣơng pháp DTC - Xây dựng bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phƣơng pháp DTC 1.2 .3 Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp tham khảo tài liệu: Bằng cách thu thập thông tin từ các tài liệu, bài báo liên quan, và truy cập mạng internet - Phƣơng pháp quan sát:... có dao động 2.1.4.5 Điều khiển PID mờ Hình 2.8a: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2] 15 Hình 2.8b: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2] Bộ điều khiển PID mờ có các ƣu điểm của bộ điều khiển PI mờ và PD mờ, tức là có thể điều khiển vô sai, thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lỗ thấp Sơ đồ bộ điều khiển PID mờ đƣợc trình bày ở hình 2.8 trong đó sơ đồ PID mờ ở hình 2.8b đƣợc sử dụng... thảo luật mờ trên Matlab/simulink 70 Hình 4.10: Luật mờ trong Matlab/simulink 70 Hình 4.11: Chỉnh định Kp trong không gian 71 Hình 4.12: Chỉnh định Ki trong không gian 71 Hình 4. 13: Mô hình điều khiển ĐC KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai 72 xiii Hình 4.14: Mô hình điều khiển ĐC KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều khiển PI thƣờng... lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài 8 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1.1 Giới thiệu chung Điều khiển mờ đƣợc thực hiện dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là điều khiển mờ Hệ điều khiển mờ cho phép đƣa các kinh nghiệm điều khiển của các chuyên gia vào thuật toán điều khiển Chất lƣợng điều khiển mờ phụ... tập mờ dạng singleton cũng chính là bộ điều khiển mờ Sugeno có hệ luật mà phần kết luận là hằng số 2.1 .3 Thiết kế bộ điều khiển mờ  ‘ Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia  ‘ Thiết kế dựa trên lý thuyết Lyapunov  ‘ Thiết kế bộ điều khiển PID mờ  ‘ Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng giải thuật di truyền 2.1.4 Điều khiển PID mờ [1] Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID đƣợc xem nhƣ một giải pháp. .. điều khiển mạnh để đƣa nhanh sai lệch về 0 Dựa theo nguyên tắc này ta có quan hệ chỉnh định K p, KI, α đều có dạng đối xứng qua đƣờng chéo chính hoặc phụ 2.1.4 .3 Điều khiển PD mờ Hình 2.6: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani [2] Bộ điều khiển ở hình 2.6 là bộ điều khiển PD mờ vì tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ cơ bản phụ thuộc vào tín hiệu vào và vi phân của tín hiệu vào Bộ điều khiển PD mờ. .. của bộ điều khiển PI mờ lai cho vòng hồi tiếp tốc độ ứng dụng vào phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB 3 pha Tất cả lý thuyết, kết quả mô phỏng sẽ đƣợc trình bày trong phần sau 1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Nội dung chính của luận văn gồm các chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 3: Mô hình toán động cơ không đổng bộ 3 pha Chƣơng 4: Thiết kế bộ điều khiển PI mờ lai . PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA THEO PHƢƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ PI MỜ LAI 67 4.2.1 Bộ điều khiển PI mờ lai 67 4.2.2 Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều. điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB. - Xây dựng bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phƣơng pháp DTC. - Xây dựng bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo. hình điều khiển ĐC KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai 72 xiii Hình 4.14: Mô hình điều khiển ĐC KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều khiển PI thƣờng 72