Nghiên cứu giải thuật điều khiển theo mô hình dự báo cho bộ nghịch lưu áp

1 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TPHCM NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THEO MÔ HÌNH DỰ BÁO CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 12- 2015 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TPHCM NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THEO MÔ HÌNH DỰ BÁO CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP CHUYÊN NGÀNH: Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động Hóa MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Đình Tuyên TS Trần Thanh Vũ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 12 - 2015 Luận văn hoàn thành tại: Trường Đại học Giao Thông Vận Tải TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: T.S Nguyễn Đình Tuyên T.S Trần Thanh Vũ Phản biện 1: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Phản biện 2: T.S Đặng Xuân Kiên Phản biện 3: Luận văn bảo vệ Hội đồng trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP Hồ Chí Minh Vào lúc…7hgiờ 30………ngày…07……tháng…01…năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Thư viện Trường Đại học Giao Thông Vận Tải TP.HCM LỜI CAM ĐOAN Tác giả thực đề tài cách độc lập, không vay mượn, chép Mô hình thi công chương trình ứng dụng tác giả thiết kế theo yêu cầu cụ thể đề tài Các sở liệu, kết trình bày luận văn tốt nghiệp xác, không điều chỉnh so với thực nghiệm TP HCM, tháng 12/2015 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thu Hương LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Quý Thầy/Cô môn Điều Khiển Tự Động thuộc khoa Điện – Điện tử trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM tận tình giảng dạy, hướng dẫn truyền đạt kiến thức cho Tôi năm học qua Đặc biệt, với lòng quý trọng xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc đến TS Trần Thanh Vũ TS Nguyễn Đình Tuyên trực tiếp hướng dẫn định hướng cho Tôi hoàn thành luận văn Trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, Đại học Giao Thông Vận Tải TP.Hồ Chí Minh, tạo điều kiện thuận lợi cho thực luận văn Xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, chỗ dựa vững cho Tôi suốt trình học tập làm việc Xin cám ơn bạn đồng nghiệp, người giúp Tôi nhiều thời gian thực luận văn Cuối xin cảm ơn bạn lớp có trao đổi, đóng góp ý kiến đề tài luận văn Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thu Hương MỤC LỤC Trang phụ bìa………………………………………………………………… Lời cam đoan……………………………………………………………………4 Lời cảm ơn………………………………………………………………………5 Mục lục…………………………………………………………………………6 Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt…………………………………………8 Danh mục hình vẽ, đồ thị………………………………………………………10 CHƯƠNG TỔNG QUAN 13 1.1 Đặt vấn đề 13 1.2 Mục tiêu đề tài 14 1.3 Bố cục Nội dung luận văn 15 CHƯƠNG 17 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CỔ ĐIỂN CHO NGHỊCH LƯU ÁP 17 2.1 Khái niệm nghịch lưu áp ứng dụng 17 2.2 Các phương pháp điều khiển cổ điển cho nghịch lưu áp 18 2.2.1 Phương pháp điều khiển Hyteresis 19 2.2.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung Sin (SPWM Sin Pulse Width Modulation) 21 2.2.3 Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM) 24 2.3 Kết mô Psim phương pháp điều khiển cổ điển 31 CHƯƠNG 43 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN THEO MÔ HÌNH DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU HAI BẬC 43 3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển dự báo (MPC Model Predictive Control) 43 3.2 Điều khiển dự báo dòng điện 45 3.3 Hàm chi phí 45 3.4 Mô hình nghịch lưu 46 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 53 4.1 Thiết lập mô hình mô sử dụng Psim 53 4.2 Kết mô 58 CHƯƠNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 63 5.1 Khái quát DSP TMS320f28069 63 5.2 Các chức dsp liên quan đến đề tài 67 5.2.1 Analog-to-Digital Converter and Comparator 67 5.2.2 Chức ADC bao gồm: 67 5.2.3 EPWM 68 5.3 Giới thiệu chi tiết khối mạch điều khiển 71 5.3.1 Mạch lái-động lực 71 5.3.2 Nguồn Cách Ly 74 5.3.3 Mạch cách ly 75 5.3.4 Mạch Động Lực 77 5.3.5 Mạch Cảm Biến Dòng 78 5.4 Kết thực nghiệm 80 CHƯƠNG 86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 86 6.1 Các kết đạt 86 6.2 Hạn chế đề tài 86 6.3 Hướng phát triển đề tài 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT MPC Model Predictive Control ( điều khiển dự báo) PWM Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung) SPWM Sinusoidal PWM (Điều chế độ rộng xung sin) SVPWM Space Vector PWM (Điều chế vector không gian) ADC Analog to Digital Converter ( chuyển đổi tương tự sang số) THD Total Harmonic Distortion (Độ méo dạng tổng sóng hài) IC Integrated circuit ( Mạch tích hợp) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Chương Hình 1: Sơ đồ khối biến tần 18 Hình 2: Điều khiển dòng theo phương pháp Hyteresis cho nghịch lưu áp pha a Sơ đồ điều khiển b Kết dòng điện tải dòng tham chiếu 20 Hình 3: Điều khiển dòng theo phương pháp Hyteresis cho nghịch lưu áp ba pha 20 Hình 4: Nguyên lý điềuchế SPWM cho nghịch lưu áp pha 22 Hình 5: Nguyên lý điều chế SPWM cho nghịch lưu áp ba pha 23 Hình 6: Biểu diễn vectơ không gian 24 Hình 7: Các vectơ không gian từ 1đến 26 Hình 8: Trạng thái đóng ngắt van 26 Hình 9: Vectơ không gian Vr vùng 28 Hình 10: Giản đồ đóng cắt linh kiện 29 Hình 11:Vectơ Vs vùng từ1-6 31 Hình 12: Mô hình mô nghịch lưu bậc với tải RL sử dụng phần mềm Psim 32 Hình 13: Sơ đồ mô giải thuật Hyteresis cho nghịch lưu áp ba pha ………………………………………………………………… 33 Hình 14: Kết mô với giá trị =0.25A (a) Dòng tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây 33 Hình 15: Kết mô với giá trị =0.1A (a) Dòng tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây 34 Hình 16: Sơ đồ mô giải thuật SPWM cho nghịch lưu áp ba pha 35 Hình 17: Kết mô với giá trị tần số sóng mang kHz (a) Dòng tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây 36 10 Hình 18: Kết mô với giá trị tần số sóng mang kHz (a) Dòng tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây 37 Hình 19: Mô hình mô phương pháp SVPWM sử dụng phần mềm Psim 39 Hình 20 : Kết mô với giá trị tần số lấy mẫu 100s (a) Dòng tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây 40 Hình 21: Kết mô với giá trị tần số lấy mẫu 500s (a) Dòng tải (b) Điện áp pha (c) Điện áp dây 41 Chương Hình 3.1: Chiến lược điều khiển dự báo 45 Hình 2: Mô hình tổng quát điều khiển dự báo 46 Hình 3 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo 46 Hình 3.4: Mô hình nghịch lưu 47 Hình 5: Sơ đồ tải tương đương ứng với trạng thái chuyển mạch (a) trạng thái chuyển mạch (0,0,0) ứng với vector V0; (b) trạng thái chuyển mạch (1,0,0) ứng với vector V1; (c) trạng thái chuyển mạch (1,1,0) ứng với vector V2; (d) trạng thái chuyển mạch (1,1,1) ứng với vector V7 48 Hình 3.6: Vector điện áp mặt phẳng phức 50 Chương Hình 1: Mô hình khối công suất 53 Hình 2: Mô hình khối điều khiển 53 Hình 3: Chỉnh định thông số cho giá trị dòng điện tham chiếu 54 Hình 4: Lưu đồ giải thuật MPC 55 Hình 5: Dòng điện chuyển sang hệ trục tọa độ alpha/beta 58 Hình 6: Trường hợp mô thời gian lấy mẫu 25 µs 58 Hình 7: Dòng điện tải 59 Hình 8: Áp pha 59 Hình 9: Áp dây 59 Hình 10: Dòng tải dòng tham khảo 60 Hình 11: Dòng tải 60 74 ITRIP Tín hiệu vào analog dòng ngắt tín hiệu ngõ đồng thời xuất Fault mức RCIN mức RCIN Đặt thời gian FAULT CLEAR delay COM Low side gate return (Áp kích igbt chân LIN chân COM) VB1,2,3 High side floating supply HO1,2,3 Output ngõ cho khóa VS1,2,3 High voltage floating supply returns (Áp kích igbt chân HIN chân VS tương ứng) LO1,2,3 Output ngõ cho khóa 5.3.2 Nguồn Cách Ly Hình 11: Hình ảnh nguồn cách ly tạo điện áp 15 V để cấp nguồn cho mạch lái 75 Hình 12: Hình vẽ thiết kế mạch nguồn 15 V ly Điện áp nguồn cấp cho mạch nghịch lưu 12-15v (ở chọn 12v) Cấp cho IR2136 15v Cần cách ly phần nguồn phía DSP Nguồn cho IR2136 để có cố xảy DSP không bị hư hỏng bị ảnh hưởng điện áp ngược từ phía IR2136 gây Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn chiều điều khiển điện áp nhằm tạo nguồn áp cách ly, cách ly tải với nguồn, sử dụng IC SG3525 tạo xung điều khiển việc đóng mở FET Khi cấp nguồn chiều VCC, SG 3525 tạo xung cho FET dẫn, qua máy biến áp, qua chỉnh lưu cầu, lọc, ngõ ta có tín hiệu hồi tiếp IN(-) SG 3525 SG 3525 so sánh tín hiệu IN(-) với tín hiệu IN(+) Nếu IN(-)>IN(+) SG phát xung điều khiển việc đóng mở FET, nhằm giảm thời gian dẫn FET để cho IN(+)=IN(-) Ngược lại IN(-)[...]... lưu áp, đề tài Nghiên cứu giải thuật điều khiển theo mô hình dự báo cho bộ nghịch lưu áp sẽ tập trung nghiên cứu giải thuật điều khiển MPC để điều khiển dòng điện tải Toàn bộ quá trình phân tích được xem xét trên mô hình toán và triển khai mô phỏng trên phần mềm Psim Để minh chứng việc áp dụng giải thuật MPC vào trong điều khiển dòng của bộ nghịch lưu áp ba pha, một mô hình phần cứng được xây dựng... Các ưu khuyết điểm của phương pháp điều khiển cổ điển sẽ trình bày Chương 3 Phương pháp điều khiển theo mô hình dự báo 16 Trong chương này, phương pháp điều khiển dự báo sẽ được phân tích và ứng dụng trong điều khiển bộ nghịch lưu Phương pháp điều khiển dự báo dựa trên trạng thái đóng cắt của các vector không gian cố định tại thời điểm hiện tại, mô hình hệ thống sẽ dự báo trạng thái đóng cắt trong thời... phòng thí nghiệm, giải thuật được thực thi trên vi xử lý C2000 của Texas Instruments 1.2 Mục tiêu đề tài Trong đề tài này, nội dung chính là nghiên cứu và thực thi giải thuật điều khiển dòng điện cho nghịch lựu áp ba pha bằng phương pháp điều khiển theo mô hình dự báo Mục tiêu cụ thể - Tìm hiểu các phương pháp điều khiển độ rộng xung truyền thống nghịch lưu ba pha  Phương pháp điều khiển hyterisis ... nghịch lưu áp Các phương pháp truyền thống nhằm điều khiển bộ nghịch lưu áp là: điều khiển hyterisis hay điều khiển tuyến tính dựa trên kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) Tuy nhiên, điều khiển dự báo (MPC-Model Predictive Control) đã ra đời cách đây hơn ba thập niên nhưng trong những năm gần đây phát triển mạnh mẽ và ứng dụng trong điều khiển công nghiệp với các thành công đáng kể Điều khiển dự báo. .. điều khiển tuyến tính dựa trên kỹ thuật điều chế độ rộng xung Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, các vi xử lý với tốc độ xử lý cao ra đời Các giải thuật điều khiển mới lần lượt được ra đời và ứng dụng vào việc điều khiển các bộ biến đổi công suất như: điều khiển mờ, điều khiển theo mạng trí tuệ nhân tạo, điều khiển theo mô hình trượt (sliding mode control), điều khiển dự báo Điều khiển. .. PWM (SVPWM) - Nghiên cứu phương pháp điều khiển theo mô hình dự báo  Xây dựng mô hình toán học cho bộ nghịch lưu áp ba pha  Xây dựng hàm mục tiêu  Xây dựng các yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu  Chọn các trạng thái đóng cắt để tôi ưu hóa hàm mục tiêu - Thực hiện mô phỏng các phương pháp trên dựa trên cơ sở lý thuyết và sử dụng chương trình Psim  Tìm hiểu phần mềm Psim 15  Xây dựng mô hình toán trên... tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men là hàm bậc hai của điện áp 2.2 Các phương pháp điều khiển cổ điển cho nghịch lưu áp Có rất nhiều mô hình điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất nói chung và bộ nghịch lưu áp nói riêng Có hai phương pháp điều khiển phổ biến 19 nhất được trình bày trong các tài liệu: Phương pháp điều khiển Hyterisis và điều. .. tiêu nghiên cứu, các vấn đề cần giải quyết và phương pháp thực hiện Các phần mềm và phần cứng để thực hiện giải thuật cũng được trình bày trong chương này Chương 2 Các phương pháp điều khiển cổ điển cho nghịch lưu áp ba pha Trong chương này, các phương pháp điều khiển cổ điển sẽ được trình bày Hai phương pháp chính đó là điều khiển theo phương pháp hyterisis và điều khiển tuyến tính theo kỹ thuật điều. .. bày trong hình 2.5 Hình 2 4: Nguyên lý điều chế SPWM cho nghịch lưu ápmột pha 23 Hình 2.5: Nguyên lý điều chế SPWM cho nghịch lưu áp ba pha 24 2.2.3 Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM) Phương pháp điều chế vectơ không gian khác với các phương pháp điều chế độ rộng xung khác Với phương pháp điều chế PWM khác, bộ nghịch lưu được xem như ba bộ biến đổi đẩy kéo riêng biệt với ba điện áp pha độc... báo và các trạng thái đóng cắt  Xây dựng mô hình dự báo tương ứng với tải Chương 4 Kết quả mô phỏng Mô hình hóa và mô phỏng sử dụng phần mềm Psim Thiết kế và mô phỏng luật điều MPC cho nghịch lưu So sánh kết quả khi thay đổi các thông số trong luật điều khiển Chương 5 Thiết kế mô hình phần cứng và kết quả Thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển cho mô hình nghịch lưu hai bậc Giới thiệu về vi xử lý