Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp mờ - thích nghi

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHAN CƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN ANH DUY Phản biện 1: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MỜ - THÍCH NGHI Phản biện 2: TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Chuyên ngành: Tự ñộng hóa Mã số: 60.52.60 Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng năm 2012 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT 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 Đà Nẵng, Năm 2012 Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết ñề tài Để giải vấn ñề trên, nhiều giải thuật ñiều khiển ñộng ñồng ñã ñược nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực Ngày nay, ñộng ñiện ñồng ñược sử dụng nhiều truyền ñộng ñiện như: Phương pháp ñiều khiển vector (Điều khiển lĩnh vực ñiều khiển, công nghiệp có ñặc ñiểm vượt trực tiếp moment (Direct Torque Control- DTC), ñiều khiển tựa theo trội hiệu suất, Cos ϕ cao, tốc ñộ phụ thuộc vào ñiện áp Tuy từ thông (Field Orientated Control- FOC)), phương pháp ñiều khiển nhiên, việc ñiều khiển ñộng ñồng tương ñối khó khăn, vô hướng (Điều khiển V/f = số ) ñặc tính phi tuyến mạnh Những khó khăn việc ứng dụng ñộng Hiện nay, phương pháp ñang ñược ứng dụng rộng rãi ñồng làm ñể dễ dàng ñiều chỉnh tốc ñộ lĩnh vực ñiều khiển hệ truyền ñộng ñộng ñồng Tuy việc ñiều chỉnh ñộng chiều Vì vậy, ý tưởng việc biến nhiên, bên cạnh ưu ñiểm, phương pháp tồn ñổi máy ñiện xoay chiều thành máy ñiện chiều phương diện khuyết ñiểm như: - Với ñiều khiển V/f = số, dùng cho hệ truyền ñiều khiển ñã ñời Điều khiển vector cho phép ñiều khiển từ thông moment hoàn toàn ñộc lập với thông qua ñiều khiển ñộng có ñặc tính thấp - Với phương pháp ñiều khiển trực tiếp moment, ñáp ứng giá trị tức thời dòng giá trị tức thời áp Điều khiển vector cho phép tạo phản ứng nhanh xác từ tốc ñộ thấp, moment ñiều chỉnh không trơn - Điều khiển tựa theo từ thông tốc ñộ danh ñịnh ñộng thông moment trình ñộ trình xác lập Cũng hệ thống ñiều khiển khác, chất lượng hệ ñiều bị ñồng khiển truyền ñộng ñiện phụ thuộc nhiều vào chất lượng Nhằm hạn chế khuyết ñiểm nâng cao chất lượng ñiều khiển, ñó hệ thống phải tạo ñược khả thay ñổi tốc ñộ hệ truyền ñộng toán mờ thích nghi kết hợp với phương trơn, mịn với phạm vi ñiều chỉnh rộng, ñộ xác ñại lượng pháp ñiều khiển thông thường ñang hướng nghiên cứu ñiều chỉnh chế ñộ tĩnh cao ñể tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, ñầy triển vọng lĩnh vực ñiều khiển truyền ñộng ñiện xoay hệ làm việc với trình ñộ phải ñạt ñược ñộ ổn chiều ñịnh cao hệ phải có khả ñáp ứng nhanh với yêu cầu ñiều Với mong muốn tìm hiểu sâu lĩnh vực truyền ñộng ñiện chỉnh Tất ñiều thực ñã ñặt yêu cầu xoay chiều, người nghiên cứu chọn ñề tài “ñiều khiển ñộng ñồng ngày khắt khe cho hệ thống truyền ñộng mam châm vĩnh cửu phương pháp mờ - thích nghi” làm ñề tài cho luận văn Thạc sĩ Footer Page of 126 Header Page of 126 Mục tiêu ñề tài - Thiết kế ñiều khiển PI kinh ñiển ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng - Sử dụng phương pháp mờ thích nghi ñiều khiển ñộng ñồng nam châm vĩnh cửu Phương pháp nghiên cứu - Ứng dụng phương pháp mờ có thích nghi ñiều khiển ñộng ñồng nam châm vĩnh cửu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Động ñiện ñồng nam châm vĩnh cửu xoay chiều ba Nghiên cứu lý thuyết tìm hiểu cấu trúc truyền ñộng ñiện xoay chiều ba pha, qua ñó phân tích thiết kế ñiều khiển Xây dựng mô hình, mô phần mềm Matlab/Simulink ñể kiểm chứng, ñánh giá rút kết luận Ý nghĩa ñề tài Đề tài tài liệu tham khảo hữu ích cho quan tâm ñến pha Phạm vi nghiên cứu: - Tìm hiểu phương pháp ñiều khiển hệ truyền ñộng ñộng ñồng như: + Phương pháp ñiều khiển vô hướng (ñiều khiển V/f = phương pháp ñiều khiển ñộng ñiện ñồng xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu cách thức thiết kế mô hình hóa ñiều khiển mô Matlab/Simulink Với kết nghiên cứu ñề tài góp phần hoàn thiện phương pháp ñiều khiển mới, khắc phục ñược số số ) + Phương pháp ñiều khiển vector: nhược ñiểm phương pháp ñiều khiển kinh ñiển, từ ñó mở ▪ Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control - tiềm áp dụng cài ñặt vào thiết bị ñiều khiển thương mại, ñể giải vấn ñề cấp bách nâng cao chất DTC) ▪ Phương pháp ñiều khiển tựa theo từ thông (Field Orientated Control - FOC) Trong ñó, Người nghiên cứu sử dụng phương pháp ñiều khiển tựa theo từ thông rotor làm hướng nghiên cứu - Xây dựng mô hình ñiều khiển hệ truyền ñộng ñộng ñồng phương pháp tựa theo từ thông rotor, sử dụng ñiều khiển PI ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng Footer Page of 126 lượng ñiều khiển hệ truyền ñộng ñộng ñiện ñồng Ngoài phần mở ñầu kết luận, luận văn ñược chia thành chương: Chương Tổng quan ñộng ñồng nam châm vĩnh cửu (PMSM) Chương Một số phương pháp ñiều khiển truyền ñộng ñộng xoay chiều ba pha Header Page of 126 Chương Giới thiệu ñiều khiển mờ ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRACS Chương Ứng dụng phương pháp mờ thích nghi ñiều khiển ñộng ñồng nam châm vĩnh cửu Quan sát ñộng PMSM cực lồi có khe từ vị trí phiến (vị trí ñỉnh cực, vị trí trục d) bé khe từ vị trí tiếp giáp hai phiến (vị trí trục q) nên ñiện cảm stator hai trục d,q khác - Phuơng trình từ thông ψsd = Lsdisd + ψp CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 Giới thiệu ñộng PMSM1.2 Vector không gian ñại lượng ba pha 1.2 Vector không gian ñại lượng ba pha 1.2.1 Xây dựng vector không gian 1.2.2 Chuyển hệ tọa ñộ cho vector không gian ψsq = Lsqisq ñiện cảm Stato ño vị trí dọc ñỉnh cực Lsd ñiện cảm Stato ño vị trí ngang cực Lsq Thay phương trình từ thông vào phương trình (1.15) viết lại dạng phương trình phần tử ta thu ñược: u sd = R s i sd + L sd u sq = R s i sq + L sq 1.2.3 Biểu diễn vector không gian hệ tọa ñộ từ thông rotor 1.3 Mô hình ñộng PMSM ba pha 1.3.1 Lý xây dựng mô hình 1.3.2 Hệ phương trình ñộng 1.3.3 Các tham số ñộng 1.3.4 Mô hình trạng thái ñộng hệ tọa ñộ rotor (dq) Footer Page of 126 (1.19) di sd − ω s L sq i sq dt di sq dt (1.20) + ω s L sd i sd + ω sψ p Phương trình dòng ñiện L disd 1 = − isd + ωs sq isq + usd dt Tsd Lsd Lsd disq dt = −ω s ψp Lsd 1 isd − isq + u sq − ω s Lsq Tsq Lsq Lsq -Phương trình momen ñộng PMSM mM = p c (ψ sd isq + ψ sq isq ) (1.21) Header Page of 126 p c [ψ p isq + isd isq ( L sd − L sq )] ψp = p c [( + isd ) L sd isq − L sq isd isq ] L sd CHƯƠNG = CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG TRUYỀN (1.22) Từ phương trình (1.21) (1 22) ta xây dựng mô hình ñộng ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 2.1 Thiết bị biến tần 2.1.1 Mô tả cấu trúc biến tần 2.1.2 Mô tả toán học biến tần 2.2 Phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung (PWM) 2.3 Phương pháp ñiều chế vector không gian (SVM) 2.4 Điều khiển tựa theo từ thông rotor truyền ñộng ñộng PMSM 2.4.1 Điều kiện ñiều khiển moment tối ưu 2.4.2 Cơ sở phương pháp tựa theo từ thông rotor 2.4.3 Cấu trúc truyền ñộng ñộng PMSM tựa theo từ thông rotor Footer Page of 126 Header Page of 126 10 2.4.3.1 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor 2.4.3.2 Nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor 2.4.3.3 Xây dựng thuật toán ñiều khiển ∗ sd ĐCi sd d i =0 ∆i ∆isq y MTu usq ñộng ñồng ba pha sử dụng khâu ñiều chỉnh tuyến tính theo 3∼ u isd isq k e 2.4.3.4 Tổng hợp ñiều khiển tựa theo từ thông rotor hệ biến tần – ĐCVTK usα G usβ y ĐCi q isq∗ CTĐ usd u jθs θs e jθs ω ω Mạch vòng ñiều khiển tốc ñộ: MC CTĐi Khâu tích phân ĐCω - Tổng hợp ñiều chỉnh tốc ñộ isv ĐCĐB ω∗ vw isu isα isβ luật PI M ∼ Máy ño tốc ñộ quay Hình 2.20 Cấu trúc truyền ñộng ñộng ñồng nuôi ω* Rω - i* 1 + 2Ti s ω 3pcΨp M Hình 2.22 Mạch vòng ñiều khiển tốc ñộ biến tần nguồn áp ñiều khiển tựa theo từ thông rotor i Đặt: K1 = ; K2 = pc Ψ p Hàm truyền hở : S ( s ) = K1 K (1 + 2Ti s ).Js Bộ ñiều khiển tốc ñộ theo tiêu chuẩn tối ưu ñối xứng: Footer Page of 126 J.s ω Header Page of 126 11 12 + Rời rạc hoá tập mờ + 8Ti s 8.J Ti J = + K1 K 2Ti s K1 K Ti s K1 K Ti J K pw K = K pw + iw = K pw + s 8.Ti s Rω = CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU MRACS 3.1 Điều khiển mờ 3.1.1 Tổng quan ñiều khiển mờ 3.1.2 Định nghĩa tập mờ 3.1.3 Mô hình mờ Mamdani 3.1.4 Một vài dạng hàm liên thuộc thường ñược sử dụng 3.1.5 Cấu trúc ñiều khiển mờ 3.1.6 Tổng hợp ñiều khiển mờ Đối với ñiều khiển mờ theo mô hình Mamdani, thực theo bước sau: - Định nghĩa tất biến ngôn ngữ vào/ra - Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho biến vào/ra: + Xác ñịnh miền giá trị vật lý cho biến ngôn ngữ vào/ra + Xác ñịnh số lượng tập mờ cần thiết + Xác ñịnh kiểu hàm liên thuộc Footer Page of 126 - Xây dựng luật ñiều khiển (các mệnh ñề hợp thành) - Chọn thiết bị hợp thành mờ (max-Min hay sum-Min, ) - Chọn phương pháp giải mờ - Tối ưu hệ thống 3.2 Điều khiển thích nghi theo mẫu 3.2.1 Giới thiệu chung 3.2.2 Hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu 3.2.3 Luật thích nghi 3.2.3.1 Phương pháp ñộ nhạy (luật MIT) 3.2.3.2 Gradient phương pháp bình phương bé dựa tiêu chí ñánh giá hàm chi phí sai số 3.2.3.3 Hàm Lyapunov Header Page of 126 13 14 CHƯƠNG Hàm thuộc tương ứng: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MỜ - THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 4.1 Đặt vấn ñề: 4.2 Mô hình ñiều khiển mờ thích nghi 4.3 Thiết kế ñiều khiển mờ thích nghi 4.3.1 Thiết kế ñiều khiển mờ 4.3.2 Đối với khâu chỉnh ñịnh mờ ñiều chỉnh tốc ñộ Hình 4.3 Hàm thuộc ñiều chỉnh mờ chỉnh ñịnh KPω Rω Rω 4.3.3 Đối với khâu chỉnh ñịnh mờ ñiều chỉnh dòng R22 4.4.2 Xây dựng cấu trúc cho ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh 4.4 Xây dựng cấu trúc ñiều khiển mờ Ki2 R22 4.4.1 Xây dựng cấu trúc cho ñiều khiển mờ Bộ chỉnh ñịnh mờ Rω có hai ñầu vào eω Bộ chỉnh ñịnh mờ có hai ñầu vào eisq deω dt deisq dt ñầu Ki2 với sơ ñồ cấu trúc hình 4.3 ñầu KPω với sơ ñồ cấu trúc hình 4.2 Hình 4.4 Cấu trúc ñiều chỉnh mờ chỉnh ñịnh Ki2 Rω Hình 4.2 Cấu trúc ñiều chỉnh mờ chỉnh ñịnh KPω Rω Footer Page of 126 Hàm thuộc tương ứng: Header Page of 126 15 16 Bảng 4.3 Luật chỉnh ñịnh Ki de(t ) dt e(t) Hình 4.5 Hàm thuộc ñiều chỉnh mờ chỉnh ñịnh Ki2 Rω 4.5 Xây dựng luật ñiều khiển • K DN DL AL L L K NH L AN TB NH NH TB L K NH TB K L NH DN TB L L TB TB DL NH NH K NH NH 4.6.1 Bộ ñiều khiển mờ Rω 4.6.2 Bộ ñiều khiển mờ R22 de(t ) dt • AN 4.6 Tổng hợp khâu ñiều khiển mờ Tổng hợp luật chỉnh ñịnh Kp Bảng 4.2 Luật chỉnh ñịnh Kp e(t) AL 4.7 Thiết kế cấu thích nghi AL AN K DN DL AL L L L L L AN NH NH NH TB L K NH TB K TB L DN L TB TB TB NH DL NH NH NH NH NH Cơ cấu thích nghi ñược thiết kế theo luật tiệm cận Gradient [8] e e dK = γ Gm rm dt K Trong ñó, K hệ số khuyếch ñại ñầu ñiều khiển mờ γ : nói lên tốc ñộ hội tụ thuật toán thích nghi, ñược lựa chọn kiểm chứng kết mô erm = ω m − ω r : sai lệch tốc ñộ mô hình Tổng hợp luật chỉnh ñịnh Ki tốc ñộ ñộng e = ω * −ω r : sai lệch tốc ñộ ñặt với tốc ñộ ñộng Gm: hàm truyền mô hình mẫu Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 17 18 4.8 Kết mô Matlab/Simulink 4.8.1 Các sơ ñồ mô 20 momen tai Các sơ ñồ mô sau: 15 10 Mc (N.m) -5 -10 -15 -20 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 4.10 Đáp ứng mô men tải 0.1s ñóng tải= Mñm, 0.2s cắt tải 150 toc dat toc thuc PI Hình 4.8 Sơ ñồ mô ñiều khiển ñộng phương pháp 100 mờ thích nghi w*,w(rad/s) 50 Hình 4.9 Hàm truyền mô hình mẫu 4.8.2 Các kết mô -50 -100 4.8.2.1 Các kết mô với ñiều khiển PI Để có sở cho việc so sánh thiết kế ñiều khiển mờ -150 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time (s) 0.35 0.4 0.45 0.5 thích nghi, ñề tài xây dựng ñiều khiển PI mô hình ñộng tựa theo từ thông rotor Kết mô sau: Footer Page 10 of 126 Hình 4.11 Đáp ứng tốc ñộ theo tải ñiều khiển PI Header Page 11 of 126 19 20 150 20 toc dat toc thuc FLC-PI momen dong co theo tai PI mo men tai 15 100 50 w*,w(rad/s) M, Mc (N.m) 10 -5 -10 -50 -15 -20 0 0.1 0.2 0.3 time (s) 0.4 0.5 -100 Hình 4.12 Đáp ứng mô men theo tải ñiều khiển PI -150 Nhận xét: - Đáp ứng tốc ñộ bám theo tốc ñộ ñặt mô mem tải thay ñổi 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time (s) 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 4.13 Đáp ứng tốc ñộ theo tải ñiều khiển mờ - Thời gian ñộ 0.05s 30 - Lượng ñiều chỉnh ñáp ứng tốc ñộ lớn (lớn 2.2%) trình thay ñổi mô men tải (Mc=Mñm) mo men dong co FC-PI mo men tai FLC-PI 20 sát tốc ñộ ñặt 4.8.2.2 Các kết mô với ñiều khiển mờ M,Mc (N.m) - Khi ñảo chiều ñộng cơ: ñáp ứng tốc ñộ 0.05s bám 10 -10 -20 -30 0.1 0.2 0.3 time (s) 0.4 0.5 Hình 4.14 Đáp ứng mô men theo tải ñiều khiển mờ Footer Page 11 of 126 Header Page 12 of 126 21 22 150 Nhận xét: toc dat toc thuc - Với thiết kế FC-PI cho ñáp ứng tốc ñộ bám theo tốc ñộ ñặt 100 mô mem tải thay ñổi 50 - Giảm ñộ dao ñộng lớn mô mem tải thay ñổi (Mc=Mñm) xuống 2,02% thay 2.2% ñiều khiển PI w*,w(rad/s) - Thời gian ñộ giảm xuống 0.024s PI -50 - Khi ñảo chiều ñộng cơ: ñáp ứng tốc ñộ sau 0.024s thi bám tốc ñộ -100 ñặt ñk PI 0.05s 4.8.2.3 Các kết mô với ñiều khiển mờ thích nghi -150 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 MRAFC 150 Hình 4.16 So sánh ñáp ứng tốc ñộ ñiều khiển toc dat toc thuc MRAFC mờ thích nghi, mờ PI 100 101 w*,w(rad/s) 50 toc dat toc thuc 100.5 MRAFC 100 w*,w(rad/s) -50 -100 99.5 99 Mờ 98.5 -150 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 98 PI 97.5 Hình 4.15 Đáp ứng tốc ñộ theo tải ñiều khiển mờ thich nghi 0.0995 0.1 0.1005 0.101 0.1015 time (s) 0.102 0.1025 0.103 Hình 4.17 Phóng to ñóng tải ba ñiều khiển Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 23 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Bảng so sánh ba ñiều khiển: Bảng 4.5 So sánh ñiều khiển Bộ ñiều khiển Tq(s) POT(%) Tñc(s) Mc=Mñm PI 0.05 2.2% 0.05 Mờ 0.024 2.02% 0.024 Mờ thích nghi 0.024 1.5% 0.024 • Luận văn ñã thực ñược: - Tìm hiểu số phương pháp ñiều khiển ñộng ñiện xoay chiều pha - Tìm hiểu mô hình ñộng ñồng nam châm vĩnh cửu xây dựng mô hình ñộng hệ tọa ñộ dq - Xây dựn ñiều khiển PI mô phần mềm Matlab/Simulink Các kết mô cho thấy thời gian ñộ PI lớn mờ mờ thích nghi Hai ñiều khiển Mờ mờ thích nghi có thời gian ñộ gần giống Khi ñảo chiều ñộng thời gian ñể tiến tới tốc ñộ ñặt gần giống Khi có mô men tải tác ñộng (Mc = Mñm): Bộ ñiều khiển PI có lượng ñiều chỉnh lớn ñiều khiển mờ mờ thích nghi - Xây dựng phương pháp mờ chỉnh ñịnh tham số Kp PI - Xây dựng mô phương pháp mờ thích nghi ñiều khiển ñộng ñồng kích thích vĩnh cửu cho ñáp ứng tốt • Đề xuất hướng phát triển: - Đề tài ñưa cách giải vấn ñề sở lý thuyết thử nghiệm mô hình mô phỏng, triển khai thực tiễn chắn nhiều vấn ñề phải quan tâm - Phương pháp mờ thích nghi khó việc phân tích kết ñiều khiển tính phi tuyến thay ñổi liên tục theo thời gian hệ thống Xây dưng ñiều khiển mờ nơ ron hướng ñi khác cho ñề tài Footer Page 13 of 126  ... tiêu ñề tài - Thiết kế ñiều khiển PI kinh ñiển ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng - Sử dụng phương pháp mờ thích nghi ñiều khiển ñộng ñồng nam châm vĩnh cửu Phương pháp nghi n cứu - Ứng dụng phương pháp... phương pháp mờ có thích nghi ñiều khiển ñộng ñồng nam châm vĩnh cửu Đối tượng phạm vi nghi n cứu Đối tượng nghi n cứu: Động ñiện ñồng nam châm vĩnh cửu xoay chiều ba Nghi n cứu lý thuyết tìm... Page of 126 - Xây dựng luật ñiều khiển (các mệnh ñề hợp thành) - Chọn thiết bị hợp thành mờ (max-Min hay sum-Min, ) - Chọn phương pháp giải mờ - Tối ưu hệ thống 3.2 Điều khiển thích nghi theo mẫu