Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ điều khiển fuzzy foc

DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PI MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ .... Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-VƯƠNG THỊ HỒNG VÂN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY FOC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-VƯƠNG THỊ HỒNG VÂN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY FOC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH

TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.

HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCMngày 25 tháng 9 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Vương Thị Hồng Vân Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 25/5/1966 Nơi sinh: Đồng Tháp

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1441830049

I- Tên đề tài:

Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ điều khiển fuzzy FOC II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Nghiên cứu tổng quan về điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha

- Nghiên cứu vẽ điều khiển mờ

- Thiết kế bộ điều khiển fuzzy FOC cho động cơ không đồng bộ 3 pha

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên phần mểm Matlab

III- Ngày giao nhiệm vụ : Tháng 23/01/2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 30/7/2016

V- Cán bộ hướng dẫn : PGS.TS.Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồngốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với TS Nguyễn Thanh Phươngngười đã hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình thực hiện Luận văn Thầy đã cónhững định hướng cho bài báo cáo luận văn của tôi và đã quan tâm giúp đỡ khi tôigặp khó khăn

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo bộ môn trong khoa đãtruyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường.Trong quá trình thực tập và làm báo cáo do trình độ lý luận cũng như kinhnghiệm thực tiễn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi rấtmong nhận được ý kiến đóng góp từ Thầy, Cô để tôi học thêm được nhiều kinhnghiệm và được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Trong lý thuyết điều khiển hiện đại, động cơ cảm ứng được mô tả bởi các mô hình toánhọc khác nhau, theo các phương pháp kiểm soát được sử dụng Trong phiên bản ba pha đốixứng, loại động cơ điện này có thể được kết hợp với chiến lược kiểm soát vector Thôngqua phương pháp điều khiển này, sự vận hành của động cơ cảm ứng có thể được phân tíchtrong một cách tương tự như một động cơ DC

Luận văn này mô tả việc sử dụng các kỹ thuật logic mờ để điều khiển tốc độ của động

cơ cảm ứng ba pha

ABSTRACT

In modern control theory, the induction motor is described by differentmathematical models, In the symmetrical three-phase version, this electrical motortype can be associated with vector control strategy Through this control method,the induction motor operation can be analysed in a similar way to a DC motor.This thesis describes the use of fuzzy logic techniques to control the speed of athree-phase induction motor

MỤC LỤC

ƠN ii TÓM

TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC .v DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH viii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về đề tài 1

1.2 Các phương pháp điều khiển 2

1.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)

2 1.2.2 Phương pháp điều chế Vector không gian 3

1.2.3 Điều khiển định hướng trường 4

1.2.4 Điều khiển định hướng từ thông Rotor trực tiếp 5

1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp

5 1.2.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường 6

1.2.7 Nhận xét 7

1.3 Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay

7 1.3.1 Điều khiển thông minh

7 1.3.2 Những kỹ thuật khác 8

1.4 Định hướng 9

1.5 Mục tiêu đề tài 9

1.6 Nội dung luận văn 9

Chương 2 MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

11 2.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha 11

2.2 Vector không gian của các đại lượng ba pha

12 2.2.1 Xây dựng Vector không gian 12

2.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ 18

2.3.3 Các tham số của động cơ 19

2.3.4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator 20

2.3.5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor 22

2.3.6 Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor 23

2.3.7 Bộ điều chế độ rộng xung PWM 23

2.3.8 Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của Matlab 25

2.3.8.1 Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha 25

2.3.8.2 Mô hình động cơ trong simulink 25

2.3.8.3 Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ 26

2.4 Nhận xét 29

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC - FIELD ORIENTED CONTROL)

31 3.1 Đại cương về phương pháp FOC 31

3.2 Cấu trúc nội dung phương pháp FOC 33

3.2.1 Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC 33

3.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển 34

3.2.3 Cấu trúc hiện đại của FOC 36

3.3 Mô phỏng phương pháp foc bằng simulink matlab 37

3.3.1 Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp foc trong simulink matlab 37

3.3.2 Giải thích nguyên lí hoạt động 37

3.3.3 Phân tích sơ đồ 38

3.4 Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC 41

3.4.1 Tham số mô phỏng 41

3.4.2 Trình tự mô phỏng 42

3.4.3 Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong Simulink Matlab 44

3.4.3.1.Từ thông của động cơ 44

3.4.3.2.Tốc độ của động cơ 44

3.4.3.3 Moment của động cơ 45

3.4.3.4 D ng điện các pha của động cơ 46

3.4.3.5 Khi đảo chiều quay động cơ 47

3.4.3.6 Khi tăng moment tải (TL 10,5 N.m) 48

3.4.3.7 Khi tăng moment quán tính ( 0,0256 kg.m2) 51

3.4.4 Nhận xét kết quả mô phỏng điều khiển FOC 54

Chương 4 DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PI MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 57

4.1 Tổng quan về phương pháp đề xuất 57

4.2 Bộ điều khiển mờ PI 57

4.2.1 Giới thiệu 57

4.2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ 59

4.2.3 Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai 60

4.2.4 Xây dựng các bộ điều khiển PI mờ 61

4.3 Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào ước lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ PI để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha 72

4.4 Nhận xét 80

Chương 5 KẾT LU N ,HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82

5.1 Kết luận 82

5.2 Hướng phát triển đề tài 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều 3 pha hiện đại 2

Hình 1.2 Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng 3

Hình1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển moment vô hướng 3

Hình 1.4 Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian 4

Hình 1.5 Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản 5

Hình 1.6 Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định hướng từ thông rotor gián tiếp 6

Hình 2.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha 11

Hình 2.2 Sơ đồ cuộn dây và d ng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha 12

Hình 2.3 Thiết lập Vector không gian từ các đại lượng pha 13

Hình 2.4 Biểu diễn d ng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ 

13

Hình 2.5 Chuyển hệ tọa độ giữa  và dq

14 Hình 2.6 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor 15

Hình 2.7 Thu thập giá trị thực của vector d ng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq) 16

Hình 2.8 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc

17

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ PWM 23

Hình 2.10 Cơ chế đóng ngắt của PWM (pha U) 24

Hình 2.11 Dạng sóng 3 pha khi được điều chế PWM 24

Hình 2.12 Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha 26

Hình 2.13 Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM 26

Hình 2.14 Dòng từ hóa 27

Hình 2.15 Từ thông rotor 27

Hình 2.16 Tốc độ động cơ 28

Hình 2.17 Moment động cơ 28

Hình 2.18 D ng điện stator 28

Hình 2.19 Điện áp Stator 29

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp 32

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp 33

Hình 3.3 Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC 34

Hình 3.4 Vector d ng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q) 35

Hình 3.5 Sơ đồ khối điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC 37

Hình 3.6 Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) 38

Hình 3.7 Sơ đồ khối chuyển điện áp từ (d, q) sang (α, β) 39

Hình 3.8 Sơ đồ khối chuyển d ng điện từ (u, v, ) sang (d, q) 39

Hình 3.9 Sơ đồ khối ước lượng từ thông 40

Hình 3.10 Sơ đồ khối Firef và Wref 41

Hình 3.11 Sơ đồ khối TL 41

Hình 3.12 Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng 42

Hình 3.13 Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng đảo chiều động cơ 43

Hình 3.14 Moment đặt cho quá trình mô phỏng 43

Hình 3.15 Biểu diễn quá trình mô phỏng theo thời gian khi đóng cắt tải 43

Hình 3.16 Từ thông thật của động cơ 44

Hình 3.17 Từ thông ước lượng của động cơ 44

Hình 3.18 Tốc độ thật của động cơ 45

Hình 3.19 Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt 45

Hình 3.20 Moment thực của động cơ 45

Hình 3.21 Moment của động cơ được ước lượng 46

Hình 3.22 D ng điện pha U của động cơ 46

Hình 3.23 D ng điện ba pha của động cơ 46

Hình 3.24 Từ thông thật của động cơ (khi đảo chiều quay) 47

Hình 3.25 Từ thông của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay) 47

Hình 3.26 Tốc độ thật của động cơ (khi đảo chiều quay) 47

Hình 3.27 Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi đảo chiều động cơ) 48

Hình 3.28 Moment thật của động cơ (khi đảo chiều quay) 48

Hình 3.29 Moment của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay) 48

Hình 3.30 Từ thông thật của động cơ (khi tăng moment tải) 49

Hình 3.31 Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải) 49

Hình 3.32 Tốc độ thật của động cơ (khi tăng moment tải) 49

Hình 3.33 Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi tăng moment tải) 50

Hình 3.34 Moment thực của động cơ (khi tăng moment tải) 50

Hình 3.35 Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải) 50

Hình 3.36 D ng điện pha U của động cơ (khi tăng moment tải) 51

Hình 3.37 D ng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment tải) 51

Hình 3.38 Từ thông thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) 51

Hình 3.39 Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính) 52

Hình 3.40 Tốc độ thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) 52

Hình 3.41 Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt (khi tăng moment quán tính) 52

Hình 3.42 Moment thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) 53

Hình 3.43 Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính) 53

Hình 3.44 D ng điện pha u của động cơ (khi tăng moment quán tính) 53

Hình 3.45 D ng điện pha v của động cơ (khi tăng moment quán tính) 54

Hình 3.46 D ng điện pha của động cơ (khi tăng moment quán tính) 54

Hình 3.47 D ng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment quán tính) 54

Hình 4.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID thông thường 57

Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ 58

Hình 4.3 Hệ thống điều khiển mờ theo sai lệch e và đạo hàm sai lệch 59

Hình 4.4 Sơ đồ khối Bộ điều khiển PI mờ 59

Hình 4.5 Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ xây dựng trong SIMULINK/MATLAB 59

Hình 4.6 Sơ đồ khối điều khiển PI MỜ xây dựng trên Simulink Matlab 60

Hình 4.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI mờ lai 60

Hình 4.8 Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ lai trong SIMULINK/MATLAB 60

Hình 4.9 Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai xây dựng trên Matlab 61

Hình 4.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PI mờ 61

Hình 4.11 Tập mờ sai số tốc độ 62

Hình 4.12 Tập mờ ngõ ra của bộ KP mờ 62

Hình 4.13 Quy luật thay đổi KP 63

Hình 4.14 Tập mờ sai số ngõ vào 63

Hình 4.15 Tập mờ ngõ ra của bộ KI mờ 64

Hình 4.16 Quy luật thay đổi KI 64

Hình 4.17 Sơ đồ khối điều khiển động cơ có bộ điều khiển từ thông PI mờ 65

Hình 4.18 Tập ngõ vào của bộ KP mờ 65

Hình 4.19 Tập ngõ ra của bộ KP mờ 66

Hình 4.20 Quy luật thay đổi KP 66

Hình 4.21 Tập ngõ vào của bộ KI mờ 67

Hình 4.22 Tập ngõ ra của bộ KI mờ 67

Hình 4.23 Quy luật thay đổi KI 68

Hình 4.24 Sơ đồ khối điều khiển moment có PI mờ 68

Hình 4.25 Tập ngõ vào của bộ KP mờ 69

Hình 4.26 Tập ngõ ra KP mờ 69

Hình 4.27 Quy luật thay đổi KP 70

Hình 4.28 Tập ngõ vào bộ KI mờ 70

Hình 4.29 Tập ngõ ra của bộ KI mờ 71

Hình 4.30.Quy luật thay đổi KI 71

Hình 4.31 Mô hình 3 bộ điều khiển mờ từ thông - moment và tốc độ 72

Hình 4.32 Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI thông thường 72

Hình 4.33 Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI mờ lai 73

Hình 4.34 So sánh kết quả mô phỏng giữa Bộ điều khiển PI mờ & PI thông thường 73

Hình 4.35 Kết quả Bộ điều khiển PI mờ lai 74

Hình 4.36 Kết quả Bộ điều khiển PI thông thường 74

Hình 4.37 So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 75

Hình 4.38 So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 75

Hình 4.39 So sánh moment khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 76

Hình 4.40 So sánh d ng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 76

Hình 4.41 So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 77

Hình 4.42 So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 78

Hình 4.43 So sánh moment khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 79Hình 4.44 So sánh d ng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường 80

1.1 T ng uan về đề tài

Chương 1 TỔNG QUAN

Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựngnhững phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựngnên các thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi, vi xử

lý và điện tử công suất Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại làphương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968

và Balaschke đưa ra 1970

K.Haase: Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơkhông đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ1969)

F.Balaschke: Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ khôngđồng bộ ba pha Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972

TS Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương phápđiều chỉnh d ng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chếcủa chúng” nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phươngpháp mạnh dùng mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cáchtiếp cận với các thuật toán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điềukhiển gián đoạn bằng vi xử lý

Phần ứng dụng của tác giả TS Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã rađời và được ứng dụng thành công không chỉ trong ph ng thí nghiệm mà c n cả trênthiết bị hiện đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thịtrường

Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:

 Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn

 Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải

quyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoạivới hệ thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại vớithiết bị ngoại vi tại chỗ PLC

s

Ngoại vi phụ Bus tuần tự

Vi xử lý với chức năng điều chỉnh

Biến tần Động cơ xoay chiều3 pha

Vi xử lý với chức năng thông tin

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại

1 Các phương pháp điều khiển

1 .1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)

Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ làtruyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của d ng điện và điện ápcủa nguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời Cách điều chỉnh này cho phép điềukhiển tốc độ hoặc moment đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông củađộng cơ ổn định Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện

áp hoặc d ng điện được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần sốđược điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của những vector tương ứng.Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector Kỹ thuật vô hướng

độ rotor Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ Tín

đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) tạo

ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần

Slip Controller

Voltage controller

Dc supply Voltage

Hình 1.2 Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng

Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển moment(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của d ng điện stator, vì thếmomen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi.Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai tr phụ vì hồi tiếp d ng điện cóphần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts Hertzs (CVH)

DC Supply Voltage

*

s

T *

Calculator 1

motor Speed sensor

Hình1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển moment vô hướng

1 Phương pháp điều chế Vector không gian

Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong những thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong ba thập niên qua Không chỉ đ i hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn công suất mà c n yêu cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác Có nhiều

kỹ thuật điều chế như: kỹ thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian nhưng

bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn d ng

và nguồn áp Phương pháp điều chế vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao Van bán dẫn được dùng ở đây là IGBT, MOSFET

Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tr n Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường

tr n, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên

độ áp ra trở nên tuyến tính Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình

+ + + +

-+ -+ -+ -+

-Hình 1.4 Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian

1 .3 Điều khiển định hướng trường

Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa moment và tách rời điềukhiển moment khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độcủa động cơ không đồng bộ.

Có hai loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếptrong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựavào đo lường vị trí rotor

1 .4 Điều khiển định hướng từ thông Rotor trực tiếp

Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từthông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và d ng điện stator sử dụng bộquan sát từ thông (flux observer) Đặt cảm biến ở khe hở không khí của động cơ,trục dq nhằm xác định vector từ thông hỗ cảm (từ thông khe hở không khí)

r e*

Hình 1.5 Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản

1 .5 Điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp

i

Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán

đặt tốc độ này lên động cơ

Hình 1.6 Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định

hướng từ thông rotor gián tiếp

1 .6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường

Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn,người ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor củamáy điện Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hàibậc cao theo hướng từ thông rotor Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếpđến việc tạo thành moment động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏtác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên moment động cơ) Việc lựa chọn vectorđóng ngắt sẽ thực hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ

nhất và việc đóng ngắt theo trục d của d ng điện có thể được hạn chế do khả năng

mở rộng đường bao của nó Các sóng hài moment giảm xuống nhưng các sóng hài

d ng điện sẽ tăng lên (theo trục d).

1 .7 Nhận xét

Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điềukhiển động cơ Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn tạinhững khuyết điểm:

- Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gâysóng hài bậc cao

- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp

- Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổithông số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chínhxác tại tốc độ thấp Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thìkhông thể duy trì yêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi

Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệnhân tạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời góp phần không nhỏ trong việcphát triển lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha

1.3 Nh ng k thuật tiên tiến hiện nay

1.3.1 Điều khiển thông minh

Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộđiện tử công suất Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phầnchính kia thì truyền động đó gọi là truyền động thông minh

Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não vàtrung tâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng Phần cứng củađơn vị điều khiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây C n phần mềm chứanhững kỹ thuật điều khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng

Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh: điềukhiển thích nghi hay điều khiển tự tổ chức Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là

hệ thống tự tổ chức hoặc tự xử lý Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh củathiết kế và sản xuất mạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính toán caođưa điều khiển thông minh vào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện

Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính toán cứng và tính toán mềm

Hệ chuyên gia thuộc về tính toán cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên Trong 2thập kỷ gần đây, tính toán mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như

sự cải tiến cấu trúc vi xử lý Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo, tập logic mờ, mạng neural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen.

Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được quan tâmđến như một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định

và tăng độ bền cơ học Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật if - then

(Kawaji and Matsunaga, 1994)

Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vìnhững đặc tính đặc biệt sau:

- Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điềukhiển tự động

- Khả năng của ANN có thể học mẫu

- Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc

- Khả năng thích nghi

Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnhvực điều khiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ độngcơ; bộ điều khiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần

Kết quả mô phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạngneural trong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường(như bộ điều khiển PI) không có ANNs

1.3 Nh ng k thuật khác

Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là giá thành cao củanhững thiết bị biến đổi, sự phức tạp của xử lý tín hiệu và độ chính xác kém Trongnhững năm gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt vì sự tiến bộcủa kỹ thuật điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao Trong hầu hết những ứng dụng, cảmbiến tốc độ là cần thiết và thích hợp trong v ng kín điều khiển tốc độ Tuy nhiên,cảm biến tốc độ có một vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng loại trừnhiễu Những phương pháp khác nhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ sử dụngmột vài thông số điện như d ng điện, điện áp, tần số và từ thông Chúng dựa vào sựkết hợp của lý thuyết ước lượng trạng thái và thuyết điều khiển vector (điều khiểnđộng cơ không có cảm biến tốc độ)

Tuy nhiên, các giá trị của thông số điện bị lệch do các giá trị thiết kế vì sự thayđổi của môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn.

Những phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không phù hợp vì mộtvài lý do như trên….Vì vậy, một vài mô hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào vàngõ ra mà không cần biết đến phương trình chuyển động Nhiệm vụ chính là tậptrung vào việc nhận dạng bao gồm bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyểntuyến tính (Schouken, 1990), để ước lượng thông số vật lý (Moons và Moor, 1995)

và ước lượng hệ số hàm truyền tuyến tính dựa vào đo lường lực từ và tốc độ (Gahler

và Herzog, 1994), kỹ thuật NARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) nhằm mô hìnhhóa mối quan hệ giữa tốc độ và điện áp của động cơ không đồng bộ

Tương tự, khi ước lượng từ thông, người ta cũng áp dụng những nguyên tắcgiống như điều khiển và ước lượng tốc độ Thật sự, cảm biến từ thông khó chế tạo

và lắp đặt Vì vậy, việc chế tạo ra một bộ ước lượng từ thông từ những thông sốđiện có sẵn, hoặc những kỹ thuật tiên tiến là mối quan tâm thiết yếu cho những aiquan tâm đến lĩnh vực điều khiển động cơ

1.4 Định hướng

Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau, cũngnhư với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều Trongluận văn thạc sỹ này, đề tài “ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BAPHA SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY FOC” được thực hiện

1.6 Nội dung luận văn

Luận văn được trình bày theo các chương như sau:

Chương 1 TỔNG QUAN

Chương MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA Chương

3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG-FOC Chương 4

DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PI MỜ KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNGĐỒNG BỘ

Chương 5 KẾT LU N – HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.

Chương

MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha

Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator được cung cấp điện từ lướiđiện, và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và d ngđiện bên trong dây quấn rotor D ng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ

2 loại:

Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnhrotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượtđược cách điện với trục rotor Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trongcác bộ giá đỡ chổi than

Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnhrotor, chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch Do kết cấu rất đơngiản và chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồnđộng lực rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.Trong hai loại động cơ trên, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đốitrên thị trường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn Sự pháttriển như vũ bão của kỹ thuật vi điện tử với giá thành ngày càng hạ đã cho phépthực hiện thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc

Hình 2.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha

s s s

j



Vector không gian c a các đại lư ng ba pha

.1 Xây dựng Vector không gian

Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với d ng điện bapha bố trí không gian tổng quát như hình 2.2

Trong hình trên không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác Ba

chạy bằng biến tần thì đó là ba d ng ở đầu ra của biến tần

Hình 2.2 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha

Ba d ng điện đó thỏa mãn phương trình:

Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ xoay chiều 3 pha

tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không giansau:

i (t)  s 2 [i (t)  i (t)e

3 su sv j120

o  i sw (t)e j 240 o ]  i s e (2.5)

Hình 2.3 Thiết lập Vector không gian từ các đại lượng pha

Theo hình vẽ trên, d ng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector d ng

hệ tọa độ cố định (hệ tọa độ stator)

Chuyển hệ trục tọa độ cho Vector không gian

tương ứng với hai hệ tọa độ này Mối liên hệ được thể hiện ở hình vẽ 2.5

.3 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Giả thiết động cơ không đồng bộ quay với tốc độ

tạo bởi trục rotor và trục chuẩn Từ thông rotor

s

s

f

Hình 2.6 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của

i s  i su

(2.13)

Hình 2.7 Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor

(hệ tọa độ dq)

mà ta chưa biết Vậy phương pháp mô tả trên hệ tọa độ dq đ i hỏi phải xây dựng

hình tính toán trong hệ tọa độ dq, trên thực tế do không thể tính tuyệt đối chính xác

góc 

.3 Mô h nh c a động cơ không đồng bộ ba pha

2.3.1 Lý do xây dựng mô h nh

Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả đối tượng điềuchỉnh Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộrotor lồng sóc là mô hình đơn giản của động cơ trong hình 2.8

Hình 2.8 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc

Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đốitượng điều chỉnh, phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Điều đó dẫnđến các điều kiện được giả thiết trong khi lập mô hình Các điều kiện đó một mặtđơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặt khác chúng gây nên sai lệch nhấtđịnh, sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình

Về phương diện động, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi

hệ phương trình vi phân bậc cao Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặtkhông gian, vì các mạch từ móc v ng, một số điều kiện được chấp nhận khi môhình hóa động cơ:

- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ và sự bão h a từ có thể bỏ qua

- D ng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

o o

S

s w

S

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha u

Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ

.3 Hệ phương tr nh cơ bản c a động cơ

Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator:

dt (t )  d sw (t )

(2.17)(2.18)(2.19)Với:

sw s sw

dt

Áp dụng công thức ta thu được điện áp:

Phương trình trên thu được do các quan sát từ hệ thống 3 cuộn dây stator, vì

m s r

Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator:

r

s m r

L

s s

s m s

s

s s r

.3.4 Mô h nh trạng thái c a động cơ trên hệ tọa độ stator

Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:

Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector d ng điện rotor và vector từ thông stator

s 1 ( s s )

2

r s

r

m   3 p ( s xi s )   3 p ( s x( s

1 )  3 p L m ( s xi s