Luận văn tốt nghiệp Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha dùng Fuzzy logic

Tác giả nghiên cứu thiết kế bộ PI mờ bằng việc sử dụng số luật điều khiển ít hơn, dễ điều chỉnh và đáp ứng tốt, nghiên cứu mô phỏng điều khiển mô hình động cơ dùng Matlab và cho kết quả tốt. Có thể nghiên cứu để ứng dụng thực tiễn trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha do có đáp ứng tốt. Dùng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu khác về động cơ Làm tài liệu tham khảo cho thiết kế, vận hành máy điện

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu

1.1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Ngày nay đã phát triển nhiều phương pháp điều khiển động cơ

 Phương pháp V/f:

 Phương pháp DTC:

 Phương pháp FOC: Là kỹ thuật được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trongviệc điều khiển động cơ vì từ thông và moment có thể được điều khiển độc lập.FOC là phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha

và đặc trưng là các vector Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời

gian và tốc độ trên hệ trục d – q, đây là hệ trục bất biến Sự tham chiếu này nhằm

mục đích để hướng việc khảo sát động cơ KĐB thành việc khảo sát của động cơDC

Điều khiển hiện đại dựa trên kỹ thuật trí tuệ nhân tạo hay còn gọi là điềukhiển thông minh, các hệ thống ứng dụng trí tuệ nhân tạo được gọi là các hệthống tự tổ chức

Hệ thống chuyên gia thuộc về tính toán cứng được xem là kỹ thuật trí tuệnhân tạo đầu tiên Trong hai thập niên gần đây kỹ thuật tính toán mềm được sửdụng rộng rãi trong truyền động điện đó là:

 Hệ logic mờ

 Mạng nơ-ron – Mờ

 Mạng nơ-ron nhân tạo

 Giải thuật di truyền GA

 Giải thuật bầy đàn PSO

1.1.2 Một số công trình nghiên cứu có liên quan

[1] P.Tripura and Y.Srinivasa Kishore Babu, “Fuzzy Logic Speed Control ofThree Phase Induction Motor Drive”, World Academy of Science, Engineeringand Technology 60 2011

Điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng 3 pha dùng bộ PI truyền thống thườngcho đáp ứng tốt với tải và tốc độ động cơ ổn định, nhưng trong thực tế tải đầutrục động cơ, tốc độ động cơ thừơng hay bị thay đổi do thực tế sử dụng, nên bộ

PI tỏ ra kém hiệu quả, để cải thiện điều này bằng cách sử dụng logic mờ, tác giả

đã sử dụng bộ điều khiển FLC nhằm khắc phục được những hạn chế của PItruyền thống, và cho đáp ứng điều khiển tốt hơn, tuy nhiên số luật điều khiển vàbiến mờ là nhiều, nên việc lựa chọ biến mờ và luật mờ sẽ phức tạp và mất nhiềuthời gian điều chỉnh, hơn nữa khi mô phỏng thời gian mô phỏng sẽ dài hơn do số

biến mờ và luật mờ, và kết quả mô phỏng thường cho độ vọt lố về momen caohơn với PI

[2] Biranchi Narayan Kar, K.B Mohanty, “Indirect Vector Control of Induction Motor Using Fuzzy Logic Controller”, Department of Electrical Engineering,

National Institute of Technology, Rourkela-769008

Điều khiển véc tơ gián tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng logic

mờ cũng cho kết quả tốt nhưng số luật điều khiển và biến mờ vẫn nhiều dẫn đếnphức tạp trong thiết kế bộ PI mờ và kết quả mô phỏng thu được cũng tương tựnhư [1]

[3] M N Uddin, T S Radwan and M A Rahman “Performances of Logic Based Indirect Vector Control for Induction Motor Drive,” IEEETransactions on Industry Applications, Vol 38, No 5, pp 1219-1225,September/October, 2002

Fuzzy-Hệ thống điều khiển vector gián tiếp truyền thống sử dụng bộ điều khiển

PI thông thường cho hồi tiếp tốc độ vì sự đơn giản và ổn định Tuy nhiên, sự thayđổi bất ngờ điều kiện tải trọng hoặc các yếu tố môi trường sẽ tạo ra vọt lố, daođộng của tốc độ động cơ, dao động của mô-men xoắn, thời gian để đạt ổn địnhkéo dài và do đó làm giảm hiệu suất truyền động Để khắc phục điều này, một bộđiều khiển thông minh dựa vào logic mờ có thể được sử dụng gọi là bộ điều chỉnh

PI mờ Logic mờ có những lợi thế nhất định so với các bộ điều khiển cổ điển nhưđiều khiển đơn giản, chi phí thấp, và có thể thiết kế mà không cần biết các môhình toán học chính xác của đối tượng

Kết quả điều khiển có tốt hơn bộ PI truyền thống nhưng số luật mờ, biến

mờ vẫ nhiều và phức tạp tương tự như [1], [2]

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu bộ điều khiển logic mờ điều khiển tốc độ động cơ không đồng

bộ ba pha, áp dụng lý thuyết mờ vào kỹ thuật điều khiển hiện đại FOC cho các hệtruyền động động cơ không đồng bộ 3 pha

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu “Điều khiển tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba

pha sử dụng logic mờ”.

1.2.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

GVHD: TS NGUYẾN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG

Tìm hiểu một số phương pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển động

cơ không đồng bộ ba pha, đề xuất phương pháp điều khiển FOC

Tìm hiểu, nghiên cứu sử dụng lý thuyết logic mờ trong điều khiển động cơkhông đồng bộ ba pha, đề xuất bộ điều khiển mờ FLC thay thế cho bộ điều khiển

PI cổ điển

Mô phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha theophương pháp FOC dùng bộ điều khiển mờ thay cho PI truyền thống dùng phầnmềm Matlab-Simulink

1.2.4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu và tham khảo mô hình toán học của động cơ không đồng bộ bapha

Tìm hiểu và tham khảo mô hình điều khiển động cơ không đồng bộdung bộ PI truyền thống

Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơkhông đồng bộ dùng bộ điều khiển logic mờ FLC

Phân tích các kết quả nhận được và so sánh với bộ điều khiển PI Truyềnthống

Đánh giá, Kết luận Đề xuất hướng phát triển của đề tài

1.3 Tính cần thiết của đề tài

- Có thể nghiên cứu để ứng dụng thực tiễn trong điều khiển động cơ không đồng

bộ ba pha do có đáp ứng tốt

- Dùng làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu khác về động cơ

- Làm tài liệu tham khảo cho thiết kế, vận hành máy điện

1.4 Tính mới của để tài

Tác giả nghiên cứu thiết kế bộ PI mờ bằng việc sử dụng số luật điều khiển ít hơn,

dễ điều chỉnh và đáp ứng tốt, nghiên cứu mô phỏng điều khiển mô hình động cơdùng Matlab và cho kết quả tốt

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Động cơ không đồng bộ 3 pha

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việctheo nguyên lý cảm ứng điện từ, Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn

ba pha sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ ωs(rad/s) làm cho rotoquay với tốc độ là ωr khác tốc độ của từ trường quay

Hình 2.1 Máy điện KĐB 3 pha

2.2 Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ.

Mô hình của động cơ được xây dựng với giả thiết:

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

- Dòng từ hóa và từ trường được phân bố hình sin trên bề mặtkhe từ

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

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương một pha của động cơ không đồng bộ

Vs : Điện áp pha của lưới điện cung cấp cho động cơ

Lm : Hỗ cảm giữa stator và rotor

E : Sức điện động cảm ứng trong dây quấn stator

2.3 Vector không gian và các đại lượng ba pha.[4]

Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:

isa(t) + isb(t) + isc(t) = 0 (2.1)

Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau:

GVHD: TS NGUYẾN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG

)

(t i t

i sa = s ωs (2.2)

)120cos(

)

s s

sb t i t

)240cos(

)

s s

2.4 Các phương trình cơ bản của động cơ ba pha.

Phương trình của từ thông stator và từ thông rotor:

Với : j : Moment quán tính cơ

P : Số đôi cực của động cơ

ω : Tốc độ góc của rotor

MT : Moment tải

Ce : Moment điện từ

2.5 Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ stator αβ

Hình 2.12 Vec-tơ dòng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ dq

2.6 Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq.

2.6.1 Các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ

a) Phép chuyển đổi abc → αβ và αβ → abc

Hình 2.15 Dòng điện stator i s trong hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβ

Triển khai cho vectơ dòng:

s

sb s

s

sc

i i

i i

i

α β

Ta được ma trận chuyển đổi abc → αβ :

GVHD: TS NGUYẾN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG

1 11

2

22

i

i i

i i

α β

f s

Nếu thành công trong việc áp đặt nhanh và chính xác dòng để điều khiển

ổn định từ thông tại mọi điểm làm việc của động cơ và thành công trongviệc áp đặt nhanh và chính xác dòng thì theo phương trình trên thì có thểcoi là đại lương điều khiển momen Ce của động cơ, và từ đó điều khiểnđược tốc độ động cơ

+ Phương pháp điều khiển gián tiếp (IFOC)

GVHD: TS NGUYẾN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG

Trong phương pháp điều khiển gián tiếp thì góc θ được tính toándựa trên tốc độ trượt ωsl* và thông tin về tốc độ động cơ ωr Theo sơ đồ, tathấy đặc tính của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào việc xác định chính xáccác thông số động cơ

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp

Điều khiển độc lập từ thông và dòng ứng thực hiện dễ dàng đối vớiđộng cơ DC kích từ độc lập Đối với động cơ không đồng bộ, cuộn ứng làrotor và từ thông sinh ra bởi dòng trong cuộn stator Tuy nhiên, dòng rotorkhông được trực tiếp điều khiển bởi nguồn ngoài mà là hệ quả do sức điệnđộng cảm ứng sinh ra do kết quả chuyển động của rotor so vối từ trườngstator

FOC là phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên

độ và góc pha và đặc trưng là các vector Điều khiển này cơ bản dựa vào

sự tham chiếu về thời gian và tốc độ trên hệ trục d – q, đây là hệ trục bất

biến Sự tham chiếu này nhằm mục đích để hướng việc khảo sát động cơKĐB thành việc khảo sát của động cơ DC

FOC cần phải có 2 tham số ngõ vào là:

+ Thành phần moment (trục q)

+ Thành phần từ thông (trục d)

Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trongđiều khiển động cơ không đồng bộ ba pha được trình bày như hình 2.25.Bằng việc mô tả các thành phần của động cơ không đồng bộ ba pha trên

hệ tọa độ từ thông rotor (d, q) Vector dòng stator is được chia thành haithành phần isd và isq Thành phần isd điều khiển từ thông rotor còn thànhphần isq điều khiển moment quay Trong hình 2.25, động cơ được nuôi bởibiến tần nguồn áp, đại lượng điều khiển là điện áp và được đặt vào cuộndây stator của động cơ

Xây dựng thuật toán điều khiển

Hình 2.26 Cấu trúc hiện đại của hệ TĐĐ điều chỉnh tựa theo từ thông

Nguyên tắc điều khiển của FOC dựa trên việc điều khiển động cơ một

chiều kích từ độc lập: từ thông rotor được giữ ổn định bởi dòng i sd , moment và tốc độ động cơ được điều khiển bởi dòng tạo moment i sq

Các đại lượng đầu ra của bộ ĐCid và bộ ĐCiq được gọi là yd và yq.Các đại lượng này có kích cỡ và đơn vị như đại lượng dòng điện Để ghépnối các tín hiệu này với usd và usq,ta phải dùng một mạng tính áp (MTu).Ngoài ra, ta phải dùng thêm một mạng dòng (MTi) để tính i*sd và i*sq từcác đại lượng từ thông rotor ψr* và tốc độ vượt trước ωr* của từ thôngrotor so với trục rotor

Mạng tính dòng (MTi):

m

r r sd

L sT

Mạng tính áp (MTu):

q s

s s d

s

sT

L y

m d s s q

s

sq

L

L y s sT

L y

s

s

L L

Lσ = σ : điện cảm tiêu tán phía stator

Hình 2.27 Dòng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q)

θr : góc lệch giữa hệ trục α-β và dq

θ: góc lệch giữa trục rotor và trục α

Trong phương pháp điều khiển gián tiếp, vị trí góc của vector từ thông rotorđược tính dựa trên tốc độ trượt ω*sl và thông tin về tốc độ động cơ ωr Góccủa vector từ thông rotor được xác định

Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CĐTi):

s

sa

s

i i

i

i

i

2 3

sq

s s s s

sd

i i

i

i i

i

θ θ

θ θ

β α

β α

cos sin

sin cos

(2.97)Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp (điều chế véc tơ không gian)

s

s sq s sd

s

u u

u

u u

u

θ θ

θ θ

β

α

cos sin

sin cos

sb sa

sc

s s

α

2

3 2

1

(2.98)

Khâu điều chế tốc độ quay (ĐCω) là khâu PI:

Khi quan sát đối tượng điều chỉnh là dòng stator với hai thành phần isd và isq

ta nhận thấy: nếu hai thành phần dòng điện trên hoàn toàn độc lập với nhau,thì việc sử dụng cấu trúc cơ bản như trên là hợp lý

Trong cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC, xuất hiện các khối mới: khối

“Ước lượng”, khối “Ổn định từ thông”, khâu “Giới hạn dòng” và khâu “Điềuchỉnh từ thông” (khâu PI)

Trên hệ tọa độ (d, q), dòng isd được coi là đại lượng điều khiển từ thông rotor.Tuy nhiên, giữa hai đại lượng tồn tại khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian

Vì vậy cần phải sử dụng khâu “Điều chỉnh từ thông” (khâu PI) để cải thiệnđặc tính truyền đạt đó Khâu điều chỉnh từ thông có nhiệm vụ gia tốc các quátrình từ hóa trong động cơ thông qua việc làm giảm tác dụng trễ của Tr Mặckhác, để điều chỉnh, ta cần có giá trị thực của từ thông (giá trị này rất khó đođược chính xác) Phương pháp FOC kiểu gián tiếp dùng mô hình từ thông đểước lượng từ thông trên cơ sở các đại lượng đo được isd, isq và ωr Từ các đạilượng này, ta còn tính được góc θr.

Ngoài ra, khối “Ổn định từ thông” có tác dụng ổn định giá trị từthông đặt và khâu “Giới hạn dòng” làm cho dòng điện không vượt quá giátrị đặt

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ 3.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển hiện đại IFOC

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp IFOC sử dụng khâu hiệu

chỉnh PI truyền thống

3.2 Giải thích nguyên lý hoạt động:

Sai lệch tốc độ (giữa tốc độ đặt và tốc độ hồi tiếp của động cơ) được đưavào bộ “Điều chỉnh tốc độ” (bộ PI) để hiệu chỉnh Tín hiệu ngõ ra của bộ PI

là tín hiệu dòng điện đặt trục q (isq*) Tín hiệu này được đưa qua bộ “Giới hạndòng” Sai lệch giữa tín hiệu dòng isq* và dòng isq của động cơ được đưa vào

bộ “Điều chỉnh dòng isq” (bộ PI) Tín hiệu ngõ ra của bộ PI là tín hiệu điện ápđặt trục q (usq*) (1)

Sai lệch dòng từ hóa và từ thông được ước lượng từ khối “Ước lượngdòng hồi tiếp – tiếp dòng”) được đưa vào bộ “Điều chỉnh dòng từ hóa” (bộPI) để hiệu chỉnh Tín hiệu ngõ ra của bộ PI là tín hiệu dòng điện đặt trục d(isd*) Tín hiệu này được đưa qua bộ “Giới hạn dòng ” Sai lệch giữa tín hiệudòng isd* và dòng isd của động cơ được đưa vào bộ “Điều chỉnh dòng isd” (bộPI) Tín hiệu ngõ ra của bộ PI là tín hiệu điện áp đặt trục d (usd*) (2)

Từ (1) và (2), các tín hiệu điện áp stator trong hệ trục tọa độ quay (d, q)

usq* và usd* được qua mạng tính áp chuyển đổi thành điện áp usd và usq sau đódược chuyển qua hệ trục tọa độ tĩnh (α, β): usalfa, usbeta bằng khối chuyển tọa

độ Các tín hiệu điện áp này được đưa vào động cơ để điều khiển

Khối “Ước lượng dòng hồi tiêp – tiếp dòng” có nhiệm vụ tính toán các đạilượng:

+ Dòng từ hóa – isf (đặt trưng cho từ thông)

GVHD: TS NGUYẾN MINH TÂM HV: PHẠM THỊ HẰNG

+ cos(tetaf), sin(tetaf) dùng cho khâu chuyển trục tọa độ (d, q)→(α, β) + Tốc độ từ thông wf, dòng hồi tiếp Isd, Isq

+ Tín hiệu đầu vào của “Bộ ước lượng” là các dòng điện Isa, Isb, Isb và tốc độ(ω) của động cơ

Tín hiệu ngõ ra của động cơ không đồng bộ cần quan sát là từ thông (fr), tốc

độ (wr), moment (Ce) và dòng điện ba pha (Iabc)

3.3 Phân tích các khối cơ bản trong sơ đồ:

Khối dò từ thông: [8]

Hình 3.2 Khối dò từ thông

Đầu vào là tốc độ rotor và đầu ra là dòng từ hoá điều chỉnh từ thông Khối chuyển trục toạ độ (a; b; c) → (α; β):

Hình 3.3 Khối chuyển trục toạ độ (a; b; c) → (α; β)

Phép chuyển đổi Clark – thuận được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.62) thuộc chương 2

Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (a; b; c):

Hình 3.4 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (a; b; c)

Phép chuyển đổi Clark – ngược được dùng trong khối này dựa vào ma trận chuyển đổi (2.64) thuộc chương 2

Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (d; q):

Hình 3.5 Khối chuyển trục toạ độ (α; β) → (d; q)

Phép chuyển đổi Park – thuận được dùng trong khối này dựa vào ma trậnchuyển đổi (2.67) thuộc chương 2.

Khối chuyển trục toạ độ (d; q) → (α; β):

Hình 3.6 Khối chuyển trục toạ độ (d; q) → (α; β)

Phép chuyển đổi Park – thuận được dùng trong khối này dựa vào ma trậnchuyển đổi (2.68) thuộc chương 2

Mô hình tính toán của động cơ:

Hình 3.7 Mô hình hình tính toán của động cơ

Đầu vào của khối gồm các đại lượng điện áp ba pha usa, usb, usc và mômenđặt Crn

Đầu ra của khối: gồm

+ Các đại lượng dòng điện pha isa, isb, isc được tính toán từ phép chuyển đổiClack – thuận từ các đại lượng isα, isβ; tốc độ quay rotor ωr thu được từ môhình toán của động cơ

+ Mômen điện từ Ce thu được từ công thức (2.59) thuộc chương 2