Chuẩn đoán lỗi cho động cơ điện một chiều không sử dụng chổi than sử dụng bộ quan sát Luenberger

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐOÀN NGỌC QUANG CHUẨN ĐOÁN LỖI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG SỬ DỤNG CHỔI THAN SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Lê Hòa Phản biện 1: TS NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Phản biện 2: TS HÀ XUÂN VINH Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 29 tháng 12 năm 2108 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐH MỞ ĐẦU Động BLDC ngày phổ biến sử dụng nhiều ứng dụng yêu cầu chống cháy nổ, đòi hỏi độ tin cậy cao giảm thiểu việc bảo trì Theo dõi tình trạng làm việc chẩn đoán lỗi động điện cần thiết để tối ưu hóa việc bảo trì nâng cao mức độ tin cậy, đặc biệt ứng dụng quan trọng Chẩn đoán sớm lỗi xảy q trình giám sát thực hoạt động phòng ngừa quan trọng, cho phép tránh thiệt hại kinh tế nặng nề liên quan đến dừng sản xuất, thay thiết bị Điều dẫn đến việc nghiên cứu phát triển khái niệm chẩn đoán lỗi giám sát đại Sau nhiều thập kỷ phát triển, công nghệ chẩn đốn lỗi phát triển theo hướng là: chẩn đốn lỗi dựa mơ hình (model based), chẩn đốn lỗi dựa vào tín hiệu (signal based) chẩn đoán dựa lỗi vào tri thức (knowledge based) Sau tìm hiểu thơng tin nghiên cứu thực công bố sở nghiên cứu nước nước nước phát chẩn đoán lỗi cho động BLDC Tác giả mong muốn nghiên cứu ứng dụng lý thuyết phát chẩn đoán lỗi cho đối tượng động BLDC với phương pháp chẩn đoán lỗi dựa vào mơ hình Do tác giả đề xuất thực đề tài luận văn: “Chuẩn đoán lỗi cho động điện chiều không sử dụng chổi than sử dụng quan sát Luenberger” CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN LỖI 1.1 Lỗi chẩn đoán lỗi Khoa học chẩn đoán lỗi bắt đầu nghiên cứu vào năm 60 kỷ 20 Hoa Kỳ số nước Châu Âu Các định nghĩa: Lỗi (Fault) sai lệch khơng chấp nhận tham số, thuộc tính hay biến so với giá trị chuẩn Chẩn đoán lỗi (Fault Diagnostics) khoa học xác định trạng thái hệ thống thời điểm xác định diễn ra, dựa triệu chứng bên ngồi Chẩn đốn lỗi có nhiều mức độ:  Mơ hình lỗi  Phát lỗi  Cách ly lỗi  Nhận dạng lỗi  Đánh giá lỗi định Một hệ thống làm việc bình thường mơ tả hàm quan hệ: y(t) = ψ[u(t), x(t)] Trong đó:  u(t): Véc tơ thơng số đầu vào đối tượng chẩn đoán  y(t): Véc tơ thông số đầu đối tượng chẩn đốn  x(t): Véc tơ thơng số cấu trúc đối tượng chẩn đoán  f(t): Lỗi tác động đến hệ thống 1.2 Một số phương pháp phát chẩn đoán lỗi 1.2.1 Phương pháp phát lỗi phần cứng dự phòng (Redundancy hardware) 3 1.2.2 Phương pháp phát chẩn đoán lỗi dựa vào tri thức (Knowledge based) 1.2.3 Phương pháp phát lỗi dựa vào tín hiệu (Signal based) 1.2.4 Phương pháp chẩn đốn lỗi dựa vào mơ hình (Model based) Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống chẩn đốn lỗi dựa vào mơ hình Phương pháp chẩn đốn lỗi dựa mơ hình dựa vào mơ hình đối chứng xây dựng có hàm truyền giống hàm truyền đối tượng cần chẩn đoán trạng thái bình thường chạy song song với đối tượng Mơ hình đối tượng mơ tả hàm quan hệ : y(t) = f[u(t), x(t)] Triệu chứng lỗi xác định giá trị sai lệch giá trị thực tế giá trị tính tốn ( )= ( )− ( ) Trong đó, r(t) gọi dư thừa (thặng dư) hay mã kiểm tra nhằm xác định sai lệch hệ thống 4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG ĐỘNG CƠ BLDC 2.1 Giới thiệu tổng quan động chiều không chổi than BLDC 2.1.1 Cấu tạo – Nguyên lý hoạt động Hình 2.2 Cấu tao động BLDC Giới thiệu điểm khác biệt động DC động BLDC Động DC có nhược điểm hệ thống cổ góp-chổi than sinh tia lửa điện, có khả gây cháy nổ, đòi hỏi tần suất bảo trì cao, tuổi thọ động ma sát chổi than cổ góp Để tránh nhược điểm máy điện chiều không chổi than BLDC đời, thực chất máy điện chiều có hệ thống đảo chiều dòng điện bán dẫn Động BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí Rotor động hoạt động Nguyên tắc điều khiển động BLDC xác định vị trí Rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng, không động tự khởi động hay thay đổi chiều quay Chính ngun tắc điều khiển dựa vào vị trí Rotor nên động BLDC đòi hỏi phải có điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biến Hall để điều khiển động Hình 2.9: Chuyển mạch với cơng tắc điện tử Hoạt động động điều khiển dòng điện vào cn dây stator theo bước Tại thời điểm có cuộn dây dẫn điện Thời điểm chuyển mạch dòng điện thời điểm mà ba tín hiệu cảm biến Hall thay đổi mức logic Trong chu kỳ điện có sáu lần chuyển mức logic ba cảm biến Hall Do trình tự chuyển mạch gọi trình tự chuyển mạch bước 6 Hình 2.11: Mơ tả trình tự chuyển mạch van bán dẫn mạch điều khiển động BLDC pha 2.1.2 Đánh giá ưu nhược điểm 2.1.3 Một số lĩnh vực ứng dụng động BLDC  Công nghiệp hàng không- không gian:  Sản xuất công nhiệp:  Hàng hải:  Y tế:  Robot  Giao thông 2.2 Các lỗi động BLDC phương pháp chẩn đoán 2.2.1 Các lỗi động BLDC Các lỗi hay xảy bên động BLDC chia thành loại: Lỗi phần điện, lỗi phần khí lỗi bên ngồi Hình 2.14: Phân loại lỗi động điện 2.2.2 Một số phương pháp chẩn đoán lỗi cho động BLDC  Phương pháp phân tích dòng điện  Phương pháp phân tích độ rung  Phương pháp phân tích phóng điện cục  Phương pháp mơ hình hóa CHƯƠNG ỨNG DỤNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER TRONG CHẨN ĐOAN LỖI CẢM BIẾN ĐỘNG CƠ BLDC 3.1 Mơ hình tốn học động chiều khơng chổi than BLDC 3.1.1 Mơ hình toán học động DC Áp dụng định luật Kirchoff’s ta có: = + + Trong đó, Vs điện áp phần ứng, i dòng điện phần ứng, R, L điện trở điện cảm phần ứng Xét định luật Newton II cho hệ thống động học động DC hình trên, ta có: = + + Trong đó: Te momen điện, kf hệ số ma sát, J hệ số quán tính ωm vận tốc góc, TL momen tải Ta viết lại phản sức điện động emf momen điện: = = Trong ke số phản sức điện động emf, kt số momen Sau số phép biến đổi ta có hàm truyền động BLDC tỷ số vận tốc góc ωm điện áp nguồn Vs ω k G(s) = = V τ τ s + τ s + Trong đó: Hằng số thời gian học τ = Và số thời gian điện học RJ k k L R 3.1.2 Mơ hình tốn học động BLDC τ = Động BLDC xem xét động pha nối Y Điện áp cấp vào cuộn dây theo trình tự định theo tín hiệu cảm biến vị trí Vì thời điểm có pha cấp điện nên có ảnh hưởng lẫn pha, tức ảnh hưởng đến giá trị điện cảm điện trở động Vì hệ thống đối xứng pha nên ta có Hằng số thời gian học τ = J 3R K K τ = L R Hằng số thời gian điện học: Xem xét ảnh hưởng pha τ = R ∅ J K ) /√3 ( τ = K R ∅ J K K Trong đó, Ke giá trị pha số sức điện động K =K ( ) /√3 Do phương trình tốn cho BLDC có theo phương trình với việc phải xem xét số ảnh hưởng pha tương ứng 10 ω K G(s) = = V τ τ s + τ s + 3.1.3 Mơ hình khơng gian trạng thái BLDC Mơ hình khơng gian trạng thái động BLDC có dạng sau ẋ (t) = Ax(t) + Bu(t) y(t) = Cx(t) + Du(t) Chọn ( )= = = y=ω Với dòng điện stator vận tốc rotor Ta tìm mơ hình khơng gian trạng thái với A= ;B= ; C = [0 1] 3.2 Bộ quan sát Luenberger 3.2.1 Bộ quan sát vòng hở Ý tưởng quan sát xây dựng mơ hình thơng số đối tượng với kích thích đầu vào giống điều kiện ban đầu giống Hình 3.4: Sơ đồ mơ hình quan sát ước lượng vòng hở 11 Phương pháp khơng hiệu với đối tượng có A biến đổi có nhiễu Trong thực tế, khó để xác định điều kiện đầu đối tượng quan sát giống 3.2.2 Bộ quan sát Luenberger Ý tưởng phương pháp dùng khâu có mơ hình làm quan sát ẋ (t) = A(t) + Bu(t) + L y(t) − y(t) y(t) = Cx(t) Hình 3.6: Sơ đồ mơ hình quan sát Luenberger Bộ quan sát Luenberger dựa vào khái niệm Đầu tiên tạo mơ hình hệ thống gọi thành phần ước lượng(predictor) Thứ hai khái niệm đánh giá mức độ sai số ước lượng gọi thành phần điều chỉnh(corrector) 3.3 Ứng dụng quan sát để phát lỗi cảm biến động BLDC Ở trạng thái bình thường(khơng có lỗi), cho điện áp kích thích vào động quay với tốc độ định phụ thuộc 12 vào đặc tính động mơ tả mơ hình khơng gian trạng thái phần trước Khi có lỗi xảy (có thể thay đổi thơng số bên kích thích bên ngồi) tốc độ động thay đổi Trong hoạt động thực tế, xảy nhiều lỗi dẫn đến tốc độ động thay đổi thay đổi điện áp kích thích, thơng số động R, L Ngoài ra, tốc độ đo bị sai lệch cảm biến đo tốc độ động bị lỗi Hình 3.7: Mơ hình phát lỗi cảm biến tốc độ động BLDC Các bước phát lỗi động BLDC dùng quan sát Luenberger 13 Hình 3.8: Các bước phát lỗi động BLDC dùng quan sát Luenberger Bộ quan sát thiết kế để ước lượng đáp ứng tốc độ động BLDC Trong ( ), ( ) trạng thái ước lượng hệ thống tín hiệu L độ lợi ma trận phản hồi cho quan sát, thiết kế để cung cấp đáp ứng yêu cầu quan sát ∈ ℜ Thặng dư tạo cách so sánh giá trị đo lường y(t) giá trị ước lượng ( ) để phát đáp ứng bất thường hệ thống ( )= ( )− ( ) 14 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Sử dụng Matlab Simulink để mô ứng dụng chẩn đốn lỗi động BLDC 4.1 Mơ động BLDC Động BLDC đề cập luận văn động BLDC hãng MAXON Các tham số tính tốn cho động dựa bảng thơng số cung cấp hãng MAXON Hình 4.1: Mơ hình động BLDC có thành phần nhiễu 4.2 Mơ quan sát Luenberger cho động BLDC phát lỗi cảm biến tốc độ động Thiết kế mơ hình quan sát Luenberger sau giả lập lỗi cảm biến tốc độ động BLDC 15 Hình 4.4: Sơ đồ mơ hình chẩn đốn động BLDC quan sát Luenberger Mơ hệ thống chẩn đốn lỗi cảm biến động BLDC Khi khơng có lỗi: Hình 4.7: Sai lệch thặng dư % khơng có lỗi Nhận xét: Xem kết ta nhận thấy thời điểm khởi động, giá trị sai số thặng dư lớn do điều kiện đầu động thực tế quan sát khác Còn tất thời gian sau khởi động, sai lệch thặng dư % dao động ngưỡng r% < % Để tránh phát 16 lỗi báo động động nhầm, ta phải bắt đầu chẩn đoán động hoạt động ổn định Khi có lỗi: Trường hợp 1: Lỗi gián đoạn Hình 4.9: Đáp ứng tốc độ động mơ hình(lỗi gián đoạn) Hình 4.10: Sai lệch thặng dư (lỗi gián đoạn) Nhận xét: Tại thời điểm có biến động (tăng, giảm) giá trị tín hiệu đo từ cảm biến, phát lỗi phát sai lệch vượt ngồi giới hạn bình thường Tại thời điểm 8s không phát lỗi mức độ lỗi không lớn đủ để phát 17 Trường hợp 2: Lỗi đột ngột Hình 4.12: Đáp ứng tốc độ động mơ hình (Lỗi đột ngột) Hình 4.13: Sai lệch thặng dư (Lỗi đột ngột) Nhận xét: thời điểm có thay đổi tốc độ động cơ, sai lệch thặng dư lệch mạnh khỏi ngưỡng vận hành bình thường Do đó, phát lỗi phát tình trạng làm việc bất thường hệ thống cảm biến 18 Trường hợp 3: Lỗi tiến triển Hình 4.15: Đáp ứng tốc độ động mơ hình (Lỗi tiến triển) Hình 4.16: Sai lệch thặng dư (Lỗi tiến triển) Nhận xét: Khi có biến thiên giá trị đo cảm biến giá trị sai lệch thặng dư phần trăm thay đổi, nhiên tốc độ thay đổi chậm Sau khoảng thời gian sai lệch thặng dư % vượt ngưỡng cài đặt Lúc Lỗi phát Do đó, để phát loại lỗi này, ta phải ý đến ngưỡng cài đặt báo lỗi Nếu ngưỡng cài đặt rộng, khả phát lỗi chậm 19 KẾT LUẬN Luận văn “Chuẩn đoán lỗi cho động điện chiều không sử dụng chổi than sử dụng quan sát Luenberger” hồn thành Để có nhìn tổng thể cơng việc thực hiện, tác giả xin đánh giá lại kết đạt hạn chế luận văn Về chẩn đoán lỗi phương pháp chẩn đoán lỗi: Khoa học chẩn đoán lỗi phát triển hàng chục năm với nhiều thành tựu đưa nhiều phương pháp chẩn đoán lỗi chẩn đốn lỗi dựa vào tín hiệu, chẩn đốn lỗi dựa vào tri thức, chẩn đốn lỗi dựa vào mơ hình Trong đó, chẩn đốn lỗi dựa vào mơ hình phương pháp ý Về động chiều không chổi than: Động không chổi than BLDC ngày sử dụng nhiều khả làm việc tin cậy, khơng đòi hỏi nhiều chi phí thời gian cho bảo trì, hiệu suất cao Tuy vậy, động BLDC loại động điện, có khả xảy hư hỏng Việc giám sát phát lỗi động BLDC sử dụng hệ thống có yêu cầu cao độ tin cậy nhu cầu lớn có thật Trong luận văn này, tác giả ứng dụng thành công phương pháp dùng phương pháp xây dụng mơ hình sử dụng cho chẩn đốn lỗi cho động BLDC Mơ hình quan sát sử dụng quan sát kinh điển Luenberger Từ đáp ứng tốc độ động thực đáp ứng mơ hình quan sát Luenberger, ứng dụng tạo giá trị sai lệch thặng dư Giá trị dùng tính hiệu chẩn đoán lỗi Phương pháp đánh giá thặng dư sử dụng phép so sánh ngưỡng để xác định liệu có lỗi xảy hay khơng Mức độ chẩn đốn dừng lại mức độ phát lỗi Tuy nhiên, kết thu đáng tin cậy, tiếp tục sử dụng phát 20 triển thành ứng dụng cụ thể kết hợp với phương pháp công cụ khác để dùng chẩn đoán lỗi khác động BLDC Mặc dù, tác giả muốn nghiên cứu sâu hơn, chi tiết chẩn đoán lỗi cho động BLDC điều kiện thời gian hạn hẹp, tài liệu nghiên cứu khó khăn, nên dừng lại nội dung trình bày  ... chẩn đoán lỗi cho đối tượng động BLDC với phương pháp chẩn đốn lỗi dựa vào mơ hình Do tác giả đề xuất thực đề tài luận văn: Chuẩn đoán lỗi cho động điện chiều không sử dụng chổi than sử dụng quan. .. pháp xây dụng mô hình sử dụng cho chẩn đốn lỗi cho động BLDC Mơ hình quan sát sử dụng quan sát kinh điển Luenberger Từ đáp ứng tốc độ động thực đáp ứng mơ hình quan sát Luenberger, ứng dụng tạo... độ động bị lỗi Hình 3.7: Mơ hình phát lỗi cảm biến tốc độ động BLDC Các bước phát lỗi động BLDC dùng quan sát Luenberger 13 Hình 3.8: Các bước phát lỗi động BLDC dùng quan sát Luenberger Bộ quan