Điều khiển động cơ kđb 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Bùi Mạnh Hà LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài này, tơi xin chân thành cảm ơn Qúy thầy cô Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP HCM tận tình truyền đạt, trang bị kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tơi suốt q trình học cao học trường Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn đến thầy TS Nguyễn Thanh Phương người tận tình hướng dẫn truyền đạt kinh nghiệm để tơi hồn thành đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè động viên giúp đỡ nhiều, tạo cho niềm tin nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn TP HCM, Ngày 21 tháng 12 năm 2012 Học viên thực Bùi Mạnh Hà TĨM TẮT Động khơng đồng ba pha thiết bị chủ lực truyền động điện xoay chiều ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, chắn, vận hành tin cậy, bảo trì, sửa chữa, giá thành hạ, hiệu suất cao so với động khác Tuy nhiên, việc điều khiển động không đồng vấn đề khó khăn, phức tạp động khơng đồng hệ phi tuyến mạnh cần thuật toán điều khiển chặt chẽ Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control - DTC), từ thông stator momen điều khiển trực tiếp cách lựa chọn véc tơ điện áp thích hợp, sử dụng phổ biến để điều khiển động Tác giả kết hợp tính ưu việt phương pháp điều khiển khác với mong muốn tìm hiểu sâu lĩnh vực truyền động điện xoay chiều Trong luận văn này, đề tài “Điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai” thực Với mục đích cải tiến phương pháp điều khiển PI thông thường (với thông số Kp Ki cố định) cách đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ lai (với thay đổi động thông số Kp Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động cơ) Các kết quả mô phỏng sẽ cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất ABSTRACT Induction motor is the most widely used in the traditional of the alternating current The advantages of induction motor such as simple construction, reliable operation, performance high the price is cheaper than other types of motors, as well as easy maintenance However, the induction motor control is a difficult problem, complicated because induction motor is a strong nonlinear systems and requires control algorithm very closely Direct Torque Control method (Direct Torque Control - DTC), flux stator and moment can be controlled directly by selecting an appropriate inverter state, is in using widely to control motor Author combined advantages of the method different together with high expectation of wide & deep study of induction motor drivers In this thesis, the theme: “Control three-phase induction motor with DTC method using the hybrid fuzzy PI controller” are presented With an aim of improving the PI normal control method (with parameter point of Kp and Ki) by proposed the Hybrid Fuzzy PI control method (with variable parameter of Kp and Ki) Simulative results show the effectiveness of the proposed method MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .ix DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH xi Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Tính cấp thiết đề tài .1 1.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.2.1 Mục tiêu đề tài .2 1.2.2 Nội dung nghiên cứu 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu .3 1.3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.3.1 Giới thiệu tổng quan phương pháp điều khiển DTC 1.3.2 Tởng quan tình hình nghiên cứu 1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ĐIỀU KHIỂN MỜ 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Cấu trúc điều khiển mờ 2.1.3 Thiết kế điều khiển mờ 11 2.1.4 Điều khiển PID mờ [1] .11 2.1.4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ 12 2.1.4.2 Luật chỉnh định PID 12 2.1.4.3 Điều khiển PD mờ 13 2.1.4.4 Điều khiển PI mờ .13 2.1.4.5 Điều khiển PID mờ 14 2.1.5 Hệ mờ lai .15 2.1.5.1 Hệ mờ lai khơng thích nghi 15 2.1.5.2 Hệ mờ lai cascade 16 2.1.5.3 Công tắc mờ .16 2.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC) 16 2.2.1 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp 18 2.2.2 Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp 20 2.2.3 Ưu, nhược điểm phương pháp điều khiển định hướng trường 21 2.3 ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC) 21 2.3.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển trực tiếp momen 21 2.3.2 Sự biến thiên đại lượng phương pháp DTC 23 2.3.2.1 Sự biến thiên từ thông stator 23 2.3.2.2 Sự biến thiên từ thông rotor 24 2.3.2.3 Sự biến thiên điện áp stator 27 2.3.2.4 Sự biến thiên momen 27 2.3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) 29 2.3.3.1 Kỹ thuật đóng ngắt khóa để điều khiển từ thơng momen 30 2.3.3.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen-DTC 36 2.3.3.3 Phân tích khối sơ đồ nguyên lý 38 2.3.3.3.1 Bộ so sánh từ thông 38 2.3.3.3.2 Bộ so sánh momen 39 2.3.3.3.3 Bảng đóng cắt .41 2.3.3.3.4 Bộ nghịch lưu .44 2.3.3.3.5 Khâu ước lượng momen từ thông .45 2.3.3.4 Mơ hình mơ phương pháp DTC Matlab/simulink 46 Chương 3: MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 47 3.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 47 3.2 VECTOR KHÔNG GIAN VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA 48 3.2.1 Xây dựng vector không gian .48 3.2.2 Hệ tọa độ cố định stator (α-β) 49 3.2.3 Hệ tọa độ từ thông rotor (d-q) 51 3.3 MƠ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 53 3.3.1 Lý xây dựng mơ hình 53 3.3.2 Hệ phương trình động .54 3.3.3 Các tham số động 56 3.3.4 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ stator (α-β) 56 3.3.5 Mơ hình trạng thái động hệ tọa độ rotor (d-q) 59 3.3.6 Mô hình động KĐB pha hệ tọa độ stator Simulink Matlab .60 3.3.6.1 Các giá trị cần thu thập động không đồng pha 60 3.3.6.2 Mơ hình động simulink 61 3.3.6.3 Mô mở máy trực tiếp động không đồng 61 Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB PHA THEO PHƯƠNG PHÁP DTC 64 4.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ 64 4.2 MƠ HÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB PHA THEO PHƯƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ PI MỜ LAI .67 4.2.1 Bộ điều khiển PI mờ lai .67 4.2.2 Mơ hình mơ điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai .72 4.2.3 Mơ hình mô điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI thường 72 Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 74 5.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ LAI VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI THƯỜNG 74 5.1.1 Động chạy không tải với tốc độ đặt định mức: 74 5.1.2 Động chạy không tải với tốc độ đặt thay đổi: 75 5.1.3 Động chạy khơng tải sau đóng tải: 77 5.1.4 Động chạy với tải định mức, tốc độ đặt thay đổi : 78 5.1.5 Động chạy khơng tải sau đảo chiều quay : 79 5.1.6 Động chạy với tải thay đổi, tốc độ đặt định mức : 80 5.2 NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .81 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 82 6.1 KẾT LUẬN 82 6.2 HẠN CHẾ 82 6.3 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DTC Direct Torque Control FOC Field Oriented Control PI Proportional Integrator PID Proportional Integral Derivative PWM Pulse Width Modulation ĐC KĐB Động không đồng 10 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Bảng phân tích vector từ thông sector I 34 Bảng 2.2: Bảng phân tích vector từ thơng sector II 34 Bảng 2.3: Bảng phân tích vector từ thơng sector III .34 Bảng 2.4: Bảng phân tích vector từ thông sector IV 34 Bảng 2.5: Bảng phân tích vector từ thơng sector V 35 Bảng 2.6: Bảng phân tích vector từ thơng sector VI 35 Bảng 2.7: Bảng phân tích vector từ thông sector K 35 Bảng 2.8: Bảng đóng cắt tối ưu từ thông sector K 42 Bảng 2.9: Bảng đóng cắt vector điện áp theo yêu cầu điều khiển 42 Bảng 2.10: Giá trị thông số điều khiển quy đổi 43 Bảng 3.1: Các thông số ĐCKĐB dùng để mô .62 Bảng 4.1: Luật mờ Kp .65 Bảng 4.2: Luật mờ Ki 65 Bảng 4.3: Các thông số ĐCKĐB dùng để mô .73 66 Biểu diễn luật chỉnh định Kp, Ki khơng gian: Hình 4.11: Hình chỉnh định Kp khơng gian Hình 4.12: Hình chỉnh định Ki khơng gian 67 4.2.2 Mơ hình mơ điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai Hình 4.13: Mơ hình điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai 4.2.3 Mơ hình mơ điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI thường 68 Hình 4.14: Mơ hình điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI thường Động khơng đồng pha có thơng số sau: Điện trở stator R s 1.37 Điện trở rotor R r 1.1 Điện cảm stator L s 0.1459 H Điện cảm rotor L r 0.149 H Điện cảm hỗ cảm L m 0.141 H Momen qn tính J Số đơi cực p 0.1 kg-m 2 Từ thông tham chiếu 0.899 Wb Momen tải TL 26.5 N.m Tần số định mức 50 Hz Điện áp định mức 380v Bảng 4.3: Các thông số ĐCKĐB dùng để mô 69 Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG PHƯƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ LAI VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI THƯỜNG 5.1.1 Động chạy không tải với tốc độ đặt định mức: Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ Thời gian (s) Tốc độ (rad/s) Momen tải (Nm) 157 DTC với điều khiển PI thường 157 157 157 DTC với điều khiển PI mờ lai 70 Quỹ đạo từ thơng stator: Hình 5.1 Kết mơ động chạy không tải với tốc độ đặt định mức Kết mô cho thấy đáp ứng tốc độ PI mờ lai tốt khởi động không bị vọt lỗ, momen không giao động điều khiển PI thông thường 5.1.2 Động chạy không tải với tốc độ đặt thay đổi: Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ phỏng: Thời gian (s) Tốc độ (rad/s) Momen tải (Nm) 50 50 157 157 157 71 DTC với điều khiển PI thường DTC với điều khiển PI mờ lai Hình 5.2 Kết mô động chạy không tải với tốc độ đặt thay đổi Kết mô cho thấy điều khiển PI mờ lai thay đổi tốc độ momen không giao động, đáp ứng tốc độ bám tốt so với PI thông thường 72 5.1.3 Động chạy khơng tải sau đóng tải: Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ phỏng: Thời gian (s) Tốc độ (rad/s) Momen tải (Nm) 157 157 DTC với điều khiển PI thường 157 26 157 26 157 26 DTC với điều khiển PI mờ lai Hình 5.3 Kết mô động chạy không tải sau đóng tải Kết mơ cho thấy điều khiển PI mờ lai đáp ứng tốc độ tốt so với PI thơng thường đóng tải thời điểm 1s tốc độ không bị sụt tốc, momen không bị giao động 73 5.1.4 Động chạy với tải định mức, tốc độ đặt thay đổi : Tốc độ momen tải đặt cho trình mơ phỏng: Thời gian (s) Tốc độ (rad/s) Momen tải (Nm) 70 26 70 26 DTC với điều khiển PI thường 130 26 130 26 30 26 30 26 DTC với điều khiển PI mờ lai Hình 5.4 Kết mơ động chạy với tải định mức, tốc độ đặt thay đổi Kết mô cho thấy điều khiển PI mờ lai đáp ứng tốc độ tốt so với PI thông thường tốc độ thay đổi với tải định mức 74 5.1.5 Động chạy khơng tải sau đảo chiều quay : Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ phỏng: Thời gian (s) Tốc độ (rad/s) Momen tải (Nm) 151 1.5 151 DTC với điều khiển PI thường 1.5 -151 -151 DTC với điều khiển PI mờ lai Hình 5.5 Kết mơ động chạy khơng tải sau đảo chiều quay Kết mô cho thấy điều khiển PI mờ lai đáp ứng tốc độ tốt hơn, không bị vọt lỗ động quay chiều đảo chiều quay so với PI thông thường 75 5.1.6 Động chạy với tải thay đổi, tốc độ đặt định mức : Tốc độ momen tải đặt cho q trình mơ phỏng: Thời gian (s) Tốc độ (rad/s) Momen tải (Nm) 157 157 DTC với điều khiển PI thường 157 26 157 26 157 15 157 15 DTC với điều khiển PI mờ lai Hình 5.6 Kết mơ động chạy với tải thay đổi, tốc độ định mức Kết mô cho thấy điều khiển PI mờ lai đáp ứng tốc độ tốt so với PI thông thường momen thay đổi tốc độ không giao động, dịng điện ởn định 76 5.2 NHẬN XÉT KẾT QUẢ MƠ PHỎNG  Trường hợp động chạy khơng tải, tốc độ định mức: - Đáp ứng tốc độ phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai tốt (khơng có vọt lỗ, thời gian xác lập 0,4s) điều khiển PI thông thường (độ vọt lỗ 4.46 %, thời gian xác lập 0.65s) - Đáp ứng momen điện từ dùng điều khiển PI mờ lai (momen khởi động 40N.m, thời gian xác lập 0.4s) Cịn điều khiển PI thơng thường (momen khởi động 40N.m, bị dao động thời gian xác lập 0.65s) - Đáp ứng dòng điện stator dùng điều khiển PI mờ lai (dòng điện khởi động khoảng 19 A, thời gian xác lập 0.4 s dòng điện giảm xuống 6A) Cịn cịn điều khiển PI thơng thường (dịng điện khởi động khoảng 19 A, thời gian xác lập 0.5 s dòng điện giảm xuống 6A) - Đáp ứng từ thông quỹ đạo từ thông hai phương pháp điều  Trường hợp động chạy không tải sau đóng tải: - Đáp ứng tốc độ dùng điều khiển PI mờ lai tốt (Tại thởi điểm 1s đóng tải vào tốc độ khơng bị sụt tốc) điều khiển PI thông thường (tại thởi điểm 1s đóng tải vào tốc độ bị sụt tốc % sau khoảng 0.2s trạng thái xác lập) - Lúc đóng tải vào, đáp ứng momen dịng điện stator dùng PI mờ lai tốt (không bị giao động) PI thông thường (bị giao động khoảng 0.2 s trở trạng thái xác lập)  Điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai cung cấp kết mô phù hợpvới thay đổi thông số động tương tự PI thông thường 77 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 KẾT LUẬN Thông qua đề tài “Điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai”, Luận văn gồm nội dung nghiên cứu sau: - Tìm hiểu phương pháp điều khiển trực tiếp momen - Đề xuất thay điều khiển PI cổ điển PI mờ lai Nó có ưu điểm đưa kinh nghiệm người thiết kế dạng ngôn ngữ - Mô hệ thống điều khiển đề xuất môi trường Matlab Simulink Kết thực cho thấy hệ thống làm việc tin cậy, đảm bảo độ xác thay đởi động thông số Kp Ki điều khiển PI mờ lai làm đáp ứng tốc độ động tốt so với điều khiển PI thông thường Như vậy, kết mô phương pháp đề xuất dùng điều khiển PI mờ lai cho đáp ứng tốt, cải thiện đáp ứng dùng điều khiển PI thông thường nêu phần đầu luận văn 6.2 HẠN CHẾ Mặc dù có nhiều cố gắng với giúp đỡ quý Thầy Cô bạn học viên, song điều kiện thời gian không cho phép nên nội dung đề tài nghiên cứu cịn nhiều thiếu sót hạn chế Trong luận văn, việc đề xuất phương pháp điều khiển PI mờ lai cho việc điều khiển tốc độ động không đồng pha đóng góp cải tiến đáng kể cho điều khiển PI thông thường, song việc xây dựng điều khiển PI mờ lai số hạn chế việc xây dựng hàm liên thuộc luật điều khiển chưa phong phú, chưa đưa nhiều kinh nghiệm cho luật suy diễn để điều khiển tốc độ động không đồng pha Chưa xây dựng mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng kết mô khảo sát đáp ứng hệ thống thời gian thực 78 6.3 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trong tương lai, đề tài phát triển theo hướng sau: - Triển khai thực nghiệm - Kết hợp biến tần ma trận phương pháp DTC điều khiển động - Thay so sánh trễ bảng đóng cắt điều khiển mờ - Sử dụng ước tính từ thơng phức tạp để cải tiến đặc tính vận tốc thấp - Cần có nghiên cứu sâu để tìm mơ hình máy thỏa mãn u cầu thực tế, thay đổi điện trở cuộn dây stator trình hoạt động, để kết từ việc mơ mang tính thực tiễn cao 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thị Phương Hà (2009) Lý thuyết điều khiển đại NXB ĐHQG TpHCM [2] Huỳnh Thái Hồng (2006) Hệ thống điều khiển thơng minh NXB ĐHQG TpHCM [3] Nguyễn Doãn Phước (2005) Lý thuyết điều khiển tự động NXB Khoa học Kỹ thuật [4] Nguyễn Phùng Quang (2002) Truyền động điện thông minh NXB Khoa học Kỹ thuật [5] Nguyễn Phùng Quang (2008) Matlab Simulink Dành Cho Kỹ Sư Điều Khiển Tự Động NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [6] Nguyễn Đức Thành (2011) Matlab ứng dụng điều khiển NXB ĐHQG tpHCM [7] Nguyễn Văn Nhờ (2012) Điện tử công suất NXB ĐHQG tpHCM [8] Andrzej M & Trzynadlowsky (2002).Control of Induction Motors Academic Press [9] Soufien Gdaim, Abdellatif Mtibaa, Mohamed Faouzi Mimouni [2010] “Direct Torque Control of Induction Machine based on Intelligent Techniques” International Journal of Computer Applications (0975 – 8887), Volume 10– No.8, November 2010 [10] Pradeep Chatterjee, B.M Karan, P.K Sinha [2007] “Fuzzy Control of Induction Motor with Reduced Rule Base” SERBIAN JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING, Vol 4, No 2, November 2007, 147-159 80 [11] Brahim GASBAOUI, Chaker ABDELKADER, Adellah LAOUFI and Boumediène ALLOUA [2010] “Adaptive Fuzzy PI of Double Wheeled Electric Vehicle Drive Controlled by Direct Torque Control” Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies ISSN 1583-1078, Issue 17, July-December 2010 p 27-46 [12] Pundaleek B H, Manish G Rathi, Vijay Kumar M G [2010] “Speed Control of Induction Motor: Fuzzy Logic Controller v/s PI Controller” IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.10 No.10, October 2010 [13] Turki Y Abdalla, Haroution Antranik Hairik, Adel M Dakhil [2010] “Direct Torque Control System for a Three Phase Induction Motor with Fuzzy Logic Based Speed Controller” Iraq J Electrical and Electronic Engineering, Vol.6 No.2, 2010 [14] Technical Guide No 1- Direct Torque Control –the world’s most advanced AC drive technology.ABB driver, 6.6.2011 ... MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB PHA THEO PHƯƠNG PHÁP DTC 64 4.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ 64 4.2 MÔ HÌNH MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB PHA THEO PHƯƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ PI MỜ LAI ... 4.2.1 Bộ điều khiển PI mờ lai .67 4.2.2 Mơ hình mơ điều khiển động KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai .72 4.2 .3 Mô hình mơ điều khiển động KĐB pha theo phương. .. Mơ hình điều khiển ĐC KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI mờ lai .72 13 Hình 4.14: Mơ hình điều khiển ĐC KĐB pha theo phương pháp DTC dùng điều khiển PI thường