Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng phương pháp trượt mờ

Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BAÙCH KHOA TRƯƠNG CÔNG ĐÍNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG PHƯƠNG PHÁP TRƯT MỜ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ NGÀNH: 2.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2003 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Tiến só DƯƠNG HOÀI NGHĨA Cán chấm nhận xét 1: ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Tp Hồ Chí Minh Ngày……….tháng ……… năm 2003 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày tháng 08 năm 2003 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tiến só DƯƠNG HOÀI NGHĨA Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trương Công Đính Ngày tháng năm sinh: 12-12-1974 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện I- TÊN ĐỀ TÀI: Phái: Nam Nơi sinh: Đắklắk ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG PHƯƠNG PHÁP TRƯT MỜ II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phương pháp trượt dùng để điều khiển động không đồng (Sliding mode control) - Nghiên cứu phương pháp ước lượng từ thông rotor dùng phương pháp trượt - Ứng dụng logic mờ vào hệ thống điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt(Fuzzy of Sliding mode control) - Ứng dụng logic mờ vào ước lượng từ thông rotor dùng phương pháp trượt - Mô điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt mờ III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/2/2003 - IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/07/2003 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến Só DƯƠNG HOÀI NGHĨA VI- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… VII- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ NHẬN XÉT CÁN BỘ NHẬN XÉT Ts DƯƠNG HOÀI NGHĨA Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày tháng năm 2003 TRƯỞNG PHÒNG QLKH-SĐH CHỦ NHIỆM NGÀNH NGUYỄN HỮU PHÚC LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn giúp đỡ Trường Đại Học Bách Khoa, phòng quản lý sau Đại học hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành tập luận văn Tôi xin cảm ơn toàn thể quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa, Thầy Cô giảng dạy năm học qua, đặc biệt: Thầy Ts Dương Hoài Nghóa nhiệt tình hướng dẫn để hoàn thành luận văn Xin kính chúc sức khoẻ chân thành cảm ơn đến tất Thầy Cô GIỚI THIỆU Động không đồng máy điện quay dùng phổ biến thực tế yếu tố sau: - Giá thành rẻ Kết cấu đơn giản Độ tin cậy cao Ở phần quay yêu cầu cách điện làm việc môi trường có hoạt tính cao nước… Tuy nhiên, việc điều khiển động phức tạp vì: - Mô hình phi tuyến, khó xác định luật điều khiển - Giá thành điều khiển cao Gần phát triển nhanh chóng ngành điện tử công suất, kỷ thuật vi xử ly xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) cho phép giải toán điều khiển phức tạp với giá thành hợp lý Vấn đề điều khiển động không đồng nhiều người nghiên cứu [1, 2, 3, 4, 7, 8] Luận án nghiên cứu: • Ứùng dụng phương pháp trượt(Sliding mode control) để điều khiển động không đồng • Ứùng dụng phương pháp trượt ước lượng từ thông rotor động không đồng Bộ ước lượng trượt sử dụng để thay cảm biến từ thông rotor • Ứùng dụng logic mờ vào hệ thống điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt(Fuzzy of Sliding mode control) • Đề xuất thay khâu hàm dấu điều khiển trượt khâu xử lý mờ nhằm loại bỏ tính không liên tục luật điều khiển • Nghiên cứu ứng dụng logic mờ vào ước lượng từ thông rotor dùng phương pháp trượt • Đề xuất thay khâu hàm dấu ước lượng từ thông rotor, khâu xử lý mờ nhằm loại bỏ tính không liên tục ước lượng từ thông • Mô điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt • Mô điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt mờ Kết mô cho thấy:Bộ điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt mờ có chất lượng danh định cao bền vững với biến động điện trở, điện cảm moment quán tính động So với điều khiển trượt, điều khiển trượt mờ có chất lượng danh định cao bền vững nhờ loại bỏ yếu tố không liên tục điều khiển ước lượng từ thông rotor Thuyết minh luận án: Gồm phần giới thiệu, 04 chương nội dung, kết luận, tài liệu tham khảo SUMMARIZATION FUZZY SLIDING-MODE OBSERVER AND CONTROL OF INDUCTION MOTER In this thesis we study the application of sliding mode approach to the flux estimation and the control of induction motor Base on the sliding mode schema, we develop a fuzzy sliding mode method for the flux estimation and the control of induction motor Simulation results show that the proposed method has good nominal performance and robust against changes of the resistances, the inductances and the inertia of the motor LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: TRƯƠNG CÔNG ĐÍNH Ngày, tháng, năm sinh 12-12-1974 Nơi sinh: Đắk lắk Địa liên lạc: 46/8 Liên Phường , Hiệp Bình Chánh , Thủ Đức , Tp HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - ĐẠI HỌC: Chế độ học: Chính quy, Thời gian học: Từ 01/09/1992 đến 11/01/1997, Nơi học: Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, Ngành học: Kỹ Thuật Điện, Tên Luận Án: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THANG MÁY DÙNG KỶ THUẬT SỐ Ngày bảo vệ Luận Án: 1997, Nơi bảo vệ Luận Án: Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, Cán hướng dẫn: Thầy - SAU ĐẠI HỌC: Chế độ học: Chính quy, Thời gian học: Từ 01/09/2003 đến Nơi học: Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, Ngành học: Kỹ Thuật Điện, Tên Luận Án: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG PHƯƠNG PHÁP TRƯT MỜ Ngày bảo vệ Luận Án: Nơi bảo vệ Luận Án: Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, Cán hướng dẫn: Thầy Tiến só DƯƠNG HOÀI NGHĨA QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC Từ 1997 đến 1998 công tác :Trung tâm công nghệ công nghiệp tự động hoá Từ 1998 đến 2002 công tác : Công ty công nghiêp TÂN Á Từ 2002 đến nay: công tác Khoa Điện – Trường Cao Đẳng Công Nghiệp MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU Trang Chương I: Mô hình động không đồng hệ tọa độ tỉnh α β 1.1 Hệ phương trình động không đồng 1.2 Hệ phương trình hệ toạ độ cố định stator (hệ toạ độ α , β ) 1.3 Xây dựng mô hình động hệ tọa độ stator Matlab 1-1 1-2 1-5 1-11 Chương II: Điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt 2.1 Nguyên lý điều khiển trượt 2.2 Định nghóa mặt trượt 2.3 Xác định luật điều khiển 2-1 2-2 2-4 2-5 2.4 Chứng minh 2-10 2.5 Xây dựng mô hình mặt trượt Matlab 2.6 Kết mô 2.6.1 Đáp ứng danh định 2.6.2 Tính bền vững Rs ,Rr 2.6.3 Tính bền vững Ls ,Lr,Lm 2.6.3 Tính bền vững J 2-12 2-15 2-15 2-17 2-18 2-19 Chương III: Ước lượng từ thông rotor dùng phương pháp trượt 3.1 Bộ ước lượng từ thông động không đồng 3.2 Định nghóa mặt trượt 3-1 3-2 3-3 3.3 Xác định thừa số hiệu chỉnh 3-4 3.3.1 Định nghóa hàm Lyapunov 3.3.2 Chọn thừa số hiệu chỉnh Λ , Λ 3.3.3 Chọn thừa số hiệu chỉnh Λ , Λ 3.4 Mô ước lượng từ thông rotor matlab 3.5 Kết mô 3.5.1 Đáp ứng danh định 3.5.2 Tính bền vững Rs ,Rr 3.5.3 Tính bền vững Ls ,Lr,Lm 3.5.4 Tính bền vững J 3-4 3-5 3-8 3-11 3-14 3-14 3-16 3-17 3-19 10 Chương IV điều khiển trượt mờ Hình 4.14 : Hàm liên thuộc biến đầu S Z P,N μ : biến trạng thái đầu vào : biến trạng thái đầu : biến mờ : hàm liên thuộc định nghóa nhö sau: μ P (S ) = e ⎛ S −100 ⎞ ⎟⎟ −⎜⎜ ⎝ δ1 ⎠ μ N (S ) = e ⎛ S +100 ⎞ ⎟⎟ −⎜⎜ ⎝ δ1 ⎠ μ P (Z ) = e μ N (Z ) = e ⎛ Z −40 ⎞ ⎟⎟ −⎜⎜ ⎝ δ2 ⎠ ⎛ Z + 40 ⎞ ⎟⎟ − ⎜⎜ ⎝ δ2 ⎠ 2 với δ1 = 100 δ2 = 40 ln ln 2-Luaät hợp thành If S1 is positive then Z1 is positive If S1 is Negative then Z1 is Negative If S2 is positive then Z2 is positive If S2 is Negative then Z2 is Negative 4-14 Chương IV điều khiển trượt mờ 4.7.2 Ước lượng từ thông rotor động không đồng phương pháp trượt mơ.ø Trong ước lượng thừa số hiệu chỉnh ∧ IS xác định theo (3.7) Trong xuất hàm Sign(Si) trị ước lượng thay đổi đột ngột Si đổi dấu Hình 4.15: Truyền đạt hàm dấu sign(s) với khâu sử dụng mờ Để cải thiện vấn đề nêu Ta thay khâu relay hai vị trí khâu xử lý mờ Để ước lượng trượt mờ có đáp ứng tốt (đường đặc tính liên tục) giá trị mờ đầu vào phải có miền xác định chồng Thiết bị hợp thành ước lượng trượt mờ có biến đầu vào S biến đầu ký hiệu Z Hàm liên thuộc biến đầu vào xác định sau: Hình 4.16 : Hàm huộc biến đầu S biến trạng thái đầu vào Z biến trạng thái đầu 4-15 Chương IV điều khiển trượt mờ P, N biến mờ μ hàm liên thuộc định nghóa sau: μ P (S ) = e μ N (S ) = e ⎛ S −10 ⎞ ⎟⎟ −⎜⎜ ⎝ δ3 ⎠ ⎛ S +10 ⎞ ⎟⎟ −⎜⎜ ⎝ δ3 ⎠ μ P (Z ) = e 2 ⎛ Z −5 ⎞ ⎟⎟ −⎜⎜ ⎝ δ4 ⎠ ⎛ Z +5 ⎞ ⎟⎟ −⎜⎜ ⎝ δ4 ⎠ μ N (Z ) = e với δ3 = δ4 = 10 ln ln 2-Luật hợp thành If If If If S3 S1 S4 S4 is positive then is Negative then is positive then is Negative then Z3 Z3 Z4 Z4 is positive is Negative is positive is Negative 4-16 Chương IV điều khiển trượt mờ 4.8 :XÂY DỰNG MÔ HÌNH ƯỚC LƯNG TỪ THÔNG ROTOR DÙNG PHƯƠNG PHÁP TRƯT BẰNG MATLAB Hình 4.17 : Sơ đồ khối điều khiển trượt mờ Hình4.18: Sơ đồ liên kết khối điều khiển trượt mờ 4-17 Chương IV điều khiển trượt mờ Hình 4.19 : Sơ đồ khối tính toán biến UA ,UB B Hình 4.20 : mô hình liên kết khối ứơc lượng trượt mờ 4-18 Chương IV điều khiển trượt mờ Hình 4.21: Khối tính toán thừa số hiệu chỉnh theo phương pháp trượt mờ 4-19 Chương IV điều khiển trượt mờ 4.9: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Thông số động không đồng cho [3] Điện trở stator: Rs = 20.13(Ω) Điện trở rotor: Rr = 13(Ω) Điện cảm stator: Ls = 1.05 (H) Điện cảm rotor: Lr = 1.33 (H) Hệ số hỗ cảm: Lm = 0.957 (H) Số đôi cực: p = Công suất: P = 0.37 (KW) Moment quán tính: J = 0.0005 (kgm2) Moment tải: ML = (Nm) Từ thông đặt: φref = Wb 4.9.1 Đáp ứng danh định Hình 4.22 4-20 Chương IV điều khiển trượt mờ Hình 4.23 Nhận xét : Trong mô ta chọn: Tω = 0.01s , Tφ = 0.01s , ωref = 500rad/s Ta thấy hệ thống điều khiển trượt mờ có chất lượng danh định tốt: • Thời gian đáp ứng tốc độ từ thông nhanh khoảng 0.03s • Quá trình độ tốc độ từ thông dao động , vọt lố • Sai số xác lập bước nhảy đơn vị không So với hình 3.10 ta thấy chất lượng danh định điều khiển trượt mờ tốt điều khiển trượt: - Đáp ứng nhanh - Không có sai số từ thông Ta thấy mặt trượt dao động với biên độ nhỏ quanh điểm không 4-21 Chương IV điều khiển trượt mờ 4.9.2 Tính bền vững Rs ,Rr Ở mô này, điện trở Rs , Rr động tăng lên 10% so với giá trị danh định Các thông số tương ứng điều khiển vẩn giữ giá trị danh định Hình 4.24 Hình 4.25 4-22 Chương IV điều khiển trượt mờ Nhận xét: Hệ thống điều khiển có tính bền vững cao biến động Rs , Rr : • đáp ứng tốc độ từ thông thay đổi không đáng kể so với đáp ứng danh định (hình 4.22) • Dòng điện điện áp không thay đổi so với đáp ứng danh định (hình 4.23) • Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ quanh điểm không (hình 4.25) So với điều khiển trượt Ta thấy điều khiển trượt mờ có tính bền vững cao 4.9.3 Tính bền vững Ls ,Lr,Lm Ở mô này,điện cảm Ls,Lr ,Lm động tăng lên 10% Trong điều khiển thiết kế với giá trị danh định Ls,Lr,Lm Hình 4.26 4-23 Chương IV điều khiển trượt mờ Hình 4.27 Hình 4.28 Nhận xét: Hệ thống điều khiển có tính bền vững cao biến động Ls,Lr,Lm • đáp ứng tốc độ từ thông thay đổi không đáng kể so với đáp ứng danh định (hình 4.22) • Dòng điện điện áp không thay đổi so với đáp ứng danh định (hình 2.23) • Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ quanh điểm không (hình 4.28) So với điều khiển trượt Ta thấy điều khiển trượt mờ có tính bền vững cao biến động Ls,Lr,Lm 4-24 Chương IV điều khiển trượt mờ 4.9.4 Tính bền vững J Ở mô này,moment quán tính J động tăng lên 10% Trong điều khiển thiết kế với giá trị danh định J Kết mô cho hình 4.29 , 4.30 , 4.31 Hình 4.29 Hình 4.30 4-25 Chương IV điều khiển trượt mờ Hình 4.31 Nhận xét: Hệ thống điều khiển có tính bền vững cao biến động J • đáp ứng tốc độ từ thông thay đổi không đáng kể so với đáp ứng danh định (hình4.22) • Dòng điện điện áp không thay đổi so với đáp ứng danh định (hình 4.23) Các mặt trượt dao động với biên độ nhỏ quanh điểm không(hình 4.31) So với điều khiển trượt Ta thấy điều khiển trượt mờ có tính bền vững cao biến động J 4-26 Chương IV điều khiển trượt mờ TÀI LIỆU THAM KHAÛO: 1- H Jang Shich and Kuo-Kai Shyu Nonlinear Sliding –Mode Torque Control with Adaptive Backstepping Approach for induction Motor Drive IEEE Transactions on industrial electronics Vol 46 No2 April 1999 2- J.C.Wu, T.S Liu A Sliding-Mode Approach To Fuzzy Control Design IEEE Transactions on control systems technology Vol No2 March 1996 3- A Benchaib, E Audrezet, M Tadjine Real time Sliding – Mode Observer and Control of an induction Motor IEEE Transactions on industrial electronics Vol 46 No1 February 1999 4- J C wu and T S Liu, Member, IEEE A Sliding-Mode Approach to Fuzzy control Design IEEE Transactions on control systems technology Vol No2 March 1996 5- Fumio Harashima, H Hashimoto and S Kondo Mosfet converter-fed Position servo system with Sliding mode contol Institute of industrial Science, University of Tokyo 6- K Kubo, M Watanabe, T Ohmae and K Kamiyama Sofware-Based Speed Regulator for Motor Drives International Power Electronic conference Record, Tokyo, 1983 7- P C Sen, J.c> Trezise and M Sack Microprocessor control of an Induction Motor with Flux Regulation Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumemtation February 1981 8- Tiến só Nguyễn Phùng Quang Điều khiển tự động truyền động điệnxoay chiều pha NXB Giáo dục 1996 9- Tiến sỹ nguyễn văn nhờ Điện tử công suất Tài liệu cao học ngành kỷ thuật điện 4-27 Chương IV điều khiển trượt mờ 10- A.V Ivanov Smolenski (Vũ Gia Hanh – Phan Tử Thụ biên dịch) Máy điện NXB Khoa học Kỷ thuật Hà Nội 1993 11- Li-Xin Wang A course in fuzzy systems and control Prentice-Hall International, Inc 12- Hassan K Khalil Nonlinear systems Prentice-Hall International, Inc 13-Timothy J Ross Fuzzy logic with engineering applications McGraw-Hill, Inc 14-A Ivanov-Smolensky Electrical machines Mir Publishers Moscow 15- Binal K, Bose Microcomputer control of power electronic and drives The institute of electrical and electronics Engineers, Inc New york 16- M G Tsilikin; M M Xocolov; V M Terekhov; A V.Sinianxki Cơ sở truyền động điện tự động Nhà xuất khoa học kỷ thuật Hà Nội, 1997 17- Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễu, Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện Nhà xuất khoa học kỷ thuật Hà Nội 1996 18- F Nekoogar, G Moriarty Digital control Prentice-Hall International, Inc 19- G F Franklin, J D Powell, M L Workman Digital control of Dynamic systems Addison-Wesley Publishing Company, New York 1990 4-28 ... điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt • Mô điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt mờ Kết mô cho thấy :Bộ điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt mờ có chất lượng... lượng từ thông • Mô điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt • Mô điều khiển động không đồng dùng phương pháp trượt mờ • Kết mô cho thấy: • Bộ điểu khiển trượt mờ có chất lượng danh... logic mờ 4.7 Ứùng dụng lý thuyết mờ vào điều khiển động không đồng theo phương pháp trượt 4.7.1 -Điều khiển động không đồng phương pháp trượt mơ 4.7.2-Ước lượng từ thông rotor động không đồng phương