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 - ĐỒN NGỌC QUANG CHUẨN ĐỐN LỖI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG SỬ DỤNG CHỔI THAN SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐỒN NGỌC QUANG CHUẨN ĐỐN LỖI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG SỬ DỤNG CHỔI THAN SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN LÊ HÒA Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ khoa học “Chuẩn đoán lỗi cho động điện chiều không sử dụng chổi than sử dụng quan sát Luenberger” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Những số liệu sử dụng luận văn trung thực rõ nguồn trích dẫn Kết nghiên cứu chưa công bố cơng trình nghiên cứu từ trước đến Đà Nẵng, ngày 31 tháng 12 năm 2018 Tác giả luận văn Đoàn Ngọc Quang i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Điều khiển Tự động hóa với đề tài “Chuẩn đốn lỗi cho động điện chiều không sử dụng chổi than sử dụng quan sát Luenberger” kết trình cố gắng khơng ngừng thân giúp đỡ, động viên khích lệ thầy, bạn bè đồng nghiệp người thân Qua trang viết này, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới người giúp đỡ thời gian học tập – nghiên cứu khoa học thời gian vừa qua Tôi xin tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc thầy TS Nguyễn Lê Hòa, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng, dành nhiều thời gian trực tiếp tận tình hướng dẫn giới thiệu tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn Tôi vô cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Khoa Điện Bộ mơn Tự động hóa tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học Tơi xin chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp, bạn bè giúp đỡ tơi q trình thực Luận văn Cuối xin chân thành cảm ơn thành viên gia đình cho tơi động lực thời gian để hoàn thiện Luận văn kế hoạch./ Tác giả Đoàn Ngọc Quang ii MỤC LỤC MỤC LỤC .ii TÓM TẮT iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN LỖI 1.1 Lỗi chẩn đoán lỗi 1.2 Một số phương pháp phát chẩn đoán lỗi 1.2.1 Phát lỗi phần cứng dự phòng (redundancy hardware) 1.2.2 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 phát lỗi dựa vào mơ hình (model based) 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG ĐỘNG CƠ BLDC 17 2.1 Giới thiệu tổng quan động chiều không chổi than BLDC 17 2.1.1 Cấu tạo-nguyên lý hoạt động 17 2.1.2 Đánh giá ưu nhược điểm 24 2.1.3 Một số lĩnh vực ứng dụng động BLDC 25 2.2 Các lỗi động BLDC phương pháp chẩn đoán lỗi 26 2.2.1 Các lỗi động BLDC 26 2.2.2 Một số phương pháp chẩn đoán cho động điện BLDC 30 CHƯƠNG ỨNG DỤNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER TRONG CHẨN ĐOÁN LỖI CẢM BIẾN ĐỘNG CƠ BLDC 33 3.1 Mơ hình tốn học động chiều không chổi than BLDC 33 3.1.1 Mô hình tốn học động DC 33 3.1.2 Mơ hình tốn học động BLDC 35 3.1.3 Mơ hình khơng gian trạng thái động BLDC 36 3.2 Bộ quan sát Luenberger 37 3.2.1 Bộ quan sát ước lượng vòng hở: 38 3.2.2 Bộ quan sát Luenberger 38 iii 3.3 Ứng dụng quan sát Luenberger để phát lỗi động BLDC 40 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 45 4.1 Mô động BLDC 45 4.2 Mô quan sát Luenberger cho động BLDC phát lỗi cảm biến tốc độ động 46 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 iv TĨM TẮT CHUẨN ĐỐN LỖI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG SỬ DỤNG CHỔI THAN SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER Học viên: Đoàn Ngọc Quang Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Phát chẩn đốn lỗi (FDD) có vai trò quan trọng cho hệ thống kỹ thuật ứng dụng công nghiệp Một phương pháp phổ biến Phát Chẩn đoán lỗi dựa vào mơ hình Gần đây, nhiều kỹ thuật chẩn đốn giới thiệu lĩnh vực chẩn đoán lỗi Động điện chiều không chổi than (BLDC) một thành phần hệ thống kỹ thuật ứng dụng điện tử robot Luận văn giới thiệu phương pháp chẩn đoán lỗi thời gian thực cho cảm biến theo phương pháp chẩn đốn dựa vào mơ hình sử dụng quan sát Luenberger áp dụng cho động chiều không chổi than BLDC Các loại lỗi khác động mô hệ thống chẩn đoán hoạt động để phát lỗi Kết thí nghiệm cho thấy khả phát thời gian độ lớn lỗi cảm biến Từ khóa – quan sát Luenberger; phát chẩn đoán lỗi; động BLDC; chẩn đoán lỗi dựa vào mơ hình; lỗi cảm biến FAULT DETECTION FOR BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTOR USING LUENBERGER OBSERVER Abstract - Fault detection and diagnosis (FDD) are very important for engineering systems in industrial applications One of the most popular approaches is model-based fault detection Recently, many techniques have been proposed in the FDD area Brushless Direct Current (BLDC) motor is a main integrated part for engineering systems in several mechatronics and robotics applications This thesis presents online sensor FDD based on the model-based approach using a Luenberger observer and experimental application on a permanent magnet BLDC motor Di erent kinds of faults are simulated on the motor and experiments are performed to detect the faults The experimental results demonstrate the ability of the proposed approach to detect the time and size of the sensor faults Key words – Luenberger observer; fault detection and diagnosis ; BLDC motor; model based; sensor fault v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT ARMA ASME TIẾNG ANH AutoRegressive–MovingAverage American Society of TIẾNG VIỆT Mơ hình tự hồi quy bình quân dịch chuyển Hiệp hội kỹ sư Cơ khí Hoa kỳ Mechanical Engineers BLDC Brushless Direct Current Động chiều không chổi than DC Direct Current Dòng điện chiều FD Fault Diagnostics Chẩn đoán lỗi FDD Fault Detection & Diagnostics Phát Chẩn đoán lỗi FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh MIMO Multi Input Multi Output Hệ nhiều đầu vào, nhiều đầu MIT Massachusetts Institute of Viện công nghệ Massachusetts Technology National Aeronautics and Cơ quan Hàng không Không Space Administration gian Hoa Kỳ SIMO Single Input, Multi Output Hệ đầu vào, nhiều đầu SISO Single Input, Single Output Hệ đầu vào, đầu NASA vi DANH MỤC BẢNG BIỂU BẢNG NỘI DUNG TRANG Bảng 1.1 Phát lỗi quan sát 16 Bảng 2.1 Trạng thái cảm biến vị trí, chuyển mạch 25 Bảng 2.2 So sánh động BLDC động chiều DC 28 Bảng 2.3 Tổng hợp phương pháp chẩn đoán lỗi cho động điện 34 Bảng 3.1 Thông số động BLDC hãng MAXON 48 vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ HÌNH NỘI DUNG TRANG Hình 1.1 Mơ hình đối tượng chẩn đốn lỗi Hình 1.2 Phương pháp so sánh phần cứng Hình 1.3 Sơ đồ chẩn đốn lỗi dựa vào tín hiệu Hình 1.4 Kiểm tra giới hạn Hình 1.5 Phương pháp chẩn đốn lỗi dựa vào kiểm tra phù hợp Hình 1.6 Phát lỗi với mơ hình tín hiệu Hình 1.7 Các phương pháp phân tích tín hiệu để phát lỗi dựa vào mơ hình tín hiệu 10 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống chẩn đoán lỗi dựa vào mơ hình 10 Hình 1.9 So sánh ngưỡng tín hiệu 11 Hình 1.10 Phát chẩn đốn lỗi dựa vào mơ hình 11 Hình 1.11 a) Hệ SISO; b) Hệ SISO có đo lường trung gian; c) Hệ SIMO; d) Hệ MIMO 12 Hình 1.12 Phân loại lỗi theo thời gian 12 Hình 1.13 Mơ hình lỗi: a) lỗi cộng; b) lỗi nhân 13 Hình 1.14 Phát lỗi với kỹ thuật ước lượng tham số 14 Hình 1.15 Bộ lọc Kalman 16 Hình 2.1 Động DC có chổi than Cơ cấu chổi than-cổ góp 17 Hình 2.2 Cấu tao động BLDC 18 Hình 2.3 Stator động BLDC 18 Hình 2.4 Dạng sóng sức điện động 19 Hình 2.5 Cấu tạo Rotor 19 Hình 2.6 Các dạng Rotor theo cách bố trí nam châm 20 Hình 2.7 Cảm biến vị trí quang học 20 Hình 2.8 Cảm biến Hall 21 Hình 2.9 Chuyển mạch với cơng tắc điện tử 21 Hình 2.10 Thứ tự chuyển mạch cuộn dây stator 22 52 Hình 4.15: Đáp ứng tốc độ động mơ hình (Lỗi tiến triển) Hình 4.16: Sai lệch thặng dư (Lỗi tiến triển) Hình 4.17: Báo động 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 ngồi 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 53 Đánh giá kết Thí nghiệm mô ứng dụng quan sát Luenberger chẩn đoán lỗi cho động BLDC áp dụng lý thuyết chẩn đoán lỗi vào thực tế Với ma trận L chọn, quan sát thiết kế có đáp ứng tương đối sát với đáp ứng đối tượng thật động BLDC Bộ chẩn đoán tạo tín hiệu chẩn đốn từ việc so sánh độ sai lệch đối tượng thật mô hình chẩn đốn Từ tín hiệu chẩn đốn, ta sử dụng để đánh giá lỗi xảy Kết chẩn đốn cho thấy hồn tồn dùng quan sát Luenberger để phát chẩn đoán lỗi cảm biến tốc độ động BLDC 54 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 địi 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 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 cịn khó khăn, nên dừng lại nội dung trình bày 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] Nguyễn Phùng Quang, Matlab dành cho kỹ sư tự động, NXB KH-KT, Hà Nội, 2004 Nguyễn Văn Nghĩa, Ứng dụng mạng Nơron chẩn đốn tình trạng kỹ thuật động điện kéo đầu máy, 2012 Akansha Kaushal, Nirbhay Thakur, Rameshwar Singh, Design and Analysis of Parameters in Brushless DC Motor with and without Fuzzy Logic Controller, 2015 Alkan ALKAYA, Mersin University, Turkey, Luenberger observer-based sensor fault detection: online application to DC motor, 2014 Balaban, E., Saxena, A., Bansal, P., Goebel, K.F., and Curran, S (2009) Modeling, detection, and disambiguation of sensor faults for aerospace applications IEEE Sensors Journal, 9(12), pp.1907- 1917 Carl Svärd, Residual Generation Methods for Fault Diagnosis with Automotive Applications, LiU-Tryck, Linköping, Sweden 2009 C.Bianchini, E.Fornasiero, T.N.Matzen, et al (2008) Fault detection of a fivephase permanent-magnet machine [C] Industrial Electronics, 2008 IECON 2008 34th Annual Conference of IEEE: 1200-1205 Eirik Haustveit, Norwegian University of Science and Technology, Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Machines, 2016 H Torkaman and E Afjei, “Magnetostatic field analysis and diagnosis of mixed eccentricity fault in switched reluctance motor,” Electromagnetics, vol 31, no 5, pp 368–383, 2011 J A Haylock, B C Mecrow, A G Jack, and D J Atkinson, "Operation of Fault Tolerant Machines with Winding Failures," IEEE Trans Energy Comers., vol 14, no 4, pp.1490-1495, 1999 Lootsma, T F Observer-based Fault Detection and Isolation for Nonlinear Systems Aalborg: Institut for Elektroniske Systemer, Aalborg Universitet, 2001 Louiza Sellami, Department of Electrical and Computer Engineering, Simulink Model of a Full State Observer for a DC Motor Position, Speed, and Current Neethu S, Sreelekha V, Open Phase Fault Tolerant Control of BLDC Motors, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering (An ISO 3297: 2007 Certified Organization) Vol 2, Special Issue 1, December 2013 Nyberg, Mattias, Model Based Fault Diagnosis: Methods, Theory, and Automotive Engine Applications PhD thesis Linkăoping University, 1999 56 [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] Oludayo John Oguntoyinbo, PID control of brushless DC motor and robot trajectory planning and simulation with Matlab Simulink, 2009 Padmakumar S, Vivek Agarwal Kallol Roy, A Comparative Study into Observer based Fault Detection and Diagnosis in DC Motors: Part-I International Journal of Electrical and Computer Engineering Vol:3, No:3, 2009 Rolf Isermann, Fault-Diagnosis Systems: An Introduction from Fault Detection to Fault Tolerance Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 Rolf Isermann, Fault-Diagnosis Applications, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 SangHun Lee, HongSeuk Oh, Hall Sensor Output Signal Fault-Detection & Safety Implementation Logic, MATEC Web of Conferences DOI:10.1051/ 5, 01007, 2016 Satish Rajagopalan, Georgia Institute of Technology, Detection of rotor and load faults in brushless dc motors operating under stationary and nonstationary conditions, 2006 S Simani, fault diagnosis of dynamic systems using model-based and filter, 2006 Taehyung Kim, Hyung-Woo Lee Sangshin Kwak, The Internal Fault Analysis of Brushless DC Motors Based on the Winding Function Theory, 2009 Tashakori, A.; Ektesabi, M., Engineering Letters, Vol 22 Issue 3, pp.118-124, 2014 ... KHOA - ĐỒN NGỌC QUANG CHUẨN ĐỐN LỖI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG SỬ DỤNG CHỔI THAN SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 8520216 LUẬN... đoán lỗi cho động điện chiều không sử dụng chổi than sử dụng quan sát Luenberger? ?? Mục đích nghiên cứu: Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả thiết kế mơ hình quan sát Luenberger để phát lỗi cho. .. luận văn thạc sĩ khoa học ? ?Chuẩn đoán lỗi cho động điện chiều không sử dụng chổi than sử dụng quan sát Luenberger? ?? công trình nghiên cứu riêng tơi Những số liệu sử dụng luận văn trung thực rõ