Kết quả mô phỏng cho thấy các điện trở được ước lượng bằng mạng nơron với tốc độ học là hàm thích nghi được đề xuất có sai số nhỏ so với điện trở roto và stato thực, nâng cao chất lượn[r]
(1)Số 17 39 THUẬT TOÁN HỌC NƠRON SỬA ĐỔI ĐỂ ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ
ROTO VÀ STATO KHI ĐANG HOẠT ĐỘNG CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ
A MODIFIED NEURAL LEARNING ALGORITHM FOR ONLINE ESTIMATION OF ROTOR AND STATOR RESISTANCES IN SENSORLESS INDUCTION MOTOR DRIVES
Phạm Văn Tuấn, Phạm Hùng Phi, Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Thế Công
TrườngĐại học Bách Khoa Hà Nội
Ngày nhận bài: 5/10/2018, Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2018, Phản biện: TS Nguyễn Đăng Toản
Tóm tắt:
Ước lượng điện trở roto stato trình làm việc cần thiết hệ truyền động không cảm biến tốc độ động không đồng ba pha vùng tốc độ thấp Trong báo thuật toán nơron sửa đổi đề xuất để ước lượng điện trở roto stato trình làm việc Ở luật cập nhật mạng nơron có tốc độ học hàm thích nghi theo chu kỳ lấy mẫu, hàm thích nghi xác định mơ hình mờ Mamdani Kết mô cho thấy điện trở ước lượng mạng nơron với tốc độ học hàm thích nghi đề xuất có sai số nhỏ so với điện trở roto stato thực, nâng cao chất lượng hệ truyền động động khơng đồng khơng có cảm biến tốc độ
Từ khóa:
Mạng nơron nhân tạo, điều khiển mờ, ước lượng điện trở roto, ước lượng điện trở stato
Abstract:
Online estimation of rotor and stator resistance is essential for sensorless induction motor drives in the low speed region In this paper, a novel modified neural algorithm has been proposed for online estimation of the rotor and stator resistance Here the updated law of neural network with the learning rate is an adaptive function for each sampling cycle, and the adaptive function is determined by a Mamdani fuzzy model The simulation results showed that the rotor and stator resistance estimated by neural network with learning rate as the adaptive function with small error compared to the real rotor and stator resistance, improving the quality of the sensorless driver for induction motor
Key words:
Artificial Neural Network (ANN), Fuzzy Logic control (FLC), rotor resistance estimation, stator resistance estimation
Danh mục ký hiệu Ký
hiệu
Giải thích ký hiệu
vm rd
Từ thông roto dọc trục tính từ mơ hình điện áp, hệ tọa độ gắn với stato
Ký hiệu
Giải thích ký hiệu
vm rq
(2)40 Số 17 Ký
hiệu
Giải thích ký hiệu
s sd
Từ thông stato dọc trục, hệ tọa độ gắn với stato
s sq
Từ thông stato ngang trục, hệ tọa độ gắn với stato
im rd
Từ thông roto dọc trục tính từ mơ hình dịng điện, hệ tọa độ gắn với stato
im rq
Từ thông roto ngang trục tính từ mơ hình dịng điện, hệ tọa độ gắn với stato
sd
V Điện áp stato dọc trục, hệ tọa độ gắn với stato
sq
V Điện áp stato ngang trục, hệ tọa độ gắn với stato
sd
i Dòng điện stato dọc trục, hệ tọa độ gắn với stato
sq
i Dòng điện stato ngang trục, hệ tọa độ gắn với stato
1 MỞ ĐẦU
Hiện nghiên cứu truyền động không cảm biến tốc độ động không đồng ba pha roto lồng sóc thu hút nhiều quan tâm giới bởi: động lớn, trục động lớn, sử dụng cảm biến tốc độ khó khăn cho lắp đặt có sai số lớn đặc biệt vùng tốc độ thấp; giảm chi phí đáng kể cho hệ thống phần cứng đo lường tốc độ; với máy hệ truyền động điện làm việc môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, nhiều bụi…) sử dụng cảm biến tốc độ khơng thích hợp, dễ gây sai số, hỏng hóc [1]-[4] Do ước lượng xác tốc độ cải thiện đáng kể đáng kể chất lượng hệ truyền động không cảm biến tốc độ với thuật toán điều khiển động không đồng (Indirect Field Oriented Control/
(3)Số 17 41
những nghiên cứu đề cập [22], [23] dựa quan sát Luenberger; điều khiển mờ [24], [25]; MRAS [26], [27] sử dụng mạng nơron hồi quy với tốc độ học số [7] Cấu trúc báo gồm phần chính: phần trình bày tổng quan số phương pháp nhận dạng điện trở roto stato thực hiện: phần trình bày ước lượng điện trở roto với mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp với tốc độ học hàm thích nghi; ước lượng điện trở stato với mạng nơron hồi quy có tốc độ học cập nhật theo hàm thích nghi trình bày phần 3; kết mơ trình bày phần
2 ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ ROTO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO
Theo [7] [21], dựa vào mơ hình tham chiếu (mơ hình điện áp) động khơng đồng bộ, ta có từ thơng roto:
vm r '
rd sd s sd s sd
m
vm r '
rq sq s sq s sq
m L
= V - R i dt - L i L
L
= V - R i dt - L i L (1)
Từ thơng stato tính sau:
s
sd sd s sd s
sq sq s sq V R i dt V R i dt
(2)
Do điện áp chiều cấp cho nghịch lưu bị nhấp nhô, qua khâu tích phân (2) làm cho từ thơng stato bị cộng dồn sai số Do để loại bỏ sai số cộng dồn tính tốn từ thơng stato, sử dụng lọc
thơng thấp nhiều cấp trình bày [28] Thay phương trình (2) vào (1) rời rạc hóa hệ phương trình (1) ta có:
d
1
1
vm r s '
rd sd s s
m
vm r s '
rq sq s sq
m
L
(k)= (k ) L i (k ) L
L
(k)= (k ) L i (k ) L (3)
Mặt khác, phương trình mơ tả từ thơng roto theo mơ hình thích nghi (mơ hình dịng điện) có dạng sau:
d d d (1/ ) (1/ )
im im im
r r m sd r r r rq
im im im
rq r m sq rq r r r
T L i T dt
T L i T dt
(4)
Rời rạc hóa hệ phương trình (4) qua số bước biến đổi ta có:
d d
3
1 d
3
1
1
1
1
im im im
r r rq
sd
im im im
rq rq r
sq
k W k W k
W i k
k W k W k
W i k
(5)
Hàm bình phương sai số từ thơng viết sau:
2
2
1
(k) (k) (k)
2
vm im
r r
E (6)
Các trọng số mạng W1, W3 tìm
ra từ việc huấn luyện mạng cho hàm bình phương sai số E nhỏ ([7], [21]) W1, W3 xác định sau:
1 1 1
W (k) W (k ) W (k) (7)
3 3
W (k) W (k ) W (k) (8)
Với:
1
T
vm im im
r r r
W (k) ( k ) ( k ) ( k )
(9)
3
T vm im
r r s
W (k) ( k ) ( k ) i ( k )
(10)
(4)42 Số 17 Hàmi(k)là tích sai lệch trọng số hiệu
chỉnh i (i=1 3) lần tính k (k-1) Từ xây dựng hàm hàm tốc độ học dựa vào sai lệch i(k)sao cho tốc độ học thay
đổi theo hướng giảm sai lệch E mạng [30]:
Khii(k)>0, mạng có tốc độ hội tụ chậm, phải tăng tốc độ học;
Khii(k)<0, mạng bị điều chỉnh, phải giảm tốc độ học
Từ nghiên cứu đề xuất điều khiển lô gic mờ sử dụng mơ hình mờ Mamdani với đầu vào tín hiệu i(k)vài(k), đầu giá trị sai lệch tốc độ họci(k)
Hàm liên thuộc đầu vào hình 1a, 1b Hàm liên thuộc đầu ra hình Hình sơ đồ khối điều khiển mờ để xác định tốc độ học chu kỳ trích mẫu thứ k Luật điều khiển mơ hình mờ bảng
1
0.5
0
-0.1 -0.08-0.06-0.04-0.02 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
NB NS ZE PS PB
ε
Hình 1a Hàm liên thuộc biến đầu vào ε
1
0.5
0
-0.1 -0.08-0.06-0.04-0.02 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
NB NS ZE PS PB
Δ ε Hình 1b Hàm liên thuộc biến đầu vào ∆ε
1
0.5
0
-0.01 -0.008-0.006-0.004-0.002 0.002 0.0040.0060.0080.01
NB NS ZE PS PB
Δη
Hình Hàm liên thuộc biến đầu ∆ηi
Bảng Luật FLC
ε ∆ε
NB NS ZE PS PB
NB NB NB NS ZE PS
NS NB NS ZE PS PS
ZE NS NS ZE ZE PB
PS NS ZE PS PS PB
PB ZE ZE ZE PB PB
Hình Sơ đồ khối điều khiển mờ Giá trị tốc độ học chu kỳ trích mẫu thứ k sau:
1
i(k) i(k ) i(k)
(12)
Trọng số W1, W3 hiệu chỉnh
việc đào tạo dựa vào (7), (8); với
i(k)
xác định (12) Tốc độ học được xác định (12) khác với tốc độ học đã đề cập tài liệu [7], [21] Điện trở roto ước lượng sau:
1
(1-W
r r
s
L )
R
T
(13)
3
r r
m s
L W R
L T
(5)Số 17 43
Ước lượng từ thông roto (3) nhạy cảm với thay đổi điện trở stato, đặc biệt vùng tốc độ thấp Do vậy, để giảm thiểu sai số ước lượng điện trở roto biến thiên điện trở stato, ước lượng điện trở stato online phân tích, đề cập phần
3 ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ STATO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO
Theo [7] ta có dịng stato xác định:
4
6
4
6
1
1
1
1
* * im
sd sd rd
im
rq sd
* * im
sq sq rq
im
rd sq
i (k) W i (k ) W (k
W (k ) W V (k )
i (k) W i (k ) W (k )
W (k ) W V (k )
(15)
Hàm bình phương sai số dòng điện stato đo lường với dòng điện stato ước lượng theo (15) viết sau:
2
2
2
1
2
* s s
E (k) i (k) i (k) (16)
Trọng số mạng W4 tìm từ việc
huấn luyện mạng cho cho hàm bình phương sai số E2 nhỏ W4
xác định sau:
4 4
W (k) W (k ) W (k) (17) Với:
4
T
* *
s s s
W (k) i (k) i (k) i (k )
(18)
Tương tự phương pháp xây dựng hàm tốc độ học mục để ước lượng điện trở roto Tốc độ học 4 cập
nhật sau:
4(k) 4(k 1) 4(k)
(19)
Tốc độ học xác định (19) khác với tốc độ học đề cập tài liệu [7], [29] Điện trở stato ước lượng sau:
2
4
1
s s s m r r
s s
R W ( T / L )( L R / L )
* ( L / T )
(20) Ước lượng tốc độ sử dụng điều khiển không cảm biến báo kế thừa từ tài liệu [3] theo biểu thức (20) đây:
1
1
r r
vm im im
rq rq rd
w
vm im im
s rd rd rq
k k
k k k
T k k k
(21)
4 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Việc ước lượng điện trở roto stato đặc biệt có ý nghĩa vùng tốc độ thấp từ thơng ước lượng từ (3), (5) nhạy cảm với điện trở stato roto Các kết mô cho thấy ưu việt phương pháp trình bày phần vùng tốc độ
Hình sơ đồ khối truyền động IFOC không cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở roto stato
Hình Sơ đồ khối truyền động điện động không đồng IFOC không cảm biến
(6)44 Số 17 động không cảm biến tốc độ với ước
lượng điện trở roto stato, tác giả sử dụng phần mềm Matlab/simulink Giả thiết trình mơ phỏng, điện trở roto stato biến thiên 50% so với giá trị ban đầu [6], [21] Điều dẫn đến sai lệch giá trị điện trở roto stato thực giá trị điện trở roto stato đưa vào điều khiển Điện trở roto biến thiên từ 1,84 Ω đến 2,76 Ω, điện trở stato biến thiên 1,99 Ω đến 2,99 Ω (quá trình mơ từ 0÷9 giây); tải TL=4,5 Nm đóng thời điểm t=1,5 giây, tốc độ đặt = 15 rad/s
Các kết mô trường hợp sau:
* Khi chưa có ước lượng điện trở roto và stato tác động vào điều khiển không cảm biến tốc độ: Giả thiết trình làm việc điện trở roto động tăng từ 1,84 đến 2,76 Ω (từ 0÷2 giây giữ 1,84 Ω, 2÷7 giây tăng từ 1,84÷2,76 Ω, 7÷9 giây giữ 2,76 Ω); điện trở stato tăng từ 1,99 đến 2,99 Ω (từ 0÷2 giây giữ 1,99 Ω, 2÷7 giây tăng từ 1,99÷2,99 Ω, 7÷9 giây giữ 2,99 Ω); điện trở roto stato đưa vào điều khiển giữ nguyên giá trị ban đầu
Bảng Các thông số động mô
TT Thông số Giá trị
1 Công suất định mức 2,2 kW Điện áp định mức 400 V Tần số định mức 50 Hz Điện trở stato 1,99 Ω Điện trở roto 1,84 Ω
6 Hỗ cảm 0,37 H
9 Số cực
10 Tốc độ định mức 2880 RPM
(a)
(b)
(7)Số 17 45
đặt Hình 6(b) điện trở roto, stato thay đổi xấp xỉ 50% so với giá trị ban đầu tốc độ thực không bám giá trị tốc độ đặt, sai lệch xấp xỉ 0,60 rad/s tốc độ ước lượng bị giao động quanh tốc độ đặt, với biên độ đập mạch ước lượng tốc độ gần 1,0 rad/s
(a)
(b)
Hình 6(a), (b): Tốc độ động bao gồm: tốc độ đặt, tốc độ thật tốc độ ước lượng * So sánh ước lượng điện trở roto stato tốc độ học thích nghi với trường hợp sử dụng tốc độ học số: Sau số phép thử chọn tốc độ học số để ước lượng điện trở roto stato 0,001 0,01
(a)
(b)
Hình 7(a), (b) Điện trở roto stato động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng * Khi có ước lượng điện trở roto stato tác động vào điều khiển không cảm biến tốc độ: