Truyền động động cơ không đồng bộ không cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở rô to sử dụng mạng nơ ron nhân tạo

Bài viết trình bày hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha không cảm biến tốc độ điều khiển véc tơ gián tiếp với điện trở rô to được ước lượng sử dụng mạng nơ ron nhân tạo. Việc ước lượng điện trở rô to đã cải thiện và nâng cao chất lượng của hệ truyền động.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ VỚI ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔ TO SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO Phạm Văn Tuấn1*, Phạm Hùng Phi1, Nguyễn Thanh Sơn1, Thái Hữu Ngun2 Tóm tắt: Bài báo trình bày hệ truyền động động không đồng ba pha không cảm biến tốc độ điều khiển véc tơ gián tiếp với điện trở rô to ước lượng sử dụng mạng nơ ron nhân tạo Việc ước lượng điện trở rô to cải thiện nâng cao chất lượng hệ truyền động Điện trở rô to ước lượng sử dụng mạng nơ ron với luật cập nhật có hệ số mơ men chỉnh hướng thích nghi theo chu kỳ lấy mẫu làm tăng nhanh tốc độ hội tụ độ xác việc ước lượng điện trở rô to Tốc độ động ước lượng sử dụng thành phần từ thông rị mơ hình điện áp động khơng đồng Kết mô sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink cho thấy tốc độ ước lượng bám tốc độ thực, đồng thời sai số điện trở rô to ước lượng mạng nơ ron với điện trở rơ to danh định nhỏ Từ khóa: Mạng nơ ron nhân tạo (ANN); Điều khiển tựa từ thông gián tiếp (IFOC); Ước lượng tốc độ; Ước lượng điện trở rô to ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu điều khiển không cảm biến tốc độ động không đồng mảng quan trọng nghiên cứu hệ truyền động động không đồng Ở đó, tốc độ ước lượng thuật tốn để thay cho việc đo lường Do vậy, ưu điểm hệ truyền động không cảm biến là: giảm phức tạp phần cứng, giảm giá thành sản phẩm, giảm chi phí bảo dưỡng nâng cao độ tin cậy ([1]÷[5]) Chất lượng hệ truyền động động không đồng không cảm biến tốc độ phụ thuộc vào giá trị điện trở rô to, nhiên q trình làm việc điện trở rơ to biến thiên tới 100% thay đổi nhiệt độ, tần số rô to lấy lại thông tin với mơ hình nhiệt cảm biến nhiệt độ khó khăn, phức tạp đặc biệt động không đồng rô to lồng sóc [5]; Do đó, việc ước lượng điện trở rơ to trình làm việc động cải thiện nâng cao chất lượng hệ truyền động Thuật tốn ước lượng điện trở rơ to đề cập nhiều tài liệu nghiên cứu như: Các phương pháp đề cập [2], [3] dựa thích nghi tham chiếu mơ hình (MRAS) từ thông công suất phản kháng; lọc Kalman mở rộng sử dụng để nhận dạng điện trở rô to [4] Các phương pháp ước lượng điều kiện trạng thái động lực động ổn định, đó, q trình làm việc thực tế động cơ, tốc độ hội tụ giá trị xác điện trở rơ to thường chậm có sai số lớn Gần đây, phương pháp ước lượng điện trở rô to sử dụng mạng nơ ron nhân tạo sử dụng rộng rãi, trọng số hiệu chỉnh mạng nơ ron cập nhật sử dụng thuật toán lan truyền ngược sai số với hệ số học hệ số mô men chỉnh hướng giá trị chọn trước không thay đổi [5] Bài báo trình bày phương pháp để ước lượng điện trở rô to sử dụng mạng nơ ron nhân tạo với luật cập nhật có hệ số mơ men chỉnh hướng thích nghi theo chu kỳ lấy mẫu để tăng tốc độ hội tụ độ xác việc ước lượng điện trở rô to ĐIỀU KHIỂN TỰA TỪ THÔNG RÔ TO GIÁN TIẾP HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ 2.1 Điều khiển tựa từ thông rô to Hiện nay, phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to (FOC) phương pháp phổ biến để cải thiện nâng cao hiệu suất hệ truyền động động không đồng [1] 46 P V Tuấn, …, T H Nguyên, “Truyền động động … mạng nơ ron nhân tạo.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Nguyên lý FOC dựa mơ hình hai pha máy điện khơng đồng Véc tơ dịng điện stato phân tích thành hai thành phần: thành phần từ thông isd (thành phần tạo từ thông) thành phần mômen isq (tạo mômen động cơ) Hai thành phần d/q dịng điện tách rời điều khiển cách độc lập giống máy điện chiều Đồ thị véc tơ phương pháp điều khiển FOC trình bày hình 1; Sơ đồ tổng quát FOC trình bày hình Hình Đồ thị véc tơ phương pháp điều khiển tựa từ thông rô to Phương pháp FOC chia thành hai loại: Điều khiển tựa từ thông rô to trực tiếp (DFOC) điều khiển tựa từ thông rô to gián tiếp (IFOC)  DFOC: Trong điều khiển véc tơ tựa từ thông rô to trực tiếp, góc từ thơng θ thu cách sử dụng cảm biến đo từ thông gắn bên động để đo từ thơng tính tốn góc từ thông rô to θ Tuy nhiên, việc sử dụng cảm biến để đo từ thơng khó thực hiện, đặt cảm biến bên động thực trình sản xuất động Một phương án khác ước lượng từ thơng rơ to sử dụng mơ hình điện áp [1] (1) (2) Lr   '   rd  L   (v sd  R s i sd ) dt  L s i sd   m  L   r  (v  R i ) dt  L' i  s sq s sq   rq L m   sq ' Ở đây: Ls  Ls , với    (1) L2m gọi hệ số từ thơng rị L r Ls Từ suy ra:      rd rq  r   rq 1   tan  rd  (2) Nhược điểm việc sử dụng mơ hình điện áp để ước lượng từ thơng rô to là: Ở vùng tần số thấp (tốc độ động gần zero), điện áp stato thấp biến thiên điện trở stato nhiệt độ tăng làm giảm độ xác ước lượng từ thơng rơ to  IFOC: Góc từ thơng rơ to θ thu từ góc vị trí rơ to r góc trượt sl sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 47 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử   r  sl   (r p  sl ) dt (3) Trong đó, ωr dùng cảm biến tốc độ để đo dùng quan sát để ước lượng, ωsl tính sau: sl  Lmi*sq (4) Tr *r Hình Sơ đồ tổng quát FOC Phương pháp IFOC tương tự phương pháp DFOC ngoại trừ góc từ thơng rơ to θ xác định (3) mà không dùng cảm biến để đo từ thông rô to hay quan sát từ thông Do vậy, phương pháp IFOC không gặp vấn đề tốc độ thấp DFOC nên phù hợp với hầu hết hệ thống mà phải hoạt động tốc độ gần không 2.2 Điều khiển tựa từ thông rô to gián tiếp không cảm biến tốc độ (Sensorless IFOC) Trong sơ đồ IFOC sử dụng khâu ước lượng tốc độ (hình 3), giá trị đầu vào giá trị tính tốn xác định sau:  Tính tốn i*sd i*sq * r i  Lm (5) 2Te*L r i  3pL m *r (6) * sd Từ phương trình (3) ta có: * sq  Biến đổi Clark: để chuyển đổi dòng điện điện áp từ hệ trục toạ độ pha sang pha α-β:  x s  x a    x s  (x a  2x b )  (7)  Biến đổi Park: để chuyển đổi dòng điện điện áp từ hệ trục toạ độ α-β sang hệ trục d-q: 48 P V Tuấn, …, T H Nguyên, “Truyền động động … mạng nơ ron nhân tạo.” Nghiên cứu khoa học công nghệ  x sd  x s cos   x s sin    x sq   x s sin   x s cos  (8) Kid  * *  vsd  (i sd  isd )(K pd  s )   v*  (i*  i )(K  K iq ) sq sq pq  sq s (9)  Tính tốn v*sd v*sq  Biến đổi Park ngược: để chuyển đổi hệ trục toạ độ d-q sang hệ trục α-β: vs  vsd cos   vsq sin   vs  vsd sin   vsq cos  (10)  Tính tốn góc từ thơng rơ to θ theo (3) Các phương trình từ (5) đến (10) phân tích trình bày [6] Hình Cấu trúc hệ truyền động động không đồng điều khiển tựa từ thông gián tiếp (IFOC) sử dụng khâu ước lượng tốc 2.3 Ước lượng tốc độ động Tốc độ rơ to được tổng hợp từ phương trình trạng thái động khơng đồng [5] viết sau: vm vm   [( vm d rq   vm d rd )  R  L m ( vm i   vm i )]  r rd rq r rd sq rq sd r dt dt Lr (11)  điện trở rô to ước lượng xác định mục Trong đó: R r ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔ TO ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO Các đầu mơ hình tham chiếu (Reference Model) thành phần từ thơng rị tính tốn (1) Mặt khác, phương trình mơ hình thích nghi [1] có dạng sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử  im  rd  T  r   im   rq Tr  L im i   im rd  r Tr  rq  dt m sd (12)  L im rq i    r Tr  m sq im rd  dt Với Ts khoảng thời gian lấy mẫu Tr= Lr/Rr số thời gian điện từ rô to Bằng phương pháp sai phân hệ phương trình (12) ta có:  nm r (k)  W1X1  W2 X  W3 X3 (13)   nm    nm  isd (k  1)  T rd (k  1) rq (k  1) Ở đây: X1   nm , W1   s ,  , X   nm  , X3    Tr   rd (k  1)  isq (k  1)    rq (k  1)  T W2  r Ts , W3  s Lm Tr Hình ước lượng điện trở rô to dựa MRAS bao gồm mạng nơ ron huấn luyện thuật toán lan truyền ngược sai số Mạng nơ ron viết phương trình (13) hình Mạng nơ ron sử dụng để ước lượng điện trở rô to Rr (thông qua ước lượng số thời gian rơ to Tr) Sử dụng thuật tốn học lan truyền ngược sai số để hiệu chỉnh trọng số W1 W3 với hệ số mô men chỉnh hướng α thích nghi theo chu kỳ lấy mẫu Các trọng số mạng W1, W3 tìm từ việc huấn luyện mạng cho cho hàm bình phương sai số E1 nhỏ Hình Cấu trúc hệ thống mạng nơ ron để ước lượng điện trở rơ to Hình Mơ hình mạng nơ ron hai lớp 50 P V Tuấn, …, T H Nguyên, “Truyền động động … mạng nơ ron nhân tạo.” Nghiên cứu khoa học công nghệ    E1  1 (k)  rvm  rnm 2   W1 xác định sau: W1 (k)  W1 (k  1)   W1 (k)   W1 (k  1) (14) (15) Ở đây: α mô men chỉnh hướng học; W1 (k)      T  E1     rvm (k)   rnm (k)  I rnm (k  1)  W1  (16) Tương tự ta có: Với: W3 (k)  W3 (k 1)  W3 (k)  W3 (k 1)   T  E  Ii nm (k  1) W3 (k)      rvm (k)   nm (k) r  r W3  (17) (18) Ở hệ số mô men chỉnh hướng hàm thích nghi, thay đổi theo chu kỳ lấy mẫu, làm tăng tốc độ hội tụ từ thơng (mơ hình mạng nơ ron):  E / Wi (k) E / Wi (k  1)  E / Wi (k) (19) Trọng số W1 , W3 hiệu chỉnh việc đào tạo dựa vào (15), (17) Điện trở rô to ước lượng sau:   L r (1-W1 ) R   L r W3 R r r Ts L m Ts (20) PHÂN TÍCH VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 Phân tích Sơ đồ khối hệ truyền động động không đồng không cảm biến tốc độ điều khiển tựa từ thông rô to gián tiếp với điện trở rơ to ước lượng, hình Trong đó: Bộ điều khiển IFOC trình bày mục 2.2 với tốc độ ước lượng phương trình (11); điện trở rơ to ước lượng dựa vào mạng nơ ron nhân tạo (20) Bảng Các thông số động mô TT Thông số Công suất định mức (Pđm) HP 10 11 Điện áp định mức (Uđm) Tần số định mức (fđm) Điện trở stato (Rs) Điện trở rô to (Rr) Điện cảm stato (Ls) Điện cảm rô to (Lr) Hỗ cảm (Lm) Mô men qn tính (J) Số cực (P) Mơ men tải (TL) 380 V 50 Hz 10 Ω 6,3 Ω 0,46 H 0,46 H 0,42 H 0,03 kgm2 4,5 Nm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 Giá trị 51 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trong nghiên cứu này, phần mềm Matlab/Simulink sử dụng để mô hệ truyền động động không đồng ba pha không cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở rơ to (hình 7), thông số động không đồng ba pha cho bảng Hình Sơ đồ khối hệ truyền động động không đồng IFOC không cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở rơ to Hình Sơ đồ mơ hệ truyền động động không đồng IFOC không cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở rô to sử dụng Matlab- Simulink 4.2 Kết mô Sau số phép thử với giá trị khác khoảng thời gian lấy mẫu, giá trị cuối chọn Ts= 10 μs Trong mơ hình mơ từ thông đặt 0,85 Wb; Giả thiết điện trở rô to biến thiên từ 6,3 Ω đến 10,3 Ω q trình mơ (trong khoảng từ 0÷5 giây) Ta có kết nhận xét sau: * Khi mô men tải tốc độ đặt không thay đổi (TL = 4,5 Nm; tốc độ đặt= 500 vòng/ phút) chưa cho ước lượng điện trở rô to tác động: 52 P V Tuấn, …, T H Nguyên, “Truyền động động … mạng nơ ron nhân tạo.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 15 1000 Momen tai Momen dien tu Toc dat Toc thuc Toc uoc luong 900 800 10 700 600 N.m Vong/phut 500 400 300 200 -5 100 -10 0.5 1.5 2.5 Giay 3.5 4.5 0.5 1.5 2.5 (Giay) 3.5 4.5 (a) (b) Hình (a) Mơ men tải mô men điện từ; (b) Tốc độ động bao gồm tốc độ đặt, tốc độ thật, tốc độ ước lượng * Khi mô men tải tốc độ đặt không thay đổi (TL = 4,5 Nm; tốc độ đặt= 500 vòng/ phút) cho ước lượng điện trở rô to tác động: 20 Momen tai Momen dien tu 15 N.m 10 -5 -10 0.5 1.5 2.5 Giay 3.5 4.5 (a) 1000 Toc dat Toc thuc Toc uoc luong 900 800 700 Vong/phut 600 500 400 300 200 100 0.5 1.5 2.5 (Giay) 3.5 4.5 (b) Hình (a) Mơ men tải mô men điện từ; (b) Tốc độ động bao gồm tốc độ đặt, tốc độ thật, tốc độ ước lượng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 53 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 18 Dien tro thuc Roto Dien tro Roto uoc luong 16 14 (Ohm) 12 10 0.5 1.5 2.5 (Giay) 3.5 4.5 Hình 10 Điện trở rô to bao gồm: điện trở thật điện trở ước lượng trường hợp mô men tải tốc độ không thay đổi * Khi mô men tải tốc độ đặt hay đổi: Mô men tải thay đổi từ 4.5 đến 6.0 Nm thời điểm t= giây; tốc độ đặt thay đổi từ 500÷800 vịng/ phút thời điểm t= giây chưa cho ước lượng điện trở rô to tác động: 20 Momen tai Momen dien tu 15 N.m 10 -5 -10 0.5 1.5 2.5 3.5 Giay (a) 1200 Toc dat Toc thuc Toc uoc luong 1000 Vong/phut 800 600 400 200 0.5 1.5 2.5 3.5 (Giay) (b) Hình 11 (a) Mô men tải mô men điện từ; (b) Tốc độ động bao gồm tốc độ đặt, tốc độ thật, tốc độ ước lượng 54 P V Tuấn, …, T H Nguyên, “Truyền động động … mạng nơ ron nhân tạo.” Nghiên cứu khoa học công nghệ * Khi mô men tải tốc độ đặt hay đổi: Mô men tải thay đổi từ 4.5 đến 6.0 Nm thời điểm t= giây; tốc độ đặt thay đổi từ 500÷800 vịng/ phút thời điểm t= giây cho ước lượng điện trở rô to tác động: 20 Momen tai Momen dien tu 15 N.m 10 -5 -10 0.5 1.5 2.5 3.5 Giay (a) 1200 Toc dat Toc thuc Toc uoc luong 1000 Vong/phut 800 600 400 200 0.5 1.5 2.5 3.5 (Giay) (b) Hình 12 (a) Mơ men tải mơ men điện từ; (b) Tốc độ động bao gồm tốc độ đặt, tốc độ thật, tốc độ ước lượng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 55 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 18 Dien tro thuc Roto Dien tro Roto uoc luong 16 14 (Ohm) 12 10 0.5 1.5 2.5 (Giay) 3.5 4.5 Hình 13 Điện trở rơ to bao gồm: điện trở thật điện trở ước lượng trường hợp mô men tải tốc độ thay đổi Sau kết thúc q trình mơ ta có số nhận xét sau:  Mô men động ổn định mô men tải thời điểm tốc độ thực động ổn định có giá trị tốc độ đặt  Khi có ước lượng điện trở rô to tác động, tốc độ ước lượng bám sát giá trị tốc độ thực với sai số nhỏ  Điện trở rô to ước lượng bám sát với điện trở rô to danh định KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp để ước lượng điện trở rô to trình làm việc sử dụng mạng nơ ron nhân tạo cho hệ truyền động động không đồng không cảm biến tốc độ điều khiển tựa từ thông rô to gián tiếp Điện trở rô to ước lượng dựa vào thuật toán lan truyền ngược với luật cập nhật có hệ số mơ men chỉnh hướng thích nghi Vì giá trị điện trở rơ to thay đổi trình làm việc động mà tốc độ ước lượng (11) phụ thuộc vào giá trị điện trở này, mặt khác điện trở rô to đưa vào điều khiển IFOC thơng qua phương trình (4) Do đó, việc ước lượng điện trở rô to cải thiện nâng cao độ xác ước lượng tốc độ đồng thời nâng cao độ xác chất lượng hệ truyền động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Son T.Nguyen, Phi H.Pham, Tuan V.Pham, Hoa X.Ha, Cong T.Nguyen, Phi C.DoHanoi University of Science and Technology, Vietnam, “A Sensorless Three-Phase Induction Motor Drive Using Indirect Field Oriented Control and Artificial Neural Network,” ICIEA 2017 The 12th IEEE conference on industrial electronics and application 18–20 June 2017, Siem Reap, Cambodia; http://www.ieeeiciea.org; page: 1451÷1456 [2] Zhen-Guo Lee, Seok-Kwon Jeong “Simultaneous Estimation of Rotor Speed and Rotor Resistance of an IM Using Variable Rotor Flux,” Journal of Power Electronics, Vol 5, No 4, 10/ 2005 56 P V Tuấn, …, T H Nguyên, “Truyền động động … mạng nơ ron nhân tạo.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [3] T Nouguchi, S Kondo, and I Takahashi, “Field-oriented control of an induction motor with robust on-line tuning of its parameters,” IEEE Tran Ind Appl., vol 33, pp 35–42, Jan./ Feb 1997 [4] L C Zai and T A Lipo, “An extended Kalman filter approach in rotor time constant measurement in PWM induction motor drives,” In Proc Conf Rec IEEE-IAS Annu Meeting, 1987, pp 177–183 [5] Baburaj Karanayil, Muhammed Fazlur Rahman, and Colin Grantham, “Identification of Induction Motor Parameters in Industrial Drives with Artificial Neural Networks,” Accepted January 2009, Hindawi Publishing Corporation Advances in Fuzzy Systems Volume 2009, Article ID 241809, 10 pages doi:10.1155/2009/241809 [6] Phạm Văn Bình, “Máy điện tổng quát”, Nhà xuất Giáo dục, năm 2008 ABSTRACT A SENSORLESS INDUCTION MOTOR DRIVE WITH ROTOR RESISTANCE ESTIMATION USING ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS In this paper, an indirect vector controlled sensorless three phase induction motor drive with rotor resistance esitmation using atificial neural network is presented The exact rotor resistance estimation can significantly improve the performance of the drive system Rotor resistance is estimated using artificial neural network with updated law having momentum coefficient adaptive following sampling time, Accelerating the convergence and accuracy of rotor estimation The motor speed is estimated using the rotor flux-linkage components of voltage model of inducton motor The simulation results obtained using The matlab/ Simulink software show that the estimated motor speed always tracks the actual motor speed, at the same time, the error between the estimated rotor resistance using the neural network and the nominal rotor resistance is very small Keywords: Artificial neural network (ANN); Indirect field oriented control (IFOC); Speed estimation; Rotor resistance estimation Nhận ngày 19 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017 Địa chỉ: Đại học Bách khoa Hà Nội; Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh * Email: tuanvp.bk@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 57 ... hệ truyền động động không đồng IFOC không cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở rơ to Hình Sơ đồ mô hệ truyền động động không đồng IFOC không cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở rô to sử dụng. .. hệ truyền động động không đồng không cảm biến tốc độ điều khiển tựa từ thông rô to gián tiếp với điện trở rô to ước lượng, hình Trong đó: Bộ điều khiển IFOC trình bày mục 2.2 với tốc độ ước lượng. .. Điện trở rô to ước lượng bám sát với điện trở rô to danh định KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp để ước lượng điện trở rô to trình làm việc sử dụng mạng nơ ron nhân tạo cho hệ truyền động động