Ứng dụng phương pháp backstepping thiết kế bộ điều khiển tốc độ đc kđb

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÙI HUY HOÀNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐC KĐB CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ Tháng 07 năm 2011 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ ĐC KĐB CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2011 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ ĐC KĐB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: BÙI HUY HỒNG Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 02/08/1984 Nơi sinh : Nam Định Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HĨA Khố (Năm trúng tuyển) : 2008 1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Xây dựng thuật toán điều khiển dùng phương pháp backstepping điều khiển tốc độ động • Tiến hành mơ điều khiển điều khiển dùng phương pháp backstepping điều khiển tốc độ động không đồng ba pha phần mềm MATLAB • Áp dụng thuật tốn điều khiển backstepping điều khiển đối tượng thực động không đồng ba pha 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2011 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 1/7/2011 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) PGS.TS Dương Hoài Nghĩa GVC.TS Nguyễn Đức Thành PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ ĐC KĐB LỜI CẢM ƠN Xin gởi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Dương Hoài Nghĩa, người tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ tác giả suốt thời gian thực luận văn Và quan trọng hết, PGS người gợi mở cho tác giả đề tài, hướng nghiên cứu mẻ, độc đáo Xin cảm ơn Th.S Nguyễn Xuân Bắc, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ tác giả việc điều khiển thực ĐC KĐB pha Xin cảm ơn bố mẹ, người tạo điều kiện thuận lợi tối đa để tác giả nghiên cứu hồn thiện luận văn Sự giúp đỡ khơng mang tính chun mơn góp phần quan trọng đến thành cơng luận văn Bên cạnh tác giả xin chân thành cảm ơn quý thầy cô môn Điều Khiển Tự Động trang bị cho tác giả kiến thức quý báu để hoàn thành tốt luận văn Lời cảm ơn cuối xin dành cho bạn thuộc lớp cao học TDH 2008 Sự giúp đỡ bạn mặt chuyên môn nguồn động lực không nhỏ cho tác giả suốt thời gian qua BÙI HUY HOÀNG Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ ĐC KĐB Tóm tắt luận văn thạc sĩ Đề tài xây dựng điều khiển dùng thuật toán backstepping điều khiển động không đồng nuôi nghịch lưu áp ba bậc dạng Diode kẹp điểm trung tính (Three-level Neutral Point Clamped Voltage Source Inverter – NPC VSI) Bộ điều khiển thiết kế gồm hai vòng: Vòng đối tượng động không đồng ba pha điều khiển phương pháp backstepping Vịng ngồi dùng phương pháp backstepping, điều khiển PID ổn định tốc độ Việc sử dụng nhiều phương án điều khiển giúp tác giả thu nhiều kết để có so sánh lựa chọn phương pháp tốt áp dụng vào điều khiển cho đối tượng thực ĐC KĐB Tiếp đến tác giả áp dụng điều khiển dùng phương pháp backstepping áp dụng việc điều khiển đối tượng thực ĐC KĐB Kết tạo tiền đề cho việc áp dụng điều khiển backstepping việc điều khiển cho nhiều đối tượng thực khác Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ ĐC KĐB ABSTRACT This thesis presents an Backstepping controller for induction motors fed with three-level Neutral Point Clamped (NPC) Voltage Source Inverter (VSI) This controller is designed in two loop: In the inner loop, the rotor flux and the motor torque using backstepping controller In the outer loop, therotor speed is adjusted by a backstepping controller or PID controller The simulation and the experimental results demonstrate the stability and the robustness of the proposed method Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ ĐC KĐB Mục lục Trang Chương 1: Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các phương pháp điều khiển động không đồng 1.2.1 Phương pháp điều khiển định hướng trường 1.2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen 1.3 Tổng quan phương pháp điều khiển backstepping 12 1.3.1 Tình hình nghiên cứu nước 13 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 14 1.4 Nội dung tóm lược luận văn 15 Chương 2: Phương pháp thiết kế chiếu (backstepping) ứng dụng thiết kế điều khiển tốc độ động 2.1 Giới thiệu phương pháp backstepping 17 2.2 Ứng dụng pp backstepping thiết kế điều khiển tốc độ ĐC KĐB 20 2.2.1 Mục tiêu điều khiển 20 2.2.2 Mơ hình hóa ĐC KĐB 20 2.2.3 Xây dựng điều khiển tốc độ ĐC KĐB pha dùng pp backstepping 28 2.2.3.1Điều khiển backstepping……………………………………………….28 2.2.3.1 Điều khiển backstepping……………………………………………….28 2.2.3.2Điều khiển backstepping kết hợp PID………………………………… 28 2.3 Bộ ước lượng từ thông roto momen 37 2.3.1 Bộ ước lượng từ thông roto 37 2.3.2 Bộ ước lượng momen 40 2.4 Bộ nghịch lưu áp ba bậc ứng dụng điều khiển ĐC KĐB 40 2.4.1 Đặt vấn đề 40 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ ĐC KĐB 2.4.2 Tổng quan nghịch lưu 41 2.4.3 Cấu trúc BNL áp ba bậc chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter –NPC) 42 2.4.4 Giải thuật điều khiển BNL áp ba bậc NPC 43 2.4.5 Sơ đồ BNL ba bậc mô Matlab 44 2.5 Tóm lược chương 44 Chương 3: Kết mô 3.1 Đặt vấn đề 46 3.1.1 Điều kiện mô 46 3.1.2 Phương pháp tiếp cận 46 3.1.3 Đánh giá so sánh 46 3.2 Thiết lập đối tượng 46 3.3 ĐK backstepping với khâu ước lượng theo phương pháp 51 3.4 ĐK backstepping với khâu ước lượng theo phương pháp 59 3.5 ĐK backstepping, PID với khâu ước lượng theo phương pháp 66 3.6 ĐK backstepping, PID với khâu ước lượng theo phương pháp 73 3.7 ĐK backstepping với khâu ước lượng theo phương pháp – rời rạc 80 3.8 Nhận xét chung 88 3.9 Tóm lược chương 89 Chương 4: Điều khiển thực động 4.1 Giới thiệu thiết bị phần mềm dùng điều khiển đối tượng thực 90 4.1.1 Giới thiệu card điều khiển DSPACE DS1104 90 4.1.2 Các sơ đồ mạch phần cứng dùng luận văn 97 4.2 ĐK backstepping đối tượng thực động không đồng 104 4.2.1 Sơ đồ điều khiển 104 4.2.2 Kết điều khiển 106 4.2.3 Nhận xét so sánh với kết mô 110 4.3 Tóm lược chương 112 Chương 5: Nhận xét kết hướng phát triển Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ ĐC KĐB 5.1 Kết đạt 114 5.3 Hướng phát triển đề tài 114 Tài liệu tham khảo .116 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ ĐC KĐB Danh mục ký hiệu s: Đại lượng mạch stator r: Đại lượng mạch stator u: Điện áp (V) i: Dòng điện (A) ψ :Từ thông (Wb) TE: Momen điện từ (N.m) TL: Momen tải (momen cản - torque) (Nm) ω : Tốc độ góc roto so với stator (rad/s) αβ, dq : Hệ tọa độ alpha beta, hệ tọa độ dq Rs: Điện trở cuộn dây pha stator (Ω) isα ;isβ : Thành phần dòng điện stator trục a , b isd ;isq : Thành phần dòng điện stator trục d , q u sα ;u sβ : Thành phần điện áp stator trục a , b u sd ;u sq : Thành phần dòng stator trục d , q ψ rα ; ψ rβ : Thành phần từ thông roto trục a , b ψ rd ; ψ rq : Thành phần từ thông roto trục d , q Rr: Điện trở roto qui đổi stator (Ω) Lm: Hỗ cảm stator roto (H) Lσs: Điện kháng tản cuộn dây stator (H) Lσr: Điện kháng tản cuộn dây roto qui đổi stator (H) p : Số đơi cực động J: Momen qn tính (Kg.m2) Lσs: Điện kháng tản cuộn dây stator (H) Lσr: Điện kháng tản cuộn dây roto qui đổi stator (H) Lr = Lm + Lσr Điện cảm roto Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế điều khiển tốc độ ĐCKĐB 4.2 Điều khiển backstepping đối tượng thực động không đồng 4.2.1 Sơ đồ điều khiển Hình 4.16 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển ĐCKĐB Hình 4.17 Chương trình chạy thực nghiệm viết Simulink/Matlab giao tiếp với Card điều khiển DSPACE(chụp lại) 104 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế điều khiển tốc độ ĐCKĐB PC CHỨA CARD DS1104 CẢM BIẾN DÒNG LEM LA25-NP BNL NPC BA MỨC ENCODER DAO ĐỘNG KÝ SỐ CHỈNH LƯU DIODE VARIAC HỆ ĐỘNG CƠ, MÁY PHÁT Hình 4.18 Hệ thống phần cứng điều khiển ĐCKĐB (chụp lại) Hình 4.19 Giao diện DSPACE Control Desk: Điều khiển backstepping ĐC KĐB 105 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế điều khiển tốc độ ĐCKĐB 4.2.2 Kết điều khiển Các tham số ĐCKĐB sau: Công suất định mức: Pđm = 0.75 KW Tốc độ định mức: ωđm = 1395 vòng/phút Tần số định mức : fđm= 50 Hz Áp định mức: 230/400 V Dòng định mức: 3.3/1.91 A Số cặp cực: p=2 Hệ số cơng suất: cos ϕ = 0.8 Các thơng số tính tốn từ thí nghiệm ngắn mạch khơng tải (gần đúng): Rs (Ω ) 10 Rr (Ω) Ls (H) Lr (H) Lm (H) J (kgm2) 10 0.8 0.7 0.7 0.002 Chương trình điều khiển thực chạy với thời gian lấy mẫu 100 μs Tần số điều xung PWM 5Khz Dòng điện đo đưa qua lọc thông thấp với tần số cắt 500Hz Encoder sử dụng để đo tốc độ động có độ phân giải 2048 xung/vịng Sau số kết thực nghiệm ghi nhận từ giao diện điều khiển DSPACE Control Desk, phần mềm hiển thị tín hiệu thực online cung cấp DSPACE 106 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế điều khiển tốc độ ĐCKĐB - Thí nghiệm tăng tốc: Hình 4.20 Đáp ứng tốc độ: Tăng tốc từ vịng 10 giây Hình 4.21 Đáp ứng từ thông tăng dần tốc độ từ 107 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế điều khiển tốc độ ĐCKĐB Hình 4.22 Dịng điện stator tăng dần tốc độ từ Hình 4.23 Dịng điện stator giai đoạn tăng tốc - Thí nghiệm tốc độ đặt thay đổi: Hình 4.24 Thay đổi tốc độ đặt liên tục đáp ứng tốc độ 108 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế điều khiển tốc độ ĐCKĐB Hình 4.25 Đáp ứng từ thơng thay đổi tốc độ đặt đột ngột Hình 4.26 Đáp ứng tốc độ xác lập Hình 4.27 Đáp ứng từ thông xác lập 109 Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế điều khiển tốc độ ĐCKĐB Hình 4.28 Điện áp dây pha ĐC KĐB xác lập 4.2.3 Nhận xét so sánh với kết mô Với kết có từ việc ứng dụng điều khiển dùng phương pháp điều khiển backstepping, tác giả có số nhận xét sau: ƒ Đã ứng dụng điều khiển TTHVR điều khiển cho đối tượng thực ĐC KĐB ƒ Tốc độ bám theo tốc độ đặt với thời gian đáp ứng nhanh (30 vòng/phút áp dụng ước lượng từ thông roto theo phương án vào điều khiển thời gian thực ĐC KĐB qua làm tăng chất lượng điều khiển Có thể thay điều khiển sử dụng DSPACE vi điều khiển DSP đặc biệt dùng FPGA với ngơn ngữ lập trình VHDL Với hướng này, việc điều khiển linh hoạt nhiều, chi phí giảm đi, qua khả áp dụng vào thực tế nhiều Áp dụng phương pháp điều khiển mới, đại noron, mờ … kết hợp với phương pháp backstepping quan sát ước lượng thơng số dẫn đến tăng chất lượng điều khiển Ngoài kết hợp phương pháp điều khiển khác phát huy mạnh phương pháp điều khiển làm đa dạng thuật toán, điều khiển, có nhiều so sánh lựa chọn để tìm phương án tốt Đồng thời việc áp dụng phương pháp điều khiển khác giúp cho việc đa dạng điều khiển, đối tượng điều khiển, qua giúp cho người dùng có nhiều hội lựa chọn hơn, dẫn tới khả áp dụng vào thực tế nhiều Với hướng phát triển trên, tác giả mong muốn đề tài phát triển sâu rộng lĩnh vực điều khiển tự động 115 Ứng dụng phương pháp điều khiển backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách: [1] Dương Hoài Nghĩa “Điều khiển hệ thống đa biến”, NXB ĐHQG Tp.Hồ Chí Minh 2007 [2] Nguyễn Phùng Quang “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha” NXB Giáo dục 1998 [3] Nguyễn Văn Nhờ “ Điện tử công suất 1” NXB ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, 2002 [4] Phan Quốc Dũng - Tơ Hữu Phúc, “Truyền động điện”, NXB ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, 2003 [5] Andrzej M Trzynadlowski.“The Field Orientation Principle in Control of Induction Motors” Kluwer Academic Publishers.1994 [6] Nguyễn Đức Thành “Matlab & Ứng dụng điều khiển tự động” NXB ĐHQG Tp.Hồ Chí Minh 2004 Bài báo: [7] Trần Cơng Binh, Dương Hồi Nghĩa “Điều khiển động khơng đồng dùng mơ hình nội” Tạp chí Khoa học Công nghệ, số 54, pp 64-67, 2005 [8] Nguyễn Xuân Bắc, Dương Hoài Nghĩa “Sliding mode control of induction motor fed with Three - level inverter” - HCM City, [9] Đỗ Thị Hồng Thắm, Dương Hoài Nghĩa “Sliding mode control of induction motor” International Symposium on Electrical & Electronics Engineering 2007 - Oct 24, 25 2007 - HCM City, [10] Phan Quoc Dzung, Le Minh Phuong, Pham Quang Vinh, Nguyen Minh Hoang, Nguyen Xuan Bac, “A New Switching Technique for Direct Torque Control of 116 Ứng dụng phương pháp điều khiển backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB Induction Motor using Four-Switch Three-Phase Inverter”,PEDs’07 Conference, Nov 27-30, 2007, Bangkok, Thailand [11] Hong Hee-Lee, Phan Quoc Dzung, Truong Phuoc Hoa, Le Minh Phuong, Nguyen Xuan Bac “Fault Detection using ANN for Four Switch Three Phase Inverter fed Induction Motor Drive” IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies ICSET 2008 Nov 24-27, 2008.Singapore [12] F.Mahazzem, A.Reama, H.Behalla “Sensorless nonlinear adaptive backstepping control induction motor” ICGTS-ACSE Journal, ISSN 18674811, Volume 8, January 2009 [13] A.Boucheta, IK.Bousserhane, A.Hazzab, B.Mazari, MK.Fellah “Backstepping control of linear induction motor considering end effects” 2009 SSD '09 6th International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices [14] A.Alanis, E.Sanchez, A.Loukianov, Dept de Cienc “Real-time Discrete Backstepping Neural Control for Induction Motors” , IEEE Transactions on Control Systems Technology [15] A.Boucheta, I.Bousserhane, A.Hazzab, B.Maziri, M.K Fellah “Adaptive backstepping controller for linear induction motor position control” The Internationnal Jounal for Computation and Mathermatics in Electrical and Electronic Engineering, Volume 29 May 11, 2010 [16] R.Yazdanpanah, J.Soltani “Robust backstepping control of induction motor drives using artifical neural networks and sliding – mode flux observers” [17] Hazzab, B.Marazi, M.Rahli, M.Karim “Adaptive backstepping control design for linear induction motor position control” Series C, Vol 71, Iss 3, 2009 [18] O Benzineb, H Salhi, M Tadjine, M.S Boucherit, M.E.H Benbouzid1 “A PI Backstepping approach for induction Motor drives Robust Control” Author manuscript, published in "International Review of Electrical Engineering 5, (2010) 426-432 117 Ứng dụng phương pháp điều khiển backsteping điều khiển tốc độ ĐCKĐB [19] Hong Hee Lee; Phan Quoc Dzung; Le Minh Phuong; Nguyen Xuan Bac “A New Switching Technique For Direct Torque Control Of Induction Motor Using Four-Switch Three-Phase Inverter With DC - Link Voltage Imbalance” IEEE International Conference on Industrial Technology ICIT 2009 Feb 1013, 2009 Australia [20] H J Shieh and K K Shyu “Nonlinear sliding-mode torque control with adaptive backstepping approach for induction motor drive,” IEEE Trans Ind Electron., vol 46, pp 380, Apr 1999 [21] P K Nandam and P C Sen, “Control laws for sliding mode speed control of variable speed drives,” Int J Contr., vol 56, no 5, pp 1167-1186, 1992 118 ... Trang số -16- Ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping điều khiển tốc độ động KĐB Chương 2: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CUỐN CHIẾU (BACKSTEPPING) ỨNG DỤNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐCKĐB 2.1 Cơ... Ứng dụng phương pháp thiết kế backstepping xây dựng điều khiển tốc độ động không đồng bộ: 2.2.1 Mục tiêu điều khiển: Khi ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế điều khiển tốc độ. .. Phương pháp thiết kế chiếu (backstepping) ứng dụng thiết kế điều khiển tốc độ động 2.1 Giới thiệu phương pháp backstepping 17 2.2 Ứng dụng pp backstepping thiết kế điều khiển tốc độ ĐC