Điều khiển động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu

1 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN NGỌC THÌN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU Chuyên ngành: Tự ñộng hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Như Tiến Phản biện 1: Nguyãùn Âæïc Thaình Phản biện 2: Tráön Âçnh Khäi Quäúc Luận văn ñã ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 5 năm 2011. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Ngày nay ñộng cơ ñiện ñồng bộ ñược sử dụng nhiều trong lĩnh vực ñiều khiển, trong công nghiệp vì nó có những ñặc ñiểm vượt trội như hiệu suất, Cos ϕ cao, tốc ñộ ít phụ thuộc vào ñiện áp. Cũng như các hệ thống ñiều khiển khác, chất lượng các hệ ñiều khiển truyền ñộng ñiện phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của các bộ ñiều khiển, ở ñó hệ thống phải tạo ra ñược khả năng thay ñổi tốc ñộ trơn, mịn với phạm vi ñiều chỉnh rộng. Nhiều giải thuật ñiều khiển ñộng cơ ñồng bộ ñã ñược nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực truyền ñộng ñiện như: Phương pháp ñiều khiển vector (Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control- DTC), ñiều khiển tựa theo từ thông (Field Orientated Control- FOC)), phương pháp ñiều khiển vô hướng (Điều khiển V/f = hằng số). Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền ñộng ñiện xoay chiều, người nghiên cứu chọn ñề tài “ñiều khiển ñộng cơ ñồng bộ kích thích vĩnh cửu” làm ñề tài cho luận văn Thạc sĩ. 2. Mục tiêu của ñề tài - Nghiên cứu ứng dụng mạng neural truyền thẳng nhiều lớp ñiều khiển ñộng cơ ñồng bộ kích thích vĩnh cửu. - So sánh giữa hai phương pháp ñiều khiển: PID và neural. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: - Truyền ñộng ñộng cơ ñiện ñồng bộ xoay chiều ba pha kích thích vĩnh cửu  Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu nguyên lý ñiều khiển hệ truyền ñộng ñộng cơ ñồng bộ dùng PID và dùng mạng nơron. 2 - Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng ñộng cơ ñiện ñồng bộ trên nền Matlab & Simulink. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp thực nghiệm 5. Ý nghĩa của ñề tài ▪ Ý nghĩa khoa học: Đề tài là tài liệu tham khảo hữu cho những ai quan tâm ñến phương pháp ñiều khiển ñộng cơ ñiện ñồng bộ xoay chiều ba pha kích thích vĩnh cửu * Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của ñề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp ñiều khiển mới. 6. Cấu trúc của luận văn Bản luận văn gồm: Phần mở ñầu, kết luận và 4 chương mục Chương 1. Tổng quan về ñiều khiển truyền ñộng ñiện xoay chiều ba pha Chương 2. Tổng quan về ñộng cơ ñồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSM) Chương 3. Cấu trúc hệ truyền ñộng ñộng cơ PMSM ba pha ñiều khiển tựa theo từ thông rotor Chương 4. Ứng dụng mạng neural ñiều khiển ñộng cơ ñồng bộ kích thích vĩnh cửu 3 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA 1.1. TỔNG QUAN Truyền ñộng ñiện ñóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. GS-TS. Nguyễn Phùng Quang ñã cho ra ñời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp ñiều chỉnh dòng trong truyền ñộng ñiện xoay chiều ba pha: Nguyên lý và hạn chế của chúng” giới thiệu phương pháp ñiều khiển tựa theo từ thông, và giới thiệu cách tiếp cận với các thuật toán thích hợp cho việc ñiều khiển bằng số. 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 1.2.1. Điều khiển vô hướng ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha 1.2.2. Phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung (PWM) 1.2.2.1. Điều chế theo phương pháp SPWM 1.2.2.2. Phương pháp ñiều chế vector không gian 1.2.3. Điều khiển tựa theo từ thông Điều khiển tựa theo từ thông (Field orientation control - FOC) hoặc ñiều khiển vector (Vas, 1990) cho ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha ñạt ñược việc tách biệt thay ñổi ñộng giữa moment và từ thông dẫn ñến việc ñiều khiển ñộc lập giữa từ thông và moment tương tự như ñộng cơ DC kích từ ñộc lập. 1.2.3.1. Điều khiển tựa theo từ thông rotor trực tiếp 1.2.3.2. Điều khiển tựa theo từ thông rotor gián tiếp 1.2.4. Điều khiển ñộ rộng xung bằng phương pháp tựa theo từ thông 1.3. NH ỮNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TIÊN TIẾN HIỆN NAY 1.3.1. Điều khiển thông minh 4 Điều khiển thông minh là bộ ñiều khiển trong ñó bộ ñiều khiển gồm 2 phần: Phần mềm và phần cứng. Phần cứng của ñơn vị ñiều khiển ñã phát triển trong hai thập kỷ gần ñây. Còn phần mềm chứa những kỹ thuật ñiều khiển khác nhau ñược lập trình vào phần cứng. 1.3.2. Những kỹ thuật khác 1.4. TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA 1.4.1. Xây dựng mô hình toán học của ñộng cơ cho cấu trúc ñiều khiển 1.4.2. Bộ biến tần ñiều khiển 1.4.3. Kiểm tra thiết bị truyền ñộng AC 1.4.4. Phương pháp ñiều khiển, xây dựng và thiết kế bộ ñiều khiển ñi kèm 1.4.5. Kết luận chương 1 Hiện nay các phương pháp trên ñã ñược ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực ñiều khiển truyền ñộng ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu ñiểm, các phương pháp vẫn tồn tại những khuyết ñiểm: - Điều chế ñộ rộng xung (PWM) trên cơ sở ñiều chế vector không gian gây sóng hài bậc cao. - Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền ñộng ñặc tính thấp. - Điều khiển tựa theo từ thông vẫn gặp một số hạn chế: Nhạy với sự thay ñổi thông số của ñộng cơ như hằng số thời gian rotor và ño lường từ thông không chính xác tại tốc ñộ thấp. Do ñó, hiệu suất giảm. Để khắc phục những nhược ñiểm trên, việc kết hợp ñiều khiển trí tuệ nhân t ạo với kỹ thuật ñiều khiển kinh ñiển ñã ra ñời góp phần không nhỏ trong việc phát triển lĩnh vực ñiều khiển truyền ñộng ñiện xoay chiều 3 pha. 5 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (PMSM) 2.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ PMSM 2.2. VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA 2.2.1. Xây dựng vector không gian Động cơ xoay chiều ba pha ñều có ba cuộn dây stator với dòng ñiện ba pha bố trí không gian. i su (t) + i sv (t) + i sw (t) = 0 (2.1) Nếu trên mặt phẳng ñó ta thiết lập một hệ tọa ñộ phức với trục thực ñi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau: γ j s j sw j svsu s eietietititi oo =++= ])()()([ 3 2 )( 240120 (2.3) Hình 2.2. Thiết lập vector không gian từ các ñại lượng pha Dòng ñiện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng stator s i mới thu ñược lên trục của cuộn dây pha tương ứng. Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là tr ục β . Chiếu vector s i lên hai trục, ta ñược hai hình chiếu là α s i và β s i . Hệ tọa ñộ này gọi là hệ tọa ñộ cố ñịnh (hệ tọa ñộ stator). Im Re u v w 0 120j e 0 240j e 0 120j sv e)t(i 3 2 0 240j sw e)t(i 3 2 )t(i 3 2 su )(ti s γ 6 Hình 2.3. Biểu diễn dòng ñiện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa ñộ αβ 2.2.2. Chuyển hệ tọa ñộ cho vector không gian Ta xây dựng một hệ tọa ñộ mới dq có chung ñiểm gốc với hệ tọa ñộ αβ và nằm lệch ñi một góc s θ . Dễ dàng chuyển tọa ñộ αβ sang tọa ñộ dq: sssssq sssssd iii iii θθ θθ αβ αβ sincos cossin −= += (2.6) Cuộn dây pha u Cuộn dây pha v Cuộn dây pha w α jβ 0 i sα =i su i sβ i sv i sw s i 7 Cuộn dây pha u Cuộn dây pha w Cuộn dây pha v Trục từ thông rotor Trục rotor α jq jβ i sα θ i sβ i sd i sq θ s ω ω s d ψ i 2.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa ñộ từ thông rotor Hình 2.5. Biểu diễn các vector trên hệ tọa ñộ từ thông rotor Giả thiết ñộng cơ quay với tốc ñộ dt d θ ω = . Từ thông rotor r ψ quay với tốc ñộ góc dt d f s ss θ πω == 2 trong ñó f s là tần số của mạch ñiện stator. ω = s ω và θ = s θ 2.3. MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ PMSM BA PHA 2.3.1. Lý do xây dựng mô hình Để xây dựng, thiết kế bộ ñiều khiển cần phải có mô hình mô tả ñối tượng ñiều khiển 2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của ñộng cơ Ph ương trình ñiện áp: f S f f S f S S f S j dt d iRu ψω ψ ++= (2.16) 8 Véc tơ từ thông rotor : f p f s s f s iL ψψ += (2.18) Phương trình moment )( 2 3 s s cM ipm ×= ψ (2.19) Phương trình cân bằng moment là dt d p J mm c TM ω += (2.20) 2.3.3. Các tham số của ñộng cơ 2.3.4. Mô hình trạng thái của ñộng cơ trên hệ tọa ñộ rotor (dq) Phương trình ñiện áp sqsqs sd sdsdssd iL dt di LiRu ω −+= (2.22) pssdsds sq sqsqssq iL dt di LiRu ψωω +++= Phương trình dòng ñiện sd sd sq sd sq ssd sd sd u L i L L i Tdt di 11 ++−= ω 2.23) sq p ssq sq sq sq sd sq sd s sq L u L i T i L L dt di ψ ωω −+−−= 11 Phương trình momen của ñộng cơ PMSM m M sqsdsqsqsdsd sd p c iiLiLi L p −+= )[( 2 3 ψ ] (2.24) T ừ các phương trình (2.23) và (2. 24) ta xây dựng mô hình ñộng cơ như sau: . nữa, mà là toàn bộ vector không gian dòng stator của ñộng cơ. 14 Chương 4 : ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU 4.1. GIỚI. 1 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN NGỌC THÌN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU Chuyên ngành: Tự ñộng hóa