Điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp mờ thích nghi

1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Cơng trình đư c hồn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Đ I H C ĐÀ N NG PHAN CƯ NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS NGUY N ANH DUY Ph n bi n 1: PGS.TS BÙI QU C KHÁNH ĐI U KHI N Đ NG CƠ Đ NG B B NG PHƯƠNG PHÁP M NAM CHÂM VĨNH C U - THÍCH NGHI Ph n bi n 2: TS NGUY N Đ C THÀNH Chun ngành: T đ ng hóa Mã s : 60.52.60 Lu n văn ñư c b o v t i H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày tháng năm 2012 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng Đà N ng, Năm 2012 M Đ U Đ gi i quy t nh ng v n ñ trên, nhi u gi i thu t ñi u n Tính c p thi t c a ñ tài ñ ng ñ ng b ñã ñư c nghiên c u ng d ng lĩnh v c Ngày nay, ñ ng ñi n ñ ng b ñư c s d ng nhi u truy n ñ ng ñi n như: Phương pháp ñi u n vector (Đi u n lĩnh v c u n, cơng nghi p có nh ng đ c m vư t tr c ti p moment (Direct Torque Control- DTC), ñi u n t a theo tr i hi u su t, Cos ϕ cao, t c ñ ph thu c vào ñi n áp Tuy t thơng (Field Orientated Control- FOC)), phương pháp u n nhiên, vi c ñi u n ñ ng đ ng b cịn tương đ i khó khăn, vô hư ng (Đi u n V/f = h ng s ) Hi n nay, phương pháp ñang ñư c ng d ng r ng rãi đ c tính phi n m nh Nh ng khó khăn vi c ng d ng đ ng đ ng b làm th ñ có th d dàng ñi u ch nh t c ñ lĩnh v c ñi u n h truy n ñ ng ñ ng ñ ng b Tuy vi c ñi u ch nh ñ ng m t chi u Vì v y, ý tư ng v vi c bi n nhiên, bên c nh nh ng ưu ñi m, phương pháp v n t n t i ñ i máy ñi n xoay chi u thành máy ñi n m t chi u phương di n nh ng khuy t ñi m như: - V i ñi u n V/f = h ng s , ch dùng cho h truy n ñi u n ñã ñ i Đi u n vector s cho phép ñi u n t thơng moment hồn tồn đ c l p v i thơng qua u n đ ng có đ c tính th p - V i phương pháp ñi u n tr c ti p moment, đáp ng giá tr t c th i c a dòng ho c giá tr t c th i c a áp Đi u n t c ñ th p, moment ñi u ch nh không trơn vector cho phép t o nh ng ph n ng nhanh xác c a t - Đi u n t a theo t thơng thơng moment q trình q đ trình xác l p Cũng h th ng ñi u n khác, ch t lư ng h ñi u b m t ñ ng b Nh m h n ch nh ng khuy t ñi m nâng cao ch t lư ng n truy n ñ ng ñi n ph thu c r t nhi u vào ch t lư ng c a b ñi u n, h th ng ph i t o ñư c kh thay ñ i t c ñ t c ñ danh ñ nh ñ ng h truy n đ ng tốn m thích nghi k t h p v i phương trơn, m n v i ph m vi ñi u ch nh r ng, đ xác c a đ i lư ng pháp u n thơng thư ng ñang m t hư ng nghiên c u ñi u ch nh ñ y tri n v ng lĩnh v c ñi u n truy n ñ ng ñi n xoay ch ñ tĩnh cao ñ t o nên vùng làm vi c v i sai s nh , h làm vi c v i b t c q trình q đ ph i đ t ñư c ñ n chi u ñ nh cao h ph i có kh đáp ng nhanh v i yêu c u ñi u V i mong mu n tìm hi u sâu v lĩnh v c truy n ñ ng ñi n ch nh T t c nh ng ñi u th c s ñã ñ t nh ng yêu c u xoay chi u, ngư i nghiên c u ch n ñ tài “ñi u n ñ ng ñ ng ngày kh t khe cho h th ng truy n ñ ng b mam châm vĩnh c u b ng phương pháp m - thích nghi” làm ñ tài cho lu n văn Th c sĩ 3 M c tiêu c a ñ tài - S d ng phương pháp m thích nghi u n ñ ng - Thi t k b ñi u n PI kinh ñi n ñ ñi u n t c ñ c a ñ ng Phương pháp nghiên c u ng d ng phương pháp m có thích nghi u n ñ ng - ñ ng b nam châm vĩnh c u ñ ng b nam châm vĩnh c u Nghiên c u lý thuy t tìm hi u c u trúc c a truy n ñ ng ñi n xoay chi u ba pha, qua ñó phân tích thi t k b u n Đ i tư ng ph m vi nghiên c u Xây d ng mơ hình, mơ ph ng ph n m m Matlab/Simulink ñ ki m ch ng, ñánh giá rút k t lu n Đ i tư ng nghiên c u: Đ ng ñi n ñ ng b nam châm vĩnh c u xoay chi u ba Ý nghĩa c a ñ tài Đ tài tài li u tham kh o h u ích cho nh ng quan tâm ñ n pha phương pháp ñi u n ñ ng ñi n ñ ng b xoay chi u ba pha Ph m vi nghiên c u: - Tìm hi u phương pháp ñi u n h truy n ñ ng ñ ng ñ ng b như: nam châm vĩnh c u cách th c thi t k mơ hình hóa b u n mô ph ng Matlab/Simulink + Phương pháp ñi u n vô hư ng (ñi u n V/f = V i k t qu nghiên c u c a đ tài có th s góp ph n hồn thi n m t phương pháp u n m i, kh c ph c ñư c m t s h ng s ) + Phương pháp ñi u n vector: c ñi m c a phương pháp ñi u n kinh ñi n, t m ▪ Đi u n tr c ti p moment (Direct Torque Control - m t ti m áp d ng cài ñ t vào thi t b ñi u n thương m i, ñ gi i quy t v n ñ c p bách hi n nâng cao ch t DTC) ▪ Phương pháp ñi u n t a theo t thông (Field Orientated Control - FOC) Trong đó, Ngư i nghiên c u s d ng phương pháp ñi u n t a theo t thơng rotor làm hư ng nghiên c u - Xây d ng mơ hình u n h truy n ñ ng ñ ng ñ ng b b ng phương pháp t a theo t thông rotor, s d ng b ñi u n PI ñ ñi u n t c ñ c a ñ ng lư ng ñi u n h truy n ñ ng ñ ng ñi n ñ ng b Ngồi ph n m đ u k t lu n, b n lu n văn ñư c chia thành chương: Chương T ng quan v ñ ng ñ ng b nam châm vĩnh c u (PMSM) Chương M t s phương pháp ñi u n truy n ñ ng ñ ng xoay chi u ba pha Chương Gi i thi u v ñi u n m u n thích nghi theo mơ hình m u MRACS Chương Quan sát ñ ng PMSM c c l i có khe t (v trí ñ nh c c, v trí tr c d) bé khe t ng d ng phương pháp m thích nghi ñi u n ñ ng ñ ng b nam châm vĩnh c u v trí gi a phi n v trí ti p giáp gi a hai phi n (v trí tr c q) nên n c m stator hai tr c d,q khác - Phuơng trình t thơng ψsd = Lsdisd + ψp ψsq = Lsqisq CHƯƠNG T NG QUAN V Đ NG CƠ Đ NG B NAM CHÂM VĨNH C U 1.1 Gi i thi u v ñ ng PMSM1.2 Vector khơng gian c a đ i lư ng ba pha 1.2 Vector khơng gian c a đ i lư ng ba pha 1.2.1 Xây d ng vector khơng gian 1.2.2 Chuy n h t a đ cho vector khơng gian n c m Stato đo Lsq v trí d c đ nh c c n c m Stato đo Lsd v trí ngang c c Thay phương trình t thơng vào phương trình (1.15) vi t l i dư i d ng phương trình ph n t ta thu ñư c: u sd = R s i sd + L sd u sq = R s i sq + L sq 1.2.3 Bi u di n vector không gian h t a đ t thơng rotor 1.3 Mơ hình c a ñ ng PMSM ba pha 1.3.1 Lý xây d ng mơ hình 1.3.2 H phương trình b n c a ñ ng 1.3.3 Các tham s c a đ ng 1.3.4 Mơ hình tr ng thái c a ñ ng h t a ñ rotor (dq) (1.19) di sd − ω s L sq i sq dt di sq dt (1.20) + ω s L sd i sd + ω sψ p Phương trình dịng n L disd 1 = − isd + ωs sq isq + usd dt Tsd Lsd Lsd disq dt = −ω s ψp Lsd 1 isd − isq + u sq − ω s Lsq Tsq Lsq Lsq -Phương trình momen c a đ ng PMSM mM = p c (ψ sd isq + ψ sq isq ) (1.21) p c [ψ p isq + isd isq ( L sd − L sq )] ψp = p c [( + isd ) L sd isq − L sq isd isq ] L sd CHƯƠNG = CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐI U KHI N TRONG TRUY N (1.22) T phương trình (1.21) (1 22) ta xây d ng mơ hình đ ng Đ NG Đ NG CƠ ĐI N XOAY CHI U BA PHA 2.1 Thi t b bi n t n 2.1.1 Mô t v c u trúc b bi n t n 2.1.2 Mơ t tốn h c b bi n t n 2.2 Phương pháp ñi u ch ñ r ng xung (PWM) 2.3 Phương pháp u ch vector khơng gian (SVM) 2.4 Đi u n t a theo t thơng rotor truy n đ ng đ ng PMSM 2.4.1 Đi u ki n ñi u n moment t i ưu 2.4.2 Cơ s c a phương pháp t a theo t thông rotor 2.4.3 C u trúc truy n ñ ng ñ ng PMSM t a theo t thông rotor 10 2.4.3.1 Sơ ñ nguyên lý ñi u n t a theo t thơng rotor 2.4.3.2 Ngun lý u n t a theo t thông rotor 2.4.3.3 Xây d ng thu t tốn u n ∗ sd ĐCi sd d i =0 ∆i ∆isq y MTu usq ñ ng ñ ng b ba pha s d ng khâu u ch nh n tính theo 3∼ u isd isq k e 2.4.3.4 T ng h p b ñi u n t a theo t thông rotor h bi n t n – ĐCVTK usα G usβ y ĐCi q ∗ isq CTĐ usd u jθs θs e jθs ω ω M ch vịng u n t c đ : MC CTĐi Khâu tích phân ĐCω - T ng h p b ñi u ch nh t c ñ isv ĐCĐB ω∗ vw isu isα isβ lu t PI M ∼ Máy đo t c đ quay Hình 2.20 C u trúc truy n ñ ng ñ ng ñ ng b nuôi ω* Rω - i* 1 + 2Ti s ω 3pcΨp M Hình 2.22 M ch vịng u n t c đ b i bi n t n ngu n áp ñi u n t a theo t thông rotor i Đ t: K1 = ; K2 = pc Ψ p Hàm truy n h : S ( s ) = K1 K (1 + 2Ti s ).Js B ñi u n t c ñ theo tiêu chu n t i ưu ñ i x ng: J.s ω 11 12 + R i r c hoá t p m + 8Ti s 8.J Ti J = + K1 K 2Ti s K1 K Ti s K1 K Ti J K pw K = K pw + iw = K pw + s 8.Ti s Rω = VÀ ĐI U KHI N THÍCH NGHI THEO MƠ HÌNH M U MRACS 3.1 Đi u n m 3.1.1 T ng quan v ñi u n m 3.1.2 Đ nh nghĩa t p m 3.1.3 Mơ hình m Mamdani 3.1.4 M t vài d ng hàm liên thu c thư ng ñư c s d ng 3.1.5 C u trúc b ñi u n m 3.1.6 T ng h p b ñi u n m Đ i v i b ñi u n m theo mơ hình Mamdani, th c hi n theo bư c sau: - Đ nh nghĩa t t c bi n ngôn ng vào/ra - Đ nh nghĩa t p m (giá tr ngôn ng ) cho bi n vào/ra: + Xác ñ nh mi n giá tr v t lý cho bi n ngôn ng vào/ra + Xác ñ nh s lư ng t p m c n thi t + Xác ñ nh ki u hàm liên thu c - Ch n thi t b h p thành m (max-Min hay sum-Min, ) - Ch n phương pháp gi i m - T i ưu h th ng 3.2 Đi u n thích nghi theo m u 3.2.1 Gi i thi u chung CHƯƠNG GI I THI U V ĐI U KHI N M - Xây d ng lu t ñi u n (các m nh ñ h p thành) 3.2.2 H th ng thích nghi theo mơ hình m u 3.2.3 Lu t thích nghi 3.2.3.1 Phương pháp đ nh y (lu t MIT) 3.2.3.2 Gradient phương pháp bình phương bé nh t d a tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai s 3.2.3.3 Hàm Lyapunov 13 14 CHƯƠNG NG D NG PHƯƠNG PHÁP M Hàm thu c tương ng: - THÍCH NGHI ĐI U KHI N Đ NG CƠ Đ NG B NAM CHÂM VĨNH C U 4.1 Đ t v n ñ : 4.2 Mơ hình b n c a b u n m thích nghi 4.3 Thi t k b u n m thích nghi 4.3.1 Thi t k b ñi u n m 4.3.2 Đ i v i khâu ch nh ñ nh m c a b u ch nh t c đ Hình 4.3 Hàm thu c b ñi u ch nh m ch nh ñ nh KPω c a Rω Rω 4.3.3 Đ i v i khâu ch nh ñ nh m c a b u ch nh dịng R22 4.4.2 Xây d ng c u trúc cho b ñi u n m ch nh ñ nh 4.4 Xây d ng c u trúc b ñi u n m Ki2 c a R22 4.4.1 Xây d ng c u trúc cho b ñi u n m B ch nh đ nh m c a Rω có hai ñ u vào eω B ch nh ñ nh m có hai đ u vào eisq deω m t dt deisq dt m t ñ u Ki2 v i sơ ñ c u trúc hình 4.3 đ u KPω v i sơ đ c u trúc hình 4.2 Hình 4.4 C u trúc b u ch nh m ch nh đ nh Ki2 c a Rω Hình 4.2 C u trúc b ñi u ch nh m ch nh ñ nh KPω c a Rω Hàm thu c tương ng: 15 16 B ng 4.3 Lu t ch nh đ nh Ki de(t ) dt AL • L K NH L AN TB NH NH TB L NH TB K L NH TB L L TB TB DL NH NH K NH NH 4.6.1 B ñi u n m c a Rω 4.6.2 B ñi u n m c a R22 de(t ) dt 4.7 Thi t k c u thích nghi AL AN K DN DL AL L L L L L AN NH NH NH TB L K NH TB K TB L DN L TB TB TB NH DL • L 4.6 T ng h p khâu b ñi u n m T ng h p lu t ch nh ñ nh Kp B ng 4.2 Lu t ch nh ñ nh Kp e(t) DL DN 4.5 Xây d ng lu t ñi u n DN K Hình 4.5 Hàm thu c b u ch nh m ch nh ñ nh Ki2 c a Rω K AL e(t) AN NH NH NH NH NH Cơ c u thích nghi đư c thi t k theo lu t ti m c n Gradient [8] e e dK = γ Gm rm dt K Trong đó, K h s khuy ch ñ i ñ u c a b u n m γ : nói lên t c ñ h i t c a thu t tốn thích nghi, đư c l a ch n ki m ch ng k t qu mô ph ng erm = ω m − ω r : sai l ch gi a t c ñ c a mơ hình T ng h p lu t ch nh ñ nh Ki t c ñ c a ñ ng e = ω * −ω r : sai l ch gi a t c ñ ñ t v i t c ñ c a ñ ng Gm: hàm truy n c a mơ hình m u 17 18 4.8 K t qu mô ph ng Matlab/Simulink 4.8.1 Các sơ đ mơ ph ng 20 momen tai Các sơ đ mơ ph ng sau: 15 10 Mc (N.m) -5 -10 -15 -20 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 4.10 Đáp ng mơ men t i 0.1s đóng t i= Mđm, 0.2s c t t i 150 toc dat toc thuc PI Hình 4.8 Sơ đ mơ ph ng u n ñ ng b ng phương pháp 100 m thích nghi w*,w(rad/s) 50 Hình 4.9 Hàm truy n c a mơ hình m u 4.8.2 Các k t qu mơ ph ng -50 -100 4.8.2.1 Các k t qu mơ ph ng v i b u n PI Đ có s cho vi c so sánh thi t k b ñi u n m -150 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time (s) 0.35 0.4 0.45 0.5 thích nghi, đ tài xây d ng b u n PI mơ hình ñ ng t a theo t thông rotor K t qu mơ ph ng sau: Hình 4.11 Đáp ng t c ñ theo t i b ñi u n PI 19 20 150 20 toc dat toc thuc FLC-PI momen dong co theo tai PI mo men tai 15 100 50 w*,w(rad/s) M, Mc (N.m) 10 -5 -10 -50 -15 -20 0 0.1 0.2 0.3 time (s) 0.4 0.5 -100 Hình 4.12 Đáp ng mơ men theo t i b u n PI -150 Nh n xét: - Đáp ng t c ñ bám theo t c ñ ñ t mơ mem t i thay đ i 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 time (s) 0.35 0.4 0.45 0.5 Hình 4.13 Đáp ng t c đ theo t i b ñi u n m - Th i gian ñ 0.05s - Lư ng ñi u ch nh ñáp 30 ng t c ñ l n (l n nh t 2.2%) trình thay ñ i mô men t i (Mc=Mñm) mo men dong co FC-PI mo men tai FLC-PI 20 sát t c ñ ñ t 4.8.2.2 Các k t qu mô ph ng v i b ñi u n m M,Mc (N.m) - Khi ñ o chi u ñ ng cơ: ñáp ng t c ñ m t 0.05s m i bám 10 -10 -20 -30 0.1 0.2 0.3 time (s) 0.4 0.5 Hình 4.14 Đáp ng mơ men theo t i b ñi u n m 21 22 150 Nh n xét: toc dat toc thuc - V i thi t k b FC-PI cho ñáp ng t c ñ bám theo t c ñ ñ t 100 mô mem t i thay ñ i 50 - Gi m ñ dao ñ ng l n nh t mơ mem t i thay đ i (Mc=Mđm) xu ng cịn 2,02% thay 2.2% b ñi u n PI w*,w(rad/s) - Th i gian q đ gi m xu ng ch cịn 0.024s PI -50 - Khi ñ o chi u ñ ng cơ: ñáp ng t c ñ sau 0.024s thi bám t c ñ -100 ñ t b ñk PI 0.05s 4.8.2.3 Các k t qu mơ ph ng v i b u n m thích nghi -150 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 MRAFC 150 Hình 4.16 So sánh ñáp ng t c ñ gi a b ñi u n toc dat toc thuc MRAFC m thích nghi, m PI 100 101 w*,w(rad/s) 50 toc dat toc thuc 100.5 MRAFC 100 w*,w(rad/s) -50 -100 99.5 99 M 98.5 -150 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 time (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 98 PI 97.5 Hình 4.15 Đáp ng t c ñ theo t i b ñi u n m thich nghi 0.0995 0.1 0.1005 0.101 0.1015 time (s) 0.102 0.1025 0.103 Hình 4.17 Phóng to ñóng t i c a ba b ñi u n 23 24 K T LU N VÀ KI N NGH B ng so sánh gi a ba b ñi u n: B ng 4.5 So sánh b ñi u n B ñi u n Tq(s) POT(%) Tñc(s) Mc=Mñm PI 0.05 2.2% 0.05 M 0.024 2.02% 0.024 M thích nghi 0.024 1.5% 0.024 • Lu n văn ñã th c hi n ñư c: - Tìm hi u m t s phương pháp u n ñ ng ñi n xoay chi u pha - Tìm hi u mơ hình đ ng ñ ng b nam châm vĩnh c u xây d ng mơ hình đ ng h t a ñ dq - Xây d n b ñi u n PI mô ph ng ph n m m Matlab/Simulink Các k t qu mô ph ng cho th y th i gian ñ c a b PI l n c a b m m thích nghi Hai b u n M m thích nghi có th i gian q đ g n gi ng Khi ñ o chi u ñ ng th i gian ñ ti n t i t c ñ ñ t g n gi ng Khi có mơ men t i tác đ ng (Mc = Mñm): B ñi u n PI có lư ng q u ch nh l n b u n m m thích nghi - Xây d ng phương pháp m ch nh ñ nh tham s Kp c a b PI - Xây d ng mô ph ng phương pháp m thích nghi u n đ ng đ ng b kích thích vĩnh c u cho đáp ng t t • Đ xu t hư ng phát tri n: - Đ tài m i ch ñưa cách gi i quy t v n ñ s lý thuy t th nghi m b ng mô hình mơ ph ng, v y tri n khai th c ti n ch c ch n s cịn nhi u v n đ ph i quan tâm - Phương pháp m thích nghi r t khó vi c phân tích k t qu u n tính phi n s thay ñ i liên t c theo th i gian c a h th ng Xây dưng b ñi u n m nơ ron m t hư ng ñi khác cho ñ tài  ... - S d ng phương pháp m thích nghi ñi u n ñ ng - Thi t k b ñi u n PI kinh ñi n ñ ñi u n t c ñ c a ñ ng Phương pháp nghi? ?n c u ng d ng phương pháp m có thích nghi u n ñ ng - ñ ng b nam châm vĩnh... M Hàm thu c tương ng: - THÍCH NGHI ĐI U KHI N Đ NG CƠ Đ NG B NAM CHÂM VĨNH C U 4.1 Đ t v n đ : 4.2 Mơ hình b n c a b u n m thích nghi 4.3 Thi t k b u n m thích nghi 4.3.1 Thi t k b ñi u n m 4.3.2... t thích nghi 3.2.3.1 Phương pháp ñ nh y (lu t MIT) 3.2.3.2 Gradient phương pháp bình phương bé nh t d a tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai s 3.2.3.3 Hàm Lyapunov 13 14 CHƯƠNG NG D NG PHƯƠNG PHÁP