Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha dùng mạng nơron thích nghi

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THỊ TRUNG TÍN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ XOAY CHIỀU 3 PHA DÙNG MẠNG NƠRON THÍCH NGHI Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG 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. NGUYỄN ĐỨC THÀNH Phản biện 1: ……………………………………. Phản biện 2: ……………………………………. Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 10 tháng 9 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 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Hiện nay trong các hệ truyền ñộng của các dây truyền sản xuất hiện ñại, ñộng cơ xoay chiều ba pha không ñồng bộ (KĐB) rotor lồng sóc ñang ñược sử dụng rộng rãi bởi có nhiều ưu ñiểm như cấu tạo ñơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin cậy và an toàn. Với sự phát triển của lý thuyết ñiều khiển và các ngành có liên quan làm cho ñộng cơ KĐB ñang chiếm dần ưu thế trong các hệ truyền ñộng. 2. Mục ñích nghiên cứu - Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt ñộng và mô hình toán học của ñộng cơ không ñồng bộ rotor lồng sóc. - Tìm hiểu các phương pháp ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc. - Tìm hiều cấu trúc của hệ truyền ñộng ñiện xoay chiều 3 pha ñiều khiển trực tiếp moment (DTC). - Tìm hiểu lý thuyết về bộ biến tần ma trận và ứng dụng bộ biến tần ma trận cùng phương pháp DTC trong ñiều khiển ñộng cơ KĐB. - Tổng hợp và mô phỏng ñược bộ ñiều khiển ñộng cơ KĐB xoay chiều ba pha không dùng cảm biến tốc ñộ - Trình bày kết quả so sánh giữa bộ PI thông thường và bộ ñiều khiển dùng mạng nơron thích nghi nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ ñiều khiển tốc ñộ dùng mạng nơron thích nghi trong các ñiều kiện thông số thay ñổi. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Động cơ xoay chiều ba pha KĐB có roto lồng sóc. 4 Phạm vi nghiên cứu: Điều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB có roto lồng sóc. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết, xử lý thông tin. - Mô phỏng giải thuật ñiều khiển ñộng cơ bằng phần mềm Matlab/Simulik. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài luận văn Đề tài mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao bởi lẽ: - Đáp ứng nhu cầu ñiều khiển truyền ñộng ñiện ngày một cao. - Sử dụng phương pháp ñiều khiển “thông minh”. 6. Cấu trúc luận văn Trong luận văn này, với nội dung nghiên cứu ñã ñược nêu ở trên, tác giả bố cục luận văn thành 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Biến tần ma trận và vấn ñề chuyển mạch Chương 3: Phương pháp DTC cho biến tần ma trận Chương 4: Thuật toán ñiều khiển vận tốc ñộng cơ KĐB xoay chiều ba pha dùng mạng nơron thích nghi 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn ñề 1.2. Tổng quan về ñộng cơ không ñồng bộ ba pha 1.2.1. Giới thiệu 1.2.2. Cấu tạo 1.2.3. Nguyên lý hoạt ñộng 1.3. Các phương trình cơ bản của ĐCKĐB 1.4. Các phương pháp ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB 1.4.1. Điều khiển vô hướng ĐCKĐB (scalar) 1.4.2. Phương pháp ñịnh hướng trường(FOC) 1.4.3. Phương pháp ñiều khiển trực tiếp moment (DTC) + Ưu ñiểm của phương pháp DTC so với phương pháp FOC: o Ít phụ thuộc vào thông số ñộng cơ. o Không cần phải sử dụng các khối chuyển ñổi tương quan. o Cho ñáp ứng momen nhanh hơn. 1.4.4. Giới thiệu bộ biến tần ma trận Việc sử dụng biến tần ma trận có nhiều ưu ñiểm như: o Biến tần ma trận có khả năng chuyển ñổi ñiện áp xoay chiều có tần số và biên ñộ cố ñịnh ở ngõ vào thành ñiện áp xoay chiều có tần số và biên ñộ thay ñổi. o Cho phép tải hoạt ñộng trong cả 4 góc phần tư mặt phẳng V- A của tải (four-quadrant operation). o Không cần sử dụng nhiều tụ ñiện như trong bộ biến ñổi DC- link. o Ngăn chặn ñặc tính nguồn ngõ vào và làm tăng mật ñộ công suất ở ngõ ra. o Tạo ra luồng công suất hai chiều bất chấp số pha của ngõ vào 6 và ngõ ra, cho phép nâng cao hiệu suất hoạt ñộng lên nhiều lần so với các bộ ñiều khiển AC thông thường. o Bằng cách sử dụng các phương pháp ñiều biên thích hợp, biến tần ma trận có thể tạo nhiều dạng sóng ngõ ra bất chấp các loại tải và nguồn ngõ vào. o Giảm khối lượng ñáng kể so với các bộ biến ñổi ña tầng. o Tuổi thọ cao. 1.5. Những kỹ thuật ñiều khiển tiên tiến hiện nay 1.6. 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 KĐB. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu ñiểm, các phương pháp vẫn tồn tại những khuyết ñiểm: - Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền ñộng ñặc tính thấp. - Điều khiển DTC: tần số ñóng ngắt linh kiện thay ñổi khi không sử dụng các giải thuật nâng cao, yêu cầu tốc ñộ tính toán và tần số lấy mẫu cao, xảy ra hiện tượng ñập mạch do momen có sự dao ñộng khi ñiều khiển ở tốc ñộ 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 và bộ ñiều khiển phổ biến như PID thì không thể duy trì yêu cầu ñiều khiển dưới những ñiều kiện thay ñổi. Do ñó, ñể khắc phục những nhược ñiểm trên, việc kết hợp ñiều khiển trí tuệ nhân tạo 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. 7 CHƯƠNG 2 BIẾN TẦN MA TRẬN VÀ VẤN ĐỀ CHUYỂN MẠCH 2.1. Tổng quan về biến tần ma trận 2.1.1. Nguyên lý ñiều khiển bộ biến tần ma trận Hình 2.1. Sơ ñồ nguyên lý biến tần ma trận 3x3 2.1.2. Các giải thuật ñiều chế phổ biến 2.1.2.1. Giải thuật ñiều chế sóng mang Venturini 2.1.2.2. Giải thuật ñiều chế vô hướng (Roy) 2.1.2.3. Gi ả i thu ậ t ñ i ề u ch ế vector không gian (VTKG ) 2.1.2.4. Gi ả i thu ậ t ñ i ề u ch ế gián ti ế p 2.2. Vấn ñề chuyển mạch trong biến tần ma trận 2.2.1. Các hiện tượng không mong muốn trong quá trình chuyển mạch 2.2.2. Giải thuật chuyển mạch 4 bước Tổng quát hóa, ta có thể xây dựng giải thuật chuyển mạch 4 bước như sau: o B ướ c 1 : Ngắt IGBT ñang ở trạng thái không dẫn dòng trong cặp IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ngắt. o B ướ c 2 : Đóng IGBT sẽ ở trạng thái dẫn dòng trong cặp Nguồn 3 pha ngõ vào Khóa 2 chiều 8 IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ñóng. o B ướ c 3 : Ngắt IGBT ñang ở trạng thái dẫn dòng trong cặp IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ngắt. o B ướ c 4 : Đóng IGBT sẽ ở trạng thái không dẫn dòng trong cặp IGBT chuẩn bị chuyển sang trạng thái ñóng. Giải thuật chuyển mạch 4 bước hiện nay có thể thực hiện dễ dàng trên các kit FPGA. 2.3. Kết luận chương 2 Hiện nay, biến tần ma trận ñang trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện và trong tương lai sẽ thay thế các bộ biến tần truyền thống. Việc sử dụng biến tần ma trận có nhiều ưu ñiểm như ñã ñược trình bày ở chương 1. Cùng với ñó, phương pháp DTC cũng là 1 lựa chọn mới trong các kỹ thuật ñiều khiển ĐCKĐB với những ưu ñiểm chính như: o Đơn giản, không cần ñến các khối chuyển ñổi tương quan. o Tính linh hoạt cao. o Khả năng ñiều khiển bền bỉ và chính xác. o Không cần phải sử dụng các cảm biến ño từ thông trực tiếp. o Không phụ thuộc nhiều vào thông số của ñộng cơ. o Khả năng bám tốc ñộ ñặt cao, ngay cả khi tải thay ñổi. Tuy nhiên, trước ñây phương pháp DTC thường chỉ áp dụng cho các bộ biến tần truyền thống ñể ñiểu khiển ñộng cơ. Việc ứng dụng phương pháp DTC và biến tần ma trận có thể kết hợp tất cả những ưu ñiểm ở trên, cho ta ñáp ứng tốt của hệ thống trong những ñiều kiện thông số bên ngoải thay ñổi, kết cấu nhỏ gọn và có ñược hiệu suất tối ña. 9 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP DTC CHO BIẾN TẦN MA TRẬN 3.1. Tổng quan về phương pháp DTC Ưu ñiểm chính của phương pháp DTC là: o Đơn giản, không cần ñến các khối chuyển ñổi phối hợp. o Tính linh hoạt cao. o Khả năng ñiều khiển bền bỉ và chính xác. o Không cần sử dụng cảm biến ño từ thông trực tiếp. Tuy nhiên, phương pháp DTC cũng có một vài hạn chế như: khó khăn trong việc kiểm soát từ thông và momen ở tốc ñộ rất nhỏ của ñộng cơ, dòng ñiện lớn và sự nhấp nhô của momen gây ra hiện tượng thất thoát ñiện năng lớn và tiếng ồn khi ñộng cơ hoạt ñộng, tần số ñóng ngắt hay thay ñổi. 3.2. Cấu hình DTC thông thường (Conventional DTC) Hình 3.2. Mô hình phương pháp DTC cơ bản 3.2.1 Biến tần nguồn áp ba pha (VSI) 3.2.2. Điều khiển từ thông trực tiếp 3.2.3. Điều khiển momen trực tiếp 3.2.4. Lựa chọn trạng thái ñóng ngắt cho khóa Chọn Vector ñiện áp VSI Ước lượng từ thông và mômem 10 3.3. Mô hình ước lượng từ thông stator 3.3.1. Ước lượng theo ñiện áp Hình 3.13. Sơ ñồ cấu trúc phương pháp ước lượng theo thuật toán của Hu và Wu Hình 3.14. Mô phỏng phương pháp ước lượng từ thông của Wu và Hu 3.3.2. Ước lượng theo dòng ñiện 3.4. Mô hình ước lượng moment ñiện từ Giá trị ước lượng momen ñiện từ ñược xác ñịnh theo công thức: )( 2 3 αββα ψψ TTTTe iipT ∧∧ −= (3.19) 3.5. So sánh có tạo trễ (Hysteresis Controller) 3.5.1. Tần số ñóng ngắt 3.5.2. Độ gợn momen (torque ripple) x Ts G y + = 1 Ts G y + = 1 y + + z 11 3.6. Ứng dụng biến tần ma trận trong kỹ thuật DTC Hình 3.21. Mô hình phương pháp DTC cho biến tần ma trận 3.7. Mô phỏng Matlab phương pháp DTC cho biến tần ma trận, vòng ñiều khiển tốc ñộ dùng bộ PI 3.7.1. Tổng quát - Hình 3.22 là mô hình tổng quát của kết quả mô phỏng DTC cho biến tần ma trận sử dụng công cụ modeling của MATLAB. Nó bao gồm khối nguồn, khối khóa công suất và khối DTC (bao gồm giải thuật chính và ñộng cơ không ñồng bộ). BIẾN TẦN MA TRẬN Chọn vector ñiện áp VSI Ước lượng từ thông, momen Ước lượng <sin( i ψ )> 12 Hình 3.22. Sơ ñồ khối tổng quát của mô hình mô phỏng DTC 13 3.7.2. Động cơ không ñồng bộ 3.7.3. Khối chuyển ñổi CLARKE (abc => αβ) 3.7.4. Vòng ñiều khiển từ thông và momen 3.7.5. Ước lượng từ thông và moment Hình 3.27. Khối ước lượng từ thông và momen 3.7.6. Khối so sánh có tạo trễ Hình 3.28. Khối so sánh từ thông và momen 14 3.7.7. Khối xác ñịnh sector của vector không gian Hình 3.29. Khối xác ñịnh sector của vector không gian 3.7.8. Khối xác ñịnh cấu hình ñóng ngắt cho DTC cơ bản Hình 3.31. Khối xác ñịnh vector VSI 15 3.7.9. Khối xác ñịnh cấu hình khóa cho DTC matrix Hình 3.32.Khối xác ñịnh vector cho biến tần ma trận 3.8. Vòng ñiều khiển tốc ñộ với bộ PI cố ñịnh Hình 3.34. Khối ñiều khiển tốc ñộ PI 3.9. Kết quả mô phỏng dùng phương pháp DTC, vòng ñiều khiển tốc ñộ dùng bộ PI - Với sơ ñồ mô phỏng ñược thiết kế như trên, ñiện áp nguồn 3 pha 220V/50Hz, tần số ngõ ra yêu cầu 25Hz ta có một số kết quả mô phỏng: 16 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 : iA : iB : iC 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -600 -400 -200 0 200 400 600  Dòng tải Hình 3.35. Dòng tải mô phỏng  Áp tải: Voltage (V) Ampe Time (Sec) Time (Sec) 17 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -600 -400 -200 0 200 400 600 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -600 -400 -200 0 200 400 600 Hình 3.36. Áp dây tải V ab - Mô tả hoạt ñộng của mô hình (Hình 3.22): + Tại thời ñiểm t = 0, tốc ñộ ñặt của ñộng cơ là 1000 vòng/phút. Theo các hình tốc ñộ phản hồi ñang tăng dần theo hàm dốc tốc ñộ ñặt. + Tại thời ñiểm t = 0.5s (sau khi tốc ñộ ñã ñạt trạng thái xác lập), moment tải ñịnh mức có giá trị 0.13 Nm ñược ñặt vào ñộng cơ. Khi ñó, tốc ñộ ñộng cơ có giảm ñi ñôi chút. + Tại thời ñiểm t = 1s, tốc ñộ ñặt là 500vòng/phút. Tốc ñộ ñộng cơ do ñó giảm theo hàm dốc về 500vòng/phút. Voltage (V) Time (Sec) Voltage (V) Time (Sec) 18 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 : Moment hoi tiep : Moment dat 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 + Tại thời ñiểm t = 1.5s, moment tải ñịnh mức có giá trị là 0.22 Nm ñược ñặt vào ñộng cơ. Khi ñó, tốc ñộ ñộng cơ có giảm ñi ñôi chút.  Dòng ñiện stator:  Moment ñộng cơ: Hình 3.37. Đáp ứng dòng ñiện stator của ñộng cơ Dòng ñ i ệ n stator Time (Sec) Ampe (A) Hình 3.38. Đáp ứng moment ñộng cơ Time (Sec) Moment (Nm) 19 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 Nhận xét: Ta thấy moment xảy ra hiện tượng ñập mạch. Tuy nhiên, bản chất ñộng cơ là một bộ lọc thông thấp với L lớn nên ñộng cơ hoạt ñộng với moment ñập mạch mà không gây ra hư hỏng.  Đáp ứng tốc ñộ: 3.10. Kết luận chương 3 Kết hợp những ưu ñiểm của biến tần ma trận và phương pháp DTC. Trong chương này, tác giả ñã xây dựng mô hình ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc ứng dụng biến tần ma trận trong phương pháp DTC với vòng phản hồi tốc ñộ dùng bộ PI thông thường. Kết quả cho thấy tốc ñộ phản hồi bám tương ñối chặt so với tốc ñộ ñặt của ñộng cơ. Moment của ñộng cơ moment xảy ra hiện tượng ñập mạch. Tuy nhiên, bản chất ñộng cơ là một bộ lọc thông thấp với L lớn nên ñộng cơ hoạt ñộng với moment ñập mạch mà không gây ra hư hỏng. Hình 3.39. Đáp ứng tốc ñộ : Tốc ñộ phản hồi : Tốc ñộ ñặt Speed (RPM) Time Khi có moment tải 20 CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC ĐỘNG CƠ KĐB XOAY CHIỀU BA PHA DÙNG MẠNG NƠRON THÍCH NGHI 4.1. Khái quát mạng nơron 4.1.1. Giới thiệu Nơron sinh học có cấu tạo như hình 4.1. 4.1.2. Tế bào nơron nhân tạo 4.1.3. Các loại mạng nơron nhân tạo thường gặp và phương pháp huấn luyện mạng 4.1.3.1. Mạ ng n ơ ron truy ề n th ẳ ng m ộ t l ớ p 4.1.3.2. Mạ ng n ơ ron truy ề n th ẳ ng nhi ề u l ớ p 4.1.3.3. Mạ ng n ơ ron h ồ i quy m ộ t l ớ p. 4.1.3.4. Mạ ng n ơ ron h ồ i quy nhi ề u l ớ p. 4.1.4. Các phương pháp huấn luyện mạng nơron nhân tạo 4.1.4.1. Họ c có giá m sá t 4.1.4.2. Họ c củ ng c ố 4.1.4.3. Họ c không có giá m sá t . Đầu dây nơron và o Khớp nối Đầu cuối sợi nơron Trục nơron Thân nơron Hình 4.1. Nơron sinh học