Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

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 Ngư i hư ng d n khoa h c: TS Võ Như Ti n LÊ CÔNG TUẤN Ph n bi n 1: TS Nguy n Đ c Thành NG D NG M NG NƠRON Ư C LƯ NG T THÔNG Đ ĐI U KHI N T C Đ Đ NG CƠ KHÔNG Đ NG B Ph n bi n 2: PGS.TS Nhuy n H ng Anh Chuyên 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 Đà N ng, Năm 2012 - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng 3 M Đ U ▪ Ý nghĩa th c ti n: Lý ch n ñ tài - Trư c ñây, h ñi u n ñi n yêu c u cao v ch t lư ng ñi u n, thư ng s d ng ñ ng ñi n m t chi u - Đi u n vectơ ñ i, ñ ng th i v i s phát tri n công ngh vi x lý - Đ nâng cao ch t lư ng u n toán ng d ng m ng nơron k t h p v i phương pháp ñi u n thơng thư ng M c đích nghiên c u ng d ng m ng nơron c lư ng t thông rotor Đ i tư ng ph m vi nghiên c u - Đi u n ñ ng KĐB xoay chi u ba pha - C u trúc ñi u n ñ ng KĐB ñi u n t a theo t thông rotor - ng d ng m ng nơron truy n th ng nhi u l p c lư ng t thông rotor Phương pháp nghiên c u - Tìm hi u c u trúc u n xây d ng mơ hình, mơ K t qu nghiên c u c a đ tài s góp ph n hồn thi n m t phương pháp u n m i kh c ph c ñư c m t s c ñi m c a phương pháp ñi u n kinh ñi n, t m 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 lư ng ñi u đ ng đ ng n khơng đ ng b C u trúc lu n văn Lu n văn ñư c t ch c sau Ngồi ph n m đ u k t lu n lu n văn chia thành chương sau Chương T ng quan v ñi u n ñ ng ñi n xoay chi u ba pha Chương Mơ hình đ ng khơng đ ng b ba pha Chương C u trúc truy n ñ ng ñ ng không ñ ng b ba pha u n t a theo t thơng rotor Chương ng d ng m ng nơron c lư ng t thơng u n ñ ng không ñ ng b ph ng ph n m m Matlab - Simulink K t lu n hư ng phát tri n c a ñ tài Ý nghĩa khoa h c th c ti n c a ñ tài Tài li u tham kh o ▪ Ý nghĩa khoa h c: Đ tài tài li u tham kh o h u ích cho nh ng quan tâm ñ n ng d ng m ng nơron k t h p v i phương pháp ñi u n t a theo t thông rotor, cách th c thi t k mơ hình hóa b u n mô ph ng Matlab - Simulink 6 Chương 1: T NG QUAN V ĐI U KHI N Đ NG CƠ ĐI N XOAY CHI U PHA 1.1 T ng quan Chương 2: MƠ HÌNH Đ NG CƠ KHÔNG Đ NG B BA PHA 2.1 Gi i thi u v ñ ng KĐB ba pha 2.2 Vectơ khơng gian c a đ i lư ng ba pha 1.2 Các phương pháp ñi u n truy n ñ ng ñ ng KĐB 2.2.1 Xây d ng vector không gian 1.3 Nh ng k thu t ñi u n tiên ti n hi n 2.2.2 Chuy n h t a ñ cho vector khơng gian 1.4 Trình t mơ ph ng c u trúc truy n ñ ng ñ ng KĐB 2.2.3 Bi u di n vector không gian h t a đ t thơng 1.5 K t lu n chương rotor - Hi n phương pháp ñã ñư c ng d ng r ng rãi 2.3 Mơ hình c a đ ng KĐB ba pha lĩnh v c ñi u n truy n ñ ng ñ ng KĐB Tuy nhiên, bên 2.3.1 Lý xây d ng mơ hình c nh nh ng ưu ñi m, phương pháp v n t n t i nh ng khuy t 2.3.2 H phương trình b n c a đ ng ñi m: 2.3.3 Các tham s c a ñ ng - Đi u ch ñ r ng xung (PWM) s u ch vector khơng gian gây sóng hài b c cao - Đi u n vơ hư ng ch dùng cho truy n đ ng đ c tính th p 2.3.4 Mơ hình tr ng thái c a ñ ng h t a đ rotor Có hai lo i h tr c to ñ : - H t a ñ βα g n c ñ nh v i stator - H t a đ dq cịn g i h t a ñ t a hư ng t thông rotor - Đi u n t a theo t thông v n g p m t s h n ch : nh y 2.3.5 Đ c ñi m phi n c a mơ hình đ ng KĐB v i s thay đ i thơng s c a đ ng h ng s th i gian rotor - C u trúc phi n ño lư ng t thơng khơng xác t i t c đ th p Do đó, hi u su t - Tham s phi n gi m b ñi u n ph bi n PID khơng th trì u c u u n dư i nh ng ñi u ki n thay ñ i Do ñó, ñ kh c ph c nh ng c ñi m trên, vi c k t h p ñi u n trí tu nhân t o v i k thu t ñi u n kinh ñi n đ i góp ph n khơng nh 2.3.6 K t lu n chương - Ưu ñi m c a vi c mơ t đ ng KĐB ba pha h t a đ t thơng rotor sau: - Trong h t a ñ t thơng rotor (h t a đ dq), vector vi c phát tri n lĩnh v c ñi u n truy n ñ ng ñi n xoay chi u pha i s vector t thông rotor ψ r , v i h t a ñ dq f dịng stator f quay đ ng b v i v i t c ñ ωs quanh ñi m g c, ñó Chương C U TRÚC TRUY N Đ NG Đ NG CƠ KHÔNG Đ NG B f i ph n t c a vector s (isd isq) ñ i lư ng m t chi u ĐI U KHI N T A THEO T THƠNG ROTOR - Trong ch đ xác l p, giá tr g n không ñ i, trình ñ , giá tr có th bi n đ i theo m t thu t tốn u n đư c ñ nh trư c Hơn n a, h t a ñ dq, ψ rq = nên ψ rf = ψ rd 3.1 Sơ ñ nguyên lý ñi u n t a theo t thông rotor * ψ rd MTi ĐCid * isd ∆isd * isq ∆isq yq * mM k ω * yd Udc MTu u CTĐu ĐCVTKG usα tu sd tv αβ usq dq usβ tw 3~ u vw ĐCiq CĐω ω ω r* ωs Khâu tích θs isd isα isu αβ i isq dq sβ isv CTĐi ω M3~ Đo t c Hình 3.5 C u trúc truy n đ ng ñ ng KĐB nuôi b i bi n t n ngu n áp ñi u n t a theo t thơng rotor 3.2 Ngun lý u n t a theo t thông rotor 3.3 Xây d ng thu t tốn u n Gi i thu t c a t ng kh i h th ng ñi u n t a theo t thơng hình 3.5 sau: ▪ Đ xây d ng m ng tính áp (MTu): u sd = Rs y d − ω s 10 ▪ Khâu ñi u ch nh t c ñ quay (ĐCω): Lσs yq + pTσs m Lσs L / u sq = Rs y q + ω s yd + ωs ψ rd + pTσs Lr (3.6) * * '* = i sq − (ω s − ω ) rd = i sq − ω r*ψ rd ψ '* Tr Tr (3.8) isq = isβ cosθ s − isα sin θ s u sβ = u sd sin θ s + u sq cos θ s p )∆isq (3.16) stator t c đ rotor ta có phương trình sau: (3.10) s dψ rd Lm s s s isd − ω rψ rq − ψ rd = dt Tr Tr s dψ rq (3.11) (3.17) L s s s = m isq + ω rψ rd − ψ rq dt Tr Tr 3.4 K t lu n chương Quá trình tăng ho c gi m t thơng rotor thơng qua vi c u (3.12) n tăng ho c gi m dòng stator isd v i m i quan h tr b c nh t Tr C n áp ñ t nhanh xác dịng isd đ u su = u sα u sv = − u sα + u sβ 2 u sw = −u su − u sv K Iq Theo [7] b c lư ng t thơng rotor d a s dịng ñi n ▪ Chuy n ñ i h to ñ ñi n áp (CTĐu): u sα = u sd cos θ s − u sq sin θ s Đi u ch nh dòng isq (ĐC iq): y q = ( K Pq + K Id )∆isd (3.15) p ▪ B c lư ng t thông rotor: isα = isu isd = isβ sin θ s + isα cosθ s (3.14) Đi u ch nh dòng isd (ĐCid): y d = ( K Pd + ▪ Chuy n ñ i h to đ dịng n (CTĐi): i sβ = (isu + 2isv ) K Iω )( ω * − ω ) p ▪ Các khâu ñi u ch nh dòng (ĐCid ĐCiq) ▪ Đ xây d ng m ng tính dịng (MTi): '* dψ rd * '* = isd − ψ rd dt Tr Tr ω r* = ( K Pω + n ñ nh t thơng ψ rd t i m i m làm vi c c a ñ ng cơ, ñ ng th i áp đ t nhanh xác dịng isq u n momen c a đ ng cơ, ta có th coi isd đ i (3.13) lư ng u n t thơng rotor (dịng kích t ) isq đ i lư ng u n momen đ ng (dịng t o mômen quay) 11 12 Chương 4: NG D NG M NG NƠRON Ư C LƯ NG T B ng vi c mơ t đ ng KĐB ba pha h dq, khơng cịn quan tâm đ n t ng dịng n pha riêng l n a, mà tồn b vector khơng gian dịng stator c a đ ng Khi i s s cung c p hai thành ph n isd ñi u n t thơng isq u n mơmen quay, t có th u n t c đ đ ng THƠNG TRONG ĐI U KHI N Đ NG CƠ KHÔNG Đ NG B 4.1 nh hư ng c a t thơng đ n ch t lư ng ñi u n truy n ñ ng đ ng KĐB - Mơ hình tr ng thái c a ñ ng h to ñ (dq) t n t i h ng s th i gian c a rotor Tr = - Góc pha Lr Rr c a vector t thông : θs = θs( ) + - Vi c tính góc c n ph i tính t c đ góc m ch ñi n rotor ψ / rq = / dψ rq dt ∫ ω dt s (4.37) (ho c t n s fr) c a = , Ta có: ω r = isq / Trψ rd (4.39) - Ư c lư ng xác t thơng m i sai s c a ñ u d n sai Do làm sai góc pha c a vector t thông 4.2 ng d ng m ng nơron truy n th ng nhi u l p c lư ng t thơng truy n đ ng đ ng KĐB - S d ng phương pháp gi m gradient (Gradient descent) - Thu t toán s d ng phương pháp trung bình bình phương nh nh t 1N L E = ∑ ( dn ( k ) − yn ( k ))2 n=1 l - Hàm m c tiêu có d ng sau đây: Các tr ng s ñư c xác ñ nh cho E ñ t giá tr c c ti u - Đi u ch nh tr ng s : w( k + ) = w( k ) −η∇E( w ) - Gradient c a E đư c tính sau: 13 14  ∂E  ∂E  ∂y  ∇E( w ) =   =   = −[d( k ) − y( k )].x( k ) ∂y  ∂w   ∂w  T T Mơ ym Tham s u - T ta tính đư c: w( k + ) = w( k ) + η [d ( k ) − y( k )].x( k ) Cơ c u ch p u B ñi u u Đ i y Hình 4.21 C u trúc c a m t h th ng thích nghi mơ hình tham chi u Mơ hình m u s cho đáp ng ngõ mong mu n đ i v i tín hi u đ t (u c u) H th ng có m t vịng h i ti p thơng thư ng bao g m ñ i tư ng b ñi u n Sai s e sai l ch gi a ngõ c a Hình 4.10: Sai s c c ti u Least Mean Squars error 4.3 Mô hình u n m ng nơron c lư ng t thông rotor h th ng c a mơ hình m u e = y - ym B u n có thơng s thay đ i d a vào sai s H th ng có hai vịng h i ti p: H i ti p M ng nơron c lư ng t thông truy n ñ ng ñ ng vịng h i ti p thơng thư ng vịng h i ti p bên hi u KĐB, s d ng h th ng thích nghi mơ hình tham Trư c h t s th c ch nh tham s cho vòng h i ti p bên Vòng h i ti p bên hi n c a h th ng ñư c xác ñ nh b i m t mơ hình, th hai sai s ñư c gi s nhanh vòng h i ti p bên ngồi c a b u n ñư c hi u ch nh b i sai s gi a mơ hình chu n h th ng Mơ hình chu n s d ng h thích nghi b t ngu n t h liên t c sau đư c m r ng sang h r i r c có nhi u ng u nhiên - H th ng thích nghi mơ hình tham chi u u n tr c ti p có nghĩa tham s ñư c c p nh t m t cách tr c ti p - S d ng phương pháp gradient ñ c p nh t tham s cho c u trúc h th ng thích nghi mơ hình tham chi u 4.4 Ư c lư ng t thơng rotor d a vào dịng n ñi n áp stator tr c to ñ dq 16 15 ▪ Phương trình dịng n ñi n áp stator: V i: (u  dψ rd )    disd     L u sd   dt   isd     dt( u )  = r   − Rs   − σLs  di   dψ rq  Lm u sq  isq     sq     dt   dt       ψ (r n ) ( k ) : T thông rotor dùng m ng nơron (4.41) w1 = − ▪ Phương trình dịng n stator t c đ rotor: (  dψ rdi )  −  dt   T  (i)  =  r  dψ rq   ω r  dt       − ωr  ( i ) ψ rd  L  ( i )  + m −  ψ rq  Tr Tr   isd  i   sq  ψr  −1  ( i ) Lm =  T I + ω r J  r + T i s ψ  r  r ψ (r n ) ( k ) = w1 x1 + w2 x + w3 x3 Các ngõ vào: x1 = Iψ r (n) (4.48) i ( k − ) x3 = I i s ( k − ) =  sd  isq ( k − ) ψ (r i ) , ψ (r u ) : T thông rotor theo mơ hình dịng n n áp L i sai l ch gi a t thơng dịng ñi n ñi n áp ñư c tính sau: { (u) (i) e = ε ( k ) = ψ r ( k ) −ψ r ( k 2 } (4.49) S d ng phương pháp gradient descent đư c phân tích (4.44) Ta có: D li u m u c a m ng nơron theo phương trình (4.43) đư c tính sau: ψ (r n ) ( k ) = (w1 I + w2 J ) (r n ) ( k − ) + w3 i s ( k − ) ψ ( ψ rdn ) ( k − ) ( k −1) =  (n)  ψ rq ( k − ) (  −ψ rqn ) ( k − ) (n) x2 = Jψ r ( k − ) =  ( n )   ψ rd ( k − )  (4.43) isd  1  0 − 1 I = ; J = ; is =     1  0 1 isq  (4.47) Trong đó: (4.42) V i: ( (i u sd  (i ) ψ rd)  ( u ) ψ rdu )  u s =   ;ψ r =  ( i )  ;ψ r =  ( u )  ψ rq    u sq  ψ rq  (4.46) Thay vào phương trình (4.45) ta đư Phương trình (4.42) đư c tính sau: (i ) L Ts ; w2 = ω r Ts ; w3 = m Ts Tr Tr (4.45) [ (u ) ] Iψ ( n) T ∆w (k ) = ψ r −ψ r ( n) r (k − 1) (4.50) 17 ∆E(ψ ) = 18 [ ] T ∂E (u) (n) = ψ r ( k ) −ψ r ( k ) (n) ψ r (k ) 4.5 Các sơ đ mơ ph ng Matlab – Simulink (4.51) vi c ng d ng m ng nơron c u trúc truy n ñ ng ñ ng S d ng gi i thu t lan truy n ngư c, t ta tính đư c: ( w ( k + ) = w ( k ) +η ( ψ w ( k + ) = w ( k ) +η ( ψ ) ( k )).x (4.52) ( k )).x w1 ( k + ) = w1 ( k ) + η ψ r ( k ) − ψ r ( k ) x1 (u ) 3 (u ) r (u ) r (n) ( k ) −ψ r (n) Đ ki m ch ng phương pháp c lư ng t thơng rotor b ng KĐB, lu n văn đư c mô ph ng ph n m m Matlab - Simulink cho đ ng KĐB có s li u b ng sau: B ng thông s ñ ng KĐB ( k ) −ψ r (n) Thông s Ký hi u Giá tr Đơn v Đ ng KĐB is 50 Hz Rr 3.805 Ω Lr 0.274 H Rs 4.85 Ω Ls 0.274 H Lm 0.258 H Pc Mơmen qn tính ψr f S đơi c c us T ns H c m is kW Đi n c m m ch stator v i ngõ vào hình (4.23) 1.5 Đi n tr m ch stator trên, ta xây d ng mơ hình c lư ng t thơng P Đi n c m m ch rotor dq ñã phân tích Cơng su t đ ng Đi n tr m ch rotor D a vào mơ hình dịng ñi n ñi n áp stator h to ñ J 0.00031 kgcm2 T c ñ ñ nh m c nñm 1420 rpm Đi n áp ∆/Y Uñm 220/380 V Dịng n ∆/Y Iđm 11.25/6.5 A (u ) Mơ hình n áp + ωr ψ (r n ) ε - is ANN Mơ hình dịng n M ng hu n luy n Hình 4.23 Ư c lư ng t thơng theo mơ hình dịng n n áp stator 19 4.6 Mơ hình đ ng KĐB 20 4.8 Chuy n ñ i h to đ n áp Hình 4.24 Mơ hình đ ng KĐB c u trúc bên 4.7 M ng tính dịng áp Hình 4.26 Chuy n ñ i h to ñ ñi n áp c u trúc bên 4.9 Chuy n ñ i h to đ dịng n Hình 4.25 M ng tính dịng, áp c u trúc bên Hình 4.27 Chuy n đ i h to đ dịng n c u trúc bên 22 21 4.10 Đi u ch vectơ khơng gian Hình 4.28 Đi u ch vectơ khơng gian 4.11 B ngh ch lưu Hình 4.31 C u trúc truy n ñ ng ñ ng KĐB nuôi b i bi n t n ngu n áp ñi u n t a theo t thông rotor 4.13 Các k t qu mô ph ng ▪ Tr ng thái đ ng khơng ANN: Hình 4.29 B ngh ch lưu c u trúc bên Đóng t i 4.12 B c lư ng t thông thông thư ng a: Đáp ng t thông Hình 4.30 B c lư ng t thơng thơng thư ng c u trúc bên T kh i trên, ta ti n hành xây d ng c u trúc truy n ñ ng ñ ng KĐB nuôi b i bi n t n ngu n áp ñi u n t a theo t thông rotor 23 24 4.14 Mô ph ng truy n ñ ng ñ ng KĐB ng d ng m ng nơron c lư ng t thông rotor Gi m t c b: Đáp ng t c đ Hình 4.38 C u trúc ñi u n ñ ng KĐB nuôi b i bi n t n ngu n áp ñi u n t a theo t thơng rotor nơron ▪ Tr ng thái đ ng có ANN: c: Đáp ng mơmen a: Đáp ng t thông ng d ng m ng 25 26 K T LU N VÀ KI N NGH Thơng qua đ tài “ ng d ng m ng nơron c lư ng t thơng đ u n t c đ đ ng khơng đ ng b ”, ngư i nghiên c u ñã th c hi n nh ng n i dung nghiên c u sau: - Tìm hi u phương pháp u n t a theo t thông rotor - Đ xu t thay th b c lư ng t thông thông thư ng b ng b c lư ng t thông dùng m ng nơron truy n th ng nhi u l p Ưu b: Đáp ng t c ñ ñi m khơng c n bi t xác đ i tư ng c u trúc c a mô hình u n - Mơ ph ng h th ng ñi u n ñã ñư c ñ xu t môi trư ng Matlab - Simulink K t qu th c hi n cho th y: - H th ng làm vi c n ñ nh, th i gian ñáp ng nhanh - Sai s xác l p nh , không v t l không dao đ ng T thơng c lư ng ln bám sát v i giá tr ñ t c: Đáp ng mơmen - Ít b nh hư ng nhi t ñ ñ ng thay ñ i - nhi t ñ ñ ng thay ñ i sai s nh , đ giao đ ng nhanh chóng tr v v trí xác l p Trong tương lai, đ tài có th đư c phát tri n theo hư ng sau: - Th c hi n mơ hình th c t - Ư c lư ng tr c ti p thơng s c a đ ng đ thích nghi v i s thay đ i c a thông s Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J  ... c u sau: - Tìm hi u phương pháp ñi u n t a theo t thông rotor - Đ xu t thay th b c lư ng t thông thông thư ng b ng b c lư ng t thông dùng m ng nơron truy n th ng nhi u l p Ưu b: Đáp ng t c đ m... ng đ ng KĐB ng d ng m ng nơron c lư ng t thông rotor Gi m t c b: Đáp ng t c đ Hình 4.38 C u trúc u n đ ng KĐB ni b i bi n t n ngu n áp ñi u n t a theo t thông rotor nơron ▪ Tr ng thái đ ng có... t thông rotor 4.13 Các k t qu mô ph ng ▪ Tr ng thái đ ng khơng ANN: Hình 4.29 B ngh ch lưu c u trúc bên Đóng t i 4.12 B c lư ng t thông thông thư ng a: Đáp ng t thơng Hình 4.30 B c lư ng t thông