(Luận văn thạc sĩ) ứng dụng thuật toán bộ lọc kalman mở rộng trong điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cữu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG THỊ NGA ỨNG DỤNG THUẬT TỐN BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN BẰNG CÔNG NGHỆ FPGA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG THỊ NGA ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN BẰNG CÔNG NGHỆ FPGA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VŨ QUỲNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Hồng Thị Nga Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 29/01/1987 Nơi sinh: Hải Dương Quê quán: Thanh Miện – Hải Dương Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Số 10 Huỳnh Văn Nghệ - Bửu Long – Biên Hòa – Đồng Nai Điện thoại quan: 0613.951.937 Điện thoại DĐ: 0946.483.187 E-mail: hoangthinga87@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 10 /2009 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Lạc Hồng Ngành học: Điện công nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế máy phát điện dùng lượng sóng biển Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Đại học Lạc Hồng Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Vũ Quỳnh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 12/2009- Đại học Lạc Hồng Giáo vụ i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM TẠ Chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Vũ Quỳnh dành thời gian hướng dẫn, chỉnh sửa tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn ban Giám hiệu, quý thầy cô trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh trang bị cho em kiến thức hữu ích học tập trường Xin cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè đồng hành em trình nghiên cứu iii TĨM TẮT Luận văn trình bày phương pháp điều khiển thông minh động đồng nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến công nghệ FPGA Để làm rõ tính hiệu mơ hình ta thực mơ hệ thống Phương pháp điều khiển thông minh áp dụng cho việc kiểm sốt tốc độ rotor; vị trí từ thơng rotor động ước lượng cách sử dụng lọc Kalman mở rộng Đầu tiên ta xây dựng mơ hình tốn học động đồng nam châm vĩnh cửu Thứ hai, điều khiển thiết kế vector không gian Thứ ba, để giảm nhiễu ổn định hệ thống giải pháp điều khiển thơng minh thiết kế để kiểm soát tốc độ động Thứ tư, phương pháp điều khiển không cảm biến ứng dụng Thứ năm, ngôn ngữ mô phần cứng cho mạch tích hợp tốc độ cao (VHDL) sử dụng để điều khiển tất thành phần nói Thứ sáu, thực mơ hệ thống Matlab / Simulink Modelsim Cuối cùng, kết bật luận văn ứng dụng điều khiển thông minh để điều khiển tốc độ động không sử dụng cảm biến iv ABSTRACT This dissertation presents FPGA-realization of the intelligent controller for sensorlessPermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM)drives To confirm theeffectivenessoftheproposedarchitectureofsystem,thecosimulationandexperimentworksare demonstrated.Theintelligentcontrol methods are applied for controlling isestimatedby the rotor velocity; the rotor flux positionofPMSM usingextendedkalmanfilter(EKF) Inthisdissertation, amathematicalmodelof PMSMdriveisfirstlydefined.Secondly,thevectorcontrolandSVPWM aredesigned.Thirdly,tocopewithnoiseanddynamicuncertainty intelligentcontrolsare designedfor speedcontrol sensorlesscontrolmethodsareapplied.Fifthly, DescriptionLanguage(VHDL)by the of are usingFiniteState performed by PMSM VeryHigh system,the Fourthly, the SpeedICHardware Machine(FSM)method presentedtorealize all theaforementioned controllers works affectto Sixthly, the is simulation Matlab/SimulinkandModelsim inco-simulationmode,providedby ElectronicDesignAutomation(EDA)SimulatorLink.Finally, theoutstanding thisresearch istoapply theintelligentcontroller insensorlessPMSM drives v of MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan .ii Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Abstract v Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt viii Danh mục hình ảnh ix Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1Đặt vấn đề: 1.2 Tổng quan tình hình ngồi nước: 1.3 Mục tiêu nghiên cứu: 1.4 Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu: 1.5 Phương pháp nghiên cứu: 1.6 Kết mà đề tài mang lại sau hoàn thiện Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Ngôn ngữ lập trình VHDL 2.1.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình VHDL 2.1.2 Ưu Điểm Của Ngơn Ngữ Lập Trình VHDL 2.1.3Cấu trúc mơ hình hệ thống mô tả VHDL: 2.1.4Board phát triển ứng dụng DE2 hãng Terasic: 2.1.5Phần mềm lập trình Quartus II: 11 vi 2.2 Phương pháp điều khiển PI[1, 9] 12 2.3 Nghịch lưu IGBT phương pháp điều chế vector không gian 20 2.3.1 Ngịch lưu IGBT [4, 5, 11, 14] 20 2.3.1.1 Giới thiệu nghịch lưu 20 2.3.1.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động nghịch lưu IGBT21 2.3.2 Điều chế vector không gian [4, 5, 11, 14] 24 2.4 Giới thiệu động đồng nam châm vĩnh cửu 31 2.4.1 Giới thiệu chung: 31 2.4.2 Nguyên lý cấu tạo động đồng nam châm vĩnh cửu 32 2.4.2.1 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực lồi 32 2.4.2.2 Động đồng nam châm vĩnh cửu cực ẩn 34 2.4.4 Mơ tả tốn học ĐCĐBNCVC 35 2.5 Bộ lọc Kalman 37 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 40 3.1 Thiết kế phần điều khiển dòng điện: [1, 4, 10] 40 3.2 Thiết kế lọc Kalman 43 3.3 Thiết kế khối điều chế độ rộng xung không gian (SVPWM): [4, 5, 11, 14]50 3.4 Thiết kế điều khiển PI: 56 Chƣơng4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 58 4.1 Mô phỏng: [2, 11, 13, 14] 58 Chƣơng 5: KẾT LUẬN 70 5.1 Kết Luận 70 5.2 Hướng phát triển đề tài 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DSP Digital Signal Processor ĐCĐBNCVC Động đồng nam châm vĩnh cửu FPGA Field Programmable Gate Array IGBT Insulated Gate Bipolar Transitor SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation VHDL Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Language viii Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh 400 350 300 Address 250 200 150 100 50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time (s) Hình 4.5: Dạng sóng cưa mơ góc quay động (lấy từ scope address) Nhận xét:Dạng sóng ngõ khối điều chế độ rộng xung vector không gian sau qua lọc thông thấp – mạch RC dạng sóng ngõ khối điều chế độ rộng xung vector không gian sau qua hàm truyền cho kết Bƣớc 2: Sau kiểm tra độ xác dạng sóng SVPWM, ngõ SVPWM kết nối đến nghịch lưu IGBT cung cấp cho động cơ, góc quay động phản hồi thay cho phát xung cưa bước Mục đích bước kiểm tra độ xác SVPWM đối tượng thực tế động Hình 4.6: Sơ đồ khối kiểm tra độ xác SVPWM có hồi tiếp góc quay động 60 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Hình 4.7: Mơ hình kiểm tra SVPWM đối tượng điều khiển động Simulink/Matlab 1200 1000 Rotor speed (RPM) 800 600 400 200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.8:Tốc độ động (lấy từ rotor speed) 0.6 0.5 0.4 Torque 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.9: Lực moment trục động (lấy từ rotor torque) 61 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh 1.5 Three phase stator (A) 0.5 -0.5 -1 -1.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.10:Dịng điện ba pha động (lấy từ three phase stator current) Nhận xét: - Tốc độ đáp ứng theo yêu cầu, giảm giá trị đặt đầu vào tốc độ giảm theo - Moment thay đổi tốc độ từ trạng thái qua trạng thái khác moment thay đổi theo Bƣớc 3: Bước tiếp theo, tốc độ động hồi tiếp điều khiển tốc độ (bộ điều khiển tốc độ thiết kế điều khiển PI) Mục đích phần giúp kiểm tra độ xác điều khiển đơn giản với vòng hồi tiếp tốc độ động Giá trị tốc độ đặt từ Simulink/Matlab Hình 4.11: Sơ đồ khối kiểm tra độ xác hệ thống có vịng hồi tiếp 62 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Hình 4.12: Mơ hình kiểm tra Simulink/Matlab với vịng hồi tiếp tốc độ động 700 500 400 300 200 100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.13: Tốc độ động (lấy từ rotor speed) 0.5 Torque Rotor Speed (RPM) 600 -0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.14: Lực moment trục động (lấy từ torque) 63 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Three phase stator current(A) 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.15: Dịng điện ba pha động (lấy từ stator current) 700 600 Control effort 500 400 300 200 100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 4.16: Tín hiệu điều khiển ngõ điều khiển tốc độ (lấy từ speed out) Nhận xét: - Khi thay đổi tốc độ giá trị ước lượng bám theo yêu cầu Tuy nhiên giảm tốc độ từ cao xuống thấp có vọt lố chưa đạt yêu cầu Mỗi lần thay đổi tốc độ moment thay đổi theo để rotor quay theo tốc độ yêu cầu Bƣớc 4: Bước số khâu kiểm tra dòng điện tốc độ động hồi tiếp điều khiển Tốc độ động hồi tiếp điều khiển tốc độ, dòng ba pha động hồi tiếp điều khiển dòng điện 64 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Hình 4.17: Sơ đồ khối điều khiển hoàn chỉnh Hình 4.18: Mơ hình mơ điều khiển có hai vòng hồi tiếp 65 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh 1200 Rotor Speed (RPM) 1000 800 600 400 200 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Time (s) Hình 4.19: Tốc độ động (lấy từ rotor speed) 1.2 0.8 Torque 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Time (s) Hình 4.20: Lực moment trục động (lấy từ torque) 400 350 300 Address 250 200 150 100 50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Time (s) Hình 4.21: Góc quay động (lấy từ address) 2.5 Three phase stator current 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) Hình 4.22: Dịng điện ba pha động (lấy từ stator current) 66 0.35 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh 1000 800 Control effort 600 400 200 -200 -400 -600 -800 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Time (s) Hình 4.23: Tín hiệu điều khiển ngõ điều khiển tốc độ (lấy từ speed out) Nhận xét: - Khi thay đổi tốc độ giá trị ước lượng bám theo yêu cầu - Mỗi lần thay đổi tốc độ moment thay đổi theo để rotor quay theo tốc độ yêu cầu Bƣớc 5: Bước số tiến hành kiểm tra độ xác thuật toán Kalman Sau xác nhận hiệu việc dự đoán kiểm soát tốc độ cảm biến, chúng tơi tiếp tục cơng việc mơ mơ hình điều khiển khơng cảm biến Các vị trí ước tính từ thông rotor cung cấp trở lại cho vòng lặp cho điều khiển vector vịng lặp để điều khiển tốc độ (Hình 4.24) 67 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Hình 4.24:Mơ hình Simulink / ModelSim mơ hệ thống điều khiển không cảm biến Trong mô lọc Kalman mở rộng giảm bậc, bước đáp ứng thử nghiệm với tốc độ động khác từ 0rpm – 500rpm – 1000rpm – 1500rpm – 2000rpm Kết tốc độ rotor thực tế, ước tính tốc độ rotor phản hồi đáp ứng điều khiển dòng điện hiển thị hình 4.25 Hình 4.25: Điều khiển tốc độ rotor thực tế ước tính tốc độ rotor cho động không cảm biến cách giảm bậc lọc Kalman mở rộng 68 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Hình 4.26: Đáp ứng rotor tốc độ 500rpm 1500rpm sử dụng giảm bậc lọc Kalman mở rộng Nhận xét: - Tốc độ thực tế rotor tốc độ ước lượng bám tốt Tuy nhiên tốc độ thấp cịn có sai số, với tốc độ cao sai số gần giảm khơng - Góc quay rotor thực tế góc quay ước lượng tốc độ khác gần trùng khớp 69 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Chƣơng 5:KẾT LUẬN 5.1 Kết Luận Sau thời gian nghiên cứu, tác giả mô năm bước sau: - Kiểm tra độ xác tín hiệu ngõ khối SVPWM, hệ thống tách bao gồm khối SVPWM, Clark-1, Park-1, hàm tính sine, cosin - Sau kiểm tra độ xác dạng sóng SVPWM, ngõ SVPWM kết nối đến nghịch lưu IGBT cung cấp cho động cơ, góc quay động phản hồi thay cho phát xung cưa bước - Bước tiếp theo, tốc độ động hồi tiếp điều khiển tốc độ (bộ điều khiển tốc độ thiết kế điều khiển PI) - Bước số khâu kiểm tra dòng điện tốc độ động hồi tiếp điều khiển Tốc độ động hồi tiếp điều khiển tốc độ, dòng ba pha động hồi tiếp điều khiển dòng điện - Bước số tiến hành kiểm độ xác thuật tốn Kalman Qua kết phân tích từ năm bước nêu so sánh với kết báo nghiên cứu điều khiển tốc độ động đồng nam châm vĩnh cửu dùng điều khiển thông minh khác cho thấy kết đáp ứng Kết luận điều khiển thiết kế hồn chỉnh hoạt động xác 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Do thời gian có hạn nên đề tài dừng lại với việc thực năm bước nêu Với mơ hình xây dựng bước ta thay điều khiển PI điều khiển Fuzzy, neural… 70 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), “Lý thuyết điều khiển phi tuyến”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật - Hà Nội [2] Nguyễn Phùng Quang (2006), “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật - Hà Nội [3] Nguyễn Doãn Phước (2006), “Hệ mờ mạng neural ứng dụng”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Văn Nhờ (2005),“Giáo trình điện tử công suất”, nhà xuất Đại học Quốc gia TP HCM Tiếng Anh: [5] B K Bose (1997), “Power electronics and variable frequency drives – technology and application” New York: IEEE Press [6] M Thoma, M Morari (2007), “Nonlinear observers and application”, Springer [7] Wilfrid Perruquetti, Jean Pierre Barbot (2002), “Sliding mode control in engeneering”, Marcel Dekker [8] Nguyen Vu Quynh, Le Phuong Truong and Tran Hanh (2011), “Based on Fuzzy, SVPWM and FPGA Technology to Control Speed of PMSM without Sensor”, Proceedings of International Workshop on Agricultural and Bio-Systems Engineering (IWABE), pp 181-188 [9] Nguyen Vu Quynh, Tran Hanh, Trinh Tran Thanh Tam and Le Phuong Truong (2011), “Application of FPGA to Control Speed of Permanent Magnet Synchronous Motor without Sensor”, Nghiên cứu ứng dụng Công 71 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh nghệ thông tin, Đồng Nai, 2011, pp 273-280 [10] Nguyen Vu Quynh, Tran Hanh, Trinh Tran Thanh Tam and Le Phuong Truong (2011), “FPGA Based on Adaptive Fuzzy and Space Vector Pulse Width Modulation to Control Speed of PMSM”, Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin, Đồng Nai, 2011, pp 281-292 [11] Ying-Shieh Kung, Nguyen Trung Hieu, Nguyen Vu Quynh, Chung-Chun Huang and Liang-Chiao Huang (2011), “Design of Speed Control IC for PMSM Drive Implementation”, from Simulink/Modelsim Co-Simulation to FPGA The 10th Taiwan Power Electronics Conference & Exhibition, pp 932-937 [12] Ying-Shieh Kung, Nguyen Vu Quynh, Chung-Chun Huang and Liang-Chiao Huang (2011), “Simulink/ModelSim Co-Simulation of Sensorless PMSM Speed Controller”, 2011 IEEE Symposium on Industrial Electronic and Applications (ISIEA20111), September 25-28, 2011, Kangkawi, Malaysia, pp 24-29 [13] Ying-Shieh Kung, Nguyen Vu Quynh, Chung-Chun Huang and Liang-Chiao Huang (2011), “Design and Simulation of A Speed Control IC for PMSM Drive Based on Neural Fuzzy Control”, ELECTRIMACS 2011, 6-8th June 2011, Cergy-Pontoise, France [14] Ying-Shieh Kung, Nguyen Vu Quynh, Chung-Chun Huang and Liang-Chiao Huang (2011), “Simulink/Modelsim Co-Simulation and FPGA Realization of Speed Control IC for PMSM Drive”, 2011 International Conference on Power Electronics and Engineering Application (PEEA 2011), pp 718-727 72 Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh [15] Ying-Shieh Kung, Nguyen Vu Quynh, Chung-Chun Huang and Liang-Chiao Huang (2012), “Design and Simulation of Adaptive Speed Control for SMO-Based Sensorless PMSM Drive”, The 4thInternational Conference on Intelligent and Advanced System (ICIAS2012), 12-14 June 2012, Kuala Lumpur 73 S K L 0 ... lọc Kalman mở rộng điều khiển tốc độ động đồng nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến công nghệ FPGA? ?? Đề tài thực thành công mở hướng điều khiển xác tốc độ động khơng sử dụng cảm biến làm giúp... công suất nhỏ ý nghiên cứu ứng dụng thay động chiều động không đồng Vì động đồng mang tính ưu việt động chiều động không đồng Khả sử dụng rộng rãi động đồng rotor nam châm vĩnh cửu ưu điểm sau: -...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG THỊ NGA ỨNG DỤNG THUẬT TỐN BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM