(Luận văn thạc sĩ) điều khiển định hướng trường động cơ không đông bộ 3 pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CHU VĂN ĐỨC ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA S K C 0 9 NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CHU VĂN ĐỨC ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 60 52 50 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2012 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 2012 (Ký tên ghi rõ họ tên) Chu Văn Đức ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp cao học Để có thành này, tơi nhận nhiều hỗ trợ giúp đỡ tận tình từ q thầy/cơ, đơn vị chủ quản Chân thành cảm ơn quý thầy/cô Khoa điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh tận tình truyền đạt kiến thức cho tơi suốt khóa học trường Tơi xin trân trọng biết ơn đến PGS.TS Dƣơng Hoài Nghĩa, người tận tình trực tiếp hướng dẫn tơi thực hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp, bạn bè giúp đỡ nhiều, tạo cho niềm tin cố gắng lỗ lực để hoàn thành luận văn Cảm ơn ban lãnh đạo trường Cao đẳng Nghề Đắk Lắk tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khóa học Xin chân thành cảm ơn gia đình người thân yêu tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ chỗ dựa vững giúp tơi an tâm học tập vượt qua khó khăn thời gian qua Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, tháng… năm 2012 Học viên Chu Văn Đức iii TÓM TẮT Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật giới phát triển nhanh, đạt đến yêu cầu kỹ thuật Đa số thiết bị hệ thống điện công nghiệp, dây chuyền sản xuất nhà máy điều khiển từ động cảm ứng không đồng (KĐB) với chi phí hợp lý độ bền cấu trúc Tuy nhiên, việc điều khiển động KĐB vấn đề khó khăn, phức tạp động KĐB hệ phi tuyến, cần thuật toán điều khiển chặt chẽ Cơ sở điều khiển máy điện KĐB ba pha đại phương pháp điều khiển vector phát triển phổ biến năm qua Trong phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control-FOC) có khă điều khiển độc lập từ thơng mômen, sử dụng để điều khiển động làm việc hệ thống yêu cầu xác tốc độ ổn định mômen Tác giả ứng dụng phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) để điều khiển động KĐB ba pha Tác giả ứng dụng mạng nơron để nhận dạng ước lượng từ thông rotor động Kết cho thấy phù hợp với yêu cầu phân tích Tuy nhiên giới hạn luận văn chưa ứng dụng mạng nơron để ước lượng tốc độ động Các kết khảo sát phân tích cụ thể việc mô dùng phần mềm Matlab Simulink công ty MathWorks Từ kết phân tích ta dùng mạng nơron ước lượng từ thông để điều khiển động KĐB đạt hiệu suất cao iv MỤC LỤC TRANG Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Abstract vi Mục lục vii Danh sách chữ viết tắt xi Danh sách bảng xiv Danh sách hình xv Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Sự phát triển kỹ thuật điều khiển động 1.3 Các phương pháp điều khiển động không đồng .2 1.3.1 Phương pháp V/f = const (điều khiển vô hướng) 1.3.2 Phương pháp điều khiển mômen trực tiếp (DTC) 1.3.3 Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) .4 1.4 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung luận văn 1.7 Ý nghĩa thực tiễn luận văn Chƣơng 2: MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Đại cương động không đồng ba pha……………………………… 2.1.1 Cấu tạo……………………………………………………………………….8 2.1.2 Nguyên tắc hoạt động……………………………………………………….13 2.2 Mô hình động khơng đồng ba pha…………………………………… 15 vi 2.2.1 Khái quát 15 2.2.2 Xây dựng vectơ không gian 15 2.2.2.1 Mô tả vector hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ) 17 2.2.2.2 Mô tả vector hệ tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq) 18 2.2.3 Mơ hình động không đồng ba pha .20 2.2.3.1 Hệ phương trình trạng thái động KĐB ba pha hệ tọa độ stator (αβ) .21 2.2.3.2 Hệ phương trình trạng thái động KĐB ba pha hệ tọa độ từ thông rotor (dq) .23 2.2.3 Phép chuyển hệ trục tọa độ 25 2.2.3.1 Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ ngược lại 25 2.2.3.2 Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq ngược lại 25 2.2.3.3 Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq ngược lại .26 2.2.4 Kết luận 26 Chƣơng 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG 27 3.1 Đại cương phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) 27 3.2 Nguyên lý điều khiển định hướng trường 27 3.3 Phương pháp điều khiển định hướng trường 31 3.3.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp .31 3.3.2 Phương pháp điều khiển gián tiếp .31 3.4 Một số phương pháp ước lượng từ thông rotor 32 3.4.1 Ước lượng từ thông rotor từ dòng áp hồi tiếp 32 3.4.2 Ước lượng từ thơng rotor từ dịng tốc độ hồi tiếp 33 3.4.3 Ước lượng từ thơng rotor từ dịng, áp tốc độ hồi tiếp 34 Chƣơng 4: CƠNG NGHỆ TÍNH TỐN MỀM 35 4.1 Mạng nơron nhân tạo (ANN) 35 4.1.1 Nơron sinh học 35 4.1.2 Mơ hình nơron nhân tạo 36 4.1.3 Mạng nơron nhân tạo 38 vii 4.1.3.1 Định nghĩa .38 4.1.3.2 Kiến trúc mạng nơron 39 4.1.4 Huấn luyện mạng nơron nhân tạo .41 4.1.4.1 Luật học có giám sát 41 4.1.4.2 Luật học khơng có giám sát 42 4.1.4.3 Luật học tăng cường 42 4.1.5 Giải thuật lan truyền ngược 43 4.1.5.1 Chuẩn bị liệu cho giải thuật lan truyền ngược 43 4.1.5.2 Chon lựa số nút ẩn, lớp ẩn .44 4.1.5.3 Giải thuật huấn luyện 45 4.1.6 Ưu điểm mạng nơron 46 4.1.7 Phạm vi ứng dụng 46 4.1.8 Tóm tắt .47 Chƣơng 5: XÂY DỰNG CẤU TRÚC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN 48 5.1 Sơ đồ mô FOC cổ điển 48 5.1.1 Khối mạng tính dịng (MTi) 48 5.1.2 Khối điều chỉnh dòng isd isq 49 5.1.3 Khối mạng tính áp (MTu) 49 5.1.4 Khối chuyển tọa độ áp (CTDu) 50 5.1.5 Khối động không đồng ba pha 51 5.1.6 Khối chuyển tọa độ dòng điện (CTDi) 53 5.1.7 Khối ước lượng từ thông rotor 53 5.2 Sơ đồ mô FOC với điều khiển PID 54 5.4 Sơ đồ mô FOC với ước lượng từ thông rotor dùng mạng nơron 55 Chƣơng 6: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 56 6.1 Thông số động KĐB ba pha 56 6.2 So sánh kết mô FOC FOC với ước lượng từ thông dùng mạng nơron 56 6.2.1 Thông số điều khiển PID 56 viii 6.2.2 Huấn luyện mạng nơron ước lượng từ thông 57 6.2.3 Động hoạt động có tải khơng đổi 64 6.2.4 Động hoạt động có tải thay đổi, tốc độ thay đổi, đảo chiều quay 67 6.3 Kết luận 70 Chƣơng 7: KÊT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .71 7.1 Kết luận 71 7.2 Hướng phát triển đề tài 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 ix Chương Tổng quan đề tài Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Trong khoa học kỹ thuật, hệ thống phức tạp thực tế thường mô tả đầy đủ xác phương trình tốn học truyền thống Kết cách tiếp cận kinh điển dựa kỹ thuật phân tích phương trình tốn học nhanh chóng tỏ khơng cịn phù hợp Vì cơng nghệ tính tốn mềm giải pháp Đặc điểm cơng nghệ tính tốn mềm là: - Tính tốn mềm đặc điểm, hành vi người tự nhiên để đưa định hợp lý điều kiện không xác khơng chắn - Các thành phần tính tốn mềm có bổ sung hỗ trợ lẫn - Tính tốn mềm hướng nghiên cứu mở, kỹ thuật tạo từ việc bắt chước trí thơng minh người trở thành phần tính tốn mềm Cơng nghệ tính tốn mềm bao gồm phần - Điều khiển mờ - Mạng nơ-ron nhân tạo - Lập luận xác suất (giải thuật di truyền lý thuyết hỗn mạng …) Ngày đa số thiết bị hệ thống điện công nghiệp, dây chuyền sản xuất nhà máy điều khiển từ động cảm ứng KĐB với chi phí hợp lý độ bền cấu trúc Hầu hết động điện KĐB cung cấp nguồn từ lưới điện xoay chiều pha Các hệ thống cần điều khiển tốc độ động theo yêu cầu xác, mơ men ổn định, chúng phải cung cấp nguồn thông qua biến tần để điều khiển động Ngày biến tần thiết bị có vai trị quan trọng điều khiển động KĐB, ứng dụng đa dạng lĩnh vực điện cơng nghiệp -1- Chương Phân tích kết mô Sơ đồ khối trước huấn luyện Hình 6.4 Sơ đồ khối điều khiển động KĐB phương pháp FOC Trình tự huấn luyện nơron: - Nạp thông số cho Simulink m_file - Chạy mô phỏng lấy liệu vào -ra của khố i ước lươ ̣ng từ thông (dưới da ̣ng file.mat) - Chạy chương trình huấn luyện mạng nơron - 60 - Chương Phân tích kết mơ Sơ đồ khối thu thập liệu Hình 6.5 Sơ đồ khối thu thập liệu mạng nơron Kết huấn luyện Hình 6.6 Quá trình huấn luyện - 61 - Chương Phân tích kết mơ Kết huấn luyện đạt sau 630 lần học với sai số huấn luyện 9,98.10-11 Sơ đồ khối sau huấn luyện Hình 6.7 Sơ đồ khối điều khiển động KĐB phương pháp FOC sử dụng nơron ước lượng từ thơng Hình 6.8 Kết nhận dạng ước lượng từ thơng - 62 - Chương Phân tích kết mơ Bộ ước lượng từ thơng rotor Hình 6.9 Cấu trúc mạng nơron chọn để ước lượng từ thông rotor Trình tự mô phỏng Thời gian của quá trình mô phỏng là giây (Tsim = 4) Giá trị từ thông đặt Wb suố t quá trin ̀ h mô phỏng Tố c đô ̣ đă ̣t của đô ̣ng cơ: giây đầ u của quá trình mô phỏng, Wref = 150,72 rad/s Tại thời điểm giây, tố c đô ̣ của đô ̣ng giảm mô ṭ nửa so với tố c đô ̣ đă ̣t (75,36 rad/s) trì đến hết thời gian mô phỏng Diễn tiế n quá trình mô phỏng sau: Tín hiệu quan sát từ thông (Fi), tố c đô ̣ (w), moment (T) dòng điện ba pha (Iuvw) động trình mô phỏng - 63 - Chương Phân tích kết mơ 6.2.3 Động hoạt động có tải :TL = 3,5 Nm Tốc độ đặt cho động là: Wref = 150,72 rad/s Thời gian mô phỏng: 4s Firef Fi (Webe) 0.8 Tu thong dat Tu thong dap ung 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.10 Dạng sóng đáp ứng từ thơng (FOC) Tu thong dat - ANN Tu thong dap ung - ANN Firef Fi (Webe) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1.5 time (s) 2.5 Hình 6.11 Dạng sóng đáp ứng từ thơng (FOC_ANN) - 64 - 3.5 Chương Phân tích kết mơ 160 Toc dat Toc dap ung 140 Wref W(rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.12 Dạng sóng đáp ứng tốc độ (FOC) 160 Toc dat - ANN Toc dap ung - ANN 140 Wref W(rad/s) 120 100 80 60 40 20 0 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.13 Dạng sóng đáp ứng tốc độ (FOC_ANN) Momen dat Momen dap ung 3.5 MLref ML (Nm) 2.5 1.5 0.5 -0.5 0.5 1.5 time (s) 2.5 Hình 6.14 Dạng sóng đáp ứng mơ men (FOC) - 65 - 3.5 Chương Phân tích kết mơ Momen dat - ANN Momen dap ung - ANN 3.5 MLref ML (Nm) 2.5 1.5 0.5 -0.5 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.15 Dạng sóng đáp ứng mơ men (FOC_ANN) 15 Dong dien Ia Dong dien Ib Dong dien Ic 10 Iabc (A) -5 -10 -15 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.16 Dạng sóng đáp ứng dịng điện pha (FOC) 15 Dong dien Ia - ANN Dong dien Ib - ANN Dong dien Ic - ANN 10 Iabc (A) -5 -10 -15 0.5 1.5 time (s) 2.5 3.5 Hình 6.17 Dạng sóng đáp ứng dòng điện pha (FOC_ANN) - 66 - Chương Phân tích kết mơ 6.2.4 Động hoạt động có tải thay đổi, tốc độ thay đổi, đảo chiều quay động cơ: - Dãy thời gian: T = [0 1 2 3 4 5 6 7] - Dãy tốc độ: ω = [Wref Wref -Wref -Wref 0 Wref/2 Wref/2 Wref Wref -Wref/2 -Wref/2 -Wref -Wref] - Dãy mômen tải: MT = [0 0 0 3.5 3.5 3.5 3.5 -3.5 -3.5 -3.5 -3.5] - Thời gian mô phỏng: 7s Tu thong dat Tu thong dap ung Firef Fi (Webe) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 time (s) Hình 6.18 Dạng sóng đáp ứng từ thơng (FOC) Tu thong dat - ANN Tu thong dap ung - ANN Firef Fi (Webe) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 time (s) Hình 6.19 Dạng sóng đáp ứng từ thông (FOC_ANN) - 67 - Chương Phân tích kết mơ 150 Toc dat Toc dap ung 100 Wref W(rad/s) 50 -50 -100 -150 time (s) Hình 6.20 Dạng sóng đáp ứng tốc độ (FOC) 150 Toc dat - ANN Toc dap ung - ANN 100 Wref W(rad/s) 50 -50 -100 -150 time (s) Hình 6.21 Dạng sóng đáp ứng tốc độ (FOC_ANN) Momen dat Momen dap ung MLref ML (Nm) -1 -2 -3 -4 -5 time (s) Hình 6.22 Dạng sóng đáp ứng moment (FOC) - 68 - Chương Phân tích kết mơ Momen dat - ANN Momen dap ung - ANN MLref ML (Nm) -1 -2 -3 -4 -5 time (s) Hình 6.23 Dạng sóng đáp ứng moment (FOC_ANN) 15 Dong dien Ia Dong dien Ib Dong dien Ic 10 Iabc (A) -5 -10 -15 time (s) Hình 6.24 Dạng sóng đáp ứng dòng điện pha (FOC) 15 Dong dien Ia - ANN Dong dien Ib - ANN Dong dien Ic - ANN 10 Iabc (A) -5 -10 -15 time (s) Hình 6.25 Dạng sóng đáp ứng dịng điện pha (FOC_ANN) - 69 - Chương Phân tích kết mô 6.3 Kết luận - Từ thông bám theo giá trị đặt với thời gian đáp ứng khoảng 0,2s - Sự thay đổi tốc độ tăng tốc giảm tốc không ảnh hưởng đến từ thông rotor - Hệ thống điều khiển đạt chất lượng cao sử dụng ước lượng từ thông dùng mạng nơron - 70 - Chương Kết luận hướng phát triển đề tài Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 7.1 Kết luận - Hệ thống đạt chất lượng cao sử dụng ước lượng từ thông dùng nơron - Sự thay đổi tốc độ mômen không ảnh hưởng đến từ thông rotor - Kết mô cho thấy phạm vi ứng dụng truyền động điều khiển động thực tế, điều khiển xác tốc độ động theo giá trị đặt 7.2 Hướng phát triển đề tài Quá trình thực đề tài nội dung sau nghiên cứu phát triển - Ước lượng tốc độ dùng mạng nơron - PI mờ kết hợp với nơron - Triển khai thực nghiệm - 71 - Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động truyền động xoay chiều ba pha”, nhà xuất Giáo dục năm 1996 [2] Trần Công Binh, giảng “Hệ thống điều khiển số, điều khiển máy điện”, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [3] TS Huỳnh Thái Hồng, giảng “Hệ thống điều khiển thông minh”, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [4] Nguyễn Phùng Quang,“Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật năm 2005 [5] Nguyễn Thị Phương Hà, “Lý thuyết điều khiển đại”, nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh năm 2007 [6] TS Nguyễn Như Hiền – TS Lại Khắc Lãi, “ Hệ mờ  nơron kỹ thuật điều khiển”, nhà xuất Khoa học tự nhiên công nghệ Hà Nội năm 2007 [7] Phạm Hữu Đức Dục, “ Mạng nơron ứng dụng điều khiển tự động”, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội năm 2009 [8] Nguyễn Phùng Quang – Andreas Dittrich, “Truyền động điện thông minh”, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật năm 2004 [9] Võ Như Tiến – Lê Kim Anh,“Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông hệ truyền động động không đồng bộ”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng – số 4(39) 2010 TIẾNG ANH [10] Mihai Cheles – Dr-Ing Hafedh Sammoud,“Sensorless field oriented control (FOC) of an AC Induction Motor”, AN1162-2008 Microchip technology Inc [11] Mihai Comanessu, M.S “ Flux and speed estimation techniques allfor sensorless control of induction motor”, The Ohio State University 2005 [12] Jorge Zambada and Debraj Deb Microchip Technology Inc “ Sensorless Field Oriented Control of a PMSM” 2010 Microchip Technology Inc - 72 - Phụ lục PHỤ LỤC * Chương trình huấn luyện từ thông rotor function Huanluyen_noron clc sim('FOC_2_thuthapdulieu'); PR = PR'; Y = Y' ; %huan luyen mang net=newff(minmax(PR), [6 1],{'tansig','purelin'}); net.trainParam.lr = 0.01;% hang so hoc net.trainParam.goal = 1e-10;% sai so hoi tu net.trainParam.epochs = 1000;% qua trinh hoc net = train(net,PR,Y);%Y la ngo mong muon yk_net = sim(net,PR); plot(Y),grid, hold on plot(yk_net,'r+') hold off, legend('y','yk_net') %Luu so V = net.iw{1,1} ; W = net.lw{2,1}; b1 = net.b{1}; b2 = net.b{2}; save('trong_so.mat','V','W','b1','b2') gensim(net,1e-3); ... định hướng trường (FOC) 27 3. 2 Nguyên lý điều khiển định hướng trường 27 3. 3 Phương pháp điều khiển định hướng trường 31 3. 3.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp .31 3. 3.2 Phương... pháp điều khiển định hướng trường để điều khiển động KĐB, cung cấp kiến thức cách thức tiếp cận lý thuyết định hướng trường Ứng dụng cơng nghệ tính tốn mềm điều khiển định hướng trường để điều khiển. .. thuật điều khiển động 1 .3 Các phương pháp điều khiển động không đồng .2 1 .3. 1 Phương pháp V/f = const (điều khiển vô hướng) 1 .3. 2 Phương pháp điều khiển mômen trực tiếp (DTC) 1 .3. 3