Mô hình mô phỏng điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu kết hợp điều khiển thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HỒNG VŨ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ÐIỀU KHIỂN ÐỘNG CƠ ÐỒNG BỘ NAM CHÂM VINH CỬU KẾT HỢP ÐIỀU KHIỂN THÔNG MINH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HỒNG VŨ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 1790605 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HỒNG VŨ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 1790605 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN PHAN THANH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Huỳnh Hồng Vũ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 25/08/1993 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Tiền Giang Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Mỹ Thạnh B, Long Tiên, Cai Lậy, Tiền Giang Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: E-mail: huynhvu2508@gmail.com Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 09/2011 đến 06/ 2015 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Cơng Nghiệp Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: SVPWM VÀ DPWM CHO ĐIỀU KHIỂN PMSM VỚI GIẢI THUẬT V/F Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp:vào 22/06/2015 trường Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Phạm Cơng Duy III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập hoàn thànhluận văn này, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ quý báu thầy cô, anh chị bạn Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh thầy cô khoa Điện - Điện tử dạy bảo tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trình học tập thực luận văn  Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN PHAN THANH giảng viên trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh ln quan tâm nhiệt tình hướng dẫn suốt trình em làm luận văn  Cuối xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân ln động viên, cổ vũ tinh thần tạo điều kiện để làm luận văn Mặc dù em cố gắng hết mình, nhiều kiến thức cịn thời gian có giới hạn nên q trình tìm hiểu, thực gặp nhiều khó khăn, nội dung luận văn khơng tránh khỏi nhiều thiếu sót Vì em mong nhận bảo thầy cô bạn để luận văn hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn! iii TÓM TẮT Luận văn tập trung vào nghiên cứu giải thuật điều khiển tốc độ động đồng nam châm vĩnh cửu Trong nội dung nghiên cứu đề tài, phương pháp điều khiển PI Fuzzy-PI đưa vào nghiên cứu để điều khiển tốc độ động PMSM Power Sim (PSIM) dùng làm công cụ để tiến hành xây dựng giải thuật, mơ mơ hình điều khiển động PMSM đánh giá tính hiệu phương pháp đề xuất, qua tìm luật điều khiển tối ưu với giải điều khiển tốc độ rộng đáp ứng tốt iv ABSTRACT This thesis focuses on studying the speed control algorithm for permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive Two control methods, PI and Fuzzy-PI, are used to process PMSM speed control Power Sim (PSIM) is used as a tool to build algorithms, simulate the operation of PMSM drive and assess the effectiveness of the proposed method The purpose of this study is to find out the optimal control rule with wide range of speed control and the best response v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ x DANH SÁCH CÁC BẢNG xii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết luận văn 1.2 Mục tiêu luận văn 1.3 Phương pháp thực luận văn .1 1.4 Ý nghĩa luận văn .2 CHƯƠNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 2.1 Giới thiệu chung động đồng 2.2 Mơ hình tốn học động PMSM 2.2.1 Nguồn tương đương 2.2.2 Momen điện từ 2.2.3 Từ thơng móc vịng 2.2.4 Mạch tương đương 2.2.5 Mô động học 11 2.2.6 Phương trình tính hiệu nhỏ PMSM 12 2.2.7 Đánh giá đặc tính điều khiển PMSM 13 CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PMSM 16 3.1 Hệ điều khiển dòng điện 16 vi 3.1.1 Khối chuyển đổi Ipark 19 3.1.2 Khối chuyển đổi Park 20 3.1.3 Khối chuyển đổi Clarke 20 3.1.4 Khối tính tốc độ Speed Fr 21 3.1.5 Khối điều chế không gian vector SVPWM 21 3.2 Hệ điều khiển tốc độ 35 3.2.1 Lý thuyết PI 35 3.2.2 Lý thuyết Fuzzy 40 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ FUZZY-PI 44 4.1 Biến đầu vào 44 4.2 Luật Fuzzy 49 CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PSIM VÀ CÁC THƯ VIỆN LIÊN QUAN 50 5.1 Giới thiệu phần mềm Psim .50 5.2 Thư viện phần mềm Psim .50 CHƯƠNG 6: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ PMSM TRONG PSIM 55 6.1 Phần công suất 55 6.2 Phần điều khiển .56 6.2.1 Khối chuyển đổi Clarke 56 6.2.2 Khối chuyển đổi Park 57 6.2.3 Khối chuyển đổi Ipark 58 6.2.4 Khối không gian vector SVPWM 59 6.2.4 Khối tính tốn tốc độ 60 6.2.5 Khối PI 60 6.2.5 Khối Fuzzy PI 61 CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 62 vii 6.2.4 Khối tính tốn tốc độ 0.996868 3000 K K z rpm 10000 50 K 0.003131 MUX -1 K 1/(BASE_FREQ*T) Wr z 10000 K1 = 1/(BASE_FREQ*T)=50 K2 = 1/(1+10*T*PI) = 0.996868 K3 = 1-K2 = 0.03131 BaseRpm = 120 * (BASE_FREQ/POLES) = 3000 Theta 0.2 0.8 Hình 6.7: Khối tính tốn tốc độ 6.2.5 Khối PI Up Out V Kd K OutPreSat -0.5 0.5 Kd Freq z z Out Up Ref SUM1_1 Freq Kp Ki Freq K K z Kp Ki Ui Kc K Kc Fdb Hình 6.8: Khối điều khiển PI 60 SatErr 6.2.5 Khối Fuzzy PI Hình 6.9: Khối điều khiển Fuzzy PI 61 CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Theo kết mô phỏng, điều khiển Fuzzy PI tối ưu điều khiển PI thông thường tất phương diện Bộ điều khiển Fuzzy PI có tốc độ đáp ứng nhanh so với tốc độ đặt 7.1 Động chạy không tải Trường hợp 1: Tốc độ đặt 300rpm, 0Nm Fuzzy 1: Tốc độ: độ vọt lố 5.3%, thời gian xác lập 0.5s, sai số xác lập 5% Dòng điện: biên độ 0.5A Fuzzy 2: Tốc độ: độ vọt lố 3.5%, thời gian xác lập 0.5s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 0.75A PI: tốc độ đầu không đạt so với tốc độ đặt, dịng điện méo dạng Hình 7.1: Đáp ứng tốc độ dòng điện PI Fuzzy PI (300rpm) Trường hợp 2: Tốc độ đặt 1200rpm 62 Fuzzy 1: Tốc độ: độ vọt lố 0.5%, thời gian xác lập 1.3s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 1.5A Fuzzy 2: Tốc độ: độ vọt lố 0.5%, thời gian xác lập 1.3s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 2.5A PI: Tốc độ: độ vọt lố 1.3%, thời gian xác lập 1.4s, sai số xác lập 2.5% Dịng điện: biên độ 10.2A Hình 7.2: Đáp ứng tốc độ dòng điện PI Fuzzy PI (1200rpm) 7.2 Động mang tải 0.5Nm Trường hợp 2: Tốc độ đặt 300rpm Fuzzy 1: Tốc độ: độ vọt lố 1%, thời gian xác lập 0.9s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 2.5 A Fuzzy 2: Tốc độ: độ vọt lố 1%, thời gian xác lập 0.9s, sai số xác lập 0% 63 Dòng điện: biên độ 2.0 A PI: Tốc độ: độ vọt lố 5%, thời gian xác lập 0.3s, sai số xác lập 5% Dịng điện: biên độ 1.5 A Hình 7.3: Đáp ứng tốc độ dòng điện PI Fuzzy PI (300rpm, 0.5Nm) Trường hợp 2: Tốc độ đặt 1200rpm Fuzzy 1: Tốc độ: độ vọt lố 0.5%, thời gian xác lập 1.4s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 3.8 A Fuzzy 2: Tốc độ: độ vọt lố 0.5%, thời gian xác lập 1.4s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 4.8 A PI: Tốc độ: tốc độ đầu không đạt so với tốc độ đặt Dòng điện: biên độ 10.0 A 64 Hình 7.4: Đáp ứng tốc độ dịng điện PI Fuzzy PI (1200rpm, 0.5Nm) 7.3 Động mang tải 1Nm Trường hợp 1: Tốc độ đặt 300rpm Fuzzy 1: Tốc độ: độ vọt lố 0.5%, thời gian xác lập 1.3s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 4.0A Fuzzy 2: Tốc độ: độ vọt lố 0.5%, thời gian xác lập 1.3s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 4.2A PI: tốc độ đầu khơng đạt so với tốc độ đặt, dịng điện méo dạng 65 Hình 7.3: Đáp ứng tốc độ dòng điện PI Fuzzy PI (300rpm, 1Nm) Trường hợp 2: Tốc độ đặt 1200rpm Fuzzy 1: Tốc độ: độ vọt lố 0.5%, thời gian xác lập 1.4s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 4.2 A Fuzzy 2: Tốc độ: độ vọt lố 0.5%, thời gian xác lập 1.4s, sai số xác lập 0% Dòng điện: biên độ 5.0 A PI: Tốc độ: tốc độ đầu khơng đạt so với tốc độ đặt Dịng điện: biên độ 10.0 A 66 Hình 7.4: Đáp ứng tốc độ dòng điện PI Fuzzy PI (1200rpm, 1Nm) Giải thích kết đạt được: Bộ điều khiển PI thông thường không tự động điều chỉnh tham số KP KI điều kiện làm việc động thay đổi Hai tham số KP, KI điều khiển PI thông thường cần điều chỉnh liên tục để đạt hiệu suất điều khiển tốt Bộ điều khiển thông số Fuzzy PI tự điều chỉnh thông số PI theo sai số tốc độ tốc độ thay đổi sai số tốc độ Do đó, điều khiển Fuzzy PI cho đáp ứng tốt miền điều khiển tốc độ khác Từ kết mô kết luận PI làm việc tốt miền tuyến tính Ngày với yêu cầu điều khiển ngày cao, miền điều khiển động PI chưa phát huy hiệu theo yêu cầu Cần sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến – Fuzzy PI đáp ứng yêu cầu miền điều khiển tốc độ khác nhau, động mang tải khác So với điều khiển PI thông thường, điều khiển Fuzzy PI tự điều chỉnh tốt hai giai đoạn độ ổn định Fuzzy PI có đồ thị đáp ứng tốt, thời gian đáp ứng ngắn hơn, sai số xác lập nhỏ, ổn định - xác so với điều khiển PI thơng thường 67 CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 8.1 Kết luận Luận văn nghiên cứu giải thuật điều khiển tốc độ động PMSM Phương pháp điều chế không gian vector kết hợp với điều khiển thông minh áp dụng Psim sử dụng làm công cụ thực cơng việc Ưu điểm phương pháp cho phép xây dựng giải thuật điều khiển động dễ dàng đơn giản tiết kiệm thời gian cho công tác nghiên cứu Phương pháp hứa hẹn để trở thành phương pháp nghiên cứu tương lai Bộ điều khiển thông minh Fuzzy PI sử dụng biến đầu vào sai lệch tốc độ theo thời gian e(t) vi phân sai lệch tốc độ de(t) Fuzzy PI điều chỉnh thông số KP, KI theo quy luật xây dựng trước Từ kết mơ Fuzzy PI có nhiều ưu điểm so với PI đơn tính chất như: thời gian độ, độ vọt lố, sai số xác lập Trong luận văn trình bày cách xây dựng giải thuật Fuzzy PI tối ưu tìm q trình làm luận văn Qua kết mơ phương pháp Fuzzy PI tối ưu phương pháp Fuzzy PI 8.2 Hướng phát triển Tiếp tục xây dựng luật Fuzzy PI khác để tối ưu luật cũ Hiện tại, điều khiển động miền tốc độ trung bình Các thách thức điều khiển tốc độ động miền tốc độ thấp 10% định mức, tăng tốc nhanh (trong miền từ trường yếu) chưa giải Trong nghiên cứu tới tiếp tục giải nhược điểm tồn 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang – Andreas Dittrich, Truyền Động Điện Thông Minh, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 2002 [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền Truyền Động điện NXB KHKT, 2005 [3] Mrs S S Kulkarni, A G Thosar Mathematical Modeling and Simulation of Permanent Magnet Synchronous Machine International Journal of Electronics and Electrical Engineering Vol 1, No 2, June 2013 [4] Sensored Field Oriented Control of 3-Phase Permanent Magnet Synchronous MotorsInternet:http://www.ti.com/lit/an/sprabq2/sprabq2.pdf [5] Digital Motor Control Internet: www.ti.com/lit/ug/spru485a/ spru485a.pdf [6] M Godoy Simoes, N N Franceschetti, “Fuzzy optimisation based control of a solar array system” IEE Proceedings - Electric Power Applications, September 1999, Vol 146, Issue 5, pp 552-558 [7] PSIMUser’s GuideInternet: https://powersimtech.com/drive/uploads/2016/06/PSIM-User-Manual.pdf [8] Hamid Khan Optimised Space Vector Modulation For Variable Speed Drives Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2012 [9] Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Tiến Ban Hãm Tái Sinh Và Một Số Giải Pháp Thực Tế Trong Các Hệ Thống Truyền Động Điện Dùng Biến Tần IGBT, Tuyển tập báo cáo khoa học, Hội nghị tồn quốc lần thứ VI Tự Động Hóa, 2005 [10] Bùi Đình Tiếu, Phạm Duy Nhi Cơ sở truyền động điện tự động Hà Nội, 1983 [11] Nguyễn Phùng Quang MATLAB Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật [12] Bimal K Bose Modern Power Electronics and AC Drives 69 PHỤ LỤC Code C chương if(b1>=0&&b1=0&&d1=0&&b2=0&&d2=0&&e2=0&&c1=0&&a2=160) ) if(c2>=0&&c2=0&&b3=0&&e4x3) {y7=b4;} {y10=1;} {Temp=x3;} if(Temp>PVL) c3=0.004*x2+3.2; c4=-0.004*x2-1.2; y8=0; if(c3>=0&&c3=0&&c4PVL) {PVL=Temp;} p; {y8=c4;} ////PVL/// d3=0.002*x2+1.6; d4=-0.004*x2-0.2; y9=0; if(d3>=0&&d3PVL) {PVL=Temp;} PVL=Temp; if(d4>=0&&d4x9) if(Temp>PVL) {PVL=Temp;} {Temp=x9;} {PVL=Temp;} if(Temp>PL) if(x10x5) {Temp=x4;} {Temp=x5;} if(Temp>PVL) //PML/// if(Temp>PVL) {PVL=Temp;} //////////// {PVL=Temp;} y2=PL; if(x1x1) {Temp=x5;} PML=Temp; {Temp=x1;} if(Temp>PVL) if(Temp>PVL) {PVL=Temp;} {PVL=Temp;} if(x1x9) if(x10PML) if(x10>x2) //PL/// 25 //////////// {Temp=x2;} if(x4PVL) {Temp=x4;} if(x2x7) {Temp=x2;} {Temp=x7;} if(x2>x7) PL=Temp; {Temp=x7;} if(x10x3) {PML=Temp;} if(Temp>PML) if(x4x8) PMS=Temp; {Temp=x8;} if(x3PML) {Temp=x8;} if(x2>x8) {PML=Temp;} if(Temp>PMS) {Temp=x8;} {PMS=Temp;} if(Temp>PVS) if(x3x9) y6=PVS; {Temp=x9;} if(Temp>PML) //PS/// //////////// y7=PS+2*PMS+3* {PML=Temp;} if(x3x8) 73 S K L 0 ... Điều Khiển Động Cơ Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cữu Kết Hợp Điều Khiển Thông Minh? ?? cho luận văn 1.2 Mục tiêu luận văn Nghiên cứu mơ hình điều khiển động đồng nam châm vĩnh cửu dùng phương pháp điều khiển. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HỒNG VŨ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN THÔNG... MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 1790605 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN PHAN THANH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2018