6. Cấu trúc luận văn
2.7. Kết luận chương 2
Chương 2 đã trình bày tóm tắt một số phương pháp ứng dụng mạng nơron để nhận dạng đối tượng. Kểt quả đạt được của các phương pháp trên đã được sử dụng trong thực tế nhưng còn ở hạn chế ở các đối tượng có tính phi tuyến thấp. Nổi lên hai phương pháp nhận dạng on -line và nhận dạng off- line. Trong đó phương pháp nhận dạng off- line có nhiều ưu điểm, nó có thể sử dụng đồng thời tất cả các dữ liệu. Nhận dạng off- line sử dụng khi cần thiết phải xử lý rất nhiều tín hiệu cùng một lúc.
Phương pháp sử dụng mạng nơron nhận dạng đối tượng theo đặc tính vào - ra, là điểm mạnh về ứng dụng của mạng nơron. Sử dụng mạng nơron để nhận dạng đối tượng có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp nhận dạng truyền thống. Hạn chế của các phương pháp nhận dạng truyền thống là: thời
gian xử lý chậm, không có cấu trúc xử lý song song, không có khả năng học và ghi nhớ.
Mạng nơron là hệ học và thích nghi có khả năng học on-line hoặc off- line từ các số liệu quá khứ, do đó kết quả nhận dạng có thể đạt được độ chính xác rất cao. Mạng nơron là hệ xử lý song song do đó tốc độ tính toán cao, mà các phương pháp nhận dạng truyền thống khó có thể đạt được. Mặt khác mạng noron là hệ MIMO, do đó rất tiện dùng khi nhận dạng cho đối tượng nhiều biến.
Với bản chất "HỌC" mạng noron có một trong những ứng dụng rất đặc trưng đó là nhận dạng đối tượng căn cứ vào đặc tính vào - ra của nó. Trong đó mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp cấu tạo đơn giản và có luật học lan truyền ngược rất nổi tiếng tương đối dễ thực hiện và có hiệu quả cao phù hợp với thực hiện quá trình học cho các đối tượng tuyến tính, mạng nơron hồi quy nhiều lớp có thêm các liên kết phản hồi do đó số lượng thông số cần điều chỉnh trong quá trình học nhiều hơn do đó thời gian học bị kéo dài phù hợp với thực hiện quá trình học cho các đối tượng phi tuyến.
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG MẠNG NORON NHÂN TẠO NHẬN DẠNG THAM SỐ ĐỘNG CƠ DỊ BỘ 3 PHA ROTOR LỒNG SÓC 3.1. Giới thiệu về động cơ 3 pha.
Máy điện KĐB ba pha có dây quấn stator được cung cấp điện từ lưới điện, và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điện bên trong dây quấn rotor. Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ (rad/s). Rotor máy không đồng bộ gồm 2 loại:
Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnh rotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượt được cách điện với trục rotor. Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong các bộ giá đỡ chổi than.
Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh rotor, chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch. Do kết cấu rất đơn giản và chắc chắn, động cơ KĐB rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động lực rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Trong hai loại động cơ trên, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị trường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn. Sự phát triển như vũ bãocủa kỹ thuật vi điện tử với gía thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc.
3.2. Vector không gian của đại lượng 3 pha
3.2.1. Xây dựng vector không gian
Động cơ KĐB ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí không gian tổng quát như hình 3.1.
Trong hình trên không quan tâm đến động cơ đấu nối hình sao hay tam giác. Ba dòng điện , , là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi động cơ điều khiển bằng biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần.
Hình 3.1. Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ KĐB 3 pha
Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:
+ + =0 (3.1) Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau:
(3.2)
Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt phẳng cắt ngang), động cơ xoay chiều 3 pha có ba cuộn dây lệch nhau một góc .
Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau:
Theo công thức (2.3), vector là một vector có modul không đổi quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc và tạo với trục thực (đi qua cuộn dây pha u) một góc , trong đó là tần số mạch stator.
Việc xây dựng vector được mô tả trong hình 3.2.
Hình 3.2. Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha
Theo hình vẽ trên, dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng stator mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng.
Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục và trục ảo là trục .
Chiếu vector lên hai trục, ta được hai hình chiếu là và . Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ cố định (hệ tọa độ stator).
Hình 3.3. Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ
Theo phương trình + + =0 và dựa trên hình 3.3 thì chỉ
cần xác định hai trong số ba dòng điện stator là có đầy đủ thông tin về vector .
(3.4) => (3.5) Tương tự như đối với vector dòng stator, các vector điện áp stator , dòng rotor , từ thông stator , hoặc từ thông rotor cũng được biểu diễn tương tự.
3.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian
Ta xây dựng một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ và nằm lệch đi một góc . Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector không gian tương ứng với hai hệ tọa độ này. Mối liên hệ được thể hiện ở hình 3.4.
Hình 3.4. Chuyển hệ tọa độ giữa và dq
Dễ dàng chuyển tọa độ sang tọa độ dq:
3.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
Hình 3.5. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
Giả thiết động cơ KĐB quay với tốc độ , trong đó là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn. Từ thông rotor quay với tốc độ góc
trong đó là tần số của mạch điện stator.
Sự chênh lệch giữa và sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số , dòng điện đó có thể được biểu diễn dưới dạng vector quay với tốc độ
.
Xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của vector và gốc tọa độ trùng với gốc của hệ là hệ trục tọa độ dq.
Gọi là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq
Ta có: (3.7) (3.8) (3.9)
Chuyển tọa độ từ 3 pha u, v, w qua tọa độ :
(3.10) Chuyển tọa độ sang tọa độ dq :
(3.11)
Toàn bộ quá trình trên được diễn tả theo sơ đồ khối sau :
Hình 3.6. Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq)
Trong thực tiễn, việc tính toán gặp nhiều khó khăn vì việc xác định . Trong trường hợp động cơ KĐB, góc được tạo nên bởi tốc độ góc trong đó là có thể đo được. Ngược lại là tần số của mạch rotor mà ta chưa biết. Vậy phương pháp mô tả trên hệ tọa độ dq đòi hỏi phải xây dựng được phương pháp tính một cách chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển tựa theo từ thông rotor.
Ta có do trục q đứng vuông góc với vector . Khi xây dựng mô hình tính toán trong hệ tọa độ dq, trên thực tế do không thể tính tuyệt đối chính xác góc nên vẫn giữ lại để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát [1].
3.3. Mô hình của động cơ KĐB 3 pha
3.3.1. Lý do xây dựng mô hình
Để xây dựng, thiết kế bộ điều khiển cần phải có mô hình mô tả đối tượng điều khiển. Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ KĐB rotor lồng sóc là mô hình đơn giản của động cơ như hình 3.7.
Hình 3.7. Mô hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha rotor lồng sóc
Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh, phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh. Điều đó dẫn đến các điều kiện được giả thiết trong khi lập mô hình. Các điều kiện đó một mặt đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặt khác chúng gây nên sai lệch nhất định, sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình.
Về phương diện động, động cơ KĐB rotor lồng sóc được mô tả bởi hệ phương trình vi phân bậc cao. Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặt
không gian, vì các mạch từ móc vòng, một số điều kiện được chấp nhận khi mô hình hóa động cơ:
- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian. - Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua.
- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ. - Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi.
Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha u. Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ [1].
3.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator:
(3.12)
Với:
: điện trở cuộn dây pha stator
từ thông stator của cuộn dây pha u, v, w. Áp dụng công thức (2.3) ta thu được điện áp:
(3.13) Thay phương trình (3.12) vào phương trình (3.13), thu được phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:
(3.14)
Trong đó:
điện trở cuộn dây pha Stator vector từ thông Stator
Phương trình trên thu được do các quan sát từ hệt hống 3 cuộn dây stator, vì vậy cũng thu được trên hệ tọa độ :
(3.15)
Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch)
(3.16)
Trong đó
: vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor điện trở rotor đã quy đổi về phía stator.
Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator:
(3.17)
Phương trình tổng quát trên có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc. Trong đó:
với là góc giữa trục thực với hệ tọa độ bất kì k.
Đối với hệ tọa độ cố định Stator thì cho ta công thức (3.15). Thay “k”= “s”.
Đối với hệ tọa độ từ thông rotor (dq) thì với là góc lệch giữa trục q với trục thực. Thay “k” = “f”
Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor:
(3.18)
Với vector từ thông ở hệ tọa độ “k” bất kỳ so với rotor
3.3.3. Các tham số của động cơ
hỗ cảm giữa rotor và stator
điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator (đã quy đổi về stator)
điện cảm stator
điện cảm rotor
hằng số thời gian stator
hằng số thời gian rotor hệ số tiêu tán tổng
Phương trình từ thông stator và từ thông rotor:
(3.19) Mômen điện từ: ) (3.20) Phương trình chuyển động : (3.21)
3.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (dq)
Theo [3] có hai loại hệ trục tọa độ được sử dụng là hệ tọa độ gắn cố định với stator và hệ tọa độ dq còn gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ thông rotor. Trong đề tài, các thiết kế và phương án đề xuất đều được nghiên cứu thực hiện xuất phát từ cơ sở là mô hình trạng thái của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq, do đó nội dung của mục sẽ chỉ tập trung phân tích việc xây dựng mô hình này.
3.3.4.1. Mô hình trạng thái liên tục
Phương trình mô tả trạng thái của động cơ từ phương trình (3.17), (3.18) và (2.19) như sau:
Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator bằng cách rút vector từ phương trình (3.25), ta được:
(3.26)
Thế ở phương trình (3.26) vào phýõng trình (3.24), ta được:
(3.27)
Thay vào (3.22), (3.23) đồng thời sử dụng các tham
số và , là các phần
tử của vector dòng từ hóa của động cơ.
Thay các vector dòng từ hóa và đồng thời chuyển sang viết dưới dạng các phần tử của vector, ta thu được hệ phương trình mới mô tả đầy đủ phần hệ thống điện của một động cơ KĐB như
(3.28)
Trong đó : hệ số tiêu tán tổng. Phương trình mômen:
(3.29) Phương trình từ thông rotor: (3.30)
Đặt các vector:
Vector trạng thái. : Vector đầu vào.
Hệ phương trình (3.28) được viết lại dưới dạng mô hình trạng thái phi tuyến yếu (bilinear) như sau:
= (3.31) Trong đó:
ma trận hệ thống ma trận đầu vào
là ma trận tương tác phi tuyến
Hình 3.8. Mô hình trạng thái liên tục của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq
3.3.4.2. Mô hình trạng thái gián đoạn
Để thiết kế một hệ thống điều khiển, điều chỉnh truyền động điện cho động cơ KĐB trên cơ sở sử dụng vi xử lí, vi điều khiển thì cần phải có một mô hình gián đoạn để có thể mô tả một cách chính xác đối tượng tại các thời điểm gián đoạn cách đều. Vì vậy trong mục này sẽ thực hiện xây dựng mô hình gián đoạn cho động cơ KĐB trên cơ sở mô hình liên tục đã xây dựng ở trên
Theo [4], mô hình trạng thái gián đoạn có cội nguồn từ nghiệm của phương trình trạng thái liên tục. Phương trình trạng thái liên tục x(t)=Ax(t) + Bu(t) ;
sẽ có nghiệm như sau:
Trong đó là ma trận quá độ trạng thái, khi giả thiết A là ma trận hằng trong một chu kỳ trích mẫu ta có :
Để thu được phương trình trạng thái gián đoạn ta chỉ cần quan tâm quá trình qua độ xảy ra giữa hay thời điểm trích mẫu và vì vậy phải lấy tích phân
Nếu tiếp tục giả thiết u(t) là hằng số trong một chu kỳ trích mẫu ta sẽ có:
Trong đó:
Ma trận đầu ra C của mô hình gián đoạn đồng nhất với ma trận đầu ra C của mô hình liên tục.
Từ mô hình tổng quát này, ta sẽ đi xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq.
Việc gián đoạn hóa mô hình trạng thái liên tục – phi tuyến yếu (3.31) có thể thực hiện được với điều kiện: Các biến đầu vào và là hằng số trong phạm vi chu kì trích mẫu T. Trong truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại với tần số băm xung và tần số trích mẫu 1/T cao, điều kiện này trên thể coi là thỏa mãn. Nếu thực hiện tích phân lặp mô hình (3.31) ta thu được mô hình trạng thái tương đương sau đây của động cơ KĐB.
Với:
Mô hình gián đoạn (3.35) thu được là mô hình hệ số hàm nhưng tuyến tính. Các phần tử của ma trận chuyển trạng thái và ma trận đầu vào sẽ phải được tính on-line. Do mục đích của mô hình gián đoạn chỉ là phục vụ thiết kế khâu điều chỉnh chứ không nhằm mô tả chính xác đối tượng động cơ KĐB, do vậy ta có thể cắt đuôi chuỗi sau phần tử tuyến tính. Sai số xuất hiện do cắt đuôi sẽ được bù bởi các biện pháp điều chỉnh. Tuy nhiên việc
chọn chu kỳ trích mẫu T phải thỏa mãn điều kiện về phạm vi ổn định. Kết quả xấp xỉ của các ma trận trên có dạng như sau:
Mô hình gián đoạn của động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq như hình 3.9.