Chuẩn đoán lỗi cho động cơ điện một chiều không sử dụng chổi than sử dụng bộ quan sát Luenberger

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐOÀN NGỌC QUANG

CHUẨN ĐOÁN LỖI CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
KHÔNG SỬ DỤNG CHỔI THAN SỬ DỤNG BỘ
QUAN SÁT LUENBERGER

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 8520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Lê Hòa

Phản biện 1: TS. NGUYỄN QUỐC ĐỊNH
Phản biện 2: TS. HÀ XUÂN VINH

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa họp tại Trường
Đại học Bách khoa vào ngày 29 tháng 12 năm 2108.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐH


1
MỞ ĐẦU
Động cơ BLDC ngày càng phổ biến và được sử dụng nhiều
trong các ứng dụng yêu cầu chống cháy nổ, đòi hỏi độ tin cậy cao và
giảm thiểu việc bảo trì.
Theo dõi tình trạng làm việc và chẩn đoán lỗi của động cơ
điện là cần thiết để tối ưu hóa việc bảo trì và nâng cao mức độ tin
cậy, đặc biệt trong ứng dụng quan trọng. Chẩn đoán sớm các lỗi có
thể xảy ra trong quá trình giám sát có thể thực hiện các hoạt động
phòng ngừa quan trọng, cho phép tránh thiệt hại kinh tế nặng nề liên
quan đến dừng sản xuất, thay thế thiết bị. Điều này đã dẫn đến việc
nghiên cứu và phát triển các khái niệm về chẩn đoán lỗi và giám sát
hiện đại.
Sau nhiều thập kỷ phát triển, công nghệ chẩn đoán lỗi đã
phát triển theo 3 hướng chính là: chẩn đoán lỗi dựa trên mô hình
(model based), chẩn đoán lỗi dựa vào tín hiệu (signal based) và chẩn
đoán dựa lỗi vào tri thức (knowledge based)
Sau khi tìm hiểu thông tin về các nghiên cứu được thực hiện
và công bố bởi các cơ sở nghiên cứu trong nước cũng như ở nước
ngoài nước về phát hiện và chẩn đoán lỗi cho động cơ BLDC. Tác
giả mong muốn nghiên cứu ứng dụng các lý thuyết về phát hiện và
chẩn đoán lỗi cho đối tượng là động cơ BLDC với phương pháp chẩn
đoán lỗi dựa vào mô hình.
Do đó tác giả đề xuất thực hiện đề tài luận văn: “Chuẩn
đoán lỗi cho động cơ điện một chiều không sử dụng chổi than sử

dụng bộ quan sát Luenberger”


2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN LỖI
1.1. Lỗi và chẩn đoán lỗi
Khoa học về chẩn đoán lỗi bắt đầu được nghiên cứu vào
những năm 60 của thế kỷ 20 bởi Hoa Kỳ và một số nước Châu Âu.
Các định nghĩa:
Lỗi (Fault) là một sự sai lệch không chấp nhận được của ít
nhất một tham số, thuộc tính hay biến so với giá trị chuẩn.
Chẩn đoán lỗi (Fault Diagnostics) là khoa học về xác định
trạng thái của một hệ thống ở một thời điểm xác định đang hoặc sẽ
diễn ra, dựa trên các triệu chứng bên ngoài.
Chẩn đoán lỗi có nhiều mức độ:


Mô hình lỗi



Phát hiện lỗi



Cách ly lỗi



Nhận dạng lỗi



Đánh giá lỗi và ra quyết định
Một hệ thống làm việc bình thường được mô tả bởi hàm

quan hệ:
y(t) = ψ[u(t), x(t)]
Trong đó:


u(t): Véc tơ thông số đầu vào của đối tượng chẩn đoán



y(t): Véc tơ thông số đầu ra của đối tượng chẩn đoán



x(t): Véc tơ thông số cấu trúc của đối tượng chẩn đoán



f(t): Lỗi tác động đến hệ thống.

1.2. Một số phương pháp phát hiện và chẩn đoán lỗi
1.2.1. Phương pháp phát hiện lỗi bằng phần cứng dự
phòng (Redundancy hardware).

3
1.2.2. Phương pháp phát hiện và chẩn đoán lỗi dựa vào tri
thức (Knowledge based).
1.2.3. Phương pháp phát hiện lỗi dựa vào tín hiệu (Signal
based)
1.2.4. Phương pháp chẩn đoán lỗi dựa vào mô hình (Model
based)

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống chẩn đoán lỗi dựa vào mô hình
Phương pháp chẩn đoán lỗi dựa trên mô hình dựa vào một
mô hình đối chứng được xây dựng có hàm truyền giống hàm truyền
của đối tượng cần chẩn đoán trong trạng thái bình thường và chạy
song song với đối tượng. Mô hình đối tượng được mô tả bởi hàm
quan hệ : y(t) = f[u(t), x(t)]
Triệu chứng lỗi được xác định bởi giá trị sai lệch giữa giá trị
thực tế và giá trị tính toán.
( )= ( )− ( )
Trong đó, r(t) được gọi là các dư thừa (thặng dư) hay mã kiểm tra
nhằm xác định sai lệch của hệ thống.


4
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BLDC VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN LỖI TRONG ĐỘNG CƠ
BLDC
2.1. Giới thiệu tổng quan động cơ một chiều không chổi than
BLDC
2.1.1. Cấu tạo – Nguyên lý hoạt động

Hình 2.2 Cấu tao động cơ BLDC

Giới thiệu điểm khác biệt chính giữa động cơ DC và động cơ BLDC.
Động cơ DC có nhược điểm chính là hệ thống cổ góp-chổi than sinh
ra tia lửa điện, có khả năng gây cháy nổ, đòi hỏi tần suất bảo trì cao,
tuổi thọ động cơ kém do ma sát giữa chổi than và cổ góp. Để tránh
những nhược điểm trên máy điện một chiều không chổi than BLDC
ra đời, đây thực chất là máy điện một chiều có hệ thống đảo chiều
dòng điện bán dẫn.
Động cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí Rotor để cho động
cơ hoạt động. Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định
vị trí Rotor để điều khiển dòng điện vào cuộn dây stator tương ứng,
nếu không động cơ không thể tự khởi động hay thay đổi chiều quay.
Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí Rotor như vậy nên


5
động cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối
hợp với cảm biến Hall để điều khiển động cơ.

Hình 2.9: Chuyển mạch với công tắc điện tử
Hoạt động của động cơ được điều khiển bởi dòng
điện đi vào 3 cuôn dây stator theo tuần tự 6 bước. Tại một
thời điểm bất kỳ sẽ có 2 trong 3 cuộn dây được dẫn điện.
Thời điểm chuyển mạch dòng điện là thời điểm mà một
trong ba tín hiệu cảm biến Hall thay đổi mức logic. Trong
một chu kỳ điện có sáu lần chuyển mức logic của ba cảm
biến Hall. Do đó trình tự chuyển mạch này gọi là trình tự
chuyển mạch 6 bước.


6

Hình 2.11: Mô tả trình tự chuyển mạch của các van bán dẫn trong
mạch điều khiển động cơ BLDC 3 pha
2.1.2. Đánh giá ưu nhược điểm
2.1.3. Một số lĩnh vực ứng dụng động cơ BLDC


Công nghiệp hàng không- không gian:



Sản xuất và công nhiệp:



Hàng hải:



Y tế:



Robot



Giao thông

2.2. Các lỗi của động cơ BLDC và các phương pháp chẩn đoán

2.2.1 Các lỗi của động cơ BLDC
Các lỗi chính hay xảy ra bên trong động cơ BLDC có thể
được chia thành 3 loại: Lỗi phần điện, lỗi phần cơ khí và lỗi bên
ngoài


7

Hình 2.14: Phân loại lỗi động cơ điện
2.2.2. Một số phương pháp chẩn đoán lỗi cho động cơ BLDC
 Phương pháp phân tích dòng điện
 Phương pháp phân tích độ rung
 Phương pháp phân tích phóng điện cục bộ
 Phương pháp mô hình hóa


8
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG BỘ QUAN SÁT LUENBERGER
TRONG CHẨN ĐOAN LỖI CẢM BIẾN ĐỘNG CƠ BLDC
3.1. Mô hình toán học động cơ một chiều không chổi than BLDC.
3.1.1. Mô hình toán học động cơ DC
Áp dụng định luật Kirchoff’s ta có:
=

+

+

Trong đó, Vs là điện áp phần ứng, i là dòng điện phần ứng, R,
L lần lượt là điện trở và điện cảm phần ứng.

Xét định luật Newton II cho hệ thống động học động cơ DC ở hình
trên, ta có:
=

+

+

Trong đó: Te là momen điện, kf là hệ số ma sát, J là hệ số
quán tính. ωm là vận tốc góc, TL là momen tải
Ta có thể viết lại phản sức điện động emf và momen điện:
=

và

=

Trong đó ke là hằng số phản sức điện động emf, kt là hằng số momen
Sau một số phép biến đổi ta có hàm truyền động cơ BLDC là
tỷ số giữa vận tốc góc ωm và điện áp nguồn Vs
1
ω
k
G(s) =
=
V
τ τ .s + τ .s + 1
Trong đó:
Hằng số thời gian cơ học
τ =

Và hằng số thời gian điện học

RJ
k k


9
L
R
3.1.2. Mô hình toán học động cơ BLDC
τ =

Động cơ BLDC được xem xét là động cơ 3 pha nối Y. Điện
áp sẽ được cấp tuần tự vào 3 cuộn dây theo một trình tự nhất định
theo tín hiệu của cảm biến vị trí. Vì bất kỳ tại bất kỳ thời điểm nào
cũng có 2 pha được cấp điện nên sẽ có ảnh hưởng lẫn nhau giữa các
pha, tức là ảnh hưởng đến các giá trị điện cảm và điện trở của động
cơ.
Vì hệ thống đối xứng và 3 pha nên ta có
Hằng số thời gian cơ học
τ =

J. 3R
K K

τ =

L
3. R

Hằng số thời gian điện học:

Xem xét ảnh hưởng giữa các pha
τ =

3. R ∅ . J
K

) /√3

(

τ =

.K

3. R ∅ . J
K .K

Trong đó, Ke là giá trị pha của hằng số sức điện động
K =K

(

) /√3

Do đó phương trình toán cho BLDC có thể có được theo phương
trình với việc phải xem xét các hằng số ảnh hưởng và pha tương ứng

10
1
ω
K
G(s) =
=
V
τ τ .s + τ .s + 1
3.1.3. Mô hình không gian trạng thái BLDC
Mô hình không gian trạng thái động cơ BLDC có dạng sau
ẋ (t) = Ax(t) + Bu(t)
y(t) = Cx(t) + Du(t)
Chọn
( )=

=
=

y=ω
Với là dòng điện stator và

là vận tốc rotor

Ta tìm được mô hình không gian trạng thái với
A=

;B=

0

; C = [0 1]

3.2. Bộ quan sát Luenberger
3.2.1. Bộ quan sát vòng hở
Ý tưởng của bộ quan sát này là xây dựng một mô hình bản
sao các thông số của đối tượng với kích thích đầu vào là giống nhau
và điều kiện ban đầu cũng giống nhau.

Hình 3.4: Sơ đồ mô hình bộ quan sát ước lượng vòng hở


11
Phương pháp này không hiệu quả với đối tượng có A biến
đổi hoặc có nhiễu. Trong thực tế, rất khó để xác định điều kiện đầu
của đối tượng và của bộ quan sát giống nhau.
3.2.2. Bộ quan sát Luenberger
Ý tưởng của phương pháp là dùng một khâu có mô hình dưới
đây làm bộ quan sát
ẋ (t) = A(t) + Bu(t) + L y(t) − y(t)
y(t) = Cx(t)

Hình 3.6: Sơ đồ mô hình bộ quan sát Luenberger
Bộ quan sát Luenberger dựa vào 2 khái niệm chính. Đầu tiên
là tạo ra mô hình bản sao của hệ thống gọi là thành phần ước
lượng(predictor). Thứ hai là khái niệm đánh giá mức độ sai số ước
lượng gọi là thành phần điều chỉnh(corrector).
3.3 Ứng dụng bộ quan sát để phát hiện lỗi cảm biến động cơ
BLDC
Ở trạng thái bình thường(không có lỗi), khi cho 1 điện áp
kích thích vào thì động cơ sẽ quay với tốc độ nhất định phụ thuộc

12
vào đặc tính động cơ như đã mô tả trong mô hình không gian trạng
thái ở phần trước. Khi có một lỗi xảy ra (có thể do thay đổi thông số
bên trong hoặc kích thích bên ngoài) thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi
Trong hoạt động thực tế, có thể xảy ra nhiều lỗi có thể dẫn đến tốc
độ động cơ thay đổi như thay đổi điện áp kích thích, các thông số
động cơ như R, L... Ngoài ra, tốc độ đo được có thể bị sai lệch bởi
cảm biến đo tốc độ động cơ bị lỗi.

Hình 3.7: Mô hình phát hiện lỗi cảm biến tốc độ động cơ BLDC
Các bước phát hiện lỗi động cơ BLDC dùng bộ quan sát
Luenberger


13

Hình 3.8: Các bước phát hiện lỗi động cơ BLDC dùng bộ quan sát
Luenberger
Bộ quan sát sẽ được thiết kế để ước lượng đáp ứng tốc độ
của động cơ BLDC.
Trong đó ( ), ( ) là trạng thái ước lượng hệ thống và tín
hiệu ra. L là độ lợi ma trận phản hồi cho bộ quan sát, được thiết kế
để cung cấp đáp ứng yêu cầu của bộ quan sát và

∈ ℜ . Thặng dư

được tạo ra bằng cách so sánh giá trị đo lường y(t) và giá trị ước
lượng ( ) để phát hiện đáp ứng bất thường của hệ thống.

( )= ( )− ( )


14
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Sử dụng Matlab Simulink để mô phỏng ứng dụng chẩn đoán lỗi
trong động cơ BLDC
4.1. Mô phỏng động cơ BLDC
Động cơ BLDC được đề cập trong luận văn là động cơ BLDC của
hãng MAXON. Các tham số tính toán cho động cơ được dựa trên
bảng thông số cung cấp bởi hãng MAXON.

Hình 4.1: Mô hình động cơ BLDC có thành phần nhiễu
4.2. Mô phỏng bộ quan sát Luenberger cho động cơ BLDC và
phát hiện lỗi cảm biến tốc độ động cơ.
Thiết kế mô hình bộ quan sát Luenberger và sau đó giả lập các lỗi
cơ bản của cảm biến tốc độ động cơ BLDC.


15

Hình 4.4: Sơ đồ mô hình chẩn đoán động cơ BLDC và bộ quan sát
Luenberger
Mô phỏng hệ thống chẩn đoán lỗi cảm biến động cơ BLDC
Khi không có lỗi:

Hình 4.7: Sai lệch thặng dư % khi không có lỗi
Nhận xét: Xem kết quả ta nhận thấy tại thời điểm khởi động, giá trị
sai số thặng dư là rất lớn do do điều kiện đầu của động cơ thực tế và
bộ quan sát là khác nhau. Còn tất cả thời gian sau khi khởi động, sai

lệch thặng dư % dao động trong ngưỡng r% < 3 %. Để tránh bộ phát


16
hiện lỗi báo động động nhầm, ta phải bắt đầu chẩn đoán khi động cơ
đã hoạt động ổn định
Khi có lỗi:
Trường hợp 1: Lỗi gián đoạn

Hình 4.9: Đáp ứng tốc độ động cơ và mô hình(lỗi gián đoạn)

Hình 4.10: Sai lệch thặng dư (lỗi gián đoạn)
Nhận xét: Tại các thời điểm có biến động (tăng, giảm) giá trị tín
hiệu đo từ cảm biến, bộ phát hiện lỗi phát hiện được các sai lệch
vượt ra ngoài giới hạn bình thường. Tại thời điểm 8s không phát hiện
được lỗi do mức độ lỗi không lớn đủ để phát hiện.


17
Trường hợp 2: Lỗi đột ngột

Hình 4.12: Đáp ứng tốc độ động cơ và mô hình (Lỗi đột ngột)

Hình 4.13: Sai lệch thặng dư (Lỗi đột ngột)
Nhận xét: tại thời điểm có thay đổi tốc độ động cơ, sai lệch thặng dư
lệch mạnh khỏi ngưỡng vận hành bình thường. Do đó, bộ phát hiện
lỗi đã phát hiện được tình trạng làm việc bất thường của hệ thống
cũng như cảm biến

18
Trường hợp 3: Lỗi tiến triển

Hình 4.15: Đáp ứng tốc độ động cơ và mô hình (Lỗi tiến triển)

Hình 4.16: Sai lệch thặng dư (Lỗi tiến triển)
Nhận xét: Khi có sự biến thiên giá trị đo của cảm biến thì giá trị của
sai lệch thặng dư phần trăm cũng thay đổi, tuy nhiên tốc độ thay đổi
khá chậm. Sau một khoảng thời gian thì sai lệch thặng dư % cũng
vượt ra ngoài ngưỡng cài đặt. Lúc này Lỗi mới được phát hiện. Do
đó, để phát hiện được loại lỗi này, ta phải chú ý đến ngưỡng cài đặt
báo lỗi. Nếu ngưỡng cài đặt quá rộng, thì khả năng phát hiện lỗi càng
chậm.


19
KẾT LUẬN
Luận văn “Chuẩn đoán lỗi cho động cơ điện một chiều
không sử dụng chổi than sử dụng bộ quan sát Luenberger” đã
hoàn thành. Để có một cái nhìn tổng thể về các công việc đã thực
hiện, tác giả xin đánh giá lại các kết quả đã đạt được cũng như các
hạn chế của luận văn.
Về chẩn đoán lỗi và các phương pháp chẩn đoán lỗi: Khoa
học chẩn đoán lỗi đã phát triển hàng chục năm với nhiều thành tựu
và đã đưa ra được nhiều phương pháp chẩn đoán lỗi như chẩn đoán
lỗi dựa vào tín hiệu, chẩn đoán lỗi dựa vào tri thức, chẩn đoán lỗi
dựa vào mô hình. Trong đó, chẩn đoán lỗi dựa vào mô hình là một
trong những phương pháp được chú ý.
Về động cơ một chiều không chổi than: Động cơ không chổi
than BLDC ngày càng được sử dụng nhiều do khả năng làm việc tin

cậy, không đòi hỏi nhiều chi phí cũng như thời gian cho bảo trì, hiệu
suất cao... Tuy vậy, động cơ BLDC cũng là một loại động cơ điện, có
khả năng xảy ra hư hỏng. Việc giám sát và phát hiện lỗi của động cơ
BLDC được sử dụng trong các hệ thống có yêu cầu cao về độ tin cậy
là một nhu cầu lớn và có thật.
Trong luận văn này, tác giả đã ứng dụng thành công phương
pháp dùng phương pháp xây dụng mô hình sử dụng cho chẩn đoán
lỗi cho động cơ BLDC. Mô hình quan sát được sử dụng ở đây là bộ
quan sát kinh điển Luenberger. Từ đáp ứng tốc độ của động cơ thực
và đáp ứng của mô hình quan sát Luenberger, ứng dụng đã tạo ra giá
trị sai lệch thặng dư. Giá trị này được dùng như là một tính hiệu chẩn
đoán lỗi. Phương pháp đánh giá thặng dư sử dụng phép so sánh
ngưỡng để xác định liệu có lỗi xảy ra hay không. Mức độ chẩn đoán
ở đây chỉ dừng lại ở mức độ phát hiện lỗi. Tuy nhiên, kết quả thu
được là đáng tin cậy, có thể tiếp tục được sử dụng cũng như phát


20
triển thành các ứng dụng cụ thể kết hợp với các phương pháp và
công cụ khác để dùng trong chẩn đoán các lỗi khác của động cơ
BLDC.
Mặc dù, tác giả muốn được nghiên cứu sâu hơn, chi tiết hơn
về chẩn đoán lỗi cho động cơ BLDC nhưng vì điều kiện thời gian
hạn hẹp, tài liệu nghiên cứu còn khó khăn, nên chỉ dừng lại ở nội
dung được trình bày ở trên.