(Luận văn thạc sĩ) sử dụng logic mờ để điều khiển động cơ không đồng bộ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.4 MB, 105 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH THANH TUẤN
SỬ DỤNG LOGIC MỜ
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
S K C0 0 4 6 9 0
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HUỲNH THANH TUẤN
SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & Tên: Huỳnh Thanh Tuấn
Giới Tính: Nam
Ngày,tháng,năm sinh: 01/ 03/ 1986
Nơi Sinh: Đồng Nai
Quê quán: Thạnh Phú – Vĩnh Cửu – Đồng Nai
Dân tộc: Kinh
Địa chỉ liên lạc: Ấp 6, xã Thạnh Phú, huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai
Điện thoại: 0946762434
Email:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ năm 2004 đến 2006
Trung cấp
Nơi học (trường, thành phố): Trường kinh Tế Kỹ Thuật Nghiệp Vụ
Nguyễn Tất Thành, Tp Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện Cơng Nghiệp
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui
Thời gian đào tạo từ 08/2007 đến 08/ 2011
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
i
Ngành học: Điện Công Nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:
THIẾT KẾ CÁC BÀI THỰC TẬP CUNG CẤP ĐIỆN
SỬ DỤNG RELAY ABB
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 07 năm 2011
Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
2007- 2011
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Đang theo học đại học
Thuật Tp.HCM
2012-2013
Giảng dạy tại trường trung cấp Giáo viên
Nguyễn Hữu Cảnh
2014 - 2015
Giảng dạy tại trường Đại Học Công Giảng viên
Nghệ Đồng Nai
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan luận văn tốt nghiệp “sử dụng logic mờ điều khiển động cơ không
đồng bộ” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa,
các kết quả và số liệu hoàn toàn trung thực.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận văn em đảm bảo rằng không sao
chép các cơng trình hay luận văn tốt nghiệp của người khác. Nếu phát hiện có sai phạm
với điều cam đoan trên, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Huỳnh Thanh Tuấn
iii
LỜI CẢM ƠN
Kính thưa q thầy cơ, sau thời gian miệt mài nơi giảng đường, em đã được quý
thầy cô tận tình dìu dắt, dạy dỗ ân cần và truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích.
Hơm nay khi sắp phải xa rời mái trường để tiếp bước vào đời với hành trang là
kiến thức mà quý thầy cô trang bị cho em, em vơ cùng kính trọng và biết ơn những gì
thầy cơ đã làm cho em mà khơng ngại khó khăn vất vả.
Đặt biệt các em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA
người đã tận tình hướng dẫn, góp ý, động viên em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Với phương pháp làm việc khoa học, kinh nghiệm thực tiễn, thầy đã cho em những lời
khuyên quý báo để đồ án tốt nghiệp hoàn thành đúng theo yêu cầu.
Em xin cảm ơn các thầy cô, các bạn học viên lớp Kỹ thuật điện, các bạn bè đồng
nghiệp, các người thân trong gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi hỗ trợ động viên,
giúp đỡ em hoàn thành luận văn đúng tiến độ và đạt yêu cầu mục tiêu đề ra.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 08 năm 2015
Học viên
Huỳnh Thanh Tuấn
iv
MỤC LỤC
Lý lịch khoa học ....................................................................................................... i
Lời cam đoan ............................................................................................................ iii
Lời cảm ơn .............................................................................................................. iv
Tóm tắt .................................................................................................................... v
Mục lục .................................................................................................................... vii
Danh sách các hình .................................................................................................. xi
Danh sách các chữ viết tắt ........................................................................................ xvi
Danh sách các bảng ................................................................................................. xvii
Chương 1: TỔNG QUAN ............ ..................... ................ ................. ................ 01
1.1 Tổng quan về đề tài .................. ......................................................................... 01
1.2 Các phương pháp điều khiển ... ......................................................................... 02
1.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) ................................ 02
1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian .................................................... 04
1.2.3 Điều khiển định hướng trường ..................................................................... 06
1.2.4 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp ........................................... 06
1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp.......................................... 07
1.2.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường...................................... 08
1.2.7 Nhận xét ............................ ......................................................................... 09
1.3 Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay ...................................................................... 09
1.3.1 Điều khiển thông minh ...... ......................................................................... 09
1.3.2 Những kỹ thuật khác ......... ......................................................................... 11
1.4 Trình tự mơ phỏng động cơ khơng đồng bộ ...................................................... 12
vii
1.4.1 Xây dựng mơ hình tốn học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều
khiển .............................................. ......................................................................... 12
1.4.2 Kiểm tra thiết bị truyền động AC ................................................................ 13
1.4.3 Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm ....... 13
1.5 Định hướng............................... ......................................................................... 13
1.6 Mục tiêu đề tài .......................... ......................................................................... 13
1.7 Phạm vi nghiên cứu .................. ......................................................................... 13
1.8 Nội dung luận văn .................... ......................................................................... 14
1.9 Ý nghĩa đề tài ........................... ......................................................................... 14
1.10 Đề tài tham khảo .................... ......................................................................... 14
Chương 2: MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ....... 15
2.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ bap ha .................................................... 15
2.2 Vector không gian của các đại lượng bap ha ..................................................... 16
2.2.1 Xây dựng vector không gian ........................................................................ 16
2.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian ..................................................... 19
2.2.3 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor .................... 21
2.3 Mơ hình của động cơ khơng đồng bộ ba pha ..................................................... 24
2.3.1 Lý do xây dựng mơ hình .... ......................................................................... 24
2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ .......................................................... 25
2.3.3 Các tham số của động cơ .... ......................................................................... 27
2.3.4 Mơ hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator ................................... 28
2.3.5. Mơ hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor ................................... 30
2.3.6. Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông
rotor ................................................ ......................................................................... 32
Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ....................................... 33
viii
3.1. Đại cương về phương pháp FOC . ............................................................................... 33
3.2. Cấu trúc FOC .......................... ......................................................................... 35
3.2.1. Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC ........................................................... 35
3.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển ................................................................... 36
3.2.3 Cấu trúc hiện đại của FOC . ......................................................................... 39
3.3 Mô phỏng phương pháp FOC bằng Simulink/ Matlab ...................................... 41
3.3.1. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp FOC trong Simulink/Matlab .................. 41
3.3.2. Giải thích nguyên lí hoạt động ........................................................................41
3.3.3. Phân tích sơ đồ ................. ......................................................................... 42
3.4 Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ
bằng phương pháp FOC .............................. 45
3.4.1 Tham số mô phỏng ............. ......................................................................... 45
3.4.2 Trình tự mơ phỏng ............. ......................................................................... 45
3.4.3 Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong matlab Simulink. ....................... 46
3.4.3.1 Khi động cơ ở chế độ không tải ............................................................. 46
3.4.3.2 Khi động có moment mT=2 (N.m). ....................................................... 48
3.4.3.3 Khi động có moment mT=5 (N.m) ........................................................ 50
3.4.3.4 Khi hãm động cơ (tăng tải của động cơ, cho mT=8 N.m) ..................... 52
3.4.3.5 Thay đổi tốc độ động cơ (mT=5) ........................................................... 54
3.4.3.6 Đảo chiều quay động cơ (mT=5) ........................................................... 56
3.4.4 Nhận xét kết mô phỏng điều khiển FOC...................................................... 58
Chương 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ĐỂ ĐIỀU CHỈNH
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ .......................................................... 60
4.1 Bộ điều chỉnh PI – Fuzzy ........ ......................................................................... 60
4.2 Quy tắc cơ bản thiết kế cho các đầu ra............................................................... 66
4.3 Thiết kế của Fuzzy Logic Controller sử dụng MATLAB .................................. 67
ix
4.4 Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ........................................ 69
4.5 Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong matlab Simulink. ............................. 70
4.5.1 Khi động cơ ở chế độ khơng tải ................................................................... 70
4.5.2 Khi động cơ có moment mT=2 (N.m). ........................................................ 72
4.5.3 Khi động cơ có moment mT=5 (N.m). ........................................................ 74
4.5.4 Khi hãm động cơ (tăng tải động, cho moment mT=8 N.m). ........................ 76
4.5.5. Thay đổi tốc độ động cơ (mT=5 N.m). ....................................................... 78
4.5.6. Đảo chiều quay động cơ (mT=5 N.m). ....................................................... 80
4.6 Nhận xét .................................. ......................................................................... 82
Phần So sánh với khâu PID mờ của đề tài Thạc sỹ Phạm Văn Lực.
4.7 Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ lai..................................................................... 84
4.8 Xây dựng các bộ điều khiển PI mờ .................................................................... 84
4.9 Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào
ước lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ PI để điều khiển tốc độ động cơ
không đồng bộ .......................................................................................................... 86
4.10 Nhận xét ........................................................................................................... 88
4.11 Mặt tích cực và hạn chế trong luận văn so sánh .............................................. 88
Chương 5: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .....
5.1 Kết luận .................................... ......................................................................... 89
5.2 Hạn chế ..................................... ......................................................................... 89
5.3 Hướng phát triển ..................... ......................................................................... 90
Tài liệu tham khảo .......................... ......................................................................... 91
Phụ lục ............................................ .........................................................................
x
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 . TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI:
Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng
những phương pháp mới trong việc mơ hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng
nên các thuật tốn điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi điện tử, vi
xử lý và điện tử công suất. Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại là
phương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968 và
Balaschke đưa ra 1970.
K.Haase: Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ
không đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch ni bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969)
F.Balaschke: Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồng
bộ ba pha. Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972.
TS. Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp điều
chỉnh dòng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế của
chúng” nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phương pháp
mạnh dùng mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cách tiếp cận với
các thuật tốn thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điều khiển gián đoạn
bằng vi xử lý.
Phần ứng dụng của tác giả TS. Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra đời
và được ứng dụng thành cơng khơng chỉ trong phịng thí nghiệm mà còn cả trên thiết bị
hiện đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị trường.
Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
1
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
• Phần cơng suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn.
• Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải
quyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoại với
hệ thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với thiết bị
ngoại vi tại chỗ PLC.
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
1.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)
Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là truyền
động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của dòng điện và điện áp của nguồn
cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời. Cách điều chỉnh này cho phép điều khiển tốc độ
hoặc moment đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của động cơ ổn định.
Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện áp hoặc dịng điện
được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số được điều chỉnh, không
liên quan đến vị trí khơng gian của những vector tương ứng.
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
2
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector. Kỹ thuật vô hướng chung
nhất thường được dùng trong thực tế là Volts Hertz không đổi (Constant Volts/ HertzsCVH) nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ
thơng stator khơng đổi. Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc độ từ trường quay
của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp. Moment được cải tiến phụ
thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor. Hệ thống điều khiển
đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ. Tín hiệu tốc độ thật M sẽ so sánh với tín
hiệu tốc độ chuẩn *M , sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip controller), cho
ra tín hiệu trượt sl . Tín hiệu này cộng với M tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệ
*
p/2 tạo tần số góc đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage
Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần.
Hình 1.2. Mơ hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng
Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển moment
(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dịng điện stator, vì thế
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
3
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
momen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì khơng đổi.
Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trị phụ vì hồi tiếp dịng điện có
phần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH).
*
Is
*
T
I sT
*
/*
R
*
Is
M
*
Hình 1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng
1.2.2. Phương pháp điều chế vector không gian
Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong những
thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong 3 thập niên qua. Không
chỉ địi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn cơng suất mà cịn
u cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác. Có nhiều kỹ thuật điều chế như:
kỹ thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian... nhưng bổ sung thêm ứng dụng số
là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp. Phương pháp
điều chế vector không gian (space vector modulation) xuất phát từ các ứng dụng của
vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong hệ
thống điện ba pha. Phương pháp này là phương pháp phổ cập trong các hệ truyền động
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
4
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
đã số hóa tồn phần dùng để điều khiển biến tần dùng van bán dẫn. Thông thường, các
đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho
trước, với tần số cũng như góc pha cho trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu. Biến
tần được nuôi bởi điện áp một chiều. Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với
tần số cắt cao. Van bán dẫn được dùng ở đây là IGBT, MOSFET.
Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục của
vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường trịn.
Với sự dịch chuyển đều đặn của vector khơng gian trên quỹ đạo đường trịn, các sóng
hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên
tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một
chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.
Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
5
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
1.2.3. Điều khiển định hướng trường
Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm
là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng. Tuy nhiên, trong những ứng dụng
trong cơng nghiệp địi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp
phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ
yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành.
Điều khiển định hướng trường (Field oriented control - FOC) hoặc điều khiển
vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động
giữa moment và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và moment
tương tự như động cơ DC kích từ độc lập.
Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa moment và tách rời điều
khiển moment khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và q độ của
động cơ khơng đồng bộ.
Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp trong
đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa vào đo
lường vị trí rotor.
1.2.4. Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp
Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từ
thơng chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và dịng điện stator sử dụng bộ quan
sát từ thơng (flux observer). Đặt cảm biến ở khe hở khơng khí của động cơ, trục dq
nhằm xác định vector từ thông hỗ cảm (từ thơng khe hở khơng khí).
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
6
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 1.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản
1.2.5. Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
Phương pháp điều khiển định hướng từ thơng rotor gián tiếp dựa vào tính tốn
tốc độ trượt r được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp đặt
*
tốc độ này lên động cơ.
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
7
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hình 1.6. Hai mơ hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định
hướng từ thơng rotor gián tiếp
1.2.6. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường
Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn,
người ta sử dụng đường bao sai số hình vng gắn với vector từ thơng rotor của máy
điện. Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài bậc cao
theo hướng từ thơng rotor. Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo
thành moment động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ tác dụng gián
tiếp của từ thông rotor lên moment động cơ). Việc lựa chọn vector đóng ngắt sẽ thực
hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ nhất và việc đóng ngắt
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
8
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
theo trục d của dịng điện có thể được hạn chế do khả năng mở rộng đường bao của nó.
Các sóng hài moment giảm xuống nhưng các sóng hài dịng điện sẽ tăng lên (theo trục
d).
1.2.7 Nhận xét
Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều
khiển động cơ. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn tại
những khuyết điểm:
-
Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây sóng
hài bậc cao.
-
Điều khiển vơ hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp.
-
Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổi
thông số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thơng khơng chính
xác tại tốc độ thấp. Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thì khơng
thể duy trì u cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi.
Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệ
nhân tạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời góp phần khơng nhỏ trong việc
phát triển lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha.
1.3 NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY
1.3.1 Điều khiển thơng minh
Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện
tử công suất. Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phần chính kia
thì truyền động đó gọi là truyền động thơng minh.
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
9
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não và
trung tâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng. Phần cứng của đơn
vị điều khiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây. Còn phần mềm chứa những kỹ
thuật điều khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng.
Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thơng minh: điều
khiển thích nghi hay điều khiển tự tổ chức. Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là hệ
thống tự tổ chức hoặc tự xử lý. Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh của thiết kế
và sản xuất mạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính tốn cao đưa điều
khiển thông minh vào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện.
Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính tốn cứng và tính tốn mềm.
Hệ chun gia thuộc về tính tốn cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên. Trong 2 thập
kỷ gần đây, tính tốn mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như sự cải
tiến cấu trúc vi xử lý. Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo, tập logic
mờ, mạng neural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen.
Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được quan tâm
đến như một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định và
tăng độ bền cơ học. Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật If- then (Kawaji
and Matsunaga, 1994).
Ngồi ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì
những đặc tính đặc biệt sau:
-
Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống
điều khiển tự động.
-
Khả năng của ANN có thể học mẫu.
-
Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc.
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
10
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
-
Khả năng thích nghi.
Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnh vực
điều khiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ động cơ; bộ
điều khiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần…
Kết quả mơ phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạng neural
trong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường (như bộ điều
khiển PI) khơng có ANNs.
1.3.2. Những kỹ thuật khác
Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là giá thành cao của
những thiết bị biến đổi, sự phức tạp của xử lý tín hiệu và độ chính xác kém. Trong
những năm gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt vì sự tiến bộ của
kỹ thuật điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao. Trong hầu hết những ứng dụng, cảm biến tốc
độ là cần thiết và thích hợp trong vịng kín điều khiển tốc độ. Tuy nhiên, cảm biến tốc
độ có một vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng loại trừ nhiễu. Những
phương pháp khác nhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ sử dụng một vài thơng số
điện như dịng điện, điện áp, tần số và từ thông. Chúng dựa vào sự kết hợp của lý
thuyết ước lượng trạng thái và thuyết điều khiển vector (điều khiển động cơ khơng có
cảm biến tốc độ).
Tuy nhiên, các giá trị của thông số điện bị lệch do các giá trị thiết kế vì sự thay
đổi của mơi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn.
Những phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng khơng phù hợp vì một
vài lý do như trên…Vì vậy, một vài mơ hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ
ra mà khơng cần biết đến phương trình chuyển động.
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
11
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nhiệm vụ chính là tập trung vào việc nhận dạng bao gồm bộ lọc tuyến tính để
ước lượng hàm chuyển tuyến tính (Schouken, 1990), để ước lượng thông số vật lý
(Moons và Moor, 1995) và ước lượng hệ số hàm chuyển tuyến tính dựa vào đo lường
lực từ và tốc độ (Gahler và Herzog, 1994), kỹ thuật NARMAR (Leontaritis và Billing,
1985) nhằm mơ hình hóa mối quan hệ giữa tốc độ và điện áp của động cơ không đồng
bộ.
Tương tự, khi ước lượng từ thông, người ta cũng áp dụng những nguyên tắc
giống như điều khiển và ước lượng tốc độ. Thật sự, cảm biến từ thơng khó chế tạo và
lắp đặt. Vì vậy, việc chế tạo ra một bộ ước lượng từ thông từ những thơng số điện có
sẵn, hoặc những kỹ thuật tiên tiến là mối quan tâm thiết yếu cho những ai quan tâm đến
lĩnh vực điều khiển động cơ.
1.4 . TRÌNH TỰ MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
Thơng thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hành
theo những bước chính sau:
1.4.1. Xây dựng mơ hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ cho cấu trúc
điều khiển
Thơng thường, mơ hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ là: phương trình
vector tổng qt, mơ hình mạch điện dưới dạng 2 pha, phương trình trạng thái. Thông
số của động cơ được xác định theo phương pháp thực nghiệm. Điện trở stator đo được
từ kiểm tra DC; điện trở rotor và điện cảm tiêu tán đo được khi rotor bị ghìm; đo điện
cảm từ hóa khi kiểm tra không tải. Việc điều chỉnh thông số khi mô phỏng động cơ
trong điều kiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức lúc tải định mức.
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
12
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
1.4.2. Kiểm tra thiết bị truyền động AC
Một phịng thí nghiệm được xây dựng bao gồm: động cơ không đồng bộ cần
kiểm tra làm việc như tải cơ được kéo bởi máy phát điện đồng bộ. Mỗi máy điện được
cấp nguồn từ bộ biến tần, và được điều khiển bởi bộ điều khiển card ở PC.
1.4.3. Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm
Tùy theo tính chất, mục đích sử dụng, tài ngun hiện có mà ta lựa chọn phương
pháp điều khiển thích hợp như điều khiển vơ hướng, điều chế vector không gian, định
hướng trường...
1.5 . ĐỊNH HƯỚNG.
Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau, cũng
như với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều. Trong
luận văn thạc sỹ này, đề tài “Ứng dụng logic mờ điều khiền động cơ không đồng
bộ” được thực hiện.
1.6 . MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.
Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường, là phương pháp
-
điều khiển tốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện.
-
Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ để điều
khiển tốc độ động cơ. Các luật hợp thành của tập mờ được xây dựng dựa vào
các suy luận của người thiết kế, kinh nghiệm của chuyên gia…
1.7 . PHẠM VI NGHIÊN CỨU.
Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường
sử dụng bộ điều khiển PID mờ lai để điều khiển từ thông, moment và tốc độ động cơ
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
13
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
không đồng bô 3 pha. Đây là phương pháp tỏ ra hiệu quả, đơn giản nhưng địi hỏi phải
có hồi tiếp từ thơng rotor của động cơ không đồng bộ vốn là đại lượng không thể đo
lường được. Trong thực tế người ta phải ước lượng từ thông rotor để sử dụng trong bộ
điều khiển. Với mục đích đó, đề tài tập trung nghiên cứu logic mờ để điều khiển động
cơ không đồng bộ.
1.8 . NỘI DUNG LUẬN VĂN.
Luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Chương 1: TỔNG QUAN
Chương 2: MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG
Chương 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ĐỂ ĐIỀU CHỈNH
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Chương 5: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
1.9 . Ý NGHĨA ĐỀ TÀI.
Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp sử
dụng logic mờ để điều khiển động cơ không đồng bộ, cách thức thiết kế và mô hình
hóa các bộ điều khiển trong Simulink và Control System Toolbox.
1.10. ĐỀ TÀI THAM KHẢO
Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương pháp định
hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha. ( Học viên: Phạm
Văn Lực).
Ứng dụng mạng Neural điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. (Học viên:
Nguyễn Thị Bích Mai).
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
14
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA
Chương 1: TỔNG QUAN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HVTH: HUỲNH THANH TUẤN
15
GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
