Điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ ba pha

Nội dung text: Điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ ba pha

1. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA The field oriented control system 3-phase asynchronous motors PGS.TS Dương Hoài Nghĩa ( Đại Học Bách Khoa TP.HCM), Chu Văn Đức (Học Viên Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM ). Tóm tắt trên hệ trục d – q đây là hệ trục bất biến. Sự tham chiếu này nhằm mục đích để hướng việc Bài báo này trình bày về phƣơng pháp điều khảo sát động cơ không đồng bộ thành việc khiển định hƣớng trƣờng (Field Oriented khảo sát của động cơ một chiều kích từ độc lập. Control - FOC) để điều khiển động cơ không Tuy nhiên do hệ động lực của động cơ xoay đồng bộ 3 pha, trong đó ứng dụng mạng chiều có nhiều tham số bất định nên việc điều nơron (Artificial Neural Network - ANN) để khiển động cơ theo các phương pháp cổ truyền nhận dạng và ƣớc lƣợng từ thông động cơ. có cảm biến hay không có cảm biến đều không Để khảo sát và phân tích kết quả, bài báo đảm bảo chất lượng khi có tải thay đổi lớn. này sử dụng phần mềm Matlab/Simulink mô Trong trường hợp này thuật toán di truyền (PID phỏng điều khiển FOC động cơ không đồng - GA) là phương pháp điều khiển tối ưu. bộ 3 pha bằng phƣơng pháp cổ điển, điều khiển FOC dùng mạng nơron. Kết quả mô II. Mô hình động cơ không đồng bộ 3 pha phỏng cho thấy bộ điều khiển khi ứng dụng 2.1. Vector không gian công nghệ tính toán mềm hoạt động tốt. 2.1.1. Hệ tọa độ cố định stator (αβ) Abstract Bằng cách chiếu vector không gian lên hai truc This paper presents on the field oriented tọa độ( -β). Ta có thành phần vector điện áp control method (Field Oriented Control - trong hệ trục tọa độ ( -β): FOC) to control 3-phase asynchronous motors, which has applied neural networks usα = u sa (Artificial Neural Network - ANN) to 11(1) identify and estimate the rotor flux motor. usβ = u sa + 2u sb u sb - u sc To survey and analyze the results, this paper 33 uses software Matlab / Simulink simulation FOC control 3-phase asynchronous motors with classical methods, FOC control using neural networks. The simulation results show that the controller when the application of soft computing technology works well. I. Giới thiệu Hiện nay phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC) được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trong việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment có thể được điều khiển Hình 1. Hệ tọa độ cố định stator (αβ) độc lập. FOC là phương pháp điều khiển dòng 2.1.2. Hệ tọa độ từ thông rotor (dq) stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha và đặc trưng là các vector. Điều khiển này cơ bản Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (α – β) ta xét dựa vào sự tham chiếu về thời gian và tốc độ thêm một tọa độ thứ hai có trục hoành d và trục 1
2. tung q, hệ tọa độ này có chung điểm gốc và di 1 1- σ 1- σ 1- σ 1 sα = - + i + ψ'' + ωψ + u nằm lệch đi một góc  so với hệ tọa độ stator. sα rα rβ sα s dt σTs σT r σT r σ σL s di sβ 1 1- σ 1- σ'' 1- σ 1 = - + isβ - ωψ rα + ψ rβ + u sβ dt σTs σT r σ σT r σL s ' (4) dψ 11'' rα = i - ψ - ωψ dt Tsα T rα rβ rr ' dψrβ 11'' = isβ + ωψ rα - ψ rβ dt Trr T Phương trình mô men: Hình 2. Mối liên hệ giữa tọa độ (αβ) và (dq) (5) 3 L m Từ hình trên ta có thể biểu diễn mối liên hệ Ter = p ψα i sβ - ψ rβ i sα 2L giữa hai tọa độ như sau: r 2.2.2. Hệ phƣơng trình trạng thái của động usα = u sd cosθ s - u sq sinθ s cơ trên hệ tọa độ (dq) (2) u = u sinθ + u cosθ di 1 1- σ) (1- σ) 1 sβ sd s sq s sd = -( + )i + ω i + Ψ' + u dt σ T σ Tsd s sq σ T rd σ L sd s r r s Tương tự ta có: di sq 1 1- σ) (1- σ)' 1 = -( + )isq - ω s i sd - ωΨ rd + u sq u = u cosθ + u sinθ dt σ Ts σ T r σ σ L s sd sα s sβ s (6) (3) ' dψrd 11' usq = -u sα sinθ s + u sβ cosθ s = isd - Ψ rd dt T T rr Trong hệ tọa độ từ thông rotor, thành phần từ dψ' 1 rq = i - (ω - ω)Ψ' thông rotor trên trục (q) có giá trị là 0 do vuông sq s rd dt Tr góc với từ thông rotor trùng với trục (d), do đó từ thông rotor chỉ còn thành phần theo trục (d) Phương trình mô men: và là đại lượng một chiều. 3 L m Te = p ψ rd i sq - ψ rq i sd 2Lr 3 Lm Te = p ψi rd sq (7) 2L r III. Điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) Cấu trúc của hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong điều khiển động cơ KĐB 3 pha. Hình 3. Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q) 2.2. Hệ phƣơng trình trạng thái của động cơ KĐB 3 pha. 2.2.1. Hệ phƣơng trình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ (αβ) Hình 4. Cấu trúc cơ bản của FOC - Bằng việc mô tả các thành phần của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ t ọa độ từ thông rotor (d-q), vector dòng stator is sẽ chia thành 2
3. hai thành phần isd và isq, thành phần isd điều 4.1.2. Kiến trúc mạng truyền thẳng nhiều khiển từ thông rotor còn thành phần isq điều lớp. khiển moment quay. Trong mạng truyền thẳng, liên kết giữa các - Trên hệ tọa độ (dq) dòng isd được coi là đại nơron không tạo thành chu trình. Tín hiệu đi từ lượng điều khiển cho từ thông rotor, tuy nhiên các nơron lớp vào lần lượt qua các lớp ẩn và giữa hai đại lượng tồn tại khâu trễ bậc nhất với cuối cùng đi ra ở các nơron lớp ra. Liên kết hằng số thời gian Tr. giữa mỗi nơron trong một lớp với các nơron lớp liền trước có thể là liên kết đầy đủ hoặc liên kết Lm ψrd = i sd (8) một phần 1+ pTr - Từ các giá trị đo được isd, isq và ω ta tính được góc  isq ω=r ' T ψ r rd (9) ωsr = ω + ω ω θ= s s Hình 6. Cấu tạo mạng nơron nhân tạo Nguyên lý điều khiển định hướng trường là Mỗi lớp trong mạng có ma trận trọng số w, điều khiển tách rời từ thông và mômen. vector bias b, vector net input S và vector đầu IV. Công nghệ tính toán mềm ra a. 4.1.3.Giải thuật lan truyền ngƣợc 4.1. Mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural Là phương pháp cho phép xác định tập trọng số Network - ANN). tốt nhất của mạng. 4.1.1. Cấu tạo mạng nowrron nhân tạo * Ngõ vào của mạng nơron: * Ngõ vào: Có n ngõ vào k x (t), x (t), x (t), x (t). Netj = w kj x k (15) 1 2 3 n (11)  * Bộ tổng trọng số: k=1 * Ngõ ra của mạng nơron: S=wi i,11 x+w i,22 x + +w i,nn x +b i y = Out j = a(Netj) (16) n * Hàm mục tiêu: S = w x + b i i,j i i (12) 1 2 j=1 E = d k - y k (17) * Hàm truyền: 2 n Trong đó: (13) d (k) là tín hiệu ra mong muốn fi S i = f i  w i,j x i + b i j=1 y (k) là tín hiệu ra của mạng * Ngõ ra: Các trọng số được xác định sao cho E đạt giá trị cực tiểu. n (14) a=y=fSi i i i =f i  wx+b i,j i i j=1 4.1.4 Kết quả nhận dạng và ƣớc lƣợng từ thông rotor dùng ANN Dữ liệu huấn luyện là dòng trên stator và tốc độ hồi tiếp. Chu kỳ lấy mẫu là 1ms. Mạng nơron được chọn là mạng 3 lớp * 1 lớp ngõ vào: Isα(k); Isα(k-1); Isβ(k); Isβ(k-1); r(k-1); ω(k) *1 lớp ẩn: 6 nơron được chọn bằng phương pháp thử sai. Hàm truyền của lớp ẩn là tansigmoid và được huấn luyện theo giải thuật lan truyền ngược. Hình 5. Cấu tạo mạng nơron nhân tạo 3
4. * 1 ngõ ra:  (k) gồm 1 nơron được huấn luyện r 1 với 200 epochs. Sai số huấn luyện của mạng Tu thong dat - ANN 0.8 Tu thong dap ung - ANN này là 5.54435.10-10. Kết quả nhận dạng và ước lượng từ thông rotor 0.6 dùng mạng ANN Firef Fi (Webe) 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 time (s) (Dùng ANN) Hình 10. Dạng sóng đáp ứng tốc độ 160 Toc do dat 140 Toc do dap ung 120 100 80 Wref W(rad/s) Wref 60 40 20 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 time (s) (Chưa dùng ANN) 160 Toc do dat - ANN Hình 7. Kết quả nhận dạng ước lượng từ thông 140 Toc do dap ung - ANN 120 100 80 Wref W(rad/s) Wref 60 40 20 Bộ ước lượng từ thông rotor 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 time (s) (Dùng ANN) Hình 11. Dạng sóng đáp ứng mô men 4 Momen dat 3.5 Momen dap ung 3 2.5 2 1.5 MLref MLref ML (Nm) 1 0.5 0 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 time (s) (Chưa dùng ANN) 4 Momen dat - ANN 3.5 Momen dap ung - ANN 3 2.5 2 1.5 MLref ML (Nm) Hình 8. Cấu trúc mạng nơron được chọn 1 0.5 để ước lượng từ thông rotor 0 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.2. Phân tích kết quả mô phỏng khi dùng time (s) ANN và khi chƣa dùng ANN. (Dùng ANN) 4.2.1. Với tải không đổi Hình 12. Dạng sóng đáp ứng dòng điện Hình 9. Dạng sóng đáp ứng từ thông 15 Dong dien Ia Dong dien Ib 10 1 Dong dien Ic 5 0.8 Tu thong dat Tu thong dap ung 0 0.6 Iabc (A) -5 Firef Firef Fi (Webe) 0.4 -10 0.2 -15 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 time (s) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 time (s) (Chưa dùng ANN) (Chưa dùng ANN) 4
5. 15 Dong dien Ia - ANN 4 Momen dat - ANN Dong dien Ib - ANN 10 Dong dien Ic - ANN Momen dap ung - ANN 3 5 2 1 0 Iabc (A) 0 -5 -1 MLref MLref ML (Nm) -10 -2 -3 -15 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -4 time (s) -5 0 1 2 3 4 5 6 7 (Dùng ANN) time (s) (Dùng ANN) 4.2.2. Với tải thay đổi, tốc độ thay đổi Hình 16. Dạng sóng đáp ứng dòng điện Hình 13. Dạng sóng đáp ứng từ thông 15 Dong dien Ia Dong dien Ib 10 Dong dien Ic 1 5 Tu thong dat 0.8 Tu thong dap ung 0 Iabc (A) 0.6 -5 Firef Firef Fi (Webe) 0.4 -10 0.2 -15 0 1 2 3 4 5 6 7 time (s) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 time (s) (Chưa dùng ANN) (Chưa dùng ANN) 15 Dong dien Ia - ANN Dong dien Ib - ANN 1 10 Dong dien Ic - ANN Tu thong dat - ANN 5 0.8 Tu thong dap ung - ANN 0 0.6 Iabc (A) -5 Firef Firef Fi (Webe) 0.4 -10 0.2 -15 0 1 2 3 4 5 6 7 time (s) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 time (s) (Dùng ANN) (Dùng ANN) Hình 14. Dạng sóng đáp ứng tốc độ Hệ thống điều khiển đạt chất lượng cao khi sử 150 Toc do dat Toc do dap ung dụng bộ ước lượng từ thông dùng mạng nơron. 100 Từ thông bám theo giá trị đặt với thời gian đáp 50 ứng khoảng 0.2s 0 Wref W(rad/s) Wref -50 V. Kết luận -100 Bài báo này thực hiện ước lượng từ thông -150 0 1 2 3 4 5 6 7 time (s) dùng mạng nơron kết quả cho thấy: (Chưa dùng ANN) Mômen và tốc độ động cơ bám theo giá trị 150 Toc do dat - ANN đặt. Toc do dap ung - ANN 100 Sử dụng thông số PI đã chỉnh định trong 50 điều khiển FOC cho ta dòng khởi động giảm. 0 Sự thay đổi tốc độ cũng như mômen hầu Wref W(rad/s) Wref -50 như không ảnh hưởng đến từ thông rotor. -100 Hệ thống đạt chất lượng cao khi sử dụng bộ -150 0 1 2 3 4 5 6 7 time (s) ước lượng từ thông dùng nơron. (Dùng ANN) Kết quả mô phỏng cũng cho thấy phạm vi ứng Hình 15. Dạng sóng đáp ứng mô men dụng trong truyền động điều khiển động cơ là thực tế, có thể điều khiển chính xác tốc độ động 4 Momen dat cơ theo giá trị đặt. Momen dap ung 3 2 1 0 TÀI LIỆU THAM KHẢO -1 MLref MLref ML (Nm) -2 [1] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển tự động -3 -4 truyền động xoay chiều ba pha”, nhà xuất bản -5 0 1 2 3 4 5 6 7 time (s) Giáo dục năm 1996. (Chưa dùng ANN) 5
6. [2] Trần Công Binh, bài giảng “Hệ thống điều khiển số, điều khiển các máy điện”, Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. [3] TS. Huỳnh Thái Hoàng, bài 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 bản Khoa học Kỹ thuật năm 2005. [5] Nguyễn Thị Phương Hà, “Lý thuyết điều khiển hiện đại”, nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh năm 2007. [6] TS. Nguyễn Như Hiền – TS. Lại Khắc Lãi, “ Hệ mờ  nơron trong kỹ thuật điều khiển”, nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và công nghệ Hà Nội năm 2007. [7] Phạm Hữu Đức Dục, “ Mạng nơron và ứng dụng trong điều khiển tự động”, nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật Hà Nội năm 2009. [8] Nguyễn Phùng Quang – Andreas Dittrich, “Truyền động điện thông minh”, nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật năm 2004. [9] Võ Như Tiến – Lê Kim Anh,“Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông trong hệ truyền động động cơ không đồng bộ”, Tạp chí Khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng – số 4(39). 2010. [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. [13] /bpra073.htm [14] portal.com/induction-machines-historical-touch [15] Motors.htm 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.