Điều khiển gián tiếp tựa theo từ trƣờng cho động cơ cảm ứng sử dụng bộ điều khiển logic mờ

Nội dung text: Điều khiển gián tiếp tựa theo từ trƣờng cho động cơ cảm ứng sử dụng bộ điều khiển logic mờ

1. ĐIỀU KHIỂN GIÁN TIẾP TỰA THEO TỪ TRƢỜNG CHO ĐỘNG CƠ CẢM ỨNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ INDIRECT FIELD ORIENTED CONTROL OF INDUCTION MOTOR USING FUZZY LOGIC CONTROLLER Nguyễn Lương Văn Minh Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Tóm tắt Động cơ điện xoay chiều, đặc biệt là đồng cơ không đồng bộ rotor lồng sóc thường có nhiều lợi thế như: cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp, ít bảo trì, động cơ không đồng bộ có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Bài báo này trình bày hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ theo phương pháp điều khiển gián tiếp tựa theo từ trường sử dụng bộ điều khiển logic mờ cho hiệu suất cao. Hệ thống truyền động điều khiển gián tiếp tựa theo từ trường truyền thống cho động cơ không đồng bộ thường sử dụng các bộ hiệu chỉnh PI truyền thống cho các giá trị hồi tiếp thường có độ chính xác thấp và làm giảm hiệu suất của hệ thống. Để khắc phục vấn đề này, thay thế bộ điều khiển PI bởi bộ điều khiển thông minh dựa trên lý thuyết tập mờ được đề xuất. Điều khiển mờ có thể tự động hiệu chỉnh các thông số điều khiển với khả năng thích ứng cao và điều chỉnh tốc độ chính xác. Chất lượng của bộ điều khiển thông minh đã được khảo sát thông qua việc mô phỏng bằng công cụ MATLAB-SIMULINK dưới các điều kiện khác nhau như thay đổi đột ngột tốc độ và mô-men tải. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng chất lượng của bộ điều khiển đề xuất tốt hơn so với bộ điều khiển PI thông thường. Từ khóa: Điều khiển gián tiếp tựa theo từ trường, logic mờ, bộ điều khiển PI, động cơ không đồng bộ. Abstract AC motors, particularly the squirrel-cage induction motor (SCIM), enjoy several inherent advantages like simplicity, reliability, low cost and maintenance, induction motors have many applications in the industries. The paper presents indirect field oriented control system of induction motor using fuzzy logic controller for high performance. Traditional Indirect Field Oriented Control system of induction motor introduces conventional PI regulator in outer loop, it is proved that the low precision and debases the performance of the whole system. To overcome this problem, replacement of PI controller by an intelligent controller based on fuzzy set theory is proposed. The fuzzy control can realize the automatic adjustment of the control parameter, with strong adaptability and good speed governing. The performance of the intelligent controller has been investigated through simulation using MATLAB- SIMULINK package for different operating conditions such as sudden change in reference speed and load torque. The simulation results demonstrate that the performance of the proposed controller is better than that of the conventional PI controller. Keywords: Indirect field oriented control, Fuzzy logic control, PI controller, induction motor. 1. Giới thiệu: và FOC [1], hay xếp theo kỹ thuật bám sát bằng các khâu hiệu chỉnh PI, PID và kỹ thuật trí tuệ nhân tạo hay Những ưu điểm được biết đến của động cơ không đồng còn gọi là điều khiển thông minh, có khả năng tự tổ bộ 3 pha có thể liệt kê như cấu tạo đơn giản, làm việc chức. Trong kỹ thuật này được chia thành hai nhóm là tin cậy, giá thành thấp, ít tốn chi phí bảo dưỡng. Tuy tính toán cứng và tính toán mềm [2]. Hệ thống chuyên nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ tương gia thuộc về tính toán cứng được xem là kỹ thuật trí tuệ đối phức tạp so với động cơ một chiều, các vấn đề nhân tạo đầu tiên. Trong hai thập niên gần đây kỹ thuật thường gặp phải là khó điều khiển bám sát các thông số tính toán mềm được sử dụng rộng rãi trong truyền động đặt: mô-men, tốc độ, hơn nữa, thiết kế các bộ điều điện như Mạng nơ-ron nhân tạo, hệ logic mờ, mạng nơ- khiển thường tăng thêm chi phí cho hệ thống. Với yêu ron – Mờ, giải thuật di truyền cầu truyền động như ngày nay thì các phương pháp điều khiển hiện đại ngày càng được áp dụng nhiều. Các Trong hệ thống một hệ thống truyền động tối ưu, tốc độ phương pháp điều khiển hiện đại được xếp loại theo động cơ cần theo đúng quỹ đạo quy định đặt ra bất kể điều khiển thông số vật lý như phương pháp V/f, DTC sự thay đổi tải cũng như thay đổi các tham số mô hình.
2. Để đạt được hiệu suất cao, điều khiển tựa theo từ Tốc độ trượt có thể được tính trường FOC trong truyền động động cơ cảm ứng được LR sử dụng [3]. Tuy nhiên khâu hiệu chỉnh các đối tượng  mr (5) sl i qs điều khiển của hệ thống đóng một vai trò trong hệ  L thống. Việc tách biệt các thành phần của véc-tơ điều rr khiển động cơ cảm ứng bị ảnh hưởng bất lợi bởi các Từ thông rotor là hằng số  là hằng số nên thay đổi tham số trong động cơ. r d r 0 từ đó phương trinh (4) đưa ra từ thông Các vấn đề điều khiển tốc độ của động cơ cảm ứng dt thường được giải quyết bằng các khâu hiệu chỉnh PI rotor như sau và PID. Tuy nhiên các khâu hiệu chỉnh trên rất nhạy  với sự thay đổi tham số, và phân bố tải Vì vậy, các  r Li (6) thông số điều khiển phải được điều chỉnh liên tục bằng m ds một số kỹ thuật điều khiển thích nghi như điều khiển Mô-men điện từ được cho bởi  thích nghi theo mô hình tham chiếu, kiểm soát chế độ 3pLm trượt, kiểm soát cấu trúc biến và bộ điều khiển tự điều Ti r (7) e2 2 L qs chỉnh PID [4-7]. Thiết kế các bộ điều khiển trên phụ r thuộc vào các hệ thống mô hình toán học chính xác. 2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ Tuy nhiên thường rất khó để phát triển một mô hình Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ được chỉ ra trong toán học chính xác do sự thay đổi tải chưa biết và các Hình 1 đầu vào gồm có tín hiệu sai số, và tích phân sai biến thể tham số không thể tránh khỏi do bão hòa, sự số với các hệ số đồng nhất tương ứng K1 = 1/300, K2 thay đổi nhiệt độ và sự xáo trộn hệ thống. Để khắc = 0,275; sau khi các tín hiệu đầu vào đi qua khối logic phục những vấn đề trên, bài báo này đề xuất một hệ mờ thì cho đáp ứng ngõ ra với hệ số K3 = 525. logic mờ nhằm nâng cao khả năng bám sát tín hiệu đặt moment hay tốc độ của động cơ bất chấp sự thay đổi tải, bão hòa từ và nhiệt độ môi trường. Có một số lợi thế của điều khiển mờ so với thông thường PI, PID và điều khiển thích nghi chẳng hạn như nó không đòi hỏi bất kỳ mô hình toán học, nó được dựa trên các quy tắc ngôn ngữ trong cấu trúc chung IF-THEN, là cơ bản của logic của con người [8]. Hình 1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ FLC Bộ điều khiển mờ đề xuất sử dụng các nhãn ngôn ngữ 2. Phƣơng pháp tiếp cận AL, A, AB, ZE, DB, D, DL. Các hàm thành viên của 2.1. Phƣơng pháp điều khiển IFOC các tín hiêu ngõ vào và ngõ ra sẽ tương ứng với 7 nhãn Phương pháp IFOC được đề xuất cho hệ truyền động ngôn ngữ này. Hình 2 chỉ ra các nhãn ngôn ngữ tương nhằm đạt hiệu xuất cao. Về bản chất IFOC giống như ứng cho các hàm thành viên. DFOC tuy nhiên góc quay rotor θe được ước lượng từ μ(e) tốc độ rotor ωr đo được và tốc độ trượt ωsl. AL A AB ZE DB D DL 1  dt   dt   (1) e e r sl r sl Phương trình mạch rotor 0.5 ddr R r L m dr R r i ds  sl  qr 0 (2) dt Lrr L 0 - 1 - 0.8 - 0.6 - 0.4 - 0.2 a)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 dqr RL rm  R i   0 (3) μ(ie) qr r qs sl dr AL A AB ZE DB D DL dt Lrr L 1  Do  rq 0 nên từ thông tổng  r đặt trên trục d 0.5 nên ta có  Ld  0 rr - 1 - 0.8 - 0.6 - 0.4 - 0.2 b)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 r Li m ds (4) Rr dt
3. μ(co) trình bày như sau NẾU sai số ngõ vào là AL và AL A AB ZE DB D DL 1 tích phân sai số ngõ vào là AL, THÌ ngõ ra sẽ là AL. Giải thuật Mamdani được sử dụng cho cơ chế suy luận. 0.5 BẢNG 1: Luật hợp thành 0 - 1 - 0.8 - 0.6 - 0.4 - 0.2 c)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Hình 2. Hàm thành viên của các biến mờ μ(e), μ(ie), μ(co) Quan hệ giữa các biến ngõ vào và ra được thể hiện qua 7×7 luật NẾU-THÌ cho các giá trị ngôn ngữ của hàm thành viên, hai biến ngõ vào là sai số e và tích phân sai số ie dựa vào Bảng 1 bên dưới để cho ra giá trị ngõ ra tương ứng. Luật đầu tiên được Hình 3. Sơ đồ cấu trúc mới của phương pháp IFOC sử dụng bộ điều khiển FLC 3. Mô phỏng và nhận xét so với bộ điều khiển PI và tốc độ được giữ ổn định khi Các mô phỏng được thực hiện cho hệ truyền động động có sự thay đổi tải tại các thời điểm kể trên. cơ cảm ứng theo phương pháp IFOC sử dụng các bộ điều khiển PI và bộ điều khiển logic mờ trong các trường hợp có xét đến sự biến động tải cũng như các thay đổi về nhiệt độ, các kết quả về thời gian đáp ứng, sai số xác lập, độ vọt lố được so sánh. Hình 4 và 5 cho thấy đáp ứng mô-men và tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển PI và FLC so với các giá trị đặt tương ứng xét trong trường hợp có các biến động về tải trong các khoảng thời gian t=1,75s và 2,5s. Khi có sự biến động tải mô-men điện từ phải nhanh chóng đáp ứng với sự thay đổi tải để giữ cho tốc độ động cơ ổn định tại mọi thời điểm vận hành, kết quả cho thấy với Hình 4. Đáp ứng Mô-men được so sánh trong trường bộ điều khiển FLC cho các đáp ứng về mô-men tốt hơn hợp có xảy ra biến động tải
4. 4. Kết luận: Hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha phương pháp điều khiển hiện đại IFOC sử dụng các khâu hiệu chỉnh sai số hồi tiếp FLC được mô phỏng với nhiều trường hợp khác nhau có tính đến sự biến động của tải, điều khiển với nhiều mức tốc độ khác nhau trong đó có kể đến sự thay đổi của các thông số điện trở của động cơ (các thông số dễ thay đổi do nhiệt độ). Các kết quả thu được đều được so sánh với hệ truyền động sử dụng bộ điều khiển PI truyền thống. Với các nhận xét trong từng trường hợp kể trên cho thấy FLC có đáp Hình 5. Đáp ứng tốc độ được so sánh trong trường hợp ứng động tốt hơn so với PI truyền thống. có sự biến động tải Khi có sự thay đổi của môi trường thì các tham số mô THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ hình của động cơ thay đổi đặc biệt là các thành phần Động cơ không đồng bộ có các thông số sau: điện trở stator Rs và điện trở rotor Rr, điều này ảnh 7500W; 2842 v/p; 380V; 50Hz; 4 cực hưởng đến chất lượng điều khiển của hệ thống. Hình 6 Ls = Lr = 0,996 H; Rr = 0,706Ω; Rs = 0,728Ω; và 7 cho thấy các đáp ứng về mô-men và tốc độ trong trường hợp các thông số về tốc độ đặt thay đổi có xét TÀI LIỆU THAM KHẢO đến ảnh hưởng của môi trường tại thời điểm t=1,5s. Khi có sự thay đổi về tốc độ thì mô-men điện từ cũng biến [1] Bimal K. Bose, “Modern Power Electronics động để đưa tốc độ thay đổi theo giá trị đặt tương ứng and AC Drives”, Third impression, INDIA: sau đó trở về giá trị ban đầu, kết quả cho thấy bộ điều Pearson Education, Inc., 2007. khiển FLC cho dao động mô-men ít hơn ngay tại thời [2] Ned mohan, Tore M.Undeland and Wiliam điểm thay đổi tốc độ so với bộ điều khiển PI nê cho đáp P.Robbins,” Power Electronics”, New York, ứng tốc độ tốt hơn và bám sát theo giá trị đặt tương John Wiley & Sons, Press, 1998. ứng. [3] F.Blaschke, “The principle of field orientation as applied to the new transvector closed-loop control system for rotating-field machine,” Siemens Rev., Vol.34, no.3, May 1972. [4] H. Sugimoto and S. Tamai, “Secondary resistance identification of an Induction Motor Applied Model reference Adaptive Systems and its Characteristics”, IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol IA-23, No.1, Mar/Apr, 1987. [5] C. Y. Won and B. K. Bose, “An induction Motor servo Systems with Improved Sliding Mode Control”, in Proc. IEEE IECON’92. [6] T. L Chern and Y. C. Wu, “Design of Integral Variable Structure Controller and Applications Hình 6. Đáp ứng Mô-men khi có sự thay đổi tốc độ có to Electro Hydraulic Velocity Servo Systems”, xét ảnh hưởng nhiệt độ môi trường Proc. In Elec. Eng., Vol. 138, no. 5, Sept. 1991. [7] J. C. Hung, “Practical Industrial Control techniques”, in Proc. IEEE IECON’94. [8] M Nasir Udin,Tawfik S.Radwan,and M.Azizur Rahman,“ Performance of Fuzzy-Logic-Based Indirect vector control for induction motor drive,”IEEE Transaction on Industry Applications,vol.38,no.5,September/October 2002 Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Lương Văn Minh_Tel: 01683091004,Email: minh.nguyendkc@gmail.com Khoa Điện – Điện tử, Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Hình 7. Đáp ứng tốc độ có xét đến ảnh hưởng nhiệt độ Cao Thắng Tp. Hồ Chí Minh. của môi trường
5. 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.