Sử dụng logic mờ điều khiển động cơ không đồng bộ

Nội dung text: Sử dụng logic mờ điều khiển động cơ không đồng bộ

1. SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Huỳnh Thanh Tuấn 1, Dương Hoài Nghĩa 2 1 Trường ĐH Công Nghệ Đồng Nai, 2 Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM TÓM TẮT combined other method’s advantage; together with high expection of wide & deep study of Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị chủ induction motor drivers. In this Master thesis, the lực trong truyền động điện xoay chiều vì các ưu theme: ‘The application of Fuzzy Logic control of điểm như: cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì, sữa chữa, giá thành hạ, hiệu induction motor’ are presented. suất cao so với động cơ một chiều. Keywords: Field Oriented Control – FOC, Proportional Integral Derivative – PID, Fuzzy Phương pháp điều khiển định hướng trường Logic Controller – FLC (Field Oriented Control-FOC) có khả năng điều khiển độc lập từ thông và moment, đang được sử I. GIỚI THIỆU dụng phổ biến để điều khiển động cơ. Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển Động cơ không đồng bộ ba pha (Ac Induction khác nhau, và cũng như với mong muốn tìm hiểu Motor) được sử dụng rất phổ biến ngày nay với vai sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều. trò cung cấp sức kéo trong hầu hết các hệ thống Trong luận văn thạc sỹ này, đề tài “Ứng dụng logic mờ điều khiển động cơ không đồng bộ” được máy công nghiệp. Công suất của các động cơ có thể thực hiện. đạt đến 500kW (tương đương 670 hp) và được thiết kế tuân theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay đổi Từ khoá: Điều kiển định hướng trường (FOC), bộ điều khiển PID, bộ điều khiển fuzzy logic, dễ dàng các nhà cung cấp. Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện (đặc ABSTRACT biệt là loại rotor lồng sóc) có nhiều ưu điểm hơn Induction motors, are known with their ruggedness and reliability, due to their simple động cơ DC. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc construction, much lower cost, lack of commutating chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ elements, better power to mass ratio compared to không đồng bộ là loại máy được dùng rộng rãi the DC motors, which make them an attractive alternative in these applications. trong công nghiệp, nông nghiệp, đời sống hằng ngày. Field Oriented Control (FOC), provides independent control of torque and flux method Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ is being used popularly to control induction thường được dùng làm nguồn động lực cho các motor response improving .Writer (author)
2. máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ . . . Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như: quạt gió, động cơ trong tủ lạnh Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền sản Hình 1. Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rãi. rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh, Nhưng so với máy điện DC, việc điều khiển phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều máy điện xoay chiều gặp rất nhiều khó khăn bởi vì chỉnh. Điều đó dẫn đến các điều kiện được giả các thông số của máy điện xoay chiều là các thông thiết trong khi lập mô hình. Các điều kiện đó một số biến đổi theo thời gian, cũng như bản chất phức mặt đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết tạp về mặt cấu trúc máy của động cơ điện xoay kế, mặt khác chúng gây nên sai lệch nhất định, chiều so với máy điện một chiều. Do đó tác giả sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và “Ứng dụng logic mờ điều khiền động cơ không mô hình. đồng bộ”. Đây là phương pháp tỏ ra hiệu quả, đơn Về phương diện động, động cơ không đồng giản nhưng đòi hỏi phải có hồi tiếp từ thông rotor bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi hệ phương trình của động cơ không đồng bộ vốn là đại lượng không vi phân bậc cao. Vì cấu trúc của các cuộn dây thể đo lường được. phức tạp về mặt không gian, vì các mạch từ móc vòng, một số điều kiện được chấp nhận khi mô II. MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG hình hóa động cơ: ĐỒNG BỘ BA PHA. - 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.
3. - Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là Ls: điện cảm stator không đổi. Lr: điện cảm rotor 2.3. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ 2.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ. tọa độ rotor d (t) su uisu(t) R s su (t) disd 1 1  1  1  1 dt isd  s i sq  rd  rq u sd dt T  T  T L  L  L d (t) s r r m m s ui(t) R (t) sv sv s sv di dt (2.1) sq 1 1  1  1  1 isq  s i sd  rq  rd u sq d (t) dt  Ts  T r  T r L m  L m  L s ui(t) R (t) sw sww s s dt dL 1 rd m i  ()    Với: dt Tsd T rd s rq (2.3) rr d L 1 Rs : điện trở cuộn dây stator. rq m isq  rq ()  s   rd dt Trr T su,,  sv  sw : từ thông stator của cuộn dây u, v, w. III. BỘ ĐIỀU CHỈNH PI - FUZZY Áp dụng công thức ta thu được điện áp: I vao + BỘ ĐIỀU KHIỂN PI G OUT 00- 2 jj120 240 u_ws(t) u su (t) u sv (t).e u s (t).e 3 I hoi tiep ΔKP ΔKI (2.2) e(k) BỘ ĐIỀU 2.2. Các tham số của động cơ de(k) KHIỂN MỜ Lmm: hỗ cảm giữa rotor và stator Ls : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator Hình 2: Sơ đồ Cấu trúc khối điều khiển PI-Fuzzy Lr : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor Các thông số Kp, Ki ban đầu của bộ điều khiển LLL : điện cảm stator sm mm s PI được tính toán offline dựa vào phương pháp Lrm m L mm L r : điện cảm rotor Ziegler-Nichols và không thay đổi trong quá trình điều khiển. Bộ điều khiển mờ sẽ hiệu chỉnh các giá Lsm Tsm : hằng số thời gian stator Rsm trị ΔKp và ΔKi, do đó các thông số Kp, Ki của bộ điều khiển PI sẽ được điều chỉnh hợp lý theo sự Lrm Trm : hằng số thời gian rotor Rrm thay đổi của tải. L2 KKK  1 mm pmoi pcu p LL :hệ số từ tán tổng (2.4) sm rm KKKimoi icu i Với: Lm: hỗ cảm giữa stator và rotor
4. Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ có thể được biểu diễn như hình 3 Hình 4. Mối quan hệ hàm điều chỉnh ngỏ vào e(k) và de(k) Hình 3. Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ Ở đây, các đầu vào của bộ điều khiển mờ là e(k) Ivao I hoitiep (2.5) de(k) e (k) e (k 1) Ngỏ vào e(k) và de(k) là giá trị thực. Do đó, để đưa các giá trị này vào cần phải mờ hóa. Ngỏ vào e(k), de(k) được mờ hóa bởi 5 giá trị: Dương lớn (LP – Large Positive); Dương nhỏ (SP – Small Positive); Không (ZE – Zero); Âm lớn (LN –Large Negative); Dương nhỏ (SN – Small Negative), thể hiện trong hình 4. Ngỏ ra Kp, Ki được mờ hóa thành 3 giá trị S (small); M (Midium), H (High) thể hiện trong hình 5, và bảng 1, 2. Hình 5. Mối quan hệ hàm điều chỉnh ngỏ ra Kp, Ki
5. 3.1. Quy tắc cơ bản thiết kế cho các đầu ra n i e k e k K Pi Quy tắt cơ bản cho việc quyết định đầu ra của i 1 KKP__ new P old n  e k. e k hệ thống gồm 25 trường hợp. Vì ta có 5 dữ liệu đầu  i i 1 (2.6) vào. Nên các bảng đầu ra như sau: n i e k e k K Ii i 1 Bảng 1. Bảng thông số Kp KKI_new I_ old n  i e k . e k i 1 3.2. Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ Bảng 2. Bảng thông số Ki Hình 6: Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI-Fuzzy Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng matlab Simulink. Các luật mờ này cho phép suy diễn giá trị đầu ra. Chọn luật hợp thành theo nguyên tắc min-max. Giải mờ theo phương pháp trọng tâm. Hàm thuộc cuối cùng thu được bằng cách tổ hợp tất cả các hàm thuộc. Giá trị này là trọng tâm của các hàm thuộc và được tính bởi công thức sau:
6. a. Khi động cơ có moment mT=2 (N.m). - Dòng điện động cơ. - Từ thông động cơ. Hình 7. Từ thông của động cơ khi sử dụng phương Hình 10. Dòng điện của động cơ khi sử dụng pháp fuzzy logic phương pháp fuzzy logic - Tốc độ động cơ. b. Thay đổi tốc độ động cơ (mT=5 N.m). - Từ thông động cơ. Hình 8. Tốc độ của động cơ khi sử dụng phương pháp fuzzy logic - Monent động cơ. Hình 11. Từ thông của động cơ khi sử dụng phương pháp fuzzy logic - Tốc độ động cơ. Hình 9. Moment của động cơ khi sử dụng phương pháp fuzzy logic Hình 12. Tốc độ của động cơ khi sử dụng phương pháp fuzzy logic
7. - Monent động cơ. [1]. Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản giáo dục – 1988. [2]. Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông Minh, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, năm 2006. [3]. Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở truyền động điện, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003. Hình 13. Moment của động cơ khi sử dụng phương [4]. Phan Quốc Dũng – Tô Hữu Phúc, Truyền pháp fuzzy logic động điện, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí - Dòng điện động cơ Minh, 2003. [5]. Nguyễn Hữu Phúc, Máy điện 2-Phần máy điện quay, NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM, 2007 [6]. Trần Công Binh, Hệ thống điều khiển số, ĐHBK TP. HCM, 2007 [7]. TS Nguyễn Phùng Quang, Matlab và Hình 14. Dòng điện của động cơ khi sử dụng Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, phương pháp fuzzy logic. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2005 Từ kết quả mô phỏng trên ta nhận thấy: [8]. Nguyễn Đức Thành, Matlab và ứng dụng trong điều khiển, NXB Đại Học Quốc Gia TP. Dạng sóng khi sử dụng fuzzy sẽ ít có sự vọt HCM, 2005 lố và đáp ứng tốt khi thay đổi tải cũng như các trường hợp khác so với khi sử dụng PID. [9]. Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở tự động điều khiển quá trình, NXB Giáo Dục, 2004 Nhưng khi sử dụng fuzzy logic thì đòi hỏi người lập trình sẽ có nhiều kinh nghiệm để chọn ra [10]. PGS.TS Dương Hoài Nghĩa, Công nghệ tính các thông số và nguyên tắc ngõ vào, ngõ ra cho phù toán mềm, Đại Học Bách Khoa TP. HCM hợp (sai số tốc độ và đạo hàm sai số tốc độ). [11]. Do Thi Hong Tham, Duong Hoai Nghia, VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO Sliding mode control of induction motor, University
8. of Technology, National University – HCMC, [15]. Ercument Karakas And Soner Vardarbasi, Vietnam, 2007. Speed control of SR motor by self-tuning fuzzy [12]. Andrezej M.Trzynadlowski, The field PI controller with artificial neural network, orientation priciple in Control of Induction Sadhana Vol. 32, Part 5, , pp. 587– 596, Motors, Kluwer academic Publishers, 1994. October 2007. [13]. B. Leke Betechuoh, T. Marwala and T. [16]. Hassan Baghgar Bostan Abad, Ali Tettey, Using Inverse Neural Networks for Yazdian Varjani, Taheri Asghar, Using Fuzzy HIV Adaptive Control, International Journal Controller in Induction Motor Speed Control of Computational Intelligence Research, ISSN with Constant Flux, Proceedings Of World 0973-1873 Vol.3, pp. 11-15, No. 1, 2007. Academy Of Science, Engineering And Technology Volume 5 April 2005 Issn 1307- [14]. Mouloud Azzedine Denai_, Sid Ahmed 6884. Attia, Fuzzy and neural control of an induction motor, Int. J. Appl. Math. Comput. Sci., 2002, Vol.12, No.2, 221–233.
9. 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.