Ứng dụng thuật toán bộ lọc kalman mở rộng trong điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA

Nội dung text: Ứng dụng thuật toán bộ lọc kalman mở rộng trong điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA

1. ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN BẰNG CÔNG NGHỆ FPGA Hoàng Thị Nga TÓM TẮT: Bài báo trình bày phương pháp điều khiển thông minh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA. Phương pháp điều khiển này được áp dụng cho việc kiểm soát tốc độ rotor; vị trí từ thông rotor của động cơ được ước lượng bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng. Toàn bộ thuật toán điều khiển của động cơ được lập trình bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL. Hệ thống mô phỏng được kết hợp giữa Matlab/Simulink và ModelSim. Kết quả mô phỏng thể hiện, tốc độ động cơ đáp ứng tốt với tốc độ đặt và không ảnh hưởng khi thông số của hệ thống thay đổi. Từ khóa: Điều khiển động cơ, PMSM,VHDL, Bộ lọc kalman mở rộng. ABSTRACT: This article presents FPGA-realization of the intelligent controller for sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) drives. The intelligent control methods are applied for controlling the rotor velocity; the rotor flux position of PMSM is estimated by using extended kalman filter (EKF). The sensorless algorithm controls have implemented by very high speed integrated circuit hardware description language (VHDL). The simulation work is performed by MATLAB/Simulink and ModelSim co-simulation mode. The simulation results shown that the motor’s speed has good dynamic performance and isn’t sensitive to the parameter variations. Key words: Motor controller, PMSM, VHDL, reduced –order Extended kalman filter. 1. Giớ i thiêụ Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp chế tạo như máy cắt gọt kim loại, máy đóng gói, máy gia công chính xác, robot; vì vậy bộ điều khiển của động cơ đóng một vai trò rất quan trọng. Bên cạnh đó việc sử dụng động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu trong công nghiệp ngày càng gia tăng mạnh vì những ưu điểm như tốc độ nhanh, độ chính xác cao và hiện tại các hệ thống đa phần sử dụng cảm biến, encoder quang để đo tốc độ và hồi tiếp về bộ điều khiển, điều này làm cho giá thành của hệ thống tăng cao. Do đó, việc thiết kế một bộ điều khiển không dùng cảm biến là đề tài nghiên cứu được đặt ra hiện nay. Trong bài viết này, trình bày kết quả mô phỏng của bộ thiết kế điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến ( hình 1). Ở đây ta sử dụng bộ lọc 1
2. Kalman giảm bậc để ước lượng vận tốc và góc từ thông rotor. Việc điều khiển vector được ứng dụng cho động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu qua các phép biến đổi Clark, Park, Park-1, Clark-1 [1]. Hình 1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển hoàn chỉnh 2. Cơ sở lý thuyết Phương trình của PMSM trên trục  : v r sL 0 i sin s s   e v i e f  0 rs sLs  cose (1) [v v ]T T Với Ls Ld Lq , là thành phần cảm kháng trên trục dq,  là điện áp trên trục αβ; [i i ] là dòng điện trên trục αβ; e là vị trí góc từ thông [2]. Từ phương trình lực điện động : e sin e   e e e f  cose (2) Đầu tiên ta lần lượt xác định lại hệ thống đầu vào và đầu ra trong mô hình PMSM như sau: 2
3. (3) Giả sử tốc độ góc rotor là không đổi ở mỗi kỳ lấy mẫu. Khi đó ta có thể thu được chính xác phương trình trạng thái của mô hình ngẫu nhiên PMSM như sau: z e z z z z  z  (t) (t)  e và z z (4) e 0 Các ma trận Jacobian có thể được thể hiện như: 0  z f e  F( x ( t ))  0 z e x x x() t 0 0 0 h 1 0 0 (5) H( x ( t )) x x x() t 0 1 0 Việc đơn giản hóa ma trận theo cấp số nhân có thể là: (tn ,tn 1, x(tn 1)  I FTc 1 eTc zTc 1 12 13  T 1 z T  1  e c c 21 23 (6) 0 0 1 0 0 1 Tại , , , . Mô hình PMSM ngẫu nhiên không có tín hiệu đầu vào và trạng thái của zα và zβ (eα và eβ) không thể quan sát trực tiếp nên thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng không được áp dụng. Thấy rằng eαvà eβ có thể được tính gián tiếp bằng: rTsc 1 Tc 0 0 z ( n ) i ( n 1) LLss i ( n ) v ( n ) z( n ) i ( n 1) rT i ( n ) v ( n )   0 1 scT  0  LLc ss (7) 3
4. Giá trị ban đầu của Qd, R và P0 cần được lựa chọn. Thông qua việc tính toán đệ quy, giá trị trạng thái của được ước lượng tại mỗi thời kỳ lấy mẫu, sau đó tốc độ góc rotor và vị trí rotor có thể được tính độc lập như sau: ˆ ˆ e ()n ˆ 1 zn () ˆr ()n e (n ) tan ( ) NP và znˆ () (8) Ta có bản tóm tắt việc ước lượng vị trí rotor và tốc độ rotor dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng thực hiện theo trình tự thiết kế như sau: Bước 1: Đặt các giá trị ban đầu của Qd, R, P0 và n = 1 Bước 2: Đo các giá trị của iα(n), iβ(n), vα(n), vβ(n), từ hệ thống PMSM. Bước 3: Tính zα(n), zβ(n) Bước 4: Ước tính các biến trạng thái tạm thời zˆ ( n n 1) z ˆ ( n 1) ˆeC ( n 1) T z ˆ  ( n 1) zˆ( n n 1) z ˆ  ( n 1) ˆeC ( n 1) T z ˆ ( n 1) (9) ˆˆee(n n 1) ( n 1) Bước 5: Ta có được các ma trận hiệp phương sai tạm thời P  P  T Q n n 1 n 1 n 1 n 1 d (10) Bước 6: Tính hệ số Kalman K P H T [HP H T R] 1 n n n 1 n n 1 (11) Bước 7: Thay Kn điều chỉnh các biến trạng thái hiện tại znˆˆ ( ) znn ( 1) kznkzn11 ( ) 12  ( ) znˆˆ( ) znn  ( 1) kzn21 ( ) kzn 22  ( ) (12) ˆˆee(n ) ( n n 1) k31 z  ( n ) k 32 z ( n ) Với : Với kij là phần tử của hệ số Kalman Kn 4
5. Bước 8: Cập nhật ma trận hiệp phương sai hiện tại P P K HP n n n 1 n n n 1 (13) Bước 9: Tính tốc độ góc rotor và vị trí thông lượng Rotor sau đó đặt n=n+1 và trở lại bước 2. 3. Sơ đồ và kết quả mô phỏng Hình 2 thể hiện cấu trúc mô phỏng của hệ thống, từ work-1 tới work -3 lần lượt thực hiện chức năng của khối điều khiển tốc độ, điều khiển vector và bộ giảm bậc Kalman mở rộng. Tất cả các hoạt động trong ModelSim được lập trình bằng VHDL. Các PMSM và biến tần được thực hiện bởi khối SimPowerSystem. Các ModelSim thực hiện mô phỏng sử dụng mã VHDL. Work_1 Scope_1 Scope_2 Work_2 Work_3 Hình 2: Mô hình Simulink / ModelSim mô phỏng của hệ thống điều khiển không cảm biến Trong mô phỏng của bộ lọc Kalman mở rộng giảm bậc, bước đáp ứng được thử nghiệm với tốc độ động cơ khác nhau từ 0rpm – 500rpm – 1000rpm – 1500rpm – 2000rpm. Kết quả tốc độ rotor thực tế, ước tính tốc độ rotor phản hồi và đáp ứng điều khiển dòng điện được hiển thị trong hình 3.2. 5
6. Hình 3: Điều khiển tốc độ rotor thực tế và ước tính tốc độ rotor cho động cơ không cảm biến bằng cách giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng Hình 4: Đáp ứng rotor tại tốc độ 500rpm và 1500rpm khi sử dụng giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng 6
7. 4. Kết luận Bài viết này đã trình bày việc thiết kế hoàn chỉnh bộ điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửa không sử dụng cảm biến dựa trên bộ lọc Kalman giảm bậc. Nó được thể hiện thông qua kết quả mô phỏng trên Simulink và ModelSim. Kết quả cho thấy khi thay đổi tốc độ đặt ban đầu thì tốc độ thực tế của rotor và tốc độ ước lượng bám rất tốt. Tuy nhiên ở tốc độ thấp vẫn còn tồn tại sai số nhưng ở tốc độ cao sai số gần như giảm về không tức là hai thông số trùng khớp nhau. Tương tự như tốc độ rotor thì góc quay thực tế rotor và góc quay ước lượng ở mỗi tốc độ khác nhau gần như trùng khớp. So sánh với kết quả của các bài báo nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu dùng các bộ điều khiển thông minh khác cho thấy kết quả đáp ứng là như nhau. Kết luận bộ điều khiển đã được thiết kế hoàn chỉnh và hoạt động chính xác. Tài liệu tham khảo [1] Nguyen Vu Quynh, Le Phuong Truong and Tran Hanh (2011), “Based on Fuzzy, SVPWM and FPGA Technology to Control Speed of PMSM without Sensor”, Proceedings of International Workshop on Agricultural and Bio-Systems Engineering (IWABE), pp 181- 188. [2] Nguyen Vu Quynh, Tran Hanh, Trinh Tran Thanh Tam and Le Phuong Truong (2011), “Application of FPGA to Control Speed of Permanent Magnet Synchronous Motor without Sensor”, Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin, Đồng Nai, 2011, pp 273-280. [3] Nguyen Vu Quynh, Tran Hanh, Trinh Tran Thanh Tam and Le Phuong Truong (2011), “FPGA Based on Adaptive Fuzzy and Space Vector Pulse Width Modulation to Control Speed of PMSM”, Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin, Đồng Nai, 2011, pp 281-292. [4] Ying-Shieh Kung, Nguyen Trung Hieu, Nguyen Vu Quynh, Chung-Chun Huang and Liang-Chiao Huang (2011), “Design of Speed Control IC for PMSM Drive from Simulink/Modelsim Co-Simulation to FPGA Implementation”, The 10th Taiwan Power Electronics Conference & Exhibition, pp 932-937. [5] Ying-Shieh Kung, Nguyen Vu Quynh, Chung-Chun Huang and Liang-Chiao Huang (2011), “Simulink/ModelSim Co-Simulation of Sensorless PMSM Speed Controller”, 2011 7
8. IEEE Symposium on Industrial Electronic and Applications (ISIEA20111), September 25- 28, 2011, Kangkawi, Malaysia, pp 24-29. 8
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.