Luận văn Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ CÔNG TUẤN ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành: Tự ñộng hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, Năm 2012 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Võ Như Tiến Phản biện 1: TS. Nguyễn Đức Thành Phản biện 2: PGS.TS. Nhuyễn Hồng Anh Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài. - Trước ñây, các hệ ñiều khiển ñiện yêu cầu cao về chất lượng ñiều khiển, thường sử dụng ñộng cơ ñiện một chiều. - Điều khiển vectơ ra ñời, ñồng thời cùng với sự phát triển công nghệ vi xử lý. - Để nâng cao chất lượng ñiều khiển thì bài toán ứng dụng mạng nơron kết hợp với các phương pháp ñiều khiển thông thường. 2. Mục ñích nghiên cứu. Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông rotor. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Điều khiển ñộng cơ KĐB xoay chiều ba pha. - Cấu trúc trong ñiều khiển ñộng cơ KĐB ñiều khiển tựa theo từ thông rotor. - Ứng dụng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ước lượng từ thông rotor. 4. Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu cấu trúc ñiều khiển và xây dựng mô hình, mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài. ▪ Ý nghĩa khoa học: Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm ñến ứng dụng mạng nơron và kết hợp với phương pháp ñiều khiển tựa theo từ thông rotor, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ ñiều khiển mô phỏng trên Matlab - Simulink. 4 ▪ Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của ñề tài sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp ñiều khiển mới khắc phục ñược một số nhược ñiểm của các phương pháp ñiều khiển kinh ñiển, từ ñó mở ra một tiềm năng áp dụng cài ñặt vào các thiết bị ñiều khiển trong thương mại, ñể giải quyết vấn ñề cấp bách hiện nay là nâng cao chất lượng ñiều ñộng ñộng cơ ñiện không ñồng bộ. 4. Cấu trúc luận văn. Luận văn ñược tổ chức như sau. Ngoài phần mở ñầu và kết luận luận văn chia thành 4 chương như sau. Chương 1. Tổng quan về ñiều khiển ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha Chương 2. Mô hình ñộng cơ không ñồng bộ ba pha Chương 3. Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ không ñồng bộ ba pha ñiều khiển tựa theo từ thông rotor Chương 4. Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông trong ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ. Kết luận và hướng phát triển của ñề tài. Tài liệu tham khảo. 5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA 1.1 Tổng quan 1.2 Các phương pháp ñiều khiển trong truyền ñộng ñộng cơ KĐB 1.3 Những kỹ thuật ñiều khiển tiên tiến hiện nay 1.4 Trình tự mô phỏng cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ KĐB 1.5 Kết luận chương 1 - Hiện nay các phương pháp trên ñã ñược ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực ñiều khiển truyền ñộng ñộng cơ KĐB. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu ñiểm, các phương pháp vẫn tồn tại những khuyết ñiểm: - Điều chế ñộ rộng xung (PWM) trên cơ sở ñiều chế vector không gian gây sóng hài bậc cao. - Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền ñộng ñặc tính thấp. - Điều khiển tựa theo từ thông vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay ñổi thông số của ñộng cơ như hằng số thời gian rotor và ño lường từ thông không chính xác tại tốc ñộ thấp. Do ñó, hiệu suất giảm và bộ ñiều khiển phổ biến như PID thì không thể duy trì yêu cầu ñiều khiển dưới những ñiều kiện thay ñổi. Do ñó, ñể khắc phục những nhược ñiểm trên, việc kết hợp ñiều khiển trí tuệ nhân tạo với kỹ thuật ñiều khiển kinh ñiển ñã ra ñời góp phần không nhỏ trong việc phát triển lĩnh vực ñiều khiển truyền ñộng ñiện xoay chiều 3 pha. 6 Chương 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Giới thiệu về ñộng cơ KĐB ba pha. 2.2 Vectơ không gian của các ñại lượng ba pha. 2.2.1. Xây dựng vector không gian. 2.2.2. Chuyển hệ tọa ñộ cho vector không gian. 2.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa ñộ từ thông rotor. 2.3 Mô hình của ñộng cơ KĐB ba pha. 2.3.1. Lý do xây dựng mô hình. 2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của ñộng cơ . 2.3.3. Các tham số của ñộng cơ. 2.3.4. Mô hình trạng thái của ñộng cơ trên hệ tọa ñộ rotor. Có hai loại hệ trục toạ ñộ: - Hệ tọa ñộ βα gắn cố ñịnh với stator - Hệ tọa ñộ dq còn gọi là hệ tọa ñộ tựa hướng từ thông rotor 2.3.5. Đặc ñiểm phi tuyến của mô hình ñộng cơ KĐB. - Cấu trúc phi tuyến - Tham số phi tuyến 2.3.6. Kết luận chương 2. - Ưu ñiểm của việc mô tả ñộng cơ KĐB ba pha trên hệ tọa ñộ từ thông rotor như sau: - Trong hệ tọa ñộ từ thông rotor (hệ tọa ñộ dq), các vector dòng stator f s i và vector từ thông rotor f rψ , cùng với hệ tọa ñộ dq 7 quay ñồng bộ với nhau với tốc ñộ sω quanh ñiểm gốc, do ñó các phần tử của vector f s i (isd và isq) là các ñại lượng một chiều. - Trong chế ñộ xác lập, các giá trị này gần như không ñổi, trong quá trình quá ñộ, các giá trị này có thể biến ñổi theo một thuật toán ñiều khiển ñã ñược ñịnh trước. Hơn nữa, trong hệ tọa ñộ dq, 0= rqψ nên rd f r ψψ = . 8 Chương 3 CẤU TRÚC TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR 3.1 Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor. Hình 3.5. Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ KĐB nuôi bởi biến tần nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor 3.2 Nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor. 3.3 Xây dựng thuật toán ñiều khiển. Giải thuật của từng khối trong hệ thống ñiều khiển tựa theo từ thông hình 3.5 như sau: ▪ Để xây dựng mạng tính áp (MTu): Khâu tích ĐCid MTu CTĐu ĐCVTKG ĐCiq ∆isd ∆isq * sdi * sqi MTi * rdψ * Mm yd yq usd usq k M3~ usα usβ u v w tu tv tw αβ dq αβ dq 3 2 Đo tốc θs ωs * r ω ω ω *ω isu isv isα isβ isd isq 3~ CTĐi CĐω Udc 9 / rd r 2 m sd s s sqssq q s s sdssd L Ly pT1 LyRu y pT1 L yRu ψωω ω σ σ σ σ + + += + −= (3.6) ▪ Để xây dựng mạng tính dòng (MTi): ( ) '***'** '** '* 110 11 rdrsq r rdssq r rd r sd r rd i T i T T i Tdt d ψωψωω ψψ −=−−= −= (3.8) ▪ Chuyển ñổi hệ toạ ñộ dòng ñiện (CTĐi): )2( 3 1 svsus sus iii ii += = β α (3.10) sssssq sssssd iii iii θθ θθ αβ αβ sincos cossin −= += (3.11) ▪ Chuyển ñổi hệ toạ ñộ ñiện áp (CTĐu): ssqssds ssqssds cosusinuu sinucosuu θθ θθ β α += −= (3.12) svsusw sssv ssu uuu u 2 3 u 2 1 u uu −−= +−= = βα α (3.13) 10 ▪ Khâu ñiều chỉnh tốc ñộ quay (ĐCω): ))( p K K( *IP*r ωωω ωω −+= (3.14) ▪ Các khâu ñiều chỉnh dòng (ĐCid và ĐCiq) Điều chỉnh dòng isd (ĐCid): sdIdPdd i)p K K(y ∆+= (3.15) Điều chỉnh dòng isq (ĐC iq): sq Iq Pqq i)p K K(y ∆+= (3.16) ▪ Bộ ước lượng từ thông rotor: Theo [7] bộ ước lượng từ thông rotor dựa trên cơ sở dòng ñiện stator và tốc ñộ rotor ta có phương trình như sau: s rq r s rdr s sq r m s rq s rd r s rqr s sd r m s rd T 1i T L dt d T 1i T L dt d ψψωψ ψψωψ −+= −−= (3.17) 3.4. Kết luận chương 3. Quá trình tăng hoặc giảm từ thông rotor thông qua việc ñiều khiển tăng hoặc giảm dòng stator isd với mối quan hệ trễ bậc nhất Tr. Cần áp ñặt nhanh và chính xác dòng isd ñể ổn ñịnh từ thông rdψ tại mọi ñiểm làm việc của ñộng cơ, ñồng thời áp ñặt nhanh và chính xác dòng isq ñiều khiển momen của ñộng cơ, ta có thể coi isd là ñại lượng ñiều khiển từ thông rotor (dòng kích từ) và isq là ñại lượng ñiều khiển momen ñộng cơ (dòng tạo mômen quay). 11 Bằng việc mô tả ñộng cơ KĐB ba pha trên hệ dq, không còn quan tâm ñến từng dòng ñiện pha riêng lẽ nữa, mà là toàn bộ vector không gian dòng stator của ñộng cơ. Khi ñó s i sẽ cung cấp hai thành phần isd ñiều khiển từ thông và isq ñiều khiển mômen quay, từ ñó có thể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ. 12 Chương 4: ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 4.1. Ảnh hưởng của từ thông ñến chất lượng ñiều khiển truyền ñộng ñộng cơ KĐB. - Mô hình trạng thái của ñộng cơ trên hệ toạ ñộ (dq) luôn tồn tại hằng số thời gian của rotor r r r R LT = - Góc pha của vector từ thông : dt)0( sss ∫+= ωθθ (4.37) - Việc tính góc là cần phải tính tốc ñộ góc (hoặc tần số fr) của mạch ñiện rotor. / 0 rqψ = và / 0rq d dt ψ = , Ta có: / rdr sq r T i ψ ω = (4.39) - Ước lượng chính xác từ thông và mọi sai số của ñều dẫn sai . Do ñó làm sai góc pha của vector từ thông 4.2 Ứng dụng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ước lượng từ thông trong truyền ñộng ñộng cơ KĐB. - Sử dụng phương pháp giảm gradient (Gradient descent). - Thuật toán sử dụng phương pháp trung bình bình phương nhỏ nhất - Hàm mục tiêu có dạng sau ñây: 2L nn N 1n ))k(y)k(d( 2 1E l −= ∑ = Các trọng số ñược xác ñịnh sao cho E ñạt giá trị cực tiểu. - Điều chỉnh trọng số: )w(E)k(w)1k(w ∇−=+ η - Gradient của E ñược tính như sau: 13 [ ] )k(x.)k(y)k(d w y . y E w E)w(E TT −−=      ∂ ∂ ∂ ∂ =      ∂ ∂ =∇ - Từ ñó ta tính ñược: [ ] )k(x.)k(y)k(d.)k(w)1k(w −+=+ η Hình 4.10: Sai số cực tiểu Least Mean Squars error 4.3 Mô hình ñiều khiển mạng nơron ước lượng từ thông rotor. Mạng nơron ước lượng từ thông trong truyền ñộng ñộng cơ KĐB, sử dụng hệ thống thích nghi mô hình tham . Trước hết sự thực hiện của hệ thống ñược xác ñịnh bởi một mô hình, thứ hai là sai số của bộ ñiều khiển ñược hiệu chỉnh bởi sai số giữa mô hình chuẩn và hệ thống. Mô hình chuẩn sử dụng trong hệ thích nghi bắt nguồn từ hệ liên tục sau ñó ñược mở rộng sang hệ rời rạc có nhiễu ngẫu nhiên. 14 Hình 4.21. Cấu trúc của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu Mô hình mẫu sẽ cho ñáp ứng ngõ ra mong muốn ñối với tín hiệu ñặt (yêu cầu). Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm ñối tượng và bộ ñiều khiển. Sai số e là sai lệch giữa ngõ ra của hệ thống và của mô hình mẫu e = y - ym. Bộ ñiều khiển có thông số thay ñổi dựa vào sai số này. Hệ thống có hai vòng hồi tiếp: Hồi tiếp trong là vòng hồi tiếp thông thường và vòng hồi tiếp bên ngoài hiệu chỉnh tham số cho vòng hồi tiếp bên trong. Vòng hồi tiếp bên trong ñược giả sử là nhanh hơn vòng hồi tiếp bên ngoài. - Hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu ñiều khiển trực tiếp có nghĩa là tham số ñược cập nhật một cách trực tiếp. - Sử dụng phương pháp gradient ñể cập nhật các tham số cho cấu trúc hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu. 4.4. Ước lượng từ thông rotor dựa vào dòng ñiện và ñiện áp stator trên trục toạ ñộ dq u u Tham số ñiều ym y Mô Đối Cơ cấu chấp Bộ ñiều 15 ▪ Phương trình dòng ñiện và ñiện áp stator:                       −      −      =             dt di dt di L i i R u u L L dt d dt d sq sd s sq sd s sq sd m r u rq u rd σψ ψ )( )( (4.41) ▪ Phương trình dòng ñiện stator và tốc ñộ rotor:       +                  − −− =             sq sd r m )i( rq )i( rd r r r r )i( rq )i( rd i i T L T 1 T 1 dt d dt d ψ ψ ω ω ψ ψ (4.42) Phương trình (4.42) ñược tính như sau: s r m)i( rr r )i( r i. T L .JI T 1 +      + − = ψωψ (4.43) Với: )i( r ψ , )u( r ψ : Từ thông rotor theo mô hình dòng ñiện và ñiện áp       = 10 01 I ;       − = 01 10 J ;       = sq sd s i i i       = sq sd s u u u ;         = )( )( )( i rq i rdi r ψ ψψ ;       = )u( rq )u( rd)u( r ψ ψψ (4.44) Dữ liệu mẫu của mạng nơron theo phương trình (4.43) ñược tính như sau: ( ) )1k(iw)1k(.JwIw)k( s3)n(r21)n(r −+−+= ψψ (4.45) 16 Với: :)k()n( r ψ Từ thông rotor khi dùng mạng nơron r s 1 T T1w −= ; sr2 Tw ω= ; s r m 3 T.T L w = (4.46) Thay vào phương trình (4.45) ta ñượ 332211 )n( r xwxwxw)k( ++=ψ (4.47) Trong ñó: Các ngõ vào:       − − =−= )1k( )1k()1k(Ix )n( rq )n( rd)n( r1 ψ ψψ       − −− =−= )1k( )1k()1k(Jx )n( rd )n( rq)n( r2 ψ ψψ (4.48)       − − =−= )1k(i )1k(i)1k(iIx sq sd s3 Lỗi sai lệch giữa từ thông dòng ñiện và ñiện áp ñược tính như sau: { }2)i( r )u( r 2 k()k( 2 1)k( 2 1 e ψψε −== (4.49) Sử dụng phương pháp gradient descent ñược phân tích Ta có: [ ] )1()( )()()( −−=∆ kIkw n r Tn r u r ψψψ (4.50) 17 [ ]T)n( r )u( r)n( r )k()k()k( E)(E ψψ ψ ψ∆ −=∂= (4.51) Sử dụng giải thuật lan truyền ngược, từ ñó ta tính ñược: ( ) 1)n(r)u(r11 x.)k()k()k(w)1k(w ψψη −+=+ ( ) 2)n(r)u(r22 x.)k()k()k(w)1k(w ψψη −+=+ (4.52) ( ) 3)n(r)u(r33 x.)k()k()k(w)1k(w ψψη −+=+ Dựa vào mô hình dòng ñiện và ñiện áp stator trên hệ toạ ñộ dq như ñã phân tích ở trên, ta xây dựng mô hình ước lượng từ thông với các ngõ vào và ra như hình (4.23). Động cơ KĐB Mô hình ñiện áp Mạng huấn luyện si su )u( r ψ ε r ω + - Hình 4.23. Ước lượng từ thông theo mô hình dòng ñiện và ñiện áp stator )n( r ψ si si ANN Mô hình dòng ñiện 18 4.5 Các sơ ñồ mô phỏng trên Matlab – Simulink. Để kiểm chứng phương pháp ước lượng từ thông rotor bằng việc ứng dụng mạng nơron trong cấu trúc trong truyền ñộng ñộng cơ KĐB, luận văn ñược mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink cho ñộng cơ KĐB có các số liệu trong bảng sau: Bảng thông số ñộng cơ KĐB Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Công suất ñộng cơ P 1.5 kW Tần số f 50 Hz Điện trở mạch rotor Rr 3.805 Ω Điện cảm mạch rotor Lr 0.274 H Điện trở mạch stator Rs 4.85 Ω Điện cảm mạch stator Ls 0.274 H Hỗ cảm Lm 0.258 H Số ñôi cực Pc 2 Mômen quán tính J 0.00031 kgcm2 Tốc ñộ ñịnh mức nñm 1420 rpm Điện áp ∆/Y Uñm 220/380 V Dòng ñiện ∆/Y Iñm 11.25/6.5 A 19 4.6 Mô hình ñộng cơ KĐB. Hình 4.24. Mô hình ñộng cơ KĐB và cấu trúc bên trong 4.7. Mạng tính dòng và áp. Hình 4.25. Mạng tính dòng, áp và cấu trúc bên trong 20 4.8 Chuyển ñổi hệ toạ ñộ ñiện áp. Hình 4.26. Chuyển ñổi hệ toạ ñộ ñiện áp và cấu trúc bên trong 4.9 Chuyển ñổi hệ toạ ñộ dòng ñiện. Hình 4.27. Chuyển ñổi hệ toạ ñộ dòng ñiện và cấu trúc bên trong 21 4.10. Điều chế vectơ không gian. Hình 4.28. Điều chế vectơ không gian 4.11 Bộ nghịch lưu. Hình 4.29. Bộ nghịch lưu và cấu trúc bên trong 4.12 Bộ ước lượng từ thông thông thường. Hình 4.30. Bộ ước lượng từ thông thông thường và cấu trúc bên trong Từ các khối ở trên, ta tiến hành xây dựng cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ KĐB nuôi bởi biến tần nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor. 22 Hình 4.31. Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ KĐB nuôi bởi biến tần nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor 4.13 Các kết quả mô phỏng. ▪ Trạng thái ñộng cơ không ANN: a: Đáp ứng từ thông Đóng tải 23 b: Đáp ứng tốc ñộ c: Đáp ứng mômen Giảm tốc 24 4.14 Mô phỏng truyền ñộng ñộng cơ KĐB ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông rotor. Hình 4.38. Cấu trúc ñiều khiển ñộng cơ KĐB nuôi bởi biến tần nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông rotor ứng dụng mạng nơron ▪ Trạng thái ñộng cơ có ANN: a: Đáp ứng từ thông 25 b: Đáp ứng tốc ñộ c: Đáp ứng mômen 26 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Thông qua ñề tài “Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ”, người nghiên cứu ñã thực hiện những nội dung nghiên cứu sau: - Tìm hiểu phương pháp ñiều khiển tựa theo từ thông rotor. - Đề xuất thay thế bộ ước lượng từ thông thông thường bằng bộ ước lượng từ thông dùng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp. Ưu ñiểm là không cần biết chính xác ñối tượng và cấu trúc của mô hình ñiều khiển. - Mô phỏng hệ thống ñiều khiển ñã ñược ñề xuất trên trong môi trường Matlab - Simulink. Kết quả thực hiện cho thấy: - Hệ thống làm việc ổn ñịnh, thời gian ñáp ứng nhanh. - Sai số xác lập nhỏ, không vọt lố và không dao ñộng. Từ thông ước lượng luôn bám sát với giá trị ñặt. - Ít bị ảnh hưởng khi nhiệt ñộ ñộng cơ thay ñổi. - khi nhiệt ñộ ñộng cơ thay ñổi sai số nhỏ, ñộ giao ñộng nhanh chóng trở về vị trí xác lập Trong tương lai, ñề tài có thể ñược phát triển theo hướng sau: - Thực hiện trên mô hình thực tế. - Ước lượng trực tiếp các thông số của ñộng cơ ñể thích nghi với sự thay ñổi của các thông số Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J.