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 CƠNG TUẤN ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ƯỚC LƯỢNG TỪ THƠNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành: Tự động hĩa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, Năm 2012 2 Cơng trình được hồn 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 được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012 Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. - Trước đây, các hệ điều khiển điện yêu cầu cao về chất lượng điều khiển, thường sử dụng động cơ điện một chiều. - Điều khiển vectơ ra đời, đồng thời cùng với sự phát triển cơng nghệ vi xử lý. - Để nâng cao chất lượng điều khiển thì bài tốn ứng dụng mạng nơron kết hợp với các phương pháp điều khiển thơng thường. 2. Mục đích nghiên cứu. Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thơng rotor. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Điều khiển động cơ KĐB xoay chiều ba pha. - Cấu trúc trong điều khiển động cơ KĐB điều khiển tựa theo từ thơng rotor. - Ứng dụng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ước lượng từ thơng rotor. 4. Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu cấu trúc điều khiển và xây dựng mơ hình, mơ phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ▪ Ý nghĩa khoa học: Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến ứng dụng mạng nơron và kết hợp với phương pháp điều khiển tựa theo từ thơng rotor, cách thức thiết kế và mơ hình hĩa các bộ điều khiển mơ phỏng trên Matlab - Simulink. 4 ▪ Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ gĩp phần hồn thiện một phương pháp điều khiển mới khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp điều khiển kinh điển, từ đĩ mở ra một tiềm năng áp dụng cài đặt vào các thiết bị điều khiển trong thương mại, để giải quyết vấn đề cấp bách hiện nay là nâng cao chất lượng điều động động cơ điện khơng đồng bộ. 4. Cấu trúc luận văn. Luận văn được tổ chức như sau. Ngồi phần mở đầu và kết luận luận văn chia thành 4 chương như sau. Chương 1. Tổng quan về điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha Chương 2. Mơ hình động cơ khơng đồng bộ ba pha Chương 3. Cấu trúc truyền động động cơ khơng đồng bộ ba pha điều khiển tựa theo từ thơng rotor Chương 4. Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thơng trong điều khiển động cơ khơng đồng bộ. Kết luận và hướng phát triển của đề 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 điều khiển trong truyền động động cơ KĐB 1.3 Những kỹ thuật điều khiển tiên tiến hiện nay 1.4 Trình tự mơ phỏng cấu trúc truyền động động cơ KĐB 1.5 Kết luận chương 1 - Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển truyền động động cơ KĐB. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn tại những khuyết điểm: - Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector khơng gian gây sĩng hài bậc cao. - Điều khiển vơ hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp. - Điều khiển tựa theo từ thơng vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổi thơng số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thơng khơng chính xác tại tốc độ thấp. Do đĩ, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thì khơng thể duy trì yêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi. Do đĩ, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệ nhân tạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời gĩp phần khơng nhỏ trong việc phát triển lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha. 6 Chương 2: MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA 2.1 Giới thiệu về động cơ KĐB ba pha. 2.2 Vectơ khơng gian của các đại lượng ba pha. 2.2.1. Xây dựng vector khơng gian. 2.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector khơng gian. 2.2.3. Biểu diễn các vector khơng gian trên hệ tọa độ từ thơng rotor. 2.3 Mơ hình của động cơ KĐB ba pha. 2.3.1. Lý do xây dựng mơ hình. 2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ . 2.3.3. Các tham số của động cơ. 2.3.4. Mơ hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor. Cĩ hai loại hệ trục toạ độ: - Hệ tọa độ βα gắn cố định với stator - Hệ tọa độ dq cịn gọi là hệ tọa độ tựa hướng từ thơng rotor 2.3.5. Đặc điểm phi tuyến của mơ hình động cơ KĐB. - Cấu trúc phi tuyến - Tham số phi tuyến 2.3.6. Kết luận chương 2. - Ưu điểm của việc mơ tả động cơ KĐB ba pha trên hệ tọa độ từ thơng rotor như sau: - Trong hệ tọa độ từ thơng rotor (hệ tọa độ dq), các vector dịng stator f s i và vector từ thơng rotor f rψ , cùng với hệ tọa độ dq 7 quay đồng bộ với nhau với tốc độ sω quanh điểm gốc, do đĩ các phần tử của vector f s i (isd và isq) là các đại lượng một chiều. - Trong chế độ xác lập, các giá trị này gần như khơng đổi, trong quá trình quá độ, các giá trị này cĩ thể biến đổi theo một thuật tốn điều khiển đã được định trước. Hơn nữa, trong hệ tọa độ dq, 0= rqψ nên rd f r ψψ = . 8 Chương 3 CẤU TRÚC TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ THƠNG ROTOR 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tựa theo từ thơng rotor. Hình 3.5. Cấu trúc truyền động động cơ KĐB nuơi bởi biến tần nguồn áp và điều khiển tựa theo từ thơng rotor 3.2 Nguyên lý điều khiển tựa theo từ thơng rotor. 3.3 Xây dựng thuật tốn điều khiển. Giải thuật của từng khối trong hệ thống điều khiển tựa theo từ thơng 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 dịng (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 đổi hệ toạ độ dịng điện (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 đổi hệ toạ độ điện 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 điều chỉnh tốc độ quay (ĐCω): ))( p K K( *IP*r ωωω ωω −+= (3.14) ▪ Các khâu điều chỉnh dịng (ĐCid và ĐCiq) Điều chỉnh dịng isd (ĐCid): sdIdPdd i)p K K(y ∆+= (3.15) Điều chỉnh dịng isq (ĐC iq): sq Iq Pqq i)p K K(y ∆+= (3.16) ▪ Bộ ước lượng từ thơng rotor: Theo [7] bộ ước lượng từ thơng rotor dựa trên cơ sở dịng điện stator và tốc độ rotor ta cĩ 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 thơng rotor thơng qua việc điều khiển tăng hoặc giảm dịng stator isd với mối quan hệ trễ bậc nhất Tr. Cần áp đặt nhanh và chính xác dịng isd để ổn định từ thơng rdψ tại mọi điểm làm việc của động cơ, đồng thời áp đặt nhanh và chính xác dịng isq điều khiển momen của động cơ, ta cĩ thể coi isd là đại lượng điều khiển từ thơng rotor (dịng kích từ) và isq là đại lượng điều khiển momen động cơ (dịng tạo mơmen quay). 11 Bằng việc mơ tả động cơ KĐB ba pha trên hệ dq, khơng cịn quan tâm đến từng dịng điện pha riêng lẽ nữa, mà là tồn bộ vector khơng gian dịng stator của động cơ. Khi đĩ s i sẽ cung cấp hai thành phần isd điều khiển từ thơng và isq điều khiển mơmen quay, từ đĩ cĩ thể điều khiển tốc độ động cơ. 12 Chương 4: ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ƯỚC LƯỢNG TỪ THƠNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ 4.1. Ảnh hưởng của từ thơng đến chất lượng điều khiển truyền động động cơ KĐB. - Mơ hình trạng thái của động cơ trên hệ toạ độ (dq) luơn tồn tại hằng số thời gian của rotor r r r R LT = - Gĩc pha của vector từ thơng : dt)0( sss ∫+= ωθθ (4.37) - Việc tính gĩc là cần phải tính tốc độ gĩc (hoặc tần số fr) của mạch điện rotor. / 0 rqψ = và / 0rq d dt ψ = , Ta cĩ: / rdr sq r T i ψ ω = (4.39) - Ước lượng chính xác từ thơng và mọi sai số của đều dẫn sai . Do đĩ làm sai gĩc pha của vector từ thơng 4.2 Ứng dụng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ước lượng từ thơng trong truyền động động cơ KĐB. - Sử dụng phương pháp giảm gradient (Gradient descent). - Thuật tốn sử dụng phương pháp trung bình bình phương nhỏ nhất - Hàm mục tiêu cĩ dạng sau đây: 2L nn N 1n ))k(y)k(d( 2 1E l −= ∑ = Các trọng số được xác định sao cho E đạt giá trị cực tiểu. - Điều chỉnh trọng số: )w(E)k(w)1k(w ∇−=+ η - Gradient của E được tính như sau: 13 [ ] )k(x.)k(y)k(d w y . y E w E)w(E TT −−=      ∂ ∂ ∂ ∂ =      ∂ ∂ =∇ - Từ đĩ ta tính được: [ ] )k(x.)k(y)k(d.)k(w)1k(w −+=+ η Hình 4.10: Sai số cực tiểu Least Mean Squars error 4.3 Mơ hình điều khiển mạng nơron ước lượng từ thơng rotor. Mạng nơron ước lượng từ thơng trong truyền động động cơ KĐB, sử dụng hệ thống thích nghi mơ hình tham . Trước hết sự thực hiện của hệ thống được xác định bởi một mơ hình, thứ hai là sai số của bộ điều khiển được hiệu chỉnh bởi sai số giữa mơ hình chuẩn và hệ thống. Mơ hình chuẩn sử dụng trong hệ thích nghi bắt nguồn từ hệ liên tục sau đĩ được mở rộng sang hệ rời rạc cĩ nhiễu ngẫu nhiên. 14 Hình 4.21. Cấu trúc của một hệ thống thích nghi mơ hình tham chiếu Mơ hình mẫu sẽ cho đáp ứng ngõ ra mong muốn đối với tín hiệu đặt (yêu cầu). Hệ thống cĩ một vịng hồi tiếp thơng thường bao gồm đối tượng và bộ điều khiển. Sai số e là sai lệch giữa ngõ ra của hệ thống và của mơ hình mẫu e = y - ym. Bộ điều khiển cĩ thơng số thay đổi dựa vào sai số này. Hệ thống cĩ hai vịng hồi tiếp: Hồi tiếp trong là vịng hồi tiếp thơng thường và vịng hồi tiếp bên ngồi hiệu chỉnh tham số cho vịng hồi tiếp bên trong. Vịng hồi tiếp bên trong được giả sử là nhanh hơn vịng hồi tiếp bên ngồi. - Hệ thống thích nghi mơ hình tham chiếu điều khiển trực tiếp cĩ nghĩa là tham số được cập nhật một cách trực tiếp. - Sử dụng phương pháp gradient để cập nhật các tham số cho cấu trúc hệ thống thích nghi mơ hình tham chiếu. 4.4. Ước lượng từ thơng rotor dựa vào dịng điện và điện áp stator trên trục toạ độ dq u u Tham số điều ym y Mơ Đối Cơ cấu chấp Bộ điều 15 ▪ Phương trình dịng điện và điện 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 dịng điện stator và tốc độ 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) được 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 thơng rotor theo mơ hình dịng điện và điện 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) được tính như sau: ( ) )1k(iw)1k(.JwIw)k( s3)n(r21)n(r −+−+= ψψ (4.45) 16 Với: :)k()n( r ψ Từ thơng 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 đượ 332211 )n( r xwxwxw)k( ++=ψ (4.47) Trong đĩ: 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 thơng dịng điện và điện áp được 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 được phân tích Ta cĩ: [ ] )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 đĩ ta tính được: ( ) 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 mơ hình dịng điện và điện áp stator trên hệ toạ độ dq như đã phân tích ở trên, ta xây dựng mơ hình ước lượng từ thơng với các ngõ vào và ra như hình (4.23). Động cơ KĐB Mơ hình điện áp Mạng huấn luyện si su )u( r ψ ε r ω + - Hình 4.23. Ước lượng từ thơng theo mơ hình dịng điện và điện áp stator )n( r ψ si si ANN Mơ hình dịng điện 18 4.5 Các sơ đồ mơ phỏng trên Matlab – Simulink. Để kiểm chứng phương pháp ước lượng từ thơng rotor bằng việc ứng dụng mạng nơron trong cấu trúc trong truyền động động cơ KĐB, luận văn được mơ phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink cho động cơ KĐB cĩ các số liệu trong bảng sau: Bảng thơng số động cơ KĐB Thơng số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Cơng suất động 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 đơi cực Pc 2 Mơmen quán tính J 0.00031 kgcm2 Tốc độ định mức nđm 1420 rpm Điện áp ∆/Y Uđm 220/380 V Dịng điện ∆/Y Iđm 11.25/6.5 A 19 4.6 Mơ hình động cơ KĐB. Hình 4.24. Mơ hình động cơ KĐB và cấu trúc bên trong 4.7. Mạng tính dịng và áp. Hình 4.25. Mạng tính dịng, áp và cấu trúc bên trong 20 4.8 Chuyển đổi hệ toạ độ điện áp. Hình 4.26. Chuyển đổi hệ toạ độ điện áp và cấu trúc bên trong 4.9 Chuyển đổi hệ toạ độ dịng điện. Hình 4.27. Chuyển đổi hệ toạ độ dịng điện và cấu trúc bên trong 21 4.10. Điều chế vectơ khơng gian. Hình 4.28. Điều chế vectơ khơng gian 4.11 Bộ nghịch lưu. Hình 4.29. Bộ nghịch lưu và cấu trúc bên trong 4.12 Bộ ước lượng từ thơng thơng thường. Hình 4.30. Bộ ước lượng từ thơng thơng thường và cấu trúc bên trong Từ các khối ở trên, ta tiến hành xây dựng cấu trúc truyền động động cơ KĐB nuơi bởi biến tần nguồn áp và điều khiển tựa theo từ thơng rotor. 22 Hình 4.31. Cấu trúc truyền động động cơ KĐB nuơi bởi biến tần nguồn áp và điều khiển tựa theo từ thơng rotor 4.13 Các kết quả mơ phỏng. ▪ Trạng thái động cơ khơng ANN: a: Đáp ứng từ thơng Đĩng tải 23 b: Đáp ứng tốc độ c: Đáp ứng mơmen Giảm tốc 24 4.14 Mơ phỏng truyền động động cơ KĐB ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thơng rotor. Hình 4.38. Cấu trúc điều khiển động cơ KĐB nuơi bởi biến tần nguồn áp và điều khiển tựa theo từ thơng rotor ứng dụng mạng nơron ▪ Trạng thái động cơ cĩ ANN: a: Đáp ứng từ thơng 25 b: Đáp ứng tốc độ c: Đáp ứng mơmen 26 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Thơng qua đề tài “Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thơng để điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ”, người nghiên cứu đã thực hiện những nội dung nghiên cứu sau: - Tìm hiểu phương pháp điều khiển tựa theo từ thơng rotor. - Đề xuất thay thế bộ ước lượng từ thơng thơng thường bằng bộ ước lượng từ thơng dùng mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp. Ưu điểm là khơng cần biết chính xác đối tượng và cấu trúc của mơ hình điều khiển. - Mơ phỏng hệ thống điều khiển đã được đề xuất trên trong mơi trường Matlab - Simulink. Kết quả thực hiện cho thấy: - Hệ thống làm việc ổn định, thời gian đáp ứng nhanh. - Sai số xác lập nhỏ, khơng vọt lố và khơng dao động. Từ thơng ước lượng luơn bám sát với giá trị đặt. - Ít bị ảnh hưởng khi nhiệt độ động cơ thay đổi. - khi nhiệt độ động cơ thay đổi sai số nhỏ, độ giao động nhanh chĩng trở về vị trí xác lập Trong tương lai, đề tài cĩ thể được phát triển theo hướng sau: - Thực hiện trên mơ hình thực tế. - Ước lượng trực tiếp các thơng số của động cơ để thích nghi với sự thay đổi của các thơng số Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J.