Luận văn:Điều khiển vị trí động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi

Chia sẻ: Nhung Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là nhóm động cơ xoay chiều đồng bộ (tức là rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay) có phần cảm là nam châm vĩnh

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn:Điều khiển vị trí động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi

1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG ---------------------- PHAN VĂN MINH ĐI U KHI N V TRÍ Đ NG CƠ Đ NG B NAM CHÂM VĨNH C U S D NG B ĐI U KHI N M THÍCH NGHI Chuyên ngành: T ñ ng hóa Mã s : 60.52.60 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng – Năm 2012
1 Công trình hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. Nguy n Qu c Đ nh Ph n bi n 1: TS Nguy n Đ c Thành Ph n bi n 2: TS. Phan Văn Hi n Lu n văn s ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m Lu n văn tót nghi p th c sĩ T ñ ng hóa h p t i Đ i H c Đà N ng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012 Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm H c li u, Đ i H c Đà N ng
2 M Đ U 1. Lý do ch n ñ tài Đ t nư c ta ñang trong giai ño n công nghi p hóa hi n ñ i hóa, trong m t tương lai không xa m t s lĩnh v c ho t ñ ng ph i ñư c trang b l i ñ ti n k p các nư c trong khu v c và th gi i, ti p c n các công ngh hi n ñ i ñ ñ y nhanh quá trình phát tri n c a ñ t nư c. Nguyên t t truy n ñ ng ñi u ch nh b ng nh ng ñ ng cơ ñ ng b ñã ñư c bi t ñ n t th p nên 30. Tuy nhiên nh ng ng d ng c a nó b t ñ u t th p k 60 nh các phát minh m i, cho phép th c hi n nh ng truy n ñ ng ñi u ch nh dòng ñi n, t c ñ , v trí m c ñ khá hoàn ch nh. Trong nh ng năm g n ñây v i s phát tri n m nh m c a ngành ñi n t công su t, các b bi n ñ i công su t ngày càng nhanh hơn, m nh m hơn. M t khác cùng v i s phát tri n c a các ngành ñi u khi n h c, tin h c ñã t o ñi u ki n d dàng cho vi c ng d ng chương trình s và toàn b h th ng. Máy ñi n ñ ng b nam châm vĩnh c u r t h p v i lo i hình truy n ñ ng này. Lo i máy này d n ñư c ng d ng vào h th ng t ñ ng, ñòi h i s ñ ng b tuy t ñ i, nh t là nh ng ng d ng trong các máy công c , tàu ñi n hay các truy n ñ ng tr c ti p trong lĩnh v c t ñ ng hóa. Năm 1965 L.A.Zadeh ñã sáng t o ra lý thuy t t p m và ñ t n n móng cho vi c xây d ng m t lo t các lý thuy t quan tr ng d a trên cơ s lý thuy t t p m . K t ñ y m t trào lưu khoa h c l y tính không ch c ch n, không chính xác làm tri t lý ñ nghiên c u sáng t o ñã phát tri n m nh m , và ngư i ta ñánh giá r ng công trình c a Zedeh như là m t trong nh ng phát minh quan tr ng có tính ch t bùng n và ñang h a h n gi i quy t ñư c nhi u v n ñ ph c t p và to l n c a th c ti n. Lý do chính d n t i suy nghĩ áp d ng logic m ñ ñi u khi n n m ch trong r t nhi u trư ng h p, con ngư i ch
3 c n d a vào kinh nghi m (ho c ý ki n chuyên gia) v n có th ñi u khi n ñư c ñ i tư ng cho dù ñ i tư ng có thông s k thu t không ñúng ho c thư ng xuyên b thay ñ i ng u nhiên. Vi c ñi u khi n theo kinh nghi m như v y có th b ñánh giá là không chính xác như các yêu c u k thu t ñ ra, song ñã gi i quy t ñư c v n ñ trư c m t là v n ñ m b o ñư c v m t ñ nh tính các ch tiêu ch t lư ng ñ nh trư c. V i ý nghĩa ñó, tôi ñã ch n ñ tài ĐI U KHI N V TRÍ Đ NG CƠ Đ NG B NAM CHÂM VĨNH C U S D NG B ĐI U KHI N M THÍCH NGH ñ làm ñ tài nghiên c u. 2. M c tiêu và nhi m v nghiên c u Tìm hi u v ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u, phương pháp ñi u khi n v trí ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u. Tìm hi u v ñi u khi n PI. Tìm hi u v ñi u khi n m ; ñi u khi n m thích nghi. Nghiên c u k t h p lý thuy t m thích nghi ñ ñi u khi n v trí ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u. Mô ph ng h th ng trên ph n m m Matlab; Đánh giá k t qu . 3. Đ i tư ng và ph m vi nghiên c u Nghiên c u xây d ng b ñi u khi n m thích nghi ñ ñi u khi n ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u. 4. Phương pháp nghiên c u Nghiên c u lý thuy t: Nghiên c u xây d ng mô hình ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u. Nghiên c u b ñi u khi n m ñi u khi n v trí ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u. Nghiên c u b ñi u khi n m thích nghi ñi u khi n v trí ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u. Phương pháp th c nghi m:
4 S d ng ph n m m Matlab – Simulink làm công c xây d ng mô hình và mô ph ng h th ng. 5. K t qu th c ti n c a ñ tài: Lý do chính d n t i suy nghĩ áp d ng logic m ñ ñi u khi n n m ch trong r t nhi u trư ng h p, con ngư i ch c n d a vào kinh nghi m (ho c ý ki n chuyên gia) v n có th ñi u khi n ñư c ñ i tư ng cho dù ñ i tư ng có thông s k thu t không ñúng ho c thư ng xuyên b thay ñ i ng u nhiên. Vi c ñi u khi n theo kinh nghi m như v y có th b ñánh giá là không chính xác như các yêu c u k thu t ñ ra, song ñã gi i quy t ñư c v n ñ trư c m t là v n ñ m b o ñư c v m t ñ nh tính các ch tiêu ch t lư ng ñ nh trư c. Nâng cao ch t lư ng ñi u khi n ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u. Góp ph n giúp cho vi c ng d ng ñ i tư ng này trong các dây chuy n s n xu t công nghi p. 6. C u trúc c a lu n văn Ngoài ph n m ñ u, k t lu n, tài lu u tham kh o, n i dung c a lu n văn ñư c chia thành 5 chương: Chương 1 - T NG QUAN V H TH NG TRUY N Đ NG Đ NG CƠ Đ NG B NAM CHÂM VĨNH C U Chương 2 - H TRUY N Đ NG ĐI N Đ NG CƠ Đ NG B XOAY CHI U BA PHA NAM CHÂM VĨNH C U ĐI U KHI N T A THEO T THÔNG ROTOR Chương 3 - LÝ THUY T B ĐI U KHI N M THÍCH NGHI Chương 4 - B ĐI U KHI N M THÍCH NGHI ĐI U KHI N V TRÍ Đ NG CƠ Đ NG B NAM CHÂM VĨNH C U Chương 5 - K T QU MÔ PH NG
5 Chương 1 - T NG QUAN V H TH NG TRUY N Đ NG Đ NG CƠ Đ NG B NAM CHÂM VĨNH C U 1.1. Khái quát 1.2. C u trúc h th ng truy n ñ ng ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u Đ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u có thành ph n chính là stator ba pha và rotor nam châm vĩnh c u. C u t o ph bi n c a rotor thư ng g p là rotor c c l i v i các thanh nam châm g n trên b m t; hay rotor c c n v i các thanh nam châm ñư c chôn vùi trong lõi thép. Ngu n DC v, ω, Te udk, idk U B chuy n ñ i B chuy n ñ i B chuy n ñ i C m bi n ñi n ĐCĐB C m bi n cơ NCVC Hình 1.2 – Sơ ñ t ng quát h th ng truy n ñ ng 1.3. Mô hình hóa ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u Phương trình ñi n áp trên h t a ñ dq: \ (1.15) (1.16) (1.17)
6 Trong ñó Lq, Ld và L0 là các h ng s ñi n c m trên h tr c rotor. Phương trình ñ ng h c [10] vi t theo v trí xp: Trong ñó B là h s c n d u, M là t ng kh i lư ng thành ph n quay, r bư c c a tr c vít-me. Nguyên lý cơ b n c a vi c ñi u khi n ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u d a trên nguyên lý t a t thông rotor. Khi xây d ng h th ng ñi u khi n d a trên nguyên lý t a t thông rotor ta s ph i ñi u khi n vector dòng stator is sao cho vector dòng ñ ng vuông góc v i t thông c c, và do ñó không có thành ph n dòng t hóa mà ch có thành ph n dòng t o mômen quay. V y là id=0. Sơ ñ kh i h th ng ñi u khi n ñơn gi n hóa ñư c cho trên hình 1.4 (1.18) V i: - Ta có: FL Fe xp Hình 1.4 - Mô hình hóa ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u
7 Chương 2 – H TRUY N Đ NG ĐI N Đ NG CƠ Đ NG B XOAY CHI U BA PHA NAM CHÂM VĨNH C U ĐI U KHI N T A THEO T THÔNG ROTOR 2.1. Nguyên lý ñi u khi n t a theo t thông rotor Ta có th bi u di n dòng ñi n isu, isv, isw , t thông stator và rotor dư i d ng vector us, ψs và ψr. T t c các vector ñ u quay xung quanh g c t a ñ v i t c ñ góc ωs Bây gi ta hình dung ra m t h t a ñ v i hai tr c d và q, quay ñ ng b v i vector trên: (2.3) N u tr c d (tr c th c) c a h t a ñ m i trùng v i tr c c a vector t thông c c t ψp, khi y thành ph n tr c q c a t thông rotor s m t ñi và ta thu ñư c quan h v t lý gi a moomen quay, t thông rotor và các thành ph n dòng như sau: 1. Đ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u: (2.5) Trong ñó: - mM: mômen quay; zp: s ñôi c c; ψp : t thông rotor, t thông c c t - isd, isq: thành ph n vector dòng stator 2.2. C u trúc c a h ñi u khi n ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u t a theo t thông rotor T công th c(2.5) cho ta th y: vì t thông c c là h ng (vĩnh c u), mômen quay t l thu n tr c ti p v i thành ph n dòng isq. Dòng stator ch có nhi m v t o mômen ch không có nhi m v t o t thông và vì v y ch ch a thành ph n dòng isq
8 1 usd 2 us 3 tu ω usβ tv R us 3 8 tw is is isu u v w isq isβ 3 2 isv ω _ 5 4 6 M 7 ĐC ĐB 3~ ω ω Đo t c ñ quay Hình 2.5 – Sơ ñ kh i c u trúc c a h truy n ñ ng xoay chi u ba pha ñi u khi n ki u t a theo t thông rotor trên h t a ñ dq c a ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u Các kh i chính c a sơ ñ c u trúc như sau: - Kh i 1: Khâu ñi u ch nh dòng hai chi u RI - Kh i 2: Kh i chuy n ñ i thành ph n ñi n áp usd, usq sang h t a ñ stator - Kh i 3: Kh i ñi u ch vector không gian cho phép t o ra ñi n áp v i biên ñ , góc pha và t n s mà khâu ñi u ch nh dòng ñòi h i. - Kh i 6: Kh i tính giá tr - Kh i 7: Khâu ñi u ch nh t c ñ quay - Kh i 8: Kh i tính giá tr d a và tr ng thái t hóa c a ñ ng cơ.
9 Chương 3 – LÝ THUY T B ĐI U KHI N M THÍCH NGHI 3.1. Gi i thi u chung v ñi u khi n m 3.1.1. L ch s phát tri n Logic m 3.1.2. B ñi u khi n m lý tư ng 3.2. C u trúc cơ b n H lu t m e Ti n M Thi t b Gi i H u u x lý hóa h p thành m x lý B ñi u khi n m cơ b n Hình 3.2 – C u trúc b ñi u khi n m 3.2.1. Không gian vào/ ra Bi n ngôn ng ñ u vào x s g m các bi n ngôn ng xi xác ñ nh trên không gian tr ng n n Ui và tương t v i bi n ñ u ra y g m các bi n ngôn ng yj trên không gian n n Uj. Khi ñó: ñây xi là bi n ngôn ng xác ñ nh trên không gian n n Ui, nh n t giá tr Axi v i hàm thu c µ xi(k) v i k= 1,2,...ki. Tương t cho các bi n ñ u ra yj. 3.2.2. Khâu m hóa Có th ñ nh nghĩa: m hóa là m t ánh x t không gian các giá tr quan sát ñư c vào không gian c a các t p m trên không gian n n c a các bi n ngôn ng . 3.2.3. H lu t m
10 Cho x1, x1, ... , xm là các bi n c a h th ng, y là bi n ra (thư ng là các bi n ngôn ng ). Các t p Aij, Bij, v i i=1, ... ,m; j=1, ... ,n là các t p m trong các không gian n n tương ng c a các bi n vào và bi n ra ñang s d ng c a h th ng. Các Rj là các suy di n m (các lu t m ) d ng ‘N u ... thì’ 3.2.4. H lu t h p thành B ng sau ñây gi i thi u m t s phép kéo theo thư ng ñư c s d ng trong di n ñ t các lu t m . B ng 3.1 - Phép kéo theo s d ng trong di n ñ t các lu t m Phép kéo theo Công th c Toán t min (Mandani) Toán t tích (Larsen) Tích b ch n Quy t c s h c (Zadeh) Quy t c max-min (Zadeh) Suy di n bình thư ng Logic Boole Logic Godel Phép kéo theo Guguen 3.2.5. Khâu gi i m Đây là khâu th c hi n quá trình xác ñ nh m t giá tr rõ có th ch p nh n ñư c làm ñ u ra t hàm thu c c a giá tr m ñ u ra. 3.2.5.1. Phương pháp c c ñ i 3.2.5.2. Phương pháp tr ng tâm: 3.2.5.3. Phương pháp l y trung bình tâm
11 3.3. H đi u khi n m thích nghi 3.3.1. Khái ni m 3.3.2. Các phương pháp ñi u khi n m thích nghi H m thích nghi có th phân thành 2 lo i. M t là b ñi u khi n m t thay ñ i c u trúc – là b ñi u khi n m có kh năng ch nh ñ nh các tham s c a t p m (các hàm liên thu c). Hai là b ñi u khi n m thay ñ i c u trúc – là b ñi u khi n m có th b t ñ u làm vi c v i m t vài lu t ñi u khi n ñã ñư c ch nh ñ nh trư c ho c chưa ñ các lu t. 3.4. Tính n ñ nh c a h ñi u khi n m 3.4.1. Nh ng ñi m c n lưu ý 3.4.2. Kh o sát tính n ñ nh c a h m − Phương pháp m t ph ng pha − Phương pháp Lyapunov − Phương pháp cân b ng ñi u hòa 3.5. T i ưu 3.6. K t lu n v ñi u khi n m 3.6.1. Ưu ñi m 3.6.2. Khuy t ñi m
12 Chương 4 – B ĐI U KHI N M THÍCH NGHI ĐI U KHI N V TRÍ Đ NG CƠ Đ NG B NAM CHÂM VĨNH C U 4.1. T ng h p m ch vòng ñi u khi n v trí ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u T ng h p theo ba vòng ñi u khi n sau: - Vòng trong cùng ñi u khi n dòng ñi n. - Vòng th hai ñi u khi n t c ñ ñ ng cơ. - Vòng ngoài cùng ñi u khi n v trí. 4.1.1. M ch vòng ñi u khi n dòng ñi n FL Te xp Kt + Hình 4.1 - M ch ñi u khi n dòng ñi n ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u 4.1.2. M ch vòng ñi u khi n t c ñ S d ng khâu P trong m ch ñi u khi n t c ñ . FL u + Te xp Kv Kt - + 1 - Z-1 Hình 4.2 - M ch ñi u khi n v n t c ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u s d ng khâu P 4.1.3. M ch vòng ñi u khi n v trí s d ng b ñi u khi n PI S d ng khâu PI
13 Hình 4.3: M ch vòng ñi u khi n v trí ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u s d ng b ñi u khi n PI 4.1.4. M ch vòng ñi u khi n v trí s dung b ñi u khi n m - m thích nghi - S d ng b m thông thư ng Hình 4.4 - T ng h p m ch vòng ñi u khi n v trí ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u s d ng b ñi u khi n m - Thêm khâu thích nghi Hình 4.5 - T ng h p m ch vòng ñi u khi n v trí ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u s d ng b ñi u khi n m thích nghi
14 4.2. Nh c l i mô hình toán h c c a ñ i tư ng 4.3. Thi t k b ñi u khi n m (Fuzzy controller) Các ñ u vào này ñư c ñ nh nghĩa như sau: (4.1) (4.2) Đâu ra b ñi u khi n m là ñi n áp uf C u trúc b ñi u khi n m : (a) Ch n e, de là bi n ñ u vào c a b ñi u khi n m . Giá tr ngôn ng c a E và dE tương ng là {A0, A1, A2, A3, A4, A5, A6} và {B0, B1, B2, B3, B4, B5, B6}.. Mi n giá tr trong kho ng [-6,6] (b) Tính toán ñ ph thu c c a e và de. (c) Ch n lu t m theo nguyên t c: N U e là Ai và de là Bj THÌ uf là cj,i. Trong ñó i và j = 0 → 6. Ai, Bj là th a s ngôn ng , cj,i là giá tr th c c a th a s ngôn ng . (d) S d ng phương th c m hóa theo mô hình Singleton, ch n thi t b h p thành theo quy t c h p thành Prod, gi i m theo phương pháp trung bình ñi m tr ng tâm. Đ u ra c a b ñi u khi n m có th ñư c th c hi n như sau: Trong ñó . cm,n là nh ng thông s ch nh ñ nh. Đ u ra c a b ñi u khi n m là:
15 Hình 4.6 - Khâu m hóa và b ng lu t m
16 4.4. Mô hình m u (Reference Model) Hàm b c hai ñư c s d ng làm mô hình m u trong b ñi u khi n m . 4.5. Thi t k b ñi u khi n m thích nghi S d ng phương pháp gi m theo ñ d c (Gradient Descent). Đi u này ñư c th c hi n b ng cách l y ñ o hàm c a hàm chi phí theo các tham s c a h th ng và thay ñ i các tham s ñó theo m t hư ng ñư c tính toán theo ñ d c ñ ti n d n t i c c ti u ñ a phương c a hàm chi phí. Trư c tiên, ta có hàm chi phí ñư c ñ nh nghĩa: Như v y ta có thông s cm,n : Trong ñó, m=j, j+1 và n=i, i+1. Và α là h s (h c) thích nghi (learning rate). Gi s FL b ng không. Th c hi n bi n ñ i Laplace phương trình (1.17) và (1.20) : Trong ñó, z-1 là toán t ngư c, T là chu kỳ l y m u và , .
17 Ngoài ra, hình 4.5 ta th y dòng ñi n ñ t vào ñ ng cơ ñư c xây d ng t giá tr ñ u ra c a b ñi u khi n m là uf Trong ñó kp, ki là h s b ñi u khi n PI, ui là ñ u ra c a khâu I. T (4.14) và (4.15) ta có: Áp d ng quy t c dây chuy n, phương trình J(k+1) có th ñư c vi t l i như sau: T (4.4) và (4.16) ta có: Thay vào (4.17) và (4.13). Như v y thông s cm,n c a b ñi u khi n m mô t (4.4) có th ñư c ñi u ch nh như sau: V i m=j, j+1 và n=i, i+1. Và . Vì không d ñ xác ñ nh ñư c giá tr h s Ψ nên hàm sign(Ψ) ñư c s d ng trong (4.18).
18 Chương 5 – K T QU MÔ PH NG Xét mô ph ng c a ba b ñi u khi n sau: 1. B ñi u khi n PI. 2. B ñi u khi n m thu n túy. 3. B ñi u khi n v m thích nghi Có 3 trư ng h p sau: 1. Trư ng h p 1 t i nh : ch n Kt =64 - M=1, B=0.1 2. Trư ng h p 1 t i v a: ch n Kt =64 - M=4, B=0.4 3. Trư ng h p 1 t i n ng: ch n Kt=64 -M=7,B=0.7 Xây d ng mô hình m u (Reference Model) Ch n t n s riêng ωn = 40rad/s, h s suy gi m ς = 1. Ta tính ñư c như sau: a0 = 0,000098 , a1 = 0,000196, a2 = 0,000098, b1 = -1,960396 , b2 = 0,960788. 5.1. B ñi u khi n v trí ñ ng cơ ñ ng b nam châm vĩnh c u s d ng b ñi u khi n PI. 5.1.1. Thi t k mô ph ng Khâu PI: Ch n Kp=18; Ki=0.002; Kv=2; Kt=64 [9] 5.1.2. K t qu mô ph ng 1. Đáp ng v trí TH 1 TH 2 TH 3 bo dieu khien PI 1.2 1 0.8 d p u gvi tri 0.6 a n 0.4 0.2 0 -0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 time Ghi chú: - ñư ng màu ñen: tín hi u ñ t .
19 - ñư ng màu ñ : tín hi u ñã qua mô hình m u xm - ñư ng màu xanh: tín hi u ra xp. 2. Đáp ng dòng dong dieu khien 40 30 20 a n og 10 d pu gd n 0 -10 -20 -30 -40 0 1 2 3 4 5 6 7 8 time 3. Đáp ng sai s 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 4. Đáp ng v n t c 15 10 d un va toc 5 ap g n 0 -5 -10 -15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 time K t lu n: S d ng b ñi u khi n PI cho ñáp ng t t v i trư ng h p 1 là trư ng h p t i nh . Đáp ng v trí bám sát v i tín hi u ñ t. Đ v t l không ñáng k . Tuy nhiên trong hai trư ng h p ti p theo khi tăng t i lên g p 4 l n (sau 4 step ñ u) và 7 l n (sau 8 step ñ u) ñ c tính ñi u khi n không còn t t n a. Đáp ng v trí