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

Chia sẻ: Sdfas Vfdtg | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

89
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ mở ra tiềm năng áp dụng cài đặt vào các thiết bị điều khiển thương mại, nâng cao chất lượng động cơ điện không đồng bộ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng mạng nơron ước lượng từ thông để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

1 2 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. Võ Như Ti n LÊ CÔNG TUẤN Ph n bi n 1: TS. Nguy n Đ c Thành NG D NG M NG NƠRON Ư C LƯ NG T THÔNG Đ ĐI U KHI N T C Đ Đ NG CƠ KHÔNG Đ NG B Ph n bi n 2: PGS.TS. Nhuy n H ng Anh Chuyên ngành: T ñ ng hóa Lu n văn ñư c b o v t i H i ñ ng ch m Lu n văn t t Mã s : 60.52.60 nghi p th c sĩ k thu t h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 9 tháng 6 năm 2012 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng. Đà N ng, Năm 2012
3 4 M Đ U ▪ Ý nghĩa th c ti n: 1. Lý do ch n ñ tài. K t qu nghiên c u c a ñ tài s góp ph n hoàn thi n m t - Trư c ñây, các h ñi u khi n ñi n yêu c u cao v ch t phương pháp ñi u khi n m i kh c ph c ñư c m t s như c ñi m c a lư ng ñi u khi n, thư ng s d ng ñ ng cơ ñi n m t chi u. các phương pháp ñi u khi n kinh ñi n, t ñó m ra m t ti m năng áp - Đi u khi n vectơ ra ñ i, ñ ng th i cùng v i s phát tri n d ng cài ñ t vào các thi t b ñi u khi n trong thương m i, ñ gi i công ngh vi x lý. quy t v n ñ c p bách hi n nay là nâng cao ch t lư ng ñi u ñ ng - Đ nâng cao ch t lư ng ñi u khi n thì bài toán ng d ng ñ ng cơ ñi n không ñ ng b . m ng nơron k t h p v i các phương pháp ñi u khi n thông thư ng. 4. C u trúc lu n văn. 2. M c ñích nghiên c u. Lu n văn ñư c t ch c như sau. ng d ng m ng nơron ư c lư ng t thông rotor. Ngoài ph n m ñ u và k t lu n lu n văn chia thành 4 chương 3. Đ i tư ng và ph m vi nghiên c u như sau. - Đi u khi n ñ ng cơ KĐB xoay chi u ba pha. Chương 1. T ng quan v ñi u khi n ñ ng cơ ñi n xoay - C u trúc trong ñi u khi n ñ ng cơ KĐB ñi u khi n t a theo chi u ba pha t thông rotor. Chương 2. Mô hình ñ ng cơ không ñ ng b ba pha - ng d ng m ng nơron truy n th ng nhi u l p ư c lư ng t Chương 3. C u trúc truy n ñ ng ñ ng cơ không ñ ng b ba thông rotor. pha ñi u khi n t a theo t thông rotor 4. Phương pháp nghiên c u Chương 4. ng d ng m ng nơron ư c lư ng t thông trong - Tìm hi u c u trúc ñi u khi n và xây d ng mô hình, mô ñi u khi n ñ ng cơ không ñ ng b . ph ng trên ph n m m Matlab - Simulink. K t lu n và hư ng phát tri n c a ñ tài. 5. Ý nghĩa khoa h c và th c ti n c a ñ tài. Tài li u tham kh o. ▪ Ý nghĩa khoa h c: Đ tài là tài li u tham kh o h u ích cho nh ng ai quan tâm ñ n ng d ng m ng nơron và k t h p v i phương pháp ñi u khi n t a theo t thông rotor, cách th c thi t k và mô hình hóa các b ñi u khi n mô ph ng trên Matlab - Simulink.
5 6 Chương 1: T NG QUAN V ĐI U KHI N Đ NG CƠ ĐI N Chương 2: MÔ HÌNH Đ NG CƠ KHÔNG Đ NG B BA PHA XOAY CHI U 3 PHA 2.1 Gi i thi u v ñ ng cơ KĐB ba pha. 1.1 T ng quan 2.2 Vectơ không gian c a các ñ i lư ng ba pha. 1.2 Các phương pháp ñi u khi n trong truy n ñ ng ñ ng cơ KĐB 2.2.1. Xây d ng vector không gian. 1.3 Nh ng k thu t ñi u khi n tiên ti n hi n nay 2.2.2. Chuy n h t a ñ cho vector không gian. 1.4 Trình t mô ph ng c u trúc truy n ñ ng ñ ng cơ KĐB 2.2.3. Bi u di n các vector không gian trên h t a ñ t thông 1.5 K t lu n chương 1 rotor. - Hi n nay các phương pháp trên ñã ñư c ng d ng r ng rãi 2.3 Mô hình c a ñ ng cơ KĐB ba pha. trong lĩnh v c ñi u khi n truy n ñ ng ñ ng cơ KĐB. Tuy nhiên, bên 2.3.1. Lý do xây d ng mô hình. c nh nh ng ưu ñi m, các phương pháp v n t n t i nh ng khuy t 2.3.2. H phương trình cơ b n c a ñ ng cơ . ñi m: 2.3.3. Các tham s c a ñ ng cơ. - Đi u ch ñ r ng xung (PWM) trên cơ s ñi u ch vector 2.3.4. Mô hình tr ng thái c a ñ ng cơ trên h t a ñ rotor. không gian gây sóng hài b c cao. Có hai lo i h tr c to ñ : - Đi u khi n vô hư ng ch dùng cho truy n ñ ng ñ c tính - H t a ñ βα g n c ñ nh v i stator th p. - H t a ñ dq còn g i là h t a ñ t a hư ng t thông rotor - Đi u khi n t a theo t thông v n g p m t s h n ch : nh y 2.3.5. Đ c ñi m phi tuy n c a mô hình ñ ng cơ KĐB. v i s thay ñ i thông s c a ñ ng cơ như h ng s th i gian rotor và - C u trúc phi tuy n ño lư ng t thông không chính xác t i t c ñ th p. Do ñó, hi u su t - Tham s phi tuy n gi m và b ñi u khi n ph bi n như PID thì không th duy trì yêu 2.3.6. K t lu n chương 2. c u ñi u khi n dư i nh ng ñi u ki n thay ñ i. Do ñó, ñ kh c ph c - Ưu ñi m c a vi c mô t ñ ng cơ KĐB ba pha trên h t a ñ nh ng như c ñi m trên, vi c k t h p ñi u khi n trí tu nhân t o v i t thông rotor như sau: k thu t ñi u khi n kinh ñi n ñã ra ñ i góp ph n không nh trong - Trong h t a ñ t thông rotor (h t a ñ dq), các vector vi c phát tri n lĩnh v c ñi u khi n truy n ñ ng ñi n xoay chi u 3 i s và vector t thông rotor ψ r , cùng v i h t a ñ dq f f dòng stator pha.
7 8 quay ñ ng b v i nhau v i t c ñ ωs quanh ñi m g c, do ñó các Chương 3 f C U TRÚC TRUY N Đ NG Đ NG CƠ KHÔNG Đ NG B i ph n t c a vector s (isd và isq) là các ñ i lư ng m t chi u. ĐI U KHI N T A THEO T THÔNG ROTOR - Trong ch ñ xác l p, các giá tr này g n như không ñ i, trong quá trình quá ñ , các giá tr này có th bi n ñ i theo m t thu t 3.1 Sơ ñ nguyên lý ñi u khi n t a theo t thông rotor. toán ñi u khi n ñã ñư c ñ nh trư c. Hơn n a, trong h t a ñ dq, ψ rd * ψ rq = 0 ψ rf = ψ rd MTi ĐCid Udc nên . * isd ∆isd MTu u CTĐu ĐCVTKG yd sd usα tu * αβ tv isq ∆isq usq dq usβ tw 3~ * yq u vw mM ĐCiq isd isα isu αβ i isq dq 3 sβ 2 Khâu isv k CTĐi M3~ CĐω tích θs ω * ω r* ωs ω ω Đo t c Hình 3.5. C u trúc truy n ñ ng ñ ng cơ KĐB nuôi b i bi n t n ngu n áp và ñi u khi n t a theo t thông rotor 3.2 Nguyên lý ñi u khi n t a theo t thông rotor. 3.3 Xây d ng thu t toán ñi u khi n. Gi i thu t c a t ng kh i trong h th ng ñi u khi n t a theo t thông hình 3.5 như sau: ▪ Đ xây d ng m ng tính áp (MTu):
9 10 Lσs ▪ Khâu ñi u ch nh t c ñ quay (ĐCω): u sd = Rs y d − ω s yq 1 + pTσs K Iω 2 (3.6) ω r* = ( K Pω + )( ω * − ω ) (3.14) Lσs L p u sq = Rs y q + ω s yd + ωs m ψ rd / 1 + pTσs Lr ▪ Các khâu ñi u ch nh dòng (ĐCid và ĐCiq) ▪ Đ xây d ng m ng tính dòng (MTi): K Id Đi u ch nh dòng isd (ĐCid): y d = ( K Pd + )∆isd (3.15) dψ rd '* 1 * 1 '* p = isd − ψ rd dt Tr Tr K Iq (3.8) Đi u ch nh dòng isq (ĐC iq): y q = ( K Pq + )∆isq (3.16) 0 = i sq − (ω s − ω ) rd = i sq − ω r*ψ rd 1 * 1 * p ψ '* '* Tr Tr ▪ B ư c lư ng t thông rotor: ▪ Chuy n ñ i h to ñ dòng ñi n (CTĐi): Theo [7] b ư c lư ng t thông rotor d a trên cơ s dòng ñi n isα = isu stator và t c ñ rotor ta có phương trình như sau: (3.10) dψ rd Lm s s 1 s i sβ = 1 (isu + 2isv ) = isd − ω rψ rq − ψ rd s dt Tr Tr 3 (3.17) dψ rq s L s 1 s isd = isβ sin θ s + isα cosθ s = m isq + ω rψ rd − ψ rq s (3.11) dt Tr Tr isq = isβ cosθ s − isα sin θ s 3.4. K t lu n chương 3. ▪ Chuy n ñ i h to ñ ñi n áp (CTĐu): Quá trình tăng ho c gi m t thông rotor thông qua vi c ñi u u sα = u sd cos θ s − u sq sin θ s khi n tăng ho c gi m dòng stator isd v i m i quan h tr b c nh t Tr. (3.12) u sβ = u sd sin θ s + u sq cos θ s C n áp ñ t nhanh và chính xác dòng isd ñ n ñ nh t thông ψ rd u su = u sα t i m i ñi m làm vi c c a ñ ng cơ, ñ ng th i áp ñ t nhanh và chính xác dòng isq ñi u khi n momen c a ñ ng cơ, ta có th coi isd là ñ i 1 3 u sv = − u sα + u sβ (3.13) lư ng ñi u khi n t thông rotor (dòng kích t ) và isq là ñ i lư ng ñi u 2 2 khi n momen ñ ng cơ (dòng t o mômen quay). u sw = −u su − u sv
11 12 B ng vi c mô t ñ ng cơ KĐB ba pha trên h dq, không còn Chương 4: NG D NG M NG NƠRON Ư C LƯ NG T quan tâm ñ n t ng dòng ñi n pha riêng l n a, mà là toàn b vector THÔNG TRONG ĐI U KHI N Đ NG CƠ KHÔNG Đ NG B không gian dòng stator c a ñ ng cơ. Khi ñó i s s cung c p hai thành 4.1. nh hư ng c a t thông ñ n ch t lư ng ñi u khi n truy n ph n isd ñi u khi n t thông và isq ñi u khi n mômen quay, t ñó có ñ ng ñ ng cơ KĐB. th ñi u khi n t c ñ ñ ng cơ. - Mô hình tr ng thái c a ñ ng cơ trên h to ñ (dq) luôn t n t i h ng Lr s th i gian c a rotor Tr = Rr - Góc pha c a vector t thông : θs = θs( 0 ) + ∫ ω dt s (4.37) - Vi c tính góc là c n ph i tính t c ñ góc (ho c t n s fr) c a dψ rq / isq m ch ñi n rotor. ψ / = 0 và = 0 , Ta có: ω r = (4.39) rq dt Trψ rd / - Ư c lư ng chính xác t thông và m i sai s c a ñ u d n sai . Do ñó làm sai góc pha c a vector t thông 4.2 ng d ng m ng nơron truy n th ng nhi u l p ư c lư ng t thông trong truy n ñ ng ñ ng cơ KĐB. - S d ng phương pháp gi m gradient (Gradient descent). - Thu t toán s d ng phương pháp trung bình bình phương nh nh t 1N l - Hàm m c tiêu có d ng sau ñây: E = ∑ ( dn ( k ) − yn ( k ))2 L 2 n=1 Các tr ng s ñư c xác ñ nh sao cho E ñ t giá tr c c ti u. - Đi u ch nh tr ng s : w( k + 1 ) = w( k ) −η∇E( w ) - Gradient c a E ñư c tính như sau:
13 14  ∂E  ∂E  ∂y  T T ∇E( w ) =   = .  = −[d( k ) − y( k )].x( k ) ym  ∂w  ∂y  ∂w  Mô - T ñó ta tính ñư c: Tham s ñi u w( k + 1 ) = w( k ) + η .[d ( k ) − y( k )].x( k ) Cơ c u ch p u y B ñi u u Đ i Hình 4.21. C u trúc c a m t h th ng thích nghi mô hình tham chi u Mô hình m u s cho ñáp ng ngõ ra mong mu n ñ i v i tín hi u ñ t (yêu c u). H th ng có m t vòng h i ti p thông thư ng bao g m ñ i tư ng và b ñi u khi n. Sai s e là sai l ch gi a ngõ ra c a Hình 4.10: Sai s c c ti u Least Mean Squars error h th ng và c a mô hình m u e = y - ym. B ñi u khi n có thông s 4.3 Mô hình ñi u khi n m ng nơron ư c lư ng t thông rotor. thay ñ i d a vào sai s này. H th ng có hai vòng h i ti p: H i ti p M ng nơron ư c lư ng t thông trong truy n ñ ng ñ ng cơ trong là vòng h i ti p thông thư ng và vòng h i ti p bên ngoài hi u KĐB, s d ng h th ng thích nghi mô hình tham . Trư c h t s th c ch nh tham s cho vòng h i ti p bên trong. Vòng h i ti p bên trong hi n c a h th ng ñư c xác ñ nh b i m t mô hình, th hai là sai s ñư c gi s là nhanh hơn vòng h i ti p bên ngoài. c a b ñi u khi n ñư c hi u ch nh b i sai s gi a mô hình chu n và - H th ng thích nghi mô hình tham chi u ñi u khi n tr c h th ng. Mô hình chu n s d ng trong h thích nghi b t ngu n t h ti p có nghĩa là tham s ñư c c p nh t m t cách tr c ti p. liên t c sau ñó ñư c m r ng sang h r i r c có nhi u ng u nhiên. - S d ng phương pháp gradient ñ c p nh t các tham s cho c u trúc h th ng thích nghi mô hình tham chi u. 4.4. Ư c lư ng t thông rotor d a vào dòng ñi n và ñi n áp stator trên tr c to ñ dq
15 16 ▪ Phương trình dòng ñi n và ñi n áp stator: V i:  dψ rd )  (u   disd   ψ (r n ) ( k ) : T thông rotor khi dùng m ng nơron   L u sd   isd   dt     dt( u )  = r   − Rs   − σLs  di   (4.41) dψ rq  Lm u sq  isq  Ts L    sq   w1 = 1 − ; w2 = ω r Ts ; w3 = m .Ts (4.46)  dt       dt    Tr Tr ▪ Phương trình dòng ñi n stator và t c ñ rotor: Thay vào phương trình (4.45) ta ñư  dψ rdi )  − 1 (  − ωr  ( i ) ψ (r n ) ( k ) = w1 x1 + w2 x 2 + w3 x3 (4.47)  dt   T ψ rd  L isd   (i)  =  r  ( i )  + m i  (4.42) Trong ñó:  dψ rq   ω r −  ψ rq  Tr 1  sq   dt      Tr   ψ rdn ) ( k − 1 ) ( Các ngõ vào: x1 = Iψ r ( k −1) =  (n) (n)  ψ rq ( k − 1 ) Phương trình (4.42) ñư c tính như sau:  −ψ rqn ) ( k − 1 ) ( x2 = Jψ r ( k − 1 ) =  ( n ) (n)  (4.48) ψr  −1  ( i ) Lm  ψ rd ( k − 1 )   T I + ω r J . r + T .i s = ψ (i ) (4.43)  r  r i ( k − 1 ) x3 = I i s ( k − 1 ) =  sd  isq ( k − 1 ) V i: ψ (r i ) , ψ (r u ) : T thông rotor theo mô hình dòng ñi n và ñi n áp L i sai l ch gi a t thông dòng ñi n và ñi n áp ñư c tính 1 0  0 − 1 isd  như sau: I =  ; J =  ; is =   0 1 1 0  isq  1 2 1 (u) { e = ε ( k ) = ψ r ( k ) −ψ r ( k 2 2 (i) } 2 (4.49) u sd  (i ) ψ rd)  ( u ) ψ rdu )  (i ( u s =   ;ψ r =  ( i )  ;ψ r =  ( u )  (4.44) S d ng phương pháp gradient descent ñư c phân tích u sq  ψ rq    ψ rq  Ta có: như sau: D li u m u c a m ng nơron theo phương trình (4.43) ñư c tính [ ∆w (k ) = ψ r −ψ r (u ) ] Iψ ( n) T ( n) r (k − 1) (4.50) ψ (r n ) ( k ) = (w1 I + w2 J ). (r n ) ( k − 1 ) + w3 i s ( k − 1 ) ψ (4.45)
17 18 ∆E(ψ ) = ∂E ψ r (k ) (n) [ = ψ r ( k ) −ψ r ( k ) (u) (n) T ] (4.51) 4.5 Các sơ ñ mô ph ng trên Matlab – Simulink. Đ ki m ch ng phương pháp ư c lư ng t thông rotor b ng vi c ng d ng m ng nơron trong c u trúc trong truy n ñ ng ñ ng cơ S d ng gi i thu t lan truy n ngư c, t ñó ta tính ñư c: ( ) KĐB, lu n văn ñư c mô ph ng trên ph n m m Matlab - Simulink w1 ( k + 1 ) = w1 ( k ) + η ψ r ( k ) − ψ r ( k ) .x1 (u ) (n) cho ñ ng cơ KĐB có các s li u trong b ng sau: w ( k + 1 ) = w ( k ) +η (ψ ( k ) −ψ r ( k )).x (4.52) B ng thông s ñ ng cơ KĐB (u ) (n) 2 2 r 2 w ( k + 1 ) = w ( k ) +η ( ( k )).x Ký Đơn v ψ ( k ) −ψ r Thông s Giá tr (u ) (n) 3 3 r 3 hi u D a vào mô hình dòng ñi n và ñi n áp stator trên h to ñ Công su t ñ ng cơ P 1.5 kW dq như ñã phân tích trên, ta xây d ng mô hình ư c lư ng t thông T ns f 50 Hz v i các ngõ vào và ra như hình (4.23). Đi n tr m ch rotor Rr 3.805 Ω Đi n c m m ch rotor Lr 0.274 H is Đ ng cơ us KĐB Đi n tr m ch stator Rs 4.85 Ω Đi n c m m ch stator Ls 0.274 H H c m Lm 0.258 H is S ñôi c c Pc 2 Mô hình ñi n áp ψr (u ) Mômen quán tính J 0.00031 kgcm2 T c ñ ñ nh m c nñm 1420 rpm + ε Đi n áp ∆/Y Uñm 220/380 V ωr - Dòng ñi n ∆/Y Iñm 11.25/6.5 A ψ (r n ) is ANN M ng hu n Mô hình dòng ñi n luy n Hình 4.23. Ư c lư ng t thông theo mô hình dòng ñi n và ñi n áp stator
19 20 4.6 Mô hình ñ ng cơ KĐB. 4.8 Chuy n ñ i h to ñ ñi n áp. Hình 4.24. Mô hình ñ ng cơ KĐB và c u trúc bên trong 4.7. M ng tính dòng và áp. Hình 4.26. Chuy n ñ i h to ñ ñi n áp và c u trúc bên trong 4.9 Chuy n ñ i h to ñ dòng ñi n. Hình 4.25. M ng tính dòng, áp và c u trúc bên trong Hình 4.27. Chuy n ñ i h to ñ dòng ñi n và c u trúc bên trong
21 22 4.10. Đi u ch vectơ không gian. Hình 4.28. Đi u ch vectơ không gian Hình 4.31. C u trúc truy n ñ ng ñ ng cơ KĐB nuôi b i bi n t n 4.11 B ngh ch lưu. ngu n áp và ñi u khi n t a theo t thông rotor 4.13 Các k t qu mô ph ng. ▪ Tr ng thái ñ ng cơ không ANN: Hình 4.29. B ngh ch lưu và c u trúc bên trong Đóng t i 4.12 B ư c lư ng t thông thông thư ng. a: Đáp ng t thông Hình 4.30. B ư c lư ng t thông thông thư ng và c u trúc bên trong T các kh i trên, ta ti n hành xây d ng c u trúc truy n ñ ng ñ ng cơ KĐB nuôi b i bi n t n ngu n áp và ñi u khi n t a theo t thông rotor.
23 24 4.14 Mô ph ng truy n ñ ng ñ ng cơ KĐB ng d ng m ng nơron ư c lư ng t thông rotor. Gi m t c b: Đáp ng t c ñ Hình 4.38. C u trúc ñi u khi n ñ ng cơ KĐB nuôi b i bi n t n ngu n áp và ñi u khi n t a theo t thông rotor ng d ng m ng nơron ▪ Tr ng thái ñ ng cơ có ANN: c: Đáp ng mômen a: Đáp ng t thông
25 26 K T LU N VÀ KI N NGH Thông qua ñ tài “ ng d ng m ng nơron ư c lư ng t thông ñ ñi u khi n t c ñ ñ ng cơ không ñ ng b ”, ngư i nghiên c u ñã th c hi n nh ng n i dung nghiên c u sau: - Tìm hi u phương pháp ñi u khi n t a theo t thông rotor. - Đ xu t thay th b ư c lư ng t thông thông thư ng b ng b ư c lư ng t thông dùng m ng nơron truy n th ng nhi u l p. Ưu b: Đáp ng t c ñ ñi m là không c n bi t chính xác ñ i tư ng và c u trúc c a mô hình ñi u khi n. - Mô ph ng h th ng ñi u khi n ñã ñư c ñ xu t trên trong môi trư ng Matlab - Simulink. K t qu th c hi n cho th y: - H th ng làm vi c n ñ nh, th i gian ñáp ng nhanh. - Sai s xác l p nh , không v t l và không dao ñ ng. T thông ư c lư ng luôn bám sát v i giá tr ñ t. c: Đáp ng mômen - Ít b nh hư ng khi nhi t ñ ñ ng cơ thay ñ i. - khi nhi t ñ ñ ng cơ thay ñ i sai s nh , ñ giao ñ ng nhanh chóng tr v v trí xác l p Trong tương lai, ñ tài có th ñư c phát tri n theo hư ng sau: - Th c hi n trên mô hình th c t . - Ư c lư ng tr c ti p các thông s c a ñ ng cơ ñ thích nghi v i s thay ñ i c a các thông s Rs, Rr, Ls, Lr, Lm, J.