Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ PID2 vào điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ PID2 vào điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển mờ PID2, đây chính là bộ điều khiển tự chỉnh mờ PID nhưng có kết hợp thêm luật điều khiển tham số PID theo hàm e mũ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ PID2 vào điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 2 41 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID2 VÀO ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU FUZZY PID2 SPEED CONTROLLER FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS (PMSM) Đinh Văn Nhượng1, Nguyễn Văn Tiệp1, Trần Hoàng Vũ2 Trường Đại học Sao Đỏ; Email: nhuongdv2000@gmail.com 1 2 Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; Email: tranhoangvu_university@yahoo.com.vn Tóm tắt - Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng các phương pháp vào Abstract - There have been many studies on the application of điều khiển PMSM, tuy nhiên PMSM có tính phi tuyến phức tạp nên PMSM control methods; however, the motor has complicated non- việc điều khiển gặp nhiều khó khan, đặc biệt khi tham số động cơ linear characteristics so that it is difficult to control it, especially thay đổi. Kỹ thuật điều khiển thông minh như logic mờ đã được when there are changes in parameters of the motor. Intelligent phát triển và ứng dụng vào cải thiện chất lượng điều chỉnh tốc độ control techniques such as fuzzy logic have been developed and động cơ điện. Có nhiều nghiên cứu so sánh hoạt động bộ điều applied to improving the quality of motors speed control. There are khiển fuzzy logic với bộ điều khiển PI kinh điển và đều đi đến một many comparative studies between fuzzy logic and classical PI kết luận là sử dụng bộ điều khiển fuzzy logic cho chất lượng cao controller and all of these studies come to a conclusion that it is hơn. Tuy nhiên vấn đề tham số động cơ thay đổi vẫn là bài toán better to use fuzzy logic controller. However, the changes in motor khó cho quá trình điều khiển. Bài báo này đề xuất phương pháp parameter is difficult in control process and control quality. In this dùng bộ điều khiển mờ PID2, đây chính là bộ điều khiển tự chỉnh paper, writers propose a method of using PID2 fuzzy logic control. mờ PID nhưng có kết hợp thêm luật điều khiển tham số PID theo This is the PID fuzzy self control but having PID exponential hàm e mũ. Với tốc độ điều chỉnh tham số theo hàm e mũ vào điều control. With the application of the exponent speed of parameter khiển tốc độ PMSM, kết quả cho thấy chất lượng điều khiển tốt, độ control to controlling the speed of PMSM, as a result, the control tin cậy cao. quality is good and the reliability is high. Từ khóa - logic mờ; bộ điều khiển PI; bộ điều khiển PID; PMSM; Key words - fuzzy logic, PI control, PID control, PMSM, Quality chất lượng điều khiển. of control 1. Đặt vấn đề 2. Mô hình toán học PMSM Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có một vị 2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển PMSM trí quan trọng trong công nghiệp. Lớp động cơ này đạt được hiệu quả tốt, và có phần vượt trội hơn nhiều các loại động cơ Trên Hình 1 là sơ đồ điều khiển PMSM theo kiểu điều cảm ứng khác trong công nghiệp. Đã có rất nhiều đề tài khiển vector. PMSM được cung cấp bởi nguồn áp Vdc cùng nghiên cứu ứng dụng các phương pháp vào điều khiển động với bộ điều khiển tốc độ, dòng điện và bộ chuyển đổi PWM. cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), tuy nhiên động cơ 2.2. Mô hình toán học trong hệ tọa độ d-q đồng bộ nam châm vĩnh cửu có tính phi tuyến phức tạp nên Khi chuyển sang hệ tọa độ dq, từ thông được tách ra việc điều khiển gặp nhiều khó khăn đặc biệt khi tham số thành 2 thành phần dọc trục (Id), thành phần ngang trục (Iq). động cơ thay đổi. Kỹ thuật điều khiển thông minh như logic Khi Ids là hằng số thì PMSM giống như động cơ một chiều mờ đã được phát triển và nghiên cứu ứng dụng vào cải thiện [5]. Lúc này phương trình điện áp của động cơ như sau: chất lượng điều chỉnh tốc độ động cơ cũng như thiết bị điện did nói chung. Có rất nhiều nghiên cứu so sánh giữa hoạt động Vd = Rs id + Ld − s Lq iq (1) bộ điều khiển fuzzy logic với bộ điều khiển PI kinh điển và dt đều đi đến một kết luận là sử dụng bộ điều khiển fuzzy logic diq Vq = Rs iq + Lq − s ( Ld id +  f ) (2) cho chất lượng cao hơn [1,2,3]. Tuy nhiên vấn đề tham số dt động cơ thay đổi vẫn là bài toán khó cho quá trình điều id ( s) 1 1/ Rs = = (3) khiển, khiến chất lượng điều khiển còn nhiều hạn chế [4], Vd ( s) + s Lq iq ( s) Rs + Ld s 1 +  s s bài báo đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển mờ PID2 iq ( s) 1 1/ Rs = = (4) với tốc độ điều chỉnh tham số theo hàm e mũ vào điều khiển Vq ( s) − s ( Ld id ( s) + f ) Rs + Lq s 1 +  s s tốc độ PMSM. Ý nghĩa của ký hiệu PID2 ở đây đó là sử dụng Trong đó Rs là điện trở stator, Ld là điện cảm dọc trục, bộ điều khiển tự chỉnh mờ PID nhưng có kết hợp thêm luật Lq là điện cảm ngang trục,  s là tốc độ góc dòng điện,  f là điều khiển tham số PID theo hàm e mũ. Ld Lq từ thông stator-rotor và  s = = Rs Rs Phương trình momen: 3 T = p[ f iq + ( Ld − Lq )id iq ] (5) 2 Vì Ld = Lq nên (5) được viết lại như sau: 3 T = p f iq = kT iq (6) 2 Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển động cơ PMSM Chuyển đổi laplace phương trình (6)
42 Đinh Văn Nhượng, Nguyễn Văn Tiệp, Trần Hoàng Vũ T ( s) 3 u (kt ) = u1 (kt ) + u2 (kt ) = p f = kT (7) iq ( s) 2 3.2. Xây dựng quy tắc mờ cho bộ điều khiển p là số đôi cực của động cơ. Xác định tín hiệu vào ra của bộ điều khiển mờ: Phương trình cân bằng momen - Tín hiệu vào của bộ điều khiển mờ FC1 là e(kt), d ed1(kt); của FC2 là ed2(kt), ei(kt). Gọi tập mờ đầu vào của T − TL = J + B (8) FC1 và FC2 tương ứng là {âm nhiều, zero, dương nhiều}, dt hay viết tắt là {NB, ZO,PB}. Chuyển đổi Laplace phương trình (8) - Tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ FC1 là uFC1(kt) ; của  ( s) 1 = (9) FC2 là uFC2(kt). Gọi tập mờ đầu ra của FC1 và FC2 đương T ( s) − T L Js + B ứng là {âm nhiều, zero, dương nhiều}, hay viết tắt là {NB, TL là momen tải, J là momen quán tính, B hệ số ma sát. ZO,PB}. 2.3. Sơ đồ khối cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ Lựa chọn hàm liên thuộc tín hiệu vào và ra hình tam Từ các phương trình (1-9) có thể mô tả cấu trúc PMSM giác (trimf), sử dụng hàm suy luận logic mờ Mamdani. theo sơ đồ khối được trình bày trên hình 2. Xác định quy tắc điều khiển mờ: - Đối với bộ điều khiển mờ FC1 có 4 quy tắc mờ: 3. Thiết kế bộ điều khiển mờ PID2 R1: if e(kt) is N and ed1(kt) is N, then uFC1(kt) is N; Cấu trúc bộ điều khiển mờ PID2 dạng số bởi 4 tín hiệu đầu vào xuất phát từ sai lệch e và tín hiệu đầu ra được biểu R2: if e(kt) is N and ed1(kt) is P, then uFC1(kt) is Z; diễn bởi các phương trình sau: R3: if e(kt) is P and ed1(kt) is N, then uFC1(kt) is Z; u (n) = u (n − 1) + u (n)  R4: if e(kt) is P and ed1(kt) is P, then uFC1(kt) is P; u (n) =  K p *exp(−uFC1 )  e(n) +  K D / Ts *exp(uFC1 )  e( n) +   n  - Đối với bộ điều khiển mờ FC2 có 4 quy tắc mờ: +  K I Ts *(1 − exp(−uFC 2 ))   e(i) +  K D / Ts *(exp(uFC 2 )  e ( n)  2 i =0   R5: if eI(kt) is N and ed2(kt) is N, then uFC2(kt) is N; (10) R6: if eI(kt) is N and ed2(kt) is P, then uFC2(kt) is Z; Trong đó: các biến trạng thái sai lệch e định nghĩa bởi: R7: if eI(kt) is P and ed2(kt) is N, then uFC2(kt) is Z; e( n ) =  * ( n ) −  ( n )   R8: if eI(kt) is P and ed2(kt) is P, then uFC2(kt) is P. e(n) = e(n) − e(n − 1)  (10)  e(n) = e(n) − e(n − 1)  2 4. Ưu điểm của việc kết hợp điều chỉnh các tham số theo Ts - thời gian lấy mẫu. hàm mũ e với bộ điều khiển PID mờ * (n)- tốc độ đặt. - Phương pháp tận dụng được các ưu điểm của các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID đã có sẵn, phép  ( n)- tốc độ thực tế. chỉnh định thực hiện ngay trong hệ thống kín như vậy có e( n)- sai lệch. khả năng ứng dụng cao trong thực tế. e(n) - vi phân sai lệch. - Phương pháp này không đòi hỏi việc phải nhận dạng 2 e(n) - vi phân bậc 2 của sai lệch. chính xác đối tượng điều khiển hay hệ thống. Kp - hệ số tỉ lệ. - Phương pháp này cũng dễ thực hiện và lập trình để chỉnh định tự động trên máy tính trong các hệ thống thực. KI - hệ số tích phân. KD - hệ số vi phân. 5. Kết quả mô phỏng Nếu đặt: Bài báo sử dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng u1 (n) =  K p *exp(−uFC1 )  e(n) +  K D / Ts *exp(uFC1 )  e(n)  với đối tượng là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có  các tham số như sau: u2 (n) =  K I Ts *(1 − exp(−uFC 2 ))   e(i ) +  K D / Ts *(exp(uFC 2 )  e 2 (n)  n   i =0 P = 1kW, Vd = 300V, Rs = 1.4, Ls = 9.5mH, (12) Jmin=0.03kgm2, Jmax=0.23kgm2, B = 0.4*10-3 kgm2/s. Thì u (n) = u1 (n) + u2 (n) với: Các kết quả mô phỏng được trình bày trên các hình: từ u1 (n) = u1 (n − 1) + u1 (n) u2 (n) = u2 (n − 1) + u2 (n)  (11) Hình 4 đến Hình 8. Từ Hình 4, Hình 5 và Hình 6 cho thấy đáp ứng tốc độ, 3.1. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển dòng điện (Id, Iq) nhanh ổn định, độ bám theo quỹ đạo đặt tốt, lượng quá điều chỉnh khi thay đổi mô men tải nhỏ và thời Trên Hình 3 biểu diễn cấu trúc bộ điều khiển tốc độ gian quá độ (tqđ < 1s) nhỏ. Hình 7 và Hình 8 thể hiện đáp động cơ PMSM sử dụng điều khiển mờ kết hợp với bộ PID ứng tốc độ khi thay đổi các tham số như mô men tải, điện trở (P+I+D+D2) và chỉnh định tham số PID theo hàm e mũ. Rs. Mặc dù thay đổi các tham số khác nhau nhưng đáp ứng Với các biến đầu vào bộ mờ FC1 gồm sai lệch tốc độ đầu ra vẫn nhanh ổn định và bám theo quỹ đạo đặt trước. e(kt) và vi phân bậc 1 ed1(kt); biến đầu vào của bộ điều Trong giai đoạn giảm tốc (do tải thay đổi) bắt đầu từ thời khiển mờ FC2 gồm vi phân bậc 2 ed2(kt) và tích phân ei(kt). gian t = 1.6, chúng ta cũng nhận thấy các kết luận tương tự Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển sẽ là: đó là đầu ra vẫn nhanh ổn định và bám theo quỹ đạo đặt
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN 2 43 trước. Hình 2. Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển PMSM Hình 3. Cấu trúc bộ điều khiển mờ PID2 ngắt tải; t=1.2 giảm tốc độ) Hình 4. Đáp ứng tốc độ (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8,
44 Đinh Văn Nhượng, Nguyễn Văn Tiệp, Trần Hoàng Vũ Hình 5. Đáp ứng sai lệch e (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, Rs1=1.4; Rs2=2.4) ngắt tải; t=1.2 giảm tốc độ) 6. Kết luận Từ kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink cho thấy thuật toán bộ điều khiển tự chỉnh mờ PID2 là hoàn toàn chính xác, cho được kết quả điều khiển có chất lượng cao, có khả năng thích nghi được với những thay đổi của tham số của đối tượng phi tuyến là PMSM. Với sự điều chỉnh các tham số Kp, Kd, KI, Kd2 theo hàm e mũ và đặc biệt là có thêm thành phần xác định gia tốc biến đổi tín hiệu Kd2 kết hợp với luật điều khiển mờ PI, làm cho đáp ứng đầu ra luôn ở trạng thái tăng tốc nhanh khi hệ thống còn ở trạng thái quá độ. Do đó đã rút ngắn được thời gian quá độ của hệ thống. Kết quả cho thấy các thông số về chất lượng điều chỉnh như sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ của quá trình đều đáp ứng tốt được yêu cầu của hệ thống Hình 6. Đáp ứng dòng Id và Iq (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, điều khiển tự động. Có thể nói điều khiển tự chỉnh mờ PID2 ngắt tải; t=1.2 giảm tốc độ) hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng cao cho đối tượng là PMSM. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S.Z.HE, S.Tan, and F.L.Xu, “Fuzzy gain scheduling of PID controller”, IEEE Trance Syst, Man, Cybern, Vol. 23, pp. 1392- 1398, Oct. 1993. [2] M. Cheng, Q. Sun, and E. Zhou, “New self-tuning fuzzy PI control of anovel doubly salient permanent - magnet motor drive”, IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 53, No. 3, pp. 814-821, Jun. 2006. [3] M. N. Uddin, T. S. Radwan, M. A. Rahrans, “Perfornabces of fuzzy logic based indirect vector for induction motor drive”, IEEE Trans. Hình 7. Đáp ứng tốc độ (tại t=0.4, TL=4Nm; t=0.8, Ind. Electron., Vol. 38, pp. 1219 - 1225, Sept./Oct. 2002. TL=6Nm; t=1.2 ngắt tải) [4] Jin-Woo Jung, Han Ho Choi, and Tae-Heoung Kim, “Fuzzy PD Speed Controller for Permanent Magnet Synchronous Motors”, Journal of Power Electronics, Vol. 11, No. 6, Nov. 2011. [5] K. Hakiki, A. Meroufel, V. Cocquempot, M. Chenafa, “A New Adaptive Fuzzy Vector Control for Permanent Magnet Synchronous Motor Drive”, IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 58, pp. 922 - 927, Jun. 2010. Hình 8. Đáp ứng tốc độ(khi thay đổi tham số (BBT nhận bài: 10/03/2014, phản biện xong: 02/04/2014)