Tài liệu ước lượng các thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc sử dụng mạng nơron nhân tạo

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các ấn phẩm được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, ngày… tháng … năm 2019 Người cam đoan Phạm Văn Tuấn TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Phạm Hùng Phi TS. Nguyễn Thanh Sơn i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu đề tài, tác giả đã gặp nhiều khó khăn. Một mặt do trình độ còn hạn chế, một mặt do khó khăn về thiết bị thực nghiệm, song tác giả đã rất cố gắng và được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ của các thầy cô trong Bộ môn Thiết bị điện- điện tử; Tự động hóa công nghiệp- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, sự giúp đỡ tận tình của bạn bè, đồng nghiệp, luận án đến nay đã hoàn thành. Để có luận án này, tác giả vô cùng biết ơn và bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến hai thầy giáo hướng dẫn khoa học trực tiếp là TS. Phạm Hùng Phi và TS. Nguyễn Thanh Sơn luôn dành nhiều công sức, thời gian quan tâm, động viên và tận tình hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Thiết bị điện- điện tử, Bộ môn Tự động hóa công nghiệp, Viện Điện và Phòng Đào tạo/ bộ phận Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện để nghiên cứu sinh có điều kiện thuận lợi nhất về thời gian và cơ sở vật chất trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn tới Lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh và toàn thể thầy cô giáo khoa Điện - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh nơi tác giả đang công tác đã tạo mọi điều kiện để tác giả thuận lợi về thời gian học tập và nghiên cứu luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Thế Công, PGS.TS. Trần Trọng Minh, TS. Vũ Hoàng Phương, TS. Nguyễn Tùng Lâm đã hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu sinh làm thực nghiệm và đã đóng góp các ý kiến quý báu để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè đã động viên giúp đỡ về mọi mặt góp phần vào sự thành công của luận án. Cuối cùng, tác giả dành lời cảm ơn tới Gia đình đã luôn động viên và hỗ trợ về vật chất và tinh thần trong những lúc khó khăn, mệt mỏi nhất để tác giả yên tâm trong quá trình nghiên cứu, góp phần không nhỏ vào thành công của luận án. Tác giả luận án Phạm Văn Tuấn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................ vii Danh mục các kí hiệu: ............................................................................................ vii Danh mục các chữ viết tắt: ..................................................................................... ix Danh mục các bảng biểu: ........................................................................................ xi Danh mục các hình vẽ, đồ thị: ............................................................................... xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1 2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ........................................ 2 a. Tổng quan về ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc . 2 b. Tổng quan về ước lượng điện trở rôto và stato trong truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không sử dụng cảm biến tốc độ ................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ...................................................... 3 4. Mục tiêu của đề tài luận án ................................................................................. 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................ 4 6. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 5 7. Các đóng góp mới của luận án ............................................................................ 5 8. Cấu trúc của luận án............................................................................................ 5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔTO VÀ STATO CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ................................................... 7 1.1. Mô hình toán của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc ..................... 7 1.1.1. Biến đổi ba pha về hai trục tọa độ của điện áp và dòng điện ....................... 7 1.1.2. Mômen điện từ ............................................................................................. 8 1.1.3. Tốc độ động cơ ............................................................................................. 8 1.1.4. Tính toán dòng điện stato ............................................................................. 8 1.1.5. Nguồn cấp ba pha cho động cơ .................................................................... 8 1.2. Tổng quan một số phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato................. 10 iii 1.2.1. Thuật toán thích nghi tham chiếu mô hình (MRAS) để ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ...................................................................................... 11 1.2.2. Bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ 14 1.2.3. Bộ quan sát trượt để ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ ........... 15 1.2.4. Bộ quan sát Luenberger để ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ 15 1.2.5. Ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng lôgic mờ ................................... 16 1.2.6. Mạng nơron nhân tạo để ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ .... 19 1.3. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 20 Chương 2: NGHIÊN CỨU ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔTO VÀ STATO TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC SỬ DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO21 2.1. Tổng quan về mạng nơron trong nhận dạng các tham số .............................. 22 2.1.1. Định nghĩa và ứng dụng của mạng nơron .................................................. 22 2.1.2. Các thành phần cơ bản của mạng nơron .................................................... 22 2.1.3. Mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp ........................................................... 23 2.1.4. Mạng nơron hồi quy ................................................................................... 24 2.1.5. Luật học lan truyền ngược [71] .................................................................. 25 2.1.6. Nguyên tắc sử dụng mạng nơron trong nhận dạng tham số....................... 26 2.2. Ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo ................... 27 2.2.1. Ước lượng điện trở rôto sử dụng mạng nơron nhân tạo............................. 27 2.2.2. Ước lượng điện trở stato sử dụng mạng nơron nhân tạo ........................... 32 2.2.3. Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 35 2.3. Ước lượng điện trở rôto và stato với hàm tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ ......................................................................................................................... 37 2.3.1. Ước lượng điện trở rôto với hàm tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ . 37 2.3.2. Ước lượng điện trở stato với hàm tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ 39 2.3.3. Các kết quả mô phỏng ................................................................................ 40 2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 42 Chương 3: TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RÔTO LỒNG SÓC KHÔNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ VỚI ƯỚC LƯỢNG ĐIỆN TRỞ RÔTO VÀ STATO ................................................................................................. 44 3.1. Các phép biến đổi hệ tọa độ ........................................................................... 44 iv 3.1.1. Vector không gian ...................................................................................... 44 3.1.2. Các hệ tọa độ .............................................................................................. 45 3.1.3. Biến đổi tọa độ abc→dq............................................................................. 46 3.1.4. Biến đổi tọa độ αβ→dq .............................................................................. 47 3.1.5. Phép biến đổi hệ tọa độ hệ tọa độ abc→αβ................................................ 48 3.2. Điều khiển tựa từ thông rôto động cơ không đồng bộ ba pha ....................... 49 3.2.1. Phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto ................................................. 49 3.2.2. Phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto trực tiếp .................................. 50 3.2.3. Phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp .................................. 51 3.2.4. Kết luận ...................................................................................................... 52 3.3. Điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp không cảm biến tốc độ (Sensorless IFOC) với giả thiết là các tham số của động cơ không đổi trong quá trình làm việc ............................................................................................................................... 53 3.3.1. Khái quát chung về điều khiển không cảm biến tốc độ ............................. 53 3.3.2. Một số phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ................ 55 3.3.3. Ước lượng tốc độ động cơ sử dụng mạng nơron ([11], [13], [18])............ 55 3.3.4. Mô phỏng hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp không cảm biến tốc độ sử dụng mạng nơron nhân tạo với các thông số của động cơ không thay đổi ............................................................................. 56 3.4. Điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp không cảm biến tốc độ (Sensorless IFOC) với ước lượng điện trở rôto và stato .......................................................... 58 3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 61 Chương 4: THỰC NGHIỆM ................................................................................. 62 4.1. Xây dựng bàn thực nghiệm ............................................................................ 62 4.1.1. Phần mạch động lực ................................................................................... 62 Cài đặt chế độ điều khiển mômen động cơ điện một chiều sử dụng Mentor II ... 65 4.1.2. Phần mạch điều khiển ................................................................................ 68 4.2. Thực nghiệm điều khiển FOC cho động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc ......................................................................................................................... 76 4.3. Ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron cho truyền động không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc............................. 80 4.3.1. Ước lượng điện trở rôto ............................................................................. 80 v 4.3.2. Ước lượng điện trở stato ............................................................................ 81 4.3.3. Ước lượng từ thông của động cơ ............................................................... 82 4.3.4. Tốc độ động cơ ........................................................................................... 83 4.4. Kết luận chương 4 .......................................................................................... 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 88 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............... 94 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 95 PHỤ LỤC A .......................................................................................................... 95 PHỤ LỤC B: Nhận dạng tham số của động cơ sử dụng biến tần công nghiệp S120- Siemens ...................................................................................................... 96 PHỤ LỤC C: Một số mô hình mô phỏng ........................................................... 104 PHỤ LỤC D: Các thành phần chủ yếu của DS 1104 và ghép nối với máy chủ. 106 PHỤ LỤC E: Mentor II ...................................................................................... 109 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các kí hiệu: Kí hiệu Tên gọi vsa Điện áp pha A vsb Điện áp pha B vsc Điện áp pha C vsα Điện áp pha trục α vsβ Điện áp pha trục β vsd Điện áp pha trục d vsq Điện áp pha trục q isα Dòng điện pha stato trục α isβ Dòng điện pha stato trục β irα Dòng điện pha rôto trục α irβ Dòng điện pha rôto trục β isd Dòng điện pha stato trục d isq Dòng điện pha stato trục q J Mômen quán tính của rôto Te Mômen điện từ của động cơ TL Mômen tải của động cơ p Số đôi cực của động cơ Lm Hỗ cảm giữa rôto và stato Ls Điện cảm stato Lr Điện cảm rôto Rs Điện trở stato vii Rs_es Điện trở stato ước lượng Rr Điện trở rôto Rr_es Điện trở rôto ước lượng ωr Tốc độ của động cơ ωr_es Tốc độ ước lượng động cơ  s Từ thông stato trục α  s Từ thông stato trục β  rvm Từ thông stato trục α tính từ mô hình điện áp  rvm Từ thông stato trục β tính từ mô hình điện áp  rim Từ thông stato trục α tính từ mô hình dòng điện  rim Từ thông stato trục β tính từ mô hình dòng điện L2m  1 Lr Ls Hệ số từ thông rò. viii Danh mục các chữ viết tắt: Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt IM Induction Motor Động cơ cảm ứng/ động cơ không đồng bộ DCM Direct Current Motor Động cơ điện một chiều FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông DFOC Direct Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông trực tiếp IFOC Indirect Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thông gián tiếp PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung MRAS Model Reference Adaptive Systems Hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình mẫu SMO Sliding Mode Observer Bộ quan sát trượt LO Luenberger Observer Bộ quan sát Luenberger FL Fuzzy Logic Lôgic mờ ANN Artificial Neural Network Mạng nơron nhân tạo PE Processing Elements Đơn vị xử lý LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp DTC Direct Torque Control Điều khiển trực tiếp mômen MPC Model Predictive Control Điều khiển dự báo RF- MRAS Rotor Flux- Model Reference Adaptive System Hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình cho từ thông rôto RP- MRAS Reactive Power- Model Reference Adaptive System Hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình cho công suất phản kháng ix EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng LKF Linear Kalman Filter Bộ lọc Kalman tuyến tính x Danh mục các bảng biểu: Bảng 1.1 Thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc 2 HP ............. 8 Bảng 1.2 Thông số của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc 2,2 kWSiemens (1LA 7096-2AA60- Z) ................................................................................. 9 Bảng 2.1 Luật mờ ..................................................................................................... 38 Bảng 4.1 Thông số của động cơ điện một chiều 2 HP/ 1,5 kW- Fuan LiYuan Electric, LTD. (ZD97B-2) ........................................................................................ 66 Bảng A.1 Bảng các hàm kích hoạt thường được sử dụng trong mạng nơron [78] .. 95 xi Danh mục các hình vẽ, đồ thị: Hình 1.1 Mô hình tổng thể của động cơ điện không đồng bộ ba pha rô to lồng sóc trong Simulink. ......................................................................................................... 10 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc MRAS để ước lượng tham số động cơ. ............................. 11 Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc MRAS từ thông để ước lượng điện trở rôto được thực hiện ở [38]. ....................................................................................................................... 12 Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc MRAS công suất phản kháng để ước lượng điện trở rôto được thực hiện ở [40], [41]. ...................................................................................... 13 Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc MRAS từ thông để ước lượng điện trở stato được thực hiện ở [21], [55]. ............................................................................................................... 13 Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc của bộ quan sát Luenberger để ước lượng tham số động cơ [4].............................................................................................................................. 16 Hình 1.7 Mô hình ước lượng điện trở rôto sử dụng lôgic mờ. ................................. 17 Hình 1.8 Sơ đồ khối của bộ ước lượng điện trở rôto sử dụng lôgic mờ [5]. ............ 17 Hình 1.9 Sơ đồ khối của bộ ước lượng điện trở rôto sử dụng lôgic mờ [52]. .......... 18 Hình 1.10 Sơ đồ khối của bộ ước lượng điện trở stato sử dụng lôgic mờ [5]. ......... 18 Hình 1.11 Sơ đồ khối của bộ ước lượng điện trở stato sử dụng lôgic mờ [60]. ....... 18 Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc phương pháp ước lượng điện trở rôto đã thực hiện ở [5], [17]............................................................................................................................ 19 Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc phương pháp ước lượng điện trở stato đã thực hiện ở [5], [17]............................................................................................................................ 20 Hình 2.1 Kiến trúc tổng quát của một mạng nơron. ................................................. 22 Hình 2.2 Đơn vị xử lý. .............................................................................................. 23 Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp. ........................... 24 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc của mạng nơron hồi quy 2 lớp. .......................................... 25 Hình 2.5 Mô hình nhận dạng tham số đối tượng. ..................................................... 26 Hình 2.6 Sơ đồ khối của bộ lọc LPF nhiều cấp để ước lượng từ thông stato [5], [72]. .................................................................................................................................. 28 Hình 2.7 Cấu trúc bộ ước lượng điện trở rôto dựa trên MRAS bao gồm mạng nơron được huấn luyện với thuật toán lan truyền ngược sai số. ......................................... 29 Hình 2.8 Đồ hình mạng nơron dùng để ước lượng từ thông rôto............................. 30 Hình 2.9 Ước lượng dòng điện stato trục α sử dụng mạng nơron hồi quy............... 34 Hình 2.10 Ước lượng dòng điện stato trục β sử dụng mạng nơron hồi quy............. 34 Hình 2.11 Sơ đồ khối của hệ truyền động động cơ không đồng bộ IFOC với ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron/ tốc độ học là hàm số. ................ 35 Hình 2.12 Mô hình ước lượng điện trở rôto với tốc độ học là hàm số. .................... 36 xii Hình 2.13 Mô hình ước lượng điện trở stato với tốc độ học là hàm số.................... 36 Hình 2.14 Điện trở rôto của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng. . 37 Hình 2.15 Điện trở stato của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng. 37 Hình 2.16 Hàm liên thuộc của biến đầu vào εi. ........................................................ 37 Hình 2.17 Hàm liên thuộc của biến đầu vào ∆ε. ...................................................... 38 Hình 2.18 Hàm liên thuộc của biến đầu ra ∆ηi ......................................................... 38 Hình 2.19 Sơ đồ khối sử dụng lôgic mờ để tính toán tốc độ học. ............................ 38 Hình 2.20 Hàm liên thuộc của biến đầu vào ε4. ....................................................... 39 Hình 2.21 Hàm liên thuộc của biến đầu vào ∆ε4. ..................................................... 39 Hình 2.22 Hàm liên thuộc của biến đầu ra ∆η4......................................................... 40 Hình 2.23 Sơ đồ khối để xác định tốc độ học sử dụng lôgic mờ. ............................ 40 Hình 2.24 Sơ đồ khối của hệ truyền động IFOC với ước lượng điện trở rôto và stato/ tốc độ học được xác định sử dụng lôgic mờ. ............................................................ 41 Hình 2.25 Mô hình ước lượng điện trở rôto với tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ. ............................................................................................................................ 41 Hình 2.26 Mô hình ước lượng điện trở stato với tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ. ............................................................................................................................ 42 Hình 2.27 Điện trở rôto của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng. . 42 Hình 2.28 Điện trở stato của động cơ bao gồm: điện trở thực, điện trở ước lượng. 42 Hình 3.1 Minh hoạ cho quá trình xây dựng vector không gian dòng điện stato. ..... 45 Hình 3.2 Các hệ trục tọa độ abc và dq. ..................................................................... 46 Hình 3.3 Các hệ trục tọa độ dq và αβ. ...................................................................... 48 Hình 3.4 Các hệ trục tọa độ abc và αβ...................................................................... 49 Hình 3.5 Đồ thị phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto [16]. ............................ 49 Hình 3.6 Sơ đồ tổng quát của FOC. ......................................................................... 50 Hình 3.7 Sơ đồ khối của hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển vector tựa từ thông rôto trực tiếp. ........................................................................................ 51 Hình 3.8 Sơ đồ khối của hệ truyền động động cơ không đồng bộ điều khiển tựa từ thông gián tiếp [16]. ................................................................................................. 52 Hình 3.9 Cấu trúc hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp (IFOC) sử dụng khâu ước lượng tốc. ....................................... 53 Hình 3.10 Bộ ước lượng tốc độ dựa trên hệ thống thích nghi tham chiếu mô hình (MRAS) bao gồm mạng nơron được huấn luyện với thuật toán lan truyền ngược sai số. .............................................................................................................................. 56 Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha IFOC không cảm biến tốc độ với các thông số của động cơ không thay đổi. ............................... 57 xiii Hình 3.12 Tốc độ động cơ. ....................................................................................... 57 Hình 3.13 Mômen điện từ......................................................................................... 57 Hình 3.14. Dòng điện stato. ...................................................................................... 58 Hình 3.15 Điện áp dây stato. .................................................................................... 58 Hình 3.16 Sơ đồ khối của bộ truyền động điện động cơ không đồng bộ IFOC không cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở rôto và stato. .............................................. 59 Hình 3.17 (a), (b) Tốc độ khi chưa có ước lượng điện trở rôto và stato: tốc độ đặt và tốc độ ước lượng ....................................................................................................... 60 Hình 3.18 Tốc độ động cơ khi có ước lượng điện trở rôto và stato. ........................ 60 Hình 4.1 Sơ đồ thực nghiệm hệ thống truyền động không cảm biến tốc độ với ước lượng điện trở rôto và stato....................................................................................... 62 Hình 4.2 Động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc sử dụng trong thực nghiệm. .................................................................................................................................. 63 Hình 4.3 Động cơ điện một chiều sử dụng trong thực nghiệm. ............................... 63 Hình 4.4 Van IGBT FUJI loại 6MBP25RA120-05. ................................................. 64 Hình 4.5 Mentor II. ................................................................................................... 65 Hình 4.6 Sơ đồ đấu dây của Mentor II. .................................................................... 66 Hình 4.7 Nguồn kích từ độc lập cấp cho Mentor II.................................................. 67 Hình 4.8 Sơ đồ khối của card DS 1104. ................................................................... 69 Hình 4.9 Dung lượng các bộ nhớ của DS 1104. ....................................................... 69 Hình 4.10 Cảm biến tốc độ 1XP 8001-1/ 1024- Siemens. ....................................... 71 Hình 4.11 Mô hình thực nghiệm hệ thống truyền động không cảm biến tốc động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc với ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng ANN- Thực hiện tại BM Tự động hóa công nghiệp- Đại học Bách khoa Hà Nội. .. 73 Hình 4.12 Sơ đồ thực nghiệm tổng quát sử dụng Matlab/ Simulink tải xuống DS 1104. ......................................................................................................................... 74 Hình 4.13 Sơ đồ giao diện giám sát các thông số của động cơ sử dụng phần mềm control Desk. ............................................................................................................. 75 Hình 4.14 (a), (b), (c), (d) Dòng điện ia, ib, ic của động cơ....................................... 77 Hình 4.15 (a), (b), (c), (d) Dòng điện trục dq đo lường (isq màu xanh; isd màu đỏ). 78 Hình 4.16 (a), (b), (c), (d) Tốc độ động cơ bao gồm tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ đo lường (màu xanh). .................................................................................................... 79 Hình 4.17 (a), (b) Điện trở rôto ước lượng với tốc độ học là hằng số. .................... 80 Hình 4.18 Điện trở rôto ước lượng với tốc độ học là hàm số................................... 81 Hình 4.19 (a), (b) Điện trở stato ước lượng với tốc độ học là hằng số .................... 81 Hình 4.20 (a), (b) Điện trở stato ước lượng với tốc độ học là hàm số. .................... 82 xiv Hình 4.21 (a), (b) Từ thông rôto trục alpha bao gồm: từ thông theo mô hình mẫu (màu xanh) và từ thông theo mô hình thích nghi- nơron (màu tím)......................... 82 Hình 4.22 (a), (b) Từ thông rôto trục beta bao gồm: từ thông theo mô hình mẫu (màu xanh) và từ thông theo mô hình thích nghi- nơron (màu tím)......................... 83 Hình 4.23 (a), (b) Từ thông rôto trục alpha bao gồm: từ thông theo mô hình mẫu (màu xanh) và từ thông theo mô hình thích nghi- nơron (màu đỏ). ......................... 83 Hình 4.24 (a), (b) Từ thông rôto trục beta bao gồm: từ thông theo mô hình mẫu (màu xanh) và từ thông theo mô hình thích nghi- nơron (màu đỏ). ......................... 83 Hình 4.25 (a), (b) Tốc độ động cơ bao gồm: tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ thực (màu xanh nhạt). ....................................................................................................... 84 Hình 4.26 (a), (b) Tốc độ động cơ bao gồm: tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ ước lượng (màu xanh). .................................................................................................... 84 Hình 4.27 (a), (b) Tốc độ động cơ bao gồm: tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ thực (màu tím). ................................................................................................................. 84 Hình 4.28 (a), (b) Tốc độ động cơ bao gồm: tốc độ đặt (màu đỏ) và tốc độ ước lượng (màu xanh). .................................................................................................... 85 Hình B.1 Sơ đồ đấu nối bàn thí nghiệm SINAMICS S120. ..................................... 97 Hình B.2 Trình tự vận hành bàn thí nghiệm. ............................................................ 98 Hình B.3 Cấu hình để bắt đầu quá trình nhận dạng tham số động cơ. ................... 100 Hình B.4 Cấu trúc điều khiển vòng kín động cơ không đồng bộ ........................... 100 Hình B.5 Các thông số của động cơ không đồng bộ. ............................................. 101 Hình B.6 Cài đặt ưu tiên quyền điều khiển cho máy tính. ..................................... 102 Hình B.7 Chế độ nhận dạng động cơ không đồng bộ ba pha ................................. 103 Hình B.8 Nhận dạng các tham số của động cơ không đồng bộ ba pha.. ................ 103 Hình C.1 Mô hình ước lượng từ thông theo mô hình tham chiếu. ......................... 104 Hình C.2 Mô hình ước lượng từ thông theo mô hình thích nghi............................ 104 Hình C.3 Mô hình ước lượng tốc độ động cơ sử dụng mạng nơron nhân tạo........ 105 Hình C.4 Mô hình ước lượng dòng điện stato dụng mạng nơron. ......................... 105 Hình D.1 Vi điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F240. ........................................ 107 Hình E.1 Nguồn cấp cho kích từ. ........................................................................... 110 Hình E.2 Sơ đồ mắc một cầu 3 pha dùng công tắc chuyển đổi để đảo chiều........ 111 Hình E.3 Sơ đồ mắc hai cầu 3 pha song song ngược. ............................................ 112 Hình E.4 Hãm động năng. ...................................................................................... 112 Hình E.5 Sơ đồ nối dây 4 góc phần tư của Mentor II. ........................................... 113 Hình E.6 Bảng điều khiển của Mentor II. .............................................................. 114 xv MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Động cơ điện không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất. Ưu điểm của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản, so với động cơ điện một chiều động cơ điện không đồng bộ không có chổi than nên vận hành tin cậy, chi phí bảo dưỡng thấp [1]. Ngoài ra động cơ không đồng bộ ba pha có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên thuận lợi trong thực tế [1], [2], [3], [4]. Trước đây nhược điểm của động cơ không đồng bộ ba pha là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ là rất khó khăn; riêng với động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với động cơ một chiều và động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn [2]. Trong vài thập niên trở lại đây với sự phát triển nhanh chóng của lĩnh vực điện tử công suất và vi điều khiển đã cải thiện đáng kể chất lượng làm việc của các hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc [5], [6]. Trong thực tế, phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp (IFOC) động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc rất phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp [7], [8] do đáp ứng động học nhanh bằng cách tách kênh, điều khiển mômen và điều khiển từ thông riêng biệt làm cho điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều [8]. Trong IFOC, tính toán tốc độ trượt yêu cầu giá trị điện trở rôto, nhưng điện trở rôto có thể biến thiên do sự thay đổi nhiệt độ, tần số dòng điện rôto trong quá trình làm việc của hệ truyền động. Vì vậy, việc ước lượng điện trở rôto của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc là rất cần thiết nhằm nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp. Mặt khác, thông tin tốc độ động cơ là cần thiết cho cho phương pháp điều khiển IFOC. Tốc độ của động cơ có thể được đo bằng cảm biến hoặc có thể được ước lượng bằng các phương trình trạng thái (điện áp, dòng điện,…) và các thông số của động cơ (điện trở rôto, điện trở stato, hỗ cảm…). Việc sử dụng cảm biến tốc độ (các bộ cảm biến tốc độ như bộ mã hóa xung/ pulse encoder, hay máy phát tốc/ tachchometer [4], [9], [10], [11] ) làm giảm độ bền cơ học và độ tin cậy của hệ truyền động, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, nhiều bụi,…). Hơn nữa do có cảm biến tốc độ nên làm tăng kích thước, chi phí đầu tư và chi phí bảo dưỡng cho hệ truyền động, đặc biệt là các hệ truyền động công suất nhỏ. Ngoài ra ở vùng tốc độ thấp sử dụng cảm biến tốc độ thường có sai số lớn [5], [9], [12], [13]. Do vậy hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha không cảm biến tốc độ ngày càng được quan tâm và ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn công nghiệp. Nhiều công trình nghiên trên thế giới đã đề cập đến việc ước lượng tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc với nhiều phương pháp ước lượng khác nhau. Tuy nhiên quá trình ước lượng tốc độ động cơ đòi hỏi phải biết trước các thông số 1 của động cơ như điện trở rôto, điện trở stato [5], [9], [14], [15]. Do đó ước lượng điện trở rôto và stato theo thời gian thực có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực truyền động không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. 2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước a. Tổng quan về ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc Trong những năm gần đây, một số phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc đã được đề xuất và thực hiện như:  Ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng phương trình trạng thái của động cơ không đồng bộ [5], [16], [17], [18].  Ước lượng tốc độ sử dụng thuật toán thích nghi tham chiếu mô hình (MRAS) và bộ điều chỉnh PI [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25].  Ước lượng tốc độ sử dụng bộ quan sát trượt (SMO) [9], [19], [24], [26].  Ước lượng tốc độ sử dụng bộ quan sát Luenberger (LO) [4], [18], [27].  Ước lượng tốc độ sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) [18], [28], [29].  Ước lượng tốc độ sử dụng lôgic mờ (FL) [19], [24], [30], [31], [32].  Ước lượng tốc động cơ sử dụng mạng nơron nhân tạo (ANN) [11], [13],[18], [19], [33], [34]. Các phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha phụ thuộc vào giá trị điện trở rôto và stato. Ngoài ra phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp, tính toán góc từ thông rôto phụ thuộc vào giá trị điện trở rôto [6], [16], [35]. Mặt khác điện trở rôto có thể biến thiên tới 100% do sự thay đổi nhiệt độ, tần số rôto và lấy lại các thông tin này với một mô hình nhiệt hoặc một cảm biến nhiệt độ là rất khó khăn, phức tạp bởi các cảm biến nhiệt độ phải được gắn vào các vị trí khác nhau của rôto, điều đó có thể không thực hiện được trong tất cả các ứng dụng [5], [14], [17], [36], [37]. Điện trở stato cũng có thể thay đổi 50% trong quá trình làm việc của động cơ [5], [17], [37] do sự thay đổi nhiệt độ. Do đó việc ước lượng chính xác điện trở rôto và stato trong quá trình làm việc của hệ truyền động sẽ nâng cao độ chính xác của ước lượng tốc độ đồng thời cải thiện, nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không cảm biến tốc độ điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp (SensorlessIFOC). b. Tổng quan về ước lượng điện trở rôto và stato trong truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không sử dụng cảm biến tốc độ Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato: Các phương pháp ước lượng điện trở rôto bao gồm: thuật toán thích nghi tham chiếu mô hình MRAS của từ thông hoặc công suất phản kháng đã được thực hiện ở [38], 2 [39], [40], [41]; bộ lọc Kalman mở rộng [42], [43], [44], [45]; Bộ quan sát trượt [46], [47], [48]; bộ quan sát Luenberger [49]; lôgic mờ [50], [51], [52], [53]; mạng nơron nhân tạo [5], [17], [54].  Phương pháp ước lượng điện trở stato đã được thực hiện ở [21], [55] sử dụng MRAS; bộ lọc Kalman mở rộng [56], [57]; Bộ quan sát trượt [47], [58]; bộ quan sát Luenberger [4], [59]; lôgic mờ [60], [61], [62], [63], [64]; mạng nơron nhân tạo [5], [17], [65], [66]. Tuy đã có nhiều kết quả được công bố, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu và giải quyết để nâng cao hơn nữa chất lượng của việc ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Cụ thể như vấn đề ước lượng online đồng thời cả điện trở rôto và stato cho hệ truyền động không cảm biến tốc độ; bởi vì sẽ xảy ra vòng lặp đại số khi ước lượng đồng thời tốc độ, điện trở rôto và điện trở stato, dẫn đến việc ước lượng tốc độ và các điện trở sẽ không thực hiện được. Chính vì vậy, những nghiên cứu về ước lượng online đồng thời cả điện trở rôto và stato cho động cơ không đồng bộ ba pha ứng dụng trong truyền động động cơ không đồng bộ ba pha không cảm biến tốc độ vẫn luôn cấp thiết và thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước, đặc biệt là các phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu về động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc với các thông số thay đổi trong quá trình làm việc. Phạm vi nghiên cứu: trong luận án này tác giả chỉ nghiên cứu ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Bởi vì điện trở rôto và stato có thể thay đổi rất lớn trong quá trình làm việc của động cơ, và lấy được thông tin các giá trị của điện trở là rất khó khăn, đặc biệt là đối với động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Mặt khác việc ước lượng chính xác điện trở rôto và stato sẽ nâng cao nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ. 4. Mục tiêu của đề tài luận án Ở [5], [17] đã đề xuất phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato cho động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng mạng nơron nhân tạo. Các phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato được thực hiện ở [5], [17] vẫn bị giới hạn là các giá trị tốc độ học của mạng nơron được lựa chọn trước và không thay đổi trong quá trình ước lượng các điện trở. Do vậy, nếu lựa chọn tốc độ học không phù hợp sẽ dẫn đến quá trình huấn luyện mạng nơron chậm và sai số đầu ra của mạng lớn. Việc lựa chọn tốc độ học phù hợp chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người nghiên cứu. 3 Trong nghiên cứu này, tác giả sẽ đề xuất phương pháp mới để ước lượng online đồng thời cả điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo với tốc độ học thay đổi (tốc độ học thay đổi trong quá trình ước lượng các điện trở). Các thông số điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc được nhận dạng sẽ được ứng dụng cho các thuật toán điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp không cảm biến tốc độ nhằm nâng cao độ chính xác cho ước lượng tốc độ, nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp. Các mục tiêu nghiên cứu sau đây sẽ được thực hiện trong luận án:  Các phương pháp ước lượng tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.  Hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha không cảm biến tốc độ tựa từ thông rôto, các ưu và nhược điểm của hệ truyền động này; các tham số ảnh hưởng đến quá trình ước lượng tốc độ.  Các phương pháp ước lượng điện trở rôto động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp.  Các phương pháp ước lượng điện trở stato động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp.  Sử dụng mạng nơron nhân tạo để ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato trong quá trình làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ.  Sau khi các điện trở rôto và stato đã được nhận dạng sẽ được đưa vào hệ truyền động không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp, để đánh giá chất lượng của hệ truyền động trong hai trường hợp: khi có các bộ ước lượng điện trở tác động và khi không có các bộ ước lượng điện trở tác động vào hệ truyền động không cảm biến tốc độ. Các thuật toán này được thực hiện trên card DS 1104. Mục đích của nội dung nghiên cứu này là để kiểm chứng phương pháp ước lượng đồng thời cả điện trở rôto và stato trong quá trình làm việc sử dụng mạng nơron nhân tạo được tác giả đề xuất trong luận án; ngoài ra để đánh giá, kiểm chứng ý nghĩa của việc ước lượng điện trở rôto và stato cho hệ truyền động không cảm biến tốc độ với phương pháp điều khiển tựa từ thông rôto gián tiếp- phương pháp điều khiển cơ bản, được sử dụng rộng rãi trong các biến tần hiện nay. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài  Ứng dụng được lý thuyết trí tuệ nhân tạo trong nhận dạng tham số và điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.  Xây dựng được phương pháp ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng mạng nơron với tốc độ học thay đổi. 4  Nâng cao chất lượng làm việc của các hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không cảm biến tốc độ khi có ước lượng điện trở rôto và stato. 6. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sẽ được vận dụng trong luận án này bao gồm:  Sử dụng lý thuyết điều khiển và mạng nơron nhân tạo để nhận dạng điện trở rôto và stato cho hệ thống điều khiển không cảm biến tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc.  Sử dụng phần mềm mô phỏng trên máy tính (phần mềm Matlab/ Simulink) để kiểm chứng các nghiên cứu về lý thuyết.  Thực nghiệm kiểm tra, khẳng định các kết quả nghiên cứu lý thuyết được cài đặt trên bộ vi điều khiển DS 1104. 7. Các đóng góp mới của luận án  Đề xuất phương pháp ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato trong quá trình làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ sử dụng mạng nơron nhân tạo với tốc độ học thay đổi (khác với [5], [17]- tốc độ học là hằng số). Ở đây tác giả đã đưa ra được hai thuật toán mới để ước lượng điện trở rôto và stato, bao gồm: - Sử dụng mạng nơron với tốc độ học là một hàm số để ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato; - Sử dụng mạng nơron với tốc độ học được xây dựng từ lôgic mờ để ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato.  Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng phương pháp ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato sử dụng mạng nơron nhân tạo với tốc độ học là hàm số trên nền vi điều khiển DS 1104.  Sử dụng các thuật toán ước lượng đồng thời điện trở rôto và stato được đề xuất, sẽ nâng cao chất lượng làm việc của hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc không cảm biến tốc độ. 8. Cấu trúc của luận án Luận án được trình bày theo các chương sau đây: Mở đầu Trình bày mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng, phạm vi, nội dung nghiên cứu, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Chương 1: Tổng quan về ước lượng điện trở rôto và stato của động cơ không đồng bộ ba pha 5