Luận Văn Thạc Sĩ Về Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ Theo Phương Pháp Field Oriented Control (FOC)

• Tác giả: Đào Thái Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Văn Hướng
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ Theo Phương Pháp Field Oriented Control (FOC) Sử Dụng Bộ Điều Khiển Mờ
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Trang phó bìa
• Lời cam đoan
• Danh mục các chữ viết tắt, ký hiệu
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình vẽ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Đặt vấn đề động cơ không đồng bộ xoay chiều (AC asynchronous motor) hay động cơ cảm ứng (induction motor) là thiết bị sử dụng nguồn điện ba pha nhằm chuyển đổi điện năng thành cơ năng, được sử dụng nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc, vì các ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì, sửa chữa, giá thành hạ… Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn và phức tạp, nhất là đối với hệ truyền động cần thay đổi tốc độ vì động cơ không đồng bộ là một hệ phi tuyến. Trước đây, động cơ một chiều được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền động vì các ưu điểm như: dễ điều chỉnh tốc độ, mô-men khởi động lớn. Tuy nhiên động cơ một chiều cũng có một số khuyết điểm: cấu tạo phức tạp, phát sinh tia lửa điện tại chổi than và cổ góp, khó khăn trong việc bảo trì, sửa chữa… Ngày nay cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất và các bộ vi xử lý thì việc điều khiển động cơ không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn. Vì vậy các hệ truyền động hiện nay chủ yếu sử dụng động cơ không đồng bộ làm cơ cấu chấp hành. Tùy theo các ứng dụng cụ thể, việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể được chia thành hai cấp
• 1.2. Điều khiển cấp thấp: không cần độ chính xác cao, gồm một số phương pháp như thay đổi cách đấu bộ dây quấn động cơ (để thay đổi số cực từ) hoặc thêm bớt một vài phần tử nào đó (như điện trở, điện kháng) vào mạch rotor để thay đổi đường đặc tính cơ của động cơ hoặc thay đổi nguồn cung cấp (thay đổi áp) ở mức độ đơn giản.
• 1.3. Điều khiển cấp cao: đáp ứng các truyền động cần độ chính xác cao. Trong việc điều khiển động cơ cần độ chính xác cao, ta có ba cách tiếp cận:
• 1.3.1. Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp
• 1.3.1.1. Người thiết kế, chế tạo sử dụng các phương pháp điều khiển từ cổ điển (phương pháp điều khiển vô hướng V/f = const) đến hiện đại (phương pháp điều khiển vector không gian - space vector control) để thay đổi tần số nguồn cấp nhằm đạt mục đích điều khiển mong muốn.
• 1.3.1.2. Kỹ thuật điều khiển vector không gian được sử dụng để điều khiển động cơ, có hai phương pháp chính:
• 1.3.1.2.1. Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control) bao gồm: phương pháp điều khiển vectơ trực tiếp (Direct Vector Control) và phương pháp điều khiển vectơ gián tiếp (Indirect Vector Control).
• 1.3.1.2.2. Điều khiển trực tiếp mô-men động cơ: DSC (Direct Self Control) và DTC (Direct Torque Control).
• 1.3.1.3. Các phương pháp điều khiển động cơ bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp được tóm tắt trong hình 1.1 Các phương pháp điều khiển thay đổi tần số
• 1.3.2. Điều khiển bằng cách tác động lên mô hình toán học của động cơ
• 1.3.2.1. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ cũng thay đổi nhanh chóng. Trong lý thuyết điều khiển hiện đại, động cơ không đồng bộ ba pha được xem là một đối tượng phi tuyến (vì mô hình toán học của động cơ không đồng bộ được mô tả bằng các phương trình vi phân bậc cao).
• 1.3.2.2. Để điều khiển động cơ một cách chính xác, ta phải áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến như: điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa (feedback linearization control), điều khiển trượt (sliding mode control- SMC), điều khiển thụ động (passive control), điều khiển thích nghi (adaptive control)… để tác động lên mô hình toán học của động cơ.
• 1.3.3. Cách tiếp cận không sử dụng mô hình toán học của động cơ
• 1.3.3.1. Đây là cách tiếp cận dựa trên các phương pháp của trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) như mạng nơron (neuron network) hoặc logic mờ (fuzzy logic) để thực hiện một hoặc vài khâu nào đó trong quá trình điều khiển động cơ (được gọi là điều khiển thông minh).
• 1.3.3.2. Cách tiếp cận này không sử dụng mô hình toán học của động cơ vì người thiết kế sẽ sử dụng kiến thức và kinh nghiệm có sẵn (của chuyên gia) để huấn luyện các khâu điều khiển. Ưu điểm của phương pháp này là không sử dụng mô hình toán học của động cơ mà chỉ cần tri thức và kinh nghiệm của chuyên gia để huấn luyện luật điều khiển mà không cần biết cấu trúc bên trong của khâu điều khiển, chỉ cần biết tín hiệu vào- ra (I...)
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 2.1. Giới thiệu khái quát về động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha
• 2.2. Vector không gian của các đại lượng 3 pha
• 2.3. Mô hình toán học động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG
• 4. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 4.1. Nội dung của phương pháp tuyến tính hóa vào ra
• 4.2. Áp dụng điều khiển tuyến tính hóa động cơ
• 4.3. Xây dựng các khái mô phỏng điều khiển tuyến tính hóa động cơ không đồng bộ trong SIMULINK/MATLAB
• 5. CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA THEO PHƯƠNG PHÁP FOC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
• 5.1. Giới thiệu về logic mờ
• 5.2. Ứng dụng logic mờ trong điều khiển tốc động cơ
• 5.3. Kết luận về điều khiển mờ
• 5.4. Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha theo phương pháp FOC bằng bộ điều khiển PID
• 5.5. Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha theo phương pháp FOC bằng bộ điều khiển mờ PID
• 6. CHƯƠNG 6: SỬ DỤNG MẠNG NƠRON ĐƯỢC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR
• 6.1. Mạng truyền thống nhiều lớp
• 6.2. Giải thuật lan truyền ngược
• 6.3. Ứng dụng mạng nơron vào điều khiển động cơ
• 6.4. Sử dụng mạng nơron được lượng từ thông rotor
• 7. CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN CCKCB 3 PHA BẰNG MATLAB (KẾT HỢP 3 BỘ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA, PID VÀ MỜ PID TRÊN CÙNG 1 TRỤC TOẠ ĐỘ)
• 7.1. Mô hình kết hợp 3 bộ điều khiển tuyến tính hóa, PID, mờ PID trên Matlab
• 7.2. Ưu và nhược điểm của các bộ điều khiển
• 7.3. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng FOC

Điều khiển động cơ không đồng bộ là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ điện và tự động hóa. Động cơ không đồng bộ, hay còn gọi là động cơ cảm ứng, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp nhờ vào tính năng vận hành ổn định và chi phí bảo trì thấp. Phương pháp Field Oriented Control (FOC) đã trở thành một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong quá trình điều khiển.

1.1. Định Nghĩa và Nguyên Lý Hoạt Động Của FOC

Phương pháp FOC là một kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ dựa trên việc điều chỉnh từ trường của động cơ để đạt được hiệu suất tối ưu. Nguyên lý hoạt động của FOC dựa trên việc tách biệt điều khiển mô-men và điều khiển từ trường, cho phép động cơ hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện tải khác nhau.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng FOC Trong Điều Khiển Động Cơ

Việc áp dụng FOC trong điều khiển động cơ không đồng bộ mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng điều khiển chính xác hơn, giảm thiểu độ rung và tiếng ồn, cũng như cải thiện hiệu suất năng lượng. FOC cho phép động cơ hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau mà không làm giảm hiệu suất.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ

Mặc dù FOC mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc điều khiển động cơ không đồng bộ vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ phi tuyến trong mô hình động cơ, sự thay đổi tải đột ngột và yêu cầu về độ chính xác cao trong điều khiển là những yếu tố cần được xem xét.

2.1. Độ Phi Tuyến Trong Mô Hình Động Cơ

Động cơ không đồng bộ là một hệ thống phi tuyến, điều này có nghĩa là các đặc tính của nó không thể được mô tả bằng các phương trình tuyến tính đơn giản. Việc này gây khó khăn trong việc thiết lập các phương pháp điều khiển hiệu quả.

2.2. Ảnh Hưởng Của Tải Đột Ngột Đến Hiệu Suất

Khi tải thay đổi đột ngột, động cơ có thể không kịp thời điều chỉnh để đáp ứng, dẫn đến giảm hiệu suất và có thể gây hư hỏng. Việc phát triển các thuật toán điều khiển có khả năng phản ứng nhanh với thay đổi tải là rất cần thiết.

III. Phương Pháp Field Oriented Control FOC Trong Điều Khiển Động Cơ

Phương pháp FOC là một trong những giải pháp hiệu quả nhất cho việc điều khiển động cơ không đồng bộ. FOC cho phép điều khiển động cơ một cách chính xác bằng cách sử dụng các biến đổi toán học để tách biệt các thành phần từ trường và mô-men.

3.1. Cấu Trúc Của Hệ Thống FOC

Hệ thống FOC bao gồm các thành phần chính như bộ điều khiển, cảm biến và bộ biến đổi. Cảm biến giúp đo lường các thông số cần thiết, trong khi bộ điều khiển sử dụng các thuật toán để điều chỉnh tín hiệu đầu ra cho động cơ.

3.2. Các Kỹ Thuật Điều Khiển Trong FOC

Có nhiều kỹ thuật điều khiển khác nhau có thể được áp dụng trong FOC, bao gồm điều khiển PID, điều khiển mờ và điều khiển thích nghi. Mỗi kỹ thuật có những ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của FOC Trong Công Nghiệp

FOC đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất đến tự động hóa. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

4.1. FOC Trong Ngành Sản Xuất

Trong ngành sản xuất, FOC được sử dụng để điều khiển các động cơ trong dây chuyền sản xuất, giúp tăng năng suất và giảm thiểu thời gian chết. Việc điều khiển chính xác động cơ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.2. FOC Trong Hệ Thống Tự Động Hóa

FOC cũng được áp dụng trong các hệ thống tự động hóa, nơi yêu cầu độ chính xác cao và khả năng phản ứng nhanh với các thay đổi trong môi trường làm việc. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu lãng phí.

V. Kết Luận Về Phương Pháp FOC Trong Điều Khiển Động Cơ

Phương pháp Field Oriented Control (FOC) đã chứng minh được hiệu quả trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ. Với những lợi ích vượt trội về hiệu suất và độ chính xác, FOC đang trở thành lựa chọn hàng đầu trong ngành công nghiệp hiện đại.

5.1. Tương Lai Của FOC Trong Ngành Công Nghiệp

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, FOC sẽ tiếp tục được cải tiến và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các nghiên cứu mới sẽ giúp tối ưu hóa hơn nữa các thuật toán điều khiển và cải thiện hiệu suất của động cơ.

5.2. Những Thách Thức Cần Giải Quyết

Mặc dù FOC đã đạt được nhiều thành công, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua, bao gồm việc phát triển các cảm biến chính xác hơn và các thuật toán điều khiển thông minh hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong công nghiệp.