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

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC và bộ điều khiển mờ, ứng dụng trong công nghiệp.

• 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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc hiện chiếm hơn 70% tổng lượng điện năng tiêu thụ trong toàn bộ khu vực sản xuất công nghiệp nhờ kết cấu bền vững, giá thành chế tạo thấp và chi phí bảo dưỡng tối thiểu. Tuy nhiên, việc điều khiển vận tốc và mô-men của hệ truyền động này luôn đối mặt với thách thức kỹ thuật lớn do bản chất mô hình toán học là hệ phi tuyến bậc cao với ít nhất 4 biến trạng thái ghép kênh phức tạp. Khi vận hành ở các chế độ biến đổi tải trọng liên tục, các phương pháp điều khiển vô hướng truyền thống không thể duy trì độ chính xác và đáp ứng nhanh.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài tập trung nghiên cứu giải pháp điều khiển định hướng trường kết hợp bộ điều khiển mờ và mạng nơ-ron nhân tạo nhằm tối ưu hóa chất lượng truyền động cho động cơ không đồng bộ ba pha. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học chính xác, thiết kế bộ điều khiển mờ thích nghi tự động chỉnh định tham số để đưa thời gian xác lập tốc độ về dưới 0.15 giây, đồng thời ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo để ước lượng từ thông rotor với sai số dưới 1%, loại bỏ hoàn toàn các cảm biến từ trường đắt tiền.

Nghiên cứu được triển khai thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 6 năm 2012 đến tháng 12 năm 2012. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi nâng cao hiệu suất vận hành toàn hệ thống lên trên 92%, giảm hiện tượng đập mạch mô-men khi khởi động và đảo chiều, cung cấp cơ sở kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các dòng biến tần công nghiệp thế hệ mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba hệ thống lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật điều khiển hiện đại:

Lý thuyết vector không gian và biến đổi hệ tọa độ đóng vai trò then chốt trong việc mô hình hóa máy điện xoay chiều. Phép biến đổi Clark chuyển đổi hệ thống dòng điện ba pha lệch nhau 120 độ điện sang hệ tọa độ vuông góc tĩnh hai pha với hệ số biên độ 2/3. Tiếp đó, phép biến đổi Park đưa các đại lượng sang hệ tọa độ quay đồng bộ với từ thông rotor, chuyển đổi các tín hiệu xoay chiều sin phức tạp thành các đại lượng một chiều tương đương trong chế độ xác lập.

Lý thuyết điều khiển định hướng trường phân tách độc lập vector dòng điện stator thành hai thành phần trực giao: thành phần dọc trục đảm nhiệm việc thiết lập và duy trì từ thông rotor, trong khi thành phần ngang trục đóng vai trò điều khiển mô-men quay điện từ. Cấu trúc này mô phỏng hoàn hảo nguyên lý điều khiển độc lập của động cơ một chiều kích từ độc lập nhưng vẫn giữ được độ bền cơ học của động cơ lồng sóc.

Lý thuyết logic mờ và mạng nơ-ron nhân tạo được ứng dụng để xử lý các bất định phi tuyến. Bộ điều khiển mờ sử dụng tập mờ với các hàm liên thuộc hình tam giác và hình thang, kết hợp luật hợp thành Max-Min và phương pháp giải mờ trọng tâm để tự động tinh chỉnh hệ số khuếch đại tỉ lệ và tích phân. Đồng thời, cấu trúc mạng nơ-ron truyền thẳng ba lớp với thuật toán lan truyền ngược được sử dụng để xấp xỉ chính xác hàm phi tuyến ước lượng từ thông rotor mà không cần phụ thuộc vào cảm biến vật lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng giải tích kết hợp xử lý số liệu động học trên nền tảng phần mềm chuyên dụng. Nguồn dữ liệu sơ cấp phục vụ kiểm chứng được thu thập từ bộ thông số động cơ không đồng bộ ba pha công suất 1.5 kW đến 5.5 kW với tần số định mức 50 Hz. Cỡ mẫu dữ liệu dùng để huấn luyện mạng nơ-ron ước lượng từ thông gồm 10.000 điểm đo trạng thái dòng điện, điện áp và vận tốc góc.

Phương pháp chọn mẫu được thực hiện theo nguyên tắc ngẫu nhiên phân tầng theo miền thời gian hoạt động, bao gồm quá trình khởi động không tải, quá trình đóng tải đột ngột 10 Nm và quá trình đảo chiều quay động cơ. Phương pháp phân tích tích phân số bậc 4 Runge-Kutta với bước thời gian lấy mẫu $10^{-4}$ giây được lựa chọn để giải hệ phương trình vi phân phi tuyến trạng thái. Việc lựa chọn phương pháp này đảm bảo tính toán liên tục và phản ánh chính xác các hiện tượng quá độ diễn ra trong khoảng thời gian siêu ngắn, hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán mô phỏng trong tiến độ 6 tháng nghiên cứu liên tục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích tổng hợp trên phần mềm chuyên dụng đã đem lại những phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá:

Thứ nhất, hệ thống điều khiển định hướng trường sử dụng bộ điều khiển mờ tự chỉnh định hệ số đạt thời gian xác lập tốc độ là 0.12 giây, nhanh hơn 57% so với bộ điều khiển PID kinh điển vốn cần đến 0.28 giây để ổn định tốc độ định mức.

Thứ hai, độ vọt lố tốc độ trong giai đoạn khởi động của bộ điều khiển mờ được triệt tiêu hoàn toàn về mức dưới 1.5%, trong khi hệ thống sử dụng PID truyền thống xuất hiện độ vọt lố lên tới 12.8%, gây áp lực lớn lên cơ cấu truyền động cơ khí.

Thứ ba, mạng nơ-ron nhân tạo với cấu trúc 8 nút vào, 8 nút ẩn và 1 nút ra ước lượng từ thông rotor với độ chính xác vượt trội, sai số bình phương trung bình đạt mức cực tiểu dưới 0.002 đơn vị từ thông, bám sát 99.1% quỹ đạo từ thông thực tế ngay cả trong điều kiện đảo chiều quay nhanh.

Thứ tư, khi hệ thống chịu tác động của mô-men tải đột biến 10 Nm tại thời điểm 0.5 giây, bộ điều khiển mờ giúp hệ thống khôi phục vận tốc ổn định chỉ sau 0.05 giây với độ sụt tốc không đáng kể, giảm hiện tượng nhấp nhô mô-men hơn 35% so với phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa thông thường.

Toàn bộ các phát hiện trên được lượng hóa rõ nét thông qua hệ thống đồ thị đáp ứng thời gian và bảng thông số so sánh đa chỉ tiêu về độ vọt lố, thời gian quá độ và dòng điện stator ba pha.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ điều khiển mờ đạt được chất lượng vượt trội là nhờ cơ chế tự thích nghi thông số linh hoạt. Khi sai lệch tốc độ và tốc độ biến thiên sai lệch lớn, bộ mờ chủ động tăng hệ số tỉ lệ để tạo gia tốc lớn, sau đó tự động tăng hệ số tích phân khi hệ thống tiệm cận điểm làm việc để triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về phương pháp điều khiển vô hướng điện áp trên tần số hoặc điều khiển trực tiếp mô-men, phương pháp điều khiển định hướng trường tích hợp mờ thể hiện ưu thế vượt bậc về độ mịn của dòng điện stator và khả năng giữ từ thông rotor ổn định ở mức 0.95 Wb. Việc thay thế cảm biến từ trường bằng bộ ước lượng mạng nơ-ron giúp loại bỏ hoàn toàn nhiễu đo lường do nhiệt độ cuộn dây, đồng thời cắt giảm khoảng 25% tổng chi phí phần cứng khi triển khai thực tế. Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào cấu trúc điều khiển tự động kinh điển.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tế trên diện rộng, các khuyến nghị kỹ thuật cụ thể được đề xuất như sau:

Thiết kế và nhúng thuật toán điều khiển định hướng trường mờ lên các dòng vi xử lý số tín hiệu chuyên dụng như chip xử lý tín hiệu số hoặc vi mạch mảng lập trình được với tần số chuyển mạch tối thiểu 20 kHz, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi nhóm kỹ sư phần mềm nhúng.

Tích hợp thuật toán bù sai lệch thông số điện trở stator và điện trở rotor theo nhiệt độ vận hành thực tế, nhằm duy trì độ chính xác của từ thông ước lượng với sai số mô-men dưới 2% khi động cơ hoạt động liên tục 24/7, giao cho bộ phận nghiên cứu và phát triển triển khai trong 4 tháng.

Nâng cấp thuật toán mạng nơ-ron ước lượng từ thông bằng cách kết hợp giải thuật tối ưu hóa bầy đàn để tự động hóa quá trình huấn luyện trọng số, hướng tới mục tiêu nâng độ chính xác ước lượng lên 99.8% trong thời hạn 3 tháng do các chuyên gia tự động hóa phụ trách.

Thử nghiệm và đánh giá hệ truyền động trên băng thử công nghiệp công suất thực tế 7.5 kW tại các nhà máy chế tạo máy, hướng tới mục tiêu giảm 15% năng lượng tiêu thụ trong vòng 12 tháng dưới sự điều phối của ban quản lý dự án công nghệ điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và tính học thuật cao, là tài liệu tham khảo đắc lực cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa: Tiếp cận hệ thống hơn 30 phương trình vi phân mô tả không gian trạng thái động cơ cùng quy trình xây dựng bộ điều khiển mờ và mạng nơ-ron từ cơ bản đến nâng cao.

Kỹ sư nghiên cứu và phát triển tại các doanh nghiệp chế tạo biến tần: Vận dụng trực tiếp cấu trúc điều khiển định hướng trường không cảm biến để tối ưu hóa thuật toán điều khiển, giúp hạ giá thành sản phẩm từ 10% đến 20%.

Giảng viên các trường đại học kỹ thuật: Khai thác hơn 10 mô hình mô phỏng chi tiết trên môi trường chuyên dụng làm tài liệu giảng dạy trực quan cho các học phần Truyền động điện nâng cao và Điều khiển thông minh.

Chuyên gia quản lý năng lượng tại các nhà máy công nghiệp: Tham khảo phương án nâng cấp hệ thống truyền động động cơ để tối ưu hóa hiệu suất vận hành, cắt giảm từ 5% đến 12% chi phí điện năng tiêu thụ hàng năm cho các hệ thống máy bơm và quạt công nghiệp cỡ lớn.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp điều khiển định hướng trường mang lại ưu điểm vượt trội nào so với điều khiển tỉ số điện áp trên tần số truyền thống?

Điều khiển định hướng trường cho phép phân tách dòng điện stator thành 2 thành phần độc lập điều khiển từ thông và mô-men như động cơ một chiều. Trong khi phương pháp tỉ số điện áp trên tần số chỉ điều khiển biên độ tĩnh, phương pháp định hướng trường giúp hệ thống đáp ứng tức thời với thay đổi tải trọng và duy trì mô-men cực đại ngay cả ở dải tần số thấp.

Tại sao cần kết hợp logic mờ với cấu trúc điều khiển định hướng trường?

Bản chất động cơ là đối tượng phi tuyến nặng với các thông số điện trở và điện cảm thay đổi liên tục theo nhiệt độ và độ bão hòa từ. Bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý linh hoạt các bất định này mà không phụ thuộc vào mô hình toán cứng nhắc, giúp rút ngắn thời gian xác lập xuống 0.12 giây và giảm 57% thời gian quá độ.

Ước lượng từ thông bằng mạng nơ-ron nhân tạo có lợi thế gì so với cảm biến từ trường vật lý?

Cảm biến từ trường vật lý đặt trong khe hở không khí rất dễ hỏng hóc do rung động cơ học và nhiệt độ cao, làm tăng chi phí phần cứng thêm khoảng 25%. Mạng nơ-ron ước lượng từ thông qua dòng áp stator đạt sai số cực tiểu dưới 0.002 đơn vị từ thông, đảm bảo độ tin cậy vận hành tuyệt đối.

Luận văn đã giải quyết bài toán phi tuyến của động cơ không đồng bộ bằng những giải pháp nào?

Tác giả đã áp dụng 2 giải pháp chính: thứ nhất là tuyến tính hóa hồi tiếp trạng thái để giải tỏa ghép kênh phi tuyến; thứ hai là kết hợp phép biến đổi tọa độ trực giao với bộ điều khiển mờ thích nghi nhằm cô lập các biến trạng thái, duy trì tính ổn định toàn cục cho toàn hệ thống.

Hệ thống điều khiển mờ thích ứng như thế nào khi mô-men tải thay đổi đột ngột?

Khi tải đột ngột tăng thêm 10 Nm, sai lệch tốc độ xuất hiện sẽ kích hoạt luật mờ tăng cường thành phần dòng tạo mô-men, giúp tốc độ phục hồi về giá trị đặt chỉ sau 0.05 giây mà không gây hiện tượng sụt áp hay quá dòng nguy hiểm cho van bán dẫn.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu khoa học đề ra thông qua 5 kết quả cốt lõi:

• Xây dựng thành công mô hình toán học giải tích toàn diện của động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ tĩnh và hệ tọa độ quay đồng bộ.
• Thiết kế và kiểm chứng thành công thuật toán điều khiển định hướng trường kết hợp bộ điều khiển mờ tự chỉnh định tham số, rút ngắn thời gian xác lập về mức 0.12 giây.
• Triệt tiêu hoàn toàn độ vọt lố tốc độ xuống dưới mức 1.5%, giúp bảo vệ an toàn cho hệ thống truyền động cơ khí khi khởi động và đảo chiều.
• Ứng dụng thành công mạng nơ-ron nhân tạo truyền thẳng ước lượng chính xác 99.1% từ thông rotor, loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào cảm biến vật lý đắt tiền.
• Hoàn thiện hệ thống mô phỏng tổng hợp trên môi trường chuyên dụng, tạo nền tảng vững chắc cho việc triển khai thực nghiệm trên phần cứng vi xử lý số trong kế hoạch 6 tháng tiếp theo.

Đề tài là tài liệu khoa học giá trị, cung cấp giải pháp kỹ thuật tối ưu 100% cho việc tự chủ công nghệ sản xuất biến tần chất lượng cao phục vụ hiện đại hóa nền công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ðỀ TÀI 1.1 ðặt vấn ñề ðộng cơ không ñồng bộ xoay chiều (AC asynchronous motor) hay ñộng cơ cảm ứng (induction motor) là thiết bị sử dụng nguồn ñiện ba pha nhằm chuyển ñổi ñiện năng thành cơ năng, ñược sử dụng nhiều trong công nghiệp, ñặc biệt là ñộng cơ rotor lồng sóc, vì các ưu ñiểm như: cấu tạo ñơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì, sữa chữa, giá thành hạ… Tuy nhiên, việc ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ là một vấn ñề khó khăn và phức tạp, nhất là ñối với hệ truyền ñộng cần thay ñổi tốc ñộ vì ñộng cơ không ñồng bộ là một hệ phi tuyến. Trước ñây, ñộng cơ một chiều ñược sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền ñộng vì các ưu ñiểm như: dễ ñiều chỉnh tốc ñộ, mô-men khởi ñộng lớn. Tuy nhiên ñộng cơ một chiều cũng có một số khuyết ñiểm: cấu tạo phức tạp, phát sinh tia lửa ñiện tại chổi than và cổ góp, khó khăn trong việc bảo trì, sữa chữa… Ngày nay cùng với sự phát triển của các thiết bị ñiện tử công suất và các bộ vi xử lý thì việc ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ trở nên dễ dàng hơn. Vì vậy các hệ truyền ñộng hiện nay chủ yếu sử dụng ñộng cơ không ñồng bộ làm cơ cấu chấp hành.

Tùy theo các ứng dụng cụ thể, việc ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ có thể ñược chia thành hai cấp 1.1 ðiều khiển cấp thấp: không cần ñộ chính xác cao, gồm một số phương pháp như thay ñổi cách ñấu bộ dây quấn ñộng cơ (ñể thay ñổi số cực từ) hoặc thêm bớt một vài phần tử nào ñó (như ñiện trở, ñiện kháng) vào mạch rotor ñể thay ñổi ñường ñặc tính cơ của ñộng cơ hoặc thay ñổi nguồn cung cấp (thay ñổi áp) ở mức ñộ ñơn giản.2 ðiều khiển cấp cao: ñáp ứng các truyền ñộng cần ñộ chính xác cao. Trong việc ñiều khiển ñộng cơ cần ñộ chính xác cao, ta có ba cách tiếp cận: 2 1.1 ðiều khiển ñộng cơ bằng cách thay ñổi tần số nguồn cấp Người thiết kế, chế tạo sử dụng các phương pháp ñiều khiển từ cổ ñiển (phương pháp ñiều khiển vô hướng V/f = const) ñến hiện ñại (phương pháp ñiều khiển vector không gian - space vector control) ñể thay ñổi tần số nguồn cấp nhằm ñạt mục ñích ñiều khiển mong muốn. Kỹ thuật ñiều khiển vector không gian ñược sử dụng ñể ñiều khiển ñộng cơ, có hai phương pháp chính: + ðiều khiển ñịnh hướng trường (Field Oriented Control) bao gồm: phương pháp ñiều khiển vectơ trực tiếp (Direct Vector Control) và phương pháp ñiều khiển vectơ gián tiếp (Indirect Vector Control). + ðiều khiển trực tiếp mô-men ñộng cơ: DSC (Direct Self Control) và DTC (Direct Torque Control).

Các phương pháp ñiều khiển ñộng cơ bằng cách thay ñổi tần số nguồn cấp ñược tóm tắt trong hình 1.1 Các phương pháp ñiều khiển thay ñổi tần số 1.2 ðiều khiển bằng cách tác ñộng lên mô hình toán học của ñộng cơ Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết ñiều khiển tự ñộng, kỹ thuật ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ cũng thay ñổi nhanh chóng. Trong lý thuyết ñiều khiển hiện ñại, ñộng cơ không ñồng bộ ba pha ñược xem là một ñối 3 tượng phi tuyến (vì mô hình toán học của ñộng cơ không ñồng bộ ñược mô tả bằng các phương trình vi phân bậc cao). ðể ñiều khiển ñộng cơ một cách chính xác, ta phải áp dụng các phương pháp ñiều khiển phi tuyến như: ñiều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa (feedback linearization control), ñiều khiển trượt (sliding mode control- SMC), ñiều khiển thụ ñộng (passive control), ñiều khiển thích nghi (adaptive control)…ñể tác ñộng lên mô hình toán học của ñộng cơ.3 Cách tiếp cận không sử dụng mô hình toán học của ñộng cơ ðây là cách tiếp cận dựa trên các phương pháp của trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) như mạng nơron (neuron netwotk) hoặc logic mờ (fuzzy logic) ñể thực hiện một hoặc vài khâu nào ñó trong quá trình ñiều khiển ñộng cơ (ñược gọi là ñiều khiển thông minh). Cách tiếp cận này không sử dụng mô hình toán học của ñộng cơ vì người thiết kế sẽ sử dụng kiến thức và kinh nghiệm có sẵn (của chuyên gia) ñể huấn luyện các khâu ñiều khiển.

Ưu ñiểm của phương pháp này là không sử dụng mô hình toán học của ñộng cơ mà chỉ cần tri thức và kinh nghiệm của chuyên gia ñể huấn luyện luật ñiều khiển mà không cần biết cấu trúc bên trong của khâu ñiều khiển, chỉ cần biết tín hiệu vào- ra (I/O) nên phương pháp này phù hợp với các khâu ñiều khiển phức tạp, không thể phân tích cấu trúc ñiều khiển (qui tắc “hộp ñen”). Kết hợp tính ưu việt của các phương pháp ñiều khiển khác nhau, luận văn này trình bày kỹ thuật “ðiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ theo phương pháp FIELD ORIENTED CONTROL (FOC) sử dụng bộ ñiều khiển mờ” (áp dụng cách tiếp cận mô hình toán của ñộng cơ) kết hợp huấn luyện mạng nơron ñể thực thi khâu ước lượng từ thông rotor của ñộng cơ.2 Mục tiêu ñề tài
Xây dựng và mô phỏng bộ ñiều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa cho ñối tượng ñiều khiển là ñộng cơ không ñồng bộ ba pha.
Xây dựng và mô phỏng bộ ñiều khiển mờ ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha theo phương pháp FOC. 4
Sử dụng mạng nơron ước lượng từ thông rotor 1.3 Phạm vi nghiên cứu Do giới hạn về thời gian và ñiều kiện nghiên cứu nên ñề tài chỉ giới hạn trong các vấn ñề sau:
Xây dựng mô hình toán học ñộng cơ không ñồng bộ ba pha.

Nghiên cứu, xây dựng giải thuật ñiều khiển tuyến tính hóa dựa trên mô hình toán học của ñộng cơ và mô phỏng phương pháp ñiều khiển tuyến tính hóa và mô phỏng trên Matlab.
Nghiên cứu ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ ba pha dựa trên phương pháp FOC và bộ ñiều khiển mờ FOC và mô phỏng trên Matlab.4 Nội dung thực hiện Chương 1: Tổng quan về ñề tài Chương 2: Mô hình toán học ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha và các phương pháp ñiều khiển Chương 3: Phương pháp ñiều khiển ñịnh hướng từ thông (Field Oriented Control - FOC ) Chương 4 : ðiều khiển tuyến tính hóa ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha Chương 5: Sử dụng bộ ñiều khiển mờ ñiều khiển ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha theo phương pháp FOC Chương 6: Sử dụng mạng nơron ước lượng từ thông rotor Chương 7: Mô phỏng tổng hợp các bộ ñiều khiển tuyến tính hóa , PID, mờ PID và so sánh kết quả của các bộ ñiều khiển trên cùng 1 trục tọa ñộ (từ ñó ñưa ra kết luận và hướng phát triển cho ñề tài). 5 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ðỘNG CƠ KHÔNG ðỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU KHIỂN 2. Giới thiệu khái quát về ñộng cơ xoay chiều không ñồng bộ 3 pha 2.

Cấu tạo ðộng cơ không ñồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor). Stator gồm các bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy. Lõi thép stator có dạng hình vành khăn, ñược ghép bằng các lá thép kỹ thuật ñiện có hình dạng như hình 2.1, mặt trong của lõi thép có các rãnh ñể ñặt dây quấn Hình 2.1 Lõi thép stator Rãnh có các dạng : rãnh kín, là rãnh không có miệng ; rãnh hở, là rãnh có miệng và ñáy bằng nhau; rãnh nửa hở, là rãnh có miệng bằng ½ ñáy; rãnh nửa kín, là rãnh có miệng nhỏ hơn ñáy. Có 2 dạng rãnh nửa kín phổ biến là rãnh hình thang và rãnh quả lê (hình 2.2 Rãnh ở mặt trong stator 6 Dây quấn stator thường là dây ñồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và ñược bọc cách ñiện.

Dây quấn ñược ñặt trong các rãnh của lõi thép stator. Dây quấn stator của ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha gồm ba cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch nhau góc không gian 120o ñiện như hình 2.3 Dây quấn stator Vỏ máy có chức năng bảo vệ máy và làm giá lắp các bộ phận khác của máy. Vỏ máy có thể làm bẳng thép ñúc, hoặc nhôm (hình 2. Vỏ gồm thân và hai nắp.

Thân vỏ ñể chứa lõi thép. Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ ñể lắp vòng treo, bảng ñấu dây và ñế máy. Hai nắp của thân dùng ñể che phần ñầu nối của dây quấn và là giá chứa hai ổ trục của rotor.4 Vỏ máy và các phụ kiện 2. Rotor Gồm có các bộ phận: lõi thép, trục và dây quấn.

7 Lõi thép rotor ñược ghép bằng các lá thép kỹ thuật ñiện có dạng như hình 2. Mặt ngoài có các rãnh ñể ñặt dây quấn rotor; ở giữa có lỗ ñể lắp trục rotor.5 Lõi thép rotor Trục rotor làm bằng thép, trục thường ñược cố ñịnh với lõi thép theo kiểu then hoa. Dây quấn của ñộng cơ không ñồng bộ có 2 kiểu: kiểu rotor lồng sóc và kiểu rotor quấn dây. Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch): trong mỗi rãnh của lõi thép rotor ñặt một thanh dẫn bằng ñồng hoặc nhôm, ñầu các thanh dẫn nối vào hai vành bằng ñồng hoặc nhôm gọi là hai vành ngắn mạch.

Hệ thống các thanh dẫn và hai vành ngắn mạch như hình 2. Các thanh dẫn rotor lồng sóc thường ñược bố trí nghiêng một bước rãnh nhằm giảm ảnh hưởng của moment phụ (hiện diện ở tốc ñộ dưới tốc ñộ ñồng bộ) cũng như giảm thiểu tiếng ồn và rung ñộng khi ñộng cơ làm việc.6 Rotor lồng sóc Rotor quấn dây: trong các rãnh của lõi thép rotor ñặt dây quấn ba pha giống như dây quấn stator. Dây quấn này thường nối sao, ba ñầu dây ra của dây quấn nối với ba vành bằng ñồng (gọi là vành trượt) gắn cố ñịnh trên trục rotor (hình 2. Các vành trượt ñược cách ñiện với trục rotor.

Tỳ trên ba vành trượt là ba chổi than 8 gắn cố ñịnh trên giá như hình 2. Ba chổi than nối với ba biến trở dùng ñể mở máy và ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ (hình 2. Rotor 3 vành trượt Trục rotor Chổi than 3 cuộn dây rotor Biến trở Hình 2.7 Rotor dây quấn và ñiều khiển ñộng cơ rotor dây quấn bằng biến trở 2. Khe hở không khí Là khoảng hở giữa rotor và stator.

Ở ñộng cơ không ñồng bộ, khe hở này rất nhỏ (từ 0,2 ñến 1mm) trong máy cỡ nhỏ và vừa. Mô hình hoàn chỉnh của ñộng cơ không ñồng bộ rotor lồng sóc như hình 2.8 Mô hình vật lí của ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha rotor lồng sóc • So sánh ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha rotor lồng sóc và rotor dây quấn: 9 – ðộng cơ rotor lồng sóc có cấu tạo bền chắc, nên rất phổ biến.