Thiết kế bộ điều khiển trượt mờ cho hệ thống động cơ PMSM với các thành phần nhiễu bất định

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

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Thiết kế bộ điều khiển trượt mờ cho hệ thống động cơ PMSM với các thành phần nhiễu bất định giới thiệu về mô hình của hệ thống động cơ PMSM (động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) với các thành phần nhiễu bất định. Từ đó, thiết kế bộ điều khiển trượt với các ràng buộc từ luật mờ giúp hệ thống tiến về miền trượt nhanh hơn, giảm thiểu hiện tượng chattering.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế bộ điều khiển trượt mờ cho hệ thống động cơ PMSM với các thành phần nhiễu bất định

P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ CHO HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ PMSM VỚI CÁC THÀNH PHẦN NHIỄU BẤT ĐỊNH SLIDING MODE CONTROLLER BASED ON FUZZY LOGIC FOR PMSM SERVO SYSTEM WITH UNCERTAIN DISTURBANCE Nguyễn Bá Thanh1, Nguyễn Ngọc Tuấn2,*, Nguyễn Trọng Hà1, Vũ Văn Chiến1 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.003 thời gian và nhiễu tải bên ngoài. Trong trường hợp này, TÓM TẮT phương pháp điều khiển tuyến tính truyền thống thường Bài báo giới thiệu về mô hình của hệ thống động cơ PMSM (động cơ đồng bộ khó đảm bảo hiệu suất của hệ thống động cơ PMSM [4]. nam châm vĩnh cửu) với các thành phần nhiễu bất định. Từ đó, thiết kế bộ điều Để khắc phục vấn đề này đã có nhiều công trình nghiên khiển trượt với các ràng buộc từ luật mờ giúp hệ thống tiến về miền trượt nhanh cứu như: điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu, điều hơn, giảm thiểu hiện tượng chattering. Tính ổn định của bộ điều khiển được chứng khiển dự báo, điều khiển thích nghi tối ưu,... [3-6]. Tuy minh theo tiêu chuẩn Lyapunov và kiểm chứng bằng mô phỏng bởi phần mềm nhiên việc thiết kế các bộ điều khiển này phụ thuộc vào độ Matlab/Simulink. Các kết quả đã chứng minh bộ điều khiển đề xuất cho chất lượng chính xác của các thông số mô hình hệ thống. Ngày nay, tốt hơn cả về dòng điện và tốc độ đối với hệ thống truyền động PMSM. nhờ các bộ điều khiển thông minh, chẳng hạn như Fuzzy, Từ khóa: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, điều khiển trượt, điều khiển Neuron Network không cần mô hình toán học chính xác logic mờ. của hệ thống. Các yêu cầu thiết kế toán học đơn giản và ít chuyên sâu hơn là ưu điểm chính của bộ điều khiển thông ABSTRACT minh, phù hợp với hệ phi tuyến và không rõ về mô hình [7- This paper introduces the model of PMSM (permanent magnet synchronous 8]. Nhưng chất lượng điều khiển không cao do các luật đưa motor) motor system with uncertain noise components. Since then, designing a ra cố định, các thông số không thay đổi được. sliding controller with constraints from fuzzy rules helps the system move to the Sau quá trình nghiên cứu xem xét trên nhiều góc độ, sliding domain faster, minimizing chattering. The stability of the controller is nhóm tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển trượt. Với ưu proven according to Lyapunov standard and verified by simulation by điểm là cấu trúc đơn giản, đảm bảo độ chính xác khi hệ Matlab/Simulink software. The results demonstrated that the proposed controller thống có tham số bất định và nhiễu bên ngoài [9-10]. gives better performance in both current and speed for the PMSM drive system. Nhưng nhược điểm của bộ điều khiển trượt là thời gian tiến Keywords: Permanent magnet synchronous motor, Sliding mode control, đến mặt trượt lâu và hiện tượng chattering. Để cải thiện fuzzy logic control. vấn đề này, nhóm tác giả kết hợp điều khiển trượt với các ràng buộc của luật mờ cho phép độ hội tụ nhanh hơn, 1 Học viên Phòng không - Không quân giảm rung, cải thiện được chất lượng điều khiển. Ngoài ra, 2 Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn việc đưa ra các ràng buộc theo luật mờ có thể xác định * Email: ngoctuanhvhn@gmail.com được giới hạn của thành phần bất định và nhiễu tác động Ngày nhận bài: 25/11/2022 từ bên ngoài. Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 10/02/2023 2. MÔ HÌNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG Ngày chấp nhận đăng: 24/02/2023 Xét một mô hình hệ thống truyền động dùng động cơ PMSM [11-14] như hình 1. Mô hình toán học của hệ khi xét đến các thành phần bất 1. ĐẶT VẤN ĐỀ định như sai số hệ thống, nhiễu từ bên ngoài. Với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử công suất, máy vi tính và lý thuyết điều khiển hiện đại,  θm  ωm  động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) ngày càng ω  3Pnψf i  B ω  TL  d được ưa chuộng trong nhiều ngành như dệt may, robot   m 2J q J m J công nghiệp, thiết bị y tế, thiết bị gia dụng,... [1, 2] nhờ cấu   Rs Pnψf 1 (1) trúc đơn giản, trọng lượng nhẹ, công suất cao và khả năng iq   iq  Pnωmid  id  uq  f1 truyền động mạnh mẽ. Tuy nhiên, hiệu suất của việc điều  L L L khiển vị trí và tốc độ của hệ thống PMSM bị ảnh hưởng lớn  Rs 1 id   L id  Pnωmiq  L ud  f2  bởi tính phi tuyến của hệ thống, các thông số thay đổi theo Website: https://jst-haui.vn Vol. 59 - No. 1 (Feb 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 u1  x1  θm  u         ; u2  x 2  ωm   y1  uq    y    y 2  ud    Ta có:    x1  u2  x 2  θ1x 3  θ2 u2  θ3  d      x 3  g1x 3  g1u2 x 4  g1x 4  g4 uq  f1 (5)   x 4  g1x 4  g2u2 x 3  g4 ud  f2  T  y  uq ud     Hình 1. Hệ thống truyền động dùng động cơ PMSM Xét hệ thống sau: Trong đó, id, iq là dòng điện trục dq; ud, uq là điện áp trục  x  Ax  Bu  ud (x,t) (6) dq tương ứng; Rs, L, ψf, Pn lần lượt thể hiện điện trở của Trong đó, ud(x,t) là các thành phần phi tuyến trong hệ stato, độ tự cảm, từ thông của nam châm vĩnh cửu và số thống. cặp cực, J, TL, B lần lượt là mômen quán tính, mômen tải và hệ số ma sát nhớt; θm, ωm biểu diễn góc và tốc độ góc của Định lý 1: Bộ điều khiển trượt được xác định như sau: rôto; d là các biến thể của thông số bên trong, nhiễu tải u  S.Ax  β sgn(σ) (7) bên ngoài. f1, f2 đại diện cho các thành phần bất định, bao Trên cơ sở mặt trượt: gồm lỗi mô hình hóa, nhiễu bên trong mô hình. Đặt: x 1  θ m , x 2  ωm , x 3  i q , x 4  i d θ x : σ  Sx  0 Rs Pψ 1 1 S  σ  (8) g1  , g2  Pn , g3  n f , g4  . σ  Sx  BTX1B BTX1x   1  x   1  L L L S2  σ2  3Pnψf B TL θ1  , θ2  , θ3  Với X thỏa mãn bất đẳng thức LMI sau đây: 2J J J T IIT  AX  XAT  II  0, X  0,II  1 0 0 0 (9) Từ đó xây dựng phương trình trạng thái của hệ thống truyền động PMSM với các thành phần phần định như sau: Xác định ma trận chuyển đổi G và một vector tương   x1  x 2 ứng ζ như sau:   x 2  θ1x 3  θ2 x 2  θ3  d  (IIT XII) 1IIT  F   (2) G   T 1 1 T 1      x 3  g1x 3  g1x 2 x 4  g1x 4  g4 uq  f1  (B X B) B X  S   x  g x  g x x  g u  f (10) 4 1 4 2 2 3 4 d 2 ζ  ζ   1   Gx Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế bộ điều ζ 2  khiển, hệ thống cần đáp ứng các giả định sau: Dễ dàng thấy rằng G1   XII, B và ζ2 = σ. Ta có: - Giả thiết 1: Nhiễu tổng hợp d có giới hạn và thay đổi chậm theo thời gian   ζ  Gx  GA i x  GB  u  ud ( x , t )  | d | ε   (3)  GA i G1ζ  GB  u  ud (x, t )  (11) d  0  Sau đó, phương trình trạng thái (6) có thể được chuyển Trong đó: ε đại diện cho giá trị biên của d. đổi thành dạng thông thường sau đây: - Giả thiết 2: Các thành phần bất định f1, f2 thỏa mãn các   ζ   FA i XII FA iB   ζ1  0  điều kiện sau:    X      (u  ud ( x , t )) (12)  σ   SA i XII SA iB   σ   I  | f1 | h1  (4)  Theo [15, 16, 17] nếu σ  σ  0 ,ta có: | f2 | h2  Trong đó: h1, h2 lần lượt thể hiện các giá trị biên của f1, f2. ζ1  (IIT XII) 1IIT A i XIIζ1 (13) 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ THỐNG 2 Lựa chọn hàm ứng viên Lyapunov: V ( t )  P0 ζ1 với PMSM P0  (IIT XII)  0 ta có: Đặt: 18 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 1 (02/2023) Website: https://jst-haui.vn
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY   Giá trị đầu ra của mô hình mờ là: S = 1; M = 10; B = 30. V ( t )  2P0 ζ1 ζ1 Trong đó, tập con mờ của các biến đầu vào và đầu ra là {N,  V ( t )  2ζ1P0 (IIT XII) 1IIT A i XIIζ1 (14) O, P, S, M,B} tương ứng với các phần tử đại diện cho  2 T "Negative", "Zero", "Positive", "Small", "Middle", "Big". V ( t )  2ζ II A i XII  0 1 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Điều này chứng minh rằng hệ thống ổn định với mặt Trong phần trên, bài báo đã xây dựng bộ điều khiển trượt (8). trượt với những ràng buộc của luật mờ cho hệ thống Định lý 2: Với mặt trượt xác định như (8) và tín hiệu điều PMSM. Mô hình mô phỏng được thực hiện trên khiển được xác định như (7) thì hệ thống sẽ ổn định trong Matlab/Simulink. Kết quả của bộ điều khiển trượt dựa trên thời gian hữu hạn. các ràng buộc luật mờ của hệ thống động cơ PMSM được Mặt trượt sẽ tiến đến 0 trong thời gian hữu hạn nếu điều kiện so sánh với bộ điều khiển điều khiển trượt thông thường. trượt σ T σ  0 được đảm bảo: Nhóm tác giả thực hiện việc mô phỏng với các thông số hệ  thống như bảng 3. σ T σ  σ T  SAx  SB(u  ud ( t, x ))  Bảng 3. Thông số hệ thống  Ký hiệu Tham số PMSM Giá trị σ T σ  σ T  SAx  (u  ud ( t, x ))  PN Công suất định mức 0,75kW  σ T σ  σ T  SAx  SAx  βsgn(σ)  ud (t, x)) ωN Tốc độ định mức 3000rpm  Pn Số cặp cực 2 σ T σ  σ T  βi sgn(σ)  ud (t, x))  IN Điện áp định mức 5,3 TL Mômen tải 2,39Nm   σ (β i  ud )  ζ i σ  0 (15) ψf Từ thông của nam châm vĩnh cửu 0,109Wb Theo (15) chứng minh được hệ thống sẽ tiến đến mặt L Độ tự cảm 0,17mH trượt trong thời gian hữu hạn. RS Điện trở Stator 1,8Ω Thiết kế bộ điều khiển mờ FLC (Fuzzy Logic Control) J Mômen quán tính 2.10-3kg.m2  chỉnh định thông số β dựa vào mặt trượt s và s . Khi giá trị B Hệ số ma sát nhớt 5.10-3Nm.s của s hoặc s  lớn thì thông số β phải lớn để nhanh chóng Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ thống được thể hiện trên  đưa s về 0. Khi giá trị của s và s nhỏ thì thông số β nhỏ để hình 3. hạn chế hiện tượng chattering. Bộ điều khiển sử dụng mô ref ud u hình mờ Tagaki - Sugeno - Kang với các tính chất và luật if Sliding Mode uq dq u SVPWM Inverter Controller based on then như trong bảng 1 và 2. d , f1 , f 2 Fuzzy Logic  Bảng 1. Tính chất của bộ điều khiển mờ Uncertain  iq id  Phương Phương Hàm Tổng Quá trình ánh xạ tập mờ disturbance id i ia dq pháp AND pháp OR hợp thành tập rõ (Defuzzification) iq iq i  ib ic   dq MIN MAX MIN MAX Trung bình cộng có trọng số Bảng 2. Luật if-then của bộ điều khiển s d  Encoder PMSM dt N Z P N B M B Hình 3. Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động dùng động cơ PMSM  s Z B S B P B M B Các làm liên thuộc của đầu vào và đầu ra mô hình mờ được thể hiện ở hình 2. Hình 2. Hàm liên thuộc của đầu vào mô hình mờ Hình 4. Đáp ứng tốc độ của động cơ khi tốc độ đặt là 300 vòng/phút Website: https://jst-haui.vn Vol. 59 - No. 1 (Feb 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 19
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. N. Bianchi, T. M. Jahns, 2004. Design, analysis, and control of interior PM synchronous machines. in Tutorial Course Notes IEEE IAS Annu. Meeting, Seattle, WA, pp. 1.1-1.10. [2]. S. Morimoto, M. Sanada, Y. Takeda, 1994. Effects and compensation of magnetic saturation in flux-weakening controlled permanent magnet synchronous motor drives. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 30, no. 6, pp. 1632-1637. [3]. M. M. I. Chy, M. N. Uddin, 2009. Development and implementation of a new adaptive intelligent speed controller for IPMSM drive. IEEE Trans. Ind. Appl., Hình 5. Đáp ứng mômen của động cơ với bộ điều khiển trượt mờ vol. 45, no. 3, pp. 1106-1115. [4]. M. Tursini, F. Parasiliti, D. Zhang, 2002. Real-time gain tuning of PI controllers for high-performance PMSM drives. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 38, no. 4, pp. 1018-1026. [5]. Karabacak M, Eskikurt H I., 2015. Speed and current regulation of a permanent magnet synchronous motor via nonlinear and adaptive backstepping control[J]. Mathematical & Computer Modelling, 53(9-10):2015-2030. [6]. H. L. Chan, K. T. Woo, 2015. Design and Control of Small Quadcopter System with Motor Closed Loop Speed Control. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, Vol.4, No. 4, pp. 287-292. DOI: 10.18178/ijmerr.4.4.287-292. Hình 6. Dòng iabc động cơ PMSM với bộ điều khiển trượt mờ [7]. H. H. Choi, N. T. Vu, J. Jung, 2011. Digital implementation of an adaptive Khi tốc độ đặt là 300 vòng/phút, mômen tải 30Nm speed regulator for a PMSM. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 1, tác động tại thời điểm 0,04 giây, kết quả mô phỏng như pp. 3-8. hình 4 - 6. [8]. R. Errouissi, A. Al-Durra, S. M. Muyeen, S. Leng, 2014. Continuous-time Khi đặt tốc độ 1000 vòng/phút, mômen tải có thành model predictive control of a permanent magnet synchronous motor drive with phần nhiễu ngẫu nhiên 10Nm, kết quả mô phỏng như thể disturbance decoupling. IET Electric Power Applications, vol. 11, no. 5, pp. 697- hiện ở hình 7. 706. [9]. L. Samaranayake, S. Longo, 2018. Degradation control for electric vehicle machines using nonlinear model predictive control. IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 26, no. 1, pp. 89-101. [10]. C. Dai, J. Yang, Z. Wang, S. Li, 2017. Universal active disturbance rejection control for non-linear systems with multiple disturbances via a high-order sliding mode observer. IET Control Theory & Applications, vol. 11, no. 8, pp. 1194- 1204, May. 2017 [11]. Y. Dote, S. Kinoshita, 1990. Brushless Servomotors - Fundamentals and Applications. Clarendon Press. [12]. T. J. E. Miller, 1989. Brushless Permanent Magnet and Reluctance Motor Hình 7. Đáp ứng tốc độ của động cơ khi tốc độ đặt là 1000 vòng/phút, có Drives. Clarendon Press. mômen tải [13]. P. Pillay, R. Krishnan, 1988. Modeling of permanent magnet motor Nhân xét: drives. IEEE Trans. Indus. Electr., vol. 35, no. 4, pp. 537-541. Từ các kết quả mô phỏng thấy rằng, bộ điều khiển trượt [14]. P. Pillay, R. Krishnan, 1989. Modeling, simulation, and analysis of mờ cho chất lượng điều khiển tốt hơn, giảm được hiện permanent-magnet motor drives, Part II: The brushless DC motor drive. IEEE Trans. tượng chatering. Tuy nhiên thời gian quá độ tăng lên, tính Ind. Applicat., vol. 25, no. 2, pp. 274-279. tác động nhanh giảm, chậm hơn so với bộ điều khiển trượt thường 0,003s, vẫn đảm bảo yêu cầu điều khiển. 5. KẾT LUẬN AUTHORS INFORMATION Bài báo đã trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển Nguyen Ba Thanh1, Nguyen Ngoc Tuan2, Nguyen Trong Ha1, Vu Van Chien1 trượt với các ràng buộc của luật mờ. Kết quả thu được cho 1 Air Defence - Air Force Academy, Viet Nam thấy bộ điều khiển được đề xuất cho kết quả điều khiển tốt 2 hơn, giảm hẳn hiện tượng nhiễu, chatering cho hệ thống Le Quy Don Technical University PMSM. 20 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 1 (02/2023) Website: https://jst-haui.vn