(LUẬN văn THẠC sĩ) thiết kế bộ điều khiển mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

Nguyễn Thị Thúy

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ FPGA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Bùi Thị Hải Linh

Thái Nguyên – Năm 2020
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Thúy
Sinh ngày: 16/7/1987
Học viên lớp cao học CH K21 - KTĐK & TĐH- Trường Đại học kỹ thuật
Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.

Hiện nay tôi đang công tác tại: Trường Cao đẳng Công nghệ và Nông lâm
Đông Bắc
Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động
cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA” do Cô giáo TS. Bùi Thị Hải Linh hướng
dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn
gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung
trong đề cương và yêu cầu của cơ giáo hướng dẫn. Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách
nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.
Thái Nguyên, ngày

tháng năm 2020

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thị Thuý

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

download by :




LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp
đỡ và hướng dẫn tận tình của Cơ giáo hướng dẫn TS. Bùi Thị Hải Linh, luận văn
với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng
dụng cơng nghệ FPGA” đã hồn thành.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:

Cơ giáo hướng dẫn TS. Bùi Thị Hải Linh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tơi hồn
thành luận văn này.
Cũng qua đây, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy
giáo trong khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên đã
giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hồn thành luận văn.
Tơi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo, các đồng
nghiệp trong Khoa Điện- Điện tử trường Cao đẳng Công nghệ và Nông lâm Đông
Bắc đã đóng góp những ý kiến q báu về chun mơn, quan tâm, tạo điều kiện thuận
lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian để tôi làm bài luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên,
khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập, thực hiện và hồn
thành luận văn.
Tuy nhiên, với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian, kinh nghiệm và năng lực
bản thân còn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn khơng tránh khỏi những sai sót.
Tơi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy, Cơ để luận văn
này được hồn thiện hơn.
TÁC GIẢ ḶN VĂN

Nguyễn Thị Thuý

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................7
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................13
1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................13
2. Tính cấp thiết của đề tài luận văn .........................................................................13
3. Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu ..................................................14
4. Mục tiêu của luận văn ...........................................................................................15
5. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận văn ..................................15
6. Bố cục của luận văn ..............................................................................................16
CHƯƠNG 1 ..............................................................................................................17
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU .....................................................17
1.1. Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều ........................................................17
1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều ......................................................................17
1.1.2. Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều ..................................19
1.1.3. Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều ........................................20
1.2. Đặc tính động cơ điện một chiều .......................................................................22
1.2.1. Phương trình đặc tính cơ .................................................................................22
1.2.2. Đường đặc tính cơ ...........................................................................................25
1.3. Xây dựng mơ hình tốn học cho động cơ một chiều. ........................................26
1.4. Kết luận chương 1 ..............................................................................................28
CHƯƠNG 2 ..............................................................................................................29

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU .......................................................................................................................29

2.1. Tổng quan về Logic Mờ .....................................................................................29
2.1.1. Quá trình phát triển của Logic Mờ ..................................................................29
2.1.2. Khái niệm về tập Mờ .......................................................................................29
2.2. Tìm hiểu về hệ thống điều khiển Mờ .................................................................32
2.2.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động .............................................................32
2.2.2. Cấu trúc của bộ điều khiển Mờ .......................................................................32
2.2.3. Bộ điều khiển mờ tĩnh .....................................................................................33
2.2.4. Bộ điều khiển mờ động ...................................................................................37
2.3. Hệ thống điều khiển Mờ lai và đề xuất cấu trúc điều khiển Mờ lai cho bài toán
ổn định tốc độ động cơ một chiều. ............................................................................39
2.3.1. FLC được mắc song song với PID kinh điển ..................................................40
2.3.2. FLC làm nhiệm vụ một khóa mờ ....................................................................40
2.3.3. Đề xuất cấu trúc điều khiển Mờ lai cho bài toán ổn định tốc độ động cơ một
chiều. .........................................................................................................................41
2.4. Kết luận chương 2 ..............................................................................................42
CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................42
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ
DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI TRÊN PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK .42
3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ sử dụng hai mạch vòng.............................42
3.1.1. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện ....................................................................43
3.1.2. Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ ..........................................................................46

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




3.2. Mô phỏng cấu trúc điều khiển Mờ lai ổn định tốc độ động cơ một chiều có kể

đến yếu tố nhiễu tác động..........................................................................................49
3.2.1. Thuật toán điều khiển Mờ lai cho mạch vịng tốc độ......................................50
3.2.2. Mơ phỏng thuật tốn điều khiển mờ lai cho mạch vòng tốc độ ......................54
3.3. Kết luận chương 3 ..............................................................................................59
CHƯƠNG 4 ..............................................................................................................60
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG CỦA FPGA TRONG
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU .................................................................60
4.1. Tổng quan về FPGA...........................................................................................60
4.1.1. Khái quát chung ..............................................................................................60
4.1.2. Cấu trúc của FPGA .........................................................................................61
4.2. Ngôn ngữ VHDL ................................................................................................64
4.2.1. Giới thiệu về VHDL ........................................................................................64
4.2.2. Cấu trúc một mơ hình hệ thống sử dụng VHDL .............................................65
4.2.3. Mơ hình kiểm tra hoạt động (Testbench) ........................................................69
4.2.4. Các đối tượng và các kiểu dữ liệu trong VHDL .............................................69
4.2.5. Giới thiệu Broad DE2 - 115 ............................................................................72
4.3. Ứng dụng công nghệ FPGA để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ..............83
4.4. Kết luận chương 4 ..............................................................................................85
CHƯƠNG 5 ..............................................................................................................86
HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ
DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA ...............86
5.1. Sơ đồ khối kết nối vật lý điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán
mờ lai trên FPGA ......................................................................................................86

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

download by :

5.1.1. Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm ......................................................................86
5.1.2. Lựa chọn thiết bị cho hệ thống thí nghiệm .....................................................88
5.2. Kết quả chạy thực nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật
toán mờ lai trên FPGA ..............................................................................................93
5.3. Kết luận chương 5 ..............................................................................................97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................99

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
Uư

là điện áp phần ứng động cơ (V)

Eư

là sức điện động phần ứng động cơ (V)

Ru

là điện trở cuộn dây phần ứng (Ω)

Rp

là điện trở phụ mạch phần ứng (Ω)

Iư

là dòng điện phần ứng động cơ. (A)

rư

Điện trở cuộn dây phần ứng (Ω)

rct

Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp

rcb

Điện trở cuộn bù (Ω)

rcp

Điện trở cuộn phụ (Ω)



là vận tốc góc của rơ to (rad/s)



là từ thơng chính đi qua cực từ

p

là số đơi cực từ chính

N

là số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a

là mạch nhánh song song của cuộn ứng

KE

là hệ số sức điện động, phụ thuộc vào kết cấu của động cơ

n0

là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều

n

là tốc độ của động cơ điện một chiều

M

Mô men điện từ

D

Dải điều chỉnh

Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt
BĐK

Bộ điều khiển

FLC

Bộ điều khiển Mờ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




PDL

Bộ điều khiển

F-PID

Bộ điều khiển Mờ lai

DUT

Mơ hình VHDL cần kiểm tra

Danh mục các chữ viết tắt tiếng anh
ASIC

Application Specific Integrated Circuit

ALU

Arithmetic Logic Unit

CPLD

Complex Programmable Logic Device

CPU

Central Processing Unit

EMF

Sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF)

CEMF

Sức phản điện động counter-EMF

CLB

Configurable Logic Blocks

DSP

Digital Signal Processing

FPGA

Field Programmable Gate Array

HDL

Hardware Description Language

IC
SoPC

Integrated Circuit
System-on-a-Programizable-Chip

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

download by :




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hoạt động của động cơ DC. ......................................................................21
Hình 1.2: Động cơ điện một chiều ............................................................................22
Hình 1. 3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập .........................26

Hình 1. 4: Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều .....................................................27
Hình 2.1: Hàm phụ thuộc A(x)của tập kinh điển A .................................................30
Hình 2. 2: Hàm liên thuộc B(x) của tập "mờ" B......................................................30
Hình 2. 3: Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ .....................................31
Hình 2. 4: Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ .......................................................32
Hình 2. 5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự động ............................................32
Hình 2. 6: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ ..............................................33
Hình 2. 7: Đặc tính vào - ra cho trước ......................................................................35
Hình 2. 8: a,b: Hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ vào, ra .................................36
Hình 2. 9: a,b: Hệ điều khiển mờ theo luật PI...........................................................38
Hình 2. 10: Hệ điều khiển mờ theo luật PD ..............................................................38
Hình 2. 11: Hệ điều khiển Mờ theo luật PID ............................................................39
Hình 2. 12: a) Nguyên lý điều khiển mờ lai; b) Vùng tác động của các bộ điều khiển
...................................................................................................................................40
Hình 2. 13: Vùng tác động của các bộ điều khiển ..................................................41
Hình 2. 14: Cấu trúc hệ mờ lai điều khiển tốc độ động cơ sử dụng Switch chuyển
mạch ..........................................................................................................................42
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều khiển tốc độ động cơ ..43
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng dòng điện ........................44
Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vịng dịng điện ........................45
Hình 3.4: Bộ điều chỉnh dịng điện kiểu PI với bộ lọc trước và bộ lọc phản hồi .....46
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay ....................48
và xử lý gần đúng của nó ..........................................................................................48

Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc mơ phỏng hệ mờ lai cho động cơ một chiều .....................49
trên Matlab Simulink.................................................................................................49
Hình 3.7: Các biến ngơn ngữ vào/ra cho bộ điều khiển mờ .....................................50
Hình 3.8: Hàm liên thuộc cho biến ngơn ngữ đầu vào ET........................................51
Hình 3.9: Hàm liên thuộc cho biến ngơn ngữ đầu vào DET .....................................51
Hình 3.10: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu ra Switch chuyển mạch giữa hai
bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ.......................................................................52
Hình 3.11: Hàm liên thuộc cho biến ngôn ngữ đầu ra Switch chuyển mạch giữa hai
bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ.......................................................................53
Hình 3.12: Thiết lập luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ......................................53
Hình 3.13: Mơ phỏng đáp ứng giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai trong
bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều khi khơng có nhiễu tác động.................55
Hình 3.14: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của
mạch vòng tốc độ (tốc độ đặt dạng hàm Step) ..........................................................55
Hình 3.15: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của
mạch vịng tốc độ (tốc độ đặt dạng xung vng) ......................................................56
Hình 3.16: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của
mạch vòng tốc độ khi thay đổi giá trị tốc độ đặt (tốc độ đặt dạng xung vng) ......56
Hình 3.17: Mơ phỏng đáp ứng giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai trong
bài toán ổn định tốc độ động cơ một chiều khi có nhiễu tác động ............................57
Hình 3.18: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của
mạch vòng tốc độ khi có nhiễu tác động lên trục động cơ ........................................58
(tốc độ đặt dạng hàm Step ).......................................................................................58

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :

Hình 3.19: So sánh đáp ứng giữa giữa bộ điều khiển PI và bộ điều khiển mờ lai của
mạch vòng tốc độ khi có nhiễu tác động lên trục động cơ ........................................58
(tốc độ đặt dạng xung vng)....................................................................................58
Hình 3.20: Minh họa nguyên lý hoạt động của Switch chuyển mạch trong .............59
bộ điều khiển mờ lai ..................................................................................................59
Hình 4. 1: Cấu trúc tổng quan của FPGA .................................................................62
Hình 4. 2: Khối logic lập trình được của FPGA ......................................................63
Hình 4. 3: Mạch bán tổng ..........................................................................................66
Hình 4. 4: Các bước thực hiện một project ...............................................................68
Hình 4.5: Board DE2-115 .........................................................................................73
Hình 4.6: Sơ đồ kết nối giữa push button và Cyclone IV .........................................73
Hình 4.7: Kết nối giữa các switch và Cyclone IV ....................................................74
Hình 4.8: Kết nối giữa LED và Cyclone IV..............................................................75
Hình 4.9: LED 7 đoạn nối với Cyclone IV ...............................................................75
Hình 4.10: Sơ đồ kết nối PS/2 trên board DE2-115 ..................................................76
Hình 4.11: Cáp mở rộng PS/2Y ................................................................................76
Hình 4. 12: Sơ đồ kết nối VGA trên board DE2-115................................................77
Hình 4.13: Sơ đồ kết nối SRAM trên board DE2-115 ..............................................77
Hình 4. 14: Sơ đồ kết nối SDRAM trên board5 DE2-11 ..........................................78
Hình 4.15: Sơ đồ kết nối FLASH trên board DE2-115.............................................78
Hình 4.16: Sơ đồ kết nối EEPROM trên board DE2-115 .........................................79
Hình 4.17: Sơ đồ kết nối SD card trên board DE2-115 ............................................79
Hình 4.18: Các bước thiết kế và hiện thực ứng dụng với Quartus II 11.0 ................81
Hình 4.19: Giao diện thiết kế của phần mềm Quartus II ..........................................82
Hình 4.20: Cấu trúc của IC điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ............................84
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :

Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm ................................................................86
Hình 5.2: Hệ thống thí nghệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ ĐK
Mờ lai ứng dụng cơng nghệ FPGA ...........................................................................86
Hình 5.3: Động cơ 1 chiều gắn Encoder ...................................................................88
Hình 5.4: Module L298N ..........................................................................................89
Hình 5.5: DE2-115 Board .........................................................................................90
Hình 5.6: Khối nguồn ................................................................................................91
Hình 5.7: Cấu trúc hệ thống bộ điều khiển Mờ lai nhúng trong FPGA Board .........91
Hình 5.8: Bảng gán chân thiết bị ...............................................................................92
Hình 5.9: Biên dịch thành cơng chương trình ...........................................................93
Hình 5.10: Kết quả thực nghiệm với tốc độ đặt thay đổi từ 1000v/p đến 1800v/p .93
Hình 5.11. Kết quả thực nghiệm với tốc độ đặt thay đổi từ 600v/p đến 1800v/p....94

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong nền công nghiệp hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là loại máy
quan trọng, mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện
xoay chiều thơng dụng.
Do động cơ một chiều có nhiều ưu điểm, khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt vì
vậy mà động cơ một chiều vẫn được lựa chọn sử dụng nhiều trong các ngành cơng

nghiệp có u cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận
tải, ... Hướng phát triển hiện nay là nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ. Vì vậy vai
trò của việc nghiên cứu điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ngày càng được khẳng
định và cần được phát triển.
Để nâng cao độ tin cậy, tính hiệu quả, sự ổn định của động cơ một chiều có rất
nhiều phương pháp. Sau khi tìm hiểu các kiến thức cơ bản và chuyên sâu về các hệ
thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều, tôi đã nhận thấy tầm quan trọng cũng như
ý nghĩa thực tiễn của hệ thống này cũng như khả năng phát triển trong tương lai. Do
đó đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: “Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai điều
khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng cơng nghệ FPGA”.
2. Tính cấp thiết của đề tài luận văn
Lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính
xác đã trở thành một phần khơng thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại. Phần lớn
các loại máy móc, thiết bị dân dụng hay trong cơng nghiệp sử dụng động cơ điện, từ
động cơ điện trong các máy công cụ, máy CNC, các cánh tay robot,… đến trong
những thiết bị gia dụng như máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy vi
tính. Những thiết bị như vậy yêu cầu độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ
và chu kì bảo dưỡng dài. Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng để đạt những
chỉ tiêu trên là điều khiển được tốc độ động cơ điện một cách ổn định, đáp ứng nhanh,
vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đổi trạng thái. Việc ứng dụng những thuật
toán kinh điển vào vấn đề điều khiển tốc độ động cơ đã đạt được nhiều kết quả khả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




quan. Ví dụ như sử dụng bộ điều khiển PI[1], PID [2][3] cho kết quả tốt ở một số đối

tượng động cơ. Chỉnh định tham số cho bộ điều khiển PID kinh điển [3][4] cũng có
nhiều phương pháp. Tuy nhiên, với các thuật toán, phương pháp kinh điển, ta phải
biết chính xác về đối tượng, hoặc mơ hình hóa tương đối chi tiết đối tượng. Một điểm
nữa là trong quá trình vận hành, nếu như đối tượng thay đổi thì hệ thống có thể mất
ổn định hoặc chất lượng điều khiển khơng cịn đáp ứng được u cầu. Do đó, autotuning là một trong những hướng đi khả quan của điều khiển tự động. Trong điều
khiển hiện đại, lý thuyết mờ cung cấp cho ta một hướng đi mới [5], xây dựng những
hệ điều khiển mờ thuần túy hoặc như hệ mờ lai [6][7][8] với mục đích nâng cao chất
lượng các bộ điều khiển kinh điển, cũng như điều khiển những đối tượng chưa biết
hoặc khó nhận dạng [14]. Trong khn khổ đề tài, em xin trình bày về thuật tốn PID,
mờ lai và cơng nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array). Xây dựng hệ thống
thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
Vì vậy, dưới sự định hướng của cô hướng dẫn, em xin lựa chọn đề tài “Thiết kế bộ
điều khiển Mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng công nghệ FPGA”
làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật.
3. Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Về phạm vi nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu Điều khiển tốc độ động cơ
điện một chiều sử dụng FPGA.
Đối tượng nghiên cứu là: Động cơ điện một chiều.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp nghiên cứu bằng cả lý
thuyết và thực nghiệm: Tìm hiểu về động cơ điện một chiều; các đặc tính, và các
phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều. Tìm hiểu về bộ điều khiển Mờ lai,
thiết kế bộ điều khiển Mờ lai phù hợp với đối tượng nghiên cứu.
Mô phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB-Simulink, đánh giá sơ bộ về
kết quả thu được đối với đối tượng động cơ một chiều: Các yêu cầu về chất lượng
điều khiển như tính ổn định, thời gian đáp ứng, sai lệch tĩnh, đáp ứng khi tải thay đổi
trong bài tốn điều chỉnh. Thiết kế, thi cơng hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :

động cơ một chiều ứng dụng bộ điều khiển Mờ lai sử dụng công nghệ FPGA. Xây
dựng giải thuật và viết chương trình điều khiển bằng ngơn ngữ VHDL trên nền phần
mềm QuartusII của hãng Altera. Cuối cùng đánh giá và kiểm chứng tính đúng của
nội dung luận văn đưa ra bằng kết quả thí nghiệm thu được.
4. Mục tiêu của luận văn
 Thiết kế bộ điều khiển Mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
 Mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển
Mờ lai trên phần mềm MATLAB-simulink để kiểm chứng tính đúng của bộ
điều khiển đã thiết kế.
 Xây dựng hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều ứng dụng
bộ điều khiển Mờ lai thiết kế ở trên sử dụng công nghệ FPGA.
5. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận văn
Luận văn đã có những đóng góp mới sau:
1.

Đã đề xuất được cấu trúc điều khiển mờ lai để điều khiển tốc độ động cơ một
chiều với hai mạch vịng phản hồi có kể đến yếu tố nhiễu ảnh hưởng đến hệ
thống. Trong đó bộ điều khiển mờ sử dụng với hai chức năng tạo tín hiệu Uđk
động cơ một chiều và thực hiện nhiệm vụ đóng mở Switch chuyển mạch cho
phép bộ điều khiển mờ hoặc bộ điều khiển PD trong cấu trúc Mờ lai hoạt động
luân phiên.

2.

Đã xây dựng được luật điều khiển mờ lai để điều khiển ổn định tốc độ động cơ
một chiều có kể đến yếu tố nhiễu tác động trên hệ thống.

3.

Đã tìm hiểu về thiết bị điều khiển FPGA, từ đó cho phép xây dựng chương trình
điều khiển mờ lai đã đề xuất trên card FPGA để điều khiển ổn định tốc độ động
cơ một chiều thơng qua mơ hình thực nghiệm.

Những đóng góp trên đây có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn và có thể áp
dụng cho một lớp các đối tượng công nghiệp trong thực tiễn sản xuất và được ứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




dụng trong một số lĩnh vực như: làm mơ hình học tập thí nghiệm trong các trường
học, tham gia vào các dây truyền sản xuất công nghiệp,...
6. Bố cục của luận văn
Luận văn gồm: Phần mở đầu, 5 chương chính, phần kết luận và tài liệu tham khảo.
Bố cục được trình bày như sau:
Phần mở đầu:
Chương 1: Tổng quan về động cơ một chiều
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Chương 3: Mô phỏng hệ thống dùng Matlab Simulink
Chương 4: Giới thiệu về công nghệ FPGA và ứng dụng của FPGA trong điều khiển
động cơ một chiều.
Chương 5: Hệ thống thí nghiệm điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng bộ điều
khiển mờ lai ứng dụng công nghệ FPGA.

Phần kết luận và hướng phát triển.
Tài liệu tham khảo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Cấu tạo, phân loại động cơ điện một chiều
1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần cảm (tĩnh) và
phần ứng (động). Ngồi ra cịn có bộ phận chổi than, cổ góp [10].
- Phần tĩnh hay stator hay cịn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra
từ trường nó gồm có:
+ Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động cơ được kích từ
bằng nam châm điện), mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây quấn
kích thích hay cịn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây
điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.
+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện
hay thép các bon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể
dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bu lơng. Dây quấn kích từ
được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ
thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích
từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau.
+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ

phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo
giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bu
lông.
+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ
máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy
điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ
máy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




- Phần quay hay rô to: Bao gồm những bộ phận chính sau.
+ Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ
(lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần
ứng.
Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất
định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các
phiến đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách
điện với trục gọi là cổ góp hay vành góp. Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng
than graphit và được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lị xo.
+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật
điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do
dịng điện xốy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt
dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta cịn dập những lỗ
thơng gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thơng gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa

những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thơng gió. Khi máy làm việc gió thổi
qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rơ to. Dùng giá rơ to có thể tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rô to.
+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động
và có dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách
điện. Trong máy điện nhỏ có cơng suất dưới vài Kw thường dùng dây có tiết diện
trịn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được
cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
+ Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng
lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục trịn. Hai đầu trục trịn
dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




bằng mica. Đi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây
quấn và các phiến góp được dễ dàng.
- Các bộ phận khác:
+ Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện.
+ Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi than
bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặt lên cổ góp. Hộp
chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể
quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì

dùng vít cố định lại.
1.1.2. Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
- Phân loại động cơ điện một chiều: Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng
như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ.
Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng [10]:
+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được
cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ.
+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song
song với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối
tiếp với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một
cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều:
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải..., cả
máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ
vận hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi
và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




cơng nghiệp giao thơng vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay
liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy
điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều
cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản

cổ góp phức tạp hơn. Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn
khơng thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
+ Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay
máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của
động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân
động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi
phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần....) rất đắt tiền thì động cơ điện một
chiều khơng những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch
điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
+ Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp chổi than nên vận hành kém tin cậy và khơng an tồn trong các mơi trường rung chấn,
dễ cháy nổ.
1.1.3. Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu,
hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một
chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có
nhiệm vụ là đổi chiều dịng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục.
Thơng thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với
cổ góp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

download by :




Hình 1.1: Hoạt động của động cơ DC.

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ
sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm

ứng Electromotive force (EMF). Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra
một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện động đối
kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngồi đặt vào động cơ. Sức điện động này
tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện
(như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một
ngẫu lực bên ngoài).
Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động,
và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng.
Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều
Khi có một dòng điện chạy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt non,
cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối
diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của
Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm
cho rô to quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dịng
điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn
dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó Rơ to sẽ quay theo quán tính.
1.2. Đặc tính của động cơ điện một chiều
Ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập [9] [14], cuộn kích từ được cấp điện
từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho Rô to (cuộn ứng). Đối với
loại động cơ này, từ thơng kích từ khơng phụ thuộc (độc lập) với tải.

Ikt
Iu

KTĐ

Rkt

E

Ikt

KTĐ

Iu

a)

E
b)

Hình 1.2: Động cơ điện một chiều
a) Kích từ độc lập

b) Kích từ song song

Nếu cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện một
chiều thì động cơ là loại kích từ song song. Trường hợp này mà nguồn điện có cơng
suất đủ lớn so với cơng suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như động cơ
kích từ độc lập.
1.2.1. Phương trình đặc tính cơ

Khi động cơ làm việc, rơ to mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của
cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược
với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phương trình cân bằng điện áp của mạch phần
ứng (rô to) như sau:
U = EƯ + IƯ . RƯ∑

(1.1)

Trong đó:
RƯ∑ = RƯ + RP - là điện trở toàn bộ mạch phần ứng động cơ (Ω);
U - là điện áp phần ứng động cơ (V);
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

download by :




EƯ - là sức điện động phần ứng động cơ (V);
RƯ - là điện trở cuộn dây phần ứng (Ω);
Rp - là điện trở phụ mạch phần ứng (Ω)
IƯ - là dòng điện phần ứng động cơ. (A);
RƯ = rư + rct + rcb + rcp
rư - Điện trở cuộn dây phần ứng (Ω);
rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp (Ω);
rcb - Điện trở cuộn bù (Ω);
cp - Điện trở cuộn phụ (Ω).
Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rô to:
EƯ = kE..n hoặc: EƯ = kM..ω
Trong đó:



2 .n
(rad/s) - là vận tốc góc của rơto
60

 - là từ thơng chính đi qua cực từ
kE = p.N/60a - là hệ số sức điện động, phụ thuộc vào kết cấu của động cơ
kM 

p.N
 9,55 k E
2 .a

Với: p - là số đơi cực từ chính
N - là số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng;
a - là mạch nhánh song song của cuộn ứng.
Phương trình (1.1) trở thành:
U = kE..n + IƯ .RƯ∑

n

U
I .R
 U U
kE .
kE .

(1.2)

Nếu các thông số của động cơ là định mức thì phương trình (1.2) trở thành:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :




n

U dm
I .R
 Udm U
k E . dm
k E . dm

Phương trình trên biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ động cơ n = f(I) với dòng
điện mạch phần ứng động cơ. Nó được gọi là phương trình đặc tính cơ - điện của
động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dịng điện, rơ to quay
dưới tác dụng của mô men điện từ:
M = kM ..IƯ
Suy ra: IU 

M
kM .

Thay vào phương trình (1.2) ta được:

n

RU
U

.M
k E . 9,55(k E . ) 2

(1.3)

Phương trình trên biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ động cơ n = f(M) với mô
men điện từ do động cơ sinh ra. Nó được gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều kích từ độc lập.
Nếu ta đặt:

n0 

U dm
là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều
kE .

n 

IUdm RU 
RU 

.M là độ sụt tốc độ khi tải định mức.
kE .dm 9,55(kE . )2

Khi đó phương trình (1.2) có thể viết dưới dạng:

nđm = n0 - ∆n
Ta đã biết, khi động cơ làm việc ở trạng thái định mức thì tổn hao công suất
trên dây quấn phần ứng chiếm 1/2 tổng tổn hao của động cơ. Nghĩa là:
I dm .RU 

U dm .I dm  Pdm
2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

download by :