(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển tốc độ động cơ bằng logic mờ

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thanh Sang


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi đến thầy PGS-TS. Nguyễn Minh Tâm lời cảm ơn
chân thành và sâu sắc nhất. Nhờ có sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy trong
suốt thời gian qua, em đã có thể thực hiện và hồn thành Luận Văn Tốt Nghiệp này.
Những lời nhận xét, góp ý và hướng dẫn tận tình của thầy đã giúp em có một định
hướng đúng đắn trong suốt q trình thực hiện đề tài tại trường đại học Sư Phạm Kỹ
Thuật thành phố Hồ Chí Minh, điều này giúp em nhìn ra được những ưu khuyết
điểm của đề tài và từng bước hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng quản lý khoa học – Đào
tạo sau đại học của Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP HCM đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho em học tập, nghiên cứu và thực hiện tốt đề tài trong thời gian
qua.
Cảm ơn các anh/chị học viên trong lớp cao học Kỹ thuật điện 2016B đã cùng

nhau đoàn kết, giúp đỡ trong suốt thời gian học tập tại Trường. Em xin cảm ơn gia
đình và người thân đã tin tưởng, giúp đỡ và động viên em trong quá trình làm Luận
Văn Tốt Nghiệp này.
Xin chân thành cảm.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 09 năm 2018.
Học viên

Nguyễn Thanh Sang

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 1


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

MỤC LỤC.
MỞ ĐẦU.

.................................................................................................................. 5

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN................................................................................................. 6
1.1.

Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu. .......................................................................... 6

1.2.

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài. .............................................................. 7

1.2.1.

Mục tiêu đề tài. ............................................................................................... 7

1.2.2.

Phạm vi nghiên cứu đề tài. ............................................................................ 7

1.2.3.

Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài. ......................................................................... 7

1.2.4.

Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................. 8

1.3.

Tính cấp thiết đề tài. ............................................................................................. 8

1.4.

Tính mới của đề tài. .............................................................................................. 8

1.5.

Cấu trúc đề tài. ...................................................................................................... 9

CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA. ... 10
2.1.

Mô tả chung về động cơ không đồng bộ............................................................ 10

2.2.1.

Giới thiệu. ..................................................................................................... 10

2.2.2.

Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ. ............................. 10

2.2.

Khảo sát Vector không gian trên động cơ không đồng bộ ba pha. ................ 11

2.2.1.

Hệ trục tọa độ (  ,  ). .................................................................................. 11

2.2.2.

Hệ trục tọa độ (d, q). .................................................................................... 12

2.3.

Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha. ...................... 14

2.3.1.

Các thơng số của động cơ. ........................................................................... 14

2.3.2.

Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha. ............... 15

2.4.

Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ. ....................................................... 17

2.4.1.

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. ................. 17

2.4.2.

Điều khiển Vector động cơ không đồng bộ................................................ 22

2.4.3.

Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi. ..................................... 24

2.4.4.

Điều khiển điện áp – tần số giữ từ thông không thay đổi......................... 26

CHƯƠNG 3.LÝ THUYẾT LOGIC MỜ VÀ ỨNG DỤNG. ........................................... 28
3.1.

Định nghĩa Logic mờ (Fuzzy logic). ................................................................... 28

3.2.

Các kiểu hàm liên thuộc của tập mờ. ................................................................ 29

3.2.1.

Tập mờ tam giác. ......................................................................................... 29

3.2.2.

Tập mờ hình thang. ..................................................................................... 30

3.2.3.

Tập mờ dạng L. ............................................................................................ 31

3.2.4.

Tập mờ Gamma tuyến tính (L trái). .......................................................... 31

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 2

Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

3.2.5.
3.3.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Hàm liên thuộc Singleton. ........................................................................... 32

Cấu trúc cơ bản của hệ mờ................................................................................. 32

3.3.1.

Khối mờ hóa ngõ vào (Fuzzification). ........................................................ 32

3.3.2.

Khối luật mờ (Rules).................................................................................... 33

3.3.3.

Khối giải mờ ngõ ra (De-fuzzification). ..................................................... 34

CHƯƠNG 4.LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN PID. ....................................................... 38
4.1.

Định nghĩa điều khiển PID. ................................................................................ 38

4.2.

Thuật toán PID số. .............................................................................................. 38

4.3.

Tht tốn PID rời rạc hóa. ............................................................................... 39

4.4.

Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID. ..................................................... 39

4.4.1.

Phương pháp thứ nhất................................................................................. 39

4.4.2.

Phương pháp thứ 2. ..................................................................................... 40

CHƯƠNG 5.THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG
LOGIC MỜ TRÊN PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK. ........................................... 42
5.1.

Mơ hình điều khiển tốc độ động cơ băng tải bằng Logic mờ. ......................... 42

5.1.1.

Cơ sở lý thuyết.............................................................................................. 42

5.1.2.

Giải thuật điều khiển. .................................................................................. 43

5.1.3.

Chương trình điều khiển. ............................................................................ 44

5.1.4.

Kết quả mơ phỏng. ....................................................................................... 52

5.1.5.

Kết luận. ........................................................................................................ 52

5.2.

Mơ hình điều khiển tốc động động cơ quạt thơng gió trang trại chăn ni gà.
............................................................................................................................... 54

5.2.1.

Cơ sở lý thuyết.............................................................................................. 54

5.2.2.

Giải thuật điều khiển. .................................................................................. 55

5.2.3.

Chương trình điều khiển. ............................................................................ 56

5.2.4.

Kết quả mơ phỏng. ....................................................................................... 57

5.2.5.

Kết luận. ........................................................................................................ 58

5.3. Mơ hình điều khiển tốc độ động cơ bơm nước sử dụng pin quang điện bằng
Logic mờ. ........................................................................................................................ 59
5.3.1.

Cơ sở lý thuyết.............................................................................................. 59

5.3.2.

Giải thuật điều khiển. .................................................................................. 65

5.3.3.

Chương trình điều khiển. ............................................................................ 68

5.3.4.

Kết quả mơ phỏng. ....................................................................................... 71

5.3.5.

Kết luận. ........................................................................................................ 73

CHƯƠNG 6.KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ..................................... 74

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 3


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

6.1.

Kết luận. ............................................................................................................... 74

6.2.

Ưu điểm và khuyết điểm của đề tài. .................................................................. 74

6.2.1.

Ưu điểm......................................................................................................... 74

6.2.2.

Khuyết điểm. ................................................................................................ 75

6.3.

Định hướng phát triển. ....................................................................................... 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO. ................................................................................................ 76

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 4


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

MỞ ĐẦU.
Trong cuộc sống, con người truyền thông tin cho nhau chủ yếu bằng ngôn
ngữ tự nhiên. Mặc dù ngôn ngữ tự nhiên thường đa nghĩa, khơng chính xác và
khơng đầy đủ, nhưng nó vẫn là phương tiện truyền thông tin mạnh mẽ và thông
dụng nhất giữa con người với nhau. Vượt qua tất cả các hạn chế đó của ngơn ngữ tự
nhiên (thiếu chính xác, không rõ ràng - Vaguenees), con người thường hiểu đúng và
ít khi hiểu sai những điều mà người khác muốn nói với mình. Đây là điều mà máy
móc nói chung và máy tính nói riêng khơng thể thực hiện được một cách hồn hảo.
Tham vọng của các nhà tốn học, Logic học và công nghệ thông tin là muốn xây
dựng cho máy móc khả năng suy diễn và xử lý thơng tin, tức là có khả năng hoạt
động như bộ óc của con người để chúng có thể nhận những mệnh lệnh của con

người thông qua ngôn ngữ tự nhiên và thực thi những nhiệm vụ đó. Như vậy, vấn
đề đặt ra ở đây là làm thế nào để máy tính có thể hiểu và xử lý được những tri thức
diễn đạt bằng ngôn ngữ tự nhiên. Để đạt được điều này, trước hết người ta cần phải
xây dựng một lý thuyết Logic tốn cho phép mơ tả chính xác ý nghĩa của các mệnh
đề không rõ ràng, đa nghĩa.
GS. Lotfi Zadeh tại Đại học California, Berkeley là người sáng lập ra lý
thuyết tập mờ với hàng loạt bài báo mở đường cho sự phát triển và ứng dụng của lý
thuyết này, khởi đầu là bài báo “Fuzzy Sets” trên Tạp chí Information and Control,
8, 1965. Ý tưởng nổi bật của khái niệm tập mờ của Zadeh là từ những khái niệm
trừu tượng về ngữ nghĩa của thông tin mờ, không chắc chắn như trẻ, nhanh, cao thấp, xinh đẹp.., ơng đã tìm ra cách biểu diễn nó bằng một khái niệm toán học, được
gọi là tập mờ, như là một sự khái quát trực tiếp của khái niệm tập hợp kinh điển.
Logic mờ được ứng dụng rất rộng rãi trong các máy móc cơng nghiệp và sinh
hoạt như máy ảnh, máy quay video, máy giặt, lị vi sóng, … để điều khiển quy trình
cơng nghiệp, dụng cụ y tế, các hệ thống hỗ trợ quyết định và lựa chọn danh mục đầu
tư. Vì vậy, trong đề tài nghiên cứu “điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic mờ ” này
nhằm nghiên cứu phương thức điều khiển Logic mờ để điều khiển tốc độ động cơ
không đồng bộ 3 pha và mô phỏng trên Matlab – Simulink.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 5


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

CHƯƠNG 1.
1.1.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

TỔNG QUAN.

Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu.
Kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng trong những mạch điều khiển, đo lường,

khống chế, bảo vệ … hệ thống điện công nghiệp gọi là điện tử công nghiệp vào
khoảng những năm 70 – 80 của thế kỷ XX. Các kỹ thuật đã không ngừng thay đổi
và phát triển cho đến những năm 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng
khá rộng rãi và thành cơng trong việc thay thế các khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt
cung cấp nguồn cho những phụ tải, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công
nghiệp … Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, khả năng
về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng được cải tiến dần. Và các
thiết bị biến đổi công suất đã giúp nâng cao hiệu quả quá trình biến đổi năng lượng
điện đồng thời ln được cải tiến và hồn thiện để đáp ứng yêu cầu về chất lượng
điện năng. Ngoài các ứng dụng truyền thống như điều khiển động cơ điện, các bộ
nguồn công suất, phạm vi ứng dụng của bộ biến đổi công suất ngày càng được mở
rộng như trong lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp, lưu trữ năng lượng và còn được
ứng dụng trong truyền tải điện.
Để khắc phục các vấn đề sự hiệu chỉnh hệ số cơng suất, méo dạng sóng hài
… thì đã có nhiều giải pháp được để ra bao gồm: các bộ lọc thụ động, tích cực, các
bộ tụ bù … nhằm cải thiện chất lượng điện năng. Các nghiên cứu bộ biến đổi trước
đây cho thấy bên cạnh các chức năng cơ bản của sự chuyển đổi cơng suất thì có một
số nhược điểm như hệ số công suất thấp, năng lượng chỉ chảy theo một chiều và có
nhiều sóng hài bậc cao. Do đó các bộ biến đổi DC/AC PWM (Pulse Width
Modulation) có thể khắc phục được các nhược điểm trên để bắt kịp với các yêu cầu
đặt ra trong tình hình mới, nó có nhiều phương pháp điều khiển. Các phương pháp
điều khiển cũ và mới bao gồm một sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc của lược đồ điều
khiển của các bộ biến đổi. Ở các bộ biến đổi năng lượng điện này các van chuyển

mạch nguồn được điều khiển như các Transistor lưỡng cực có cực cửa cách ly
(IGBT), các Thyristor tắt mở bằng cực cửa (GTO), hoặc các Thyristor điều khiển có
cực cửa kết hợp (IGCT) được chứa trong 2 mạch công suất của bộ chỉnh lưu và

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 6


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

nghịch để tích cực thay đổi dạng sóng của dịng điện ngõ vào, làm giảm độ méo,
giảm sóng hài và do đó chúng cải thiện được hệ số công suất.
Động cơ không đồng bộ 3 pha Rotor lồng sóc đang được sử dụng rộng rãi
bởi có nhiều ưu điểm như cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ, vận hành tin
cậy và an toàn. Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển và các ngành liên quan
làm cho động cơ không đồng bộ 3 pha đang chiếm ưu thế trong các ngành truyền
động nên đề tài luận văn tốt nghiệp “ Điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic mờ ”
được chọn để áp dụng các thuật tốn điều khiển thơng minh vào hệ thống để nâng
cao độ chính xác và tin cậy cao. Matlab - Simulink cũng đã được ứng dụng để
nghiên cứu và mô phỏng hệ thống.
Một số hệ thống được áp dụng kỹ thuật trí tuệ nhân tạo vào hệ thống truyền
động như

1.2.

-

Mạng Nơ-ron nhân tạo.

-

Hệ Logic mờ.

-

Mạng Nơ-ron – Mờ.

-

Giải thuật di truyền GA.

-

Giải thuật bầy đàn PSO.
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài.

1.2.1.

Mục tiêu đề tài.

Tìm hiểu vào ứng dụng lý thuyết điều khiển Logic mờ vào hệ thống truyền
động, cụ thể là điều khiển tốc độ động cơ. Khảo sát đáp ứng của điều khiển Logic
mờ với một số mơ hình có sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha.
1.2.2.

Phạm vi nghiên cứu đề tài.

Đề tài tập trung nghiên cứu “Điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic mờ”.
1.2.3.

Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài.

Tìm hiểu các phương pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển động cơ
không đồng bộ ba pha.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 7


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Tìm hiểu, ứng dụng lý thuyết Logic mờ trong điều khiển động cơ không
đồng bộ ba pha.
Mô phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha trên
phần mềm Matlab - Simulink.
1.2.4.
-

Phương pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu lý thuyết Logic mờ và các phương pháp điều khiển hiện

đại.

-

Nghiên cứu mơ hình tốn học của động cơ khơng đồng bộ ba pha.

-

Xây dựng mơ hình mô phỏng hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ
khơng đồng bộ đùng bộ điều khiển Logic mờ.

-

Phân tích các kết quả nhận được và so sánh với bộ điều khiển PI truyền
thống.

-

Đánh giá, kết luận. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
Tính cấp thiết đề tài.

1.3.
-

Có thể được ứng dụng trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha
với đáp ứng nhanh hơn.

-

Dùng làm tài liê ̣u tham khảo cho các đề tài nghiên cứu khác về động

cơ.

1.4.

Làm tài liệu tham khảo cho thiết kế, vận hành máy điện.
Tính mới của đề tài.

Sử dụng luật mờ mới đơn giản hơn, dễ điều chỉnh và đáp ứng tốt hơn. Xây
dựng mơ hình điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha cho hệ thống băng
tải, hệ thống điều hịa khơng khí và độ ẩm cho trang trại chăn nuôi gà và hệ thống
bơm nước sử dụng pin quang điện điều khiển bởi giải thuật Logic mờ trên phần
mềm Matlab Simulink.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 8


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

1.5.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Cấu trúc đề tài.

MỞ ĐẦU.
Chương 1: Tổng quan.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 3: Lý thuyết Logic mờ và ứng dụng.
Chương 4: Lý thuyết về điều khiển PID
Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic mờ trên
phần mềm Matlab Simulink.
Chương 6: Kết luận và định hướng phát triển.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 9


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

CHƯƠNG 2.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
BA PHA.

2.1.

Mơ tả chung về động cơ không đồng bộ.

2.2.1.

Giới thiệu.

Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn Stator được cung cấp nguồn
điện từ lưới điện, nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động và dòng
điện bên trong dây quấn Rotor. Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha
sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ ωs (rad/s). Rotor máy điện khơng đồng
bộ thì có 2 loại như sau:
-

Rotor dây quấn: Với các dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong
các rãnh Rotor.

-

Rotor lồng sóc: Với các thanh dẫn nhơm hoặc đồng được đặt trong rãnh
Rotor và được ghép ngắn mạch hai đầu thanh dẫn qua vòng ngắn mạch ở hai
đầu Rotor.
Do kết cấu đơn giản và chắc chắn nên động cơ khơng đồng bộ Rotor lồng sóc

được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp và trong sinh hoạt.
Mặc khác chúng cịn rất dễ chế tạo, khơng cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ
nên đã chiếm được ưu thế trên thị trường.
Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế
các q trình q độ khó khăn; riêng với động cơ khơng đồng bộ Rotor lồng sóc thì
các chỉ tiêu khởi động xấu hơn.
2.2.2.

Mạch điện tương đương của động cơ khơng đồng bộ.
Rs

Ls
1

E

2

Is

Vs

Lr
1

2

1

Im

Lm

E

Rr

2

Mach stator

Mach rotor

Hình 2.1: Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 10


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Từ sơ đồ tương đương 1 pha của động cơ không đồng bộ ba pha ta được phương
trình điện áp trên Stator của động cơ khơng đồng bộ ba pha là:

Vs  E  I * ( Rs  js Ls )
Với:

(2.1)

 s : Tốc độ góc của Stator khi được cấp điện lưới.

Vs : Điện áp pha vào động cơ.
Lm : Hỗ cảm.
E : Sức điện động trên dây quấn Stator.
2.2.

Khảo sát Vector không gian trên động cơ không đồng bộ ba pha.

2.2.1.

Hệ trục tọa độ (  ,  ).

Đặt hệ trục toạ độ ảo (  ,  ) lên mặt cắt ngang của động cơ. Với trục thực α
trùng với trục của Vector điện áp pha a của động cơ, trục ảo β đặt vng góc với
trục α theo hướng dương 90o trong khơng gian. Ta có hệ tọa độ cố định Stator (  ,  )
như hình 2.2 [1].
Từ hệ trục toạ độ (α, β) ta có được Vector điện áp:

u sa  u s

1
3

u s
u sb   u s 
2
2


1
3
u s
u sc  u sa  u sb   u s 
2
2


(2.2)

u s  u sa

1
1



u sb  u sc 
u

u

2
u

s

sa
sb

3
3


(2.3)

Suy ra:

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 11


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Hình 2.2: Hệ tọa độ (  ,  ).
2.2.2.

Hệ trục tọa độ (d, q).

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (  ,  ) ta thêm một hệ trục tọa độ d, q có gốc
toạ độ trùng với hệ trục toạ độ (  ,  ) và lệch một góc  s . Khi đó Vector khơng gian
có thể biểu diễn trên hai hệ tọa độ này.

Hình 2.3: Mối liên hệ giữa hai hệ tọa độ (  ,  ) và (d,q).

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 12

Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Trong đó
a 

d s
dt

 s  a t  a0

Quan hệ giữa hệ trục toạ độ (α, β) và hệ trục toạ độ (d, q): [1]

Và


u s  u sd cos s  u sq sin  s


u s  u sd sin  s  u sq cos s

(2.5)


u 
 s  u s  ju s
 dq

 u s  u sd  ju sq

(2.6)

Ta có được phương trình điện áp Stator trên hệ trục (d, q)

u sd  u s cos s  u s sin  s


u sq  u s sin  s  u s cos s

(2.7)

Khi xét hệ tọa độ (d,q), ta cho trục d trùng với trục từ thơng Rotor và quay
với tốc độ góc bằng với tốc độ góc của Vector từ thơng Rotor.
Trong hệ tọa độ từ thơng Rotor, các Vector dịng Stator và các Vector từ
thông Rotor quay cùng với hệ tọa độ (d,q), do đó các phần tử của Vector dịng
Rotor là các đại lượng một chiều, trong chế độ xác lập các giá trị này gần như
khơng đổi; cịn trong q trình q độ, các đại lượng này biến thiên theo một thuật
toán đã định trước.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 13


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Hình 2.4 Biểu diễn Vector khơng gian trên hệ tọa độ (d,q).
Thành phần từ thông Rotor trên trục q ( rq ) bằng 0 do vuông góc với từ
thơng Rotor trùng với trục d, nên từ thơng Rotor chỉ cịn thành phần theo trục d và
là đại lượng một chiều.
2.3.

Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ba pha.

2.3.1.

Các thông số của động cơ.

Ls  Lm  Ls

: Điện cảm Stator.

(2.8)

Lr  Lm  Lr

: Điện cảm Rotor.

(2.9)

Ts 

Ls
Rs

: Hằng số thời gian Stator.

(2.10)

Tr 

Lr
Rr

: Hằng số thời gian Rotor.

(2.11)

: Hệ số từ tản tổng.

(2.12)

MSHV: 1680616

Trang 14

  1

L2m
Ls Lr

Trong đó :

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

Lm 

Xm
2f s

Lr 

Ls 

2.3.2.

X r
2f s

X s
2f s

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

: Hỗ cảm

(2.13)

: Điện cảm tiêu tán phía Rotor.

(2.14)

: Điện cảm tiêu tán phía Stator.

(2.15)

Rs :

: Điện trở Stator.

Rr :

: Điện trở Rotor.

Các phương trình cơ bản của động cơ khơng đồng bộ ba pha.

Phương trình điện áp trên ba cuộn dây phía Stator [8]:

u sa (t )  Rs i sa (t ) 

d sa (t )
dt

(2.16)

u sb (t )  Rs i sb (t ) 

d sb (t )
dt

(2.17)

u sc (t )  Rs isc (t ) 

d sc (t )
dt

(2.18)

Dạng Vector điện áp:
0
0

2
u ss (t )  (u sa (t )  u sb (t )e j120  u sc (t )e j 240 )
3

(2.19)

Thay các phương trình điện áp ta được:

s
d ss (t )
s
u s (t )  Rs is (t ) 
dt

(2.20)

Phương trình dịng điện Stator và từ thơng Stator [8]:

0

0
2
is s (t )  (isa (t )  i sb (t )e j120  isc (t )e j 240 )
3

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

(2.21)

Trang 15


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ



2
3

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

 ss (t )  ( sa (t )   sb (t )e j120   sc (t )e j 240 )
0

0

(2.22)

Hình 2.5: Sơ đồ tương đương mạch điện khơng đồng bộ.
Phương trình điện áp của mạch Stator khi quan sát trên hệ quy chiếu Rotor
[8]:


r
d rr (t )
r
u s (t )  0  Rr ir (t ) 
dt

(2.23)

Các Vector từ thông Stator và Rotor:












 s  L s i s  Lm ir

(2.24)

 r  Lm i s  Lr i r

(2.25)

Phương trình Moment:
M

3  
3  
p s  is   p r  ir 
2
2

(2.26)

Phương trình chuyển động:
M  Mc  j

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

d
dt

(2.27)

MSHV: 1680616

Trang 16

Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

2.4.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ.

2.4.1.

Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ.

Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ:
R2'
s
M
2
'


R2 
2
1  R1    X nm

s 


3U12

Ta có thể dựa vào đó để điểu khiển Moment bằng cách thay đổi các thông số

như điện áp cung cấp, điện trở phụ, tốc độ trượt và tần số nguồn.
Tới nay đã có các phương pháp điều khiển chủ yếu sau:
Tổn thất

Stator

Điều

chỉnh

Kinh tế

điện

áp

Stator

Điều chỉnh tần số
nguồn cấp Stator

Điều chỉnh cơng suất trượt

Rotor

Điều chỉnh bằng
phương pháp xung
điện trở Rotor

Hình 2.6. Các phương pháp điều khiển.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 17


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

2.4.1.1.

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Điều khiển điện áp Stator.

Do Moment động cơ khơng đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp Stator, do
đó có thể điều chỉnh được Moment và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh
điện áp Stator trong khi giữ nguyên tần số. Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ
sử dụng một bộ biến đổi điện năng (biến áp, Thyristor) để điều chỉnh điện áp đặt
vào các cuộn Stator. Phương pháp này kinh tế nhưng họ đặc tính cơ thu được khơng
tốt, thích hợp với phụ tải máy bơm, quạt gió.
2.4.1.2.

Điều khiển điện trở Rotor.

Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió, bơm nước: bằng việc
điểu khiển tiếp điểm hoặc Thyristor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ của Rotor
ta điều khiển được tốc độ động cơ, phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn,
giá thành rẻ. Nhược điểm: đặc tính điều chỉnh khơng tốt, hiệu suất thấp, vùng điều

chỉnh không rộng.
2.4.1.3.

Điều khiển công suất trượt.

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách
làm mềm đặc tính và để ngun tốc độ khơng tải lý tưởng thì cơng suất trượt
ΔPs=sPdt được tiêu tán trên điện trở mạch Rotor, ở các hệ thống truyền động điện
công suất lớn, tổn hao này là đáng kể, vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền
động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt
(sơ đồ nối tầng/nối cấp).
P1 =Pcơ +Ps =P1(1-s)+sP1 =const.
Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng.
-

Khi điều chỉnh với ω<ω1: được gọi là điều chỉnh nối cấp dưới đồng bộ (lấy
năng lượng Ps ra phát lên lưới).

-

Khi điều chỉnh với ω>ω1 (s<0): điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ
(nhận năng lượng Ps vào) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ
hoặc truyền động động cơ hai nguồn cung cấp.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 18

Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

-

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Nếu tái sử dụng năng lượng Ps để tạo Pcơ : được gọi là truyền động nối cấp
cơ. Phương pháp này khơng có ý nghĩa nhiều vì khi ω giảm cịn 1/3.ω1 thì Ps
=2/3.P1 tức là công suất một chiều dùng để tận dụng Ps phải gần bằng động
cơ chính (xoay chiều), nếu khơng thì lại không nên điều chỉnh sâu ω xuống.
Trong thực tế không sử dụng phương pháp này.
2.4.1.4.

Điều khiển tần số nguồn cấp Stator.

Nguyên lý chung của điều khiển tần số:
Xuất phát từ công thức: 1 

2 f
;   1 (1  s )
p

Trong đó: ω1 tốc độ đồng bộ
f tần số nguồn
p số đơi cực
s hệ số trượt

Hình 2.7: Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số.
Với một động cơ khi đã chế tạo thì số đơi cực (p) cố định do đó khi thay đổi

tần số f thì dẫn đến tốc độ thay đổi và sẽ dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi.
Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện
áp, dịng điện hoặc từ thơng trong mạch Stator do trở kháng, từ thơng, dịng
điện…của động cơ bị thay đổi.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 19


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Khi điều chỉnh tần số, giả sử điện áp là điện áp định mức (Uđm ): [9]

+

Nếu giảm tần số f < fđm (trong khi giữ U=Uđm) thì từ thơng ψ tăng lên, dẫn
đến dịng từ hóa tăng lên, lúc này lõi thép bị bão hồ làm cho máy nóng làm
việc sẽ kém đi, dẫn đến hiệu suất thấp, nóng mạch từ. Vì vậy, để đảm bảo
một chỉ tiêu mà không làm động cơ bị quá dòng, cần phải điều chỉnh cả
điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy
luật nhất định.

+ Nếu tăng tần số vì điện áp U1=Uđm (điện áp định mức là lớn nhất). Lúc này
từ thông ψ động cơ sẽ giảm xuống làm cho Moment động cơ giảm, dẫn đến
tốc độ động cơ giảm rất nhiều. Trường hợp Moment động cơ yếu có thể làm

cho động cơ không quay được.
Khi tần số tăng (f > fdm)thì Moment tới hạn giảm. [9]
M th 

1
f12

Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ là phương pháp điều chỉnh kinh tế,

-

tuy vậy nó địi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp. Điều này xuất phát từ bản chất
và nguyên lý làm việc của động cơ là phần cảm và phần ứng khơng tách biệt.
Có hai hướng tiếp cận là:
+

Hướng thứ nhất coi Stator là phần cảm tạo ra từ thơng ψs, cịn Moment là
do tác động của từ thơng ψs và dịng điện ir.

+

Hướng thứ hai coi Rotor là phần cảm tạo ra từ thông ψr còn Moment là do
tác động của ψr và dòng điện Stator is.
Lịch sử điều khiển tần số động cơ không đồng bộ xuất phát từ thông số ψs,

thông qua các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dịng điện Stator, ngày nay
gọi là điểu khiển vơ hướng.
-

Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi: [9]

Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị q dịng

thì cần phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 20


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

cho khả năng quá tải về Moment là không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc độ. Luật
điều chỉnh là us  f s1 x /2 với x phụ thuộc tải. Khi x=0 (Mc=const, ví dụ cơ cấu nâng
hàng) thì luật điều chỉnh là us/fs = const.
-

Luật điều chỉnh tần số - điện áp giữ từ thông không đổi: [9]
Ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số, sức điện động Stator động cơ được

điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thơng khe hở khơng đổi. Động cơ có
khả năng sinh Moment như nhau ở mọi tần số định mức. Có thể điều chỉnh tốc độ ở
hai vùng:
-

Vùng dưới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số
sức điện động khe hở/tần số là hằng số.

-

Vùng trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ khơng đổi, điện áp được duy
trì khơng đổi, từ thơng động cơ giảm theo tốc độ.

-

Điều chỉnh từ thông:
Trong chế độ định mức, từ thông là định mức và mạch từ có cơng suất tối đa.

Luật điều chỉnh tần số - điện áp là luật giữ gần đúng từ thông khơng đổi trên tồn
dải điều chỉnh. Tuy nhiên từ thơng động cơ, trên mỗi đặc tính, cịn phụ thuộc vào rất
nhiều vào độ trượt s, tức là phụ thuộc Moment tải trên trục động cơ. Vì thế trong
các hệ điều chỉnh yêu cầu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thơng.
Do đó I s 

r
Lm

1  T1r  nên nếu muốn giữ từ thơng ψr khơng đổi thì dịng
2

điện phải được điều chỉnh theo tốc độ trượt. Phương pháp này có nhược điểm là
mỗi động cơ phải cài đặt một cảm biến đo từ thơng điều này khơng thích hợp cho
việc sản xuất đại trà và cơ cấu đo gắn trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiễu.
Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ
thơng Rotor mà không cần cảm biến tốc độ.
-

Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện.
Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tần nguồn dịng. Biến tần nguồn

dịng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn
thực hiện hãm tái sinh động cơ. Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 21


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

nguồn điện điều khiển. Để tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều
khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dịng điện có cấu trúc tỷ lệ tích phân (PI), mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn.

2.4.2.

Điều khiển Vector động cơ không đồng bộ.

Một số hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh động cao thì các phương
pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng được. Hệ thống điều khiển định hướng theo
từ trường cịn gọi là điều khiển Vector, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong
chế độ tĩnh và động. Nguyên lý điều khiển Vector dựa trên ý tưởng điều khiển
Vector động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều. Phương
pháp này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ

cũng như chất lượng điều khiển tối ưu Moment. Việc điều khiển Vector dựa trên
định hướng Vector từ thông Rotor có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành
phần dịng Stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và Moment động cơ.
Kênh điều khiển từ thơng thường gồm một mạch vịng điều chỉnh dịng điện sinh từ
thơng. Do đó hệ thống truyền động điện động cơ khơng đồng bộ có thể tạo được các
đặc tính tĩnh và động cao, có thể so sánh được với động cơ một chiều.
-

Nguyên lý điều khiển Vector:
Dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển

động cơ một chiều. Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dịng điện kích từ
và dòng phần ứng để đạt được Moment tối ưu theo cơng thức tính Moment:
M  K I  K I kt I

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 22


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Hình 2.8: Sự tương quan giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển Vector.
Tương tự ở điều khiển động cơ không đồng bộ, nếu ta sử dụng công thức:
M=KmψrIqs =KmIdsIqs (khi chọn trục d trùng với chiều Vector từ thơng Rotor)
Thì có thể điều khiển Moment bằng cách điều chỉnh tốc độ độc lập các thành

phần dịng điện trên hai trục vng góc của hệ toạ độ quay đồng bộ với Vector từ
thông Rotor. Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như dòng
điều khiển động cơ điện một chiều. Ở đây thành phần dịng điện ids đóng vai trị
tương tự như dịng điện kích từ động cơ một chiều (ikt) và thành phần dòng iqs tương
tự như dòng phần ứng động cơ một chiều (iu). Các thành phần có thể tính được nhờ
sử dụng khái niệm Vector khơng gian. Với ý tưởng định nghĩa Vector khơng gian
dịng điện của động cơ được mô tả ở hệ toạ độ quay với tốc độ ωs, các đại lượng
dòng điện điện áp, từ thông sẽ là các đại lượng một chiều. [9]

Hình 2.9: Điều khiển độc lập hai thành phần dịng điện: Moment và kích từ

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 23


Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

-

GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Điều khiển trực tiếp Moment:
Ra đời vào những năm cuối thập kỷ 90 của thế kỉ XX, thực hiện được đáp

ứng nhanh. Vì ψr có qn tính cơ nên khơng biến đổi nhanh được, do đó ta chú
trọng thay đổi ψs không thay đổi ψr . Phương pháp này khơng điều khiển theo q
trình mà theo điểm làm việc. Nó khắc phục nhược điểm của điều khiển định hướng

trường Vector Rotor ψr cấu trúc phức tạp, đắt tiền, độ tin cậy thấp (hiện nay đã có vi
mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điện qua cảm biến gây chậm trễ,
đáp ứng Moment của hệ điều khiển Vector chậm (khoảng 10ms) và ảnh hưởng của
bão hoà mạch từ tới Rs lớn.

2.4.3.

Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi.

Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi hay điều chỉnh điện áp - tần
số với từ thông là hàm của Moment tải thuộc phương pháp điều chỉnh vô hướng.
Phương pháp này sử dụng bộ biến tần - động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc. Ta
giả thiết điện áp và dịng điện đầu ra của bộ biến tần là hình sin, có biên độ và tần số
có thể thay đổi được thì nhìn vào sơ đồ thay thế và các biểu thức tính tốn Moment,
dịng điện…ta thấy khi điều chỉnh tần số thì trở kháng của động cơ thay đổi, do đó
khi điều chỉnh tần số thì ta phải điều chỉnh cả điện áp để đảm bảo động cơ không bị
quá dòng và đảm bảo khả năng sinh Moment theo yêu cầu đặc tính tải.
Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi hay điều chỉnh điện áp - tần
số với từ thông là hàm của Moment tải thuộc phương pháp điều chỉnh vô hướng.
Phương pháp này sử dụng bộ biến tần - động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc. Ta
giả thiết điện áp và dịng điện đầu ra của bộ biến tần là hình sin, có biên độ và tần số
có thể thay đổi được thì nhìn vào sơ đồ thay thế và các biểu thức tính tốn Moment,
dịng điện…ta thấy khi điều chỉnh tần số thì trở kháng của động cơ thay đổi, do đó
khi điều chỉnh tần số thì ta phải điều chỉnh cả điện áp để đảm bảo động cơ khơng bị
q dịng và đảm bảo khả năng sinh Moment theo yêu cầu đặc tính tải.

HVTH: Nguyễn Thanh Sang

MSHV: 1680616

Trang 24