điều khiển trượt dùng mạng nơron nhân tạo ước lượng từ thông động cơ không đồng bộ ba pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÂM MINH DŨNG

ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT DÙNG MẠNG NƠRON
NHÂN TẠO ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S KC 0 0 3 9 8 9

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÂM MINH DŨNG

ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT DÙNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO
ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ NGÀNH: 60 52 70
Hướng dẫn khoa học: PGS TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA

TP. Hồ Chí Minh, 04/2013


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Lâm Minh Dũng
Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/08/1977
Nơi sinh: Vĩnh Long
Quê quán: Vĩnh Long
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Trường CĐSPKT Vĩnh Long, 73 Nguyễn Huệ P2
Tp Vĩnh Long, tỉnh Vĩnh Long
Điện thoại cơ quan: 0703822141
Điện thoại nhà riêng: 0919106417
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1.Đại học:
Hệ đào tạo: Đại học Chính Quy. Thời gian đào tạo từ 09/1995 đến 03/2000
Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ thuật điện_điện tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp
PLC, KT thông tin, QLDA
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Nhiệm vụ

Từ 09/2000 đến nay

Trường Cao Đẳng Sư Phạm Kỹ
Thuật Vĩnh Long

Giáo viên

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC

(ký tên & đóng dấu)

Vĩnh Long, ngày 15 tháng 03 năm 2013
Người khai ký tên

Lâm Minh Dũng


Lời cam đoan

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 03 năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lâm Minh Dũng

i


Lời cảm ơn
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành đề
tài tốt nghiệp cao học của mình. Để có được thành quả này, học viên đã nhận được
rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè.

Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy PGS TS.
Dương Hoài Nghĩa, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện hoàn
thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt
xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi
và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian
làm luận văn này.
Học viên xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã
giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để
hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn !

ii


Mục Lục
Trang
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học
Lời cam đoan ............................................................................................................. i
Lời cảm ơn ................................................................................................................ ii
Mục Lục ................................................................................................................... iii
Tóm tắt luận văn ..................................................................................................... vi
Danh sách các hình.................................................................................................. vi
Danh sách các bảng ................................................................................................ xii
Chương 1. Tổng quan ................................................. Error! Bookmark not defined.
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .......................................................1
1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã nghiên cứu ............... Error!

Bookmark not defined.
1.3. Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu .. Error! Bookmark not defined.
1.4. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu .... Error! Bookmark not defined.
1.5. Phương pháp nghiên cứu ................................... Error! Bookmark not defined.
Chương 2. Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ stator ............ Error!
Bookmark not defined.
2.1. Hệ phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ ... Error! Bookmark not
defined.
2.1.1. Các phương trình toán học cơ bản ............ Error! Bookmark not defined.

iii


2.1.2. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ statorError! Bookmark not
defined.
2.2. Xây dựng mô hình động cơ trên hệ tọa độ stator bằng Matlab ........... Error!
Bookmark not defined.
2.3. Phép chuyển đổi hệ tọa độ abc   và   abc ...... Error! Bookmark not
defined.
Chương 3. Điều khiển động cơ không đồng bộ dùng phương pháp trượt.........15
3.1. Nguyên lý điều khiển trượt ............................................................................15
3.2. Ứng dụng điều khiển trượt điều khiển động cơ không đồng bộ ................16
3.2.1. Định nghĩa các mặt trượt .........................................................................16
3.2.2. Xác định luật điều khiển ...........................................................................17
3.2.3. Lý thuyết chứng minh ................................. Error! Bookmark not defined.
3.3. Xây dựng mô hình bằng Matlab Simulink ...................................................22
3.4. Bộ nghịch lưu...................................................................................................22
3.4.1. Bộ nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM)Error! Bookmark
not defined.
3.4.2. Sơ đồ mô phỏng bộ nghịch lưu với phần mềm Matlab .............................24

3.5. Kết quả mô phỏng ...........................................................................................26
3.5.1. Số liệu mô phỏng .......................................................................................26
3.5.2. Đáp ứng danh định ..................................................................................27
3.5.3. Khảo sát tính bền vững khi Rs, Rr tăng 10% ............................................29
3.5.4. Khảo sát tính bền vững khi Rs, Rr giảm 10% ...........................................32
3.5.5. Khảo sát tính bền vững khi Ls, Lr, Lm tăng 10% ......................................34
3.5.6. Khảo sát tính bền vững khi Ls, Lr, Lm giảm 10% .....................................37

iv


3.5.7. Khảo sát tính bền vững khi J tăng 10% ...................................................39
3.5.8. Khảo sát tính bền vững khi J giảm 10% ..................................................41
Chương 4. Ước lượng từ thông dùng mạng hồi qui .............................................44
4.1. Tổng quan về mạng nơron .............................................................................44
4.1.1. Mô hình Nơron nhân tạo ...........................................................................44
4.1.2. Mạng Nơron nhân tạo ...............................................................................45
4.1.3. Mạng Nơron Narxnet ...............................................................................46
4.1.4. Lựa chọn số nút ẩn và lớp ẩn ....................................................................48
4.1.5. Ưu điểm của mạng Nơron .........................................................................49
4.2. Ước lượng từ thông động cơ không đồng bộ dùng mạng nơron ................49
4.2.1. Giới thiệu ...................................................................................................49
4.2.2. Dữ liệu huấn luyện ...................................................................................49
4.2.3. Huấn luyện mô hình từ thông ....................................................................52
4.2.4. Kết quả nhận dạng .....................................................................................54
4.3. Mô phỏng .........................................................................................................55
4.3.1. Số liệu mô phỏng .......................................................................................55
4.3.2. Sơ đồ mô phỏng trong Simulink ................................................................56
4.4. Kết quả mô phỏng ...........................................................................................56
4.4.1. Đáp ứng danh định ....................................................................................56

4.4.2. Khảo sát tính bền vững khi Rs, Rr tăng 10%..............................................59
4.4.3. Khảo sát tính bền vững khi Ls, Lr, Lm tăng 10% ........................................61
4.4.4. Khảo sát tính bền vững khi J tăng 10% .....................................................64
4.4.5. Khảo sát tính bền vững khi Rs, Rr giảm 10%.............................................66

v


4.4.6. Khảo sát tính bền vững khi Ls,Lr,Lm giảm 10% .......................................68
4.4.7. Khảo sát tính bền vững khi moment quán tính giảm 10%.........................71
4.5. Kết luận ............................................................................................................73
Chương 5. Kết luận và hướng phát triển của đề tài ............................................74
5.1. Các kết quả đã đạt được trong đề tài .................................................................74
5.2. Hướng phát triển của đề tài ............................................................................74
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................76

Tóm tắt luận văn
Với ưu điểm về tính ổn định và bền vững, bộ điều khiển trượt được áp dụng cho các
đối tượng phi tuyến ngay khi hệ thống chịu tác động của nhiễu, cũng như sự biến
đổi các thông số của đối tượng. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ điều khiển trượt đòi
hỏi phải biết chính xác mô hình đối tượng – đây là điều không phải lúc nào cũng
đạt được trong thực tế. Là một hệ phi tuyến mạnh, động cơ không đồng bộ ba pha
rất khó kiểm soát và cần bố trí các cảm biến hồi tiếp, đặt biệt là cảm biến từ thông
với chi phí cao, khó lắp đặt. Nhằm khắc phục vấn đề trên, bài báo đề xuất giải pháp
sử dụng mạng nơron nhân tạo để ước lượng từ thông thay vì dùng cảm biến vật lý
trong hệ điều khiển trượt động cơ không đồng bộ ba pha. Kết quả mô phỏng cho
thấy thời gian xác lập của đáp ứng từ thông khoảng 0.03 giây, của tốc độ động cơ
khoảng 0.4 giây, các đáp ứng không vọt lố, bền vững dưới tác động của nhiễu và sự
biến thiên 10% giá trị của các tham số của động cơ.

Abstract
With its benefits on stability and robustness, the sliding mode controller (SMC) is
applied to control nonlinear objects even under effecting of disturbances and

vi


changing of object’s parameters. However, designing the SMC requires a
mathematic model of the object which may not always obtain, in practically. As a
strong nonlinear object, three-phase induction motor is difficult to control and need
feedback sensors, especially for magnetic feedback sensor that is high cost and not
easy to install. In order to overcome this problem, the article proposes using an
artificial neural network to estimate the magnetic instead of using physical sensor,
applying in sliding mode control for a three-phase induction motor. Simulation
results indicate that the settling time of magnetic response is about 0.03s, and of
motor speed is about 0.4s without overshoots under effecting of disturbances and
changing 10% of parameter values of the induction motor.

Danh sách các hình

Hình 2.1. Chuyển hệ toạ độ cho không gian bất kỳ V ...............................................8
Hình 2.2. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ  ...............................13
Hình 2.3. Khối chuyển đổi Usa, Usb, Usc ra Uα, Uβ. .... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.4. Khối chuyển đổi Iα, Iβ ra Isa, Isb, Isc .......... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1.

Sơ đồ khối bộ điều khiển trượt…………………………………...
.........Erro

r! Bookmark not defined.

Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu áp 3 pha hai bậcError! Bookmark not
defined.
Hình 3.3. Phương pháp tạo tín hiệu kích và dạng sóng điện áp ngõ ra ua0 ..... Error!
Bookmark not defined.

vii


Hình 3.4. Dạng tín hiệu đưa đến động cơ từ bộ nghịch lưuError! Bookmark not
defined.
Hình 3.5. Sơ đồ chi tiết bộ nghịch lưu xây dựng bằng Matlab-Simulink ........ Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.6. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển trượtError!

Bookmark

not

defined.
Hình 3.7. Khối tính toán các mặt trượt S1, S2 .........................................................25
Hình 3.8. Khối tính toán các biến trung gian b1, b2 ................................................25
Hình 3.9. Sơ đồ liên kết các khối trong khối tính toán biến điều khiển..................26
Hình 3.10. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi đáp ứng danh định ...................27
Hình 3.11 Mặt trượt S1 và S2 khi đáp ứng danh định ............................................27
Hình 3.12. Từ thông ,  của động cơ khi đáp ứng danh định ..........................27
Hình 3.13. Từ thông r của động cơ khi đáp ứng danh định ..................................28
Hình 3.14. Tốc độ  của động cơ khi đáp ứng danh định .......................................28
Hình 3.15. Moment điện từ Te và moment tải TL khi đáp ứng danh định ..............28
Hình 3.16. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi đáp ứng danh định ......29
Hình 3.17. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi Rs và Rr tăng 10% ........... Error!

Bookmark not defined.
Hình 3.18. Mặt trượt S1 và S2 khi Rs và Rr tăng 10%Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 3.19. Từ thông ,  của động cơ khi Rs và Rr tăng 10% .................. Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.20. Từ thông r của động cơ khi Rs và Rr tăng 10%Error! Bookmark not
defined.

viii


Hình 3.21. Tốc độ  của động cơ khi Rs và Rr tăng 10%Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 3.22. Moment điện từ Te và moment tải TL khi Rs và Rr tăng 10% ..... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.23. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi Rs và Rr tăng 10%
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.24. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi Rs, Rr giảm 10% ............. Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.25. Mặt trượt S1 và S2 khi Rs, Rr giảm 10% ..............................................33

Hình 3.26. Từ thông ,  của động cơ khi Rs, Rr giảm 10%.............................33
Hình 3.27. Từ thông r của động cơ khi Rs, Rr giảm 10% .....................................33
Hình 3.28. Tốc độ  của động cơ khi Rs, Rr giảm 10%..........................................33
Hình 3.29. Moment điện từ Te và moment tải TL khi Rs, Rr giảm 10% ................34
Hình 3.30. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi Rs, Rr giảm 10% ........34
Hình 3.31. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi Ls, Lr và Lm tăng 10%............35
Hình 3.32. Mặt trượt S1 và S2 khi Ls, Lr và Lm tăng 10% ....................................35
Hình 3.33. Từ thông ,  của động cơ khi Ls, Lr và Lm tăng 10% ...................35
Hình 3.34. Từ thông r của động cơ khi Ls, Lr và Lm tăng 10% ...........................35
Hình 3.35. Moment điện từ Te và moment tải TL khi Ls, Lr và Lm tăng 10% ......36
Hình 3.36. Mặt trượt S1 và S2 khi Ls, Lr và Lm giảm 10%...................................36
Hình 3.37. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi Ls, Lr và Lm tăng 10 ..36
Hình 3.38. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi Ls, Lr và Lm giảm 10% ..........37
Hình 3.39. Mặt trượt S1 và S2 khi Ls, Lr và Lm giảm 10%...................................37
Hình 3.40. Từ thông ,  của động cơ khi Ls, Lr và Lm giảm 10% ...................37

ix


Hình 3.41. Từ thông r của động cơ khi Ls, Lr và Lm giảm 10% ...........................38
Hình 3.42. Tốc độ  của động cơ khi Ls, Lr và Lm giảm 10% ................................38
Hình 3.43. Moment điện từ Te và moment tải TL khi Ls, Lr và Lm giảm 10% ......38
Hình 3.44. Điện áp từ bộ điều khiển trượt khi Ls, Lr và Lm giảm 10%..................38
Hình 3.45. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi J tăng 10% ................................39
Hình 3.46. Mặt trượt S1 và S2 khi khi J tăng 10% ...................................................39
Hình 3.47. Từ thông ,  của động cơ khi J tăng 10%Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 3.48. Từ thông r của động cơ khi J tăng 10% Error! Bookmark not defined.
Hình 3.49. Tốc độ  của động cơ khi J tăng 10% .... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.50. Moment động cơ khi J tăng 10% ............ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.51. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi J tăng 10% ........... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.52. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi J giảm 10%Error!

Bookmark

not defined.
Hình 3.53. Mặt trượt S1 và S2 khi J giảm 10% ........ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.54. Từ thông ,  của động cơ khi J giảm 10%Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.55. Từ thông r của động cơ khi J giảm 10%Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 3.56. Tốc độ W của động cơ khi J giảm 10% .. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.57. Moment điện từ Te và moment tải TL khi J giảm 10% ..........................43
Hình 3.58. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi J giảm 10% ..................43
Hình 4.1. Cấu tạo một nơron nhân tạo .....................................................................44

x

Hình 4.2. Cấu trúc mạng Narxnet ............................................................................46
Hình 4.3. Dữ liệu điện áp Us, Us dùng để nhận dạng mạng nơron.....................50
Hình 4.4. Dữ liệu dòng điện Is, Is dùng để nhận dạng mạng nơron ..................51
Hình 4.5. Dữ liệu từ thông ,  và r dùng để nhận dạng mạng nơron ............51
Hình 4.6. Sơ đồ thu thập dữ liệu để huấn luyện từ thông ........................................52
Hình 4.7. Sai số huấn luyện của mạng ước lượng từ thông (sau 50 epoch) ...........53
Hình 4.8. Cấu trúc mạng nơron được chọn để ước lượng từ thông rotor ................54
Hình 4.9. Sơ đồ chi tiết bộ ước lượng từ thông .......................................................54
Hình 4.10. Kết quả nhận dạng hàm từ thông ,  ..............................................54
Hình 4.11. Kết quả nhận dạng hàm từ thông r ......................................................55
Hình 4.12. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển trượt với bộ ước lượng từ thông
rotor dùng mạng nơron ..............................................................................................56
Hình 4.13. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi đáp ứng danh định ...................56
Hình 4.14. Mặt trượt S1 và S2 khi đáp ứng danh định ...........................................57
Hình 4.15. Từ thông ,  của động cơ khi đáp ứng danh định .........................57
Hình 4.16. Từ thông r của động cơ khi đáp ứng danh định ..................................57
Hình 4.17. Tốc độ  của động cơ khi đáp ứng danh định .......................................58
Hình 4.18. Moment điện từ Te và moment tải TL khi đáp ứng danh định ..............58
Hình 4.19. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt ............................................58
Hình 4.20. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi Rs, Rr tăng 10% ......................59
Hình 4.21. Từ thông ,  của động cơ khi Rs, Rr tăng 10% .............................59
Hình 4.22. Mặt trượt S1 và S2 khi Rs, Rr tăng 10%................................................59
Hình 4.23. Từ thông ước lượng của động cơ khi Rs, Rr tăng 10% .........................60

xi


Hình 4.24. Từ thông r của động cơ khi Rs, Rr tăng 10% ......................................60
Hình 4.25. Tốc độ  của động cơ khi Rs, Rr tăng 10% ...........................................60
Hình 4.26. Moment điện từ Te và moment tải TL khi Rs, Rr tăng 10% .................61

Hình 4.27. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi Rs, Rr tăng 10% ..........61
Hình 4.28. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi Ls, Lr và Lm tăng 10%............61
Hình 4.29. Mặt trượt S1 và S2 khi Ls, Lr và Lm tăng 10% ....................................62
Hình 4.30. Từ thông ước lượng của động cơ khi Ls, Lr và Lm tăng 10% .............62
Hình 4.31. Từ thông r của động cơ khi Ls, Lr và Lm tăng 10% ...........................62
Hình 4.32. Tốc độ  của động cơ khi Ls, Lr và Lm tăng 10% ...............................63
Hình 4.33 Moment điện từ Te và moment tải TL khi Ls, Lr và Lm tăng 10% ........63
Hình 4.34. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi Ls, Lr và Lm tăng 10%63
Hình 4.35. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi Ls, Lr và Lm tăng 10%............64
Hình 4.36. Mặt trượt S1 và S2 khi J tăng 10% .........................................................64
Hình 4.37. Từ thông ước lượng của động cơ khi J tăng 10% ...................................64
Hình 4.38. Từ thông r của động cơ khi J tăng 10% ...............................................65
Hình 4.39. Tốc độ  của động cơ khi J tăng 10% ...................................................65
Hình 4.40. Moment điện từ Te và moment tải TL khi J tăng 10% ...........................65
Hình 4.41. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi J tăng 10% ....................66
Hình 4.42. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi Rs, Rr giảm 10% ........................66
Hình 4.43. Mặt trượt S1 và S2 khi Rs, Rr giảm 10% .................................................66
Hình 4.44. Từ thông ,  của động cơ khi Rs, Rr giảm 10% ...............................67
Hình 4.45. Từ thông r của động cơ khi Rs, Rr giảm 10% ......................................67
Hình 4.46. Tốc độ  của động cơ khi Rs, Rr giảm 10%...........................................67

xii


Hình 4.47. Moment điện từ Te và moment tải TL khi Rs, Rr giảm 10% ...................68
Hình 4.48. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi Rs, Rr giảm 10% ...........68
Hình 4.49. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi Ls, Lr, Lm giảm 10% ..................68
Hình 4.50. Mặt trượt S1 và S2 khi Ls, Lr, Lm giảm 10% ..........................................69
Hình 4.51. Từ thông ,  của động cơ khi Ls, Lr, Lm giảm 10% ........................69
Hình 4.52. Từ thông r của động cơ khi Ls, Lr, Lm giảm 10% ................................69

Hình 4.53. Tốc độ  của động cơ khi Ls, Lr, Lm giảm 10% ....................................70
Hình 4.54. Moment điện từ Te và moment tải TL khi Ls, Lr, Lm giảm 10%.............70
Hình 4.55. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi Ls, Lr, Lm giảm 10% ......70
Hình 4.56. Dòng điện Ia, Ib và Ic của động cơ khi J giảm 10% ................................71
Hình 4.57. Mặt trượt S1 và S2 khi J giảm 10% .........................................................71
Hình 4.58. Từ thông ,  của động cơ khi J giảm 10% ......................................71
Hình 4.59. Từ thông r của động cơ khi J giảm 10% ..............................................72
Hình 4.60. Tốc độ  của động cơ khi J giảm 10% ..................................................72
Hình 4.61. Moment điện từ Te và moment tải TL khi J giảm 10% ..........................72
Hình 4.62. Điện áp Ua, Ub, Uc từ bộ điều khiển trượt khi J giảm 10% ...................72

xiii


1


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu :
Trên thế giới ngày nay đã phát triển nhiều phƣơng pháp điều khiển động cơ, các
phƣơng pháp đƣợc phát triển từ đơn giản đến phức tạp, từ cổ điển đến hiện đại. Với
yêu cầu điều khiển nhƣ ngày nay thì các phƣơng pháp điều khiển hiện đại ngày
càng đƣợc áp dụng nhiều. Có nhiều phƣơng pháp điều khiển khác nhau, nhƣng điểm
khác nhau giữa các phƣơng pháp là hiệu suất và giá thành. Dƣới đây là một số
phƣơng pháp điều khiển hiện đại đang đƣợc áp dụng trong thực tế:
 Phƣơng pháp V/f: là phƣơng pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong phần
lớn các ứng dụng trong công nghiệp. Điểm đặc biệt của phƣơng pháp đó là mối
quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số. Cấu trúc của mạch thì đơn giản và

thƣờng sử dụng dạng không hồi tiếp tốc độ. Tuy nhiên phƣơng pháp này có độ
chính xác không cao trong đáp ứng tốc độ và moment.
 Phƣơng pháp FOC: là kỹ thuật đƣợc sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trong
việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment có thể đƣợc điều khiển độc lập.
FOC là phƣơng pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha và
đặc trƣng là các vector. Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời gian
và tốc độ trên hệ trục d – q, đây là hệ trục bất biến. Sự tham chiếu này nhằm mục
đích để hƣớng việc khảo sát động cơ không đồng bộ thành việc khảo sát của động
cơ DC.
 Phƣơng pháp DTC: đây là phƣơng pháp điều khiển trực tiếp từ thông stator và
moment và cũng là phƣơng pháp có hiệu suất cao. Nội dung của phƣơng pháp này
là dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ƣớc lƣợng từ các khâu tính toán hồi tiếp
về của moment và từ thông. Mặt khác ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ
nghịch lƣu PWM thông qua các tín hiệu điều khiền đóng cắt các khóa công suất
nhằm mục đích giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép đƣợc xác
định trƣớc.

-1-


.Với các phƣơng pháp điều khiển nhƣ trên, để có thể điều khiển chính xác và có
hiệu suất cao thì cũng đòi hỏi cần phải có thiết bị xử lý, tính toán với tốc độ cao.
 Kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ dùng phƣơng pháp trƣợt có thể đáp ứng
đƣợc điều khiển tốc độ và từ thông đến giá trị đặt chọn trƣớc. Vấn đề cần đạt đến là hệ
thống hoạt động đơn giản, chất lƣợng, độ chính xác và độ ổn định cao.
- Phƣơng pháp này có độ chính xác điều khiển cao, duy trì tính ổn định và chất lƣợng điều
khiển bền vững đối với nhiễu tải và sự thay đổi các thông số của đối tƣợng điều khiển
(điện trở, điện cảm, moment quán tính).
- Hệ tọa độ dùng để biểu diễn (αβ): Với phƣơng pháp điều khiển trƣợt chất lƣợng danh
định và tính bền vững của hệ thống điều khiển thiết kế trên hệ tọa độ là tốt khi có sự thay

đổi các thông số của động cơ trong quá trình làm việc.
- Dựa trên quan điểm này, học viên đã cố gắng nghiên cứu nguyên tắc làm việc
của bộ điều khiển trƣợt dùng mạng nơron dựa trên lý thuyết toán học và mô
phỏng bằng Matlab-Simulink nhằm tìm ra các điểm mạnh và điểm yếu của
phƣơng pháp điều khiển này.
1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã nghiên cứu
1.2.1 “Sliding Mode Control Of Induction Motor” của 2 tác giả Đỗ Thị Hồng Thắm,
Dƣơng Hoài Nghĩa, 2007 [10].
Trong bài báo [10]. Tác giả đã sử dụng một bộ điều khiển trƣợt để điều khiển ổn
định cho động cơ không đồng bộ ba pha. Bộ điều khiển đƣợc thực hiện trong tọa độ
dq, nó đƣợc thực hiện bởi hai vòng điều khiển. Vòng điều khiển bên trong điều
khiển từ thông và moment bằng phƣơng pháp trƣợt, vòng điều khiển ngoài điều
khiển tốc độ bằng bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển đƣợc giử ổn định ngay khi có
sự thay đổi các thông số của động cơ (điện trở rotor, stator, điện cảm, moment quán
tính). Tuy nhiên bộ điều khiển vẫn cần cảm biến từ thông rotor hồi tiếp về bộ điều
khiển, trong thực tế việc lắp đặt cảm biến từ thông rotor là rất phức tạp.
1.2.2 “Ứng dụng mạng nơron ƣớc lƣợng từ thông trong hệ truyền động động cơ
không đồng bộ” của tác giả Võ Nhƣ Tiến và Lê Kim Anh, 2010 [6]

-2-


Trong bài báo [6]. Tác giả giới thiệu phƣơng pháp ứng dụng mạng nơron để ƣớc
lƣợng từ thông rotor trong hệ truyền động động cơ không đồng bộ. Tính toán từ
thông rotor và góc pha trong động cơ không đồng bộ là hai yếu tố quyết định
của phƣơng pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (trong hệ tọa độ dq), trong
các mô hình cũng nhƣ trong các phƣơng trình động học của động cơ không
đồng bộ luôn tồn tại hằng số thời gian của rotor. Ƣu điểm của mạng nơron là có
thể xấp xỉ các quan hệ phi tuyến mà không cần biết cấu trúc của quan hệ đó.
Các bộ ƣớc lƣợng từ thông đƣợc sử dụng vào sơ đồ điều khiển tựa theo từ

thông động cơ không đồng bộ.Tuy nhiên vì động cơ không đồng bộ có nhiều
thông số thay đổi trong quá trình làm việc, và sử dụng mạng truyền thẳng ƣớc
lƣợng từ thông tựa theo rotor sẽ rất khó đáp ứng đƣợc khi các thông số động cơ
thay đổi.
1.2.3 “A Sliding Mode Control Scheme for Induction Motors Using Neural
Networks for Rotor Speed Estimation” của tác giả Oscar Barambones, Francisco J.
Maseda, Aitor J. Garrido, Patricia Gomez, 2004 [20]
Trong bài báo [20]. Tác giả giới thiệu phƣơng pháp điều khiển trƣợt để điều
khiển ổn định động cơ không đồng bộ thông qua bộ ƣớc lƣợng tốc độ bằng
mạng nơron truyền thẳng nhiều lớp với luật học lan truyền ngƣợc. Để đơn giản bài
báo thiết kế mô hình điều khiển theo định hƣớng trƣờng trong hệ tọa độ dq.
1.2.4. “Sliding –Mode Direct Torque Control of an Induction Motor” của tác
giả Shir-Kuan Lin, Chih-Hsing Fang, 2001.
Trong bài báo [16]. Tác giả giới thiệu bộ điều khiển trƣợt điều khiển trực tiếp
moment động cơ (DTC), điều khiển ổn định mô hình ƣớc lƣợng từ thông rotor
thay vì từ thông stator. Mô hình DTC thiết lập hai mặt trƣợt là moment và từ
thông, điều này không chỉ đảm bảo không ảnh của các thông số không chắc
chắn của động cơ mà còn cải thiện hiệu suất khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt.
tuy nhiên cũng giống nhƣ các bộ điều khiển trƣợt động cơ khác phải sử dụng
cảm biến từ thông cho bộ điều khiển.

-3-


1.2.5 “ Sliding Mode Control Strategies for Induction Motor Control ” của tác giả
Dr. Vitthal.S.Bandal, Shahab Khormali, 2011 [15].
Bài báo trình [15] việc thiết kế bộ điều khiẻn trƣợt cho trạng thái hồi tiếp với thời
gian liên tục và rời rạc, Mô hình động cơ là phi tuyến, để tìm điểm hoạt động giống nhƣ
mô hình tuyến tính. Điều khiển trƣợt thời gian liên tục và rời rạc đƣợc áp dụng cho đối
tƣợng phi tuyến động cơ. Tuy nhiên trong bày báo này cũng phải có cảm biến từ thông để

đƣa về bộ điều khiển trƣợt
1.2.6 “Sliding mode neural network control of an induction motor drive” của tác
giả Gustavo G. Parma , Benjamim R. Menezes và Antônio P. Braga, 2003 [21].
Mô hình điều khiển trong bày báo [21], các hoạt động SMC gián tiếp với đối tƣợng,
trƣớc hết mạng neural nhân tạo thực hiện quá trình học, với sai số thông tin. Các
hoạt động điều khiền truyền động động cơ sử dụng SMC chỉ các giá trị thông số và
nhiễu là đƣợc giới hạn. SMC đƣợc thiết kế trên bề mặt trƣợt S và độ lợi điều
khiển(learning rates). Nó đƣợc xác định bởi giá trị thông tin cho quá trình học dữ
liệu học và mô hình mạng. Có thể thấy rằng hoạt động của giải thuật giống nhƣ bộ
điều khiển hồi tiếp cho dù các thông tin từ thuật toán lan truyền ngƣợc và SMC.
Cập nhật trọng số đƣợc điều khiển bởi luật học lan truyền ngƣợc trong SMC (SMCBP) đến các trọng số của mạng. Trong bài báo này mô hình điều khiển trong hệ tọa
độ dq
1.3 Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu điều khiển trƣợt dùng mạng nơnon nhân tạo để
điều khiển các đối tƣợng là phi tuyến mà cụ thể là động cơ không đồng bộ ba pha.
Từ đó có cái nhìn tổng quan về điều khiển trƣợt dùng mạng nơron so với các
phƣơng pháp điều khiển khác.
1.4 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu.
Các nhiệm vụ chính:
- Nguyên cứu phƣơng pháp điều khiển trƣợt
- Xây dựng phƣơng trình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha
- Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ trong tọa độ tỉnh  .

-4-


- Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ trong tọa độ tỉnh   bằng Matlab
- Điều khiển trƣợt động cơ không đồng bộ dùng mạng nơron vầ mô phỏng
Phạm vi nghiên cứu:
- Các phƣơng trình toán học mô tả động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB), vector không gian

của động cơ, công thức chuyển đổi hệ trục tọa độ abc sang  và ngƣợc lại.
- Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ toạ độ từ thông .
- Các phƣơng trình toán học của phƣơng pháp điều khiển trƣợt.
- Xây dựng bộ điều khiển trƣợt truyền thống điều khiển động cơ không đồng bộ
ba pha bằng Matlab-Simulink.
- Lý thuyết căn bản bộ nghịch lƣu ba pha và mô phỏng bằng Matlab-Simulink.
- Ứng dụng phƣơng pháp trƣợt (Sliding mode control) để điều khiển động cơ
không đồng bộ ba pha
- Ứng dụng phƣơng pháp trƣợt ƣớc lƣợng từ thông rotor dùng mạng nơron của
động cơ không đồng bộ. Bộ ƣớc lƣợng từ thông dùng để thay thế cảm biến từ
thông rotor.
- Mô phỏng bộ điều khiển động cơ không đồng bộ dùng phƣơng pháp trƣợt
truyền thống bằng Matlab-Simulink.
- Mô phỏng bộ điều khiển trƣợt dùng mạng nơron động cơ không đồng bộ bằng
Matlab-Simulink.
- So sánh bộ điều khiển trƣợt truyền thống và bộ điều khiển trƣợt dùng mạng
nơron.
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nguyên cứu điều khiển trƣợt thông qua các sách và các bài báo trong và ngoài
nƣớc
- Tiến hành nguyên cứu các tài liệu để hiểu về điều khiển động cơ không đồng bộ
ba pha
- Xác định mô hình toán học của động cơ KĐB ba pha
- Tìm hiểu về phần mềm matlab, xây dựng mô hình động cơ KĐB ba pha trên
matlab Simulink và mô phỏng . Phân tích và nhận xét kết quả dựa trên mô phỏng

-5-


Chƣơng 2

MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
TRONG HỆ TỌA ĐỘ STATOR ( )
2.1. HỆ PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ [5]
2.1.1. Các phƣơng trình toán học cơ bản.
Động cơ không đồng bộ đƣợc mô tả bởi hệ phƣơng trình vi phân bậc cao. Về cấu
trúc phân bố các cuộn dây phức tạp về mặt không gian, vì các mạch từ móc vòng
nên ta phải chấp nhận một loạt các điều kiện sau đây trong khi mô hình hoá động
cơ.
Các cuộn dây stator đƣợc bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.
Bỏ qua các tổn hao sắt từ và sự bão hòa.
Dòng từ hóa và từ trƣờng đƣợc phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.
Các giá trị điện trở và điện cảm đƣợc coi là không đổi.
Ta sẽ sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ.
Phƣơng trình điện áp cho 3 cuộn dây quấn stator:

dψsa  t 

 u sa  t  =R sisa  t  +
dt


dψsb  t 
u sb  t  =R sisb  t  +
dt


dψsc  t 
 u sc  t  =R sisc  t  +
dt



(2.1)

Trong đó:

usa  t  ;usb  t  ;usc  t  : Điện áp stator của cuộn dây pha a,b,c.
isa  t  ;isb  t  ;isc  t 

: Dòng điện stator của cuộn dây pha a,b,c .

ψsa  t  ;ψsb  t  ;ψsc  t  : Từ thông stator của cuộn dây pha a,b,c.
Rs

: Điện trở của cuộn dây stator.

-6-


Động cơ xoay chiều ba pha có ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 , trên đó ta thiết
lập hệ toạ độ phức với trục thực đi qua cuộn dây pha a của động cơ. Ta có thể xây
dựng vector không gian sau đây.
0
2 

j1200
 u sc  t  .e j240 
 Us  3 .  u sa  t   u sb  t  .e



2 

j2400 
j1200
 isc  t  .e
Is  . isa  t   isb  t  .e

3 


0
2 
j1200
 sc  t  .e j240 
s  . sa  t   sb  t  .e
3 



(2.2)

Trong đó Us , Is , s là các vector không gian của điện áp, dòng điện, từ thông
dây quấn stator.
Hệ phƣơng trình (2.1) có thể viết dƣới dạng vector không gian nhƣ sau:

us =R s Is +

dψs
dt

(2.3)

Tƣơng tự nhƣ đối với cuộn dây stator, ta thu đƣợc phƣơng trình điện áp của mạch
rotor khi quan sát trên hệ rotor (rotor ngắn mạch).

u r =0=R r Ir +

dψr

(2.4)

dt

Trong đó:

u r : Vector không gian của điện áp rotor.
I r , ψ r : Vector không gian của dòng điện, từ thông dây quấn rotor.
R r : Điện trở của cuộn dây rotor đã tính quy đổi về stator.

Các vector không gian từ thông stator và rotor đƣợc xác định nhƣ sau:

ψs  Is Ls  Ir Lm

(2.5)

ψr  Ir Lr  Is Lm

(2.6)

Trong đó:

Lm : Hệ số hổ cảm giữa dây quấn stator và rotor.
Ls : Điện kháng tản của dây quấn stator.
Lr : Điện kháng tản của dây quấn rotor.

-7-


Ls  Ls  Lm : Hệ số tự cảm của dây quấn stator.
Lr  Lr  Lm : Hệ số tự cảm của dây quấn rotor.
Moment điện từ đƣợc xác định nhƣ sau:

3
3
Te  .p.(s .Is )   .p.(r .Ir )
2
2

(2.7)

Trong đó:

Te : Moment điện từ.
p : Số đôi cực của động cơ.
Phƣơng trình cân bằng moment.

Te  TL 

J d
.

p dt

(2.8)

Trong đó:
TL : Moment tải.

J : Moment quán tính cơ.
 : Tốc độ góc của rotor.
p: Số đôi cực của động cơ.
2.1.2. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ stator.

Hình 2.1: Chuyển hệ toạ độ cho không gian bất kỳ V
Từ hình trên ta có:

V xy  x  j.y
Vk  x k  j.yk

(2.9)

-8-