ứng dụng công nghệ tính toán mềm trong hệ thống điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ 3 pha

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN MINH SĨ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍNH TOÁN MỀM
TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP
MÔ MEN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
S

K

C

0

0

3
4

9
2

5
1

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 52 50

S KC 0 0 4 2 2 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN MINH SĨ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍNH TOÁN MỀM TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 52 50

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN MINH SĨ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍNH TOÁN MỀM TRONG HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MÔ MEN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 52 50
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên:

Nguyễn Minh Sĩ

Giới tính:

Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 07/06/1980

Nơi sinh:

Đồng Tháp

Quê quán: Châu Thành, Đồng Tháp

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: Số 02, Đƣờng Trần Phú, P. 3, TP. Sa Đéc, Đồng Tháp.
Điện thoại cơ quan: 0673.866 362

Điện thoại: 0939.469.959

Fax: 0673.866 364

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/1998 đến 02/2002

Nơi học: Trƣờng Cao Đẳng Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long, Tỉnh Vĩnh Long.
Ngành học: Kỹ Thuật Điện.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Hoàn chỉnh ĐHTC

Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 10/2007

Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
Ngành học: Điện Khí Hóa – Cung Cấp Điện.
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy tập trung Thời gian đào tạo từ 05/2010 đến 05/2012
Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học SPKT TP. Hồ Chí Minh
Ngành học: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện.
Tên luận văn: “Ứng dụng công nghệ tính toán mềm trong hệ thống điều

khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ ba pha”.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn:

/

/2014. Tại Trƣờng Đại học SPKT TP. Hồ

Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Dƣơng Hoài Nghĩa.
4. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Tiếng Anh - cấp độ B1
i


5. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp:
- Cử nhân cao đẳng: Kỹ Thuật Điện, Số hiệu bằng: 69402, Ngày cấp:
28/02/2002.
Nơi cấp: Trƣờng Cao Đẳng Sƣ Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long.
- Bằng Kỹ Sƣ Điện Khí Hóa – Cung Cấp Điện, Số hiệu bằng: 0084071, Ngày
cấp: 23/11/2007.
Nơi cấp: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Trƣờng Cao đẳng Nghề Đồng Tháp

Giảng viên

Thời gian
Từ 09/2007
đến nay

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC
(Ký tên, đóng dấu)

Ngày 03 tháng 03 năm 2014
Ngƣời khai ký tên

ii


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 chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Minh Sĩ

iii


LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ
thuật Tp. Hồ Chí Minh, nay tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học của mình.

Để có đƣợc thành quả này, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự hỗ trợ và sự giúp đỡ tận
tình từ quý thầy/cô, đơn vị chủ quản.
Chân thành cảm ơn quý thầy/cô ở Khoa điện – Điện tử trƣờng Đại học Sƣ
phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh và trƣờng Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã
tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt khóa học tại trƣờng.
Tôi xin trân trọng biết ơn chân thành đến PGS.TS. Dƣơng Hoài Nghĩa,
ngƣời đã tận tình trực tiếp hƣớng dẫn tôi thực hiện hoàn thành luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ
tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và cố gắng nỗ lực để hoàn thành luận văn này.
Cảm ơn ban lãnh đạo Trƣờng Cao Đẳng Nghề Đồng Tháp đã tạo điều kiện tốt cho
tôi hoàn thành khóa học.
Xin chân thành cảm ơn gia đình và những ngƣời thân yêu đã luôn tạo điều
kiện, động viên, giúp đỡ và là chỗ dựa vững chắc giúp tôi an tâm học tập vƣợt qua
những khó khăn trong thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, tháng….. năm 2014
Học viên

Nguyễn Minh Sĩ

iv


TÓM TẮT
Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển rất nhanh,
luôn đạt đến những yêu cầu kỹ thuật mới. Đa số các thiết bị trong hệ thống điện
công nghiệp, các dây chuyền sản xuất trong nhà máy đƣợc ứng dụng điều khiển
động cơ không đồng bộ (KĐB) với chi phí hợp lý và độ bền cấu trúc. Tuy nhiên,
việc điều khiển động cơ KĐB là một vấn đề khó khăn, phức tạp vì động cơ KĐB là
một hệ phi tuyến, cần một thuật toán điều khiển chặt chẽ.

Cơ sở điều khiển máy điện KĐB ba pha hiện đại là phƣơng pháp điều khiển
vec tơ đã phát triển rất phổ biến trong những năm qua. Trong đó phƣơng pháp điều
khiển trực tiếp mô men (DTC – Direct Torque control) có khả năng điều khiển độc
lập từ thông và mô men, đang đƣợc sử dụng để điều khiển động cơ khi làm việc
trong hệ thống yêu cầu chính xác về tốc độ và ổn định mô men.
Tác giả ứng dụng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) để điều
khiển động cơ KĐB ba pha, trong đó có ứng dụng bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic
Controller – FLC) tỉ lệ vi phân PD. Kết quả cho thấy phù hợp với yêu cầu đã phân
tích. Tuy nhiên giới hạn của luận văn là chƣa ứng dụng mạng nơron để ƣớc lƣợng
tốc độ động cơ.
Các kết quả sẽ đƣợc khảo sát và phân tích cụ thể bằng việc mô phỏng dùng
phần mềm Matlab Simulink công ty MathWorks.
Từ kết quả đã phân tích ta có thể dùng FLC để điều khiển động cơ KĐB đạt
hiệu suất cao nhất.

v


ABSTRACT
The scientific and technical revolution in the world is developing very fast,
always reach the new engineering requirements. Most of the devices in the power
system industry, the production lines in factories are controlled from the induction
asynchronous motor with affordable and reliable structure. However, asynchronous
motor control is a difficult and complex problem, because the asynchronous motor
is a nonlinear system, and requires a strict control algorithms.
Base asynchronous machine control three-phase modern is vector method
control which has grown very popular in recent years. In that method, Direct Torque
Control (DTC) is able to be capable of independent flux motor and moment motor,
and are used to control the engine while working in the system precising speed and
torque stability.

The author applies the methods of Direct Torque Control (DTC) to control
asynchronous motors control three-phase, which has application of Fuzzy Logic
Controller (FLC) Proportional Derivative (PD). The results showed that conformity
with the requirements analysis. However, the limit of the thesis is not applied neural
networks to estimate the motor speed.
The results will be examined and detailed analysis by simulation using
Matlab Simulink software MathWorks company.
From analysis results we can use FLC to control asynchronous motor for
achieving the highest performance.

vi


MỤC LỤC
TRANG
TRANG TỰA
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
TÓM TẮT ...................................................................................................................v
ABSTRACT .............................................................................................................. vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... xi
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................. xiv
DANH SÁCH CÁC HÌNH .......................................................................................xv
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................1
1.2. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ .................................................2
1.3. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB .....................................................3

1.3.1. Phƣơng pháp V/f = const (điều khiển vô hƣớng) .......................................3
1.3.2. Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) ..................................4
1.3.3. Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) .....................................4
1.4. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu .....................................................................5
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................5
1.6. Nội dung của luận văn ......................................................................................5
1.7. Ý nghĩa thực tiễn của luận văn .........................................................................6
Chƣơng 2: MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ............................7
2.1. Khái quát. ..........................................................................................................7
2.2. Xây dựng vec tơ không gian. ............................................................................7
vii


2.2.1. Mô tả vec tơ trên hệ tọa độ cố định stator (hệ tọa độ αβ). .........................9
2.2.2. Mô tả vec tơ trên tọa độ quay rotor (hệ tọa độ dq)...................................11
2.3. Mô hình của động cơ KĐB 3 pha. ..................................................................12
2.3.1. Hệ phƣơng trình trạng thái của động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator
(αβ). ....................................................................................................................13
2.3.2. Hệ phƣơng trình trạng thái của động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ từ
thông rotor (dq). .................................................................................................17
2.4. Phép chuyển hệ trục tọa độ. ............................................................................19
2.4.1. Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ trục tọa độ αβ và ngƣợc lại.......19
2.4.2. Phép chuyển hệ trục tọa độ abc sang hệ tọa độ dq và ngƣợc lại. .............19
2.4.3. Phép chuyển hệ trục tọa độ αβ sang hệ tọa độ dq và ngƣợc lại. ..............20
2.5. Kết luận. ..........................................................................................................20
Chƣơng 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................21
3.1. Điều khiển trực tiếp mô men ..........................................................................21
3.1.1. Giới thiệu về phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC) động cơ
không đồng bộ ....................................................................................................21
3.1.2. Giải thuật điều khiển DTC. ......................................................................22

3.1.3. Các công thức tính toán trong phƣơng pháp. ...........................................23
3.1.4. Điều khiển các tín hiệu trong hệ thống. ...................................................28
3.1.5. Chọn lựa vec tơ điện áp thích hợp............................................................35
3.2. Công nghệ tính toán mềm ...............................................................................37
3.2.1. Tập hợp mờ (Fuzzy set) ...........................................................................37
3.2.1.1. Tập hợp rõ (crisp set) .......................................................................37
3.2.1.2. Tập hợp mờ ......................................................................................39
3.2.1.3. Các phép toán trên tập hợp mờ ........................................................40
3.1.1.4. Biến ngôn ngữ ..................................................................................45
3.2.2. Suy diễn mờ ..............................................................................................46
3.2.3. Hệ thống xử lý mờ ....................................................................................47
3.2.3.1. Khối mờ hóa (fuzzifier) ...................................................................47
viii


3.2.3.2. Suy diễn mờ (fuzzy inference engine) .............................................47
3.2.3.3. Khối giải mờ (defuzzifier) ...............................................................51
3.2.3.4. Tính phi tuyến của hê ̣ thố ng xử lý mờ .............................................53
3.2.4. Điều khiển mờ ..........................................................................................54
3.2.5. Sử dụng phần mềm Matlab/Fuzzy Toolbox .............................................54
Chƣơng 4: XÂY DỰNG CẤU TRÚC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN VÀ PHÂN TÍCH
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...........................................................................................59
4.1. Xây dựng cấu trúc các khối điều khiển ..........................................................59
4.1.1. Sơ đồ mô phỏng DTC ứng dụng bộ điều khiển PD cổ điển .....................59
4.1.1.1. Sơ đồ khối ƣớc lƣợng từ thông stator và mô men ............................59
4.1.1.2. Sơ đồ khối bộ điều khiển PD cổ điển...............................................60
4.1.1.3. Sơ đồ khối so sánh từ thông và mô men ..........................................60
4.1.1.4. Sơ đồ khối xác định góc sector ........................................................61
4.1.1.5. Sơ đồ khối đóng cắt điện áp trong bộ nghịch lƣu ............................61
4.1.1.6. Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ 3 pha trong hệ tọa độ αβ .........62

4.1.1.7. Khối chuyển tọa độ abc sang αβ và αβ sang abc .............................63
4.1.2. Sơ đồ mô phỏng DTC ứng dụng bộ điều khiển PD mờ ...........................63
4.1.2.1. Bộ điều khiển PD mờ .......................................................................64
4.1.2.2. Các hàm thành viên ..........................................................................64
4.1.2.3. Luật mờ ............................................................................................65
4.2. Phân tích kết quả mô phỏng............................................................................67
4.2.1. Thông số động cơ KĐB 3 pha ..................................................................67
4.2.2. Phân tích kết quả mô phỏng .....................................................................67
4.2.2.1. Đáp ứng từ thông stator và rotor lúc khởi động ...............................67
4.2.2.2. Điện áp và dòng điện lúc khởi động ................................................68
4.2.2.3. Đáp ứng từ thông stator và rotor ......................................................69
4.2.2.4. Quan hệ giữa tốc độ rotor và mô men điện từ theo thời gian ..........70
4.2.2.5. Đáp ứng từ thông động cơ................................................................71
4.2.2.6. Đáp ứng tốc độ động cơ ...................................................................71
ix


4.2.2.7. Đáp ứng mô men của động cơ .........................................................72
4.2.2.8. Đáp ứng dòng điện của động cơ ......................................................72
Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ......................74
5.1. Kết luận ...........................................................................................................74
5.2. Hƣớng phát triển của đề tài.............................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................75

x


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FOC :

Điều khiển định hƣớng trƣờng

DTC :

Điều khiển trực tiếp mômen

KĐB :

Không đồng bộ

DC

:

Một chiều

GA

:

Thuật toán di truyền

ANN :

Mạng nơron nhân tạo

FLC :

Bộ điều khiển mờ

PD

:

Bộ điều khiển PD

f

:

Tần số

p

:

Số đôi cực

:

Vec tơ dòng stator quan sát trên hệ tọa độ αβ

:

Vec tơ dòng rotor quan sát trên hệ tọa độ αβ

:

Vec tơ dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq

:

Vec tơ dòng rotor quan sát trên hệ tọa độ dq

:

Vec tơ áp stator quan sát trên hệ tọa độ αβ

:

Vec tơ áp rotor quan sát trên hệ tọa độ αβ

:

Vec tơ áp stator quan sát trên hệ tọa độ dq

ur

:

Vec tơ áp rotor quan sát trên hệ tọa độ dq

s

:

Vec tơ từ thông stator quan sát trên hệ tọa độ αβ

r

:

Vec tơ từ thông rotor quan sát trên hệ tọa độ αβ

s

:

Vec tơ từ thông stator quan sát trên hệ tọa độ dq

r

:

Vec tơ từ thông rotor quan sát trên hệ tọa độ dq

s

is
s

ir
f

is
f

ir
s

us
s

ur
f

us
f

s

s

f

f

xi


isα

:

Thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ αβ - trên trục α

isβ

:

Thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ αβ - trên trục β

irα

:

Thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ αβ - trên trục α

irβ

:

Thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ αβ - trên trục β

isd

:

Thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ dq - trên trục d

isq

:

Thành phần dòng điện stator trong hệ tọa độ dq - trên trục q

ird

:

Thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ dq - trên trục d

irq

:

Thành phần dòng điện rotor trong hệ tọa độ dq - trên trục q

usα

:

Thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ αβ - trên trục α

usβ

:

Thành phần điện áp stator trong hệ tọa độ αβ - trên trục β

urd

:

Thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ dq - trên trục d

urq

:

Thành phần điện áp rotor trong hệ tọa độ dq - trên trục q

Rs

:

Điện trở stator

Rr

:

Điện trở rotor đã quy đổi về stator

Ls

:

Điện cảm stator

Lr

:

Điện cảm rotor

Lm

:

Hỗ cảm giữa rotor và stator



:

Góc tạo bởi giữa rotor và trục chuẩn

ω

:

Vận tốc góc rotor

ωs

:

Vận tốc góc của hệ quy chiếu bất kỳ

ωr

:

Vận tốc góc của từ thông rotor

Te

:

Mômen điện từ động cơ

TL

:

Mômen tải

J

:

Mômen quán tính



:

Hệ số tiêu tán tổng

Ls

:

Điện cảm tiêu tán cuộn dây stator

Lr

:

Điện cảm tiêu tán cuộn dây rotor

Ts

:

Hằng số thời gian stator

Tr

:

Hằng số thời gian rotor
xii


MTi :

Khối mạng tính dòng

Mtu

Khối mạng tính áp

:

CTDi :

Khối chuyển tọa độ dòng

CTDu :

Khối chuyển tọa độ áp

xiii


DANH SÁCH BẢNG
BẢNG

Trang

Bảng 3.1: Bảng tham chiếu vec tơ không gian điện áp .............................................36
Bảng 3.2: Hội của hai tập mờ A và B dùng luật SUM và luật MAX .......................41
Bảng 3.3: Tập mờ mở rộng A, A(x,y) = A(x), y .................................................42
Bảng 3.4: Tập mờ mở rộng B, B(x,y) = B(y), x ..................................................42
Bảng 3.5: Hội của A và B dùng luật SUM, AUB(x,y) = AUB(x,y) ..........................42
Bảng 3.6: Hội của A và B dùng luật MAX, AUB(x,y) = AUB(x,y)..........................43
Bảng 3.7: Giao của hai tập mờ A và B cùng cơ sở dùng luật PROD và luật MIN ...44
Bảng 3.8: Giao của hai tập mờ A và B khác cơ sở dùng luật PROD, AB(x,y) =
AB(x,y) ...................................................................................................................44
Bảng 3.9: Giao của hai tập mờ A và B khác cơ sở dùng luật MIN, AB(x,y) =
AB(x,y) ...................................................................................................................45
Bảng 3.10: Các hàm thành viên ................................................................................46
Bảng 3.11: Hàm thành viên dùng luật MIN, AB(x,y)............................................49
Bảng 3.12: Hàm thành viên dùng luật PROD, AB(x,y) .........................................49
Bảng 3.13: Hàm thành viên của mệnh đề hợp thành ................................................50
Bảng 3.14: Hàm thành viên (AC) U (BC)(z) của các mệnh đề hợp thành ...............51
Bảng 3.15: Quan hệ phi tuyến giữa y và x ................................................................53
Bảng 4.1: Thông số động cơ KĐB 3 pha ..................................................................67

xiv


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

Trang

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập .....................................................2
Hình 2.1: Sơ đồ điện áp stator và cuộn dây của động cơ KĐB 3 pha.........................7
Hình 2.2: Thiết lập vec tơ không gian từ các đại lƣợng pha. ......................................9
Hình 2.3: Vec tơ không gian với dòng isα và isβ hệ tọa độ stator cố định. .................10
Hình 2.4: Vec tơ không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq)................11
Hình 2.5: Sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng động cơ KĐB 3 pha lý tƣởng. .....................13
Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển trực tiếp mô men ...........................................................22
Hình 3.2: Sơ đồ điều khiển véc tơ điện áp ................................................................27
Hình 3.3: Bộ nghịch lƣu áp ba pha mạch cầu, giản đồ kích đóng và dạng áp tải .....30
Hình 3.4: Quỹ đạo vectơ từ thông Stator. ................................................................33
Hình 3.5: Vị trí từ thông stator và chọn các vectơ điện áp chuyển mạch tối ƣu.......34
Hình 3.6: A = [1, 3] ...................................................................................................38
Hình 3.7: B = {1, 2, 3} ..............................................................................................38
Hình 3.8: Tập hợp mờ A(x) .....................................................................................39
Hình 3.9: Tập hợp mờ B(x) .....................................................................................39
Hình 3.10: Hội của hai tập mờ A và B dùng luật SUM và luật MAX ......................40
Hình 3.11: Hai tập mờ A và B ..................................................................................41
Hình 3.12: Giao của hai tập mờ A và B cùng cơ sở dùng luật PROD và luật MIN .44
Hình 3.13: Bù của tập mờ .........................................................................................45
Hình 3.14: Các tập mờ của tốc độ xe ........................................................................45
Hình 3.15: Sơ đồ khối của hệ thống xử lý mờ ..........................................................47

Hình 3.16: Các tập mờ của nhiệt độ ..........................................................................47
Hình 3.17: Tập mờ A và B ........................................................................................48
Hình 3.18: Tâ ̣p mờ AB(y) khi x = 1 .......................................................................48
Hình 3.19: Cho 3 tập mờ A, B và C ..........................................................................50
xv


Hình 3.20: Cho 3 tập mờ A, B và C ..........................................................................51
Hình 3.21: Cho 1 tập mờ A .......................................................................................52
Hình 3.22: Cho 1 tập mờ B .......................................................................................52
Hình 3.23: Các biến x và y đƣợc mờ hóa ..................................................................53
Hình 3.24: Giải mờ dùng phƣơng pháp điểm trọng tâm ...........................................53
Hình 3.25: Điều khiển PID truyề n thố ng ..................................................................54
Hình 3.26: Điều khiển PID mờ .................................................................................54
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng DTC ứng dụng bộ điều khiển PD cổ điển .....................59
Hình 4.2: Sơ đồ khối ƣớc lƣợng từ thông stator và mô men.....................................59
Hình 4.3: Sơ đồ bộ điều khiển PD cổ điển ................................................................60
Hình 4.4: Khối so sánh từ thông 2 bậc ......................................................................60
Hình 4.5: Khối so sánh mô men 3 bậc ......................................................................60
Hình 4.6: Sơ đồ khối xác định góc sector .................................................................61
Hình 4.7: Khối xác định góc sector 1........................................................................61
Hình 4.8: Sơ đồ khối đóng cắt điện áp trong bộ nghịch lƣu .....................................61
Hình 4.9: Sơ đồ bộ nghịch lƣu PWM........................................................................62
Hình 4.10: Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ 3 pha trong hệ tọa độ αβ ................62
Hình 4.11: Khối chuyển tọa độ abc sang αβ .............................................................63
Hình 4.12: Khối chuyển tọa độ từ αβ sang abc .........................................................63
Hình 4.13: Sơ đồ mô phỏng DTC ứng dụng bộ điều khiển PD mờ ..........................63
Hình 4.14: Bộ điều khiển PD mờ ..............................................................................64
Hình 4.15: Các hàm thành viên của bộ điều khiển PD mờ .......................................64
Hình 4.16: Luật mờ của bộ điều khiển PD mờ .........................................................66

Hình 4.17: Đáp ứng từ thông stator lúc khởi động ...................................................67
Hình 4.18: Đáp ứng từ thông rotor lúc khởi động ....................................................68
Hình 4.19: Điện áp lúc khởi động .............................................................................68
Hình 4.20: Dòng điện lúc khởi động .........................................................................69
Hình 4.21: Đáp ứng từ thông stator ..........................................................................69
Hình 4.22: Đáp ứng từ thông rotor ............................................................................70
xvi


Hình 4.23: Quan hệ giữa tốc độ rotor và mô men điện từ theo thời gian .................70
Hình 4.24: Đáp ứng từ thông động cơ ......................................................................71
Hình 4.25: Đáp ứng tốc độ động cơ ..........................................................................71
Hình 4.26: Đáp ứng mô men của động cơ ................................................................72
Hình 4.27: Đáp ứng dòng điện của động cơ .............................................................72

xvii


Chƣơng 1

Tổng quan

Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Trong khoa học kỹ thuật, các hệ thống phức tạp trên thực tế thƣờng không thể
mô tả đầy đủ và chính xác bởi các phƣơng trình toán học truyền thống. Kết quả là
những cách tiếp cận kinh điển dựa trên kỹ thuật phân tích và các phƣơng trình toán
học nhanh chóng tỏ ra không còn phù hợp. Vì thế công nghệ tính toán mềm chính là
một giải pháp.
Đặc điểm của công nghệ tính toán mềm là:

- Tính toán mềm căn cứ trên đặc điểm, hành vi của con ngƣời và tự nhiên để
đƣa ra quyết định hợp lý trong điều kiện không chính xác và không chắc chắn.
- Các thành phần của tính toán mềm có sự bổ sung hỗ trợ lẫn nhau.
- Tính toán mềm là một hƣớng nghiên cứu mở, bất kỳ một kỹ thuật mới nào
đƣợc tạo ra từ việc bắt chƣớc trí thông minh của con ngƣời đều có thể trở thành một
phần mới của tính toán mềm.
Công nghệ tính toán mềm bao gồm:
- Bộ điều khiển PD mờ.
Ngày nay khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển rất nhanh, luôn đạt
đến những yêu cầu kỹ thuật mới. Đa số các thiết bị trong hệ thống điện công
nghiệp, các dây chuyền sản xuất trong nhà máy đƣợc điều khiển từ động cơ cảm
ứng KĐB với các chi phí hợp lý và độ bền cấu trúc. Hiệu quả kinh tế trong sản xuất
phụ thuộc vào việc sử dụng hợp lý các thiết bị điện trong sản xuất. Điều khiển phải
đạt hiệu suất tối ƣu nhất.
Hầu hết các động cơ điện KĐB đều đƣợc cung cấp nguồn từ lƣới điện xoay
chiều 3 pha. Các hệ thống cần điều khiển tốc độ động cơ theo yêu cầu chính xác,
mô men ổn định, chúng phải đƣợc cung cấp nguồn thông qua bộ biến tần để điều
khiển động cơ. Ngày nay biến tần là thiết bị có vai trò rất quan trọng trong điều
khiển động cơ KĐB, đƣợc ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực điện công nghiệp
và dân dụng nhƣ: Nhà máy sản xuất, hệ thống cấp thoát nƣớc, hệ thống giao thông
vận tải, hệ thống năng lƣợng xanh, và các ngành phục vụ cho máy công cụ.
HVTH: Nguyễn Minh Sĩ

1

GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa


Chƣơng 1

Tổng quan

Cơ sở điều khiển máy điện KĐB 3 pha hiện đại là phƣơng pháp điều khiển vec
tơ đã phát triển rất phổ biến trong những năm qua. Phƣơng diện động lực học truyền
động, việc điều chỉnh tốc độ quay động cơ dùng động cơ KĐB ba pha rotor ngắn
mạch đƣợc nuôi bằng biến tần nguồn áp hoặc nguồn dòng. Phƣơng pháp điều khiển
đã đƣợc đề xuất chia thành hai loại: Điều khiển trực tiếp và gián tiếp. Tuy nhiên, cả
hai phƣơng pháp đòi hỏi các kiến thức về thông số máy.
Phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo trực tiếp mô men đƣợc áp
dụng vào thực tế, cho phép điều khiển chính xác mô men và tốc độ động cơ. Ngày
nay động cơ KBĐ đƣợc sử dụng trong nhà máy, sử dụng cho các dây chuyền sản
xuất thay thế các động cơ một chiều.
1.2. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển động cơ
Sự xuất hiện động cơ điện một chiều đã giải quyết đƣợc các bài toán về truyền
động. Khi cần thay đổi tốc độ và mô men thì đƣợc điều khiển dễ dàng nhờ cấu trúc
đơn giản của mạch kích từ và mạch phần ứng làm cho việc điều khiển từ thông và
mô men dễ dàng và độc lập.

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta xét hai phƣơng trình sau
Mm = k1ψmi m

(1.1)

ψ m = k 2i k

(1.2)

Mm

: Mô men của động cơ

Ψm

: Từ thông của động cơ

im

: dòng phần ứng

ik

: dòng kích từ

HVTH: Nguyễn Minh Sĩ

2

GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa


Chƣơng 1
k1, k2

Tổng quan
: hằng số động cơ

Tuy nhiên nhƣợc điểm của máy điện một chiều là: kích thƣớc lớn, do kết cấu
cổ góp - chổi than nên trong quá trình vận hành sinh ra tia lửa điện.

Động cơ KĐB không cần cấu trúc cổ góp – chổi than, điều này cho phép làm
việc trong môi trƣờng cháy nổ. Mặt khác, động cơ KĐB có trọng lƣợng nhẹ và gọn
hơn so với động cơ DC. Cấu trúc rotor lồng sóc chắc chắn nên có thể vận hành ở tốc
độ cao. Trƣớc khi xuất hiện các linh kiện điện tử công suất thì việc thay đổi tốc độ
có thể đƣợc thực hiện bằng cách sửa đổi số đôi cực bằng cách tăng số lƣợng dây
quấn pha stator nhƣng việc này cũng hạn chế do tăng giá thành hoặc thay đổi điện
áp nguồn và chỉ áp dụng dãy tốc độ không cần sự liên tục.
Cùng với những ƣu điểm của động cơ KĐB và với sự phát triển của công nghệ
bán dẫn. Điện tử công suất tiền thân của các kỹ thuật điều khiển động cơ KĐB 3
pha từ đơn giản nhƣ điều khiển V/f (Voltage/frequency), đến các kỹ thuật điều
khiển hiện đại nhƣ điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC – Field oriented control),
điều khiển trực tiếp mô men (DTC – Direct Torque control) hay các điều khiển
thông minh. Tất cả những phƣơng pháp điều khiển đó nhằm mục đích tìm ra một
phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ đơn giản nhất.
1.3. Các phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB
1.3.1. Phƣơng pháp V/f = const (điều khiển vô hƣớng)
Biên độ điện áp stator đƣợc điều chỉnh tỉ lệ với tần số nhằm duy trì từ thông
không thay đổi. Phƣơng pháp này thay đổi từ trƣờng quay của stator bằng cách thay
đổi tần số nguồn điện cung cấp, mô men đƣợc cải thiện phụ thuộc vào sự khác biệt
giữa từ trƣờng quay và tốc độ rotor.
Điều khiển vô hƣớng có các đặc điểm sau:
- Biến điều khiển là điện áp và tần số.
- Sử dụng bộ điều chế độ rộng xung.
- Thông thƣờng điều khiển ở dạng vòng hở.
- Từ thông đƣợc giữ không đổi bằng cách giữ V/f = const.
Ƣu điểm:
HVTH: Nguyễn Minh Sĩ

3

GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa


Chƣơng 1

Tổng quan

- Đơn giản, không cần hồi tiếp.
- Rẻ tiền.
Nhƣợc điểm:
- Không điều khiển tối ƣu đƣợc mô men.
- Không điều khiển đƣợc trực tiếp mô men và từ thông Stator.
- Độ chính xác không cao.
- Đáp ứng chậm.
1.3.2. Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC)
Điều khiển định hƣớng trƣờng (FOC) đạt đƣợc việc thay đổi mô men và từ
thông dẫn đến việc điều khiển đƣợc từ thông và mô men tƣơng tự nhƣ động cơ DC
kích từ độc lập.
Điều khiển định hƣớng trƣờng FOC có các đặc điểm sau:
- Định hƣớng đƣợc từ thông, tối ƣu đƣợc mô men.
- Điều khiển vòng kín, mô men đƣợc điều khiển gián tiếp.
Ƣu điểm:
- Điều khiển chính xác vận tốc.
- Đáp ứng mô men nhanh.
- Nguyên lý điều khiển tƣơng tự động cơ DC.
Nhƣợc điểm:
- Phải có hồi tiếp từ thông trong giải thuật điều khiển.
- Quá trình điều khiển phải chuyển đổi hệ quy chiếu liên tục.
- Cần phải điều chế độ rộng xung, phụ thuộc vào bộ điều khiển dòng hay áp và
thông số đầy đủ của động cơ.

1.3.3. Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men (DTC)
Điều khiển trực tiếp mô men có các đặc điểm sau:
- Điều khiển độc lập giữa mô men và từ thông.
Ƣu điểm:
- Định hƣớng đƣợc từ thông do đó tối ƣu đƣợc mô men.
- Điều khiển trực tiếp mô men và từ thông.
HVTH: Nguyễn Minh Sĩ

4

GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa


Chƣơng 1

Tổng quan

- Không cần bộ hồi tiếp tốc độ, mô men, từ thông lấy trực tiếp từ hệ quan sát.
- Không cần các bộ điều khiển dòng điện, các bộ điều chế độ rộng xung, khâu
chuyển hệ tọa độ (biến đổi Park).
- Ít phụ thuộc vào tham số của động cơ.
Nhƣợc điểm:
- Dòng khởi động không tốt.
- Sự suy giảm kích từ và dao động của từ thông ở vùng vận tốc thấp và mô
men ở vùng vận tốc cao.
1.4. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết về công nghệ tính toán mềm (bộ điều khiển PD mờ), điều
khiển trực tiếp mô men, phƣơng pháp ƣớc lƣợng từ thông.
Xây dựng mô hình động cơ KĐB 3 pha, DTC với bộ điều khiển PD cổ điển,
DTC với bộ điều khiển PD mờ.

Mô phỏng và phân tích kết quả bằng phần mềm Matlab Simulink
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Tham khảo tài liệu: Sách trong nƣớc và nƣớc ngoài, các công trình nghiên cứu
khoa học đã đƣợc công bố, báo và tạp trí khoa học trên internet.
Khảo sát, phân tích tổng hợp, mô hình hóa và mô phỏng các phần tử trên máy
tính dùng chƣơng trình Matlab Simulink.
Đánh giá kết quả dựa trên kết quả mô phỏng.
1.6. Nội dung của luận văn
Nội dung thực hiện luận văn gồm 5 chƣơng
Chƣơng 1: Tổng quan.
Chƣơng 2: Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha.
Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết.
Chƣơng 4: Xây dựng cấu trúc các khối điều khiển và phân tích kết quả mô
phỏng.
Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài.

HVTH: Nguyễn Minh Sĩ

5

GVHD: PGS. TS Dương Hoài Nghĩa