ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ không đồng bộ

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH

ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 1 5 0

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH

ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

NGÀNH: TB MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Nguyễn Lương Văn Minh

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12/03/1986

Nơi sinh: T.T.Huế

Quê quán: Hương Xuân – Hương Trà – T.T.Huế

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 215 Bùi Thị Xuân, P1, Q. Tân Bình, Tp. Hồ Chí Minh
Điện thoại cơ quan:
01683091004

Điện thoại nhà riêng:

Fax:


E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 9/ 2010

Nơi học (trường, thành phố): TP Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện khí hóa và cung cấp điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế máy đo công suất tác dụng và
công suất phản kháng chỉ thị kim dùng IC MCP3905
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 1/2010 tại trường ĐH SP KT TP.HCM
Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Anh

i


III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

10/2010-3/2011

Trường CĐN Đồng Nai

Giáo viên

3/2011-9/2011

Trường ĐH SPKT TP.HCM

Học viên

9/2011 đến nay

Trường ĐH SPKT TP.HCM

Học viên

Trường CĐKT Cao thắng

Giáo viên

i


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 … tháng … năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Lương Văn Minh

ii


TÓM TẮT
Động cơ điện xoay chiều, đặc biệt là đồng cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
thường có nhiều lợi thế như: cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp, ít bảo
trì; động cơ không đồng bộ có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Việc điều khiển tốc
độ động cơ không đồng bộ đóng vai trò quan trọng nhằm tối ưu hóa mô-men và hiệu
suất. Có nhiều kỹ thuật điều khiển tốc độ khác nhau như: điều khiển V/f; điều khiển
trực tiếp mô-men, điều khiển tựa theo từ trường. Hệ truyền động điều khiển tựa theo
từ trường điều chỉnh tốc độ và mô-men tốt nhất cho động cơ xoay chiều. Cho phép
điều khiển động cơ xoay chiều như một chiều, phù hợp cho các ứng dụng sử dụng
động cơ một chiều trước kia.
Hệ thống truyền động điều khiển gián tiếp tựa theo từ trường truyền thống cho
động cơ không đồng bộ thường sử dụng các bộ hiệu chỉnh PI thông cho các giá trị hồi
tiếp thường có độ chính xác thấp và làm giảm hiệu suất của hệ thống. Để khắc phục
vấn đề này, thay thế bộ điều khiển PI bởi bộ điều khiển thông minh dựa trên lý thuyết
tập mờ được đề xuất. Điều khiển mờ có thể tự động hiệu chỉnh các thông số điều
khiển với khả năng thích ứng cao và điều chỉnh tốc độ chính xác.
Chất lượng của bộ điều khiển thông minh đã được khảo sát thông qua việc mô
phỏng bằng công cụ MATLAB-SIMULINK dưới các điều kiện khác nhau như thay
đổi đột ngột tốc độ và mô-men tải. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng chất lượng của bộ
điều khiển đề xuất tốt hơn so với bộ điều khiển PI thông thường.

iv


ABSTRACT
AC motors, particularly the squirrel-cage induction motor (SCIM), enjoy

several inherent advantages like simplicity, reliability, low cost and maintenance,
induction motors have many applications in the industries. The speed control of
induction motor is more important to achieve maximum torque and efficiency.
Various speed control techniques like V/f Control, Direct Torque Control and Field
Oriented Control are discussed in this thesis. Field Oriented Control drives provide
the best speed and torque regulation available for AC motors. It provides DC like
performance for AC motors, and is well suited for typical DC applications.
Traditional Indirect Field Oriented Control system of induction motor
introduces conventional PI regulator in outer loop; it is proved that the low precision
of the speed regulator debases the performance of the whole system. To overcome this
problem, replacement of PI controller by an intelligent controller based on fuzzy set
theory is proposed. The fuzzy control can realize the automatic adjustment of the
control parameter, with strong adaptability and good speed governing.
The performance of the intelligent controller has been investigated through
simulation using MATLAB-SIMULINK package for different operating conditions
such as sudden change in reference speed and load torque. The simulation results
demonstrate that the performance of the proposed controller is better than that of the
conventional PI controller.

iv


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học

i

Lời cam đoan

ii

Cảm tạ

iii

Tóm tắt

v

Abstract

iv

Mục lục

v

Danh sách các chữ viết tắt

vi

Danh sách các hình

vii

Danh sách các bảng

viii

Chƣơng 1 TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề

1

1.2. Một số công trình nghiên cứu có liên quan

6

1.3. Định hướng đề tài

7

1.3.1. Nhiệm vụ luận văn

7

1.3.2. Phương pháp nghiên cứu

8

1.3.3. Kết quả mong muốn đạt được

8

Chƣơng 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2.1. Mô hình toán của ĐCKĐB ở chế độ xác lập

10

2.2. Mô hình động của động cơ không đồng bộ

12

2.3. Các phương trình toán học cơ bản

14

2.4. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ stator

16

2.5. Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq

20

2.5.1. Các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ

20

2.5.2. Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq

22

v

Chƣơng 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
3.1. Điều khiển động cơ bằng cách thay đổi nguồn áp (V/f)

25

3.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment động cơ (DTC Direct torque con trol)

29

3.3. Phương pháp điều khiển định hướng từ thông (FOC - Field
Oriented Control)

29

3.3.1. Đại cương về phương pháp FOC

29

3.3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển

34

3.3.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển hiện đại IFOC trong
Matlab/Simulink

37

Chƣơng 4 LÝ THUYẾT HỆ MỜ, ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ
4.1. Lý thuyết hệ mờ

47

4.1.1. Một số khái niệm cơ bản

47

4.1.2. Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ

49

4.1.3. Giải mờ

50

4.1.4. Bộ điều khiển mờ

52

4.2. Điều khiển PID - Mờ

54

4.2.1. Điều khiển PID truyền thống

54

4.2.2. Điều khiển PID - Mờ

56

4.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ FLC trong Simulink/Matlab

58

4.3.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ FLC

58

4.3.2. Thiết lập thông số

58

Chƣơng 5 MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT
5.1. Mô phỏng

63

5.2. Kết luận

73

Chƣơng 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU
TIẾP THEO
6.1. Kết luận

74

6.2. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo

75

TÀI LIỆU THAM KHẢO

76

v


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FOC

- Field Oriented Control

IFOC

- Indirect Field Oriented Control

DFOC - Direct Field Oriented Control
DTC

- Direct Torque Control

FLC

- Fuzzy Logic Controller

SLC

- Slide Mode Control

VSC

- Variable Structure Control

ĐCKĐB - Động Cơ Không Đồng Bộ

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Một số ứng dụng của động cơ không đồng bộ

2

Hình 1.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ

4

Hình 2.1. Đặc tính cơ tiêu biểu của ĐCKĐB lớp A, B, C, D (Tiêu chuẩn NEMA –
Mỹ)
10
Hình 2.2. Mô hình ĐCKĐB

10

Hình 2.3. Hệ trục toạ độ abc và hệ trục tọa độ αβ

12

Hình 2.4. Các vectơ sức từ động khi θ = ωt = 0

13

Hình 2.5. Các vectơ sức từ động khi θ = ωt = 600

13

Hình 2.6. Các thành phần của lực từ động trong hệ trục tọa độ stator

13

Hình 2.7. Vec-tơ dòng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq

17

Hình 2.8. Dòng điện stator is trong hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβ

20

Hình 2.9. Vec-tơ không gian dòng stator trên hệ tọa độ αβ và hệ tọa độ dq

21

Hình 3.1. Quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số

27

Hình 3.2. Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng hở

28

Hình 3.3. Sơ đồ khối phương pháp V/f vòng kín

28

Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp moment DTC

29

Hình 3.5. Sơ đồ khối cơ bản của phương pháp FOC

30

Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp

31

Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiế p

32

Hình 3.8. Cấu trúc hiện đại của hệ TĐĐ điều chỉnh tựa theo từ thông

34

Hình 3.9. Vector dòng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q)

35

Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp IFOC sử dụng khâu hiệu chỉnh
PI truyền thống
37
vii


Hình 3.11. Khối dò từ thông

38

Hình 3.12. Bảng dò từ thông thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và từ thông

39

Hình 3.13. Khối chuyển trục tọa độ (a; b; c) → (α; β)

39

Hình 3.14. Khối chuyển trục tọa độ (α; β) → (a; b; c)

40

Hình 3.15. Khối chuyển trục tọa độ (α; β) → (d; q)

40

Hình 3.16. Khối chuyển trục tọa độ (d; q) → (α; β)

41

Hình 3.17. Mô hình tính toán của động cơ

41

Hình 3.18. Mô hình tính toán của đọng cơ trên khung tham chiếu (α; β)

42

Hình 3.19. Mô hình ước lượng hồi tiếp – tiếp dòng

43

Hình 3.20. Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp IFOC sử dụng bộ điều khiển
mờ FLC

44

Hình 4.1. Hàm liên thuộc

47

Hình 4.2. Ví dụ về logic mờ trong ứng dụng đo nhiệt độ

48

Hình 4.3. Cấu trúc của một hệ điều khiển mờ

52

Hình 4.4. Nguyên lý điều khiển mờ

53

Hình 4.5.Điều khiển PID truyền thống

54

Hình 4.6. Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani

56

Hình 4.7. Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani

57

Hình 4.8. Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani

57

Hình 4.9. Cấu trúc bộ điều khiển mờ FLC

58

Hình 5.1. Đáp ứng ngõ ra của DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC ở tốc độ định

mức ω = 297,6rad/s, mô-men tải định mức TL = 50,4Nm tại thời điểm t = 1,2s cho bộ
điều khiển FLC và PI truyền thống
66
Hình 5.2: Đáp ứng ngõ ra của DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC khi tốc độ
thay đổi ω = [148,8 297,6]rad/s, ứng với các thời điểm t = [0 1,5]s, đặt tải TL=50,4Nm
tại thời điểm t = 1s cho bộ điều khiển FLC và PI truyền thống
69

vii


Hình 5.3: Đáp ứng ngõ ra của DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC khi tốc độ
thay đổi ω = [148,8 297,6]rad/s ứng với các thời điểm t = [0 1,5]s, đặt tải TL=50,4Nm
tại thời điểm t = 1s cho bộ diều khiển FLC và PI truyền thống
72

vii


Chương 1

Chương 1

TỔNG QUAN

1


Chương 1

Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.
Ngày nay, công nghiệp là lĩnh vực phát triển với tốc độ rất nhanh, đi kèm theo đó
thì truyền động là khâu không thể thiếu được, ban đầu là các khâu truyền động bằng cơ
khí, nhưng dần dần để tự động hóa các quá trình thì khâu truyền động điện đã được sử
dụng rộng rãi và trở thành không thể thiếu. Động cơ điện cũng là một phần không kém
phần quan trọng trong khâu truyền động với nhiệm vụ chuyển hóa điện năng thành cơ
năng với những đặc tính cần thiết. Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển
động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Do đó truyền động điện là một
môn khoa học được ứng dụng các kiến thức mới nhất của lý thuyết điều khiển tự động,
các tiến bộ của công nghệ vi xử lý… nhằm gán cho động cơ các đặc tính cao cấp hơn để
đáp ứng được các đòi hỏi ngày càng tăng của quá trình tự động hóa đặt ra cho thiết bị
truyền động.
Điều khiển tốc độ động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày càng
chiếm vị trí nhiều hơn điều khiển tốc độ động cơ DC. Động cơ không đồng bộ được ứng
dụng trong các hệ truyền động trong Băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền,
máy khử từ, các ứng dụng dân dụng như máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện,…

a/Ứng dụng vào sàn rung

b/ Ứng dụng bơm chân không

2


Chương 1

c/ Ứng dụng trong Máy khử từ

d/ Ứng dụng trong bơm Pít-tông

Hình 1.1: Một số ứng dụng của động cơ không đồng bộ
Những ưu điểm được biết đến của động cơ không đồng bộ 3 pha như:
 Cấu tạo đơn giản
 Làm việc tin cậy
 Khởi động đơn giản
 Chi phí cho bảo trì bảo dưỡng thấp nhất so với các loại động cơ khác
 Giá thành thấp.
Tuy nhiên việc điều khiển động cơ không đồng bộ tương đối phức tạp so với
động cơ một chiều, các vấn đề thường gặp phải như:
 Yêu cầu độ chính xác cao của mô hình toán
 Hiệu suất mong muốn không đạt được do sự biến động tải, sự bảo hòa từ
trong động cơ và sự thay đổi về nhiệt độ
 Điều khiển tuyến tính cổ điển chỉ đáp ứng tốt với một tốc độ vận hành
nhất định
 Các hệ số phải được lựa chọn thích hợp cho các kết quả được chấp nhận,
nhưng trái lại lựa chọn các hệ số thích hợp với nhiều tham số khác nhau
như việc thiết lập điểm là rất khó
 Việc thiết kế các bộ điều khiển cổ điển đem lại hiệu suất cao thường tăng
thêm tính phức tạp của hệ thống vì vậy gia tăng giá thành của sản phẩm

3


Chương 1

Trên thế giới ngày nay đã phát triển nhiều phương pháp điều khiển động cơ, các
phương pháp được phát triển từ đơn giản đến phức tạp, từ cổ điển đến hiện đại. Với yêu
cầu truyền động như ngày nay thì các phương pháp điều khiển hiện đại ngày càng được

áp dụng nhiều. Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, nhưng điểm khác nhau
giữa các phương pháp là hiệu suất và giá thành. Dưới đây là một số phương pháp điều
khiển hiện đại đang được áp dụng trong thực tế:
 Phương pháp V/f: là phương pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong
phần lớn các ứng dụng trong công nghiệp. Điểm đặc biệt của phương pháp đó là mối
quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số. Cấu trúc của mạch thì đơn giản và
thường sử dụng dạng không hồi tiếp tốc độ. Tuy nhiên phương pháp này có độ chính
xác không cao trong đáp ứng tốc độ và moment.
 Phương pháp DTC: đây là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông stator
và moment và cũng là phương pháp có hiệu suất cao. Nội dung của phương pháp này là
dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng 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 lưu
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 được xác định trước. Tuy nhiên
có thể hai vấn đề thương thấy trong truyền động DTC dựa trên khâu so sánh trễ là:
-

Tần số đóng ngắt thay đổi do khâu sánh trễ được sử dụng cho khối ước lượng từ
thông và mô-men.

-

Ước lượng từ thông stator không chính xác có thể làm giảm hiệu suất của truyền
động.
 Phương pháp FOC: là kỹ thuật được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trong

việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment có thể được điều khiển độc lập. FOC là
phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha và đặc trưng 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 hướng việc

khảo sát động cơ KĐB thành việc khảo sát của động cơ DC.

4


Chương 1

Điều khiển hiện đại dựa trên kỹ thuật trí tuệ nhân tạo hay còn gọi là điều khiển
thông minh, các hệ thống ứng dụng trí tuệ nhân tạo được gọi là các hệ thống tự tổ chức.
Thập niên 80, sản xuất vi mạch và vi xử lý với khả năng tính toán cao và tốc độ xử lý
cực nhanh. Các vi xử lý hiện đại có tốc độ xử lý cao, công suất lớn, giá thành thấp như
DSP, FPGA và ASIC cùng với các khóa điện tử công suất như IGBT góp phần làm cho
điều khiển thông minh được điều khiển rộng rãi trong các kỹ thuật truyền động.
Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia làm hai nhóm [4]
 Tính toán cứng
 Tính toán mềm
Hệ thống chuyên gia thuộc về tính toán cứng được xem là kỹ thuật trí tuệ nhân
tạo đầu tiên. Trong hai thập niên gần đây kỹ thuật tính toán mềm được sử dụng rộng rãi
trong truyền động điện đó là:
 Mạng nơ-ron nhân tạo
 Hệ logic mờ
 Mạng nơ-ron – Mờ
 Giải thuật di truyền
Logic mờ là một kỹ thuật thể hiện suy nghĩ con người vào trong hệ thống điều
khiển. Một bộ điều khiển mờ có thể được thiết kế để mô phỏng suy diễn của con người,
một hình thức mà con người xử lý thông tin để phỏng đoán các kết luận từ những gì mà
họ biết. Điều khiển mờ được áp dụng chủ yếu vào các quy trình điều khiển thông qua
việc diễn tả bằng ngôn ngữ mờ. Hệ thống điều khiển mờ được chỉ ra như bên dưới:

Hình 1.2: Cấu trúc của hệ điều khiển mờ

Mạng nơ-ron và kỹ thuật logic mờ hoàn toàn khác biệt, tuy nhiên có thể hợp nhất
với nhau trong việc xử lý thông tin bằng cách xác định các quan hệ toán học giữa các

5


Chương 1

biến số trong trong một hệ thống phức tạp, mang tính ước chừng; điều khiển hệ thống
phi tuyến ở một mức độ mà hệ thống tuyến tính là không thể.
Trong hệ thống một hệ thống truyền động tối ưu, tốc độ động cơ cần theo đúng
quỹ đạo quy định đặt ra bất kể sự thay đổi tải cũng như thay đổi các tham số mô hình.
Để đạt được hiệu suất cao, điều khiển tựa theo từ trường trong truyền động động cơ cảm
ứng được sử dụng [5]. Tuy nhiên khâu thiết kế điều khiển của hệ thống đóng một vai trò
trong hệ thống. Việc tách biệt các thành phần của véc tơ điều khiển động cơ cảm ứng bị
ảnh hưởng bất lợi đến các thay đổi tham số trong động cơ.
Các vấn đề điều khiển tốc độ của động cơ cảm ứng thường được giải quyết bằng
các bộ điều khiển PI và PID. Tuy nhiên các bộ điều khiển trên rất nhạy cảm với sự thay
đổi tham số, và phân bố tải… Vì vậy, các thông số điều khiển phải được điều chỉnh liên
tục. Vấn đề có thể được giải quyết bằng một số kỹ thuật điều khiển thích nghi như điều
khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu, kiểm soát chế độ trượt (Slide Mode Control),
kiểm soát cấu trúc biến (Variable Structure Control) và bộ điều khiển tự điều chỉnh
PI…[6-9]. Thiết kế các bộ điều khiển trên phụ thuộc vào các hệ thống mô hình toán học
chính xác. Tuy nhiên thường rất khó để phát triển một mô hình toán học chính xác do sự
thay đổi tải chưa biết và các biến thể tham số không thể tránh khỏi do bão hòa, sự thay
đổi nhiệt độ và sự xáo trộn hệ thống. Để khắc phục những vấn đề trên, điều khiển logic
mờ (Fuzzy Logic Control) đang được sử dụng cho mục đích điều khiển động cơ. Có một
số lợi thế của điều khiển mờ so với thông thường PI, PID và điều khiển thích nghi chẳng
hạn như nó không đòi hỏi bất kỳ mô hình toán học, nó được dựa trên các quy tắc ngôn
ngữ trong cấu trúc chung IF-THEN, là cơ bản của logic của con người [10].

Khi đưa ra cách thức điều khiển mới cho hệ thống truyền động, để thuận tiện
thường nghiên cứu hiệu suất của hệ thống bằng cách mô phỏng trước khi xây dựng mô
hình thử nghiệm. Mô phỏng không chỉ xác nhận các hoạt động hệ thống, mà còn cho
phép tối ưu hóa hiệu suất hệ thống bằng cách thực hiện phép lặp đối với các thông số
của nó. Bên cạnh các tham số điều khiển và tham số mạch, ảnh hưởng do thay đổi tham
số của đối tượng cũng được nghiên cứu. Nhờ đó tiết kiệm thời gian trong việc phát triển
và thiết kế của sản phẩm, và các khâu lỗi do thiết kế có thể loại bỏ. Chương trình mô
phỏng cũng giúp tạo ra các ‘mã nhúng’ điều khiển thời gian thực trên phần mềm để tải
về bộ vi xử lý hoặc bộ xử lý tín hiệu số.
Nhiều chương trình mô phỏng như PSPICE, EMTP, MATLAB/SIMULINK kết
hợp các tính năng này. Những lợi thế của SIMULINK hơn các chương trình mô phỏng
6


Chương 1

khác là dễ dàng mô hình hóa các quá trình quá độ của các máy điện, truyền động điện và
điều khiển trong mô phỏng. Để giải quyết các mục tiêu của luận văn này phần mềm
MATLAB/ SIMULINK được sử dụng. Khâu điều khiển PI-mờ đề xuất được thực hiện
bởi SIMULINK sử dụng hộp công cụ logic mờ cho các điều kiện vận hành khác nhau
[11].
1.2 MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN.
[1] “Modern Power Electronics and AC Drives”, Third impression, Bimal K.
Bose, INDIA: Pearson Education, Inc., 2007.
Hiệu suất động tốt cho truyền động điện là bắt buộc để đáp ứng với những thay
đổi trong điều khiển tốc độ và mômen xoắn. Các yêu cầu của truyền động AC có thể
được thực hiện bởi các hệ thống điều khiển vector. Với sự ra đời của phương pháp điều
khiển vector, động cơ cảm ứng đã được điều khiển như một động cơ DC kích thích độc
lập cho đem lại hiệu suất cao. Phương pháp này cho phép điều khiển các từ thông và
mô-men xoắn của động cơ cảm ứng độc lập (tách biệt) bằng cách điều chỉnh các đại

lượng tựa theo từ trường
[2] Minh Ta-Cao, J. L. Silva Neto and H. Le-Huy, “Fuzzy Logic based
Controller for Induction Motor Drives”, Canadian Conference on Electrical and
Computer Engineering, Volume 2, Issue, 26-29 May 1996.
Kiểm soát tốc độ bằng cách hiệu chỉnh đòng điện thực hiện bởi bộ ngịch lưu
nguồn áp cung cấp cho động cơ cảm ứng đã được thảo luận. Bộ điều khiển Logic mờ
thay cho bộ điều khiển PI cổ điển sử dụng trong truyền động động cơ cảm ứng đã được
đề xuất bởi Minh Ta-Cao. Hiệu suất của hệ thống này được so sánh với hệ truyền động
điều khiển vector sử dụng bộ điều khiển PI thông thường.
[3] M. N. Uddin, T. S. Radwan and M. A. Rahman “Performances of FuzzyLogic Based Indirect Vector Control for Induction Motor Drive,” IEEE Transactions
on Industry Applications, Vol. 38, No. 5, pp. 1219-1225, September/October, 2002.
Hệ thống điều khiển vector gián tiếp truyền thống sử dụng bộ điều khiển PI
thông thường trong vòng lặp tốc độ bên ngoài vì sự đơn giản và ổn định. Tuy nhiên, sự
thay đổi bất ngờ điều kiện tải trọng hoặc các yếu tố môi trường sẽ tạo ra vọt lố, dao
động của tốc độ động cơ, dao động của mô-men xoắn, thời gian để đạt ổn định kéo dài
và do đó làm giảm hiệu suất truyền động. Để khắc phục điều này, một bộ điều khiển
thông minh dựa vào logic mờ có thể được sử dụng gọi là bộ điều chỉnh PI. Logic mờ có
7


Chương 1

những lợi thế nhất định so với các bộ điều khiển cổ điển như điều khiển đơn giản, chi
phí thấp, và có thể thiết kế mà không cần biết các mô hình toán học chính xác của đối
tượng.
1.3 ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI.
Với một số các ưu điểm của bộ điều khiển logic mờ đã được đề cập bên trên,
cộng thêm mong muốn được tìm hiểu, áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại FOC cho
các hệ truyền động động cơ không đồng bộ 3 pha. Do đó học viên thực hiện luận văn
quyết định thực hiện đề tài: “Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ

không đồng bộ ba pha”.
1.3.1 Nhiệm vụ luận văn.
Tìm hiểu các phương pháp điều khiển hiện đại trong điều khiển động cơ không
đồng bộ ba pha, đề xuất phương pháp điều khiển FOC (Field Orientated Control).
Tìm hiểu, ứng dụng hệ logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ ba
pha, đề xuất bộ điều khiển mờ FLC (Fuzzy Logic Controller) thay thế cho bộ điều khiển
PI cổ điển.
Dùng phần mềm MATLAB-SIMULINK mô phỏng hệ truyền động điều khiển
động cơ không đồng bộ ba pha theo phương pháp FOC (Field Orientated Control) dùng
bộ điều khiển mờ thay cho PI cổ điển nhằm tăng hiệu suất truyền động.
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu.
Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
Nghiên cứu mô hình toán học của động cơ không đồng bộ ba pha.
Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động điều khiển động cơ không đồng bộ
ba pha kết hợp với bộ điều khiển mờ FLC (Fuzzy Logic Controller).
Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
1.3.3 Kết quả mong muốn đạt được.
Xây dựng hệ điều khiển truyền động kết hợp phương pháp điều khiển hiện đại
FOC (Field Oriented Control) và logic mờ cho động cơ không đồng bộ ba pha nhằm
thoả mãn các yêu cầu: thời gian đáp ứng, sai số xác lập, đảm bảo hoạt động tốt ở nhiều
mức vận tốc và ổn định ngay cả khi thay đổi tải.
8


Chương 2

Chƣơng 2

MÔ HÌNH

ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ
BA PHA

9


Chương 2

Chƣơng 2:
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA

2.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.1.1. Cấu tạo
Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và
phần quay (rotor).
2.1.1.1. Stator gồm các bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy.
a. Lõi thép stator có dạng hình vành khăn (hình 2.1a), được ghép bằng các lá thép
kỹ thuật điện có hình dạng như hình 2.1b. Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây
quấn (hình 2.1c).

a)

b)

c)

Hình 2.1. (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn
Rãnh có các dạng: rãnh kín, là rãnh không có miệng; rãnh hở, là rãnh có miệng
và đáy bằng nhau; rãnh nửa hở, là rãnh có miệng bằng ½ đáy; rãnh nửa kín, là rãnh có

miệng nhỏ hơn đáy. Có 2 dạng rãnh nửa kín phổ biến là rãnh hình thang và rãnh quả lê
(hình 2.2).

10


Chương 2

Rãnh hở

Rãnh kín

Rãnh nửa hở

Rãnh quả lê

Rãnh hình thang

Hình 2.2. Rãnh ở mặt trong stator
b. Dây quấn stator thường là dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật và được
bọc cách điện. Dây quấn được đặt trong các rãnh của lõi thép stator. Dây quấn stator của
động cơ không đồng bộ ba pha gồm ba cuộn dây giống nhau, có vị trí lệch nhau góc
không gian 120o điện như hình 2.3.

Pha U

Pha V

Pha W
b)

a)

Hình 2.3. (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator, (b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh
c. Vỏ máy có chức năng bảo vệ máy và làm giá lắp các bộ phận khác của máy.
Vỏ máy có thể làm bẳng thép đúc, hoặc nhôm (hình 2.4). Vỏ gồm thân và hai nắp. Thân
vỏ để chứa lõi thép. Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ để lắp vòng treo, bảng
đấu dây và đế máy. Hai nắp của thân dùng để che phần đầu nối của dây quấn và là giá
chứa hai ổ trục của rotor.

11


Chương 2

N p

y

y
Stator
Rotor

a)

b)

Hình 2.4. (a) vỏ máy; (b) các phụ kiện
2.1.1.2. Rotor gồm có các bộ phận: lõi thép, trục và dây quấn.
a. Lõi thép rotor được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có dạng như hình 2.5.

Mặt ngồi có các rãnh để đặt dây quấn rotor; ở giữa có lỗ để lắp trục rotor.
Rãnh
đặt dây
quấn
Lỗ
lắp
trục

Hình 2.5. Lõi thép rotor
b. Trục rotor làm bằng thép, trục thường đươ ̣c cố định với lõi thép theo kiểu then
hoa.
c. Dây quấn của động cơ khơng đồng bộ có 2 kiểu: kiểu rotor lồng sóc và kiểu
rotor quấn dây.
Rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch): trong mỗi rãnh của lõi thép rotor đặt một
thanh dẫn bằng đồng hoặc nhơm, đầu các thanh dẫn nối vào hai vành bằng đồng hoặc
nhơm gọi là hai vành ngắn mạch. Hệ thống các thanh dẫn và hai vành ngắn mạch như
hình 2.6. Các thanh dẫn rotor lồng sóc thường được bố trí nghiêng một bước rãnh nhằm
giảm ảnh hưởng của moment phụ (hiê ̣n diê ̣n ở tớ c đơ ̣ dướ i tớ c đơ ̣ đờ ng bơ ̣ ) cũng như
giảm thiểu tiếng ồn và làm rung động khi động cơ làm việc .

12