Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ điều khiển fuzzy foc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

VƯƠNG THỊ HỒNG VÂN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY FOC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

VƯƠNG THỊ HỒNG VÂN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY FOC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 9 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS.TS.Trương Việt Anh

Chủ tịch

2

TS.Huỳnh Châu Duy

Phản biện 1

3

TS.Đặng Xuân Kiên

Phản biện 2

4

TS.Trần Vinh Tịnh

Ủy viên

5

TS.Võ Hoàng Duy

Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày…… tháng….. năm 20..…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Vương Thị Hồng Vân

Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 25/5/1966

Nơi sinh: Đồng Tháp

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV: 1441830049

I- Tên đề tài:
Điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng bộ điều khiển fuzzy FOC
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-

Nghiên cứu tổng quan về điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha

-

Nghiên cứu vẽ điều khiển mờ

-

Thiết kế bộ điều khiển fuzzy FOC cho động cơ không đồng bộ 3 pha

-

Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên phần mểm Matlab

III- Ngày giao nhiệm vụ

: Tháng 23/01/2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 30/7/2016
V- Cán bộ hướng dẫn
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

: PGS.TS.Nguyễn Thanh Phương
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với TS. Nguyễn Thanh Phương
người đã hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình thực hiện Luận văn. Thầy đã có
những định hướng cho bài báo cáo luận văn của tôi và đã quan tâm giúp đỡ khi tôi
gặp khó khăn.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo bộ môn trong khoa đã
truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường.
Trong quá trình thực tập và làm báo cáo do trình độ lý luận cũng như kinh
nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất
mong nhận được ý kiến đóng góp từ Thầy, Cô để tôi học thêm được nhiều kinh
nghiệm và được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!


iii

TÓM TẮT
Trong lý thuyết điều khiển hiện đại, động cơ cảm ứng được mô tả bởi các mô hình toán
học khác nhau, theo các phương pháp kiểm soát được sử dụng. Trong phiên bản ba pha đối
xứng, loại động cơ điện này có thể được kết hợp với chiến lược kiểm soát vector. Thông
qua phương pháp điều khiển này, sự vận hành của động cơ cảm ứng có thể được phân tích
trong một cách tương tự như một động cơ DC.
Luận văn này mô tả việc sử dụng các kỹ thuật logic mờ để điều khiển tốc độ của động
cơ cảm ứng ba pha.

iv

ABSTRACT
In modern control theory, the induction motor is described by different
mathematical models, In the symmetrical three-phase version, this electrical motor
type can be associated with vector control strategy. Through this control method,
the induction motor operation can be analysed in a similar way to a DC motor.
This thesis describes the use of fuzzy logic techniques to control the speed of a
three-phase induction motor.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................................ii
TÓM TẮT ............................................................................................................................iii
ABSTRACT ........................................................................................................................iv
MỤC LỤC ............................................................................................................................ v
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH .................................................. viii
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về đề tài .............................................................................................. 1
1.2. Các phương pháp điều khiển ................................................................................ 2
1.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar) ..................................... 2
1.2.2. Phương pháp điều chế Vector không gian ........................................................ 3
1.2.3. Điều khiển định hướng trường .......................................................................... 4
1.2.4. Điều khiển định hướng từ thông Rotor trực tiếp ............................................... 5
1.2.5. Điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp .............................................. 5
1.2.6. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường ............................................ 6

1.2.7. Nhận xét ............................................................................................................ 7
1.3. Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay ........................................................................ 7
1.3.1. Điều khiển thông minh ...................................................................................... 7
1.3.2. Những kỹ thuật khác ......................................................................................... 8
1.4. Định hướng........................................................................................................... 9
1.5. Mục tiêu đề tài ...................................................................................................... 9
1.6. Nội dung luận văn ................................................................................................ 9
Chương 2. MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA .............. 11
2.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha .................................................... 11
2.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha ..................................................... 12
2.2.1. Xây dựng Vector không gian .......................................................................... 12
2.2.2. Chuyển hệ trục tọa độ cho Vector không gian ................................................ 14
2.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor ....................... 14
2.3. Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha ..................................................... 17
2.3.1. Lý do xây dựng mô hình ................................................................................. 17


vi

2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ .............................................................. 18
2.3.3. Các tham số của động cơ................................................................................. 19
2.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator...................................... 20
2.3.5. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor ....................................... 22
2.3.6. Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ
thông rotor ................................................................................................................. 23
2.3.7. Bộ điều chế độ rộng xung PWM ..................................................................... 23
2.3.8. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink
của Matlab ................................................................................................................. 25
2.3.8.1. Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha ......................... 25
2.3.8.2. Mô hình động cơ trong simulink .................................................................. 25

2.3.8.3. Mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ ................................. 26
2.4. Nhận xét ............................................................................................................. 29
Chương 3. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG (FOC - FIELD ORIENTED
CONTROL)............................................................................................................... 31
3.1. Đại cương về phương pháp FOC ....................................................................... 31
3.2. Cấu trúc nội dung phương pháp FOC ................................................................ 33
3.2.1. Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC ............................................................... 33
3.2.2. Xây dựng thuật toán điều khiển ...................................................................... 34
3.2.3. Cấu trúc hiện đại của FOC .............................................................................. 36
3.3. Mô phỏng phương pháp foc bằng simulink matlab .......................................... 37
3.3.1. Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp foc trong simulink matlab ........... 37
3.3.2. Giải thích nguyên lí hoạt động ........................................................................ 37
3.3.3. Phân tích sơ đồ ............................................................................................... 38
3.4. Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC
................................................................................................................................... 41
3.4.1. Tham số mô phỏng .......................................................................................... 41
3.4.2. Trình tự mô phỏng .......................................................................................... 42
3.4.3. Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong Simulink Matlab ........................... 44
3.4.3.1.Từ thông của động cơ .................................................................................... 44
3.4.3.2.Tốc độ của động cơ ....................................................................................... 44


vii

3.4.3.3. Moment của động cơ................................................................................

45

3.4.3.4. D ng điện các pha của động cơ .................................................................. 46
3.4.3.5. Khi đảo chiều quay động cơ......................................................................... 47

3.4.3.6. Khi tăng moment tải (TL

10,5 N.m) ......................................................... 48

3.4.3.7. Khi tăng moment quán tính (

0,0256 kg.m2) ........................................... 51

3.4.4. Nhận xét kết quả mô phỏng điều khiển FOC .................................................. 54
Chương 4. DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PI MỜ KẾT HỢP ĐIỀU
KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ ................................................................................................. 57
4.1. Tổng quan về phương pháp đề xuất ................................................................... 57
4.2. Bộ điều khiển mờ PI........................................................................................... 57
4.2.1. Giới thiệu......................................................................................................... 57
4.2.2. Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ ......................................................................... 59
4.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai .................................................................... 60
4.2.4. Xây dựng các bộ điều khiển PI mờ ................................................................ 61
4.3. Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào ước
lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ PI để điều khiển tốc độ động cơ không
đồng bộ 3 pha ............................................................................................................ 72
4.4. Nhận xét ............................................................................................................. 80
Chương 5. KẾT LU N ,HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............ 82
5.1. Kết luận .............................................................................................................. 82
5.2. Hướng phát triển đề tài....................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 83


viii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều 3 pha hiện đại 2
Hình 1.2. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng .......................... 3
Hình1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển moment vô hướng............................... 3
Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian ................. 4
Hình 1.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản ................................................ 5
Hình 1.6. Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định
hướng từ thông rotor gián tiếp .................................................................................... 6
Hình 2.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ ba pha .................................................... 11
Hình 2.2. Sơ đồ cuộn dây và d ng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha ........... 12
Hình 2.3. Thiết lập Vector không gian từ các đại lượng pha .................................... 13
Hình 2.4. Biểu diễn d ng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ  ....
................................................................................................................................... 13
Hình 2.5. Chuyển hệ tọa độ giữa  và dq ................................................................ 14
Hình 2.6. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor ................. 15
Hình 2.7. Thu thập giá trị thực của vector d ng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor
(hệ tọa độ dq) ............................................................................................................ 16
Hình 2.8. Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc .....
................................................................................................................................... 17
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ PWM ................................................. 23
Hình 2.10. Cơ chế đóng ngắt của PWM (pha U) ...................................................... 24
Hình 2.11. Dạng sóng 3 pha khi được điều chế PWM ............................................. 24
Hình 2.12. Mô hình mô phỏng của động cơ không đồng bộ ba pha ......................... 26
Hình 2.13. Mô hình mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ qua PWM
................................................................................................................................... 26
Hình 2.14. Dòng từ hóa ............................................................................................ 27
Hình 2.15. Từ thông rotor ......................................................................................... 27
Hình 2.16. Tốc độ động cơ ........................................................................................ 28
Hình 2.17. Moment động cơ ..................................................................................... 28
Hình 2.18. D ng điện stator ...................................................................................... 28

Hình 2.19. Điện áp Stator .......................................................................................... 29


ix

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp. .............................................. 32
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp. .............................................. 33
Hình 3.3. Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC .................................................... 34
Hình 3.4. Vector d ng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q). ... 35
Hình 3.5. Sơ đồ khối điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC ............... 37
Hình 3.6. Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β) ........ 38
Hình 3.7. Sơ đồ khối chuyển điện áp từ (d, q) sang (α, β) ........................................ 39
Hình 3.8. Sơ đồ khối chuyển d ng điện từ (u, v, ) sang (d, q) ............................... 39
Hình 3.9. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ................................................................. 40
Hình 3.10. Sơ đồ khối Firef và Wref ........................................................................ 41
Hình 3.11. Sơ đồ khối TL .......................................................................................... 41
Hình 3.12. Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng........................................................42
Hình 3.13. Tốc độ đặt cho quá trình mô phỏng đảo chiều động cơ .........................43
Hình 3.14. Moment đặt cho quá trình mô phỏng ......................................................43
Hình 3.15. Biểu diễn quá trình mô phỏng theo thời gian khi đóng cắt tải ............... 43
Hình 3.16. Từ thông thật của động cơ....................................................................... 44
Hình 3.17. Từ thông ước lượng của động cơ ............................................................ 44
Hình 3.18. Tốc độ thật của động cơ .......................................................................... 45
Hình 3.19. Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt ............................................ 45
Hình 3.20. Moment thực của động cơ ....................................................................... 45
Hình 3.21. Moment của động cơ được ước lượng .................................................... 46
Hình 3.22. D ng điện pha U của động cơ ................................................................. 46
Hình 3.23. D ng điện ba pha của động cơ ................................................................ 46
Hình 3.24. Từ thông thật của động cơ (khi đảo chiều quay) .................................... 47
Hình 3.25. Từ thông của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay) ................. 47

Hình 3.26. Tốc độ thật của động cơ (khi đảo chiều quay) ........................................ 47
Hình 3.27. Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi đảo chiều động cơ) ...... 48
Hình 3.28. Moment thật của động cơ (khi đảo chiều quay) ...................................... 48
Hình 3.29. Moment của động cơ được ước lượng (khi đảo chiều quay) .................. 48
Hình 3.30. Từ thông thật của động cơ (khi tăng moment tải) ................................... 49
Hình 3.31. Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải) ........................ 49


x

Hình 3.32. Tốc độ thật của động cơ (khi tăng moment tải) ...................................... 49
Hình 3.33. Sự thay đổi của tốc độ thật theo tốc độ đặt (khi tăng moment tải) ......... 50
Hình 3.34. Moment thực của động cơ (khi tăng moment tải) ................................... 50
Hình 3.35. Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment tải) ......................... 50
Hình 3.36. D ng điện pha U của động cơ (khi tăng moment tải) ............................. 51
Hình 3.37. D ng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment tải) ............................ 51
Hình 3.38. Từ thông thực của động cơ (khi tăng moment quán tính)....................... 51
Hình 3.39. Từ thông ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính) ............. 52
Hình 3.40. Tốc độ thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) .......................... 52
Hình 3.41. Sự thay đổi của tốc độ thực theo tốc độ đặt (khi tăng moment quán tính)
................................................................................................................................... 52
Hình 3.42. Moment thực của động cơ (khi tăng moment quán tính) ........................ 53
Hình 3.43. Moment ước lượng của động cơ (khi tăng moment quán tính) .............. 53
Hình 3.44. D ng điện pha u của động cơ (khi tăng moment quán tính) ................... 53
Hình 3.45. D ng điện pha v của động cơ (khi tăng moment quán tính) ................... 54
Hình 3.46. D ng điện pha

của động cơ (khi tăng moment quán tính) ................. 54

Hình 3.47. D ng điện ba pha của động cơ (khi tăng moment quán tính) ................. 54

Hình 4.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID thông thường ................................................ 57
Hình 4.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ .......................................................... 58
Hình 4.3. Hệ thống điều khiển mờ theo sai lệch e và đạo hàm sai lệch ................... 59
Hình 4.4. Sơ đồ khối Bộ điều khiển PI mờ ............................................................... 59
Hình 4.5. Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ xây dựng
trong SIMULINK/MATLAB .................................................................................... 59
Hình 4.6. Sơ đồ khối điều khiển PI MỜ xây dựng trên Simulink Matlab ............... 60
Hình 4.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển PI mờ lai ........................................................... 60
Hình 4.8. Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ lai trong
SIMULINK/MATLAB ............................................................................................. 60
Hình 4.9. Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ lai xây dựng trên Matlab ........................... 61
Hình 4.10. Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PI mờ ................................................... 61
Hình 4.11. Tập mờ sai số tốc độ ............................................................................... 62
Hình 4.12. Tập mờ ngõ ra của bộ KP mờ .................................................................. 62


xi

Hình 4.13. Quy luật thay đổi KP................................................................................ 63
Hình 4.14 Tập mờ sai số ngõ vào.............................................................................. 63
Hình 4.15. Tập mờ ngõ ra của bộ KI mờ................................................................... 64
Hình 4.16. Quy luật thay đổi KI ................................................................................ 64
Hình 4.17. Sơ đồ khối điều khiển động cơ có bộ điều khiển từ thông PI mờ ........... 65
Hình 4.18. Tập ngõ vào của bộ KP mờ...................................................................... 65
Hình 4.19. Tập ngõ ra của bộ KP mờ ........................................................................ 66
Hình 4.20. Quy luật thay đổi KP................................................................................ 66
Hình 4.21. Tập ngõ vào của bộ KI mờ ...................................................................... 67
Hình 4.22. Tập ngõ ra của bộ KI mờ ......................................................................... 67
Hình 4.23. Quy luật thay đổi KI ................................................................................ 68
Hình 4.24. Sơ đồ khối điều khiển moment có PI mờ ................................................ 68

Hình 4.25. Tập ngõ vào của bộ KP mờ...................................................................... 69
Hình 4.26. Tập ngõ ra KP mờ .................................................................................... 69
Hình 4.27. Quy luật thay đổi KP................................................................................ 70
Hình 4.28. Tập ngõ vào bộ KI mờ ............................................................................. 70
Hình 4.29. Tập ngõ ra của bộ KI mờ ......................................................................... 71
Hình 4.30.Quy luật thay đổi KI ................................................................................. 71
Hình 4.31. Mô hình 3 bộ điều khiển mờ từ thông - moment và tốc độ .................... 72
Hình 4.32. Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI thông thường ........... 72
Hình 4.33. Mô hình điều chỉnh tốc độ dùng bộ điều khiển PI mờ lai ....................... 73
Hình 4.34. So sánh kết quả mô phỏng giữa Bộ điều khiển PI mờ & PI thông thường
................................................................................................................................... 73
Hình 4.35. Kết quả Bộ điều khiển PI mờ lai ............................................................ 74
Hình 4.36. Kết quả Bộ điều khiển PI thông thường ................................................. 74
Hình 4.37. So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ......... 75
Hình 4.38. So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ............. 75
Hình 4.39. So sánh moment khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường .......... 76
Hình 4.40. So sánh d ng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ....... 76
Hình 4.41. So sánh từ thông khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ......... 77
Hình 4.42. So sánh tốc độ khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ............. 78


xii

Hình 4.43. So sánh moment khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường .......... 79
Hình 4.44. So sánh d ng điện khi điều khiển có bộ PI mờ và PI thông thường ....... 80


1
Chương 1
TỔNG QUAN

1.1. T ng uan về đề tài
Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại chứa đựng
những phương pháp mới trong việc mô hình hóa đối tượng động cơ, từ đó xây dựng
nên các thuật toán điều khiển phù hợp với các tiến bộ mới của công nghệ vi, vi xử
lý và điện tử công suất. Cơ sở Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại là
phương pháp điều khiển tựa theo từ trường quay của Rotor được Haase đưa ra 1968
và Balaschke đưa ra 1970.
K.Haase: Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ
không đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ
1969).
F.Balaschke: Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không
đồng bộ ba pha. Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972.
TS. Nguyễn Phùng Quang đã cho ra đời lý thuyết cơ sở: “Các phương pháp
điều chỉnh d ng trong truyền động điện xoay chiều ba pha: nguyên lý và hạn chế
của chúng” nhằm giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông, một phương
pháp mạnh dùng mô tả và chế ngự Động cơ xoay chiều ba pha và giới thiệu cách
tiếp cận với các thuật toán thích hợp cho việc điều khiển bằng số, cụ thể là điều
khiển gián đoạn bằng vi xử lý.
Phần ứng dụng của tác giả TS. Nguyễn Phùng Quang dựa trên cơ sở đó đã ra
đời và được ứng dụng thành công không chỉ trong ph ng thí nghiệm mà c n cả trên
thiết bị hiện đang được hai hãng REFU và Siemens chế tạo và lưu hành trên thị
trường.
Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:
 Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn.
 Phần điều khiển với nhiều vi xử lý khác nhau, trong đó một vi xử lý để giải
quyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý phụ trách việc đối thoại
với hệ thống cấp trên, một vi xử lý phụ dùng để điều khiển ghép nối – đối thoại với
thiết bị ngoại vi tại chỗ PLC.

2
Ngoại vi phụ

Bus tuần tự

Vi xử lý với chức năng điều chỉnh
Biến tần

1

2

3

4

a1

b1

a2

b2

a3

b3

a4

b4

Động cơ xoay chiều
3 pha

5

6

7

8

GND
0

Vi xử lý với chức năng thông tin

Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại
1. . Các phương pháp điều khiển
1. .1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)
Hiện nay, phần lớn hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ là
truyền động đặc tính thấp trong đó cả biên độ lẫn tần số của d ng điện và điện áp
của nguồn cung cấp có thể điều chỉnh đồng thời. Cách điều chỉnh này cho phép điều
khiển tốc độ hoặc moment đến trạng thái xác lập trong khi vẫn giữ từ thông của
động cơ ổn định. Điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, khi giả thiết điện
áp hoặc d ng điện được điều khiển có dạng hình sin, duy nhất biên độ và tần số
được điều chỉnh, không liên quan đến vị trí không gian của những vector tương ứng.
Điều khiển vô hướng đơn giản hơn điều khiển vector. Kỹ thuật vô hướng
chung nhất thường được dùng trong thực tế là

Volts
không đổi (Constant
Hertzs

Volts/Hertzs - CVH) nghĩa là biên độ điện áp stator được điều chỉnh tỉ lệ với tần số
nhằm duy trì từ thông stator không đổi. Phương pháp này bao gồm điều khiển tốc
độ từ trường quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện cung cấp.
Moment được cải tiến phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ từ trường quay và tốc
độ rotor. Hệ thống điều khiển đơn giản chỉ duy nhất yêu cầu hồi tiếp tốc độ. Tín
hiệu tốc độ thật  M sẽ so sánh với tín hiệu tốc độ chuẩn  M* , sai số đạt được đưa
vào bộ điều khiển trượt (slip controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn sl* . Tín
hiệu này cộng với  M tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệ p / 2 tạo tần số góc
đúng yêu cầu cung cấp cho biến tần. Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) tạo
ra tín hiệu điện áp stator cung cấp cho bộ biến tần.


3

Voltage
controller
Slip Controller

 *M

 M

 * S1

M

 * Syn
P/2

M

Dc supply
Voltage

VS*
Inverter

*

motor

M
Speed
sensor

Hình 1.2. Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng
Một phương pháp điều khiển scalar khác sử dụng kỹ thuật điều khiển moment
(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của d ng điện stator, vì thế
momen xác lập được điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi.
Trong trường hợp này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai tr phụ vì hồi tiếp d ng điện có
phần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts Hertzs (CVH).
DC Supply
Voltage

I s*

T

/*R

*

Calculator
1

I sT*
I s*

Calculator
2

M

Inverter

*
Current
sensor

motor

Speed sensor

Hình1.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển moment vô hướng
1. . . Phương pháp điều chế Vector không gian

4
Bộ điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) là một trong
những thiết bị điện tử công suất được nghiên cứu rộng rãi nhất trong ba thập niên
qua. Không chỉ đ i hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn
công suất mà c n yêu cầu kỹ thuật điều chế phải đơn giản và chính xác. Có nhiều
kỹ thuật điều chế như: kỹ thuật dao động phụ, điều chế vectơ không gian... nhưng
bổ sung thêm ứng dụng số là điều chế vector không gian ở bộ biến đổi nguồn d ng
và nguồn áp. Phương pháp điều chế vector không gian (space vector modulation)
xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó
được mở rộng triển khai trong hệ thống điện ba pha. Phương pháp này là phương
pháp phổ cập trong các hệ truyền động đã số hóa toàn phần dùng để điều khiển biến
tần dùng van bán dẫn. Thông thường, các đôi van được vi xử lý điều khiển sao cho
điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ cho trước, với tần số cũng như góc pha cho
trước cung cấp cho động cơ đạt yêu cầu. Biến tần được nuôi bởi điện áp một chiều.
Biến tần thường hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao. Van bán dẫn được
dùng ở đây là IGBT, MOSFET.
Phương pháp điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển liên tục
của vector không gian tương đương của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo
đường tr n. Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường
tr n, các sóng hài bậc cao được loại bỏ và quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên
độ áp ra trở nên tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình
trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.
+

+

+

+

-

-

-

-

+

+

+

+

-

-

-

-

Hình 1.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian
1. .3. Điều khiển định hướng trường

5
Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu
điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng. Tuy nhiên, trong những
ứng dụng trong công nghiệp đ i hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển
chúng vẫn gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và
nhiều thông số, chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành.
Điều khiển định hướng trường (Field orientation control - FOC) hoặc điều
khiển vector (Vas - 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay
đổi động giữa moment và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và
moment tương tự như động cơ DC kích từ độc lập.
Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa moment và tách rời điều
khiển moment khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ
của động cơ không đồng bộ.
Có hai loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp
trong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa
vào đo lường vị trí rotor.
1. .4. Điều khiển định hướng từ thông Rotor trực tiếp
Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vị trí góc và biên độ của vector từ
thông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và d ng điện stator sử dụng bộ
quan sát từ thông (flux observer). Đặt cảm biến ở khe hở không khí của động cơ,
trục dq nhằm xác định vector từ thông hỗ cảm (từ thông khe hở không khí).

r

e*
DS

i

sdm

Rotor flux
calculator

sqm

r
DQ

e*
iQS

dq

idss*

iqss*

dq

abc

ias*
ibs*
ics*

ias
ibs
ics

rotor

Inverter
Hình 1.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản
1. .5. Điều khiển định hướng từ thông Rotor gián tiếp


6
Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán
tốc độ trượt r* được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp
đặt tốc độ này lên động cơ.

Từ thông
rotor đặt
Momen đặt

e*
iDS

Bộ điều
khiển

e*
iQS

DQ

dq

idss*

dq

iqss*

abc

ias*
ibs*
ics*

R

r*

ias
ibs
ics

Inverter

1/p



*

rotor
Position
sensor

o

Hình 1.6. Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định
hướng từ thông rotor gián tiếp
1. .6. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường
Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn,
người ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của
máy điện. Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài
bậc cao theo hướng từ thông rotor. Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp
đến việc tạo thành moment động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ
tác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên moment động cơ). Việc lựa chọn vector
đóng ngắt sẽ thực hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ
nhất và việc đóng ngắt theo trục d của d ng điện có thể được hạn chế do khả năng
mở rộng đường bao của nó. Các sóng hài moment giảm xuống nhưng các sóng hài
d ng điện sẽ tăng lên (theo trục d).


7
1. .7. Nhận xét
Hiện nay các phương pháp trên đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều
khiển động cơ. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, các phương pháp vẫn tồn tại
những khuyết điểm:
- Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây
sóng hài bậc cao.
- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp.
- Điều khiển định hướng trường vẫn gặp một số hạn chế: nhạy với sự thay đổi
thông số của động cơ như hằng số thời gian rotor và đo lường từ thông không chính
xác tại tốc độ thấp. Do đó, hiệu suất giảm và bộ điều khiển phổ biến như PID thì
không thể duy trì yêu cầu điều khiển dưới những điều kiện thay đổi.

Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên, việc kết hợp điều khiển trí tuệ
nhân tạo với kỹ thuật điều khiển kinh điển đã ra đời góp phần không nhỏ trong việc
phát triển lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều 3 pha.
1.3. Nh ng k thuật tiên tiến hiện nay
1.3.1. Điều khiển thông minh
Truyền động động cơ bao gồm 3 phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ
điện tử công suất. Nếu yếu tố thông minh được thêm vào một trong những phần
chính kia thì truyền động đó gọi là truyền động thông minh.
Điều khiển thông minh là bộ điều khiển trong đó bộ điều khiển là bộ não và
trung tâm ra quyết định bao gồm 2 phần: phần mềm và phần cứng. Phần cứng của
đơn vị điều khiển đã phát triển trong hai thập kỷ gần đây. C n phần mềm chứa
những kỹ thuật điều khiển khác nhau được lập trình vào phần cứng.
Điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh: điều
khiển thích nghi hay điều khiển tự tổ chức. Mỗi hệ thống có trí tuệ nhân tạo gọi là
hệ thống tự tổ chức hoặc tự xử lý. Trong thập niên 80 với sự phát triển nhanh của
thiết kế và sản xuất mạch điện tử, vi xử lý đã đạt tốc độ và khả năng tính toán cao
đưa điều khiển thông minh vào sử dụng rộng rãi trong truyền động điện.
Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính toán cứng và tính toán mềm.
Hệ chuyên gia thuộc về tính toán cứng cũng là kỹ thuật nhân tạo đầu tiên. Trong 2
thập kỷ gần đây, tính toán mềm đã được sử dụng nhiều trong truyền động điện như


8
sự cải tiến cấu trúc vi xử lý. Thành phần chính của chúng là mạng neural nhân tạo,
tập logic mờ, mạng neural – mờ, hệ thống dựa vào thuật toán gen.
Bộ điều khiển logic mờ cơ bản (Fuzzy logic controller - FLC) được quan tâm
đến như một kiểu bộ điều khiển cấu trúc biến đổi (Hung et al., 1993) nhằm ổn định
và tăng độ bền cơ học. Ngôn ngữ diễn tả cho bộ điều khiển này là luật if - then
(Kawaji and Matsunaga, 1994).
Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì

những đặc tính đặc biệt sau:
- Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều
khiển tự động.
- Khả năng của ANN có thể học mẫu.
- Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc.
- Khả năng thích nghi.
Từ những ưu điểm đó, người ta đã ứng dụng mạng neural phục vụ trong lĩnh
vực điều khiển động cơ như: bộ ước lượng neural dùng để ước lượng tốc độ động
cơ; bộ điều khiển neural được dùng để tạo ra tín hiệu điều khiển bộ biến tần.
Kết quả mô phỏng sẽ được giới thiệu nhằm chứng minh hiệu quả của mạng
neural trong lĩnh vực điều khiển động cơ khi so sánh với hệ thống thông thường
(như bộ điều khiển PI) không có ANNs.
1.3. . Nh ng k thuật khác
Trở ngại chính trong việc sử dụng động cơ không đồng bộ là giá thành cao của
những thiết bị biến đổi, sự phức tạp của xử lý tín hiệu và độ chính xác kém. Trong
những năm gần đây, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt vì sự tiến bộ
của kỹ thuật điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao. Trong hầu hết những ứng dụng, cảm
biến tốc độ là cần thiết và thích hợp trong v ng kín điều khiển tốc độ. Tuy nhiên,
cảm biến tốc độ có một vài nhược điểm ở giá cả, độ tin cậy và khả năng loại trừ
nhiễu. Những phương pháp khác nhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ sử dụng
một vài thông số điện như d ng điện, điện áp, tần số và từ thông. Chúng dựa vào sự
kết hợp của lý thuyết ước lượng trạng thái và thuyết điều khiển vector (điều khiển
động cơ không có cảm biến tốc độ).


9
Tuy nhiên, các giá trị của thông số điện bị lệch do các giá trị thiết kế vì sự thay
đổi của môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn.
Những phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không phù hợp vì một
vài lý do như trên….Vì vậy, một vài mô hình thể hiện mối quan hệ giữa ngõ vào và

ngõ ra mà không cần biết đến phương trình chuyển động. Nhiệm vụ chính là tập
trung vào việc nhận dạng bao gồm bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển
tuyến tính (Schouken, 1990), để ước lượng thông số vật lý (Moons và Moor, 1995)
và ước lượng hệ số hàm truyền tuyến tính dựa vào đo lường lực từ và tốc độ (Gahler
và Herzog, 1994), kỹ thuật NARMAR (Leontaritis và Billing, 1985) nhằm mô hình
hóa mối quan hệ giữa tốc độ và điện áp của động cơ không đồng bộ.
Tương tự, khi ước lượng từ thông, người ta cũng áp dụng những nguyên tắc
giống như điều khiển và ước lượng tốc độ. Thật sự, cảm biến từ thông khó chế tạo
và lắp đặt. Vì vậy, việc chế tạo ra một bộ ước lượng từ thông từ những thông số
điện có sẵn, hoặc những kỹ thuật tiên tiến là mối quan tâm thiết yếu cho những ai
quan tâm đến lĩnh vực điều khiển động cơ.
1.4. Định hướng
Tác giả kết hợp tính ưu việt của các phương pháp điều khiển khác nhau, cũng
như với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều. Trong
luận văn thạc sỹ này, đề tài “ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA
PHA SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY FOC” được thực hiện.
1.5. Mục tiêu đề tài
-Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường, là phương pháp điều
khiển tốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện.
- Ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ để chỉnh định thông số bộ điều khiển PID
theo sự thay đổi của tải nhằm nâng cao chất lượng điều khiển.
-Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ để điều khiển
tốc độ động cơ. Các luật hợp thành của tập mờ được xây dựng dựa vào các suy luận
của người thiết kế, kinh nghiệm của chuyên gia,…
1.6. Nội dung luận văn
Luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Chương 1. TỔNG QUAN