ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 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

ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL ĐIỀU KHIỂN TỐC
ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ
Chun ngành: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện
Mã số ngành: 60 52 50
Họ và tên học viên:
Người hướng dẫn: PGS.TS. DƯƠNG HỒI NGHĨA

Tháng 11/2012


MỤC LỤC
Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG.......................................................................................1
1.1. ĐẶT VẤN ĐÊ.................................................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU ĐÊ TÀI........................................................................................................1
1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU..............................................................................................2
1.4. NỘI DUNG LUẬN VĂN...............................................................................................2
1.5. Ý NGHĨA ĐÊ TÀI..........................................................................................................2
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3
PHA.......................................................................................................................................3
2.1. TỔNG QUAN.................................................................................................................3
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIÊU KHIỂN............................................................................4
2.3. NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY...........................................................10
2.4. TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ........................................12
Chương 3. MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA.................................14
3.1. GIỚI THIỆU VÊ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA......................................14

3.2. VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA...................................14
3.3. MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA.......................................20
Chương 4. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG.....................................................35
4.1. ĐIÊU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG CỦA HỆ TRUYÊN ĐỘNG ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ............................................................................................................35
4.2. CẤU TRÚC HỆ TRUYÊN ĐỘNG DÙNG ĐCKĐB ĐIÊU KHIỂN DỰA THEO TỪ
THÔNG ROTOR.................................................................................................................36
4.3. MÔ PHỎNG ĐIÊU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG DÙNG SIMULINK............40
Chương 5. GIỚI THIỆU MẠNG TRUYỀN THẲNG NHIỀU LỚP..............................45
5.1.GIỚI THIỆU MẠNG TRUYÊN THẲNG NHIÊU LỚP...............................................45
5.2. GIẢI THUẬT LAN TRUYÊN NGƯỢC......................................................................46
5.3. ỨNG DỤNG MẠNG TRUYÊN THẲNG NHIÊU LỚP VÀO ĐIÊU KHIỂN ĐỘNG
CƠ ĐIỆN..............................................................................................................................53
Chương 6. ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ
DỤNG MẠNG NEURAL..................................................................................................55
6.1. GIỚI THIỆU.................................................................................................................55
6.2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIÊU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA55
6.3. HUẤN LUYỆN MẠNG ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG.................................................57
Chương 7. ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
VỚI BỘ ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR DÙNG MẠNG TRUYỀN THẲNG CO
BỘ PI MỜ...........................................................................................................................76
7.1. TỔNG QUAN...............................................................................................................76
7.2. BỘ ĐIÊU KHIỂN MỜ PI.............................................................................................76
Chương 8. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI........................................96


-Trang 1-

Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành
đơn giản, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và
đời sống. Tuy nhiên việc điều khiển hoạt động của động cơ không đồng bộ là tương
đối khó do đặc tính phi tuyến của động cơ. Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật
điện tử hiện nay, đặc biệt là các hệ thống xử lý tín hiệu số đã cho phép thực hiện các
giải thuật phức tạp để điều khiển động cơ không đồng bộ. Nhiều giải thuật điều
khiển động cơ không đồng bộ đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh
vực truyền động điện như phương pháp moment trực tiếp, phương pháp điều khiển
phi tuyến, phương pháp định hướng trường, phương pháp điều khiển vector không
gian,…Trong đó, phương pháp sử dụng mạng neural kết hợp với các phương pháp
điều khiển thông thường đang là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng trong điều
khiển máy điện không đồng bộ.
Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều, người
nghiên cứu chọn đề tài “Ứng dụng mạng neural điều khiển tốc độ động cơ
không đồng bộ” dựa theo phương pháp điều khiển định hướng trường làm đề tài
cho luận văn Thạc Sĩ
1.2. 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.
Sử dụng mạng neural ước lượng từ thông rotor để sử dụng trong hệ thống điều
khiển định hướng trường. Ưu điểm của nó là không cần xác định chính xác mô hình
toán học để ước lượng từ thông rotor.
Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng các bộ điều khiển PI mờ để điều khiển từ
thông, moment và 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…

Chương 1. Giới thiệu chung


-Trang 2-

1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường sử
dụng ba bộ điều khiển PI để điều khiển từ thông, moment và tốc độ động cơ. Đây là
phương pháp tỏ ra hiệu quả, đơn giản nhưng đòi hỏi phải có hồi tiếp từ thông rotor
của động cơ không đồng bộ vốn là đại lượng không thể đo lường được. Trong thực
tế, người ta phải ước lượng từ thông rotor để sử dụng trong bộ điều khiển. Với mục
đích đó, đề tài tập trung nghiên cứu mạng neural truyền thẳng nhiều lớp để ước
lượng từ thông rotor nhằm ổn định và điều khiển động cơ không đồng bộ theo định
hướng trường.
1.4. NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn được trình bày theo các chương như sau:
Chương 2. TỔNG QUAN VÊ LĨNH VỰC ĐIÊU KHIỂN TRUYÊN ĐỘNG ĐIỆN
XOAY CHIÊU 3 PHA
Chương 3. MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Chương 4. ĐIÊU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG
Chương 5. GIỚI THIỆU MẠNG TRUYÊN THẲNG NHIÊU LỚP
Chương 6. ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SỬ
DỤNG MẠNG NEURAL
Chương 7. ĐIÊU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG
BỘ VỚI BỘ ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG ROTOR DÙNG MẠNG TRUYÊN
THẲNG CÓ BỘ MỜ PI
Chương 8. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐÊ TÀI
1.5. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI
Đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho những ai quan tâm đến phương pháp điều
khiển mờ và mạng neural kết hợp với phương pháp định hướng trường điều khiển
động cơ không đồng bộ, cách thức thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển trong
Simulink và Control System Toolbox.

Chương 1. Giới thiệu chung

-Trang 3-

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA

2.1. TỔNG QUAN
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 điện tử, 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 dòng 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 phòng thí nghiệm mà còn 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

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 4-

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.

Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
2.2.1. 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 dòng 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 momen 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 dòng 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 không đổi (Constant 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. Momen 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 sẽ so sánh
với tín hiệu tốc độ chuẩn , sai số đạt được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 5-

controller), cho ra tín hiệu tốc độ trượt chuẩn . Tín hiệu này cộng với 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.

Hình 2.2. 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 momen
(Torque Control - TC) là điều chỉnh biên độ và tần số của dòng 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 trò phụ vì hồi tiếp dòng điện có
phần phức tạp hơn phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH).

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 6-

Hình
2.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng
2.2.2. Phương pháp điều chế vector không gian
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 3 thập niên
qua. Không chỉ đòi hỏi khả năng đóng ngắt nhanh của thiết bị đóng ngắt bán dẫn
công suất mà còn 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 dòng
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.

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 7-

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
tròn. Với sự dịch chuyển đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo đường tròn,
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 2.4. Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian
2.2.4. Điều khiển định hướng trường
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 đòi 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 momen và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và
momen tương tự như động cơ DC kích từ độc lập.
Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa momen và tách rời điều khiển
momen khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của
động cơ không đồng bộ.

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 8-

Có 2 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.
2.2.5. 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 dòng 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).

Hình 2.5. Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản
2.2.6. Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp dựa vào tính toán tốc
độ trượt được yêu cầu cho điều khiển định hướng trường chính xác và sự áp đặt tốc
độ này lên động cơ.

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha

-Trang 9-

Hình 2.6. Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định
hướng từ thông rotor gián tiếp
2.2.7. 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 momen động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ
tác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên momen 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 dòng điện có thể được hạn chế do khả năng
mở rộng đường bao của nó. Các sóng hài momen giảm xuống nhưng các sóng hài
dòng điện sẽ tăng lên (theo trục d).

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 10-

2.2.8. 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.
2.3. NHỮNG KỸ THUẬT TIÊN TIẾN HIỆN NAY
2.3.1. 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. Còn 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.

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 11-

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 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.
2.3.2. Những kỹ 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 vòng 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

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 12-

nhiễu. Những phương pháp khác nhau được đề xuất nhằm ước lượng tốc độ sử dụng
một vài thông số điện như dòng 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).
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 chuyển 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.
2.4. TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
Thông thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hành
theo những bước chính sau:
2.4.1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc
điều khiển
Thông thường, mô hình toán học của động cơ không đồng bộ là: phương trình
vector tổng quát, mô hình mạch điện dưới dạng 2 pha, phương trình trạng thái.
Thông số của động cơ được xác định theo phương pháp thực nghiệm. Điện trở
stator đo được từ kiểm tra DC; điện trở rotor và điện cảm tiêu tán đo được khi rotor

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 13-

bị ghìm; đo điện cảm từ hóa khi kiểm tra không tải. Việc điều chỉnh thông số khi
mô phỏng động cơ trong điều kiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức lúc tải định
mức.

2.4.2. Bộ biến tần điều khiển
Bộ biến tần có tụ DC được dùng trong truyền động động cơ không đồng bộ gồm bộ
biến tần nguồn áp (VSI) và bộ biến tần nguồn dòng (CSI), dựa theo phương pháp
điều chế độ rộng xung (PWM) nhằm điều khiển điện áp và dòng điện. Ngoài ra còn
có bộ biến tần kết hợp bộ CSI công suất cao và bộ VSI công suất thấp làm việc song
song.
2.4.3. Kiểm tra thiết bị truyền động AC
Một phòng thí nghiệm được xây dựng bao gồm: động cơ không đồng bộ cần kiểm
tra làm việc như tải cơ được kéo bởi máy phát điện đồng bộ. Mỗi máy điện được
cấp nguồn từ bộ biến tần, và được điều khiển bởi bộ điều khiển card ở PC.

Hình 2.7. Phòng thí nghiệm kiểm tra
2.4.4. Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm
Tùy theo tính chất, mục đích sử dụng, tài nguyên hiện có mà ta lựa chọn phương
pháp điều khiển thích hợp như điều khiển vô hướng, điều chế vector không gian,
định hướng trường...

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực điều khiển truyền động điện xoay chiều ba pha


-Trang 14-

Chương 3. MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

3.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
Máy điện không đồng bộ ba pha có dây quấn stator được cung cấp điện từ lưới điện,
và nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ có được sức điện động cảm ứng và dòng điện
bên trong dây quấn rotor. Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn ba pha sẽ tạo
ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ (rad/s). Rotor máy không đồng bộ gồm 2 loại:
Rotor dây quấn với dây quấn nhiều pha (thường là ba pha) quấn trong các rãnh

rotor, có cùng số cực với dây quấn stator với các đầu dây ra nối với các vành trượt
được cách điện với trục rotor. Việc tiếp điện được thông qua các chổi than đặt trong
các bộ giá đỡ chổi than.
Rotor lồng sóc có dây quấn rotor là các thanh dẫn (nhôm, đồng) trong rãnh rotor,
chúng được nối tắt ở hai đầu nhờ hai vành ngắn mạch. Do kết cấu rất đơn giản và
chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được sử dụng làm nguồn động lực
rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Trong hai loại động cơ trên, loại có rotor lồng sóc đã chiếm ưu thế tuyệt đối trên thị
trường vì dễ chế tạo, không cần bảo dưỡng, kích thước nhỏ hơn. Sự phát triển như
vũ bão của kỹ thuật vi điện tử với giá thành ngày càng hạ đã cho phép thực hiện
thành công các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp đối với loại rotor lồng sóc.
3.2. VECTOR KHÔNG GIAN CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG BA PHA
3.2.1. Xây dựng vector không gian
Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố
trí không gian tổng quát như hình 3.1.
Trong hình trên không quan tâm đến động cơ đấu hình sao hay tam giác. Ba dòng
điện isu, isv, isw là ba dòng chảy từ lưới qua đầu nối vào động cơ. Khi động cơ chạy
bằng biến tần thì đó là ba dòng ở đầu ra của biến tần.

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha


-Trang 15-

Hình 3.1. Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha
Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình:
isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0

(3.1)

Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau:
(3.2)
(3.3)
(3.4)
Về phương diện mặt phẳng cơ học (mặt cắt ngang), động cơ xoay chiều 3 pha có ba
cuộn dây lệch nhau một góc 120 o. Nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ tọa độ
phức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng vector không gian sau:
(3.5)
Theo công thức (3.5), vector là một vector có modul không đổi quay trên mặt
phẳng phức với tốc độ góc và tạo với trục thực (đi qua cuộn dây pha u) một góc ,
trong đó fs là tần số mạch stator. Việc xây dựng vector được mô tả trong hình 3.2.

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha


-Trang 16-

Hình 3.2. Thiết lập vector không gian từ các đại lượng pha
Theo hình vẽ trên, dòng điện của từng pha chính là hình chiếu của vector dòng
stator mới thu được lên trục của cuộn dây pha tương ứng.
Gọi trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục và trục ảo là trục . Chiếu
vector lên hai trục, ta được hai hình chiếu là và . Hệ tọa độ này gọi là hệ tọa độ cố
định (hệ tọa độ stator).

Hình 3.3. Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian ở hệ tọa độ
Theo phương trình isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 và dựa trên hình 3.3 thì chỉ cần xác định
hai trong số ba dòng điện stator là có đầy đủ thông tin về vector.
(3.6)
(3.7)
Tương tự như đối với vector dòng stator, các vector điện áp stator , dòng rotor , từ

thông stator , hoặc từ thông rotor cũng được biểu diễn tương tự.

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha


-Trang 17-

3.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian
Ta xây dựng một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ và nằm lệch đi
một góc . Khi đó sẽ tồn tại hai tọa độ cho một vector không gian tương ứng với hai
hệ tọa độ này. Mối liên hệ được thể hiện ở hình vẽ 3.4.

Hình 3.4. Chuyển hệ tọa độ giữa và dq
Dễ dàng chuyển tọa độ sang tọa độ dq:

(3.8)
(3.9)

3.2.2. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha


-Trang 18-

Hình 3.5. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
Giả thiết động cơ không đồng bộ quay với tốc độ , trong đó là góc tạo bởi trục rotor
và trục chuẩn. Từ thông rotor quay với tốc độ góc trong đó f s là tần số của mạch
điện stator.
Sự chênh lệch giữa và sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số , dòng điện đó có thể

được biểu diễn dưới dạng vector quay với tốc độ .
Xây dựng một hệ tọa độ mới với trục thực có hướng trùng với hướng của vector và
gốc tọa độ trùng với gốc của hệ là hệ trục tọa độ dq.
Gọi là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ
là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq
Ta có: =

(3.10)

=

(3.11)

=

(3.12)

Chuyển tọa độ từ 3 pha uvw qua tọa độ :
(3.13)

Chuyển tọa độ sang tọa độ dq:

(3.14)
(3.15)
(3.16)

Toàn bộ quá trình trên được diễn tả theo sơ đồ khối sau:

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha

-Trang 19-

Hình 3.6. Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor
(hệ tọa độ dq)
Trong thực tiễn, việc tính toán i sd, isq gặp nhiều khó khăn vì việc xác định . Trong
trường hợp động cơ không đồng bộ, góc được tạo nên bởi tốc độ góc trong đó là
có thể đo được. Ngược lại là tần số của mạch rotor mà ta chưa biết. Vậy phương
pháp mô tả trên hệ tọa độ dq đòi hỏi phải xây dựng được phương pháp tính một
cách chính xác, đó là cơ sở của hệ thống điều khiển tựa theo từ thông rotor.
Ta có do trục q đứng vuông góc với vector . Khi xây dựng mô hình tính toán trong
hệ tọa độ dq, trên thực tế do không thể tính tuyệt đối chính xác góc nên vẫn giữ lại
để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát.

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha


-Trang 20-

3.3. MÔ HÌNH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
3.3.1. Lý do xây dựng mô hình
Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả đối tượng
điều chỉnh. Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng
bộ rotor lồng sóc là mô hình đơn giản của động cơ trong hình 3.7.

Hình 3.7. Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc
Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối
tượng điều chỉnh, phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh. Điều đó dẫn
đến các điều kiện được giả thiết trong khi lập mô hình. Các điều kiện đó một mặt
đơn giản hóa mô hình có lợi cho việc thiết kế, mặc khác chúng gây nên sai lệch nhất

định, sai lệch trong phạm vi cho phép giữa đối tượng và mô hình.
Về phương diện động, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi
hệ phương trình vi phân bậc cao. Vì cấu trúc của các cuộn dây phức tạp về mặt
không gian, vì các mạch từ móc vòng, một số điều kiện được chấp nhận khi mô
hình hóa động cơ:
-

Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian.

-

Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua.

-

Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ.

-

Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi.

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha


-Trang 21-

Trục chuẩn của mọi quan sát được quy ước là trục đi qua tâm cuộn dây pha u. Ta sẽ
sử dụng các mô hình trong không gian trạng thái để mô tả động cơ.
3.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ
Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator:

(3.17)

Với:
(3.18)

Rs: điện trở cuộn dây pha stator
: từ thông stator của cuộn dây pha u, v, w.

(3.19)

Áp dụng công thức ta thu được điện áp:
(3.20)
Thay 3 phương trình (3.17, 3.18, 3.19) vào phương trình (3.20), thu được
phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:
(3.21)
Trong đó:
RS: điện trở cuộn dây pha Stator
: vector từ thông Stator
Phương trình trên thu được do các quan sát từ hệ thống 3 cuộn dây stator, vì vậy
cũng thu được trên hệ tọa độ :
(3.22)
Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch)
(3.23)
Trong đó

: vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor

Rr: điện trở rotor đã quy đổi về phía stator.
Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho
điện áp stator:

(3.24)

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha


-Trang 22-

Phương trình tổng quát trên có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc.
Trong đó:
với là góc giữa trục thực với hệ tọa độ bất kỳ k.
Đối với hệ tọa độ cố định Stator thì = 0 cho ta công thức (3.22). Thay “k” =”s”
Đối với hệ tọa độ từ thông rotor (dq) thì với là góc lệch giữa trục q với trục
thực. Thay “k” =”f”
Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor:
Với : vector từ thông ở hệ tọa độ “k” bất kỳ so với rotor
3.3.3. Các tham số của động cơ
Lm

hỗ cảm giữa rotor và stator
điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi

về stator)
điện cảm stator
điện cảm rotor
Ts = Ls/Rs

hằng số thời gian stator

Tr = Lr/Rr

hằng số thời gian rotor

hệ số tiêu tán tổng
Phương trình từ thông stator và từ thông rotor:
(3.25)
(3.26)

Mô men điện từ:
(3.27)
Phương trình chuyển động:
(3.28)

Với: mT là mômen tải, J là mômen quán tính cơ, là tốc độ góc của rotor
3.3.3. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator
Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau:

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha


-Trang 23-

(3.29)
(3.31)
(3.30)
(3.32)

Với: Lm :hỗ cảm giữa stator va rotor
Ls: điện cảm stator
Lr: điện cảm rotor

Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator bằng
cách rút vector từ phương trình (3.32) , ta được:
(3.33)
Thế ở phương trình (3.33) vào phương trình (3.31), ta được:
(3.34)
Thay và vào (3.29, 3.30) đồng thời sử dụng các tham số ta thu được hệ phương
trình (3.35) sau:
Ta chuẩn hóa và như sau:

(3.35)

là các phần tử của vectơ dòng từ hóa của động cơ.
Thay các vector dòng từ hóa vào hệ phương trình (3.35) đồng thời chuyển sang viết
dưới dạng các phần tử của vector, ta thu được hệ phương trình mới mô tả đầy đủ
phần hệ thống điện của một ĐCKĐB như sau:
(3.36)
(3.37)
(3.38)
(3.39)

Trong đó: : hệ số tiêu tán tổng.
Ta cũng có phương trình mômen:

(3.40)

Từ phương trình: ta rút rồi thế vào phương trình mômen:
(3.41)

Chương 3. Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha