Điều khiển động cơ kđb 3 pha theo phương pháp DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai

i
..

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Bùi Mạnh Hà


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành đề tài này, tơi xin chân thành cảm ơn Qúy thầy cô Trƣờng Đại
Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP HCM đã tận tình truyền đạt, trang bị những kiến thức
khoa học kỹ thuật quý giá cho tơi trong suốt q trình học cao học tại trƣờng.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy TS. Nguyễn Thanh Phƣơng ngƣời
đã tận tình hƣớng dẫn và truyền đạt kinh nghiệm để tơi hồn thành đề tài này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã động
viên giúp đỡ tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận
văn này.
TP HCM, Ngày 21 tháng 12 năm 2012
Học viên thực hiện

Bùi Mạnh Hà

iii

TĨM TẮT

Động cơ khơng đồng bộ ba pha là

thiết bị chủ lƣ̣c trong trùn đợng điện xoay

chiều vì các ƣu điểm nhƣ: cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, ít bảo trì,
sửa chữa, giá thành hạ , hiệu suất cao so với động cơ khác. Tuy nhiên, việc điều
khiển động cơ không đồng bộ là một vấn đề khó khăn , phức tạp vì động cơ khơng
đồng bộ là một hệ phi tuyến mạnh và cần một thuật toán điều khiển hết sƣ́c chặt
chẽ.
Phƣơng pháp đ iều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control - DTC), từ
thông stator và momen có thể đƣợc điều khiển trực tiếp bằng cách lựa chọn véc tơ
điện áp thích hợp, đang đƣợc sƣ̉ dụng phổ biến để điều khiển động cơ. Tác giả kết
hợp tính ƣu việt của các phƣơng pháp điều khiển khác nhau và cũng nhƣ với mong
muốn tì m hiểu sâu về l ĩnh vực truyền động điện xoay chiều . Trong luận văn này, đề
tài “ Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ điều
khiển PI mờ lai” đƣợc thực hiện.
Với mục đí ch cải tiến phƣơng pháp điều khiển PI thông thƣờng (với thông số
Kp và Ki cố định ) bằng cách đề xuất phƣơng pháp điều khiển

PI mờ lai (với sự

thay đổi động các thông số Kp và Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động cơ). Các
kết quả mô phỏng sẽ cho thấy hiệu quả của phƣơng pháp đề xuất.

iv

ABSTRACT
Induction motor is the most widely used in the traditional of the alternating current.
The advantages of

induction motor

such

as

simple

construction, reliable

operation, performance high the price is cheaper than other types of motors, as
well as easy maintenance. However, the induction motor control is a difficult
problem, complicated because induction motor is a strong nonlinear systems and
requires control algorithm very closely.
Direct Torque Control method (Direct Torque Control - DTC), flux stator and
moment can be controlled directly by selecting an appropriate inverter state, is in
using widely to control motor. Author combined advantages of the method different
together with high expectation of wide & deep study of induction motor drivers. In
this thesis, the theme: “Control three-phase induction motor with DTC method
using the hybrid fuzzy PI controller” are presented.
With an aim of improving the PI normal control method (with parameter point
of Kp and Ki) by proposed the Hybrid Fuzzy PI control method (with variable
parameter of Kp and Ki). Simulative results show the effectiveness of the proposed
method.

v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii
TÓM TẮT .................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ ix
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... x
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH ................................... xi
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 1
1.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................................ 1
1.1.1 Đặt vấn đề........................................................................................................... 1
1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 2
1.2.1 Mục tiêu của đề tài............................................................................................. 2
1.2.2 Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 3
1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................... 3
1.3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................ 3
1.3.1 Giới thiệu tổng quan về phƣơng pháp điều khiển DTC .................................. 3
1.3.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ....................................................................... 4
1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN .................................................................................. 7
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 8
2.1 ĐIỀU KHIỂN MỜ ........................................................................................................ 8
2.1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................ 8
2.1.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ ......................................................................... 8
2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ ................................................................................11
2.1.4 Điều khiển PID mờ [1] .....................................................................................11
2.1.4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ ...................................................... 12

2.1.4.2 Luật chỉnh định PID ........................................................................... 12


vi

2.1.4.3 Điều khiển PD mờ .............................................................................. 13
2.1.4.4 Điều khiển PI mờ ............................................................................... 13
2.1.4.5 Điều khiển PID mờ ............................................................................ 14
2.1.5 Hệ mờ lai ...........................................................................................................15
2.1.5.1 Hệ mờ lai khơng thích nghi ................................................................ 15
2.1.5.2 Hệ mờ lai cascade .............................................................................. 16
2.1.5.3 Công tắc mờ ....................................................................................... 16
2.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƢỚNG TRƢỜNG (FOC) ................................................... 16
2.2.1 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor trực tiếp ........................18
2.2.2 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng từ thông rotor gián tiếp .......................20
2.2.3 Ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp điều khiển định hƣớng trƣờng ................21
2.3 ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC) .......................................................... 21
2.3.1 Giới thiệu phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen .....................................21
2.3.2 Sự biến thiên các đại lƣợng của phƣơng pháp DTC .......................................23
2.3.2.1 Sự biến thiên của từ thông stator ........................................................ 23
2.3.2.2 Sự biến thiên của từ thông rotor ......................................................... 24
2.3.2.3 Sự biến thiên của điện áp stator .......................................................... 27
2.3.2.4 Sự biến thiên của momen ................................................................... 27
2.3.3 Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) ..........................................29
2.3.3.1 Kỹ thuật đóng ngắt các khóa để điều khiển từ thơng và momen ......... 30
2.3.3.2 Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen-DTC ................................ 36
2.3.3.3 Phân tích các khối trong sơ đồ nguyên lý ........................................... 37
2.3.3.3.1 Bộ so sánh từ thông....................................................................... 37
2.3.3.3.2 Bộ so sánh momen ........................................................................ 39
2.3.3.3.3 Bảng đóng cắt ............................................................................... 41

2.3.3.3.4 Bộ nghịch lƣu ............................................................................... 44
2.3.3.3.5 Khâu ƣớc lƣợng momen và từ thơng ............................................. 45
2.3.3.4 Mơ hình mơ phỏng phƣơng pháp DTC trong Matlab/simulink ........... 46
Chƣơng 3: MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ................. 47


vii

3.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ................................ 47
3.2 VECTOR KHÔNG GIAN VÀ CÁC ĐẠI LƢỢNG BA PHA ................................ 48
3.2.1 Xây dựng vector không gian ............................................................................48
3.2.2 Hệ tọa độ cố định stator (α-β) ..........................................................................49
3.2.3 Hệ tọa độ từ thơng rotor (d-q) ..........................................................................51
3.3 MƠ HÌNH CỦA ĐỢNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ................................. 53
3.3.1 Lý do xây dựng mơ hình ..................................................................................53
3.3.2 Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ ...............................................................54
3.3.3 Các tham số của động cơ ..................................................................................56
3.3.4 Mơ hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator (α-β)............................56
3.3.5 Mơ hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor (d-q) .............................59
3.3.6 Mơ hình động cơ KĐB 3 pha trên hệ tọa độ stator trong Simulink của
Matlab ..........................................................................................................................60
3.3.6.1 Các giá trị cần thu thập của động cơ không đồng bộ 3 pha ................. 60
3.3.6.2 Mơ hình động cơ trong simulink ........................................................ 61
3.3.6.3 Mơ phỏng mở máy trực tiếp động cơ không đồng bộ ......................... 61
Chƣơng 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
KĐB 3 PHA THEO PHƢƠNG PHÁP DTC .............................................................. 64
4.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN PI MỜ .......................................................................................... 64
4.2 MÔ HÌNH MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA THEO
PHƢƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ PI MỜ LAI .............................................................. 67
4.2.1 Bộ điều khiển PI mờ lai ....................................................................................67

4.2.2 Mơ hình mơ phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp
DTC dùng bộ điều khiển PI mờ lai. ...........................................................................72
4.2.3 Mô hình mơ phỏng điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp
DTC dùng bộ điều khiển PI thƣờng ...........................................................................72
Chƣơng 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .......................................................................... 74


viii

5.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG PHƢƠNG PHÁP DTC DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PI
MỜ LAI VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI THƢỜNG ................................................................ 74
5.1.1 Động cơ chạy không tải với tốc độ đặt định mức: ..........................................74
5.1.2 Động cơ chạy không tải với tốc độ đặt thay đổi: ............................................75
5.1.3 Động chạy không tải sau đó đóng tải: .............................................................77
5.1.4 Động cơ chạy với tải định mức, tốc độ đặt thay đổi :.....................................77
5.1.5 Động cơ chạy khơng tải sau đó đảo chiều quay : ...........................................79
5.1.6 Động cơ chạy với tải thay đổi, tốc độ đặt định mức :.....................................80
5.2 NHẬN XÉT KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...................................................................... 81
Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................... 82
6.1 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 82
6.2 HẠN CHẾ ................................................................................................................... 82
6.3 KIẾN NGHỊ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................. 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 84


ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DTC

Direct Torque Control

FOC

Field Oriented Control

PI

Proportional Integrator

PID

Proportional Integral Derivative

PWM

Pulse Width Modulation

ĐC KĐB

Động cơ không đồng bộ


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector I .......................................... 34
Bảng 2.2: Bảng phân tích khi vector từ thơng ở sector II ......................................... 34
Bảng 2.3: Bảng phân tích khi vector từ thơng ở sector III ....................................... 34

Bảng 2.4: Bảng phân tích khi vector từ thơng ở sector IV ........................................ 34
Bảng 2.5: Bảng phân tích khi vector từ thông ở sector V ........................................ 35
Bảng 2.6: Bảng phân tích khi vector từ thơng ở sector VI........................................ 35
Bảng 2.7: Bảng phân tích khi vector từ thơng ở sector K bất kỳ ............................. 35
Bảng 2.8: Bảng đóng cắt tối ƣu khi từ thông ở sector K.................................. 42
Bảng 2.9: Bảng đóng cắt vector điện áp theo yêu cầu điều khiển .................. 42
Bảng 2.10: Giá trị thông số điều khiển quy đổi .................................................. 43
Bảng 3.1: Các thông số của ĐCKĐB dùng để mô phỏng ......................................... 62
Bảng 4.1: Luật mờ của Kp ........................................................................................... 65
Bảng 4.2: Luật mờ của Ki ........................................................................................... 65
Bảng 4.3: Các thông số của ĐCKĐB dùng để mô phỏng ......................................... 73


xi

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản ................................................... 8
Hình 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ ........................................................................... 9
Hình 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản .................................................................... 9
Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ ............................................................. 12
Hình 2.5: Luật chỉnh định PID .................................................................................... 12
Hình 2.6: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani ..................................... 13
Hình 2.7: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani ....................................... 13
Hình 2.8: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani .................................... 14
Hình 2.9: Cấu trúc hệ mờ lai khơng thích nghi .......................................................... 15
Hình 2.10: Cấu trúc hệ mờ lai cascade ....................................................................... 16
Hình 2.11: Cơng tắc mờ .............................................................................................. 16
Hình 2.12: Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển định hƣớng trƣờng ................ 18
Hình 2.13: Sơ đồ điều khiển định hƣớng từ thơng rotor trực tiếp ............................ 19
Hình 2.14: Sơ đồ điều khiển định hƣớng từ thơng rotor gián tiếp ............................ 20

Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc phƣơng pháp điều khiển DTC động cơ KĐB ............... 22
Hình 2.16: Các vector điện áp trong khơng gian ................................................ 27
Hình 2.17: Minh họa góc lệch pha giữa từ thơng stator và rotor .............................. 29
Hình 2.18: Sáu sector trên mặt phẳng phức ............................................................... 30
Hình 2.19: Minh họa cho từ thơng ở sector I ............................................................. 31
Hình 2.20: Lựa chọn vector điện áp thích hợp cho từ thơng stator và momen ........ 31
Hình 2.21: Minh họa cho cho từ thơng ở sector K bất kỳ ......................................... 35
Hình 2.22: Sơ đồ nguyên lý điều khiển từ thông và momen ................................... 37
Hình 2.23: Hình minh họa cho bộ so sánh từ thơng hai bậc ..................................... 38
Hình 2.24: Mơ phỏng bộ so sánh từ thơng hai bậc trong Matlab-Simulink............. 39
Hình 2.25: Điều khiển vector khơng gian từ thơng stator ......................................... 39
Hình 2.26: Hình minh hoạ cho bộ so sánh từ thơng ba bậc ...................................... 40
Hình 2.27: Bộ so sánh momen ba bậc trong Matlab-Simulink ................................. 41


xii

Hình 2.28: Mơ hình xác định vị trí từ thơng stator trong mặt phẳng phức ............. 43
Hình 2.29: Mơ hình bộ so sánh từ thông và momen trong Matlab/simulink ........... 44
Hình 2.30: Mơ hình bảng đóng cắt trong Matlab/simulink ....................................... 44
Hình 2.31: Mơ hình bộ nghịch lƣu trong Matlab/simulink ....................................... 45
Hình 2.32: Mơ hình khâu ƣớc lƣợng momen và từ thơng trong Matlab/simulink .. 46
Hình 2.33: Mơ hình mơ phỏng phƣơng pháp DTC trong Matlab/simulink ............. 46
Hình 3.1: Vị trí khơng gian các pha ............................................................................ 48
Hình 3.2: Xây dựng vector khơng gian từ các đại lƣợng pha ................................... 49
Hình 3.3: Hệ tọa độ stator (  -  ) ............................................................................. 50
Hình 3.4: Mỗi liên hệ giữa tọa độ (  -  ) và tọa độ(d-q)..................................... 51
Hình 3.5: Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ (d-q). .............................. 52
Hình 3.6: Mơ hình đơn giản của động cơ KĐB ba pha có rotor lồng sóc ................ 53
Hình 3.7: Mơ hình mơ phỏng của động cơ khơng đồng bộ ba pha .......................... 61

Hình 3.8: Mơ hình mơ phỏng mở máy trực tiếp động cơ KĐB 3 pha ...................... 61
Hình 3.9: Kết quả mô phỏng mở máy trực tiếp động cơ KĐB 3 pha ....................... 63
Hình 4.1: sơ đồ bộ điều khiển PI mờ điều khiển ĐC KĐB theo pp DTC ................ 67
Hình 4.2: Mơ hình mơ phỏng khối PI mờ lai ............................................................. 67
Hình 4.3: Mơ hình khối Fuzzy logic ........................................................................... 68
Hình 4.4: Giao diện soạn thảo Fuzzy logic trên Matlab/simulink ............................ 68
Hình 4.5: Hàm thành viên sai số tốc độ E .................................................................. 68
Hình 4.6: Hàm thành viên của độ dốc sai số tốc độ DE ............................................ 69
Hình 4.7: Hàm thành viên Kp ...................................................................................... 69
Hình 4.8: Hàm thành viên Ki ...................................................................................... 69
Hình 4.9: Giao diện soạn thảo luật mờ trên Matlab/simulink ................................... 70
Hình 4.10: Luật mờ trong Matlab/simulink ............................................................... 70
Hình 4.11: Chỉnh định Kp trong khơng gian .............................................................. 71
Hình 4.12: Chỉnh định Ki trong khơng gian ............................................................... 71
Hình 4.13: Mơ hình điều khiển ĐC KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ
điều khiển PI mờ lai ...................................................................................................... 72


xiii

Hình 4.14: Mơ hình điều khiển ĐC KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC dùng bộ
điều khiển PI thƣờng..................................................................................................... 72
Hình 5.1: Kết quả mô phỏng động cơ chạy không tải với tốc độ định mức ............ 75
Hình 5.2: Kết quả mô phỏng động cơ chạy không tải với tốc độ thay đổi............... 76
Hình 5.3: Kết quả mơ phỏng động cơ chạy khơng tải sau đó đóng tải..................... 77
Hình 5.4: Kết quả mô phỏng động cơ chạy với tải định mức, tốc độ thay đổi ........ 78
Hình 5.5: Kết quả mơ phỏng động cơ chạy khơng tải sau đó đảo chiều quay ......... 79
Hình 5.6: Kết quả mơ phỏng động cơ chạy với tải thay đổi, tốc độ định mức ........ 80

1

Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU
1.1.1 Đặt vấn đề
Động cơ không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành đơn
giản, cạnh tranh về giá thành so với loại động cơ khác , làm việc tin cậy nên đƣợc sử
dụng nhiều trong sản xuất và đời sống . Tuy nhiên việc điều khi ển hoạt động của
động cơ không đồng bộ là tƣơng đối khó do đặc tí nh phi tuyến của động cơ.
Ngày nay cùng với sƣ̣ phát triển của thiết bị điện tƣ̉ cơng suất và các bộ vi xử
lý thì việc điều khiển ĐC KĐB trở nên dễ dàng hơn . 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 đƣợc nghiên
cƣ́u và ƣ́ng dụng rộng rãi trong lĩ n h vƣ̣c truyền động điện nhƣ phƣơng pháp momen
trƣ̣c tiếp , phƣơng pháp điều khiển phi tuyến

, phƣơng pháp đị nh hƣớng trƣờng ,

phƣơng pháp điều khiển vector không gian ,…Trong đó, phƣơng pháp sƣ̉ dụng mạng
neural, fuzzy logic kết hợp với các phƣơng pháp điều khiển thông thƣờng đang là
một hƣớng nghiên cƣ́u đầy tiềm năng trong điều khiển máy điện không đồng bộ .
Với mong muốn tì m hiểu sâu về lĩ nh vƣ̣c trùn đợng điện xoay chiều

.

Chính vì vậy đề tài “ Điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC
dùng bộ điều khiển PI mờ lai” đƣợc thực hiện.
1.1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, phƣơng pháp DTC cũng là một lựa chọn mới trong các kỹ thuật

điều khiển ĐC KĐB với những ƣu điểm sau:
-

Đơn giản, không cần đến các khối chuyển đổi tƣơng quan.

-

Tính linh hoạt cao

-

Khả năng điều khiển bền bỉ và chính xác


2

-

Không cần phải sử dụng các cảm biến đo từ thông trực tiếp

-

Không phụ thuộc nhiều vào thông số động cơ

-

Khả năng bám tốc độ đặt cao, ngay cả khi tải thay đổi
 Ƣu điểm của phƣơng pháp DTC so với phƣơng pháp V/F

-

Tốc độ động cơ bám tốt do momen điện từ của động cơ đƣợc điều khiển
trực tiếp

-

Đáp ứng tốc độ vẫn đảm bảo trong các điều kiện tải thay đổi hoặc thông số
động cơ thay đổi trong quá trình làm việc.

-

Cho đáp ứng nhanh, chất lƣợng truyền động tốt, hiệu suất cao.

-

Từ thông của động cơ luôn đƣợc giữ tối ƣu
 Ƣu điểm của phƣơng pháp DTC so với phƣơng pháp FOC

-

Ít phụ thuộc vào thơng số động cơ

-

Không cần phải sử dụng các khối chuyển đổi tƣơng quan

-

Cho đáp ứng momen nhanh hơn
 Tuy nhiên, trong hƣớng nghiên cứu đề tài này kết hợp phƣơng pháp

DTC với bộ điều khiển PI mờ lai nhằm cải thiện chất lƣợng hệ thống
khi hoạt động tốc độ thấp cũng nhƣ thay đổi momen yêu cầu.

1.2 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.2.1 Mục tiêu của đề tài
Đề tài này tập trung nghiên cứu bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ
KĐB 3 pha theo phƣơng pháp DTC nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều
khiển mờ lai trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Việc thiết kế sẽ đƣợc
mô phỏng trên Matlab/simulink.


3

1.2.2 Nội dung nghiên cứu
- Các phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha.
- Đặc tính của máy điện khơng đồng bộ.
- Xây dựng mơ hình máy điện động cơ KĐB.
- Xây dựng phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen động cơ KĐB.
- Xây dựng bộ điều khiển PI điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo phƣơng
pháp DTC.
- Xây dựng bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển tốc độ động cơ KĐB theo
phƣơng pháp DTC.
1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp tham khảo tài liệu: Bằng cách thu thập thông tin từ các tài liệu, bài
báo liên quan, và truy cập mạng internet.
- Phƣơng pháp quan sát: Khảo sát một số mơ hình mơ phỏng thực tế đang có từ các
luận văn trƣớc và các bài báo trên mạng internet, từ đó mơ phỏng lại bằng phần
mềm Matlab/simulink để so sánh với kết quả đã có nhằm rút ra những kinh nghiệm
trong việc mô phỏng.
- Phƣơng pháp mô phỏng: Phần nghiên cứu đƣợc kiểm chứng bằng việc thực hiện

mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab/simulink.
1.3 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.3.1 Giới thiệu tổng quan về phƣơng pháp điều khiển DTC
- Kỹ thuật DTC điều khiển ĐC KĐB 3 pha đƣợc đƣa ra đầu tiên bởi Takahashi vào
1986 và đƣợc xem nhƣ là giải thuật điều khiển động cơ cho đáp ứng momen nhanh
và hiệu suất điều khiển cao. Kỹ thuật này cho phép điều khiển độc lập và cùng lúc
từ thông động cơ và momen điện từ.


4

- Nếu từ thông stator đƣợc chọn là giá trị tham chiếu, giá trị ƣớc lƣợng của từ thông
và momen đƣợc tính tốn chỉ dựa vào dịng điện và điện áp stator. Nhƣ vậy điện trở
stator là thông số động cơ duy nhất cần đến. Đây chính là yếu tố tạo nên tính ƣu việt
cho kỹ thuật DTC.
Những năm gần đây, các giải pháp đƣợc đề nghị cho các hệ thống điều
khiển trực tiếp momen đƣợc cải tiến nhƣ sau:
- Sử dụng các bảng đóng cắt cải tiến.
- Sử dụng các bộ so sánh trễ hoặc khơng có trễ, hai ba bậc.
- Ứng dụng các sơ đồ DTC với tần số đóng ngắt khơng đổi, vận hành với kỹ
thuật PWM hoặc điều chế véctơ không gian.
- Ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ hoặc mạng nơron mờ.
- Sử dụng các bộ ƣớc tính từ thơng phức tạp để cải tiến đặc tính ở vận tốc
thấp.
1.3.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu
 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trong thập kỷ qua, có rất nhiều cải tiến trong sơ đồ điều khiển trực tiếp momen cổ
điển (Takahashi & Noguchi, 1986) đã đƣợc thực hiện bởi:
Romeral L., et al. (2003). Novel Direct Torque Control (DTC) Scheme
With

Fuzzy

Adaptive Torque-Ripple Reduction,

IEEE Trans. Ind. Electron.,

vol.50, pp.487–492,Jun.
Chen L., et al., (2005). A scheme of fuzzy direct torque control for
induction machine, IEEE Proceedings of the Fourth International Conference
on Machine Learning and Cybernetics, Guangzhou, 18-21 Aug.
Reddy T. B., at. al. (2006). Sensorless Direct Torque Control of
Induction Motor based on Hybrid Space Vector Pulsewidth Modulation to
Reduce

Ripples

and

Switching Losses – A Variable Structure Controller

Approach, IEEE Power India Conference.


5

Các mục tiêu của những cải tiến là nhằm để cải thiện việc khởi động của động cơ,
các hoạt động trong điều kiện quá tải và trong miền tốc độ thấp. Các thay đổi cũng
nhằm mục đích để giảm momen và dòng điện hài, giảm mức độ tiếng ồn và để tránh
biến điệu tần số bằng cách sử dụng các phƣơng pháp chuyển mạch với tần số đóng

cắt khơng đổi.
Những nhƣợc điểm cơ bản của sơ đồ DTC sử dụng các bộ điều khiển trễ chuyển đổi
tần số là xuất hiện dịng và momen gọn sóng. Sự chuyển động của vector từ thơng
stator trong q trình thay đổi vịng quay các thanh dẫn tạo các sƣờn dao động đáng
kể của momen điện từ. Một vấn đề khác là việc thực hiện các bộ điều khiển trễ đòi
hỏi một tần số lấy mẫu cao. Khi một bộ điều khiển trễ đƣợc thực hiện bằng cách sử
dụng một bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) hoạt động hoàn toàn khác với bộ
tƣơng tự.
Trong bộ tƣơng tự, hoạt động các giá trị của momen điện từ và độ lớn từ thông
stator đƣợc giới hạn trong giải trễ mong muốn. Điều đó có nghĩa, biến tần có thể
thay đổi trạng thái mỗi lần độ lớn từ thông hoặc momen đi qua một giới hạn nhất
định.
Nói cách khác, việc thực hiện kỹ thuật số sử dụng thời gian mẫu cụ thể mà trên đó
momen và từ thơng đƣợc kiểm tra nằm trong giới hạn mong muốn. Điều đó có
nghĩa là momen và từ thơng có thể vƣợt ra khỏi giới hạn mong muốn rất thƣờng
xuyên cho đến khi thời gian lấy mẫu kế tiếp. Đối với lý do này, gợn song momen và
từ thông không mong muốn xuất hiện.
Nhiều nhà nghiên cứu đƣợc định hƣớng kết hợp các nguyên tắc của DTC với một
phƣơng pháp tần số đóng cắt khơng đổi để điều khiển bộ biến tần bằng cách sử
dụng điều chế vector khơng gian. Điều này địi hỏi tính tốn trong các sơ đồ điều
khiển vector điện áp tham chiếu mà cần phải có điều chế trong đầu ra bộ biến tần.
Vì vậy, điều khiển trực tiếp momen với phƣơng pháp điều chế không gian vector
(DTC-SVM) đƣợc áp dụng


6

Koutsogiannis Z. &, Adamidis G., (2007). Direct Torque Control using
Space Vector Modulation and dynamic performance of the drive via a Fuzzy logic
controller for speed regulation, in: proceedings of EPE.

Ngoài ra, DTC-SVM có thể đƣợc áp dụng bằng cách sử dụng điều khiển momen
vịng kín để giảm gợn sóng momen. Rất nhiều bài báo nói về điều khiển tốc độ của
truyền động điện, trong đó sử dụng các chiến lƣợc khác nhau dựa trên trí tuệ nhân
tạo nhƣ mạng lƣới thần kinh nhân tạo và bộ điều khiển logic mờ đã trình bày. Đối
với các bộ điều khiển tốc độ PI mờ có khả năng loại bỏ nhiễu và bền vững đƣợc
chứng minh:
Gadoue S. M. at. al., (2009). Artificial intelligence-based speed control
of DTC induction motor drives-A comparative study, J. Electric Power Syst. Res.
 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Những năm gần đây, hƣớng nghiên cứu điện tử công suất ứng dụng điều
khiển tốc độ động cơ KĐB, trong đó kết hợp phƣơng pháp DTC và biến tần ma trận
đang đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Có nhiều nhiều cơng trình công bố
những kết quả nghiên cứu về lý thuyết cũng nhƣ thực nghiệm. Một số cơng trình
đáng chú ý do nhóm tác giả trong nƣớc nhƣ:
Direct torque control for matrix converter fed three-phase induction motor
using an artificial neural network model. TS. Phan Quốc Dũng, Lê Minh Phương,
Nguyễn Hoàng Vũ.
Direct torque control for matrix converter fed induction motor drive using
fuzzy logic controller.Nguyễn Phương Duy, Huỳnh Trung Nam, Huỳnh Thái Hoàng,
Nguyễn Văn Nhờ.
Direct torque control of induction motor drive fed by three-level NPC inverter
with common mode voltage elimination.Phan Thành Minh, Nguyễn Văn Nhờ
Tuy nhiên, các nghiên cứu trên hầu hết chỉ dừng ở mức đƣa ra giải thuật hoặc mô
phỏng với Matlab/Simulink. Rất ít nghiên cứu đề cập đến kết quả thực nghiệm.


7

Đề tài này luận văn này sẽ đƣa ra các giải thuật của bộ điều khiển PI mờ lai cho
vòng hồi tiếp tốc độ ứng dụng vào phƣơng pháp điều khiển trực tiếp momen động

cơ KĐB 3 pha. Tất cả lý thuyết, kết quả mơ phỏng sẽ đƣợc trình bày trong phần sau.
1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn gồm các chƣơng sau:
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Chƣơng 3: Mơ hình tốn động cơ không đổng bộ 3 pha
Chƣơng 4: Thiết kế bộ điều khiển PI mờ lai điều khiển động cơ KĐB 3 pha theo
phƣơng pháp DTC
Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng
Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài


8

Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 ĐIỀU KHIỂN MỜ
2.1.1 Giới thiệu chung
Điều khiển mờ đƣợc thực hiện dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là điều khiển mờ.
Hệ điều khiển mờ cho phép đƣa các kinh nghiệm điều khiển của các chuyên gia vào
thuật toán điều khiển.
Chất lƣợng điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của ngƣời thiết kế.
Điều khiển mờ có thế mạnh trong các hệ thống sau:
 Hệ thống điều khiển phi tuyến.
 Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào và đầu ra khơng đủ hoặc
khơng xác định.
 Hệ thống điều khiển khó xác định hoặc khơng xác định đƣợc mơ hình đối
tƣợng.
Sơ đồ điều khiển có nhiều dạng khác nhau. Dƣới dây là một sơ đồ điều khiển
đơn giản thƣờng gặp, trong đó bộ điều khiển mờ đƣợc dùng thay thế cho bộ điều

khiển kinh điển.

Hinh 2.1: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản

2.1.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành, giải
mờ. Khi ghép bộ điều khiển mờ vào hệ thống, thƣờng thêm vào hai khối tiền xử lý
và hậu xử lý.


9

Hinh 2.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ [1]
Bộ điều khiển mờ cơ bản:

Hinh 2.3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản [1]
 Bộ điều khiển mờ bao gồm :
 Mờ hóa: Biến giá trị rõ đầu vào thành giá trị mờ.
 Hệ luật mờ: Tập các luật “if-then”. Đây là “bộ não” của bộ điều khiển mờ.
Luật mờ “if-then” có 2 dạng: Luật mờ Mamdani và luật mờ Sugeno.
 Thiết bị hợp thành: Biến đổi các giá trị đã đƣợc mờ hóa ở đầu vào thành các
giá trị đầu ra theo các luật hợp thành nào đó.
 Giải mờ: Biến giá trị đầu ra của khối của thiết bị hợp thành thành giá trị rõ.
 Thiết bị ghép nối:
 Tiền xử lý: Xử lý tín hiệu trƣớc khi đi vào bộ điều khiển mờ cơ bản.
 Lƣợng tử hóa hoặc làm trịn giá trị đo.
 Chuẩn hóa hoặc chuyển tỷ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn.
 Lọc nhiễu.

10

 Lấy vi phân hay tích phân.
 Hậu xử lý: Xử lý tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản.
 Chuyển tỷ lệ giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản thành
giá trị vật lý.
 Đơi khi có khâu tích phân.
 Bộ điều khiển Mamdani :
Bộ điều khiển Mamdani là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Mamdani
If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = B
Trong đó Ai , B là các tập mờ.
 Bộ điều khiển Sugeno :
Bộ điều khiển mờ Sugeno là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Sugeno :
If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = f (x1, x2,….,xn)
Trong đó :
Ai : là các tập mờ
f(.) là hàm của các tín hiệu vào (hàm rõ).
Phƣơng pháp giải mờ dùng trong bộ diều khiển mờ Sugeno là tổng có trọng số

Trong đó: βi : Độ cao của tập mờ kết quả trong mệnh đề điều kiện của luật i.
K: Số luật.
 So sánh:
Bộ điều khiển mờ Mamdani thích hợp để điều khiển các đối tƣợng không xác định
đƣợc mô hình.
Bộ điều khiển mờ Sugeno thích hợp để điều khiển các đối tƣợng có mơ hình khơng
chính xác, hoặc mơ hình phi tuyến đƣợc tuyến tính hóa từng đoạn.


11

Bộ điều khiển mờ Mamdani có phần kết luận trong hệ luật là các tập mờ dạng
singleton cũng chính là bộ điều khiển mờ Sugeno có hệ luật mà phần kết luận là
hằng số.
2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ
 ‘ Thiết kế dựa vào kinh nghiệm chuyên gia
 ‘ Thiết kế dựa trên lý thuyết Lyapunov
 ‘ Thiết kế bộ điều khiển PID mờ
 ‘ Thiết kế bộ điều khiển mờ dùng giải thuật di truyền.
2.1.4 Điều khiển PID mờ [1]
Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID đƣợc xem nhƣ một giải pháp đa năng
cho các ứng dụng điều khiển Analog cũng nhƣ Digital. Theo một nghiên cứu cho
thấy có khoảng hơn 90% các bộ điều khiển đƣợc sử dụng hiện nay là bộ điều khiển
PID. Bộ điều khiển PID nếu đƣợc thiết kế tốt có khả năng điều khiển hệ thống với
chất lƣợng quá độ tốt (đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp) và triệt tiêu đƣợc sai số xác
lập.
Việc thiết kế bộ PID kinh điển thƣờng dựa trên phƣơng pháp Zeigler-Nichols,
Offerein, Reinish … Tuy nhiên nếu đối tƣợng điều khiển là phi tuyến thì bộ điều
khiển PID kinh điển không thể đảm bảo chất lƣợng điều khiển tại mọi điểm làm
việc. Do đó để điều khiển các đối tƣợng phi tuyến ngày nay ngƣời ta thƣờng dùng
kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phầm mềm), đây chính là cơ sở của thiết kế
PID mờ hay PID thích nghi.


12

2.1.4.1 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ

Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ [1]
Mơ hình toán của bộ PID [1]:
t

t
u(t) = K P e(t )  K I  e( )d  K D de(t ) = K P [e(t )  1  e( )d  TD de(t ) ]

dt

0

GPID(s) = K P 

KI
 K D s ; TI  K P ;
s
KI

TI

K
TD  D
KP

;

(2.1)

dt

0



TI
;
TD

KI 

K I2
 .K D

Các tham số KP, KI, KD đƣợc chỉnh định theo từng bộ điều khiển mờ riêng biệt dựa
trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t). Có nhiều phƣơng pháp khác nhau để chỉnh định
bộ PID nhƣ là dựa trên phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định theo
Zhao, Tomizuka và Isaka … Nguyên tắc chung là bắt đầu với các trị KP, KI, KD theo
Zeigler-Nichols, sau đó dựa vào đáp ứng và thay đổi dần để tìm ra hƣớng chỉnh
định thích hợp.
2.1.4.2 Luật chỉnh định PID

Hình 2.5: Luật chỉnh định PID [1]