1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
PHAN CƯỜNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP MỜ - THÍCH NGHI Chuyên ngành: Tự ñộng hóa
Mã số: 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng, Năm 2012


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của ñề tài
Ngày nay, ñộng cơ ñiện ñồng bộ ñược sử dụng nhiều trong
lĩnh vực ñiều khiển, trong công nghiệp vì nó có những ñặc ñiểm vượt
trội như hiệu suất, Cos ϕ cao, tốc ñộ ít phụ thuộc vào ñiện áp. Tuy
nhiên, việc ñiều khiển ñộng cơ ñồng bộ còn tương ñối khó khăn, do
ñặc tính phi tuyến mạnh. Những khó khăn trong việc ứng dụng ñộng
cơ ñồng bộ chính là làm thế nào ñể có thể dễ dàng ñiều chỉnh tốc ñộ
như việc ñiều chỉnh ñộng cơ một chiều. Vì vậy, ý tưởng về việc biến
ñổi máy ñiện xoay chiều thành máy ñiện một chiều trên phương diện
ñiều khiển ñã ra ñời. Điều khiển vector sẽ cho phép ñiều khiển từ
thông và moment hoàn toàn ñộc lập với nhau thông qua ñiều khiển
giá trị tức thời của dòng hoặc giá trị tức thời của áp. Điều khiển
vector cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xác của từ
thông và moment trong quá trình quá ñộ cũng như quá trình xác lập.
Cũng như các hệ thống ñiều khiển khác, chất lượng các hệ ñiều
khiển truyền ñộng ñiện phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của các bộ
ñiều khiển, ở ñó hệ thống phải tạo ra ñược khả năng thay ñổi tốc ñộ
trơn, mịn với phạm vi ñiều chỉnh rộng, ñộ chính xác của ñại lượng
ñiều chỉnh ở chế ñộ tĩnh cao ñể tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ,
hệ làm việc với bất cứ quá trình quá ñộ nào cũng phải ñạt ñược ñộ ổn
ñịnh cao và hệ phải có khả năng ñáp ứng nhanh với yêu cầu ñiều
chỉnh. Tất cả những ñiều này thực sự ñã ñặt ra những yêu cầu càng
ngày càng khắt khe hơn cho các hệ thống truyền ñộng.

2

Để giải quyết những vấn ñề trên, nhiều giải thuật ñiều khiển

- Ứng dụng phương pháp mờ có thích nghi ñiều khiển ñộng cơ
ñồng bộ nam châm vĩnh cửu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu:
Động cơ ñiện ñồng bộ nam châm vĩnh cửu xoay chiều ba
pha
 Phạm vi nghiên cứu:
- Tìm hiểu các phương pháp ñiều khiển hệ truyền ñộng ñộng
cơ ñồng bộ như:
+ Phương pháp ñiều khiển vô hướng (ñiều khiển V/f =
hằng số )
+ Phương pháp ñiều khiển vector:
▪ Điều khiển trực tiếp moment (Direct Torque Control -
DTC)
▪ Phương pháp ñiều khiển tựa theo từ thông (Field
Orientated Control - FOC)
Trong ñó, Người nghiên cứu sử dụng phương pháp ñiều khiển
tựa theo từ thông rotor làm hướng nghiên cứu chính.
- Xây dựng mô hình ñiều khiển hệ truyền ñộng ñộng cơ ñồng
bộ bằng phương pháp tựa theo từ thông rotor, sử dụng bộ ñiều khiển
PI ñể ñiều khiển tốc ñộ của ñộng cơ.

4

- Sử dụng phương pháp mờ thích nghi ñiều khiển ñộng cơ
ñồng bộ nam châm vĩnh cửu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu cấu trúc của truyền ñộng ñiện
xoay chiều ba pha, qua ñó phân tích và thiết kế các bộ ñiều khiển.
Xây dựng mô hình, mô phỏng trên phần mềm

các ñại lượng ba pha
1.2. Vector không gian của các ñại lượng ba pha
1.2.1. Xây dựng vector không gian
1.2.2. Chuyển hệ tọa ñộ cho vector không gian
1.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa ñộ từ thông
rotor
1.3. Mô hình của ñộng cơ PMSM ba pha
1.3.1. Lý do xây dựng mô hình
1.3.2. Hệ phương trình cơ bản của ñộng cơ
1.3.3. Các tham số của ñộng cơ
1.3.4. Mô hình trạng thái của ñộng cơ trên hệ tọa ñộ rotor
(dq)

6

Quan sát ñộng cơ PMSM cực lồi có khe từ ở vị trí giữa phiến
(vị trí ñỉnh cực, vị trí trục d) bé hơn khe từ ở vị trí tiếp giáp giữa hai
phiến (vị trí trục q) nên ñiện cảm stator trên hai trục d,q khác nhau
- Phuơng trình từ thông
ψ
sd
= L
sd
i
sd
+ ψ
p

ψ
sq

LiRu
ψωω
+++=

Phương trình dòng ñiện

sd
sd
sq
sd
sq
ssd
sd
sd
u
L
i
L
L
i
Tdt
di
11
++−=
ω

sq
p
ssq
sq

ψψ
+=(1.19)
(1.20)
(1.21)

7])[(
2
3
)]([
2
3
sqsdsqsqsdsd
sd
p
c
sqsdsqsdsqpc
iiLiLi
L
p
LLiiip
−+=
−+=
ψ
ψ

2.1.1. Mô tả về cấu trúc bộ biến tần
2.1.2. Mô tả toán học bộ biến tần
2.2. Phương pháp ñiều chế ñộ rộng xung (PWM)
2.3. Phương pháp ñiều chế vector không gian (SVM)
2.4. Điều khiển tựa theo từ thông rotor trong truyền ñộng
ñộng cơ PMSM
2.4.1. Điều kiện ñiều khiển moment tối ưu
2.4.2. Cơ sở của phương pháp tựa theo từ thông rotor
2.4.3. Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ PMSM tựa theo từ thông
rotor

9

2.4.3.1. Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor


sd
i

sd
i
∆
sq
i
∆
y
y
u
sd
u
sq
u
sα
u
sβ
i
sα
i
sβ
i
su
i
sv
i
sd
i

Máy ño tốc

ñộ quay
Khâu tích
phân
v

u

w

s
θ
Hình 2.20 Cấu trúc truyền ñộng ñộng cơ ñồng bộ nuôi
bởi biến tần nguồn áp và ñiều khiển tựa theo từ thông
rotor

10

2.4.3.2. Nguyên lý ñiều khiển tựa theo từ thông rotor
2.4.3.3. Xây dựng thuật toán ñiều khiển
2.4.3.4. Tổng hợp bộ ñiều khiển tựa theo từ thông rotor hệ biến tần –
ñộng cơ ñồng bộ ba pha sử dụng các khâu ñiều chỉnh tuyến tính theo
luật PI
- Tổng hợp bộ ñiều chỉnh tốc ñộ
Mạch vòng ñiều khiển tốc ñộ:


2
3
pc
p
Ψ

ω

ω*

1

i
Rω

-

ω

s
J
.
1

M
C

sT
i
21

iw
pw
ii
i
i
i
8
.
8
1
81
2
21
2
21
2
21
+=+=
+=
+
=
ωCHƯƠNG 3
GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU MRACS

3.1. Điều khiển mờ
3.1.1. Tổng quan về ñiều khiển mờ


13

CHƯƠNG 4
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MỜ - THÍCH NGHI
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM
VĨNH CỬU
4.1. Đặt vấn ñề:
4.2. Mô hình cơ bản của bộ ñiều khiển mờ thích nghi
4.3. Thiết kế bộ ñiều khiển mờ thích nghi
4.3.1. Thiết kế bộ ñiều khiển mờ
4.3.2. Đối với khâu chỉnh ñịnh mờ của bộ ñiều chỉnh tốc ñộ
R
ω
4.3.3. Đối với khâu chỉnh ñịnh mờ của bộ ñiều chỉnh dòng
R
22
4.4. Xây dựng cấu trúc các bộ ñiều khiển mờ

ω4.4.2. Xây dựng cấu trúc cho bộ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh
K
i2
của R
22Bộ chỉnh ñịnh mờ có hai ñầu vào là e
isq
và
dt
de
isq
và một ñầu ra là
K
i2
với sơ ñồ cấu trúc như hình 4.3.

Hình 4.4 Cấu trúc bộ ñiều chỉnh mờ chỉnh ñịnh K
i2
của R
ω Hàm thuộc tương ứng:

15

i
. 16

Bảng 4.3 Luật chỉnh ñịnh Ki

dt
tde )(

AL AN K DN DL
AL
L L K NH L
AN
TB NH NH TB L
K
NH TB K L NH
DN
TB L L TB TB
e(t)
DL
NH NH K NH NH

4.6. Tổng hợp các khâu trong bộ ñiều khiển mờ
4.6.1. Bộ ñiều khiển mờ của R
ω

tốc ñộ ra của ñộng cơ

r
e
ωω
−= * : sai lệch giữa tốc ñộ ñặt với tốc ñộ ra
của ñộng cơ
G
m
: hàm truyền của mô hình mẫu

17

4.8. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink
4.8.1. Các sơ ñồ mô phỏng
Các sơ ñồ mô phỏng như sau:

Hình 4.8 Sơ ñồ mô phỏng ñiều khiển ñộng cơ bằng phương pháp
mờ thích nghi

Hình 4.9 Hàm truyền của mô hình mẫu

4.8.2. Các kết quả mô phỏng
4.8.2.1. Các kết quả mô phỏng với bộ ñiều khiển PI
Để có cơ sở cho việc so sánh và thiết kế bộ ñiều khiển mờ
thích nghi, ñề tài xây dựng bộ ñiều khiển PI trên mô hình ñộng cơ tựa
theo từ thông rotor. Kết quả mô phỏng như sau:

18


toc do dat
toc do thuc PI

Hình 4.11 Đáp ứng tốc ñộ theo tải bộ ñiều khiển PI

190 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
time (s)
M, Mc (N.m)momen dong co theo tai PI
mo men tai

Hình 4.12 Đáp ứng mô men theo tải bộ ñiều khiển PI
Nhận xét:
- Đáp ứng tốc ñộ bám theo tốc ñộ ñặt khi mô mem tải thay ñổi
- Thời gian quá ñộ 0.05s
- Lượng quá ñiều chỉnh ñáp ứng tốc ñộ khá lớn (lớn nhất

30
time (s)
M,Mc (N.m)mo men dong co FC-PI
mo men tai FLC-PI

Hình 4.14 Đáp ứng mô men theo tải bộ ñiều khiển mờ

21Nhận xét:
- Với thiết kế bộ FC-PI cho ñáp ứng tốc ñộ bám theo tốc ñộ ñặt
khi mô mem tải thay ñổi
- Thời gian quá ñộ giảm xuống chỉ còn 0.024s
- Giảm ñộ dao ñộng lớn nhất khi mô mem tải thay ñổi (Mc=Mñm)
xuống còn 2,02% thay vì 2.2% như bộ ñiều khiển PI .
- Khi ñảo chiều ñộng cơ: ñáp ứng tốc ñộ sau 0.024s thi bám tốc ñộ
ñặt trong khi bộ ñk PI là 0.05s
4.8.2.3. Các kết quả mô phỏng với bộ ñiều khiển mờ thích nghi
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-150
-100
-50
0
50
100
150

0.0995 0.1 0.1005 0.101 0.1015 0.102 0.1025 0.103
97.5
98
98.5
99
99.5
100
100.5
101
time (s)
w*,w(rad/s)toc do dat
toc do thuc

Hình 4.17 Phóng to khi ñóng tải của ba bộ ñiều khiển

PI
MRAFC
PI

MRAFC

M
ờ23


24

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Luận văn ñã thực hiện ñược:
- Tìm hiểu một số phương pháp ñiều khiển ñộng cơ ñiện xoay
chiều 3 pha.
- Tìm hiểu mô hình ñộng cơ ñồng bộ nam châm vĩnh cửu và
xây dựng mô hình ñộng cơ trên hệ tọa ñộ dq.
- Xây dựn bộ ñiều khiển PI mô phỏng trên phần mềm
Matlab/Simulink
- Xây dựng phương pháp mờ chỉnh ñịnh tham số Kp của bộ PI
- Xây dựng và mô phỏng phương pháp mờ thích nghi ñiều
khiển ñộng cơ ñồng bộ kích thích vĩnh cửu cho ñáp ứng tốt.
• Đề xuất hướng phát triển:
- Đề tài mới chỉ ñưa ra cách giải quyết vấn ñề trên cơ sở lý
thuyết và thử nghiệm bằng mô hình mô phỏng, do vậy khi triển
khai trong thực tiễn chắc chắn sẽ còn nhiều vấn ñề phải quan
tâm.
- Phương pháp mờ thích nghi rất khó trong việc phân tích kết
quả ñiều khiển vì tính phi tuyến và sự thay ñổi liên tục theo thời
gian của hệ thống. Xây dưng bộ ñiều khiển mờ nơ ron là một
hướng ñi khác cho ñề tài.