v
TÓM TẮT

Đề tài trình bày về phương pháp điều khiển định hướng từ thông (Field
Orientated Control - FOC) cho động cơ không đồng bộ ba pha và giải thuật bầy đàn
(Particle swarm optimazation- PSO). Trình bày chi tiết về phương pháp điều chỉnh
thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp cổ điển Ziegler Nichols và giải thuật
bầy đàn. Xây dựng mô hình và kiểm tra tính đúng đắng của mô hình. Trong đề tài
này sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab simulink để mô hình hóa và mô phỏng cho
điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp Ziegler Nichols và
giải thuật bầy đàn. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này hoạt động tốt.
Từ Khóa: Động cơ ba pha, Điều chỉnh tham số, Giải thuật bầy đàn, Ziegler Nichols
Bộ điều khiển PID- PSO, Điều khiển định hướng từ thông.

ABSTRACT
This thesis presents field oriented control (FOC) of induction motor and
Particle swarm optimazation algorithm . It presents in details about tuning of PID
controller using Ziegler –Nichols (ZN) and Particle swarm optimazation (PSO)
methods. Constructing control model and checking the correctness of model are
also included in this topic. This thesis uses the programe language MATLAB
SIMULINK for tuning of PID controller of induction motor using Ziegler –Nichols
(ZN) and Particle swarm optimazation (PSO). The simmulation results show that
the proposed method has good performance.
Keywords: Induction Motor, Control Tuning Parameters, Particle Swarm
Optimization, Ziegler Nichols, PID-PSO Controller, Field Orientated Control.
vi


vii
2.3.1. Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp ( V/f) 11
2.3.1.1. Nguyên lý điều khiển từ thông không đổi 12
2.3.1.2. Trường hợp tốc độ động cơ thấp 13
2.3.1.3. Trường hợp tốc độ lớn hơn tốc độ định mức 13
2.3.1.4. Đặc tính cơ 13
2.3.2. Phương pháp điều khiển định hướng từ thông FOC - Field Orientated
Control 15
2.3.2.1. Các phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor 15
2.3.2.2. Vector không gian 16
2.3.2.3. Chuyển từ
   
, , ,abc


17
2.3.2.4. Chuyển từ
   
,,dq


17
2.3.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp moment DTC – Direct
Torque Control 18
Chơng 3: MÔ HÌNH ĐNG C KHÔNG ĐNG B BA PHA
3.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha 20
3.1.1. Giới thiệu 20
3.1.2. Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ 20
3.1.3. Các quan hệ công suất trong động cơ không đồng bộ 21

Chơng 4: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HNG TỪ THÔNG ậ FOC
4.1. Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC 38
4.2. Xây dựng thuật toán điều khiển 40
4.3. Giới thiệu cấu trúc hiện đại của FOC 42
4.4. Phân tích các khối trong FOC 43
4.4.1. Khối mô hình động cơ 43
4.4.2. Khối chuyển tọa độ voltage (d-q) sang
 


46
4.4.3. Khối chuyển tọa độ current(ABC) sang
 
qd 
48
4.4.4. Khối MHTT (mô hình từ thông) 50
Chơng 5: GIẢI THUT TI U HÓA BY ĐÀN
5.1. Lịch sử phát triển 52
5.2. Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn 55
5.3. Mô tả thuật toán 55
5.4. Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO 58
5.4.1. Mã hóa cá thể 58
5.4.1.1. Mã hóa nhị phân 58
5.4.1.2. Mã hóa hoán vị 59
5.4.1.3. Mã hóa theo giá trị 60
5.4.2. Khởi tạo quần thể ban đầu 60
5.4.3. Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) 61
5.4.4. Hàm vận tốc v 61
5.4.5. Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể 63
5.5. Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO 64

7.3 Hướng phát triển của đề tài 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC x
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TT

ACO Ant Colony Optimization
ANN Artificial Neural Network
DTC Direct Torque Control
FOC Field Orientated Control
GA Genetic Algorithms
IAE Integral absolute-error criterion
ISE Integral square-error criterion
ITSE Integral-of-time multiplied square-error criterion
ITAE Integral-of-time-multiplied absolute-error criterion
MIMO Multiple-Input-Multiple-Output
MISO Multiple-Input-Single-Output
P Proportional controller
PI Proportional-integral controller
PID Proportional-integral-derivative controller
PSO Particle Swarm Optimization
PWM Pulse Width Modulation
SI Swarm Intelligence
SIMO Single-Input-Multiple-Output
SISO Single-Input-Single-Output
ZN Ziegler- Nichols
,

và
 
,dq
-17
Hình 2.14: Sơ đồ ngun lý điều khiển trực tiếp moment DTC
– Direct Torque Control 18
Hình 3.1: Sơ đồ tương đương một pha động cơ khơng đồng bộ 21
Hình 3.2: Vò trí không gian các pha 22
Hình 3.3: Xây dựng vector không gian từ các đại lượng pha 24
Hình 3.4: Hệ tọa độ stator (α - β) 25
Hình 3.5: Mối liên hệ giữa tọa độ (α – β) và tọa độ (d-q) 26
Hình 3.6: Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ (d – q) 27
Hình 3.7: Sơ đồ mạch điện tương đương động cơ không đồng bộ 29
Hình 3.8: Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độ
()


33

xii
Hình 3.9: Sơ đồ động cơ trong hệ tọa độ
()


34
Hình 3.10: Sơ đồ tổng quan các khối trong hệ tọa độ
 
qd 

của động cơ 69
Hình 6.3: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 70
Hình 6.4: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 71
Hình 6.5: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 72
Hình 6.6: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha

xiii
của động cơ 73
Hình 6.7: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 74
Hình 6.8: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 75
Hình 6.9: Dạng sóng moment, tốc độ, từ thông rotor và dòng điện ba pha
của động cơ 76
Hình 6.10: Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo
phương pháp ZNvà PSO 78
Hình 6.11: Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo
phương pháp ZNvà PSO 79
Hình 6.12: Dạng sóng đáp ứng tốc độ của động cơ theo
phương pháp ZNvà PSO 80
xiv
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bng Trang
Bng 2.1: Bảng tính các thông số PID theo Z–N1 10

khiển các hệ truyền đng điện ngời ta đư áp dụng mt số các lý thuyt tiêu biểu
nh: Phơng pháp điều chỉnh thích nghi, điều khiển trợt, mạng nơron nhân tạo, hệ
mờ (Fuzzy)…và mt số hệ điều khiển lai.
Chương 1 Tổng Quan
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 2 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Đối vi đng cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng b đợc sử dụng nhiều
trong công nghiệp và đời sống. Điều khiển tốc đ đng cơ xoay chiều còn nhiều vấn
đề cần giải quyt bởi nó phụ thuc vào nhiều thành phần phi tuyn có tham số bất
định nh điện trở ca rôtor (phụ thuc vào nhiệt đ), từ thông, hệ số ma sát và tải
thay đổi. Điều khiển đng cơ xoay chiều đư là ch đề ca rất nhiều nghiên cu vài
chục năm gần đây.[4] Trong các nghiên cu đó đợc chia làm 2 hng:
Hng 1: Sử dụng các b cảm bin để đo các tham số ca đng cơ xoay chiều
và dựa vào đó đa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp. Khi sử dụng cảm bin s làm
tăng giá thành ca đng cơ và phc tạp trong kt nối điều khiển, nhng hng này
cho đ chính xác cao mà thuật toán điều khiển lại đơn giản.
Hng 2: Không sử dụng các b cảm bin mà ta dùng mô hình toán học để c
lợng tốc đ đng cơ thay cảm bin tốc đ. Trong hng này, các nghiên cu tập
trung vào mt số phơng pháp nh: sử dụng các b lọc Kalman, lọc phi tuyn hay
b quan sát theo ch đ trợt [10], [15] để c lợng tốc đ đng cơ. Hng này
giúp giảm giá thành sản phẩm, nhng hiệu quả điều khiển phụ thuc vào nhiều
thuật toán c lợng và đ chính xác ca mô hình đng cơ.
Tuy nhiên do hệ đng lực ca đng cơ xoay chiều có nhiều tham số bất định
nên việc điều khiển đng cơ theo các phơng pháp cổ truyền có cảm bin hay
không có cảm bin đều không đảm bảo chất lợng khi có tải thay đổi ln. Trong
trờng hợp này các phơng pháp điều khiển thích nghi [10], các phơng pháp nhận
dạng và phơng pháp điều chỉnh thông số b điều khiển PID trong điều khiển tốc
đ đng cơ vi sự hổ trợ ca mạng nơron, giải thuật di truyền (GA), giải thuật bầy
đàn (PSO: Particle swarm optimization) [6], [11] thờng đợc sử dụng.
Căn c vào các đánh giá nêu trên cùng vi yêu cầu nghiên cu ng dụng
phơng pháp điều khiển hiện đại để xác định thông số b điều khiển PID trong điều

đư sử dụng bốn phơng pháp để điều chỉnh b PID trong điều khiển tốc đ ca
đng cơ không đồng b ba pha rotor lồng sóc đó là: PID cổ điển, PID- PSO, PID
mờ và PID mờ lai. Kt quả mô phỏng cho thấy, phơng pháp PID mờ lai thì thời
gian đáp ng tốc đ nhanh, đ vọt lố và đ sụt dốc ca đng cơ khi thay đổi tải tốt
hơn so vi các phơng pháp trên. Bên cạnh đó kt quả mô phỏng cũng cho thấy vi
phơng pháp tối u b PID bằng thuật giải bầy đàn (PSO) thì đ vọt lố và đ sụt
dốc ca đng cơ khi thay đổi tải đều nhỏ hơn so vi phơng pháp PID cổ điển. [12]
Chương 1 Tổng Quan
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 4 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
1.2 Mục tiêu vƠ phm vi nghiên cu
1.2.1 Mục tiêu nghiên cu
ng dụng giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization) cho việc xác
định thông số b PID trong điều khiển tốc đ đng cơ không đồng b 3 pha.
1.2.2 Phạm vi nghiên cu
Đề tài tập trung nghiên cu giải thuật bầy đàn (PSO) cho việc xác định thông
số b điều khiển PID trong điều khiển tốc đ đng cơ không đồng b 3 pha.
1.3 Đi tng nghiên cu
 B điều khiển PID.
 Đng cơ không đồng b ba pha.
 Phơng pháp điều khiển tốc đ đng cơ định hng theo từ thông rotor.
 B PID trong khâu điều chỉnh tốc đ đng cơ không đồng b.
 Giải thuật bầy đàn (PSO: Particle swarm optimization).
1.4 Phng pháp nghiên cu
Trong đề tài này học viên đư sử dụng các phơng pháp nghiên cu:
Phơng pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin và tài liệu từ
sách, tạp chí, báo điện tử và truy cập mạng internet.
Phơng pháp quan sát: khảo sát mt số mô hình, mô phỏng thực t đang có từ
các đồ án trc và các bài báo trên mạng internet, từ đó mô phỏng lại bằng phần
mềm Matlab/Simulink để so sánh vi kt quả đư có nhằm rút ra những kinh nghiệm
trong việc mô phỏng.

 Hiệu chỉnh b PID bằng phơng pháp Ziegler- Nichols
 Các phơng pháp điều khiển tốc đ đng cơ không đồng b ba pha.
Chng 3: Mô hình đng cơ không đồng b ba pha
 Chơng này tìm hiểu các vấn đề :
 Mô hình đng cơ không đồng b ba pha.
 Xây dựng các khối mô phỏng đng cơ không đồng b ba pha bằng
Matlab/Simulink.
Chương 1 Tổng Quan
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 6 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Chng 4: Điều khiển định hng từ thông FOC- Field Orientated Control
 Chơng này gồm những ni dung sau:
 Cấu trúc FOC cơ bản.
 Xây dựng thuật toán điều khiển.
 Cấu trúc FOC hiện đại.
Chng 5: Thuật toán tối u hóa bầy đàn
 Chơng này tìm hiểu các vấn đề:
 Lịch sử hình thành.
 Các khái niệm cơ bản ca giải thuật bầy đàn.
 Mô tả thuật toán.
 Đặc điểm và ng dụng ca giải thuật bầy đàn
 Hiệu chỉnh PID bằng giải thuật bầy đàn.
Chng 6: Kt quả mô phỏng.
Chng 7: Kt luận và hng phát triển ca đề tài
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 7 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
CHNG 2
C S LÝ THUYT 2.1 B điu khin PID

: đ lợi tỉ lệ.
 K
i
: đ lợi tích phân.
 K
d
: đ lợi vi phân.
 T
i
=K
p
/K
i
: thời gian khâu vi phân.
 T
d
: thời gian khâu tích phân.
Điều chỉnh tỉ lệ (P): là phơng pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ
vi sai lệch đầu vào.
Điều chỉnh tích phân (I): là phơng pháp điều chỉnh tỉ lệ để lại mt đ lệch
(offset) sau điều chỉnh rất ln. Để khắc phục ta sử dụng kt hợp điều chỉnh tỉ lệ vi
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 8 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
điều chỉnh tích phân. Điều chỉnh tích phân là phơng pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu
điều chỉnh sao cho đ lệch giảm ti 0. Thời gian càng nhỏ thể hiện tác đng điều
chỉnh tích phân càng mạnh, ng vi đ lệch càng bé.
Điều chỉnh vi phân (D): khi hằng số thời gian ca hệ thống rất ln điều chỉnh
theo P hoặc PI có đáp ng quá chậm thì ta sử dụng kt hợp vi điều chỉnh vi phân.
Điều chỉnh vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ vi tốc đ thay đổi sai
lệch đầu vào.

GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 9 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
2.2.1 Phơng pháp Ziegler-Nichols th nhất
Xác định thông số ca b điều khiển PID dựa vào đáp ng ca hệ hở:

Hình 2.3: Sơ đồ khối ca mt hệ hở.

Hình 2.4: Đáp ng ca hệ hở.
Khi đó ta có bảng tính thông số ca b PID là:

Hình 2.5: Sơ đồ khối ca mt hệ kín có b PID.
B điều khiển PID :
 








 sT
sT
KsG
D
I
PC
1
1
(2.3)
Chương 2 Cơ sở lý thuyết

KT
T
1
2
9.0

T
1
/0.3
0
PID
KT
T
1
2
2.1

2T
1

0.5T
1

Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 11 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Phơng pháp này thay b điều khiển PID trong hệ kín bằng b khuch đại sau
đó tăng K cho đn khi hệ nằm ở biên gii ổn định, tc là hệ kín trở thành khâu dao
đng điều hòa. Lúc này ta có K
gh
và chu kì ca dao đng đó là T

gh

0,125*T
ghBng 2.2: Bảng tính các thông số PID theo Z–N2.
Vi:
P
I
I
K
K
T

(2.4)

D P D
K K T
(2.5)
2.3 Các phng pháp điu khin tc đ đng c không đng b ba
2.3.1 Điều khiển tốc đ bằng cách thay đổi tần số nguồn áp ( V/f)
Tốc đ đồng b ca đng cơ không đồng b tỉ lệ trực tip vi tần số nguồn
cung cấp. Do đó khi ta thay đổi tần số nguồn cung cấp cho đng cơ s làm thay đổi
tốc đ đồng b, tơng ng là tốc đ đng cơ thay đổi. [1]
Sc điện đng cảm ng trong stator E tỉ lệ vi tích ca tần số nguồn cung cấp
và từ thông trong khe hở không khí. Nu bỏ qua các điện áp rơi trên điện trở stator
có thể xem sc điện đng E  điện áp nguồn cung cấp. Nu giảm tần số nguồn
nhng giữ nguyên điện áp s dẫn đn việc gia tăng từ thông trong khe hở không khí.
Đng cơ thờng đợc thit k làm việc tại “điểm cánh chỏ” ca đặc tuyn từ hóa

const
jj


   
(2.7)
Khi đó nguyên lý điều khiển từ thông không đổi trở thành nguyên lý điều khiển
V/f = const1
đm
đm
V
V
= K
ff

(2.8)
Vi K
1
là hằng số hàm điều khiển
V/f
,
f
là tần số nguồn cung cấp cho stator.
Moment cực đại đợc xác định theo công thc:

 
2

p
'
sr
V
3
M = .
2.ω
X + X
3.p
V
.
4f
2 f. L + L







(2.10)
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 13 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Dạng rút gọn:

2
max 2
V
M = K .
f

 
'
sr
X + X
. Lúc đó để giữ nguyên moment cực đại ở tần số thấp, tỉ số
V/f
cần thay
đổi và có giá trị ln hơn tỉ số
V/f
ở ch đ định mc.
2.3.1.3 Trờng hợp tốc đ ln hơn tốc đ định mc
Điện áp stator s đợc duy trì không đổi và bằng giá trị định mc, tần số
f

đợc điều khiển tăng lên, đng cơ s làm việc ở ch đ non kích từ. Khi đó, để
tránh đng cơ quá tải, moment đng cơ s đợc điều khiển theo nguyên lý công suất
không đổi,
max
M
s giảm khi tần số tăng.
2.3.1.4 Đặc tính cơ
Từ thông s đợc giữ không đổi trong khoảng từ
đm
0f
, và khi đng cơ làm
việc vi vận tốc ln hơn vận tốc định mc thì điện áp stator đợc giữ không đổi, tần
số thay đổi (giảm từ thông).
Sau đây là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa moment và điện áp theo tần số
trong phơng pháp điều khiển
V/f = const

Hình 2.9: Sơ đồ khối phơng pháp V/f vòng hở.
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm 15 HVTH: Huỳnh Đc Chấn
Hình 2.10 là sơ đồ điều khiển tốc đ vòng kín theo nguyên lý
V/f =const
, ở sơ
đồ này chỉ khác vi sơ đồ vòng hở là có thêm khâu hồi tip tốc đ từ đng cơ. [1]

Hình 2.10: Sơ đồ khối phơng pháp V/f vòng kín.
2.3.2 Phng pháp điu khin đnh hng t thông FOC - Field Orientated
Control:
2.3.2.1 Các phơng pháp điều khiển định hng từ thông rotor
Có 2 phơng pháp trong việc điều khiển định hng tựa theo vector từ thông
thờng đợc sử dụng là: [2]
2.3.2.1.1 Phơng pháp điều khiển trực tip