BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH

ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 1 5 0

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH

ỨNG DỤNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

NGÀNH: TB MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG



Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 9/2005 đến 9/ 2010

Nơi học (trường, thành phố): TP Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện khí hóa và cung cấp điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế máy đo công suất tác dụng và
công suất phản kháng chỉ thị kim dùng IC MCP3905
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 1/2010 tại trường ĐH SP KT TP.HCM
Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Anh

i


III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

10/2010-3/2011

Trường CĐN Đồng Nai


ii


TÓM TẮT
Động cơ điện xoay chiều, đặc biệt là đồng cơ không đồng bộ rotor lồng sóc
thường có nhiều lợi thế như: cấu tạo đơn giản, vận hành tin cậy, giá thành thấp, ít bảo
trì; động cơ không đồng bộ có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Việc điều khiển tốc
độ động cơ không đồng bộ đóng vai trò quan trọng nhằm tối ưu hóa mô-men và hiệu
suất. Có nhiều kỹ thuật điều khiển tốc độ khác nhau như: điều khiển V/f; điều khiển
trực tiếp mô-men, điều khiển tựa theo từ trường. Hệ truyền động điều khiển tựa theo
từ trường điều chỉnh tốc độ và mô-men tốt nhất cho động cơ xoay chiều. Cho phép
điều khiển động cơ xoay chiều như một chiều, phù hợp cho các ứng dụng sử dụng
động cơ một chiều trước kia.
Hệ thống truyền động điều khiển gián tiếp tựa theo từ trường truyền thống cho
động cơ không đồng bộ thường sử dụng các bộ hiệu chỉnh PI thông cho các giá trị hồi
tiếp thường có độ chính xác thấp và làm giảm hiệu suất của hệ thống. Để khắc phục
vấn đề này, thay thế bộ điều khiển PI bởi bộ điều khiển thông minh dựa trên lý thuyết
tập mờ được đề xuất. Điều khiển mờ có thể tự động hiệu chỉnh các thông số điều
khiển với khả năng thích ứng cao và điều chỉnh tốc độ chính xác.
Chất lượng của bộ điều khiển thông minh đã được khảo sát thông qua việc mô
phỏng bằng công cụ MATLAB-SIMULINK dưới các điều kiện khác nhau như thay
đổi đột ngột tốc độ và mô-men tải. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng chất lượng của bộ
điều khiển đề xuất tốt hơn so với bộ điều khiển PI thông thường.

iv


ABSTRACT
AC motors, particularly the squirrel-cage induction motor (SCIM), enjoy


i

Lời cam đoan

ii

Cảm tạ

iii

Tóm tắt

v

Abstract

iv

Mục lục

v

Danh sách các chữ viết tắt

vi

Danh sách các hình

vii

Chƣơng 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
2.1. Mô hình toán của ĐCKĐB ở chế độ xác lập

10

2.2. Mô hình động của động cơ không đồng bộ

12

2.3. Các phương trình toán học cơ bản

14

2.4. Mô hình trạng thái động cơ trên hệ tọa độ stator

16

2.5. Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq

20

2.5.1. Các phép chuyển đổi hệ trục tọa độ

20

2.5.2. Mô hình trạng thái của động cơ trong hệ trục quay dq

22

v

Chƣơng 4 LÝ THUYẾT HỆ MỜ, ĐIỀU KHIỂN PID - MỜ
4.1. Lý thuyết hệ mờ

47

4.1.1. Một số khái niệm cơ bản

47

4.1.2. Mệnh đề hợp thành mờ, luật hợp thành mờ

49

4.1.3. Giải mờ

50

4.1.4. Bộ điều khiển mờ

52

4.2. Điều khiển PID - Mờ

54

4.2.1. Điều khiển PID truyền thống

54

4.2.2. Điều khiển PID - Mờ

6.2. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo

75

TÀI LIỆU THAM KHẢO

76

v


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FOC

- Field Oriented Control

IFOC

- Indirect Field Oriented Control

DFOC - Direct Field Oriented Control
DTC

- Direct Torque Control

FLC

- Fuzzy Logic Controller

SLC

10

Hình 2.3. Hệ trục toạ độ abc và hệ trục tọa độ αβ

12

Hình 2.4. Các vectơ sức từ động khi θ = ωt = 0

13

Hình 2.5. Các vectơ sức từ động khi θ = ωt = 600

13

Hình 2.6. Các thành phần của lực từ động trong hệ trục tọa độ stator

13

Hình 2.7. Vec-tơ dòng stator trên hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq

17

Hình 2.8. Dòng điện stator is trong hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβ

20

Hình 2.9. Vec-tơ không gian dòng stator trên hệ tọa độ αβ và hệ tọa độ dq

21


34

Hình 3.9. Vector dòng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d, q)

35

Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc hiện đại của phương pháp IFOC sử dụng khâu hiệu chỉnh
PI truyền thống
37
vii


Hình 3.11. Khối dò từ thông

38

Hình 3.12. Bảng dò từ thông thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và từ thông

39

Hình 3.13. Khối chuyển trục tọa độ (a; b; c) → (α; β)

39

Hình 3.14. Khối chuyển trục tọa độ (α; β) → (a; b; c)

40

Hình 3.15. Khối chuyển trục tọa độ (α; β) → (d; q)



Hình 4.3. Cấu trúc của một hệ điều khiển mờ

52

Hình 4.4. Nguyên lý điều khiển mờ

53

Hình 4.5.Điều khiển PID truyền thống

54

Hình 4.6. Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani

56

Hình 4.7. Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani

57

Hình 4.8. Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani

57

Hình 4.9. Cấu trúc bộ điều khiển mờ FLC

58

Hình 5.1. Đáp ứng ngõ ra của DCKĐB ba pha theo phương pháp IFOC ở tốc độ định

Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.
Ngày nay, công nghiệp là lĩnh vực phát triển với tốc độ rất nhanh, đi kèm theo đó
thì truyền động là khâu không thể thiếu được, ban đầu là các khâu truyền động bằng cơ
khí, nhưng dần dần để tự động hóa các quá trình thì khâu truyền động điện đã được sử
dụng rộng rãi và trở thành không thể thiếu. Động cơ điện cũng là một phần không kém
phần quan trọng trong khâu truyền động với nhiệm vụ chuyển hóa điện năng thành cơ
năng với những đặc tính cần thiết. Việc điều khiển chính xác để tạo nên các chuyển
động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Do đó truyền động điện là một
môn khoa học được ứng dụng các kiến thức mới nhất của lý thuyết điều khiển tự động,
các tiến bộ của công nghệ vi xử lý… nhằm gán cho động cơ các đặc tính cao cấp hơn để
đáp ứng được các đòi hỏi ngày càng tăng của quá trình tự động hóa đặt ra cho thiết bị
truyền động.
Điều khiển tốc độ động cơ AC được ứng dụng từ những năm 1990 và ngày càng
chiếm vị trí nhiều hơn điều khiển tốc độ động cơ DC. Động cơ không đồng bộ được ứng
dụng trong các hệ truyền động trong Băng chuyền, băng tải, máy nạp liệu, máy nghiền,
máy khử từ, các ứng dụng dân dụng như máy giặt, tủ lạnh, máy điều hòa, quạt điện,…

a/Ứng dụng vào sàn rung

b/ Ứng dụng bơm chân không

2


Chương 1

c/ Ứng dụng trong Máy khử từ


áp dụng nhiều. Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, nhưng điểm khác nhau
giữa các phương pháp là hiệu suất và giá thành. Dưới đây là một số phương pháp điều
khiển hiện đại đang được áp dụng trong thực tế:
 Phương pháp V/f: là phương pháp điều khiển đơn giản và phổ biến trong
phần lớn các ứng dụng trong công nghiệp. Điểm đặc biệt của phương pháp đó là mối
quan hệ giữa điện áp và tần số là một hằng số. Cấu trúc của mạch thì đơn giản và
thường sử dụng dạng không hồi tiếp tốc độ. Tuy nhiên phương pháp này có độ chính
xác không cao trong đáp ứng tốc độ và moment.
 Phương pháp DTC: đây là phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông stator
và moment và cũng là phương pháp có hiệu suất cao. Nội dung của phương pháp này là
dựa trên sai biệt giữa giá trị đặt và giá trị ước lượng từ các khâu tính toán hồi tiếp về của
moment và từ thông. Mặt khác ta có thể điều khiển trực tiếp trạng thái của bộ nghịch lưu
PWM thông qua các tín hiệu điều khiền đóng cắt các khóa công suất nhằm mục đích
giảm sai số moment và từ thông trong phạm vi cho phép được xác định trước. Tuy nhiên
có thể hai vấn đề thương thấy trong truyền động DTC dựa trên khâu so sánh trễ là:
-

Tần số đóng ngắt thay đổi do khâu sánh trễ được sử dụng cho khối ước lượng từ
thông và mô-men.

-

Ước lượng từ thông stator không chính xác có thể làm giảm hiệu suất của truyền
động.
 Phương pháp FOC: là kỹ thuật được sử dụng phổ biến với hiệu suất cao trong

việc điều khiển động cơ vì từ thông và moment có thể được điều khiển độc lập. FOC là
phương pháp điều khiển dòng stator chủ yếu dựa vào biên độ và góc pha và đặc trưng là
các vector. Điều khiển này cơ bản dựa vào sự tham chiếu về thời gian và tốc độ trên hệ
trục d – q, đây là hệ trục bất biến. Sự tham chiếu này nhằm mục đích để hướng việc

Mạng nơ-ron và kỹ thuật logic mờ hoàn toàn khác biệt, tuy nhiên có thể hợp nhất
với nhau trong việc xử lý thông tin bằng cách xác định các quan hệ toán học giữa các

5


Chương 1

biến số trong trong một hệ thống phức tạp, mang tính ước chừng; điều khiển hệ thống
phi tuyến ở một mức độ mà hệ thống tuyến tính là không thể.
Trong hệ thống một hệ thống truyền động tối ưu, tốc độ động cơ cần theo đúng
quỹ đạo quy định đặt ra bất kể sự thay đổi tải cũng như thay đổi các tham số mô hình.
Để đạt được hiệu suất cao, điều khiển tựa theo từ trường trong truyền động động cơ cảm
ứng được sử dụng [5]. Tuy nhiên khâu thiết kế điều khiển của hệ thống đóng một vai trò
trong hệ thống. Việc tách biệt các thành phần của véc tơ điều khiển động cơ cảm ứng bị
ảnh hưởng bất lợi đến các thay đổi tham số trong động cơ.
Các vấn đề điều khiển tốc độ của động cơ cảm ứng thường được giải quyết bằng
các bộ điều khiển PI và PID. Tuy nhiên các bộ điều khiển trên rất nhạy cảm với sự thay
đổi tham số, và phân bố tải… Vì vậy, các thông số điều khiển phải được điều chỉnh liên
tục. Vấn đề có thể được giải quyết bằng một số kỹ thuật điều khiển thích nghi như điều
khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu, kiểm soát chế độ trượt (Slide Mode Control),
kiểm soát cấu trúc biến (Variable Structure Control) và bộ điều khiển tự điều chỉnh
PI…[6-9]. Thiết kế các bộ điều khiển trên phụ thuộc vào các hệ thống mô hình toán học
chính xác. Tuy nhiên thường rất khó để phát triển một mô hình toán học chính xác do sự
thay đổi tải chưa biết và các biến thể tham số không thể tránh khỏi do bão hòa, sự thay
đổi nhiệt độ và sự xáo trộn hệ thống. Để khắc phục những vấn đề trên, điều khiển logic
mờ (Fuzzy Logic Control) đang được sử dụng cho mục đích điều khiển động cơ. Có một
số lợi thế của điều khiển mờ so với thông thường PI, PID và điều khiển thích nghi chẳng
hạn như nó không đòi hỏi bất kỳ mô hình toán học, nó được dựa trên các quy tắc ngôn
ngữ trong cấu trúc chung IF-THEN, là cơ bản của logic của con người [10].

lượng tựa theo từ trường
[2] Minh Ta-Cao, J. L. Silva Neto and H. Le-Huy, “Fuzzy Logic based
Controller for Induction Motor Drives”, Canadian Conference on Electrical and
Computer Engineering, Volume 2, Issue, 26-29 May 1996.
Kiểm soát tốc độ bằng cách hiệu chỉnh đòng điện thực hiện bởi bộ ngịch lưu
nguồn áp cung cấp cho động cơ cảm ứng đã được thảo luận. Bộ điều khiển Logic mờ
thay cho bộ điều khiển PI cổ điển sử dụng trong truyền động động cơ cảm ứng đã được
đề xuất bởi Minh Ta-Cao. Hiệu suất của hệ thống này được so sánh với hệ truyền động
điều khiển vector sử dụng bộ điều khiển PI thông thường.
[3] M. N. Uddin, T. S. Radwan and M. A. Rahman “Performances of FuzzyLogic Based Indirect Vector Control for Induction Motor Drive,” IEEE Transactions
on Industry Applications, Vol. 38, No. 5, pp. 1219-1225, September/October, 2002.
Hệ thống điều khiển vector gián tiếp truyền thống sử dụng bộ điều khiển PI
thông thường trong vòng lặp tốc độ bên ngoài vì sự đơn giản và ổn định. Tuy nhiên, sự
thay đổi bất ngờ điều kiện tải trọng hoặc các yếu tố môi trường sẽ tạo ra vọt lố, dao
động của tốc độ động cơ, dao động của mô-men xoắn, thời gian để đạt ổn định kéo dài
và do đó làm giảm hiệu suất truyền động. Để khắc phục điều này, một bộ điều khiển
thông minh dựa vào logic mờ có thể được sử dụng gọi là bộ điều chỉnh PI. Logic mờ có
7


Chương 1

những lợi thế nhất định so với các bộ điều khiển cổ điển như điều khiển đơn giản, chi
phí thấp, và có thể thiết kế mà không cần biết các mô hình toán học chính xác của đối
tượng.
1.3 ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI.
Với một số các ưu điểm của bộ điều khiển logic mờ đã được đề cập bên trên,
cộng thêm mong muốn được tìm hiểu, áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại FOC cho
các hệ truyền động động cơ không đồng bộ 3 pha. Do đó học viên thực hiện luận văn
quyết định thực hiện đề tài: “Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển động cơ

ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ
BA PHA

9


Chương 2

Chƣơng 2:
MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA

2.1. ĐẠI CƢƠNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
2.1.1. Cấu tạo
Động cơ không đồng bộ ba pha có cấu tạo gồm hai phần: phần tĩnh (stator) và
phần quay (rotor).
2.1.1.1. Stator gồm các bộ phận: lõi thép, dây quấn và vỏ máy.
a. Lõi thép stator có dạng hình vành khăn (hình 2.1a), được ghép bằng các lá thép
kỹ thuật điện có hình dạng như hình 2.1b. Mặt trong của lõi thép có các rãnh để đặt dây
quấn (hình 2.1c).

a)

b)

c)

Hình 2.1. (a) lõi thép stator; (b) lá thép; (c) rãnh chứa dây quấn
Rãnh có các dạng: rãnh kín, là rãnh không có miệng; rãnh hở, là rãnh có miệng
và đáy bằng nhau; rãnh nửa hở, là rãnh có miệng bằng ½ đáy; rãnh nửa kín, là rãnh có


a)

Hình 2.3. (a) sơ đồ bố trí ba cuộn dây stator, (b) dây quấn ba pha đặt trong rãnh
c. Vỏ máy có chức năng bảo vệ máy và làm giá lắp các bộ phận khác của máy.
Vỏ máy có thể làm bẳng thép đúc, hoặc nhôm (hình 2.4). Vỏ gồm thân và hai nắp. Thân
vỏ để chứa lõi thép. Mặt ngoài thân có các gờ tản nhiệt, có các lỗ để lắp vòng treo, bảng
đấu dây và đế máy. Hai nắp của thân dùng để che phần đầu nối của dây quấn và là giá
chứa hai ổ trục của rotor.

11


Chương 2

N p

y

y
Stator
Rotor

a)

b)

Hình 2.4. (a) vỏ máy; (b) các phụ kiện
2.1.1.2. Rotor gồm có các bộ phận: lõi thép, trục và dây quấn.
a. Lõi thép rotor được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện có dạng như hình 2.5.