LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi :- Ban giám hiệu trƣờng Đại học Hàng hải.
- Các thầy, cô trong Khoa Điện – Điện tử trƣờng ĐHHH Việt Nam.
- Viện đàotạo sau đại học trƣờng ĐHHH Việt Nam.
Em tên là Nguyễn Thị Hồng Ngân, học viên lớp tự động hóa khóa 20132015/ đợt 2. Em đƣợc nhận đề tài luận văn:
“Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều”.
Em xin cam đoan rằng: Các nội dung của luận văn này do em tự nghiên cứu
và trình bày dƣới sự hƣớng dẫn của thầy PGS. TS. Trần Anh Dũng, những phần
tham khảo sẽ đƣợc trích dẫn rõ ràng , không sao chép từ nghiên cứu của ngƣời
khác. Nếu có bất kì sự gian dối nào trong nội dung của luận văn, em xin chụi trách
nhiệm trƣớc Khoa, Nhà trƣờng và pháp luật.
Em xin chân thành cảm ơn.
Hải phòng, ngày

tháng năm 2015

Ngƣời viết cam đoan

KS. Nguyễn Thị Hồng Ngân

i


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu chuyên ngành Tự động hóa - Khoa sau
đại học - Trƣờng Đại học Hàng hải, đƣợc sự dạy dỗ và hƣớng dẫn nhiệt tình của
các thầy cô đến nay tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình làm
luận văn, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực không ngừng của bản thân trong điều kiện
vừa học tập, vừa công tác, tôi đã nhận đƣợc nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy cô
giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS. TS. Trần Anh

2.3. Mô phỏng bộ điều khiển và hệ thống trên Matlab ............................................
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ HỆ THỐNG ............................. 45
3.1. Thiết kế, xây dựng mạch công suất............................................................... 45
3.2. Đề xuất lƣu đồ thuật toán xây dựng bộ điều khiển mờ .....................................
3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ trên miền thời gian thực .................................. 57
3.4. Xây dựng bộ điều khiển mờ trên Matlab điều khiển động cơ điện 1 chiều......
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 65

iii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ

6

1.2

Phép hợp của hai tập mờ có cùng cơ sở

7


1.8

Cấu trúc của bộ điều khiển mờ

14

1.9

Hàm thuộc biến đầu vào sai lệch tốc độ (speed_err)

14

1.10

Hàm thuộc biến đầu vào sự thay đổi sai lệch tốc độ

14

speed_err_var
1.11

Hàm thuộc biến đầu ra pwm_var

15

1.12

Mô hình ma trận luật hợp thành


25

2.2

Cấu tạo roto động cơ điện một chiều

26

2.3

Cấu tạo cổ góp động cơ điện một chiều

27

2.4

Cấu tạo chổi than động cơ điện một chiều

27

2.5

Mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

28

2.6

Sơ đồ động cơ điện một chiều kích từ độc lập



độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi
2.11

Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ

36

độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi
2.12

Sơ đồ nguyên lý của hệ xung áp – động cơ

37

2.13

Đồ thị đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ.

38

2.14

Sử dụng chip mờ chuyên dụng điều khiển tốc độ động cơ

39

điện một chiều
2.15



Đặc tính dòng điện động cơ

44

2.21

Xây dựng các biến vào ra của bộ điều khiển

44

2.22

Tạo hàm liên thuộc cho các biến vào/ra

45

2.23

Xây dựng luật điều khiển mờ

46

2.24

View Rules cho phép kiểm tra lại kêt quả luật mờ đã xây

46

dựng

45


Mạch cấp nguồn 5VDC: để tạo ra điện áp một chiều 5VDC cấp cho vi điều
khiển Atmega 8 và IC MAX232 sử dụng IC ổn áp LM7805.
Sơ đồ khối của mạch cấp nguồn nhƣ sau:

Hình 3.2. Sơ đồ khối mạch cấp nguồn
Nguyên lý hoạt động của mạch nhƣ sau: điện áp 220VAC đƣa qua bộ
Adaptor hạ áp xuống 12VAC. Điện áp xoay chiều này đƣa tới cầu chỉnh lƣu để có
đƣợc điện áp một chiều. Điện áp một chiều đƣa tới chân VIN của LM7805 và đầu
ra VOUT ta có đƣợc điện áp 5VDC. Đôi khi đƣờng cấp nguồn bị nhiễu, để san
phẳng các nhiễu này ta sử dụng các bộ lọc trƣớc và bộ lọc sau IC ổn áp để có đƣợc
nguồn 5VDC ổn định. Các tụ sử dụng trong mạch : tụ gốm 104pF và tụ hóa
2200mF. Ngoài ra còn có 1LED báo cấp nguồn

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 5VDC
Mạch cấp nguồn 24VDC cho động cơ: do chất lƣợng điện áp cấp cho động
cơ không đòi hỏi qua cao nên ta sử dụng một mạch đơn giản nhƣ sau:

46


Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn 24VDC
Nguyên lý hoạt động: điện áp 220VAC đƣa qua biến áp hạ áp xuống
24VAC. Điện áp xoay chiều này đƣa tới cầu chỉnh lƣu để có đƣợc điện áp một
chiều. Điện áp sau cầu chỉnh lƣu vẫn nhấp nhô, để san phẳng điện áp ra ta sử dụng
một tụ hóa có dung lƣợng 10000mF. Điện áp này cấp cho đối tƣợng là động cơ cần
điều khiển.
3.1.2. Mạch công suất

duy trì ở trạng thái phanh.
L298N không có diode nội để bảo vệ các mosfet nằm bên trong, do đó, cần
có các diode ngoài để bảo vệ (xem Mạch nguyên lý). Để đảm bảo điều khiển ở tần

48


sốPWM cao, cần dùng diode nhanh có điện trở thấp. Diode chuyên dụng để điều
khiển động cơ là các diode fast recovery Schottky. Nhƣng ở tần số thấp nhƣ trong
ứng dụng này, vẫn có thể dùng loại 1N4007.
Một lƣu ý rằng L298N khi hoạt động rất nóng, nhiệt độ có thể làm phỏng tay
khi chạm vào L298N. Do vậy, cần có một miếng tản nhiệt để giải nhiệt cho
L298N. Khi không có tản nhiệt, L298N sẽ nóng rất nhanh và tự động ngắt điều
khiển. Trong các thí nghiệm, L298N sẽ ngắt mạch trong vòng 45 đến 60 giây khi
không có tản nhiệt.

Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
3.1.3. Đối tượng điều khiển
Đối tƣợng thực hiện điều khiển là động cơ một chiều (hình 3.10) có các
thông số nhƣ sau: sử dụng động cơ MINERTIA của tập đoàn điện tử YASKAWA
của Nhật Bản. Một số thông số cơ bản về động cơ nhƣ sau: F SERIES; UGFMEDD9MRI 1; 829919-1; AX06015 A; 21 99.01, Uđm = 24V, Pđm = 25W, nđm = 1200
vòng/phút

Hình 3.10. Động cơ một chiều thực hiện điều khiển

49


3.1.4. Khối phản hồi tốc độ
Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải

Kênh B: trên các encoder còn có một cặp thu phát khác đƣợc đặt trên cùng
đƣờng tròn với kênh A nhƣng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh). Tín hiệu xung từ
kênh B có cùng tần số với kênh A nhƣng lệch pha 90 O . Bằng cách phối hợp kênh
A và B ngƣời đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.

Hình 3.12. Hai kênh A và B lệch pha trong encoder
Hình 3.12 thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau. Khi
cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận đƣợc hồng ngoại xuyên
qua, và ngƣợc lại. Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh.
Xét trƣờng hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái
sang phải. Quan sát thấy lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao mức xuống thấp (cạnh
xuống) thì kênh B đang ở mức thấp.
Ngƣợc lại, nếu động cơ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải
qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao. Nhƣ vậy,
51


bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định đƣợc góc quay
(thông qua số xung) mà còn biết đƣợc chiều quay của động cơ (thông qua mức của
kênh B ở cạnh xuống của kênh A).
Phƣơng pháp đọc encoder bằng AVR: Tùy theo mục đại lƣợng điều khiển
(vị trí hay vận tốc) và đặc điểm encoder (độ phân giải) chúng ta có 3 phƣơng pháp
để đọc encoder bằng AVR: Input Capture, Timer với chức năng counter và ngắt
ngoài. Mỗi phƣơng pháp sử dụng đều có ƣu và nhƣợc điểm riêng. Tuy nhiên trong
đồ án sử dụng phƣơng pháp sử dụng Timer với chức năng counter. Đặt các kênh
của encoder vào các chân đếm của Timer 1 ta sẽ đếm đƣợc số lƣợng xung của các
kênh, sau đó chỉ chọn chế độ xung nguồn cấp của Timer 1. Mỗi khi có xung từ
encoder, timer sẽ tăng giá trị lên 1. Đây là phƣơng pháp sử dụng ít tài nguyên nhất
(ít tốn thời gian cho encoder).
3.2. Đề xuất lƣu đồ thuật toán xây dựng bộ điều khiển mờ

chƣơng một, việc mờ hóa chính là việc rời rạc hóa các tín hiệu vào với tần số đủ
nhỏ để không bị mất thông tin. Muốn vậy ta cần khai báo 1 mảng để chứa các giá
trị sau rời rạc hóa, vậy mỗi hàm thuộc là một mảng có 1 hàng và n cột trong đó n
số giá trị đã rời rạc hay tần số đã nói đến ở trên. Trong đồ án, với biến đầu vào sai
lệch tốc độ (speed_err) có 5 hàm thuộc ta khai báo 5 ma trận; với biến đầu vào sự
thay đổi sai lệch tốc độ (speed_err_var) có 3 hàm thuộc ta khai báo 3 ma trận và
với biến đầu ra thay đổi chu kỳ pwm (pwm_var) có 5 hàm thuộc ta khai báo 5 ma
trận. Do việc xây dựng các hàm thuộc không có quy luật cố định hoàn toàn do kinh
nghiệm của ngƣời điều khiển, các hàm thuộc có dạng nhƣ thế nào để sao cho chất
lƣợng điều khiển đạt tốt nhất. Qua thực tế thử nghiệm, hình dáng hàm thuộc xây
dựng có dạng nhƣ chƣơng 1.
3.3.2. Xây dựng ma trận luật hợp thành
Áp dụng lý thuyết điều khiển mờ đã trình bày ở chƣơng 1, tác giả đã xây
dựng các 15 mệnh đề hợp thành trong chƣơng 2. Trong 4 luật hợp thành đã trình
bày, tác giả lựa chọn luật hợp thành MAX-MIN để thực thi. Không giống nhƣ luật
hợp thành có cấu trúc SISO, luật hợp thành với 2 mệnh đề điều kiện biểu diễn
trong một không gian 3 chiều. Trƣớc tiên phải thực hiện phép MIN để xác định độ
thỏa mãn H => có đƣợc 1 mảng 2 chiều. Mỗi giá trị H quét trên toàn bộ hàm thuộc
đầu ra, ta sẽ có đƣợc ma trận R hoàn chỉnh.
3.3.3. Giải mờ
Sau bƣớc xây dựng đƣợc ma trận luật hợp thành mờ, ứng với với giá trị rõ
đầu vào ta phải xác định đƣợc giá trị đầu ra. Thuật toán tìm giá trị rõ đầu ra nhƣ
sau: sử dụng 2 vòng lặp. Vòng lặp 1 thực hiện sẽ quét toàn bộ giá trị của mảng rời
rạc của biến đầu vào speed_err, thực hiện so sánh giá trị tốc độ phản hồi về với giá
57


trị của mảng. Nếu bằng nhau thì lƣu giữ lại chỉ số đó của mảng và bắt đầu vòng lặp
2. Tƣơng tự nhƣ vòng lặp 1, vòng lặp 2 sẽ quét toàn bộ giá trị của mảng rời rạc của
biến đầu vào speed_err_var, thực hiện so sánh giá trị tốc độ đã lƣu giữ ở chu kỳ

mờ, khi tiến hành thay đổi tốc độ và cho hệ thống nhận tải ta thu đƣợc đặc tính nhƣ
hình 3.20

60


Hình 3.20. Điều khiển động cơ điện 1 chiều dùng bộ điều khiển mờ khi thay đổi tốc
độ và khi nhận tải.
Đặc tính tốc độ khi có tải của động cơ điện 1 chiều đƣợc thể hiện nhƣ hình
3.21

61


Hình 3.21. Đặc tính tốc độ khi có tải của động cơ điện 1 chiều
Đặc tính quá chỉnh của động cơ điện 1 chiều đƣợc thể hiện nhƣ hình 3.22

62


Hình 3.22. Đặc tính quá chỉnh.

63


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Sau một thời gian nỗ lực tìm hiểu, nghiên cứu cùng với sự chỉ bảo tận tình và
hỗ trợ về nhiều mặt của thầy giáo PGS.TS. TRẦN ANH DŨNG, đề tài: “Nghiên
cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho động cơ điện một chiều”. Đã giải quyết

Technologies”. Kluwer Academi Publisher.
6. Pierre Guillemin (1996).” Fuzzy Logic Applied to Motor Control”. IEEE
Transactions On Industry Applications.
Một số trang Web:
7. http://www.dientuvietnam.net/forums
8. http://www.thaieasyelec.net
9. http://www.tailieu.vn

65