(Luận văn thạc sĩ) sử dụng logic mờ để điều khiển động cơ không đồng bộ

TỔNG QUAN

Tổng quan về đề tài

Điều khiển tự động Truyền Động điện xoay chiều ba pha hiện đại áp dụng các phương pháp tiên tiến trong mô hình hóa động cơ, giúp phát triển các thuật toán điều khiển tương thích với công nghệ vi điện tử, vi xử lý và điện tử công suất Cơ sở của phương pháp này dựa trên điều khiển từ trường quay của Rotor, được giới thiệu bởi Haase vào năm 1968 và Balaschke vào năm 1970.

K.Haase: Về động học truyền động có điều chỉnh tốc độ quay dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor ngắn mạch nuôi bằng biến tần (Luận văn phó tiến sĩ 1969)

F.Balaschke: Phương pháp tựa theo trường trong điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha Thông báo kết quả nghiên cứu và phát triển của Siemens 1972

TS Nguyễn Phùng Quang đã phát triển lý thuyết về các phương pháp điều chỉnh dòng trong truyền động điện xoay chiều ba pha, tập trung vào nguyên lý và những hạn chế của chúng Ông giới thiệu phương pháp điều khiển dựa trên từ thông, một kỹ thuật mạnh mẽ để mô tả và kiểm soát động cơ xoay chiều ba pha Bên cạnh đó, bài viết cũng đề xuất các thuật toán phù hợp cho việc điều khiển số, đặc biệt là điều khiển gián đoạn thông qua vi xử lý.

Tác giả TS Nguyễn Phùng Quang đã phát triển một ứng dụng thành công, được áp dụng không chỉ trong phòng thí nghiệm mà còn trên thiết bị do hai hãng REFU và Siemens sản xuất và phân phối trên thị trường.

Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động đơn lẻ bao gồm:

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 1: TỔNG QUAN

• Phần công suất với động cơ xoay chiều ba pha và biến tần dùng van bán dẫn

Phần điều khiển của hệ thống bao gồm nhiều vi xử lý chuyên biệt: một vi xử lý đảm nhận nhiệm vụ giải quyết các bài toán điều khiển thời gian thực, một vi xử lý khác phụ trách giao tiếp với hệ thống cấp trên, và một vi xử lý bổ sung để điều khiển và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi tại chỗ PLC.

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ Truyền động điện xoay chiều ba pha hiện đại

Các phương pháp điều khiển

1.2.1 Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)

Hiện nay, hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ chủ yếu sử dụng phương pháp truyền động đặc tính thấp, cho phép điều chỉnh đồng thời biên độ và tần số của dòng điện cũng như điện áp nguồn cung cấp Phương pháp này giúp kiểm soát tốc độ hoặc mô-men xoắn đến trạng thái ổn định mà vẫn duy trì từ thông của động cơ Kiểu điều khiển này được gọi là điều khiển vô hướng, trong đó điện áp hoặc dòng điện được điều khiển có dạng sóng sin, chỉ điều chỉnh biên độ và tần số mà không liên quan đến vị trí không gian của các vector tương ứng.

Luận văn thạc sĩ chương 1 tổng quan về điều khiển vô hướng cho thấy rằng điều khiển vô hướng đơn giản hơn so với điều khiển vector Kỹ thuật vô hướng là phương pháp phổ biến nhất được áp dụng trong thực tế hiện nay.

Hệ thống H tz không đổi (Constant Volts/Hertz - CVH) điều chỉnh biên độ điện áp stator theo tần số để duy trì từ thông stator ổn định Phương pháp này kiểm soát tốc độ từ trường quay của stator bằng cách thay đổi tần số nguồn điện Momen được cải thiện dựa trên sự chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ rotor Hệ thống điều khiển yêu cầu hồi tiếp tốc độ, trong đó tín hiệu tốc độ thực  M được so sánh với tín hiệu tốc độ chuẩn  * M Sai số giữa hai tín hiệu này được đưa vào bộ điều khiển trượt (slip controller) để tạo ra tín hiệu trượt  * sl Tín hiệu trượt này cộng với  M tạo ra tín hiệu đồng bộ, qua khối tỉ lệ p/2 để cung cấp tần số góc chính xác cho biến tần Cuối cùng, bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Controller) tạo ra tín hiệu điện áp stator cho bộ biến tần.

Hình 1.2 Mô hình chung của hệ thống điều khiển tốc độ vô hướng

Một phương pháp điều khiển scalar phổ biến là kỹ thuật điều khiển moment (Torque Control - TC), trong đó biên độ và tần số của dòng điện stator được điều chỉnh để đạt hiệu quả tối ưu.

Chương 1 của luận văn thạc sĩ đề cập đến việc xác lập momen điều khiển trong khi biên độ từ trường được duy trì không đổi Trong tình huống này, hồi tiếp tốc độ chỉ đóng vai trò phụ, vì hồi tiếp dòng điện có phần phức tạp hơn so với phương pháp Constant Volts/Hertzs (CVH).

Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển mômen vô hướng

1.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian

Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) là thiết bị điện tử công suất quan trọng, được nghiên cứu rộng rãi trong 30 năm qua, yêu cầu khả năng đóng ngắt nhanh và kỹ thuật điều chế đơn giản, chính xác Các kỹ thuật điều chế như dao động phụ và điều chế vectơ không gian được áp dụng, trong đó điều chế vectơ không gian được sử dụng trong bộ biến đổi nguồn dòng và nguồn áp Phương pháp này bắt nguồn từ ứng dụng vector không gian trong máy điện xoay chiều và đã được mở rộng trong hệ thống điện ba pha, trở thành phương pháp phổ biến trong các hệ truyền động.

Chương 1: TỔNG QUAN trình bày về việc số hóa toàn phần trong điều khiển biến tần sử dụng van bán dẫn Các van này được điều khiển bởi vi xử lý nhằm cung cấp điện áp xoay chiều 3 pha với biên độ, tần số và góc pha đã được xác định cho động cơ Biến tần hoạt động dựa trên nguồn điện một chiều và thường sử dụng phương pháp cắt xung với tần số cắt cao Các loại van bán dẫn phổ biến trong ứng dụng này bao gồm IGBT và MOSFET.

Phương pháp điều chế vector không gian tạo ra sự dịch chuyển liên tục của vector điện áp nghịch lưu trên quỹ đạo đường tròn Sự dịch chuyển đều đặn này giúp loại bỏ các sóng hài bậc cao, đồng thời làm cho mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển và biên độ áp ra trở nên tuyến tính Vector tương đương được đề cập chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp.

Hình 1.4 Tám trạng thái đóng ngắt của bộ điều khiển vector không gian

1.2.3 Điều khiển định hướng trường Động cơ AC, cụ thể là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu điểm là đơn giản, tin cậy, giá thành thấp, và ít bảo dưỡng Tuy nhiên, trong những ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi hiệu suất truyền động cao thì việc điều khiển chúng vẫn gặp phải những thử thách lớn bởi vì chúng là đối tượng phi tuyến và nhiều thông số, chủ yếu là điện trở rotor thay đổi theo những điều kiện vận hành Điều khiển định hướng trường (Field oriented control - FOC) hoặc điều khiển vector (Vas, 1990) cho động cơ không đồng bộ đạt được việc tách biệt thay đổi động giữa moment và từ thông dẫn đến việc điều khiển độc lập giữa từ thông và moment tương tự như động cơ DC kích từ độc lập Điều khiển định hướng trường là điều kiện tối ưu hóa moment và tách rời điều khiển moment khỏi điều khiển từ thông trong điều kiện vận hành ổn định và quá độ của động cơ không đồng bộ

Có 2 loại điều khiển định hướng trường điển hình: Phương pháp trực tiếp trong đó sử dụng cảm biến đo từ thông của động cơ, và phương pháp gián tiếp dựa vào đo lường vị trí rotor

1.2.4 Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp

Trong hệ thống định hướng trường trực tiếp, vector từ thông chuẩn được đo hoặc ước lượng từ điện áp và dòng điện stator thông qua bộ quan sát từ thông Cảm biến được đặt ở khe hở không khí của động cơ và trục dq để xác định vector từ thông hỗ cảm, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.

Hình 1.5 Hệ thống định hướng từ thông rotor cơ bản

1.2.5 Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp

Phương pháp điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp sử dụng tính toán tốc độ trượt  * r cần thiết để đạt được điều khiển định hướng trường chính xác, đồng thời áp dụng tốc độ này lên động cơ.

Hình 1.6 Hai mô hình hệ thống điều khiển vector đối với động cơ cảm ứng có định hướng từ thông rotor gián tiếp

1.2.6 Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường Để có thể giảm tần số đóng ngắt, đặc biệt trong truyền động công suất lớn, người ta sử dụng đường bao sai số hình vuông gắn với vector từ thông rotor của máy điện Cách lựa chọn này dĩ nhiên sẽ làm xuất hiện thêm một lượng sóng hài bậc cao theo hướng từ thông rotor Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng trực tiếp đến việc tạo thành moment động cơ (hằng số thời gian khá lớn của rotor đã loại bỏ tác dụng gián tiếp của từ thông rotor lên moment động cơ) Việc lựa chọn vector đóng ngắt sẽ thực hiện theo phương pháp dự báo sao cho tần số đóng ngắt là nhỏ nhất và việc đóng ngắt

Trong chương 1 của luận văn thạc sĩ, chúng ta xem xét tổng quan về dòng điện theo trục d, trong đó khả năng mở rộng đường bao có thể hạn chế dòng điện Mặc dù các sóng hài moment giảm, nhưng sóng hài dòng điện lại có xu hướng gia tăng theo trục d.

Hiện nay, các phương pháp điều khiển động cơ đã được áp dụng rộng rãi, tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm nổi bật, vẫn tồn tại một số khuyết điểm cần khắc phục.

- Điều chế độ rộng xung (PWM) trên cơ sở điều chế vector không gian gây sóng hài bậc cao

- Điều khiển vô hướng chỉ dùng cho truyền động đặc tính thấp

Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay

Truyền động động cơ bao gồm ba thành phần chính: động cơ, bộ điều khiển và bộ điện tử công suất Khi yếu tố thông minh được tích hợp vào một trong các thành phần này, nó được gọi là truyền động thông minh.

Điều khiển thông minh là một hệ thống gồm phần cứng và phần mềm, trong đó phần cứng đã phát triển mạnh mẽ trong hai thập kỷ qua, còn phần mềm chứa các kỹ thuật điều khiển được lập trình vào phần cứng Hệ thống điều khiển dựa vào trí tuệ nhân tạo được gọi là điều khiển thông minh, bao gồm điều khiển thích nghi và tự tổ chức Các hệ thống này có khả năng tự xử lý và tự tổ chức, đặc biệt phát triển mạnh mẽ từ thập niên 80 nhờ sự tiến bộ trong thiết kế và sản xuất mạch điện tử, giúp vi xử lý đạt tốc độ và khả năng tính toán cao, từ đó đưa điều khiển thông minh vào ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền động điện.

Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo chia thành 2 nhóm: tính toán cứng và tính toán mềm

Hệ chuyên gia, thuộc về tính toán cứng, là một trong những kỹ thuật trí tuệ nhân tạo đầu tiên Trong hai thập kỷ qua, tính toán mềm đã trở thành công nghệ phổ biến trong lĩnh vực truyền động điện, nhờ vào sự cải tiến của cấu trúc vi xử lý Các thành phần chính của tính toán mềm bao gồm mạng neural nhân tạo, logic mờ, mạng neural – mờ, và hệ thống dựa trên thuật toán gen.

Bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC) là một loại bộ điều khiển cấu trúc biến đổi, được nghiên cứu nhằm mục đích ổn định và tăng cường độ bền cơ học (Hung et al., 1993) Ngôn ngữ chính sử dụng để mô tả bộ điều khiển này là các quy tắc If-then (Kawaji và Matsunaga, 1994).

Ngoài ra cũng có những bộ điều khiển dùng ANN được ứng dụng rộng rãi vì những đặc tính đặc biệt sau:

- Tất cả tín hiệu ANN được truyền theo một hướng, giống như hệ thống điều khiển tự động

- Khả năng của ANN có thể học mẫu

- Khả năng tạo ra tín hiệu song song trong hệ thống tương tự và rời rạc

Mạng neural đã được ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực điều khiển động cơ, bao gồm bộ ước lượng neural để xác định tốc độ động cơ và bộ điều khiển neural để phát tín hiệu điều khiển cho bộ biến tần.

Kết quả mô phỏng sẽ được trình bày để minh chứng cho hiệu quả của mạng neural trong việc điều khiển động cơ, so với các hệ thống truyền thống như bộ điều khiển PI không sử dụng ANNs.

Một trong những trở ngại chính khi sử dụng động cơ không đồng bộ là chi phí cao của thiết bị biến đổi và sự phức tạp trong xử lý tín hiệu, dẫn đến độ chính xác kém Tuy nhiên, với sự phát triển của kỹ thuật điện tử và bộ vi xử lý tốc độ cao, lý thuyết điều khiển vector đã trở nên linh hoạt hơn Trong nhiều ứng dụng, cảm biến tốc độ là cần thiết cho vòng kín điều khiển tốc độ, nhưng chúng cũng gặp một số nhược điểm như giá thành, độ tin cậy và khả năng loại trừ nhiễu Do đó, nhiều phương pháp đã được đề xuất để ước lượng tốc độ dựa trên các thông số điện như dòng điện, điện áp, tần số và từ thông, kết hợp lý thuyết ước lượng trạng thái với điều khiển vector để điều khiển động cơ mà không cần cảm biến tốc độ.

Các giá trị của thông số điện thường bị sai lệch so với thiết kế ban đầu do ảnh hưởng của các yếu tố như môi trường làm việc, nhiệt độ, tốc độ, tải và tiếng ồn.

Các phương trình chuyển động của động cơ cảm ứng không hoàn toàn phù hợp do một số lý do nhất định Do đó, cần sử dụng một số mô hình để thể hiện mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra mà không cần dựa vào các phương trình chuyển động.

Nhiệm vụ chính là tập trung vào việc nhận dạng, bao gồm việc sử dụng bộ lọc tuyến tính để ước lượng hàm chuyển tuyến tính (Schouken, 1990) Điều này cũng liên quan đến việc ước lượng các thông số vật lý (Moons và Moor, 1995) và hệ số hàm chuyển tuyến tính dựa trên các đo lường lực từ và tốc độ (Gahler và Herzog, 1994), cùng với kỹ thuật NARMAR (Leontaritis và Billing).

1985) nhằm mô hình hóa mối quan hệ giữa tốc độ và điện áp của động cơ không đồng bộ

Khi ước lượng từ thông, cần áp dụng các nguyên tắc tương tự như trong điều khiển và ước lượng tốc độ Việc chế tạo và lắp đặt cảm biến từ thông gặp nhiều khó khăn, do đó, phát triển một bộ ước lượng từ thông dựa trên các thông số điện có sẵn hoặc các kỹ thuật tiên tiến là rất quan trọng cho những ai quan tâm đến lĩnh vực điều khiển động cơ.

Trình tự mô phỏng động cơ không đồng bộ

Thông thường, để điều khiển động cơ không đồng bộ, người ta thường tiến hành theo những bước chính sau:

1.4.1 Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển

Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ bao gồm phương trình vector tổng quát, mô hình mạch điện 2 pha và phương trình trạng thái Các thông số của động cơ được xác định thông qua phương pháp thực nghiệm, trong đó điện trở stator được đo bằng kiểm tra DC, điện trở rotor và điện cảm tiêu tán được đo khi rotor bị ghìm, và điện cảm từ hóa được xác định trong điều kiện không tải Việc điều chỉnh thông số là cần thiết khi mô phỏng động cơ dưới điều kiện nguồn cung cấp ở chế độ định mức và tải định mức.

1.4.2 Kiểm tra thiết bị truyền động AC

Phòng thí nghiệm được thiết kế với động cơ không đồng bộ hoạt động như tải cơ, được kéo bởi máy phát điện đồng bộ Mỗi máy điện được cấp nguồn từ bộ biến tần và được điều khiển thông qua bộ điều khiển card trên máy tính.

1.4.3 Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm

Tùy thuộc vào tính chất và mục đích sử dụng, cũng như tài nguyên hiện có, việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp là rất quan trọng Các phương pháp như điều khiển vô hướng, điều chế vector không gian và định hướng trường có thể được áp dụng để đạt hiệu quả tối ưu trong từng trường hợp cụ thể.

Định hướng

Tác giả đã kết hợp các phương pháp điều khiển khác nhau nhằm khám phá sâu hơn về lĩnh vực truyền động điện xoay chiều Luận văn thạc sĩ này trình bày đề tài "Ứng dụng logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ".

Mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu phương pháp điều khiển định hướng trường, là phương pháp điều khiển tốt đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện

Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ được xây dựng bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID mờ, trong đó các luật hợp thành của tập mờ được phát triển dựa trên suy luận của người thiết kế và kinh nghiệm của chuyên gia.

Phạm vi nghiên cứu

Đề tài này nghiên cứu phương pháp điều khiển định hướng trường, áp dụng bộ điều khiển PID mờ lai nhằm điều chỉnh từ thông, mô-men và tốc độ của động cơ.

Trong chương 1 của luận văn thạc sĩ, chúng tôi nghiên cứu về động cơ không đồng bộ 3 pha, một phương pháp hiệu quả và đơn giản nhưng cần có hồi tiếp từ thông rotor, một đại lượng khó đo lường Do đó, việc ước lượng từ thông rotor trở thành cần thiết cho bộ điều khiển Đề tài này tập trung vào việc áp dụng logic mờ để điều khiển động cơ không đồng bộ, nhằm cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong quá trình điều khiển.

Nội dung luận văn

Luận văn được trình bày theo các chương như sau:

Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG

Chương 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ĐỂ ĐIỀU CHỈNH

TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Chương 5: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Ý nghĩa đề tài

Đề tài này cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho những ai muốn tìm hiểu về việc áp dụng logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ, cũng như hướng dẫn thiết kế và mô hình hóa các bộ điều khiển thông qua Simulink và Control System Toolbox.

Đề tài tham khảo

Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với định hướng trường giúp điều khiển hiệu quả tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha Học viên Phạm Văn Lực đã nghiên cứu và phát triển ứng dụng này Ngoài ra, học viên Nguyễn Thị Bích Mai cũng đã ứng dụng mạng Neural để kiểm soát tốc độ động cơ không đồng bộ, mở ra hướng đi mới trong công nghệ điều khiển.

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐCKĐB BA PHA

MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Giới thiệu về động cơ không đồng bộ bap ha

Máy điện không đồng bộ ba pha sử dụng dây quấn stator được cấp điện từ lưới điện, tạo ra sức điện động cảm ứng và dòng điện trong dây quấn rotor nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ Dòng điện ba pha đối xứng trong dây quấn sẽ sinh ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ  s (rad/s) Rotor của máy không đồng bộ có hai loại khác nhau.

Rotor dây quấn là loại rotor có dây quấn nhiều pha, thường là ba pha, được lắp đặt trong các rãnh của rotor Nó có cùng số cực với dây quấn stator, và các đầu dây được nối với vành trượt cách điện với trục rotor Quá trình tiếp điện được thực hiện thông qua các chổi than đặt trong bộ giá đỡ chổi than.

Rotor lồng sóc, với dây quấn rotor là các thanh dẫn bằng nhôm hoặc đồng trong rãnh rotor, được kết nối bằng hai vành ngắn mạch Với cấu trúc đơn giản và chắc chắn, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trở thành nguồn động lực phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày.

Động cơ rotor lồng sóc hiện đang chiếm ưu thế trên thị trường nhờ vào tính dễ chế tạo, không cần bảo trì và kích thước nhỏ gọn Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử với chi phí giảm đã tạo điều kiện cho việc áp dụng các kỹ thuật điều chỉnh phức tạp cho động cơ này.

Vector không gian của các đại lượng bap ha

2.2.1 Xây dựng vector không gian Động cơ không đồng bộ ba pha đều có ba cuộn dây stator với dòng điện ba pha bố trí không gian tổng quát như hình 2.1

Trong hình trên, không đề cập đến cách đấu động cơ hình sao hay tam giác Ba dòng điện isu, isv, isw là ba dòng điện từ lưới vào động cơ qua đầu nối Khi động cơ hoạt động bằng biến tần, đây chính là ba dòng điện đầu ra của biến tần.

Hình 2.1 Sơ đồ cuộn dây và dòng stator của động cơ không đồng bộ 3 pha

Ba dòng điện đó thỏa mãn phương trình: isu(t) + isv(t) + isw(t) = 0 (2.1)

Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau:

0 w cos cos 120 cos 240 su s s sv s s s s s i t i t i t i t i t i t

Trong mặt phẳng cơ học, động cơ xoay chiều 3 pha được cấu tạo từ ba cuộn dây lệch nhau 120 độ Khi thiết lập hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn dây u, ta có thể xây dựng một vector không gian tương ứng.

Theo công thức (2.3), vector i_s(t) là một vector có độ lớn không đổi, quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc ω = π/2 f_s, tạo với trục thực (đi qua cuộn dây pha u) một góc γ = ω_s t, trong đó f_s là tần số của mạch stator Hình 2.2 mô tả quá trình xây dựng vector i_s(t).

Hình 2.2 Xây dựng vector dòng stator từ ba dòng pha

Theo hình vẽ, dòng điện của từng pha là hình chiếu của vector dòng stator i_s lên trục cuộn dây pha tương ứng Trong đó, trục α được chọn làm trục thực và trục β là trục ảo, từ đó vector dòng stator được tổng hợp một cách rõ ràng.

Hình 2.3 Các thành phần dòng stator trong hệ αβ

Theo phương trình i (t) i (t) i (t)    0 và dựa vào hình 2.3 thì chỉ cần xác định

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐCKĐB BA PHA hai trong số ba dòng điện stator là có đầy đủ thông tin về vector i _ s

Tương tự như đối với vector dòng stator, các vector điện áp stator u _ s , dòng rotor

_ s i , từ thông stator  s , hoặc từ thông rotor  r cũng được biểu diễn tương tự

2.2.2 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian

Chúng ta thiết lập một hệ tọa độ mới dq có chung điểm gốc với hệ tọa độ αβ và lệch đi một góc θ s Do đó, một vector không gian sẽ có hai tọa độ tương ứng với hai hệ tọa độ này, như được minh họa trong hình 2.4.

Hình 2.4 Vector dòng stator trong hệ tọa độ cố định αβ và hệ tọa độ quay dq sin cos sd s s s s i  i    i   (2.6) cos sin sq s s s s i  i    i   (2.7)

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐCKĐB BA PHA 2.2.3 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Hình 2.5 Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor

Giả thiết động cơ không đồng bộ quay với tốc độ d dt

  , trong đó  là góc tạo bởi trục rotor và trục chuẩn Từ thông rotor  r quay với tốc độ góc

     trong đó f s là tần số của mạch điện stator

Sự chênh lệch giữa  và  s sẽ tạo nên dòng điện rotor với tần số f r Dòng điện có thể được biểu diễn dưới dạng vector i r quay với tốc độ    r 2 f r

Xây dựng hệ tọa độ mới với trục thực hướng theo vector từ thông  r và gốc tọa độ trùng với gốc của hệ , tạo thành hệ trục tọa độ dq.

Gọi: s i s là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ 

 i s f là vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq

Ta có: i s s  i s   ji s  (2.8) i s f  i sd  ji sq (2.9)

(2.10) Chuyển tọa độ từ 3 pha u v w qua tọa độ 

Chuyển tọa độ  sang tọa độ dq sin cos cos sin sd s s s s sq s s s s i i i i i i

Toàn bộ quá trình trên được diễn tả theo sơ đồ khối sau:

Hình 2.6 Thu thập giá trị thực của vector dòng stator trên hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq)

Trong thực tế, việc tính toán isd và isq gặp nhiều khó khăn do việc xác định góc  s Đối với động cơ không đồng bộ, góc này được tạo ra bởi tốc độ góc  =  +  s r, trong đó  có thể đo được, còn  r là tần số của mạch rotor mà chưa xác định được Do đó, phương pháp mô tả trên hệ tọa độ dq yêu cầu phải xây dựng phương pháp tính toán  r một cách chính xác, điều này là cơ sở cho hệ thống điều khiển tựa theo từ thông rotor.

Trong mô hình tính toán trong hệ tọa độ dq, ta có   rq 0 với trục q đứng vuông góc với vector  Tuy nhiên, do không thể xác định chính xác góc s, nên vẫn cần giữ lại mối quan hệ này Việc này đảm bảo tính chính xác trong quá trình xây dựng mô hình.

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐCKĐB BA PHA vẫn giữ lại  rq để đảm bảo tính khách quan trong khi quan sát.

Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha

2.3.1 Lý do xây dựng mô hình Để xây dựng, thiết kế bộ điều chỉnh cần phải có mô hình mô tả đối tượng điều chỉnh Xuất phát điểm để xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc là mô hình đơn giản của động cơ trong hình 2.7

Hình 2.7 Mô hình đơn giản của động cơ không đồng bộ ba pha có rotor lồng sóc

Mô hình toán học cần thể hiện rõ đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh để phục vụ cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh Điều này dẫn đến việc giả thiết các điều kiện trong quá trình lập mô hình, giúp đơn giản hóa mô hình cho việc thiết kế, nhưng cũng có thể gây ra sai lệch nhất định giữa đối tượng và mô hình trong phạm vi cho phép.

Về phương diện động, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc được mô tả bởi

Chương 2 của luận văn thạc sĩ trình bày mô hình toán học cho động cơ điện không đồng bộ ba pha trong không gian, với việc xem xét các mạch từ móc vòng Bài viết cũng nêu rõ một số điều kiện cần thiết để mô hình hóa động cơ một cách chính xác.

- Các cuộn dây stator được bố trí một cách đối xứng về mặt không gian

- Các tổn hao sắt từ và sự bão hòa từ có thể bỏ qua

- Dòng từ hóa và từ trường phân bố hình sin trên bề mặt khe từ

- Các giá trị điện trở và điện cảm được coi là không đổi

2.3.2 Hệ phương trình cơ bản của động cơ

Hệ phương trình điện áp cho 3 cuộn dây stator: w w w

(t) R (t) (t) su su s su sv sv s sv s s s s u i d dt u i d dt u i d dt

R s : điện trở cuộn dây stator

   : từ thông stator của cuộn dây u, v, w Áp dụng công thức ta thu được điện áp:

Thay phương trình (2.12) vào phương trình (2.13), ta thu được phương trình điện áp stator dưới dạng vector như sau:

R s : điện trở cuộn dây stator

Phương trình trên thu được do các quan sát từ hệ thống 3 cuộn dây stator, vì vậy cũng thu được trên hệ tọa độ 

Tương tự, phương trình điện áp của cuộn dây rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch):

 r : vector từ thông rotor trên hệ tọa độ rotor

R r : điện trở rotor đã quy đổi về phía stator

Nhưng để dễ dàng tính toán trên các loại tọa độ, ta có phương trình tổng quát cho điện áp stator: k k k s k s s s k s u R i d j dt

Phương trình tổng quát trên có thể áp dụng cho mọi hệ tọa độ vuông góc

K là góc giữa trục thực và hệ tọa độ bất kỳ Đối với hệ tọa độ cố định stator αβ, ta có ω = k0, dẫn đến công thức (2.15) Khi thay “k” bằng “s”, trong hệ tọa độ từ thông rotor (dq), ta có k = s và s = d/dt.

     với  s là góc lệch giữa trục q với trục thực Thay “k” = “f”

Tương tự, ta có phương trình tổng quát điện áp rotor: k r k r k r r r k r u R i d j dt

Với  k r : vector từ thông ở hệ tọa đô k bất kỳ so với rotor

2.3.3 Các tham số của động cơ

Lmm hỗ cảm giữa rotor và stator

L  s điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator

L  r điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor sm mm s

L  L  L  điện cảm stator rm mm r

L m  L  L  điện cảm rotor sm sm sm

 R hằng số thời gian stator rm rm rm

 R hằng số thời gian rotor

   L L hệ số từ tán tổng

Phương trình từ thông stator và từ thông rotor: s i L s s i L r m

J: là moment quán tính cơ

: là tốc độ góc của rotor

2.3.4 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator

Phương trình mô tả trạng thái của động cơ như sau: s s s s s s s u R i d dt

Với: Lm: hỗ cảm giữa stator và rotor

Có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator bằng cách rút vector i r s từ phương trình 2.26, ta được:

Thế i r s ở phương trình 2.27 vào phương trình 2.25, ta được:

Thay i r s và s s vào (2.23, 2.24) đồng thời sử dụng các tham số , ,T T s r ta thu được hệ phương trình (2.29) sau:

Ta chuẩn hóa  r và  r như sau: r r m r r m

   là các phần tử của vector dòng từ hóa s r

Bằng cách thay thế các vector dòng từ hóa vào hệ phương trình 2.29 và chuyển đổi sang dạng các phần tử của vector, chúng ta có được một hệ phương trình mới mô tả một cách đầy đủ hệ thống của một ĐCKĐB.

   L L là hệ số từ tán tổng

Ta cũng có phương trình moment:

Từ phương trình:   s r i L s s m i L r s r ta rút i r s rồi thế vào phương trình (2.34):

Thay các vector bằng các phần tử tương ứng:

2.3.5 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor f f f s f s s s s s u R i d j dt

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐCKĐB BA PHA f f f s i L s s i L r m

Ta có thể triệt tiêu 2 đại lượng vector dòng điện rotor và vector từ thông stator

Thay phương trình (2.41, 2.42) vào (2.37, 2.38) trên, ta được:

Cuối cùng thu được hệ phương trình mô tả động cơ không đồng bộ như sau:

1 ( ) sd sd s sq rd rq sd s r r m m s sq sq s sd rq rd sq s r r m m s rd m sd rd s rq r r rq m sq rq s rd r r di i i u dt T T T L L L di i i u dt T T T L L L d L dt T i T d L dt T i T

Trong hệ tọa độ (dq);   rq 0 do vuông góc với  r f nên    r f rd

( ) sd sd s sq rd rq sd s r r m m s sq sq s sd rd sq s r m s rd m sd rd r r m sq s rd r di i i u dt T T T L L L di i i u dt T T L L d L dt T i T

Phương trình từ thông rotor:

2.3.6 Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor

Trong hệ tọa độ từ thông rotor (hệ tọa độ dq), các vector dòng stator \(i_s^f\) và vector từ thông rotor \(\psi_r^f\) được đồng bộ hóa và quay cùng nhau với tốc độ nhất định.

Trong hệ tọa độ dq, các phần tử của vector i s f (i sd và i sq) là các đại lượng một chiều, với giá trị gần như không đổi trong chế độ xác lập Trong quá trình quá độ, các giá trị này có thể thay đổi theo một thuật toán điều khiển đã được định trước Hơn nữa, có mối liên hệ giữa các đại lượng này, cụ thể là ψ = rq 0 dẫn đến ψ = ψ r f rd.

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG

ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG

Đại cương về phương pháp FOC

Phương pháp điều khiển vectơ, được nghiên cứu lần đầu vào đầu những năm 70, đã nhanh chóng trở thành một phương pháp điều khiển tiêu chuẩn nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với phương pháp điều khiển vô hướng (V/f = const).

Phương pháp điều khiển vectơ FOC sử dụng mô hình hai pha của động cơ không đồng bộ, cho phép phân tích vectơ dòng điện stator trong hệ trục tọa độ quay rotor (d, q) thành hai thành phần độc lập: isd tạo từ thông và isq tạo moment Việc tách rời và điều khiển hai thành phần này giống như trong máy điện một chiều, mang lại hiệu quả cao trong quá trình điều khiển động cơ.

Phương pháp điều khiển định hướng trường FOC (Field Oriented Control) sử dụng hai thành phần của dòng điện dựa trên hệ trục tọa độ của rotor Phương pháp này còn được biết đến với tên gọi điều khiển tựa theo từ thông rotor (RFOC - Rotor Field Oriented Control).

Có 2 phương pháp trong việc điều khiển định hướng tựa theo vector từ thông thường được sử dụng là:

+ Phương pháp điều khiển trực tiếp

Trong sơ đồ điều khiển vector trực tiếp, biên độ và vị trí góc của vector từ thông được xác định từ điện áp hoặc dòng điện stator thông qua cảm biến Cảm biến Hall là một giải pháp hiệu quả để đo từ trường, khi được đặt trong khe hở không khí của động cơ.

Trong Chương 3 của luận văn thạc sĩ, việc lắp đặt cảm biến vào khe hở không khí được chỉ ra là sẽ làm tăng chi phí và giảm độ tin cậy của hệ thống truyền động.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường trực tiếp được trình bày trong hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC trực tiếp

+ Phương pháp điều khiển gián tiếp

Trong phương pháp điều khiển gián tiếp, góc θ được tính toán dựa trên tốc độ trượt  * sl và thông tin về tốc độ động cơ ω Hệ thống phụ thuộc nhiều vào việc xác định chính xác các thông số động cơ Mặc dù phương pháp này đơn giản hơn phương pháp trực tiếp, nhưng nó cũng có một số nhược điểm, dẫn đến đặc tính của sơ đồ sẽ kém nếu không áp dụng các giải pháp đặc biệt khác.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển định hướng trường gián tiếp được trình bày trong hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển FOC gián tiếp.

Cấu trúc FOC

3.2.1 Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC

Hệ thống điều khiển định hướng từ thông rotor trong động cơ không đồng bộ ba pha được mô tả qua hình 3.3, với các thành phần của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor (d,q) Vector dòng stator i s được phân chia thành hai thành phần: i sd, điều khiển từ thông rotor, và i sq, điều khiển moment quay Động cơ hoạt động với nguồn nuôi từ biến tần áp, với điện áp là đại lượng điều khiển được áp dụng vào cuộn dây stator.

Nguyên tắc điều khiển của FOC (Field Oriented Control) tập trung vào việc điều khiển động cơ một chiều với kích từ độc lập, trong đó từ thông rotor được duy trì ổn định nhờ vào dòng điện isd Đồng thời, moment và tốc độ của động cơ được điều chỉnh thông qua dòng điện tạo moment isq.

Hình 3.3 Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC

3.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển:

Các đại lượng đầu ra của bộ PID-isd và PID-isq được gọi là yd và yq, với kích cỡ và đơn vị tương tự như đại lượng dòng điện Để kết nối các tín hiệu này với usd và usq, cần sử dụng một mạng tính áp (MTu) Bên cạnh đó, một mạng tính dòng (MTi) cũng cần thiết để tính toán i * sd và i * sq từ các đại lượng đầu vào.

Ta nhận thấy y d và y q đồng nhất với các dòng i sd và i sq sau thời gian trễ T  s Các đại lượng y d và y q là đầu vào của mạng tính áp (MTu)

Hằng số thời gian từ thông tiêu tán phía stator: s s m s s s

   Điện cảm tiêu tán phía stator s L s

Hình 3.4 Vector dòng điện, điện áp, và từ thông rotor trên hệ trục tọa độ (d,q)

Tính góc  r ta dùng khâu tích phân 1 s

Chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện (CĐTi):

3 2 3 s sa s sa sb sb sc i i i i i i i

 (3.7) cos sin sin cos sd s s s s sq s s s s i i i i i i

Chuyển đổi hệ tọa độ điện áp (CĐTu): cos sin sin cos s sd s sq s s sd s sq s u u u u u u

2 2 sa s sb s s sc sa sb s s u u u u u u u u u u

Khâu điều khiển dòng và tốc độ (PID):

3.2.3 Cấu trúc hiện đại của FOC

Khi phân tích dòng stator với hai thành phần isd và isq, ta thấy rằng nếu chúng hoàn toàn độc lập, cấu trúc cơ bản là hợp lý Tuy nhiên, trong thực tế, cấu trúc này chỉ hoạt động hiệu quả ở chế độ xác lập Trong chế độ động, do sự phụ thuộc lẫn nhau giữa isd và isq, cấu trúc cơ bản bộc lộ nhiều nhược điểm Do đó, một cấu trúc FOC kiểu gián tiếp hiện đại đã được phát triển để khắc phục những hạn chế này.

Trong cấu trúc hiện đại của phương pháp FOC, xuất hiện các khối mới: khối “Ước lượng”, khối “Ổn định từ thông”, khâu “Giới hạn dòng” và khâu

“Điều chỉnh từ thông” (khâu PI) Bên cạnh đó, người ta bỏ đi các khâu tính áp (MTu) và tính dòng (MTi)

Trên hệ tọa độ (d, q), dòng isd được xem là đại lượng điều khiển từ thông rotor, nhưng giữa dòng isd và từ thông rotor tồn tại một khâu trễ bậc nhất với hằng số thời gian.

Để cải thiện đặc tính truyền đạt của động cơ, cần sử dụng khâu "Điều chỉnh từ thông" (khâu PID), giúp gia tốc các quá trình từ hóa bằng cách giảm tác dụng trễ của từ thông Tuy nhiên, việc xác định giá trị thực của từ thông là một thách thức do tính khó đo chính xác Phương pháp FOC kiểu gián tiếp được áp dụng để ước lượng từ thông dựa trên các đại lượng đo được như isd, isq và ω, từ đó cho phép tính toán góc θ.

Mô phỏng phương pháp FOC bằng Simulink/ Matlab

3.3.1 Sơ đồ cấu trúc của phương pháp FOC trong Simulink/Matlab

Hình 3.5 Sơ đồ khối điều khiển động cơ KĐB bằng phương pháp FOC

3.3.2 Giải thích nguyên lí hoạt động:

Từ thông và tốc độ rotor cho phép tính toán dòng i sd * và i sq * thông qua công thức 3.1 và 3.2 Khối PID xác định các trục Yd và Yq, sau đó chuyển đổi sang điện áp u sd và u sq theo công thức 3.4 và 3.5 Bộ chuyển đổi áp CTDu thực hiện việc chuyển đổi từ trục điện áp d, q, theta sang trục tọa độ  , và tiếp tục chuyển đổi từ   sang Ua, Ub, Uc để điều khiển động cơ Khối chuyển đổi dòng CTDi được sử dụng để đo từ động cơ và cung cấp hồi tiếp về khối PID nhằm giảm thiểu sai số.

Tốc độ rotor được đặt vào qua khối PID sẽ cho ra tốc độ mong muốn sau khi điều khiển động cơ

- Moment đưa vào để điều khiển động cơ (mT)

+ Tín hiệu đầu ra của động cơ không đồng bộ cần quan sát là từ thông (FLUX), tốc độ (), moment (Te) và dòng điện 3 pha (I abc )

- Khối mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β)

Hình 3.6 Sơ đồ khối động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ tĩnh (α, β)

- Khối chuyển điện áp từ (d, q) sang (α, β)

Hình 3.7 Sơ đồ khối chuyển điện áp từ (d, q) sang (α, β)

- Khối chuyển điện áp từ (α, β) sang (a, b, c)

Hình 3.8 Sơ đồ khối chuyển điện áp từ (α, β) sang (a, b, c)

- Khối chuyển dòng điện từ (a, b, c) sang (α, β)

Hình 3.9 Sơ đồ khối chuyển dòng điện từ (a, b, c) sang (α, β)

+ Các tín hiệu quan sát: W (tốc độ gốc của động cơ, rad/s);

Torque (moment của động cơ, N.m);

Iabc (dòng điện stator trên 3 pha a, b, c đơn vị A); FLUX (từ thông rotor, Wb);

+ Khâu phụ: khâu ổn định từ thông (khâu PID)

Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC

BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC

Thông số động cơ không đồng bộ

Thông số động cơ P = 4HP

Số đôi cực pm = 2 Điện trở stator Rsm = 1.177 Ω Điện trở rotor Rrm = 1.382 Ω Điện cảm stator Lsm = 0.118 Ω Điện cảm rotor Lrmm = 0.113 Ω

Moment quán tính Jm = 0.00126  kg m 2 

Tốc độ rotor Wref = 150 rad/s

- Thời gian của quá trình mô phỏng là 10 giây (Tsim = 10)

- Giá trị của từ thông đặt là 1 Wb trong suốt quá trình mô phỏng

- Tốc độ đặt rotor của động cơ: Wref = 150 rad/s

3.4.3 Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong matlab Simulink

3.4.3.1 Khi động cơ ở chế độ không tải

Tốc độ rotor Wref = 150 rad/s

Hình 3.10 Từ thông của động cơ khi sử dụng phương pháp FOC

Hình 3.11 Tốc độ của động cơ khi sử dụng phương pháp FOC

Hình 3.12 Moment của động cơ khi sử dụng phương pháp FOC

Hình 3.13 Dòng điện của động cơ khi sử dụng phương pháp FOC

3.4.3.2 Khi động có moment mT=2 (N.m)

3.4.3.3 Khi động có moment mT=5 (N.m)

3.4.3.4 Khi hãm động cơ (tăng tải của động cơ, cho mT=8 N.m)

3.4.3.5 Thay đổi tốc độ động cơ (mT=5)

3.4.3.6 Đảo chiều quay động cơ (mT=5)

3.4.4 Nhận xét kết mô phỏng điều khiển FOC

- Trong giai đoạn động cơ hoạt động khi không tải

Động cơ duy trì từ thông (FLUX) ổn định ở giá trị 1 Wb, với thời gian gia tốc nhanh chóng chỉ 0.5 giây Điều này đảm bảo đáp ứng yêu cầu về từ thông mà không xảy ra hiện tượng vọt lố hay sai số tĩnh.

Động cơ đạt tốc độ 150 rad/s theo giá trị đặt, với thời gian gia tốc nhanh, đảm bảo đáp ứng yêu cầu về tốc độ mà không xảy ra hiện tượng vọt lố hay sai số tĩnh.

Tại thời điểm khởi động động cơ, mô-men xoắn có sự thay đổi nhỏ nhưng nhanh chóng ổn định theo mô-men tải sau khoảng 1 giây, đạt giá trị cài đặt 2 Nm với độ sai số không đáng kể.

+ Dòng điện khi động cơ chạy không tải nhỏ và ổn định

- Trong giai đoạn động cơ hoạt động khi có tải

+ Từ thông của động cơ bám sát giá trị đặt

+ Tốc độ của động cơ có ảnh hưởng khi được cấp tải và vẫn bám theo giá trị đặt + Dòng điện các pha tăng khi được cấp tải

+ Moment có hiện tượng vọt lố khi cấp tải nhưng vẫn bám theo giá trị đặt và độ vọt lố không đáng kể

- Trong giai đoạn hãm động cơ

+ Từ thông của động cơ bám sát giá trị đặt

+ Tốc độ động cơ bị ảnh hưởng khi ta hãm động cơ (tăng tải) sẽ giảm xuống nhưng không đáng kể và bám nhanh theo giá trị đặt

+ Dòng điện tăng nhanh khi ta tăng tải đột ngột để hãm động cơ

+ Moment xảy ra độ vọt lố nhưng vẫn tiếp tục bám theo giá trị đặt

- Trong giai đoạn đảo chiều quay của động cơ

+ Từ thông, tốc độ của động cơ bám sát giá trị đặt

+ Moment có hiện tượng vọt lố nhưng vẫn bám theo giá trị đặt

+ Dòng điện của động cơ có sự thay đổi khi ta giảm tốc độ ở thời điểm 2,5 giây

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 4: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐCKĐB BA PHA

DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Bộ điều chỉnh PI – Fuzzy

Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ (PI) hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các quá trình công nghiệp nhờ vào hiệu quả điều khiển, cấu trúc đơn giản và khả năng ứng dụng đa dạng.

Trong lý thuyết điều khiển, phương pháp Ziegler-Nichols là một trong những cách phổ biến để hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PI Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này cho một số hệ thống có thể tốn nhiều thời gian do yêu cầu thực nghiệm Các thông số thường được xác định dựa trên kết quả đo đạc từ đáp ứng của hệ thống, nhưng nhiễu và sai số trong phép đo có thể làm giảm độ chính xác trong việc hiệu chỉnh Do đó, một quá trình tinh chỉnh thường được thực hiện trước khi bộ điều khiển được áp dụng vào hệ thống.

Có hai phương pháp tinh chỉnh bộ điều khiển PI: tinh chỉnh online trong quá trình hoạt động của hệ thống và tinh chỉnh off-line khi hệ thống tắt hoặc chỉ hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định Giải thuật di truyền là một phương pháp hiệu quả cho việc tinh chỉnh off-line bộ điều khiển Tuy nhiên, việc tìm kiếm giá trị tối ưu cho các thông số bộ điều khiển trong miền xác định đòi hỏi nhiều thời gian và có thể cần mô hình toán của đối tượng Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hiện nay, việc tự động điều chỉnh hiệu quả trong các quá trình thiết bị là rất cần thiết.

Tinh chỉnh online bộ điều khiển PI bằng các giải thuật thông minh, đặc biệt là logic mờ, là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất điều khiển Logic mờ thể hiện khả năng suy diễn của con người và đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực Phương pháp tinh chỉnh này dựa trên giá trị kinh điển từ phương pháp Ziegler-Nichols, với thông số bộ điều khiển PI được xác định bởi bộ điều khiển mờ theo điều kiện hoạt động hiện tại Hệ thống bao gồm hai bộ điều khiển trong cấu trúc điều khiển lai, trong đó bộ điều khiển PI là chính và bộ điều khiển mờ đóng vai trò quan sát, cung cấp thông số cho bộ điều khiển PI theo thời gian thực.

Bộ điều khiển PI truyền thống thường không hiệu quả trong các hệ thống điều khiển phi tuyến Để khắc phục vấn đề này, bài viết giới thiệu thiết kế bộ điều khiển PI-Fuzzy thay thế Hình 4.1 minh họa sơ đồ khối điều khiển của RSC trong DFIG sử dụng bộ điều khiển PI-mờ.

Hình 4.1 Sơ đồ Cấu trúc khối điều khiển PI-Fuzzy

Hình 4.2 Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ trong

Các thông số Kp và Ki ban đầu của bộ điều khiển PI được xác định offline thông qua phương pháp Ziegler-Nichols và giữ nguyên trong suốt quá trình điều khiển Tuy nhiên, bộ điều khiển mờ sẽ điều chỉnh các giá trị ΔKp và ΔKi, cho phép các thông số Kp và Ki của bộ điều khiển PI được điều chỉnh phù hợp với sự biến đổi của tải.

Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ có thể được biểu diễn như hình 4.3

Hình 4.3 Cấu trúc của một bộ điều khiển mờ Ở đây, các đầu vào của bộ điều khiển mờ là

Ngỏ vào e(k) và de(k) là các giá trị thực cần được mờ hóa để xử lý Các giá trị mờ hóa cho e(k) và de(k) bao gồm 5 loại: Dương lớn (LP), Dương nhỏ (SP), Không (ZE), Âm lớn (LN) và Âm nhỏ (SN) Ngỏ ra Kp và Ki được mờ hóa thành 3 giá trị: S (nhỏ), M (trung bình) và H (lớn) Các giá trị này được minh họa trong hình 4.4, 4.5, 4.6 và bảng 1, 2.

Hình 4.4 Mối quan hệ hàm điều chỉnh ngỏ vào e(k) và de(k)

Hình 4.5 Mối quan hệ hàm điều chỉnh ngỏ ra K p , K i

Hình 4.6 Bộ điều chỉnh PI-Fuzzy thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink

Quy tắc cơ bản thiết kế cho các đầu ra

Quy tắc cơ bản để xác định đầu ra của hệ thống bao gồm 25 trường hợp, được xây dựng từ 5 dữ liệu đầu vào khác nhau.

LN SN ZE SP LP e

4.3 Thiết kế của Fuzzy Logic Controller sử dụng MATLAB

- Các chương trình thiết kế của bộ fuzzy logic được viết trong file word

- Các định nghĩa của hàm thành viên được ghi trong chương trình

- 25 nguyên tắc được thể ở bảng 4.1 và 4.2 được viết theo cú pháp của Matlab

- File này được lưu với phần mở rộng fis

Tất cả có 25 nguyên tắc, các nguyên tắc cơ bản sử dụng cho thiết kế của Fuzzy logic như sau:

 1 If (e is LN) and (de is LN) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 2 If (e is SN) and (de is LN) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 3 If (e is ZE) and (de is LN) then (Kp is M)(Ti is H) (1)

 4 If (e is SP) and (de is LN) then (Kp is M)(Ti is H) (1)

 5 If (e is LP) and (de is LN) then (Kp is M)(Ti is H) (1)

 6 If (e is LN) and (de is SN) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 7 If (e is SN) and (de is SN) then (Kp is M)(Ti is M) (1)

 8 If (e is ZE) and (de is SN) then (Kp is S)(Ti is M) (1)

 9 If (e is SP) and (de is SN) then (Kp is M)(Ti is M) (1)

 10 If (e is LP) and (de is SN) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 11 If (e is LN) and (de is ZE) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 12 If (e is SN) and (de is ZE) then (Kp is M)(Ti is M) (1)

 13 If (e is ZE) and (de is ZE) then (Kp is S)(Ti is S) (1)

 14 If (e is SP) and (de is ZE) then (Kp is M)(Ti is M) (1)

 15 If (e is LP) and (de is ZE) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 16 If (e is LN) and (de is SP) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 17 If (e is SN) and (de is SP) then (Kp is M)(Ti is M) (1)

 18 If (e is ZE) and (de is SP) then (Kp is S)(Ti is M) (1)

 19 If (e is SP) and (de is SP) then (Kp is M)(Ti is M) (1)

 20 If (e is LP) and (de is SP) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 22 If (e is SN) and (de is LP) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 23 If (e is ZE) and (de is LP) then (Kp is M)(Ti is H) (1)

 24 If (e is SP) and (de is LP) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

 25 If (e is LP) and (de is LP) then (Kp is H)(Ti is H) (1)

Các luật mờ cho phép suy diễn giá trị đầu ra, với việc chọn luật hợp thành theo nguyên tắc min-max Phương pháp giải mờ sử dụng trọng tâm, và hàm thuộc cuối cùng được thu được bằng cách tổ hợp tất cả các hàm thuộc Giá trị này, được tính bằng trọng tâm của các hàm thuộc, được xác định qua một công thức cụ thể.

P new P old n i i n i Ii i new old n i i e k e k K

Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Hình 4.7 Mô hình điều chỉnh tốc độ động cơ dụng bộ điều khiển PID thông thường

Hình 4.8 Mô hình điều chỉnh tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển Fuzzy logic

Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong matlab Simulink

4.5.1 Khi động cơ ở chế độ không tải (mT=0 N.m)

Hình 4.9 Từ thông của động cơ khi sử dụng phương pháp fuzzy logic

Hình 4.11 Moment của động cơ khi sử dụng phương pháp fuzzy logic

Hình 4.12 Dòng điện của động cơ khi sử dụng phương pháp fuzzy logic

4.5.2 Khi động cơ có moment mT=2 (N.m)

4.5.3 Khi động cơ có moment mT=5 (N.m)

4.5.4 Khi hãm động cơ (tăng tải động, cho moment mT=8 N.m)

4.5.5 Thay đổi tốc độ động cơ (mT=5 N.m)

Hình 4.26 Tốc độ của động cơ khi sử dụng phương pháp fuzzy logic

4.5.6 Đảo chiều quay động cơ (mT=5 N.m)

Nhận xét

Từ kết quả mô phỏng trên ta nhận thấy:

+ Về từ thông thì khi sử dụng logic mờ sẽ có đáp ứng tốt hơn so với sử dụng PID

Từ thông bám theo giá trị đặt khá nhanh và đáp ứng được từ thông yêu cầu, không vọt lố

Tốc độ động cơ điều chỉnh theo giá trị đặt cho thấy sự cải thiện đáng kể so với hệ thống điều khiển PID Đặc biệt, khi tải tăng, điều khiển logic mờ mang lại hiệu suất đáp ứng vượt trội hơn so với điều khiển PID.

+ Dòng điện khi sử dụng điều khiển logic mờ có dòng khởi động và dòng điện khi mang tải sẽ nhỏ hơn so với sử dụng điều khiển PID

+ Về phần moment thì đáp ứng tốt và bám theo giá trị đặt, tuy có sự vọt lố khi thay đổi tải hoặc thay đổi tốc độ động cơ

Sử dụng logic mờ mang lại hiệu quả cao hơn so với phương pháp PID trong nhiều trường hợp, đồng thời cũng tồn tại những ưu và nhược điểm riêng của mỗi phương pháp điều khiển.

Khi áp dụng logic mờ, lập trình viên cần có kinh nghiệm để lựa chọn các thông số và nguyên tắc cho đầu vào và đầu ra một cách hợp lý, bao gồm sai số tốc độ và đạo hàm sai số tốc độ.

Phần So sánh với khâu PID mờ của đề tài Thạc sỹ Phạm Văn Lực

Hình 4.33 Mô hình điều khiển tốc độ ĐCKĐB qua khâu điều chỉnh PI mờ trong

Hình 4.34 Sơ đồ khối điều khiển PI mờ xây dựng trên Simulink/Matlab

Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ lai

Hình 4.35 Sơ đồ khối bộ điều khiển PI mờ lai

Xây dựng các bộ điều khiển PI mờ

Hình 4.36 Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ PI mờ

Từ sơ đồ khối cho thấy, bộ điều khiển mờ PI thực chất là kết hợp hai bộ điều khiển mờ P (Kp) và I (K I ) riêng lẽ

Sai số tốc độ giữa tốc độ mong muốn w_ref và tốc độ động cơ hồi tiếp w là đầu vào cho khối Kp mờ và khối Ki mờ Kết quả đầu ra từ các khối này là sự thay đổi trong tác động điều khiển, được áp dụng vào quá trình điều khiển động cơ không đồng bộ Hàm liên thuộc đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Trapmf được dùng cho tập mờ ngõ vào và ngõ ra Đối với bộ Kp mờ, tín hiệu sai lệch ngõ vào bao gồm 3 tập mờ NL,

S, PL (negative large, small, possitive large) với các tập giá trị mờ như hình 4.17

Hình 4.37 Tập mờ sai số tốc độ

Hình 4.38 Tập mờ sai số ngõ vào

Mô phỏng điều khiển định hướng trường động cơ không đồng bộ dựa vào ước lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ PI để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

dựa vào ước lượng từ thông rotor có bộ điều khiển mờ PI để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ

Hình 4.39 Mô hình 3 bộ điều khiển mờ từ thông- moment và tốc độ

Hình 4.40 Kết quả bộ điều khiển PID mờ lai

Hình 4.41 Tốc độ của động cơ

Nhận xét

So với đề tài của học viên Phạm Văn Lực thì:

- Từ thông và dòng điện khởi động trong phần mô phỏng của Tôi có khả năng đáp ứng nhanh hơn

- Tốc độ trong phần mô phỏng của tôi đáp ứng chậm hơn bên phần mô phỏng của học viên Phạm Văn Lực.

Mặt tích cực và hạn chế trong luận văn so sánh

- Tích cực: o Đáp ứng tốt nhu cầu trong việc điều khiển của động cơ không đồng bộ o Phân tích rõ và có nhiều khâu ổn định và ước lượng

- Hạn chế: o Về phần logic mờ thiếu bảng Quy tắc cơ bản thiết kế cho các đầu ra

Không thể hiện các quy tắc đầu vào nên không thể biết chính xác phần mô phỏng khi sử dụng fuzzy

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chương 5- KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Tiêu đề	Sử Dụng Logic Mờ Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ
Tác giả	Huỳnh Thanh Tuấn
Người hướng dẫn	PGS.TS Dương Hoài Nghĩa
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	114
Dung lượng	6,33 MB