Luận Văn Thạc Sĩ HCMUTE Về Điều Khiển Động Cơ DC Không Chổi Quét Sử Dụng Phương Pháp FOC

Luận văn phân tích Điều Khiển Động Cơ DC Không Chổi Quét Bằng Phương Pháp FOC - Luận Văn Thạc Sĩ HCMUTE, vận dụng lý thuyết vững chắc, đề xuất giải

• Tác giả: Trần Mão
• 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
• Đề tài: Điều Khiển Động Cơ DC Không Chổi Quét Bằng Phương Pháp FOC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.5. Giới hạn của đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Hướng nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống Servo
• 2.2. Hệ thống điều khiển
• 2.2.1. Điều khiển vòng hở
• 2.2.2. Điều khiển vòng kín
• 2.3. Cấu hình hệ thống servo
• 2.4. Điều khiển động cơ BLDC
• 2.5. Phương pháp Field Oriented Control (FOC)
• 2.6. Phương trình sử dụng trong việc điều khiển
• 2.7. Thuật toán điều khiển động cơ BLDC
• 2.7.1. Thuật toán điều khiển PID
• 2.7.2. Thuật toán điều khiển Fuzzy logic
• 2.7.3. Điều khiển PID mờ
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC
• 3.1. Điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID
• 3.1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC
• 3.1.2. Bộ biến đổi dùng FET
• 3.1.3. Kỹ thuật điều chế SVM
• 3.1.4. Các khâu trong sơ đồ hệ thống
• 3.1.5. Kết quả mô phỏng
• 3.2. Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán PID
• 3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ BLDC
• 3.2.2. Kết quả mô phỏng
• 3.3. Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán Fuzzy logic
• 3.3.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển vị trí
• 3.3.2. Các bước thực hiện mô phỏng
• 3.3.3. Kết quả mô phỏng
• 3.3.4. Đánh giá kết quả
• 3.3.4.1. Điều khiển tốc độ
• 3.3.4.2. Điều khiển vị trí
• 3.3.4.3. So sánh FOC_PID và FOC_FUZZY
• 3.4. Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán FUZZY-PID
• 3.4.1. Kết quả mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Kết luận
• 4.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ DC không chổi quét

Động cơ DC không chổi quét (BLDC) là một loại động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp nhờ vào hiệu suất cao và mô-men xoắn lớn. Đặc điểm nổi bật của động cơ này là không có chổi quét, giúp giảm thiểu ma sát và tăng độ bền. Hệ thống điều khiển động cơ BLDC thường sử dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến như phương pháp FOC (Field Oriented Control) để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Việc áp dụng FOC cho phép điều khiển động cơ một cách linh hoạt và chính xác, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ và vị trí chính xác.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC

Động cơ BLDC bao gồm các thành phần chính như rotor, stator và cảm biến vị trí. Rotor thường được trang bị nam châm vĩnh cửu, trong khi stator chứa các cuộn dây điện. Nguyên lý hoạt động của động cơ này dựa trên sự tương tác giữa từ trường của rotor và dòng điện trong stator, tạo ra mô-men xoắn. Việc điều khiển dòng điện trong các cuộn dây stator được thực hiện thông qua các bộ điều khiển điện tử, cho phép điều chỉnh tốc độ và vị trí của động cơ một cách chính xác.

II. Phương pháp điều khiển động cơ BLDC

Phương pháp điều khiển động cơ BLDC chủ yếu bao gồm các thuật toán như PID, Fuzzy và Fuzzy-PID. Thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất, tuy nhiên, việc điều chỉnh các thông số của PID có thể gặp khó khăn. Ngược lại, phương pháp Fuzzy cho phép điều khiển một cách linh hoạt hơn, giúp cải thiện độ ổn định và đáp ứng nhanh hơn. Kết hợp giữa Fuzzy và PID tạo ra bộ điều khiển Fuzzy-PID, mang lại hiệu suất điều khiển tốt hơn so với các phương pháp truyền thống.

2.1. Thuật toán PID trong điều khiển động cơ

Thuật toán PID được sử dụng để điều chỉnh tốc độ và vị trí của động cơ BLDC. Bộ điều khiển PID hoạt động bằng cách tính toán sai số giữa giá trị đặt và giá trị thực tế, sau đó điều chỉnh đầu ra dựa trên ba thành phần: tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Mặc dù PID có thể mang lại kết quả tốt, nhưng việc điều chỉnh các tham số Kp, Ki, Kd để đạt được hiệu suất tối ưu có thể là một thách thức lớn, đặc biệt trong các hệ thống không ổn định.

2.2. Phương pháp Fuzzy trong điều khiển động cơ

Phương pháp Fuzzy sử dụng lý thuyết tập mờ để xử lý thông tin không chắc chắn và không chính xác. Điều này cho phép bộ điều khiển Fuzzy hoạt động hiệu quả trong các tình huống mà các phương pháp truyền thống gặp khó khăn. Bộ điều khiển Fuzzy có khả năng tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên các quy tắc mờ, giúp cải thiện độ ổn định và độ chính xác trong việc điều khiển động cơ BLDC. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng bộ điều khiển Fuzzy có thể đạt được hiệu suất tốt hơn so với PID trong nhiều trường hợp.

III. Mô phỏng và đánh giá hiệu suất điều khiển

Mô phỏng động cơ BLDC được thực hiện bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK, cho phép kiểm tra và đánh giá hiệu suất của các phương pháp điều khiển khác nhau. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển Fuzzy-PID có hiệu suất vượt trội so với các bộ điều khiển PID thông thường. Việc sử dụng FOC trong mô phỏng giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển, giảm thiểu độ trễ và tăng cường độ chính xác trong việc theo dõi giá trị đặt. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể mang lại lợi ích lớn trong việc cải thiện hiệu suất của động cơ BLDC.

3.1. Kết quả mô phỏng với thuật toán PID

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng khi sử dụng thuật toán PID, động cơ BLDC có thể đạt được tốc độ và vị trí mong muốn, tuy nhiên, độ ổn định không cao và có thể xảy ra hiện tượng dao động. Điều này cho thấy rằng việc điều chỉnh các tham số PID là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu. Mặc dù PID có thể hoạt động hiệu quả trong một số trường hợp, nhưng vẫn cần cải thiện để đáp ứng tốt hơn trong các tình huống phức tạp.

3.2. Kết quả mô phỏng với thuật toán Fuzzy PID

Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển Fuzzy-PID cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ ổn định và độ chính xác. Bộ điều khiển này có khả năng tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên các quy tắc mờ, giúp giảm thiểu độ trễ và tăng cường khả năng phản hồi. Các kết quả thực nghiệm xác nhận rằng bộ điều khiển Fuzzy-PID có hiệu suất tốt hơn so với PID thông thường, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và phản hồi nhanh.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã trình bày một cái nhìn tổng quan về việc điều khiển động cơ DC không chổi quét bằng phương pháp FOC kết hợp với các thuật toán PID và Fuzzy. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của động cơ BLDC. Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển mới, tối ưu hóa mô hình động cơ và mở rộng ứng dụng của động cơ BLDC trong các lĩnh vực khác nhau.

4.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn, như mạng nơ-ron hoặc học máy, để cải thiện khả năng điều khiển động cơ BLDC. Việc áp dụng các công nghệ mới này có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của động cơ trong các ứng dụng công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC - BLDC) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp nhờ hiệu suất cao, mô-men xoắn lớn và kích thước nhỏ gọn. Theo báo cáo ngành, động cơ BLDC được sử dụng phổ biến trong các hệ truyền động công suất nhỏ như ổ đĩa quang, quạt làm mát máy tính, thiết bị văn phòng, cũng như trong các phương tiện di động sử dụng nguồn điện một chiều độc lập như acquy, pin hay năng lượng mặt trời với công suất từ vài chục đến 1000 kW. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ BLDC vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc điều chỉnh các thông số để đạt được đặc tính kiểm soát ổn định và đáp ứng nhanh.

Mục tiêu của luận văn là mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển động cơ BLDC sử dụng phương pháp điều khiển định hướng từ trường (Field Oriented Control - FOC) kết hợp với các thuật toán PID, Fuzzy và Fuzzy-PID trên nền tảng Matlab/Simulink. Nghiên cứu tập trung vào việc kiểm soát tốc độ và vị trí của động cơ BLDC nhằm nâng cao hiệu suất điều khiển, giảm sai số và tăng độ ổn định trong quá trình vận hành.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm động cơ BLDC ba pha, sử dụng cảm biến Hall để xác định vị trí rotor, thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink với các thuật toán điều khiển PID, Fuzzy và Fuzzy-PID. Thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ năm 2014 đến 2015 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện hiệu quả điều khiển động cơ BLDC, góp phần nâng cao chất lượng các hệ truyền động servo công suất dưới 10 kW, đồng thời mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và giao thông vận tải. Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở cho việc phát triển các bộ điều khiển động cơ BLDC hiệu quả hơn trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Phương pháp điều khiển định hướng từ trường (FOC): Đây là phương pháp điều khiển hiện đại cho động cơ BLDC, giúp điều khiển dòng điện trong hệ quy chiếu d-q đồng bộ với rotor, từ đó điều khiển mô-men và tốc độ một cách chính xác. FOC cho phép điều khiển mềm mại ở tốc độ thấp và hiệu quả cao ở tốc độ cao nhờ việc chuyển đổi các tín hiệu dòng điện và điện áp từ hệ ba pha sang hệ d-q.

2. Thuật toán điều khiển PID và Fuzzy-PID: Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), được sử dụng để giảm sai số và tăng độ ổn định của hệ thống. Tuy nhiên, việc điều chỉnh các thông số PID truyền thống gặp khó khăn trong việc đạt được đặc tính kiểm soát ổn định. Thuật toán Fuzzy-PID kết hợp logic mờ giúp điều chỉnh các tham số PID một cách linh hoạt, cải thiện hiệu suất điều khiển và giảm độ vọt lố.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Động cơ BLDC: Động cơ đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu trên rotor, không có chổi than và cổ góp, với cuộn dây đặt trên stato.
• Hệ quy chiếu d-q: Hệ tọa độ quay đồng bộ với rotor, giúp biến đổi các tín hiệu điện áp và dòng điện thành các thành phần tĩnh để điều khiển dễ dàng.
• Cảm biến Hall: Thiết bị xác định vị trí rotor, cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển.
• Thuật toán PID: Bộ điều khiển phản hồi với ba thành phần điều chỉnh sai số.
• Logic mờ (Fuzzy logic): Phương pháp điều khiển dựa trên các quy tắc mờ, giúp xử lý các hệ thống phi tuyến và không chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, các bài báo khoa học trong và ngoài nước, cùng với việc mô phỏng thực nghiệm trên phần mềm Matlab/Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình động cơ BLDC ba pha với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn được sử dụng trong công nghiệp.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô hình hóa động cơ BLDC trong hệ quy chiếu d-q dựa trên các phương trình điện áp, dòng điện và mô-men.
• Thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển PID, Fuzzy và Fuzzy-PID kết hợp với phương pháp FOC.
• So sánh hiệu suất điều khiển qua các chỉ số như sai số vị trí, tốc độ đáp ứng, độ vọt lố và độ ổn định.
• Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Việc lựa chọn phương pháp mô phỏng Matlab/Simulink giúp kiểm tra hiệu quả các thuật toán điều khiển trong môi trường ảo, giảm thiểu chi phí và thời gian so với thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất điều khiển của bộ PID truyền thống: Qua mô phỏng, bộ điều khiển PID cho phép điều khiển tốc độ và vị trí động cơ BLDC với sai số ổn định khoảng 5-7%, tuy nhiên gặp khó khăn trong việc điều chỉnh các thông số để giảm độ vọt lố và tăng tốc độ đáp ứng.

2. Ưu điểm của bộ điều khiển Fuzzy-PID: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển Fuzzy-PID cải thiện đáng kể hiệu suất so với PID truyền thống, với sai số vị trí giảm xuống còn khoảng 2-3%, độ vọt lố giảm 15-20%, và thời gian đáp ứng nhanh hơn khoảng 25%.

3. So sánh giữa các thuật toán điều khiển: Thuật toán Fuzzy-PID kết hợp với phương pháp FOC cho hiệu quả điều khiển tốt nhất, đặc biệt trong việc kiểm soát vị trí và tốc độ ở các dải tốc độ thấp và trung bình. Bộ điều khiển Fuzzy đơn thuần cũng cho kết quả tốt nhưng không ổn định bằng Fuzzy-PID.

4. Mô phỏng trong Matlab/Simulink: Các biểu đồ mô phỏng thể hiện rõ sự ổn định của dòng điện, mô-men và tốc độ động cơ khi sử dụng Fuzzy-PID, với các đường cong vị trí gần như không có dao động lớn và sai số nhỏ hơn so với PID.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự cải thiện hiệu suất khi sử dụng Fuzzy-PID là do khả năng điều chỉnh tham số PID một cách linh hoạt dựa trên các quy tắc mờ, giúp bộ điều khiển thích ứng tốt hơn với các biến đổi của hệ thống và nhiễu bên ngoài. Điều này phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực điều khiển động cơ BLDC, cho thấy việc kết hợp logic mờ với PID giúp tăng độ ổn định và giảm sai số.

So với các phương pháp điều khiển truyền thống như điều khiển sóng sin hay điều khiển hình thang, FOC kết hợp Fuzzy-PID mang lại hiệu quả vượt trội nhờ khả năng điều khiển trực tiếp vector dòng điện trong hệ quy chiếu d-q, giúp giảm tổn hao và tăng hiệu suất mô-men.

Việc mô phỏng trên Matlab/Simulink cung cấp một công cụ mạnh mẽ để phân tích và đánh giá các thuật toán điều khiển trước khi áp dụng thực tế, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian phát triển. Các biểu đồ và bảng số liệu trong nghiên cứu minh họa rõ ràng sự khác biệt về hiệu suất giữa các thuật toán, hỗ trợ cho việc lựa chọn giải pháp tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển Fuzzy-PID trong thực tế: Khuyến nghị các nhà sản xuất và kỹ sư ứng dụng tích hợp bộ điều khiển Fuzzy-PID kết hợp FOC vào các hệ truyền động BLDC để nâng cao hiệu suất và độ ổn định, đặc biệt trong các ứng dụng servo công suất dưới 10 kW. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 6-12 tháng.

2. Nâng cao độ chính xác của cảm biến vị trí: Đề xuất cải tiến việc lắp đặt và hiệu chỉnh cảm biến Hall nhằm giảm sai số vị trí rotor, từ đó tăng độ chính xác của bộ điều khiển. Chủ thể thực hiện là các kỹ thuật viên và nhà sản xuất động cơ.

3. Phát triển phần mềm mô phỏng nâng cao: Khuyến khích nghiên cứu và phát triển các mô hình mô phỏng động cơ BLDC phức tạp hơn, bao gồm các yếu tố phi tuyến và nhiễu thực tế, nhằm đánh giá chính xác hơn hiệu suất điều khiển. Thời gian nghiên cứu khoảng 12 tháng.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển FOC và thuật toán Fuzzy-PID cho kỹ sư và sinh viên ngành kỹ thuật điện để phổ biến kiến thức và ứng dụng rộng rãi. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và trung tâm đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử: Giúp hiểu sâu về mô hình động cơ BLDC, phương pháp điều khiển FOC và thuật toán PID, Fuzzy-PID, phục vụ cho nghiên cứu và phát triển đề tài học thuật.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ truyền động công nghiệp: Cung cấp kiến thức thực tiễn và công cụ mô phỏng để thiết kế bộ điều khiển động cơ BLDC hiệu quả, nâng cao chất lượng sản phẩm.

3. Nhà sản xuất động cơ và thiết bị điện tử công suất: Hỗ trợ trong việc cải tiến sản phẩm, tích hợp các thuật toán điều khiển hiện đại nhằm tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển tự động: Là tài liệu tham khảo để phát triển các giải pháp điều khiển mới, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền động điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao động cơ BLDC được ưu tiên sử dụng trong công nghiệp?
   Động cơ BLDC có hiệu suất cao, mô-men xoắn lớn, tuổi thọ lâu và kích thước nhỏ gọn. Ngoài ra, nó không có chổi than nên giảm thiểu mài mòn và tiếng ồn, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp và giao thông.

2. Phương pháp FOC có ưu điểm gì so với điều khiển truyền thống?
   FOC điều khiển trực tiếp vector dòng điện trong hệ quy chiếu d-q, giúp điều khiển mô-men và tốc độ chính xác, giảm tổn hao và tăng hiệu suất, đặc biệt hiệu quả ở tốc độ thấp và cao.

3. Bộ điều khiển Fuzzy-PID khác gì so với PID truyền thống?
   Fuzzy-PID sử dụng logic mờ để điều chỉnh tham số PID linh hoạt theo trạng thái hệ thống, giúp cải thiện độ ổn định, giảm sai số và độ vọt lố so với PID truyền thống.

4. Làm thế nào để xác định vị trí rotor trong động cơ BLDC?
   Thông thường sử dụng cảm biến Hall gắn trên stato để phát hiện vị trí rotor thông qua tín hiệu điện áp logic, từ đó điều khiển trình tự cấp điện cho các cuộn dây.

5. Mô phỏng Matlab/Simulink có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   Matlab/Simulink cung cấp môi trường mô phỏng chính xác và linh hoạt để thiết kế, kiểm tra và đánh giá các thuật toán điều khiển trước khi áp dụng thực tế, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian phát triển.

Kết luận

• Động cơ BLDC là lựa chọn ưu việt trong các ứng dụng công nghiệp nhờ hiệu suất và độ bền cao.
• Phương pháp điều khiển FOC kết hợp thuật toán Fuzzy-PID cho hiệu suất điều khiển vượt trội so với PID truyền thống.
• Mô phỏng Matlab/Simulink là công cụ hiệu quả để thiết kế và đánh giá các bộ điều khiển động cơ BLDC.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các bộ điều khiển thông minh, thích ứng cao cho động cơ BLDC trong tương lai.
• Đề xuất triển khai thực tế và đào tạo kỹ thuật viên để ứng dụng rộng rãi các giải pháp điều khiển hiện đại.

Hành động tiếp theo là phát triển các mô hình thực nghiệm và thử nghiệm thực tế để kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển Fuzzy-PID trên các hệ truyền động BLDC công suất khác nhau. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và mở rộng nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển động cơ BLDC trong các ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MÃO ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 3 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MÃO ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC KHÔNG CHỔI QUÉT BẰNG PHƯƠNG PHÁP FOC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Trần Mão Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10 – 12 - 1988 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Quê quán: Vinh Giang, Phú Lộc, Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 111/26, Tây Lân, Tân Tạo, Bình Tân, TP.

HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: maotranktd@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2007 đến 02/2012 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Tên đồ án: Nghiên cứu giao tiếp Ethernet của Vi điều khiển LM3S9B96 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.

HCM Người hướng dẫn: Thạc Sỹ Nguyễn Đình Phú III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 05/2012- Công Ty Trách Nhiệm Hữu Hạn Thiết kế, lắp ráp, chế tạo, bảo 09/2015 Kỹ Thuật Hữu Toàn Phát trì máy CNC i Luan van LỜI CAM ĐOAN LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày ….

tháng … năm 201… (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii Luan van CẢM TẠ CẢM TẠ Với sự đóng góp, hướng dẫn tận tình của Thầy/Cô và các bạn, với sự cố gắng của bản thân cùng với những kiến thức đã học. Tôi thực hiện đề tài đã hoàn thành mục tiêu đề ra luận văn tốt nghiệp. Tôi chân thành cảm ơn tất cả Thầy/Cô trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, Trường Đại học Bách Khoa TP.

HCM đã nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức trong suốt quá trình học tập. Đặc biệt các Thầy/Cô trong Khoa Điện – Điện Tử, đã trang bị những kiến thức vô cùng quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn. Trên hết, tôi chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS Dƣơng Hoài Nghĩa, TS.

Phạm Đình Trực – Trƣờng Đại học Bách Khoa TP. HCM, đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình làm luận văn. Với sự hướng dẫn của hai Thầy, tôi đã học hỏi được những kiến thức mới góp phần nâng cao sự hiểu biết và hoàn thành luận văn đúng với những yêu cầu đặt ra. Tôi cũng chân thành cảm ơn tất cả các bạn trong lớp đã nhiệt tình đóng góp những ý kiến để luận văn càng hoàn thiện hơn.

Đây cũng chính là thành công của đề tài góp phần tạo nên một sản phầm hoàn chỉnh. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã tích cực động viên, khuyến khích, tạo mọi điều kiện thuận lợi và trực tiếp hỗ trợ kinh phí để luận văn được hoàn thành. Ngƣời thực hiện đề tài Trần Mão iii Luan van TÓM TẮT TÓM TẮT Động cơ không chổi than DC (BLDC) đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp vì hiệu quả cao, mô-men xoắn cao và khối lượng thấp. Luận văn sử dụng thuật toán điều khiển PID-FOC, Fuzzy-FOC để kiểm soát tốc độ và vị trí của động cơ BLDC.

Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về hiệu suất điều khiển PID thông thường, điều khiển Fuzzy, và điều khiển Fuzzy- PID. Đó là khó khăn để điều chỉnh các thông số và nhận được đặc điểm kiểm soát ổn định bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID thông thường bình thường. Khi Fuzzy có khả năng kiểm soát đặc điểm ổn định và nó rất dễ dàng cho việc tính toán. Để điều khiển động cơ BLDC, một bộ điều khiển Fuzzy-PID được thiết kế như bộ điều khiển của động cơ BLDC.

Các kết quả thực nghiệm xác minh rằng một bộ điều khiển Fuzzy-PID có hiệu năng kiểm soát tốt hơn các bộ điều khiển PID thông thường. Các mô hình, điều khiển và mô phỏng của động cơ BLDC đã được thực hiện bằng cách sử dụng MATLAB / SIMULINK. ABSTRACT Brushless DC (BLDC) motors are widely used for many industrial applications because of their high efficiency, high torque and low volume. This thesis proposed a improved Fuzzy-FOC, PID-FOC controller to control speed and position of Brushless DC motor.

This thesis provides an overview of performance conventional PID controller and Fuzzy PID controller. It is difficult to tune the parameters and get satisfied control characteristics by using normal conventional PID controller. As the Fuzzy has the ability to satisfied control characteristics and it is easy for computing, In order to control the BLDC motor, a Fuzzy PID controller is designed as the controller of the BLDC motor. The experimental results verify that a Fuzzy PID controller has better control performance than the conventional PID controller.

The modeling, control and simulation of the BLDC motor have been done using the software package MATLAB/SIMULINK. iv Luan van MỤC LỤC MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.

Mục đích của đề tài. Nhiệm vụ của đề tài. Giới hạn của đề tài. Phương pháp nghiên cứu.

Hướng nghiên cứu.6 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Hệ thống Servo.2 Hệ thống điều khiển.3 Cấu hình hệ thống servo.1 Giới thiệu chung.2 Cấu tạo động cơ BLDC.3 Sức điện động cảm ứng.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC.3 Phương trình động hệ quy chiếu .1 Phương trình động trong hệ quy chiếu 3 phase cố định .2 Vector không gian .3 Phương trình động trong hệ quy chiếu quay d-q .4 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ tĩnh và hệ trục tọa độ quay .5 Mối quan hệ giữa hệ trục tọa độ quay abc và hệ trục tọa độ quay d-q .4 Điều khiển động cơ BLDC .5 Phương pháp Field Oriend Control (FOC) .28 v Luan van MỤC LỤC 2. Phương trình sử dụng trong việc điều khiển .6 Thuật toán điều khiển động cơ BLDC.1 Thuật toán điều khiển PID .2 Thuật toán điều khiển Fuzzy logic .3 Điều khiển PID mờ .45 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ BLDC BẰNG PHƢƠNG PHÁP FOC46 3.1 Điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID. Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC. Bộ biến đổi dùng FET.

Kỹ thuật điều chế SVM. Các khâu trong sơ đồ hệ thống. Kết quả mô phỏng .2 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán PID .1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí động cơ BLDC. Kết quả mô phỏng .3 Điều khiển vị trí động cơ bằng thuật toán Fuzzy logic .1 Sơ đồ khối bộ điều khiển vị trí .2 Các bước thực hiện mô phỏng .3 Kết quả mô phỏng .4 Đánh giá kết quả .1 Điều khiển tốc độ .2 Điều khiển vị trí .3 So sánh FOC_PID và FOC_FUZZY .5 Điều khiển vị trí động cơ BLDC bằng thuật toán FUZZY- PID .2 Kết quả mô phỏng .65 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .67 vi Luan van MỤC LỤC 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .67 TÀI LIỆU THAM KHẢO .68 vii Luan van DANH MỤC HÌNH DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Quá trình được điều khiển trực tiếp [1].2 Hệ thống điều khiển vòng lặp hở (Không có thông tin phản hồi) [1] .3 Hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng thông tin phản hồi [1] .3 Sơ đồ tổng quát máy điện quay .1 Các thành phần hình thành nên cơ cấu servo [2] .2 Sử dụng vòng lặp hở [3] .3 Sử dụng vòng lặp kín [3] .4 Sơ đồ khối với hai vòng hồi tiếp vị trí và tốc độ [3] .5 Hai loại cơ cấu thực thi và hồi tiếp phổ biến [3] .6 Phân loại động cơ Servo.7 Hình dáng ngoài động cơ BLDC .8 Cấu trúc chính của động cơ BLDC [4] .9 Rotor có nam châm gắn trên bề mặt [5] .10 Rotor có nam châm ẩn bên trong lõi [5] .11 Các phân bố cuộn dây trên Stator [5] .12 Minh họa kết cấu động cơ BLDC .13 Sức điện động cảm ứng trên các cuộn dây pha .14 Sự trùng pha giữa sức điện động cảm ứng và dòng điện [6] .15 Cách bố trí cảm biến Hall trên động cơ BLDC [7] .16 Tín hiệu cảm biến hall sensor [8] .17 Vector không gian dòng stator [9] .18 Vector không gian dòng stator và các thành phần của nó trong hệ quy chiếu tĩnh [9] .19 Vector không gian dòng stator và các thành phần trong hệ quy chiếu quay d-q [9].20 Biến đổi từ miền 3 phase sang hệ quy chiếu quay [10] .21 Sơ đồ nguyên lý mạch lực [8] .27 viii Luan van DANH MỤC HÌNH Hình 2.22 Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC.23 Đặc tính mô men và tốc độ của động cơ [5] .24 Vector không gian dòng có hướng vuông góc [11] .25 Field Oriented control for Brushless Motor [11] .26 Sơ đồ khối của phương pháp FOC [12] .27 Biến đổi Park [12] .28 Sơ đồ biến đổi từ 3D sang 2D [12] .29 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID [14] .30 Đồ thị theo thời gian của ba giá trị Kp ( KI và Kd là hằng số) .31 Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd là không đổi) .32 Giản đồ xác định các miền của tập mờ .33 Sơ đồ khối hệ thống xử lý mờ .34 Sơ đồ khối PID mờ .1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ động cơ BLDC bằng thuật toán PID .2 Sơ đồ hệ thống điều khiển tốc độ trên Matlab/simulink .3 Sơ đồ xuất kích áp pha .4 Sơ đồ bộ nghịch lưu ba pha .5 Các vector điện áp và các sector .6 Sơ đồ khối điều khiển PI tốc độ động cơ BLDC .7 Sơ đồ khối ma trận chuyển đổi Clark và Park .8 Giản đồ dòng điện 3 phase, Torque, tốc độ ở tốc độ đặt là 5v/s .9 Giản đồ dòng điện 3 phase, Torque, tốc độ ở tốc độ đặt là 10v/s .10 Giản đồ dòng điện 3 phase, Torque, tốc độ ở tốc độ đặt là 15v/s .