Luận văn thạc sĩ HCMUTE về điều khiển động cơ không đồng bộ bằng logic mờ

• 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
• Đề tài: Sử Dụng Logic Mờ Trong Điều Khiển Động Cơ Không Đồng Bộ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• Lý lịch khoa học
• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• Danh sách các hình
• Danh sách các chữ viết tắt
• Danh sách các bảng
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về đề tài
• 1.2. Các phương pháp điều khiển
• 1.2.1. Điều khiển vô hướng động cơ không đồng bộ (scalar)
• 1.2.2. Phương pháp điều chế vector không gian
• 1.2.3. Điều khiển định hướng trường
• 1.2.4. Điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp
• 1.2.5. Điều khiển định hướng từ thông rotor gián tiếp
• 1.2.6. Điều khiển độ rộng xung theo định hướng trường
• 1.3. Những kỹ thuật tiên tiến hiện nay
• 1.3.1. Điều khiển thông minh
• 1.3.2. Những kỹ thuật khác
• 1.4. Trình tự mô phỏng động cơ không đồng bộ
• 1.4.1. Xây dựng mô hình toán học của động cơ không đồng bộ cho cấu trúc điều khiển
• 1.4.2. Kiểm tra thiết bị truyền động AC
• 1.4.3. Phương pháp điều khiển, xây dựng và thiết kế bộ điều khiển đi kèm
• 1.5. Mục tiêu đề tài
• 1.6. Phạm vi nghiên cứu
• 1.7. Nội dung luận văn
• 1.8. Đề tài tham khảo
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
• 2.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.2. Vector không gian của các đại lượng ba pha
• 2.2.1. Xây dựng vector không gian
• 2.2.2. Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian
• 2.2.3. Biểu diễn các vector không gian trên hệ tọa độ từ thông rotor
• 2.3. Mô hình của động cơ không đồng bộ ba pha
• 2.3.1. Lý do xây dựng mô hình
• 2.3.2. Hệ phương trình cơ bản của động cơ
• 2.3.3. Các tham số của động cơ
• 2.3.4. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ stator
• 2.3.5. Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ rotor
• 2.3.6. Ưu điểm của việc mô tả động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ tọa độ từ thông rotor
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TRƯỜNG
• 3.1. Đại cương về phương pháp FOC
• 3.2. Cấu trúc FOC
• 3.2.1. Giới thiệu cấu trúc cơ bản của FOC
• 3.2.2. Xây dựng thuật toán điều khiển
• 3.2.3. Cấu trúc hiện đại của FOC
• 3.3. Mô phỏng phương pháp FOC bằng Simulink/Matlab
• 3.3.1. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp FOC trong Simulink/Matlab
• 3.3.2. Giải thích nguyên lí hoạt động
• 3.4. Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ không đồng bộ bằng phương pháp FOC
• 3.4.1. Tham số mô phỏng
• 3.4.2. Trình tự mô phỏng
• 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
• 3.4.3.2. Khi động cơ có moment mT=2 (N)
• 3.4.3.3. Khi động cơ có moment mT=5 (N)
• 3.4.3.4. Khi hãm động cơ (tăng tải của động cơ, cho mT=8 N)
• 3.4.3.5. Thay đổi tốc độ động cơ (mT=5)
• 3.4.3.6. Đảo chiều quay động cơ (mT=5)
• 3.5. Nhận xét kết mô phỏng điều khiển FOC
• 4. CHƯƠNG 4: DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
• 4.1. Bộ điều chỉnh PI – Fuzzy
• 4.2. Quy tắc cơ bản thiết kế cho các đầu ra
• 4.3. Thiết kế của Fuzzy Logic Controller sử dụng MATLAB
• 4.4. Mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
• 4.5. Kết quả mô phỏng điều khiển FOC trong matlab Simulink
• 4.5.1. Khi động cơ ở chế độ không tải
• 4.5.2. Khi động cơ có moment mT=2 (N)
• 4.5.3. Khi động cơ có moment mT=5 (N)
• 4.5.4. Khi hãm động cơ (tăng tải động, cho moment mT=8 N)
• 4.5.5. Thay đổi tốc độ động cơ (mT=5 N)
• 4.5.6. Đảo chiều quay động cơ (mT=5 N)
• 4.6. Phần So sánh với khâu PID mờ của đề tài Thạc sỹ Phạm Văn Lực
• 4.7. Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ lai
• 4.8. Xây dựng các bộ điều khiển PI mờ
• 4.9. 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
• 4.10. Mặt tích cực và hạn chế trong luận văn so sánh
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Hướng phát triển
• Tài liệu tham khảo

I. Tổng quan về đề tài

Đề tài 'Sử dụng logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ' tập trung vào việc cải tiến phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ bằng cách áp dụng logic mờ. Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị chủ lực trong truyền động điện xoay chiều, nổi bật với cấu tạo đơn giản và hiệu suất cao. Tuy nhiên, việc điều khiển loại động cơ này gặp nhiều khó khăn do tính phi tuyến mạnh mẽ của nó. Phương pháp điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control - FOC) đã được sử dụng phổ biến, nhưng vẫn cần cải tiến để đạt hiệu quả cao hơn. Luận văn này nhằm mục đích phát triển một phương pháp điều khiển PI mờ, cho phép thay đổi động các thông số Kp và Ki theo yêu cầu điều khiển tốc độ động cơ. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ.

1.1 Các phương pháp điều khiển

Trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồng bộ, có nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng. Điều khiển vô hướng là phương pháp đơn giản nhất, cho phép điều chỉnh biên độ và tần số của dòng điện và điện áp. Phương pháp điều chế vector không gian (Space Vector Modulation - SVM) cũng được sử dụng rộng rãi, giúp tối ưu hóa hiệu suất điều khiển. Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn có những hạn chế nhất định, đặc biệt là trong việc điều khiển động cơ ở các chế độ tải khác nhau. Việc áp dụng logic mờ vào điều khiển động cơ không đồng bộ có thể khắc phục những hạn chế này, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả cao hơn trong quá trình điều khiển.

II. Mô hình toán động cơ không đồng bộ

Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ là cơ sở để xây dựng các thuật toán điều khiển. Mô hình này giúp xác định các tham số quan trọng như từ thông, moment và tốc độ của động cơ. Việc xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ ba pha cần phải xem xét đến các yếu tố như cấu trúc điều khiển và các tham số động học. Mô hình này không chỉ giúp trong việc phân tích hiệu suất động cơ mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế các bộ điều khiển hiệu quả. Sự chính xác của mô hình toán học sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của phương pháp điều khiển được áp dụng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển mô hình toán học là rất cần thiết trong việc ứng dụng logic mờ vào điều khiển động cơ không đồng bộ.

2.1 Xây dựng mô hình toán học

Xây dựng mô hình toán học cho động cơ không đồng bộ bao gồm việc xác định các phương trình cơ bản mô tả hành vi của động cơ. Các phương trình này thường được xây dựng dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản và các tham số kỹ thuật của động cơ. Việc mô hình hóa cần phải đảm bảo tính chính xác và khả năng phản ánh đúng các đặc tính của động cơ trong thực tế. Mô hình toán học sẽ được sử dụng để kiểm tra và tối ưu hóa các thuật toán điều khiển, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ. Sự kết hợp giữa mô hình toán học và logic mờ sẽ tạo ra một hệ thống điều khiển thông minh, có khả năng tự điều chỉnh theo các điều kiện hoạt động khác nhau.

III. Điều khiển định hướng trường

Phương pháp điều khiển định hướng trường (FOC) là một trong những phương pháp tiên tiến nhất trong việc điều khiển động cơ không đồng bộ. FOC cho phép điều khiển độc lập từ thông và moment, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển. Tuy nhiên, việc áp dụng FOC cũng gặp phải một số thách thức, đặc biệt là trong việc xác định các tham số điều khiển chính xác. Luận văn này đề xuất việc kết hợp FOC với logic mờ để tạo ra một phương pháp điều khiển hiệu quả hơn. Sự kết hợp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong việc điều khiển động cơ mà còn tăng cường khả năng thích ứng với các thay đổi trong điều kiện hoạt động.

3.1 Cấu trúc FOC

Cấu trúc của phương pháp FOC bao gồm các thành phần chính như bộ điều khiển, cảm biến và động cơ. Bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến và điều chỉnh các tham số điều khiển để đảm bảo động cơ hoạt động hiệu quả. Việc áp dụng logic mờ vào cấu trúc FOC sẽ giúp cải thiện khả năng điều chỉnh các tham số này, từ đó nâng cao hiệu suất điều khiển. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng logic mờ trong FOC mang lại những cải tiến đáng kể về mặt hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điều khiển.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã trình bày một cách chi tiết về việc ứng dụng logic mờ trong điều khiển động cơ không đồng bộ. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp điều khiển PI mờ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển so với các phương pháp truyền thống. Việc áp dụng logic mờ không chỉ giúp tăng cường khả năng điều chỉnh mà còn tạo ra một hệ thống điều khiển linh hoạt hơn. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc mở rộng ứng dụng của logic mờ trong các lĩnh vực khác của điều khiển tự động, cũng như nghiên cứu sâu hơn về các thuật toán điều khiển mới.

4.1 Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các thuật toán điều khiển dựa trên logic mờ. Nghiên cứu có thể mở rộng ra các loại động cơ khác nhau và các ứng dụng trong công nghiệp. Việc kết hợp logic mờ với các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy cũng có thể mang lại những cải tiến đáng kể trong hiệu suất điều khiển. Sự phát triển này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ mà còn góp phần vào việc phát triển các hệ thống điều khiển thông minh trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ không đồng bộ ba pha là thiết bị truyền động chủ lực trong các hệ thống điện xoay chiều nhờ cấu tạo đơn giản, độ bền cao, chi phí thấp và hiệu suất vận hành tốt. Theo ước tính, động cơ không đồng bộ chiếm hơn 70% tổng số động cơ sử dụng trong công nghiệp hiện nay. Tuy nhiên, việc điều khiển động cơ không đồng bộ là một thách thức lớn do tính phi tuyến và sự phụ thuộc phức tạp giữa các tham số vận hành. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng phương pháp logic mờ để cải tiến bộ điều khiển PI truyền thống trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển và khả năng thích ứng với các điều kiện vận hành thay đổi. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, sử dụng mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink, tập trung vào điều khiển định hướng trường (FOC) kết hợp với bộ điều khiển PI mờ. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện độ ổn định tốc độ, giảm sai số và tăng khả năng chịu tải của động cơ, góp phần nâng cao hiệu suất truyền động trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính:

• Điều khiển định hướng trường (Field Oriented Control - FOC): Phương pháp điều khiển này tách biệt điều khiển moment và từ thông của động cơ không đồng bộ, cho phép điều khiển độc lập hai đại lượng này tương tự như động cơ một chiều kích từ độc lập. FOC bao gồm hai dạng phổ biến là điều khiển định hướng từ thông rotor trực tiếp và gián tiếp, trong đó góc từ thông rotor được ước lượng để phục vụ điều khiển.
• Logic mờ (Fuzzy Logic Control - FLC): Đây là kỹ thuật điều khiển thông minh dựa trên các luật mờ If-Then, cho phép điều chỉnh tham số bộ điều khiển PI (Kp, Ki) một cách động theo trạng thái vận hành của động cơ. Bộ điều khiển PI mờ lai kết hợp ưu điểm của điều khiển cổ điển và trí tuệ nhân tạo, giúp tăng khả năng thích nghi và ổn định hệ thống.

Các khái niệm chính bao gồm: vector không gian dòng điện và điện áp, hệ tọa độ αβ và dq, mô hình trạng thái động cơ không đồng bộ ba pha, bộ điều khiển PI truyền thống và PI mờ, cũng như các tham số đặc trưng của động cơ như điện trở stator, rotor, điện cảm tiêu tán và từ thông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc được xây dựng dựa trên các phương trình trạng thái trong hệ tọa độ dq, kết hợp với các tham số thực nghiệm đo được từ động cơ mẫu. Cỡ mẫu nghiên cứu là một động cơ không đồng bộ tiêu chuẩn với các thông số kỹ thuật được xác định qua kiểm tra thực nghiệm. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink, cho phép phân tích chi tiết các đặc tính động học và điện của động cơ dưới các điều kiện tải khác nhau.

Phân tích dữ liệu được thực hiện thông qua mô phỏng điều khiển định hướng trường kết hợp bộ điều khiển PI mờ, so sánh với bộ điều khiển PI truyền thống. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển tốc độ: Bộ điều khiển PI mờ cải thiện độ ổn định tốc độ động cơ, giảm sai số tốc độ xuống dưới 2% trong các điều kiện tải thay đổi, so với sai số khoảng 5% của bộ điều khiển PI truyền thống.
2. Khả năng chịu tải: Khi tải moment tăng từ 2 Nm lên 8 Nm, tốc độ động cơ duy trì ổn định với biến động nhỏ hơn 3% khi sử dụng PI mờ, trong khi bộ điều khiển PI truyền thống có biến động lên đến 7%.
3. Phản ứng đảo chiều: Bộ điều khiển PI mờ cho phép động cơ đảo chiều quay nhanh chóng và mượt mà, thời gian chuyển đổi giảm khoảng 20% so với phương pháp truyền thống.
4. Dòng điện và từ thông: Mô phỏng cho thấy dòng điện và từ thông rotor được điều khiển ổn định hơn với bộ điều khiển PI mờ, giảm sóng hài và dao động không mong muốn, góp phần tăng tuổi thọ động cơ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự cải tiến này là do bộ điều khiển PI mờ có khả năng điều chỉnh tham số Kp và Ki một cách linh hoạt theo trạng thái vận hành, giúp thích ứng với các biến đổi tải và điều kiện môi trường. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PI cố định, kết quả này cho thấy rõ ưu thế của việc kết hợp trí tuệ nhân tạo trong điều khiển truyền động điện xoay chiều. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tốc độ, moment và dòng điện theo thời gian, minh họa sự ổn định và đáp ứng nhanh của hệ thống điều khiển PI mờ. Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo ngành về việc ứng dụng logic mờ trong điều khiển động cơ, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển PI mờ trong các hệ thống truyền động công nghiệp: Động tác này nhằm giảm sai số tốc độ và tăng khả năng chịu tải, dự kiến thực hiện trong vòng 6 tháng, do các đơn vị sản xuất và bảo trì động cơ đảm nhiệm.
2. Nâng cấp phần mềm điều khiển biến tần: Tích hợp thuật toán logic mờ vào phần mềm điều khiển biến tần hiện có để tối ưu hóa hiệu suất, thời gian thực hiện khoảng 3-4 tháng, do các nhà cung cấp thiết bị điện tử công suất thực hiện.
3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về nguyên lý điều khiển logic mờ và ứng dụng trong truyền động điện, nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì, thời gian đào tạo 2 tháng, do các trung tâm đào tạo kỹ thuật chịu trách nhiệm.
4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng bộ điều khiển PI mờ cho các loại động cơ khác như động cơ đồng bộ và động cơ servo, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả điều khiển, thời gian nghiên cứu dự kiến 12 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư điều khiển và tự động hóa: Nắm bắt kiến thức về điều khiển định hướng trường và logic mờ để thiết kế và tối ưu hệ thống truyền động điện.
2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu về điều khiển động cơ không đồng bộ.
3. Nhà sản xuất biến tần và thiết bị điện tử công suất: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm có hiệu suất cao và khả năng thích ứng tốt hơn.
4. Chuyên gia bảo trì và vận hành thiết bị công nghiệp: Hiểu rõ nguyên lý và phương pháp điều khiển mới để nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sự cố thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

1. Logic mờ là gì và tại sao lại được sử dụng trong điều khiển động cơ?
   Logic mờ là kỹ thuật điều khiển dựa trên các luật mờ If-Then, cho phép xử lý các tín hiệu không chính xác hoặc không rõ ràng. Trong điều khiển động cơ, nó giúp điều chỉnh tham số bộ điều khiển một cách linh hoạt, cải thiện khả năng thích ứng và ổn định hệ thống.

2. Điều khiển định hướng trường (FOC) có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   FOC cho phép điều khiển độc lập moment và từ thông, giúp đạt được hiệu suất cao, đáp ứng nhanh và chính xác hơn so với điều khiển vô hướng hoặc điều khiển scalar truyền thống.

3. Bộ điều khiển PI mờ khác gì so với bộ điều khiển PI truyền thống?
   Bộ điều khiển PI mờ có khả năng thay đổi động các tham số Kp và Ki dựa trên trạng thái vận hành, trong khi bộ PI truyền thống có các tham số cố định, dẫn đến hiệu quả điều khiển kém khi điều kiện thay đổi.

4. Mô phỏng trên MATLAB/Simulink có thể phản ánh chính xác thực tế không?
   Mô phỏng sử dụng mô hình toán học chi tiết và tham số thực nghiệm, do đó phản ánh khá chính xác đặc tính vận hành của động cơ, giúp đánh giá hiệu quả điều khiển trước khi triển khai thực tế.

5. Có thể áp dụng phương pháp điều khiển này cho các loại động cơ khác không?
   Có, phương pháp logic mờ kết hợp với điều khiển định hướng trường có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại động cơ khác như động cơ đồng bộ hoặc động cơ servo để nâng cao hiệu quả điều khiển.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và hệ thống điều khiển định hướng trường kết hợp bộ điều khiển PI mờ cho động cơ không đồng bộ ba pha.
• Bộ điều khiển PI mờ cho thấy hiệu quả vượt trội trong việc cải thiện độ ổn định tốc độ, khả năng chịu tải và phản ứng nhanh với các thay đổi vận hành.
• Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink minh chứng tính khả thi và ưu điểm của phương pháp điều khiển đề xuất.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả truyền động điện xoay chiều, mở rộng ứng dụng của trí tuệ nhân tạo trong kỹ thuật điều khiển.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, đào tạo nhân lực và mở rộng nghiên cứu sang các loại động cơ khác nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi hơn.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp điều khiển thông minh dựa trên logic mờ để nâng cao hiệu quả truyền động trong công nghiệp hiện đại.