Thiết kế bộ điều khiển fuzzy pid cho dc dc converter điều khiển động cơ dc

Với yêu cầu về công nghệ ngày càng cao chất lượng điều khiển ngày càng tốt hơn Do đó mục tiêu của đề tài hướng tới là xây dựng được cơ sở lý thuyết về phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp đầu vào của động cơ Cụ thể là điều khiển điện áp ra cho bộ Buck DC DC cung cấp cho động cơ bằng phương pháp Fuzzy PID khảo sát tính ổn định của tốc độ động cơ nhằm nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điện một chiều Đề tài này mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn về vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến nói chung và bộ Buck converter nói riêng Đề tài đã chỉ ra được sự kết hợp giữa điều khiển mờ và điều khiển kinh điển sẽ mang lại kết quả tối ưu hơn so với chỉ sử dụng bộ điều khiển kinh điển

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN NGỌC BẢO

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PID CHO DC/DC

CONVERTER ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN NGỌC BẢO

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PID CHO DC/DC

CONVERTER ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS GIÁP QUANG HUY

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu đã nêu trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi đã tự nghiên cứu, học hỏi dựa trên các kiến thức đã học, làm việc và sự hỗ trợ của Giáo viên hướng dẫn cũng như đồng nghiệp

Tác giả

Phan Ngọc Bảo

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG……… 4

1.2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT DC/DC……… 5

1.2.1 Khái quát chung……… …… 5

1.2.2 Các bộ biến đổi DC-DC……….…… 6

1.2.2.1 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly……… 6

1.2.2.2 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly……….…… 6

1.2.3 Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp (Buck Converter)………… 7

1.2.3.1 Mô hình chuyển mạch kiểu vật lý……… 7

1.2.3.1 Mô hình không gian trạng thái……… 10

1.2.4 Các chế độ hoạt động của bộ biến đổi điện áp DC-DC……… 13

1.2.4.1 Chế độ dòng điện liên tục……… 13

1.2.4.2 Chế độ dòng điện gián đoạn……… 13

1.2.5 Chọn giá trị Lmin cho bộ biến đổi điện áp DC-DC……… 15

1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MẠCH BĂM XUNG……… 16

1.3.1 Thay đổi độ rộng xung……… 16

1.3.2 Thay đổi tần số xung ……… 17

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1……… 17

Chương 2 - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP & MÔ HÌNH HÓA ……… 18

2.1 CẤU TRÚC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU……… 18

2.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ……… 19

2.2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ……… 19

2.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập…… 19

2.3 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU 22

2.3.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều …… 23

2.3.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều 24

2.3.2.1 Mô tả chung……… 24

2.3.2.2 Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi……… 26

Chương 3 - LOGIC MỜ VÀ CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PI……… 27

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG……… 27

3.2 LOGIC MỜ……… 28

3.2.1 Tập mờ và hàm thuộc 28

3.2.2 Các hàm thuộc thường dùng 29

3.2.3 Biến mờ và biến ngôn ngữ 31

3.2.3.1 Biến mờ 31

3.2.3.2 Biến ngôn ngữ 31

3.2.4 Luật “Nếu Thì ” 32

3.2.5 Suy luận mờ và luật hợp thành 32

3.2.5.1 Mệnh đề hợp thành 32

3.2.5.2 Luật hợp thành MAX-MIN, MAX-PRO 33

3.2.5.3 Luật của nhiều mệnh đề hợp thành 33

3.2.5.4 Luật hợp thành SUM-MIN và SUM-PROD 35

3.2.6 Giải mờ (rõ hóa) 35

3.2.6.1 Phương pháp cực đại 36

3.2.6.2 Phương pháp điểm trọng tâm 38

3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ……… 39

3.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản 39

3.3.2 Tối ưu hoá hệ thống 40

3.3.3 Mô hình mờ Sugeno 41

3.3.4 So sánh mô hình Mamdani và mô hình Sugeno 43

3.4 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 43

3.4.1 Nguyên tắc 44

3.4.2 Các bước thực hiện 44

3.4.2.1 Đối với bộ điều khiển mờ theo mô hình Mamdani 44

3.4.2.2 Đối với bộ điều khiển mờ theo mô hình Sugeno 45

3.4.3 Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ 45

3.5 HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID 46

3.5.1 Giới thiệu chung 46

3.5.2 Bộ điều khiển mờ lai kinh điển 47

3.5.3 Chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 48

3.6 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ 50

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 50

Chương 4 - THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ-PI 52

4.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 52

4.1.1 Thông số động cơ DC 52

4.1.2 Bộ Buck DC-DC converter 53

4.1.3 Tổng hợp bộ điều khiển 54

4.1.3.1 Mờ hóa 57

4.1.3.2 Luật điều khiển và quy tắc hợp thành 58

4.1.3.3 Giải mờ 60

4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 61

4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY-PID CHO DC/DC CONVERTER ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG CƠ DC

Học viên: Phan Ngọc Bảo Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: Khóa: K34.TĐH.QNg Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

Tóm tắt: Với yêu cầu về công nghệ ngày càng cao, chất lượng điều khiển ngày càng tốt hơn

Do đó mục tiêu của đề tài hướng tới là xây dựng được cơ sở lý thuyết về phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp đầu vào của động cơ Cụ thể là điều khiển điện áp ra cho bộ Buck DC-DC cung cấp cho động cơ bằng phương pháp Fuzzy-PID, khảo sát tính ổn định của tốc độ động cơ nhằm nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điện một chiều

Đề tài này mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn về vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển

mờ trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến nói chung và bộ Buck converter nói riêng

Đề tài đã chỉ ra được sự kết hợp giữa điều khiển mờ và điều khiển kinh điển sẽ mang lại kết quả tối ưu hơn so với chỉ sử dụng bộ điều khiển kinh điển

Từ khóa: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp; điều khiển mờ; PID; điều khiển mờ chỉnh định PID;

động cơ điện 1 chiều; bộ biến đổi độ rộng xung

DESIGN FUZZY-PID CONTROLLER FOR DC/DC CONVERTER CONTROL DC

MOTOR

Abstract: With the increasing demand for technology, quality control is getting better and

better The objective of the project is to develop a theoretical basis for the independent DC motor speed control method by changing the input voltage of the motor Specifically, it controls the output voltage of the Buck DC-DC to the motor by Fuzzy-PID, which investigates the stability of the motor speed to improve the quality of drive DC motors

This topic has a scientific and practical significance for the application of fuzzy control theory in the control of nonlinear objects in general and the Buck converter in particular The topic has shown that the combination of fuzzy control and classic control will produce better results than using only classic controllers

Key words: buck converter; fuzzy logic; PID; fuzzy-PID control; DC motor; pulse width

converter

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

rƣ : Điện trở cuộn dây phần ứng

rcf : Điện trở cuộn dây mạch từ phụ

rct : Điện trở tiếp xúc cuộn bù

Φ : Từ thông kích từ dưới một cực từ

N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

j : Mô men quán tính

 : Mô men quay trên trục động cơ

L : Mô men tải

: Vận tốc góc

T1 : Thời gian đóng khóa van

T2 : Thời gian ngắt khóa van

1.1 Để chọn một giá trị điện cảm phù hợp trong chế độ dòng điện liên

tục và dòng điện gián đoạn của bộ biến đổi điện áp DC-DC 16 4.1 Bảng luật mờ cho hệ số chỉnh định KP 59 4.2 Bảng luật mờ cho hệ số chỉnh định KI 59

1.6 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên bộ biến đổi

1.7 Mạch Buck converter ở chế độ ON 10 1.8 Mạch Buck converter ở chế độ OFF 11 1.9 Dòng điện qua cuộn cảm của bộ biến đổi DC-DC 14 1.10 Sơ đồ phương pháp điều chỉnh điện áp ra 16 2.1 Động cơ điện 1 chiều (nguồn: wikipedia) 18 2.2 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 19 2.3 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 21 2.4 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 22 2.5 Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều 25 2.6 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá động cơ điện một chiều 26 2.7 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 26 3.1 Hàm thuộc kiểu tam giác a) và kiểu hình thang b) 30

3.3 Mô tả giá trị ngôn ngữ chiều cao người Việt bằng tập mờ 31 3.4 Giải mờ bằng phương pháp cực đại 36 3.5 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 37

3.6 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 37 3.7 Giải mờ theo nguyên lý cận phải 38 3.8 Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm 38 3.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 39 3.10 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ cơ bản 43

3.12 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 48 3.13 Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 49 3.14 Bên trong bộ chỉnh định mờ 50 4.1 Sơ đồ khối của hệ truyền động 52 4.2 Mô hình bộ Buck DC-DC converter 53 4.3 Mô hình điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID 54 4.4 Bộ điều khiển PI trong Matlab simulink 54 4.5 Mô phỏng điều khiển hệ thống bằng PI trong Matlab simulink 55 4.6 Đáp ứng tốc độ của động cơ DC với bộ điều khiển PI 55 4.7 Mô hình chỉnh định mờ thông số PID 56 4.8 Mô hình bộ điều khiển chỉnh định mờ KP và KI 57 4.9a Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào e và de/dt 58 4.9b Sự phân bố giá trị mờ của biến đầu ra hệ số khuếch đại KP và KI 58 4.10 Sự tương quan của biến đầu ra KP với hai biến đầu vào e và de/dt 59 4.11 Sự tương quan của biến đầu ra KI với hai biến đầu vào e và de/dt 60

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Ngành Kỹ thuật điều khiển

và tự động hóa luôn là ngành đi đầu trong công cuộc đổi mới, việc thực hiện điều chỉnh tốc độ của một dây chuyền, một hệ truyền động hay đơn giản nhất là động cơ truyền động rất được coi trọng trong dây chuyền công nghệ Trước đây để điều chỉnh được tốc độ của máy sản xuất, ta thường dùng phương pháp thay đổi cấu trúc cơ học như thay đổi tỷ số truyền hay có thể thay đổi bản thân tốc độ của chính động cơ truyền động nhưng những phương pháp đó đều có một số hạn chế nhất định như: Không trơn, không linh hoạt, cồng kềnh, giá thành cao Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn thì việc thay đổi tốc độ của bản thân động cơ truyền động đã có nhiều thay đổi

Mục tiêu của điều khiển là nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên, trên thực tế có rất nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cụ thể cho từng đối tượng Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệ truyền động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chi phí thấp, và hiệu quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hoá truyền động điện và trong các dây chuyền sản xuất

Với ưu điểm vượt trội là có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi điều chỉnh rộng, trơn, mượt hơn đối với động cơ điện xoay chiều, động cơ điện một chiều thường được dùng ở những nơi cần điều chỉnh tốc độ chính xác như máy in, robot, máy CNC Thay vào các cơ cấu cơ khí to nặng, cồng kềnh, phản ứng chậm, ồn, tổn hao điện năng lớn là các mạch điện tử gọn, nhẹ, phản ứng nhanh, chính xác

Trước đây tùy vào yêu cầu trong điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều mà người ta hay dùng các hệ truyền động MF - ĐC hay KĐ - ĐC .khi công nghệ bán dẫn phát triển mạnh thì điều khiển động cơ điện một chiều thường được dùng là bộ biến đổi thyristor, chỉnh lưu thyristor, transistor hay mosfet … Công nghệ bán dẫn cũng tạo ra được các bộ chuyển đổi nguồn có chất lượng chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn Một trong số đó là bộ biến đổi DC-DC, biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều với các mức điện áp mong muốn cung cấp cho động cơ một chiều nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ

Bộ biến đổi DC-DC giảm áp có cấu trúc không quá phức tạp, nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất cao và đảm bảo tính ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu Việc lựa chọn phương pháp điều khiển bộ biến đổi DC-DC sao cho tối

ưu là vấn đề rất quan trọng Xuất phát từ thực tế đó tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu khoa

học: “Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-PID cho DC/DC converter điều khiển động cơ

DC”.

2 Mục tiêu nghiên cứu

Với yêu cầu về công nghệ ngày càng cao, kéo theo chất lượng điều khiển ngày càng khắt khe hơn Do đó mục tiêu của đề tài hướng tới là xây dựng được cơ sở lý thuyết về phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp đầu vào của động cơ Cụ thể là điều khiển điện áp ra cho bộ Buck DC-DC cung cấp cho động cơ bằng phương pháp Fuzzy-PID, xây dựng mô phỏng trên MATLAB SIMULINK, khảo sát tính ổn định của tốc độ động cơ nhằm nâng cao chất lượng điều khiển động cơ điện một chiều

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi

- Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng phương pháp thay đổi điện

áp đặt vào phần ứng

- Phương pháp điều khiển kích xung bộ Buck converter để có điện áp đầu ra như mong muốn

- Mô phỏng hệ thống trên Matlab & Simulink

4 Phương pháp nghiên cứu

Để phục vụ cho công tác nghiên cứu, một phương pháp được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng rất nhiều đó là phương pháp mô hình hoá hệ thống Trong luận văn đã sử dụng phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình hoá và mô phỏng hệ thống điều khiển Fuzzy-PID cho bộ Buck DC-DC, đây là công cụ khá đắc lực trợ giúp trong việc nghiên cứu, có khả năng ứng dụng vào việc nghiên cứu mô phỏng hệ truyền động động cơ một chiều Trên cơ sở kết quả thu được sẽ rút ra các đánh giá và kết luận

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Với kết quả nghiên cứu được, đề tài này mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn về vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến nói chung và bộ Buck converter nói riêng Đề tài đã chỉ ra được sự kết hợp giữa điều khiển mờ và điều khiển kinh điển sẽ mang lại kết quả tối ưu hơn so với chỉ sử dụng bộ điều khiển kinh điển Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để có thể ứng

dụng thực tế trong vấn đề điều khiển các đối tượng phi tuyến mà cụ thể là điều khiển điện

áp đầu ra cho bộ Buck converter cấp nguồn và điều khiển tốc độ cho động cơ DC

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm có 4 chương được trình bày theo cấu trúc sau:

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ DC/DC CONVERTER

CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ

ĐỘC LẬP & MÔ HÌNH HÓA CHƯƠNG 3: LOGIC MỜ VÀ CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ BỘ

ĐIỀU KHIỂN PI

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ - PI

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ BỘ DC/DC CONVERTER

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Trong điện tử công suất các bộ biến đổi bán dẫn luôn là đối tượng nghiên cứu quan trọng Các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian.Tuy

có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện

tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động hoặc tự động hóa Đây là đặc tính mà các bộ biến đổi có tiếp điểm hoặc kiểu điện từ không thể có được

Trong điện tử công suất có nhiều trường hợp phải thực hiện quá trình biến đổi một điện áp một chiều không đổi thành điện áp một chiều khác có giá trị điều chỉnh trong phạm vi rộng Để thực hiện quá trình biến đổi này người ta đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau Phương pháp biến đổi cho hiệu suất cao, dùng được trong dải công suất từ nhỏ đến lớn và thực hiện điều chỉnh điện áp ra một cách thuận tiện nhất

là sử dụng các bộ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều, thường gọi tắt là bộ biến đổi DC-DC và cũng được gọi là xung điện áp hoặc băm điện áp Bộ biến đổi DC-DC là thiết bị biến đổi điện năng ứng dụng các linh kiện bán dẫn có điều khiển Các mạch điều khiển có yêu cầu về chất lượng, về tính linh động và nhỏ gọn, về đáp ứng được đặt lên hàng đầu Nhưng vấn đề hiệu suất được đặc biệt quan tâm đối với các mạch công suất lớn Chế độ chuyển mạch cho phép giảm khá nhiều các tổn thất công suất trên các linh kiện tích cực, đặc biệt là các linh kiện công suất, do đó được ưa thích hơn trong các mạch công suất lớn

1.2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT DC/DC

1.2.1 Khái quát chung:

Có rất nhiều bộ biến đổi chuyển mạch khác nhau trong điện tử công suất, nhưng thông dụng nhất là bộ biến đổi dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào và ngõ ra Về nguyên tắc, chúng ta chỉ có dòng điện một chiều (DC) hay xoay chiều (AC), do vậy có 4 tổ hợp khác nhau đối với bộ đôi dòng điện ngõ vào và ngõ ra (theo quy ước thông thường, ta viết ngõ vào trước, sau đó đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, AC-AC Bộ biến đổi AC-

DC chính là bộ chỉnh lưu (rectifier), bộ biến đổi DC-AC được gọi là bộ nghịch lưu (inverter) Hai loại còn lại được gọi chung là bộ biến đổi converter

Hình 1.1: Minh họa cách phân loại các bộ biến đổi

Bộ biến đổi AC-AC thường được thực hiện bằng cách dùng một bộ biến đổi AC-DC tạo nguồn cung cấp cho một bộ biến đổi DC-AC Thời gian gần đây có một số bộ biến đổi AC-AC thực hiện việc biến đổi giữa 2 nguồn AC một cách trực tiếp, không có tầng liên kết trung gian DC, và chúng được gọi là các bộ biến đổi ma trận (matrix converter) hay các bộ biến đổi trực tiếp (direct converter) Tên gọi bộ biến đổi ma trận xuất phát từ thực

tế là bộ biến đổi sử dụng một ma trận các khóa (van) 2 chiều để kết nối trực tiếp một pha ngõ ra bất kỳ với một pha ngõ vào bất kỳ

Bên cạnh sự phát triển các bộ biến đổi AC-AC thì các bộ biến đổi DC-DC cũng đang được sử dụng ngày càng rộng rãi Bộ biến đổi DC-DC được sử dụng ở các mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện nâng công suất vừa và nhỏ, đặc biệt là những

hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời…

AC, V1, f1

AC, V2, f2

Bộ biến đổi

Chỉnh lưu AC/DC

Nghịch lưu DC/AC

1.2.2 Các bộ biến đổi DC-DC

1.2.2.1 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly

Với bộ biến đổi DC-DC có cách ly, điện áp một chiều đầu vào được biến đổi thành điện áp xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được nâng lên qua biến áp xung, sau khi qua hệ thống lọc LC sẽ cho ra điện áp một chiều có biên độ mong muốn Các sơ

đồ biến đổi theo nguyên lý DC-DC có cách ly gồm có:

- Sơ đồ biến đổi FlyBack

- Sơ đồ biến đổi Push Pull

- Sơ đồ biến đổi Half Bridge

- Sơ đồ biến đổi Full Bridge

Bộ biến đổi DC-DC có cách ly được phân biệt nhờ có sự cách ly giữa nguồn đầu vào

và nguồn đầu ra bởi biến áp xung, vì vậy bộ biến đổi này có ưu điểm là hạn chế được nhiễu tải tác động ngược lại nguồn đầu vào và các linh kiện, thiết bị trong mạch, có thể tăng giảm mức điện áp đầu ra dễ dàng và có công suất lớn Nhưng có nhược điểm là với kích thước lớn và giá thành cao thì các bộ biến đổi DC-DC có cách ly chỉ được sử dụng trong các ứng dụng công suất lớn, đòi hỏi phải có cách ly

1.2.2.2 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly

Bộ biến đổi DC-DC không cách ly là bộ biến đổi công suất bán dẫn kiểu chuyển mạch, có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch, và dùng các điện cảm chuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn

Các bộ biến đổi DC-DC không cách ly bao gồm:

- Bộ biến đổi giảm áp (Buck)

- Bộ biến đổi tăng áp (Boost)

- Bộ biến đổi đảo dấu điện áp (buck-boost/inverting)

Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm Các bộ biến đổi DC-DC không cách ly

có ưu điểm là mạch đơn giản, giá thành thấp, thường được ứng dụng trong các bộ biến đổi DC-DC công suất nhỏ

Hình 1.2: Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển

1.2.3 Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp (Buck Converter)

1.2.3.1 Mô hình chuyển mạch kiểu vật lý:

Hình 1.3: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp chuyển mạch bằng khóa bán dẫn

Bộ biến đổi DC-DC giảm áp được lí tưởng hóa khóa (van) ở hình 1.4 và hoạt động

theo nguyên tắc sau:

Hình 1.4: Bộ biến đổi DC-DC giảm áp với chuyển mạch lý tưởng

Khi khóa (van) đóng, điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và

T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1 + T2 Giả sử điện áp rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là:

Hay Giá trị thường được gọi là chu kỳ làm việc (duty cycle)

Như vậy với

D thay đổi từ 0 đến 1 (không gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0< Vout < Vin Với các bộ biến đổi buck, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ làm việc, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra

Hình 1.6: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên bộ biến đổi Buck DC-DC Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ làm việc D:

Hai thông số cần đƣợc lựa chọn ở đây là Lmin và T Nếu chúng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn ( là tần số chuyển mạch), thì Lmin cũng cần phải lớn Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là các đoạn đa

thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch) Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ là Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điện tích này bằng Trong

đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập) Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:

ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp 1.2.3.2 Mô hình không gian trạng thái [13] Khi xây dựng mô hình không gian trạng thái cho bộ Buck converter ta cần xét các điểm làm việc trong một vùng tuyến tính nhỏ, gần điểm làm việc Trong trạng thái trung bình cần xét cả hai chế độ hoạt động là ON(bật) và OFF(tắt) - Chế độ ON(bật): Khi công tắc lên chế độ ON, diode xem như hở mạch Trạng thái mạch được thể hiện như Hình 1.7 Hình 1.7: Mạch Buck converter ở chế độ ON Phương trình có thể viết:

Hoặc

Hoặc Phương trình không gian trạng thái ở chế độ ON:

̇ [ ]

- Chế độ OFF(tắt): Khi công tắc ở chế độ OFF, diode dẫn và nguồn đầu vào bị ngắt

khỏi mạch điện Trạng thái mạch được thể hiện như Hình 1.8

Hình 1.8: Mạch Buck converter ở chế độ OFF Phương trình có thể viết:

Hoặc

Hoặc

Phương trình không gian trạng thái ở chế độ OFF:

̇ [ ] Theo tỉ lệ bộ chuyển đổi, ta xác định:

Trong trường hợp bộ chuyển đổi là Buck converter:

[ ] Xét trường hợp ít nhiễu ở đầu vào:

̂ ̂

Vì thế: ̂ và ̂

Điều kiện ổn định trạng thái: ̇

Giả sử bỏ qua tác động của nhiễu: ̂̇ ̂ ̂ ̂

Tại đó: [ ]

̂ ̂ ̂ Hàm truyền điều khiển:

̂ ̂

Hàm truyền bộ Buck converter có dạng:

̂ ̂

1.2.4 Các chế độ hoạt động của bộ biến đổi điện áp DC-DC

Các bộ biến đổi áp DC-DC đƣợc phép lựa chọn hoạt động một trong hai chế độ truyền dẫn sau:

1.2.4.1 Chế độ dòng điện liên tục

Là khi khóa (van) đóng hoặc ngắt thì dòng điện nạp và xả qua cuộn cảm liên tục hay nói cách khác là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn 0 trong tất cả các chu kì chuyển mạch đƣợc minh họa ở hình 1.9a và 1.9b Mỗi chu kì chuyển mạch Ts gồm có hai phần,

đó là D1Ts và D2Ts với

Chế độ dòng điện liên tục sẽ cho dòng điện lớn và ổn định hơn chế độ dòng điện gián đoạn, đáp ứng cho tải có công suất lớn Vấn đề là nên chọn giá trị điện cảm Lmin là điện cảm nhỏ nhất sao cho dòng điện luôn liên tục qua tải khi có biến động tổng trở tải mà vẫn bảo đảm về mặt kinh tế khi thiết kế Việc chọn giá trị Lmin nhƣ ở bảng 1.1

1.2.4.2 Chế độ dòng điện gián đoạn

Là khi khóa (van) đóng hoặc ngắt thì dòng điện chạy qua cuộn cảm có một khoảng thời gian bằng 0 đƣợc gọi là chế độ dòng điện gián đoạn Dạng sóng dòng điện qua cuộn cảm đƣợc minh họa ở hình 1.9c Mỗi chu kì chuyển mạch Ts gồm có ba phần, đó là D1Ts ,

D2Ts và D3Ts với

D3Ts là khoảng thời gian dòng điện bằng 0 Đối với trường hợp dòng điện gián đoạn: Lmin

là giá trị điện cảm lớn nhất mà dòng điện qua cuộn cảm tiến nhanh về 0 trong thời gian rất nhỏ

Hình 1.9: Dòng điện qua cuộn cảm của bộ biến đổi DC-DC

(a) ở chế độ dòng điện liên tục (b) ranh giới dòng điện liên tục

(c) chế độ dòng điện gián đoạn

Chế độ dòng điện gián đoạn dòng qua cuộn cảm có gợn sóng lớn khi trở kháng tải thấp, và đặc tính bộ biến đổi điện áp DC-DC thay đổi nhanh chóng Tỉ lệ biến đổi DC-DC phụ thuộc vào tải

Trong một số ứng dụng thì bộ biến đổi DC-DC hoạt động trong chế độ dòng điện liên tục, trong một số ứng dụng khác thì bộ biến đổi DC-DC cần thiết để hoạt động trong

(b) (a)

(c)

chế độ dòng điện gián đoạn Người thiết kế nguồn cấp điện chuyển mạch có thể lựa chọn

và thiết kế ở chế độ dòng điện gián đoạn nếu:

- Điện áp ra được đáp ứng nhanh trong chu kì đầu tiên

- Có giá trị điện cảm nhỏ, ngụ ý là chi phí thấp

- Mặt khác hoạt động chế độ dòng điện gián đoạn cho nguồn cấp điện chuyển mạch

có những nhược điểm sau

- Tỉ lệ chuyển đổi phụ thuộc vào tải

- Sự biến đổi dòng điện trong cuộn cảm cao, dẫn đến sự tổn thất từ và có thể dẫn đến

bão hòa từ

1.2.5 Chọn giá trị L min cho bộ biến đổi điện áp DC-DC

Phần này cho phép chúng ta sử dụng các phương trình toán học để chọn giá trị điện cảm Lmin cho bộ chuyển đổi DC-DC (Buck, Boost, Buck-Boost) trước khi đi vào thiết kế

bộ chuyển đổi

Khi lựa chọn giá trị điện cảm để đưa ra chế độ hoạt động chuyển đổi ta chọn

đối với dòng điện liên tục

đối với dòng điện gián đoạn

Những phương trình sau cho phép chọn Lmin cho bộ biến đổi DC-DC hoạt động trong:

- Giới hạn điện áp đầu vào DC xác định (Vin(min) đến Vin(max))

- Xác định giới hạn công suất ra (Po(min) đến Po(max))

- Biết trước điện áp đầu ra Vo

- Tần số chuyển mạch danh định fs được xác định

Bộ biến đổi Dòng điện LT Dòng điện GĐ

Bảng1.1: Để chọn một giá trị điện cảm phù hợp trong chế độ dòng điện liên tục và dòng

điện gián đoạn của bộ biến đổi điện áp DC-DC

1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MẠCH BĂM XUNG

1.3.1 Thay đổi độ rộng xung: (thay đổi T 1 )

Hình 1.10: Sơ đồ phương pháp điều chỉnh điện áp ra Nội dung của phương pháp này là thay đổi T1, giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: Trong đó đặt: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng

1.3.2 Thay đổi tần số xung (thay đổi T hoặc f)

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn T1 = const

Khi đó:

Vậy U ra = U s khi và Ura = 0 khi f = 0

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên Thực tế phương pháp biến đổi độ

rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm [1]

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Bộ biến đổi DC-DC có nhiều ưu điểm vượt trội như kết cấu mạch đơn giản, hoạt động cho hiệu suất cao nhờ kĩ thuật băm xung áp một chiều, tổn thất điện năng thấp Bằng phương trình toán học cũng cho biết làm thế nào ta chọn được Lmin cho ba bộ biến đổi (giảm áp, tăng áp và đảo áp) để chắc chắn hoạt động trong chế độ dòng điện gián đoạn hoặc dòng điện liên tục

Chương 2 -

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP & MÔ HÌNH HÓA

2.1 CẤU TRÚC ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Hiện nay động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều rất rộng, từ vài W đến hàng

MW Đây là loại động cơ đa dụng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc,

và hãm với tải trọng nặng Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan

hệ mômen và tốc độ

Động cơ điện một chiều gồm hai phần chính: Phần tĩnh và phần động

Hình 2.1: Động cơ điện 1 chiều (nguồn: wikipedia)

- Phần tĩnh (Stator): Là bộ phận sinh ra từ trường, Stator gồm có:

+ Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch

+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ

+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính

+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

+ Các bộ phận khác: Gồm nắp máy, Cơ cấu chổi than…

- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau

+ Phần sinh ra sức điện động gồm có: Mạch từ, Cuộn dây phần ứng

+ Cổ góp

2.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với sức điện động Eư Chiều của sức điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sức điện động Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động Khi đó ta

có phương trình:

U = Eư + Rư.Iư (2.1)

2.2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau Lúc này động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập [2]

Hình 2.2: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:

Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư (2.2) Trong đó:

Uư: Điện áp phần ứng, V

Eư: Sức điện động phần ứng, V

Rư: Điện trở mạch phần ứng,

Iư: Dòng điện của mạch phần ứng, A Với: Rư = rư + rcf + rb + rct

rư: Điện trở cuộn dây phần ứng

rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ

rct: Điện trở tiếp xúc cuộn bù Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

P: Số đôi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Φ: Từ thông kích từ dưới một cực từ

: Tốc độ góc (rad/s) : Hệ số cấu tạo của động cơ

Từ (2.2) và (2.3) ta có:

Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi

Thay giá trị I vào (2.4) ta có:

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta ký hiệu là M Nghĩa là:

Mđt = Mcơ = M

Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông Φ = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (2.4) và phương trình đặc tính cơ (2.7) là tuyến tính Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 2.2 là những đường thẳng

Theo các đồ thị, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có:

ω0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 2.3: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi ω = 0 ta có:

Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch

Ngoài ra phương trình đặc tính (2.4) và (2.7) cũng có thể được viết dưới dạng:

Trong đó: R = Rư + Rf

được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ , điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động cơ

2.3 MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

Mạch điện thay thế của động cơ một chiều như Hình 2.4

Hình 2.4: Mạch điện thay thế của động cơ một chiều

Hệ thống mô tả động cơ Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I hoặc vị trí của Rotor

Mômen tải MC là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải MC là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ Truyền động điện tự động

Quá trình mô hình hóa động cơ 1 chiều phải xét ở hai chế độ: Chế độ xác lập và chế

độ quá độ.[9]

2.3.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau:

I k I a

N p

2

'.

 (2.14)

Trong đó: p': số đôi cực của động cơ

N: Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ

a: Số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng

k = p'N/2π.a : Hệ số kết cấu của máy

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua

từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động:

2

'

(2.15) Trong đó: ω tốc độ góc của rôto

Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng:



(2.16) Trong đó: R ư là điện trở mạch phần ứng của động cơ

2.3.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

2.3.2.1 Mô tả chung

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được phương trình mô tả

sơ đồ thay thế như sau:

Mạch kích từ có hai biến dòng điện kích từ ik và từ thông máy Φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:

Uk(s)= RkIk(s) +Nk.P.Φ(s) (2.17) Trong đó Nk: Số vòng dây cuộn kích từ;

Rk: Điện trở cuộn dây kích từ

sT

R s

Trong đó J là mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ

Từ các phương trình trên thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều (Hình 2.5) Thấy rằng sơ đồ cấu trúc này là phi tuyến mạnh, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc

N

N N

Mạch phần ứng:

)]

( )].[

( [

)]

( [

)]

( [

) (

s s

K

s I I L s s I I R s U U

B o

o u o

u o

U koU k(s)R k[I koI k(s)]sL k[I koI k(s)] (2.21) Phương trình chuyển động cơ học:

K[o (s)].[I o I(s)][M B M c(s)]J s[B (B)] (2.22) Nếu bỏ qua các giá trị vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số:

U(s)[K.B.(s)K.o.(s)]R u.I(s).(1sT u) (2.23) U k R kI k(s).(1sT k) (2.24)

K.I o.(s)K.oI(s)M c J.s(s) (2.25)

Hình 2.6 trình bày sơ đồ cấu trúc đã được tuyến tính hoá theo các phương trình (2.23), (2.25) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

u u

sT

R



1 1

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá động cơ điện một chiều

2.3.2.2 Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi

Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:

Trong khoa học kỹ thuật cũng vậy, nhiều hệ thống phức tạp không thể mô tả đầy đủ

và chính xác nhiều đối tượng bằng các phương trình toán học Do vậy, không phải bất kỳ quá trình nào cũng có thể tính toán để cho ra các phương pháp điều khiển bằng các phương trình toán học, đó là lý do xuất hiện điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo Trong điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo, thành phần phát triển vượt bậc và đang là hướng nghiên cứu của nhiều nhà khoa học là điều khiển mờ, điều khiển bằng mạng nơ-ron, sự kết hợp giữa

mờ và nơ-ron, [8]

Ưu điểm của điều khiển mờ so với phương pháp điều khiển kinh điển là:

- Có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết trước cấu trúc và tham số của hệ thống một cách chính xác Những ứng dụng gần đây về hệ điều khiển mờ đã mang lại nhiều hiệu quả đáng kể trong các hệ điều khiển hiện đại, nó góp phần giúp các nhà khoa học có được lời giải của những yêu cầu điều khiển phức tạp mà nếu sử dụng các phương pháp kinh điển trước đây thì rất khó hoặc chưa thể giải quyết trọn vẹn;

- Sử dụng các kinh nghiệm vận hành đối tượng và các xử lý điều khiển của chuyên gia trong thuật toán điều khiển, là một bước tiến gần tới tư duy con người

Nhược điểm chính của phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ là người thiết kế cần phải có kinh nghiệm của các chuyên gia để xây dựng các luật điều khiển phù hợp Nguyên tắc chung giữa hệ thống điều khiển mờ và các hệ điều khiển kinh điển khác

là cũng bao gồm các khối chức năng cần thiết tương tự nhau, điểm khác biệt ở đây là thay

vì sử dụng các bộ điều khiển kinh điển người ta sử dụng bộ điều khiển mờ hoặc kết hợp

cả hai

Các hệ điều khiển mờ đều có một cấu trúc chung là:

“NẾU THÌ ” theo một hay nhiều điều kiện

Hệ thống mờ là một tập hợp các qui tắc dưới dạng “NẾU THÌ ” để mô tả hành

vi của con người và được tích hợp vào quá trình điều khiển hệ thống Vì thế, việc thiết kế một hệ thống điều khiển mờ mang nhiều tính chủ quan, nó tuỳ thuộc kinh nghiệm và kiến thức của người thiết kế

Với vị trí rất quan trọng trong điều khiển học của kỹ thuật hiện đại, những ứng dụng trong công nghiệp của điều khiển mờ ngày một rộng rãi: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển trong công nghiệp và dân dụng, điều khiển robot, nhờ những đặc điểm ưu việt như:

- Khối lượng công việc thiết kế được giảm đi nhiều do không cần phải sử dụng mô hình đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống Với các bài toán thiết kế hệ thống điều khiển

có độ phức tạp cao thì giải pháp sử dụng bộ điều khiển mờ sẽ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm;

- Logic mờ có thể mô hình hóa các hàm phi tuyến với độ phức tạp cao;

- Bộ điều khiển mờ được xây dựng dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia;

- Có thể kết hợp điều khiển mờ với nhiều kỹ thuật điều khiển thích hợp khác (như: mờ-nơ-ron, mờ-thích nghi, mờ-trượt, mờ PID );

- Được xây dựng dựa trên ngôn ngữ tự nhiên, nên rất gần gũi với con người;

- Dễ hiểu và dễ thay đổi hơn so với các bộ điều khiển khác;

- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững hơn và

Giả sử ta xét tập hợp A, ánh xạ A {0,1} định nghĩa trên tập A như sau:

A(x) = 1 nếu x  A và

A(x) = 0 nếu x  A (3.1)

Ví dụ: Tập A được định nghĩa như sau: A = { x  R |4 < x < 9| }, khi đó, giả sử với các phần tử là: 1, 3, 5, 7 thì theo định nghĩa trên, ta có:

A(1) = 0; A(3) = 0; A(5) = 1; A(7) = 1 Khi đó, A được gọi là hàm thuộc của tập hợp A Một tập X luôn có X(x) = 1 với mọi x được gọi là không gian nền hay tập nền

Một tập hợp A có dạng A = {xX x} thỏa mãn một số tính chất nào đó thì được gọi là có tập nền X, hay được định nghĩa trên tập nền X

Như vậy trong lý thuyết kinh điển, hàm thuộc hoàn toàn tương đương với định nghĩa một tập hợp Từ định nghĩa về một tập hợp A bất kỳ ta có thể xác định được hàm thuộc

A (x) cho tập hợp đó và ngược lại từ hàm thuộc A(x) của tập hợp A cũng hoàn toàn suy

ra được định nghĩa cho tập hợp A

Một tập hợp B được mô tả gồm “các số nguyên dương bé hơn nhiều so với 9”

(B = {x  R | x << 9 }) được gọi là mô tả “mờ” Vậy thì cách biểu diễn hàm thuộc như trên không phù hợp với những tập hợp mô tả “mờ” kiểu như tập B vì giả sử như có phần

tử xi = 3 chưa biết có thuộc tập B hay không Khi không khẳng định được xi = 3 có thuộc tập B hay không ta cần xác định xi = 3 thuộc tập B bao nhiêu phần trăm Giả sử tồn tại câu trả lời thì hàm thuộc B(x) tại điểm xi = 3 phải nhận một giá trị nào đó trong khoảng [0,1], tức là: 0 B(xi)  1 Nói cách khác, hàm B(x) không còn là hàm hai giá trị như đối với tập hợp kinh điển nữa mà là một ánh xạ: B: R  [0,1]

So với tập hợp kinh điển A, từ “định nghĩa kinh điển” của tập “mờ” B sẽ không suy

ra được hàm thuộc B(x) của chúng Do đó, người ta đưa ra khái niệm về tập mờ như sau: Tập mờ F xác định trên tập kinh điển X là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, F(x) trong đó x  X và F là ánh xạ F: X  [0,1]

Ánh xạ F được gọi là hàm thuộc của tập mờ F, tập kinh điển X được gọi là tập nền của tập mờ F