ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------

NGÔ TẤN TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ AC SERVO
Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
Mã số: 12390829

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ – Nguyễn Duy Anh

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ............................................................
2. ............................................................

3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGÔ TẤN TÀI

MSHV: 12390829

Ngày, tháng, năm sinh: 22/05/1988

Nơi sinh: Lâm Đồng

Chuyên ngành: Cơ Điện Tử

Mã số : 60520114

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ AC SERVO
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế bộ điều khiển động cơ AC Servo theo phương

pháp tựa trường ( Field Orient Control). Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu thông
số PI của bộ điều khiển trong bài tốn điều khiển vị trí và tốc độ. Kết hợp giải thuật di
truyền và phương pháp điều khiển mờ để tối ưu thơng số PI trong bài tốn điều khiển
tốc độ.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2015
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TIẾN SĨ – NGUYỄN DUY ANH

Tp. HCM, ngày . . . . tháng. . . . năm . . . .
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện tại bộ mơn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí, Trường Đại
học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Để hồn thành được luận văn này tôi đã nhận được
rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể.
Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Duy Anh đã
hướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của mình.
Xin cùng bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới các thầy cô giáo, người đã đem lại
cho tôi những kiến thức bổ trợ, vô cùng có ích trong những năm học vừa qua.

Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại
học, Đại học Bách Khoa TP.HCM đã tạo điều kiện cho tơi trong q trình học tập.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã ln bên
tơi, động viên và khuyến khích tơi trong q trình thực hiện đề tài nghiên cứu của
mình.

Tp. HCM, ngày 28 tháng 12 năm 2015
Ngô Tấn Tài

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 1


TÓM TẮT LUẬN VĂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Với sự phát triển của công nghệ vật liệu từ vĩnh cửu, động cơ AC Servo được
ứng dụng rộng rãi nhờ momen, hệ số quán tính, hiệu suất cao, ổn định và dể dàng
bảo trì. Nó được sử dụng rất nhiều trong máy cơng cụ CNC, rơ bốt cơng nghiệp…
Việc thiết lập mơ hình hóa và bộ điều khiển của động cơ AC Servo có ý nghĩa quan
trọng để kiểm chứng các giải thuật điều khiển và tối ưu cho toàn hệ thống điều
khiển. Để thu được đặc tính đáp ứng cao, điều khiển véctơ được đưa ra để áp dụng
vào bộ điều khiển động cơ.
Đề tài này áp dụng phương pháp điều khiển véc tơ tựa trường ( Field Orient
Control – FOC ) làm nền tảng để thiết kế bộ điều khiển. Tuy nhiên, việc lựa chọn
thông số PI sao cho phù hợp và tối ưu nhất theo mục đích yêu cầu được thực hiện
bởi việc áp dụng giải thuật di truyền. Tác giả sử dụng công cụ phần mềm Matlab để
hỗ trợ việc mơ hình tốn và mơ phỏng để đưa ra thông số PI tốt nhất. Thông số này
được đưa vào thực nghiệm để so sánh với kết quả lý thuyết.

Mô hình bộ điều khiển kết hợp giữa giải thuật di truyền, điều khiển lôgic mờ và
bộ điều khiển PI được giới thiệu để giải quyết bài toán vận tốc khi xảy ra sự thay đổi
quán tính, tốc độ và tải trọng. Trong bộ điều khiển GA – Fuzzy – PI thì bộ điều
khiển PI đóng vai trị điều khiển chính và bộ điều khiển GA – Fuzzy đóng vai trị
tham chiếu để điều chỉnh thơng số PI phù hợp.
Phân tích mô phỏng của bộ điều khiển GA – PI và bộ điều khiển GA – Fuzzy –
PI được thực hiện và đặc tính đáp ứng tốc độ, momen được so sánh. Bộ điều khiển
GA – Fuzzy – PI có đặc tính đáp ứng tốt hơn bộ điều khiển GA – PI .

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 2


TÓM TẮT LUẬN VĂN

ABSTRACT
With the development of permanent magnetic materials and control technology,
AC Servo motor is mostly used due to high torque, inertia ratio, efficiency,
reliability and ease for maintenance, and is used in CNC machine tools, industrial
robots and so on. The establishment of the simulation model of AC Servo and its
driver is of great significance to the verification of a variety of control algorithms
and the optimization of entire control system. To achieve high performance, the
vector control of the AC Servo motor drive is employed.
This thesis applied Filed Orient Control method as the basic for designing AC
Servo driver. However, how to choose the optimal PI controller parameters
according to the specific requirements of actual applications. In this study, genetic
algorithm is introduced to solve this problem (GA – PI). The author uses the Matlab
software’s tools to support for modelling and simulating parameters to make the best
PI. These parameters have been tested in experimental model and compared with

theoretical results.
Model Reference Genertic Algorithm – Fuzzy – PI Controller for AC Servo
motor is proposed in which the system output tracks very closely the reference
model even with increasing inertia, speed and load variations. In Genertic Algorithm
– Fuzzy – PI Controller, PI controller is employed as the main controller and model
reference based GA – Fuzzy controller as the adaptation controller.
A simulation analysis of the GA – PI controller and the GA – Fuzzy – PI
controller are done and their speed, torque performances are compared. The GA –
Fuzzy – PI controller is better than GA – PI controller based on the performance
parameters considered.

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 3


LỜI CAM ĐOAN

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả

Ngô Tấn Tài

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 4



MỤC LỤC

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN .......................................................................................................... 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ 2
ABSTRACT .............................................................................................................. 3
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................... 4
MỤC LỤC ................................................................................................................. 5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .................................................................................... 8
1.1 Ý nghĩa, tầm quan trọng của việc nghiên cứu luận văn .................................... 8
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ...................................................... 9
1.2.1 Ngoài nước ............................................................................................. 9
1.2.2 Trong nước ........................................................................................... 11
1.3

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................. 12

1.4

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 12

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................... 14
2.1

Cơ sở lý thuyết về động cơ AC Servo .......................................................... 14
2.1.1 Cấu tạo .............................................................................................. 14
2.1.2 Nguyên lý hoạt động .......................................................................... 16
2.1.3 Mô hình tốn động cơ ....................................................................... 17


2.2

Cơ sở lý thuyết về phương pháp điều khiển ................................................. 25
2.2.1 Tổng quan về phương pháp điều khiển .............................................. 25
2.2.2 Phương pháp điều khiển tựa trường .................................................. 28

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG BÀI TOÁN VẬN TỐC & VỊ TRÍ ........................... 33
3.1

Cấu trúc bài tốn điều khiển vận tốc theo phương pháp tựa trường .............. 33
3.1.1 Phương pháp tạo xung sóng sin PWM và SVPWM ............................ 33
3.1.1.1 Phương pháp điều khiển sóng sin PWM ................................. 34
3.1.2.1 Phương pháp điều khiển véc tơ PWM .................................... 35
3.1.2 Cấu trúc đọc tín hiệu dịng điện hồi tiếp ............................................. 41

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 5


MỤC LỤC

3.1.3 Cấu trúc tạo tín hiệu dịng điện điều khiển Iqref ................................... 42
3.1.4 Cấu trúc tạo tín hiệu điện áp điều khiển Vqref...................................... 43
3.1.5 Cấu trúc tạo tín hiệu điện áp điều khiển Vdref...................................... 43
3.2

Cấu trúc bài toán điều khiển vị trí theo phương pháp tựa trường.................. 45
3.2.1 Bài tốn điều khiển vị trí 1 tín hiệu ngõ vào ....................................... 45


CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ............................................... 46
4.1

Cấu trúc mạch điều khiển theo phương pháp tựa trường .............................. 46

4.2

Mạch động lực ............................................................................................ 48

4.3

Mạch lái ...................................................................................................... 50

4.4

Mạch nguồn điều khiển ............................................................................... 51

4.5

Mạch đọc tín hiệu dịng điện động cơ .......................................................... 52

4.6

Mạch đọc tín hiệu nhiệt độ, điện áp DC bus ................................................ 55
4.6.1 Mạch đọc tín hiệu nhiệt độ, điện áp DC bus ....................................... 55
4.6.2 Mạch đọc tín hiệu điện áp DC bus ..................................................... 57

4.7


Mạch điều khiển ngõ ra vi điều khiển .......................................................... 58
4.7.1 Mạch điều khiển quạt tản nhiệt .......................................................... 58
4.7.2 Mạch điều khiển rờ le công suất ......................................................... 58
4.7.3 Mạch điều khiển thắng động năng ...................................................... 59

4.8

Mạch đọc tín hiệu Encoder .......................................................................... 60

CHƯƠNG V: TỐI ƯU THƠNG SỐ KP VÀ KI CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN PI .... 61
5.1

Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu thông số PI .................................... 61
5.1.1 Tổng quan về giải thuật di truyền – GA ............................................ 61
5.1.2 Ứng dụng GA để tối ưu thơng số PI bài tốn tốc độ ........................... 61
5.1.3 Ứng dụng GA để tối ưu thơng số PID bài tốn vị trí........................... 67

5.2

Kết hợp giải thuật di truyền và điều khiển mờ để tối ưu thông số PI ........... 68
5.2.1 Tổng quan về điều khiển mờ - Fuzzy Logic ....................................... 68
5.2.2 Sử dụng GA – Fuzzy để tối ưu thông số bộ điều khiển PI .................. 69

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 6


MỤC LỤC


CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ......................... 77
6.1

Dùng Matlab Simulink mô phỏng đáp ứng tốc độ ....................................... 77

6.2

Thực nghiệm đáp ứng trên mơ hình ............................................................ 80

6.3

Dùng Matlab tối ưu thơng số PI bài tốn vận tốc bằng giải thuật di truyền .. 85

6.4

Thực nghiệm đáp ứng trên mơ hình sử dụng GA-PI .................................... 87

6.5

Ứng dụng giải thuật di truyền tối ưu thơng số PID bài tốn vị trí ................. 89

6.6

Đánh giá ảnh hưởng của cơng suất tiêu thụ trong hàm mục tiêu GA ............ 95

6.7

Dùng Matlab tối ưu thơng số PI bằng GA-Fuzzy trong bài tốn vận tốc .... 100

CHƯƠNG VII: NHẬN XÉT, KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................ 103

7.1

Những kết quả đạt được ........................................................................... 103

7.2

Ứng dụng thực tiễn của đề tài ................................................................... 103

7.3

Những tồn tại của kết quả nghiên cứu ........................................................ 103

7.4

Đánh giá và kiến nghị ............................................................................... 104

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................ 105
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 107
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .................................................................................. 118

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 7


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Ý nghĩa, tầm quan trọng của việc nghiên cứu luận văn:
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và cơng nghệ trên tất cả

các lĩnh vực thì các sản phẩm ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về mặt chất lượng
sản phẩm, mức độ tự động hóa sản xuất và đặc biệt là độ chính xác gia cơng về hình
dáng hình học. Sự phát triển của nền cơng nghiệp robot hiện đại cũng gắn liền với
việc điều khiển chuyển động và là tiền đề cho sự phát triển của nền công nghiệp.
Được sử dụng ngày càng rộng rãi trong và ngồi nước, động cơ AC servo có thể
được xem như là sức kéo của ngành công nghiệp điều khiển chính xác (ví dụ như
robot, các loại máy gia cơng chính xác CNC …). Do đó, ngày càng thu hút được
nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển chuyển động. Dải công
suất hoạt động lớn hơn nhiều so với một số động cơ điều khiển chính xác khác như
động cơ bước, động cơ DC không chổi than.
Tuy nhiên động cơ AC servo là đối tượng phi tuyến, có nhiều thơng số thay đổi
trong q trình hoạt động (điện trở stator và rotor thay đổi bởi nhiệt sinh ra trong động
cơ, ma sát nhớt, mơmen qn tính và đặt biệt là tải thay đổi…), do đó việc điều khiển
chính xác vị trí, tốc độ động cơ là vấn đề cần được giải quyết và nghiên cứu. Lựa chọn
đề tài
-

“Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển động cơ AC Servo ”:
Tạo điều kiện cho việc nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển động cơ AC servo

trong nước với mục đích giảm giá thành sản phẩm, chủ động và linh hoạt trong
việc thiết kế kiểu dáng, kích thước sản phẩm.
-

Ngồi ra, việc nghiên cứu này có thể ứng dụng trong giáo dục, giúp mơ

phỏng, kiểm tra, phân tích , so sánh các lý thuyết điều khiển thuận lợi và nhanh
chóng.
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Ngoài nước:

Xuất phát từ sự phát hiện ra nguyên lý từ trường xoay của nhà vật lý người Pháp
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 8


CHNG I: TNG QUAN

Franỗois Arago nm 1824, qua hng trm năm tồn tại nhưng động cơ không đồng
bộ ba pha (IM) vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế vì: giá thành rẻ, ổn định,
tính kinh tế cao và được ứng dụng cho các nhu cầu không cần độ chính xác cao như
bơm, quạt, thang máy, xe điện…Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của khoa học và
công nghệ thì nền cơng nghiệp chính xác địi hỏi u cầu khắt khe về biên dạng hình
học, độ chính xác kích thước … Đây là động lực thúc đẩy sự ra đời của động cơ AC
Servo để đáp ứng được nhu cầu trên. Nó được ứng dụng rộng rãi trong các ngành
sản xuất thiết bị bán dẫn, máy công cụ như CNC, thực phẩm, đóng gói, y tế, qn
sự…
Nhiều cơng ty như: LS, Siemens, Schneider, Mitsubishi, ABB, Hitachi, Omron,
Panasonic, Rockwell…. Đã chế tạo thành công bộ điều khiển động cơ AC Servo và
được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp.[11]

Hình 1.1: BĐK AC Servo hãng LS

Hình 1.2: BĐK AC Servo hãng Panasonic

Năm 1971, Blaschke’s đã tìm ra phương pháp điều khiển tốc độ động cơ dựa
vào việc điều khiển tách biệt từ thông và mô men được gọi là phương pháp điều
khiển tựa trường (Field Oriented Control – FOC), và từ đó đã có nhiều cơng việc
nghiên cứu nhằm cải thiện động học và giảm thiểu tính phức tạp của phương pháp
FOC [7].

Đến năm 1984, Takahashi được nhiều sự quan tâm khi tìm ra phương pháp điều
khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control – DTC), do phải tính tốn một khối
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 9


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

lượng công việc lớn trong thời gian ngắn, nên hạn chế của phương pháp DTC là cần
phải có một bộ điều khiển tốc độ cao [8].

Hình 1.3: BĐK AC Servo hãng ABB

Hình 1.4: BĐK AC Servo hãng Rockwell

Năm 2007 cơng ty Microchip cơng bố dịng chíp dùng điều khiển động cơ
PMSM theo phương pháp từ trường là dsPIC30F ở bài báo cáo mang kí hiệu:
AN1078 [10].
Tháng 4/2014 cơng ty bán dẫn Freescale cơng bố dịng chíp dùng điều khiển
động cơ PMSM theo phương pháp từ trường là MKV31F ở bài báo cáo mang kí
hiệu: AN4911 [12].
Tháng 9/1995, Th. Lubin sử dụng phương pháp điều khiển mờ vào trong bộ
điều khiển AC servo để thay thế cho phương pháp điều khiển PI thông thường. Việc
mô phỏng đáp ứng giữa hai phương pháp được thực hiện trên phần mềm Matlab
Simulink. Trong thực tế, tác giả sử dụng động cơ 11kW để kiểm tra đáp ứng và cho
thấy bộ điều khiển mờ ổn định và độ nhạy với các thông số biến đổi, nhiễu gây ra sẽ
thấp hơn [17].
Giải thuật PID trong các bộ điều khiển AC Servo rất phổ biến trong các hệ
thống có cấu trúc đơn giản, tính an tồn và độ tin cậy cao. Nhưng có 1 số vấn đề xảy

ra khi ứng dụng vào hệ thống phức tạp có 1 vài thơng số khơng xác định dẫn đến
đáp ứng hệ thống không tốt. 10/07/2005, Geum-Bae Cho và Pyoung-Ho Kim đã đưa
ra phương pháp mới là kết hợp giữa mạng nơron và bộ điều khiển PID để giải quyết
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 10


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

vấn đề trên [5].
Chúng ta được biết việc ứng dụng phương pháp điều khiển momen trực tiếp –
DTC có ưu điểm là đáp ứng nhanh và ổn định. Tuy nhiên, trong quá trình xác lập thì
momen, từ thơng, dịng điện ln xảy ra dao động gợn sóng và đặc biệt đáng kể khi
hoạt động ở vùng tốc độ thấp gây ra tiếng ồn lớn. 11/2009, Jagadish H.Pujar khoa
nghiên cứu trường đại học kỹ thuật và công nghệ BVB, Ấn Độ đã đưa ra phương
pháp thay thế bộ điều khiển PI bằng bộ điều khiển logic mờ. Dựa vào kết quả mơ
phỏng bằng Matlab có thể thấy được dao động của momen, từ thông được giảm
xuống [9].
1.2.2 Trong nước:
Hiện nay, ở nước ta chưa có cơng ty chế tạo bộ điều khiển động cơ AC Servo.
Đa số chúng ta đều nhập khẩu từ các nước Châu Âu và 1 số nước châu Á như Hàn
Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc để sử dụng.
Ở các trường đại học như Đại học Bách Khoa TP.HCM, Đại học Bách Khoa Hà
Nội đã có 1 số nhóm nghiên cứu về thiết kế bộ điều khiển động cơ AC Servo.
Năm 2011, Ying-Shieh Kung khoa điện đại học Nam Đài Loan và Nguyễn Vũ
Quỳnh ở đại học Lạc Hồng đã đưa ra phương pháp kết hợp mô phỏng giữa Simulink
(Matlab) và ModelSim vào bộ điều khiển tốc độ động cơ PMSM ( Permanent
Magnet Synchronous Motor ) khơng sử dụng cảm biến kết hợp thuật tốn SMO (
Sliding Mode Observer) và thuật toán mờ (Fuzzy) [18].

Đến năm 2013, Nguyễn Vũ Quỳnh và Lâm Thanh Hiền ở đại học Lạc Hồng và
Ying-Shieh Kung khoa điện đại học Nam Đài Loan đã cải tiến phương pháp đã
nghiên cứu bằng cách thay vì đưa giải thuật mờ vào bộ điều khiển tốc độ động cơ
PMSM không sử dụng cảm biến, thì thay thế bằng bộ điều khiển mờ thích nghi
( Adaptive Fuzzy). Kết quả mô phỏng cho thấy tốc độ động cơ đáp ứng tốt dưới
nhiều điều kiện tải bên ngoài thay đổi [14].
Từ thực tiễn, việc nghiên cứu đề tài này là một trong những bước đầu cho việc
nghiên cứu, thiết kế và phát triển để đưa sản phẩm ra thị trường trong tương lai.
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 11


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.3

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận văn.
-

Nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ AC Servo.

-

Ứng dụng phương pháp FOC để điều khiển tốc độ động cơ.

-

Nghiên cứu các giải thuật tối ưu thông số PI


-

Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu yêu cầu đáp ứng của hệ thống.

-

Kết hợp giải thuật di truyền và điều khiển mờ để tối ưu bộ thơng số PI trong

q trình điều khiển tốc độ động cơ.
-

Sử dụng động cơ hãng LS để thực nghiệm.

-

Thông số động cơ APM-SC04ADK:

-



Công suất định mức: 400 (W)



Momen định mức: 1,27 (N.m)



Momen tức thời tối đa: 3,82 (N.m)




Tốc độ định mức: 3000 (v/p)



Tốc độ tối đa: 5000 (v/p)



Momen quán tính : 0,674 (kg.m2.10-4)



Encoder tương đối với độ phân giải 2500 xung/ vòng.



Số cực động cơ: 8



Cảm kháng động cơ: Lq = 7,610 mH ; Ld = 1,209 mH



Trở kháng động cơ: Rs = 2,82 Ω




Từ thông của rô to: ψr = 0.0742 Wb.

Mục tiêu cần đạt được:


Vị trí : 0.144 độ



Tốc độ: 1000 vòng/ phút (± 0.5%)

1.4 Phương pháp nghiên cứu:
Đề tài này sẽ kết hợp hai phương pháp nghiên cứu, đó là:



Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 12


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

-

Nghiên cứu tài liệu, bài báo và cơng nghệ liên quan.


-

Tổng hợp các tài liệu.

-

Phân tích, thiết kế và mô phỏng dựa trên phần mềm Matlab.



Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

-

Phân tích yêu cầu thực tế của bài tốn và xây dựng mơ hình thực nghiệm.

-

Vận dụng các nghiên cứu lý thuyết áp dụng vào mơ hình thực tế.

-

Đánh giá kết quả đạt được.

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 13


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cơ sở lý thuyết của động cơ AC Servo
2.1.1 Cấu tạo:
Gồm 3 bộ phận chính là Rotor, Stator và cảm biến ( Hình 2.1).

Hình 2.1 : Cấu tạo của động cơ AC Servo
Stator: được gọi là phần sơ cấp hay phần đứng, có 2 phần chính là lõi thép và dây
quấn ( Hình 2.2 ).
Lõi thép stator hình trụ bao gồm nhiều lá thép ghép lại với nhau và được làm
từ vật liệu sắt từ tốt ( từ trở nhỏ và điện trở suất lớn). Mặt trong có những rãnh để
chứa bộ dây quấn 3 pha. Dây quấn stator làm bằng dây dẫn bọc cách điện, đặt
trong các rãnh được phân bố đều dọc theo chu vi của lõi thép.

Hình 2.2: Cấu tạo của Stato động cơ AC Servo

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 14


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Rô to: được gọi là phần thứ cấp hay phần quay, có 2 phần chính là lõi thép và nam
châm vĩnh cửu ( Hình 2.3).
Lõi thép rơto hình trụ bao gồm nhiều lá thép ghép lại với nhau. Mặt ngoài
gắn nam châm vĩnh cửu. Nam châm vĩnh cửu được chế tạo từ vật liệu tốt vì nó
mang tính chất quyết định đến cơng suất động cơ.

Hình 2.3: Cấu tạo của Rơ to

Các loại nam châm vĩnh cửu thường được sử dụng ( Hình 2.4).

Hình 2.4: Các loại nam châm vĩnh cửu trong Rôto
Theo sự phát triễn khoa học, thì vật liệu làm nam châm vĩnh cửu cũng dần được
thay thế để đạt hiệu suất cao nhất với kích thước nhỏ nhất ( Hình 2.5).

Hình 2.5: Hiệu suất các loại nam châm vĩnh cửu
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 15


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cảm biến : ( Encoder) được cấu tạo như hình 2.6.
Ánh sáng được phát ra từ LED đi quay khe quay tròn ( đĩa quang được gia
công lỗ - số lượng lỗ quyết định độ chính xác động cơ.). Sau đó đi tiếp qua khe cố
định ( mục đích chính để lọc nhiễu ánh sáng ) và cuối cùng đến bộ phận thu ánh
sang chuyển sang tín hiệu điện ( dạng xung).

Hình 2.6 Cấu tạo encoder của động cơ
Dạng tín hiệu ra của Encoder được trình bày trong hình 2.7

Hình 2.7: Dạng tín hiệu ngõ ra Encoder của động cơ
2.1.2

Nguyên lý hoạt động:
Theo cấu tạo của rơto làm từ nam châm vĩnh cửu thì tự bản thân của nó sẽ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ


Trang | 16


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

sinh ra một từ trường có hướng và độ lớn khơng đổi ( giả thiết năng lượng nam
châm không bị giảm theo thời gian).
Khi cho một hệ thống dịng điện hình sin ba pha cân bằng ( lệch nhau 120 độ
theo thời gian) chạy vào ba cuộn dây của bộ dây quấn ba pha ( đặt cách nhau 120
độ điện trong không gian) sẽ tạo ra từ trường quay tròn.
Trục từ trường quay trùng với trục của dây quấn một pha nào đó khi dịng
điện đi qua dây quấn này cực đại và dương ( hình 2.8).

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của động cơ
Nhờ sự tương tác giữa từ trường stato và từ trường rôto tạo ra cặp ngẫu lực
( momen quay). Mặt khác, stato là phần cố định nên rơto sẽ quay trịn theo tần số
từ trường quay stato. Nếu khơng thì rơto sẽ sinh ra momen cực tiểu và cực đại luân
phiên, điều này làm giảm hiệu suất tối ưu momen xoắn và tạo ra rung động cơ học
nhiều, nhiễu, tiếng ồn, ứng suất cơ khí tác động lên các bộ phận máy móc.
Góc giữa giữa từ trường vĩnh cửu của rơto và từ trường stato phải được điều
khiển cẩn thận để tạo ra momen xoắn tối đa và hiệu suất chuyển đổi điện cơ là tốt
nhất ( tốt nhất là 90 độ). Để đạt được mục đích này thì nên sử dụng giải thuật hồi
tiếp vịng kín trong việc điều khiển tốc độ để tinh chỉnh đạt được hiệu suất tốt nhất.
2.1.3

Xây dựng mơ hình tốn học của động cơ:
Để xây dựng mơ hình tốn cho động cơ AC Servo thì ta cần đặt các giả thiết

sau:


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 17


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

-

Lực từ động do cuộn dây stator sinh ra có dạng hình sin. “Space

hamonics” trong các khe hở khơng khí được bỏ qua.
-

Nguồn điện cấp cho động cơ xem như ba pha cân bằng.

-

Các ảnh hưởng do hiện tượng từ trễ và dịng điện xốy trong lõi sắt từ

gây ra được bỏ qua.
-

Dao động của cuộn dây stator trong q trình hoạt động khơng được

xem xét.
-

Ta có thể thiết lập dạng vector khơng gian của phương trình điện áp


stato theo hệ trục tọa độ tham chiếu gốc như sau:

 d S

u S  rS iS 
dt

-

Trong đó: rS , u S , iS và  S lần lượt là điện trở dây quấn stator, vector

điện áp, dịng điện và từ thơng của ba pha stator.
-

Gốc tọa độ tham chiếu gốc (a, b, c) của stato và hệ trục tọa độ quay của

roto ( q, d) . ( Hình 3.9)

Hình 2.9: Gốc tọa độ trục Rơto và gốc tọa độ Stato
Mặt khác ta có:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 18


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT



2
u S  u SA (t )  au SB (t )  a 2u SC (t )
3



 2
iS  iSA (t )  aiSB (t )  a 2 iSC (t )
3








2
 S   SA (t )  a SB (t )  a 2 SC (t )
3





Trong đó:
a và a 2 là hệ số chỉ hướng của dây quấn stato;

a  e j 2 / 3 ; a 2  e j 4 / 3


u SA , u SB , u SC là giá trị điện áp tức thời của 3 pha stato.
iSA , iSB , iSC là giá trị dòng điện tức thời của 3 pha stato.

 SA , SB , SC là giá trị từ thông tổng quy về 3 pha stato.
 SA  L AA .i A  L AB .i B  L AC .iC   rA
 SB  L AB .i A  LBB .i B  LBC .iC   rB
 SC  L AC .i A  LBC .i B  LCC .iC   rC
Với:
L AA , LBB , LCC lần lượt là độ tự cảm riêng của pha A, B, C.
L AB , LBC , L AC lần lượt là độ tự cảm riêng tương tác của pha A và B, pha B và

C, pha A và C.

 rA ,  rB , rC lần lượt là từ thông phụ thuộc vào vị trí của rơto so với pha của
stato do từ trường vĩnh cửu của rôto gây ra.

 rA   r cos 
 rB   r cos(  120 o )
 rC   r cos(  120 o )
 r là từ thông lớn nhất được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu.
Ta phải biết rằng, trong phương trình từ thơng thì độ tự cảm là một hàm của
góc rơto:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 19


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

L AA  Lls  L0  Lms cos(2 )

1
2
L AB  LBA   L0  Lms cos(2  )
2
3
Trong đó:
Lls : là độ tự cảm rò dây quấn stato gây ra bởi từ thơng phần ứng.
L0 : là độ tự cảm trung bình; L0 

1
( L d  Lq )
2

Lms : là độ tự cảm dao động phụ thuộc vị trí rơto trong từ thơng.

Lms 

1
( Ld  Lq )
2

Từ đó ta có thể biểu diển tất cả các thông số từ cảm stato bằng ma trận sau:

1

1
 


 L0  Lms cos 2  

 L0  Lms cos 2    
 Lls  L0  Lms cos 2
2
3
2
3





1

2

1




Lss    L0  Lms cos 2    Lls  L0  Lms cos 2 
 L0  Lms cos 2    

 2

3
3 
2



 1

1
2  


  L0  Lms cos 2  
 L0  Lms cos 2   
Lls  L0  Lms cos 2 

3
2
3  


 2

Khi cung cấp nguồn ba pha cân bằng cho động cơ thì ta có thể viết lại
phương trình dưới dạng ma trận như sau:

u S   rS iS   d S 

( 2.1)

dt

Với:

u S   u SA , u SB , u SC T
iS   iSA , iSB , iSC T

rS   diag rA , rB , rC T
S    SA , SB , SC T
Ngoài ra ma trận từ thơng của stato cũng có thể biểu diễn dưới dạng:

S   LSS i S   r 
Với:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 20


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

L SS là ma trận độ tự cảm stato theo góc quay rơto.

r  là ma trận từ thông phụ thuộc nam châm vĩnh cửu

r    rA , rB , rC T
Vì L SS là ma trận có các thành phần phụ thuộc vào thời gian nên rất khó
khăn trong việc giải trực tiếp. Do đó, để loại bỏ việc phụ thuộc của điện áp,
dịng điện, từ thơng, độ từ cảm vào thời gian thì chúng ta chuyển hệ trục tọa
độ tham chiếu cố định (a,b,c) sang hệ tham chiếu quay (d,q) như hình 2.10:

Hình 2.10 : Hệ trục tọa độ quay dq
Ta có:

 f   T
dq 0


dq 0



( r ) . f abc 

Ma trận chuyển đổi d-q được biểu diễn như sau:

 cos  r

2
Tdq 0 ( r )   sin  r
3
 1

 2





2 
2  


cos r 
cos r 


3 

3 



2 
2 


 sin  r 
  sin  r 

3 
3 



1
1

2
2


( 2.2)

Ma trận nghịch đảo:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 21



CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

T

dq 0

( r )



1



cos  r

2

 cos r 
 
3
 
2
cos r 
3
 









 sin  r
2

 sin  r 
3

2


 sin  r 
3










1

1



1


( 2.3)

Ma trận từ thông trong hệ tọa độ tham chiều d-q được viết lại:

   T
dq 0

dq 0

 

   



( r ) .LSS . Tdq 0 ( r ) . idq 0  Tdq 0 ( r ) .r 
1

Biến đổi điện áp, dịng điện, từ thơng sang hệ tọa độ tham chiếu d-q:

u   T ( ).u 
i   T ( ).i 
   T ( ). 
Với: u   u , u , u 
dq 0


dq 0

dq 0

r

dq 0

dq 0

r

dq 0

( 2 .4)

s

( 2 .5)

s

r

( 2 .6)

s

T


dq 0

d

q

0

Do nguồn cấp là 3 pha cân bằng nên thành phần: u 0  0
Thay phương trình (2.1), (2.5) và (2.6) vào (2.4) ta có:

u   T
dq 0

dq 0

Đặt: p 

 

   

 

( r ) .rS . Tdq 0 ( r ) . idq 0  Tdq 0 ( r ) . p Tdq 0 ( r )
1

  
1


dq 0

d
;
dt

Mặt khác, trong hệ thống cân bằng thì điện trở trên mỗi pha đều bằng nhau;
rS  rA  rB  rC



 

  

 

Rút gọn: Tdq 0 ( r ) .rS . Tdq 0 ( r ) . idq 0  rS . idq 0
1

Phân tích thành phần thứ 2 ( vi phân):

T

dq 0

 

( r ) . p Tdq 0 ( r )


dq 0



  
  

 p Tdq 0 ( r ) 1 dq 0  
 Tdq 0 ( r ) 

1
 Tdq 0 ( r ) p dq 0


   
1





Khai triễn phương trình trên ta có:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

Trang | 22