Điều khiển tốc độ động cơ bằng logic mờ

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG LOGIC MỜ

CONTROLLER SPEED OF INDUCTION MOTOR BY FUZZY LOGIC

Nguyễn Minh Tâm ^{( 1 )}, Nguyễn Thanh Sang ^{( 2)}

^{( 1 )}Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

^{( 2 )}Học viên cao học trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

TÓM TẮT

Bài báo đề xuất việc xây dựng mô hình và mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic

mờ. Với các mô hình điều khiển tốc độ động cơ bơm nước sử dụng pin quang điện bằng giải thuật

Logic mờ để ổn định mực nước trong bồn chứa luôn ổn định ở mức đặt trước. Sử dụng thuật toán

Logic mờ để dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) của tấm pin quang điện để đảm bảo cho tấm

pin quang điện luôn làm việc hiệu quả nhất và điều khiển tốc độ động cơ bơm nước để ổn định

mực nước.

Kết quả mô phỏng cho thấy việc điều khiển tốc độ động cơ bơm nước và dò tìm điểm cực đại

của tấm pin quang điện sử dụng thuật toán có kết quả rất tốt và ổn định.

Từ khóa: Điều khiển động cơ; pin quang điện; MPPT; Logic mờ; ổn định mực nước.

ABSTRACT

The paper proposes modeling and simulation of motor speed control by Fuzzy Logic. With

models that control the speed of the water pump motor using photovoltaic by Fuzzy Logic to

stabilize the water level in the tank is always stable at the preset. Use the Fuzzy Logic algorithm

to detect the maximum power point tracking (MPPT) of the photovoltaic panels to ensure that the

photovoltaic panels always maximum power and controller speed of the water pump motor to

stabilize the water level.

Results of Simulations has shown that the control of water pump motors and maximum power

point tracking of photovoltaic panels using the algorithm Fuzzy Logic has a very good and stability.

Keywords: Controller motor; photovoltaic panels; MPPT; Fuzzy Logic; stability the water level.

xây dựng mô hình điều khiển tốc độ động cơ

hệ thống bơm nước sử dụng pin quang điện để

ổn định mực nước trong bồn chứa, giải thuật

dò tìm điểm công suất cực đại cho pin quang

điện. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

và dò tìm điểm công suất cực đại cho pin quang

điện đều dùng giải thuật logic mờ để tính toán

và điều khiển.

1. GIỚI THIỆU

Ngày nay, nguồn năng lượng hoá thạch

đang dần cạn kiệt, nó còn gây ô nhiễm môi

trường trầm trọng khi sản xuất và sử dụng các

nguồn năng lượng hoá thạch này. Vì vậy các

giải pháp thay thế tối ưu cho các nguồn năng

lượng hoá thạch này là các nguồn năng lượng

tái tạo. Trong đó, pin quang điện là một số sự

lựa chọn phù hợp cho việc thay thế dần nguồn

năng lượng này.

2. CẤU TRÚC HỆ THỐNG.

Mô hình điều khiển tốc độ hệ thống bơm

nước sử dụng pin quang điện như hình 1a và

hình 1b: [5]

Pin quang điện đang dần đi vào đời sống

con người như xe hơi quang điện, mái nhà

quang điện, trạm bơm nước tưới tiêu bằng pin

quang điện… Thế nhưng để cho tấm pin quang

điện luôn làm việc ở điểm công suất cực đại

(MPP) cần có giải thuật dò tìm điểm cực đại

của pin quang điện (MPPT - Maximum Power

Point Tracker).

Trong bài báo này tập trung nghiên cứu và

Hình 1a: Hệ thống pin quang điện.

Hình 3: Sơ đồ tương đương của pin quang

điện.

Từ sơ đồ tương đương, ta có phương

trình đặc trưng Volt – Ampe của pin như sau:

q. vIR



_s









V  IR



_s

kT

I  I_SC I

e

1 

₀₁





R_sh



Trong đó:

I_sclà dòng quang điện (dòng ngắn mạch

khi không có R_svà R_sh) (A/m²).

I₀₁là dòng bão hòa (A/m²).

q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10^-19.

k là hệ số Boltzman = 1,38.10^-23(J/k).

T là nhiệt độ (K).

Hình 1b: hệ thống bơm nước cho bồn chứa.

2.1. Đặc tính làm việc của pin quang điện.

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện

qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất

V_OClúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn

mạch I_SCkhi điện áp ra bằng 0. Công suất của

pin quang điện được tính theo công thức: [1]

I, V, R_s, R_shlần lượt là dòng điện ra, điện

áp ra, điện trở R_svà R_shcủa pin trong mạch

tương đương.

-

Nhận xét:

P = U.I

Dòng ngắn mạch I_sctỉ lệ thuận với cường

Tại điểm làm việc U = U_OC/I = 0 và U =

0/I = I_SC, Công suất làm việc của pin quang

điện cũng có giá trị bằng 0.

độ bức xạ chiếu sáng. Nên đường đặc tính V –

I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường

độ bức xạ chiếu sáng. Ở mỗi tầng bức xạ chỉ

thu được duy nhất một điểm làm việc V = V_MPP

có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau.

Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể

hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ (đỉnh của

đường cong đặc tính). [10,11]

Hình 2: Đường đặc tính U-I của pin quang

điện.

Hình 4: Đặc tính V-A của pin quang điện phụ

thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời.

Điện áp hở mạch V_ocphụ thuộc trực tiếp

vào nhiệt độ nên đường đặc tính V-A của pin

quang điện cũng phụ thuộc vào nhiệt độ trên

bền mặt của tấm pin.

-

Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP.

Độ dốc và thuật toán INC được thể hiện trong

hình 7

dP/dV=0, tại điểm cực đại MPP của PV.

dP/dV>0, ở bên trái điểm MPP.

dP/dV<0, ở bên phải điểm MPP.

Điểm cực đại được tìm bằng cách so sánh

giá trị dP/dV với giá trị 0. Nếu dP/dV>0 hoặc

dP/dV thì tăng hoặc giảm điện áp bằng cách

đều chỉnh bộ điều khiển DC-DC.

Ở chương trình điều khiển này là sự kết

hợp giữa pin quang điện và động cơ bơm nước

để điều khiển lưu lượng bơm nước vào bồn để

luôn giữ bồn nước ổn định ở giá trị đặt trước.

Hình 5: Đặc tính V-A của pin quang điện phụ

thuộc vào nhiệt độ trên bề mặt pin.

Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được

một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải

cũng phải phù hợp với điểm MPP.

3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN.

3.1 Lựa chọn thông số cho thiết bị trong hệ

thống.

Thông số bồn chứa:

-

Dung lượng: 3000 lít.

Hình dạng bồn nước: hình trụ đứng.

Đường kính bồn nước: 1560 mm.

Độ cao bồn nước: 1750 mm.

Thông số động cơ bơm nước:

Hình 6: Đường đặc tính tải và đặc tính pin

quang điện.

-

Công suất bơm: 5.5Hp (4kW).

Lưu lượng bơm: 9 - 39 m³/h = 2.5 –

10.83 l/s.

2.2. Giải thuật dò tìm điểm công suất cực

đại.

-

Đường kính ống nước ra: D34.

Để điều khiển dò tìm điểm công suất cực

đại của tấm pin quang điện trong bài báo cáo

này là sử dụng giải thuật điều khiển Logic mờ

để tìm điểm cực đại MPPT dựa theo thuật toán

INC.

Độ cao mực nước được tính theo công

thức:

-

Mực nước tức thời:

1

h 

ll ll

_out



in

A h

 

Thuật toán INC dựa trên thực tế như sau:

[1]

-

Độ cao:

^{h }^hdt

Độ dốc của đường cong công suất bằng

không tại điểm MPP (Chaudhari, 2005;

Akihiro.Oi, 2005; Reisi, 2013; Hohm, 2003).

Trong đó:

h : là độ cao mực nước trong bồn chứa

nước.

h

: là độ cao mực nước tức thời.

A(h): là tiết diện đáy bồn chứa nước.

Tấm pin quang điện chọn trong chương trình:

-

Tên module: 1 Soltech 1STH-215-P

Số dãy pin song song: 2

Số pin nối tiếp trong dãy: 10

Hình 7: Độ dốc dP/dV của pin quang điện.

-

Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP.

Hình 11: Mờ hoá ngõ vào điều khiển MPPT

Các giá trị hệ số sai số công suất và điện

áp ΔP/ΔV được đưa vào Logic mờ để mờ hoá

thành các biến ngôn ngữ NB, NM, NS, ZE, PS,

PM, PB để chương trình Fuzzy thực hiện tính

toán theo các luật mờ.

Hình 8: Đặc tuyến V-A của tấm pin quang

điện ở bức xạ 1000W/m².

3.2 Chương trình điều khiển. [3, 6, 7]

-

Khối giải mờ ngõ ra của chương trình

điều khiển MPPT tấm pin quang điện:

Hình 9: Chương trình điều khiển tốc độ động

cơ bơm nước sử dụng pin quang điện bằng

Logic mờ. [8, 9]

Hình 12: Giải mờ ngõ ra điều khiển MPPT

Để điều khiển độ cao mực nước ta điều

khiển lưu lượng nước được bơm vào bồn để

cân bằng với lượng nước chảy ra khi sử dụng

và đạt được độ cao yêu cầu. Ở bài báo cáo này

sử dụng 1 bồn nước với dung tích 3000 lít và

được tính toán điều khiển bằng giải thuật Logic

mờ để tính toán xuất ra giá trị tốc độ phù hợp

với hệ thống tại thời điểm điều khiển đó. [5]

Từ các hàm liên thuộc trong chương trình

Fuzzy được giải mờ để đến các khâu điều

khiển tiếp theo.

Chương trình điều khiển nhận hiệu số của

điện áp hiện tại và điện áp trước đó ΔV và dòng

điện hiện tại và dòng điện trước đó ΔI để tính

toán biểu thức so sánh ΔP/ΔV với giá trị 0. Sau

đó giá trị này được tính toán bởi khối Logic mờ

và khối phát xung PWM để điều khiển bộ điều

khiển DC-DC.

a. Khối FLC điều khiển dò tìm điểm cực

đại tấm pin quang điện (MPPT). [1, 2]

b. Khối FLC water level. [5]

Hình 10: Chương trình điều khiển MPPT tấm

pin quang điện.

-

Khối mờ hoá ngõ vào của chương trình

điều khiển MPPT tấm pin quang điện:

Hình 13: Chương trình điều khiển mực nước

trong bồn.

-

Khối mờ hoá ngõ vào của chương trình

điều khiển mực nước:

Hình 14: Mờ hoá ngõ vào điều khiển mực

nước.

Hình 17: Mờ hoá ngõ vào điều khiển tốc độ

động cơ.

-

Khối giải mờ ngõ ra của chương trình

điều khiển mực nước:

-

Khối giải ngõ ra của chương trình điều

khiển tốc độ động cơ:

Hình 15: Giải mờ ngõ ra điều khiển mực

nước.

Hình 18: Giải mờ ngõ ra điều khiển tốc độ

động cơ.

Ở chương trình điều khiển này, tính toán

Giá trị tốc độ được tính toán từ khối FLC

mực nước ứng với tốc độ của động cơ. Giá trị

này được so sánh với giá trị đặt trước sau đó

đưa vào khối Logic mờ để tính toán cho ra giá

trị tốc độ phù hợp để mực nước trong bồn luôn

ổn định. Bài báo cáo này độ cao h được đặt

bằng 1.6 mét.

water level được so sánh với tốc độ để đưa đến

khối Logic mờ và khối phát xung SPWM để

điều khiển khối nghịch lưu 3 pha để điều khiển

động cơ với tần số phù hợp cho tốc độ đúng

như yêu cầu của hệ thống.

3.3 Kết quả mô phỏng.

c. Khối FLC speed điều khiển tốc độ

động cơ. [2]

Hình 16: Chương trình điều khiển tốc độ

động cơ.

-

Khối mờ hoá ngõ vào của chương trình

điều khiển tốc độ động cơ:

Hình 19: Kết quả điện áp ngõ ra của tấm pin

quang điện.

Hình 23: Mực nước trong bồn chứa

4. KẾT LUẬN

Hình 20: Kết quả dòng điện của tấm pin

quang điện.

Bài báo đã đề xuất mô hình mô phỏng hệ

thống điều khiển tốc độ động cơ bằng Logic

mờ và cụ thể là mô hình điều khiển trạm bơm

nước sử dụng pin quang điện điều khiển lưu

lượng bơm để giữ ổn định mực nước trong bồn

chứa.

Một số ưu điểm và nhược điểm khi sử

dụng Logic mờ trong điều khiển hệ thống như

sau:

-

Ưu điểm: Thiết kế hệ thống dễ dàng hơn

với các hàm liên thuộc và biến ngôn ngữ

quen thuộc với đời sống, đáp ứng nhanh

và chính xác hơn, có thể kết hợp nhiều

biến ngõ vào để điều khiển mô hình tốt

hơn

Hình 21: Công suất của tấm pin quang điện.

-

Khuyết điểm: độ vọt lố còn khá cao, điều

khiển Logic mờ không có khả năng tự học

từ các dữ liệu bên ngoài hoặc dữ liệu hệ

thống đã làm việc.

Hướng phát triển: kết hợp nhiều ngõ vào

để điều khiển hệ thống chính xác hơn và giảm

độ vọt lố, kết hợp với các giải thuật điều khiển

thông minh khác như mạng Nơ-ron nhân tạo,

giải thuật di truyền GA, giải thuật bầy đàn PSO

hay điều khiển PID để hệ thống hiệu quả cao

hơn và có tính chất tự học từ các dữ liệu trước

đó của hệ thống.

Hình 22: Tốc độ của động cơ trong hệ thống.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Tiến Phong. “Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt

trời”. Đại học Thái Nguyên.

[2] Phan Xuân Minh. “Lý thuyết điều khiển mờ”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 2006.

[3] Nguyễn Phùng Quang. “Truyền động điện thông minh”. Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật

Hà Nội, 2004.

[4] Hoang Le-Huy, Minh Ta-Cao and J.L. Silva. “Fuzzy Logic Based Controller for Induction

Motor Drives”. Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, 1996.

[5] H. Bouzeria, C. Fetha, T. Bahi, I. Abadlia, Z. Layate, S. Lekhchine. “Fuzzy Logic Space Vector

Direct Torque Control of PMSM for Photovoltaic Water Pumping System”. Electrical Engineering

Department, Skikda, Algeria.

[6] Divya Rai, Swati Sharma, Vijay Bhuria.“Fuzzy speed controller design of three phase

induction motor”. Assistant Professor Department of Electrical Engineering, Madhav institute of

technology and science, Gwalior.

[7] Mircea Popescu Helsinki. “Induction motor modelling for vector control purpose”. University

of Technology, Department of Electrical and Communications Engineering, Laboratory of

Electromechanics.

[8] https://ieeexplore.ieee.org/

[9] https://www.mathworks.com/

[10] https://tailieu.vn/

[11] http://thuvien.hcmute.edu.vn/

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: Nguyễn Thanh Sang

Đơn vị: học viên cao học trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Điện thoại: 0905.584.238

Email: [email protected]

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn:

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.