Điều khiển thích nghi hệ truyền động cơ không đồng bộ sáu pha :Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật - Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH

PHẠM THÚY NGỌC

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SÁU PHA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH- 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH

PHẠM THÚY NGỌC

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ TRUYỀN ĐỘNG

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ SÁU PHA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá

Mã số: 9520216

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN HỮU KHƯƠNG

TS. TRẦN THANH VŨ

TP. HỒ CHÍ MINH- 2020

I

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Điều khiển thích nghi hệ truyền

động động cơ không đồng bộ sáu pha” là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của

riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa được công

bố trong bất kỳ nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích

dẫn và tham chiếu đầy đủ.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 3 năm 2020

Nghiên cứu sinh

Phạm Thúy Ngọc

II

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người thầy của tôi: PGS.TS

Nguyễn Hữu Khương, TS. Trần Thanh Vũ – cùng các thầy trong Hội Đồng Khoa

Học Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh vì sự tận tâm đã

dành thời gian hướng dẫn và cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu giúp tôi hoàn

thành tốt luận án.

Tôi xin gửi lời cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Giao Thông Vận Tải

Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện đào tạo sau đại học, Khoa Điện_ĐTVT, cùng các

phòng ban chức năng đã tạo điều kiện hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập

tại trường.

Tôi xin cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí

Minh, lãnh đạo và các đồng nghiệp của tôi tại Khoa Công nghệ điện Trường Đại học

Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, các nhà khoa học, các chuyên gia đã tạo điều

kiện hỗ trợ tôi trong thời gian học tập và cho tôi những ý kiến góp ý giúp tôi hoàn

thiện luận án.

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới Bố, Mẹ của tôi, những người đã luôn hy

sinh thầm lặng và luôn dành tình yêu thương cho tôi, tới gia đình nhỏ, chồng và hai

con gái thân yêu của tôi, những người luôn tin tưởng, động viên tôi giúp tôi vượt qua

khó khăn để hoàn thành luận án này.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời tri ân tới một người bạn lớn, một người Thầy, người

đã luôn đồng hành, chia sẻ những khó khăn cùng tôi, người mà thái độ làm việc,

nghiên cứu khoa học nghiêm túc và đạo đức sống mẫu mực là tấm gương để tôi phấn

đấu noi theo, là động lực để tôi hướng tới cuộc sống tốt đẹp, cống hiến cho nghiên

cứu khoa học và các hoạt động có ích cho cộng đồng.

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 3 năm 2020

Nghiên cứu sinh

Phạm Thúy Ngọc

III

TÓM TẮT

Trong những thập kỷ gần đây, việc nâng cao chất lượng của hệ thống điều

khiển, nhận dạng trong các hệ truyền động không cảm biến tốc độ nhiều pha nói

chung và động cơ không đồng bộ sáu pha không đối xứng (SPIM) nói riêng nhận

được sự quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu. Các nghiên cứu hệ truyền động SPIM

cho thấy, bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các hệ truyền động không đồng

bộ ba pha, hệ truyền động SPIM cũng phải đối mặt với những vấn đề điều khiển như

trong các hệ truyền động ba pha truyền thống do tính chất phi tuyến của SPIM, thông

số không chắc chắn, nhiễu tải,… Thậm chí các vấn đề về điều khiển của hệ truyền

động SPIM còn phức tạp hơn do có sự gia tăng về số pha. Trong luận án này, tác giả

đề xuất một cấu trúc điều khiển phi tuyến kết hợp giữa điều khiển Backstepping và

điều khiển cổng Hamiltonian (BS_PCH) nhằm cải tiến chất lượng của điều khiển

vector (IFOC) hệ truyền động SPIM. Bộ điều khiển tốc độ vòng ngoài của hệ truyền

động SPIM được đề xuất sử dụng BS cải tiến bổ sung thêm thành phần tích phân sai

số theo dõi để tăng độ chính xác và cải thiện tính bền vững của bộ điều khiển. Bộ

điều khiển PCH được đề xuất cho điều khiển dòng vòng trong để tăng khả năng bám

đuổi theo tham chiếu, tốc độ đáp ứng và đảm bảo tính ổn định, bền vững trước thay

đổi của tham số máy điện, nhiễu tải,…

Trên thực tế, như chúng ta đã biết, các bộ điều khiển không thể đảm bảo chất

lượng điều khiển tốt cho điều khiển không cảm biến tốc độ hệ truyền động SPIM nếu

không sử dụng các bộ quan sát trạng thái phù hợp và chính xác. Nhiều nghiên cứu đã

được thực hiện để cải thiện chất lượng của các bộ quan sát, nâng cao chất lượng của

các hệ truyền động SPIM không cảm biến tốc độ. Trong số các kỹ thuật được đề xuất,

MRAS là chiến lược phổ biến nhất do việc thực hiện đơn giản và đòi hỏi nỗ lực tính

toán thấp. Các bộ quan sát dựa trên MRAS được áp dụng thành công ở khu vực tốc

độ trung bình và cao, tuy nhiên khi hoạt động ở dải tốc độ thấp và tốc độ bằng không

vẫn là một thách thức lớn. Vấn đề này liên quan đến độ nhạy thông số máy điện, sai

số và nhiễu đo lường khi đo dòng và điện áp stator, các vấn đề tích phân thuần túy,...

Do đó, luận án đưa ra đề xuất thứ hai để cải thiện chất lượng của bộ quan sát tốc độ,

bộ nhận dạng từ thông rotor, đặc biệt là ở vùng tốc độ thấp và tốc độ gần bằng không.

Trong bộ quan sát tốc độ thích nghi dựa trên mô hình tham chiếu dòng stator cải tiến

IV

sử dụng mạng nơ ron và mô hình trượt (NNSM_SC MRAS) được đề xuất: Thứ nhất,

tác giả đề xuất một bộ quan sát tốc độ dựa trên mô hình tham chiếu dòng stator

(SC_MRAS), trong MRAS dòng này các thành phần dòng điện stator đo được sử

dụng trực tiếp làm mô hình tham chiếu để tránh các vấn đề tích phân thuần túy và ảnh

hưởng của thay đổi tham số động cơ. Mô hình thích nghi của bộ quan sát được đề

xuất sử dụng mạng nơ ron tuyến tính Adaline với thuật toán LS để ước tính tốc độ

rotor. Giải thuật LS đơn giản và hoàn toàn phù hợp với bài toàn ước lượng tốc độ khi

hàm ước lượng trên thực tế có thể được xem như là một hàm tuyến tính. Đề xuất này

nhằm giảm nỗ lực tính toán và khắc phục một số nhược điểm gây ra do tính phi tuyến

khi sử dụng giải thuật phi tuyến BPN trong các nghiên cứu đã đề xuất trước đó. Thứ

hai, bộ quan sát dòng đề xuất làm việc trong chế độ dự báo thay vì chế độ mô phỏng

như trong các nghiên cứu đã được công bố, dẫn đến sự hội tụ nhanh hơn của thuật

toán, sai số ước lượng tốc độ thấp hơn trong cả trạng thái quá độ và xác lập. Thứ ba,

bộ nhận dạng từ thông rotor để cung cấp cho mô hình thích nghi dòng và bộ điều

khiển được đề xuất sử dụng SM. Bộ nhận dạng từ thông được thiết kế dựa trên các

điều kiện ổn định Lyapunov. Điện trở stator cũng được ước lượng và cập nhật online

cho bộ ước lượng dòng stator và bộ điều khiển BS_PCH để giảm ảnh hưởng của thay

đổi thông số máy đến quá trình ước lượng và điều khiển tốc độ. Các giải pháp này cải

thiện độ chính xác và ổn định của bộ nhận dạng từ thông rotor, và do đó cải thiện độ

chính xác của tốc độ ước tính, chất lượng điều khiển của hệ truyền động, đặc biệc ở

tần số làm việc thấp. Cuối cùng, tác giả đề xuất sử dụng Euler điều chỉnh tăng thêm

2 biến trạng thái đầu vào để tăng độ chính xác cho bộ quan sát dòng trong mô hình

thích nghi của bộ quan sát.

Mặt khác, trong các hệ truyền động sử dụng SPIM, việc sử dụng biến tần

nguồn áp sáu pha là một lựa chọn tất yếu vì nguồn sáu pha không có sẵn. Các phương

pháp điều chế độ rộng xung (PWM) cho biến tần nguồn áp sáu pha gây ra xung điện

áp common mode cao. Mục tiêu của điều khiển điện áp bộ biến tần là triệt tiêu ảnh

hưởng bất lợi gây ra bởi điện áp common mode, tức giảm điện áp common mode ở

mức thấp nhất có thể hoặc triệt tiêu chúng bằng zero. Vì vậy, để nâng cao hơn nữa

chất lượng của hệ truyền động SPIM, luận án đề xuất một kỹ thuật điều rộng xung

sóng mang mới làm giảm điện áp common mode (Reduced Common Mode Voltage

-RCMV) áp dụng cho hệ truyền động SPIM. Kỹ thuật sóng mang mới được đề xuất

V

đơn giản và đòi hỏi khối lượng tính toán ít, có thể dễ dàng phát triển trong các trường

hợp mở rộng kỹ thuật PWM cho các bộ biến tần đa bậc hoặc biến tần nhiều pha.

Phương pháp này có hiệu quả kinh tế cao, điện áp common mode được giảm và kiểm

soát thành công trong phạm vi ±Vd/6.

Việc kết hợp thành công giữa bộ quan sát NNSM_SC_MRAS và cấu trúc điều

khiển phi tuyến BS_PCH, giải thuật giảm điện áp common mode cho điều khiển

vector không sử dụng cảm biến tốc độ hệ truyền động SPIM đã góp phần nâng cao

chất lượng điều khiển tổng thể của hệ thống, làm gia tăng khả năng bám đuổi theo tín

hiệu đặt, độ ổn định, bù đắp cho sự không chắc chắn gây ra bởi độ nhạy tham số của

SPIM, lỗi đo lường và nhiễu tải. Ứng dụng hệ truyền động đề xuất kết hợp điều khiển

BS_PCH, bộ quan sát tốc độ NNSM_SC _MRAS và giải thuật giảm điện áp common

mode cho hệ thống đẩy trong xe điện cũng được thực hiện và được tác giả trình bày

trong luận án. Các kết quả thu được cho thấy hệ thống truyền động được đề xuất đáp

ứng rất tốt những yêu cầu của hệ thống đẩy trong xe điện. Kết quả này cho phép thúc

đẩy các nghiên cứu ứng dụng thực tế hệ truyền động SPIM cho phương tiện và thiết

bị ngành giao thông vận tải cũng như các lĩnh vực công nghiệp, v.v…

Bên cạnh việc trình bày, dẫn giải về lý thuyết, các mô phỏng sử dụng

MATLAB/ Simulink cũng được thực hiện. Các kết quả mô phỏng chiến lược đề xuất

được so sánh với các phương pháp truyền thống và các phương pháp hiện đại được

công bố gần đây để chứng minh tính hiệu quả của các giải pháp được đề xuất.

Từ khóa: Hệ truyền động động cơ không đồng bộ sáu pha, điều khiển thích nghi,

MRAS, bộ quan sát tốc độ MRAS dòng stator, bộ nhận dạng từ thông sử dụng SM,

điều khiển phi tuyến BS_PCH.