Luận văn:Điều khiển thích nghi hằng số thời gian rotor của động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc docx

- 1 -

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HOÀNG ĐỨC HÙNG


ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
HẰNG SỐ THỜI GIAN ROTOR
CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
ROTOR LỒNG SÓC
Chuyên ngành: Tự ñộng hóa
Mã số: 60.52.60
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



Đà Nẵng - Năm 2011
- 2 -

2

Công trình ñược hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐHBK, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG


Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đoàn Quang Vinh

Phản biện 1: GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang

Phản biện 2: TS. Nguyễn Hoàng Mai

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 05
năm 2011.


Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
- 3 -

3



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của ñề tài
Với sự tiện dụng, kết cấu vững chắc của ĐCKĐB rotor lồng sóc
và sự hấp dẫn về giá thành sản phẩm này, ĐCKĐB rotor lồng sóc
ñược sử dụng ngày càng rộng rãi. Một mặt, nhu cầu về việc ñiều
khiển chính xác ñể ñưa ñến hệ truyền ñộng có chất lượng cao ñã ñòi
hỏi việc xây dựng hệ ñiều khiển truyền ñộng ñáp ứng ñược yêu cầu
thực tiễn.
Với bản chất là phi tuyến của ĐCKĐB rotor lồng sóc, bài toán
kinh tế kỹ thuật ñược ñặt ra giữa một bên là nỗ lực nghiên cứu vật
liệu chế tạo rotor và một bên là ñầu tư hệ thống ñiều khiển, cần xem
xét ñến giá thành tổng thể của hệ thống ñã ñược các nhà chế tạo ñầu

tư nhiều công sức nghiên cứu. Vấn ñề ñặt ra là làm sao ñể sử dụng
ĐCKĐB với chất lượng hiện có mà vẫn ñáp ứng ñược yêu cầu về
chất lượng hệ thống. Các thông số ñộng cơ mà ñiển hình là các tham
số của rotor - làm việc trong chế ñộ ngắn mạch bị biến ñổi theo nhiệt
ñộ làm việc. Việc xây dựng hệ thống ñiều khiển cần thiết phải tính
ñến việc bù ñắp các thay ñổi này ñể ñảm bảo chất lượng ñiều khiển.
2. Mục ñích nghiên cứu
Xây dựng bộ ñiều khiển ĐCKĐB rotor lồng sóc có khả năng tự
thích nghi theo sự thay ñổi hằng số thời gian rotor của ñộng cơ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là ĐCKĐB 3 pha rotor lồng sóc.
Phạm vi nghiên cứu chính của ñề tài này là xây dựng ñược hệ
thống ñiều khiển thích nghi theo hằng số thời gian rotor của ĐCKĐB
rotor lồng sóc. Trong ñề tài này, tác giả chỉ ñi vào xét ảnh hưởng của
- 4 -

4

ñiện trở rotor mà chưa xét ñến ảnh hưởng của cả ñiện trở và ñiện cảm
rotor trong một mối liên hệ tổng thể.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu, xây dựng các phương án và thiết kế trên lý thuyết.
Xây dựng mô hình mô phỏng ñể kiểm chứng trên phần mềm
Matlab-Simulink.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
Kết quả nghiên cứu sẽ ñược áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau vì hiện nay rất nhều hệ truyền ñộng, dây chuyền sản xuất sử
dụng ĐCKĐB rotor lồng sóc vì sự hấp dẫn về kết cấu và giá thành
của ñộng cơ nhưng lại ñòi hỏi ñộ chính xác cao.
6. Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văn gồm phần Mở ñầu và 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về ñộng cơ không ñồng bộ.
Chương 2: Phương pháp ñiều khiển vector tựa theo từ thông
rotor ĐCKĐB.
Chương 3: Điều khiển thích nghi hằng số thời gian rotor.
Chương 4: Tổng hợp hệ thống ñiều khiển thích nghi hằng số thời
gian rotor ĐCKĐB.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1. Khái quát chung
Ngày nay kỹ thuật ñiều khiển ñộng cơ ñiện xoay chiều ba pha ñã
phát triển ñến mức gần như hoàn thiện. Cấu trúc ñiều khiển theo
nguyên lý ñiều khiển T
4
R thường ñược sử dụng là ñiều khiển dòng
ñiện riêng rẽ cũng như áp ñặt nhanh mômen quay. Hai mạch vòng
ñiều khiển tốc ñộ và từ trường quay ñược tổng hợp riêng biệt.
- 5 -

5

1.2. Mô hình của ĐCKĐB
1.2.1. Mô hình 3 pha của ĐCKĐB
Giả thiết ĐCKĐB rotor lồng sóc có 3 pha ñối xứng, khe hở
không khí là ñều và phân bố từ thông theo khe hở không khí là Sin.
Theo [1], hệ phương trình của ĐCKĐB rotor lồng sóc viết trong
hệ toạ ñộ 3 pha dạng thu gọn như sau:
[
]
[ ]

[ ] [ ] [ ] [ ]
[ ] [ ] [ ] [ ]
r
r
s
m
m
m
r
rr
r
m
s
s
m
m
s
ss
r
r
r
r
r
s
s
s
s
iLiLiLiL
iLiLiLiL
epiRU

piRU
+=+=
+=+=
++=
+=
σ
σ
ψ
ψ
ψ
ψ
(1.4)
1.2.2. Mô hình của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ αβ
Hệ phương trình của ñộng cơ trên hệ trục toạ ñộ trực giao αβ:
[ ]






+






=







β
α
β
α
β
α
ψ
ψ
s
s
s
s
s
s
s
p
i
i
R
u
u

[ ]







−
+






+






=






β
α
β
α

β
α
ψ
ψ
r
r
r
r
r
r
r
e
e
p
i
i
R
0
0

[ ] [ ] [ ] [ ]






+







=






+






=






β
α
β
α
σ

β
α
β
α
β
α
ψ
ψ
m
m
M
s
s
s
r
r
M
s
s
s
s
s
i
i
L
i
i
L
i
i

L
i
i
L
(1.6)
[ ] [ ] [ ] [ ]






+






=






+







=






β
α
β
α
σ
β
α
β
α
β
α
ψ
ψ
m
m
M
r
r
r
s

s
M
r
r
r
r
r
i
i
L
i
i
L
i
i
L
i
i
L

( )
αββα
ψψ
srsr
r
M
pM
ii
L
L

zm −=
2
3

1.2.3. Mô hình của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ dq
Hệ phương trình của ñộng cơ trong hệ trục toạ ñộ dq:
- 6 -

6

( )
sdrqsqrd
r
M
pM
mqrqrsqMrqrrq
mdrdrsdMrdrrd
mqsqsmqMsqsrqMsqssq
mdsdsmdMsdsrdMsdssd
rdrrqrqr
rqrrdrdr
sdssqsqssq
sqssdsdssd
ii
L
L
zm
iLiLiL
iLiLiL
iLiLiLiLiL

iLiLiLiLiL
piR
piR
piRu
piRu
ψψ
ψψ
ψψ
ψψ
ψψ
ψωψ
ψωψ
ψωψ
ψωψ
σ
σ
σσ
σσ
+=
+=+=
+=+=
+=+=+=
+=+=+=
++=
−+=
++=
−+=
2
3
0

0
(1.7)

a. Mô hình trạng thái liên tục
Theo [2], nếu ñặt các vector trạng thái và ñầu vào:
[
]
[
]
sqsd
fT
rqrdsqsd
fT
uuuiix ,;,,,
||
==
ψψ

Mô hình trạng thái liên tục của ĐCKĐB ñược viết dưới dạng:
s
ff
s
fff
f
NxuBxA
dt
dx
ω
++=
(1.20)

;
11
0
1
0
1
1111
0
11
0
11
2221
1211






=

























−
−−
−−
−








−
+−
−
−

−








−
+−
=
ff
ff
rr
rr
rrs
rrs
f
AA
AA
TT
TT
TTT
TTT
A
ω
ω
σ
σ

ω
σ
σ
σ
σ
σ
ω
σ
σ
σ
σ
σ
σ
σ

;
00
00
1
0
0
1
2
1







=


















=
f
f
s
s
f
B
B
L
L
B

σ
σ













−
−
=
0100
1000
0001
0010
N
(1.21)
b. Mô hình trạng thái gián ñoạn
Theo [2], mô hình trạng thái gián ñoạn của ĐCKĐB:
(
)
(
)

(
)
(
)
(
)
( ) ( ) ( )



=
+Φ=+
kxkCky
kukHkxkkx 1
(1.23)
- 7 -

7

( )
( )
;
10
10
1111
1
1111
1
2221
1211







ΦΦ
ΦΦ
=

























−−−
−−
−−
−








−
+−−
−−








−
+−
=Φ
ff

ff
r
s
r
s
rr
rrs
s
r
s
rs
f
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
TT
T
T
T
T

T
T
TT
T
ωω
ωω
σ
σ
ω
σ
σσ
σ
ω
ω
σ
σ
σ
σ
ω
σ
σ







=



















=
f
f
s
s
f
H
H
L
T
L
T
H

2
1
00
00
0
0
σ
σ
(1.26)
1.3. Hệ thống ñiều khiển vector ĐCKĐB
1.3.1. Phương pháp ñiều khiển vector trực tiếp
1.3.2. Phương pháp ñiều khiển vector gián tiếp

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VECTOR
TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR ĐCKĐB
2.1. Điều khiển T
4
R của ĐCKĐB nghịch lưu nguồn áp (FOC)
Nguyên lý ñiều khiển vector tựa từ thông rotor: Để diển giải
phương pháp này, quan sát trên Hình 2.1, trong ñó hệ trục tọa ñộ dq
ñược tựa vào vector từ thông roto.







Ở chế ñộ tựa xác lập, các vector không gian ñều quay với tốc ñộ
Hình 2.1 - Đồ thị

vector trường hợp
tựa hệ dq từ thông
rotor.
i
ds

ϑ
s

ϑ
r

γ
i

jq

d
α=as
u
s

ω
s

ω
s

ω
s

i
s

i
qs

u
qs

ϑ

ψ
r
ω
- 8 -

8

ñồng bộ nên góc γ
i
biến thiên rất chậm, các thành phần chiếu của
vector dòng ñiện lên các trục sẽ giống như các ñại lượng một chiều,
cho phép có thể tổng hợp các bộ ñiều khiển vô hướng cho từng thành
phần. Trong phương pháp này cần phải xác ñịnh ñược vị trí góc của
vector từ thông rotor ñể có thể tựa hệ trục dq vào ñó.

2.2. Các phương pháp thiết kế bộ ñiều khiển dòng ñiện trong hệ
thống ñiều khiển T
4
R.
2.2.1. Mô hình gần ñúng của ĐCKĐB trên hệ tọa ñộ dq tựa
từ thông rotor:
Hình 2.2 - Sơ ñồ khối hệ thống ñiều khiển vector tựa từ thông rotor.
- 9 -

9

mM
3
i_sq
2
i_sd
1
LM
Tr
zp
J.s
LM
Tr.s+1
1
Ti .s+1
1
Ti .s+1

1/Rs
Ts.s+1
1/Rnm
Tnm .s+1
3*zp*Lm/(2*Lr)
Ls
Lnm
C
mC
4
e_rq3
u_sq
2
u_sd
1
esq
esd
i_sq
i_sd
w
ws wr





2.2.2. Điều khiển dòng ñiện riêng rẽ
Coi nghịch lưu ñiện áp là bộ khếch ñại công suất có hệ số khếch
ñại K
nl

, thời gian thực hiện của nó là T
nl
và xem ω
s
và ω biến thiên
khá chậm hơn các ñại lượng ñiện từ. Ta thực hiện ñược mô hình sau:


Các bộ ñiều khiển dòng ñiện trên Hình 2.6 ñược xác ñịnh:
Hình 2.6 - Cấu trúc bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ.
Hình 2.5 - Mô hình gần ñúng của ĐCKĐB trong hệ tọa ñộ dq tựa từ
thông rotor.
- 10 -

10
























+








+
=






nm
nmnms
ss
s
s

inli
pT
LL
L
pT
L
KKT
RR
RR
1
1
1
1
2
1
2221
1211
ω
ω
(2.9)
Nếu xem tất cả các sức ñiện ñộng ñều là nhiễu biến thiên chậm
thì có thể thực hiện việc tổng hợp hai bộ ñiều khiển dòng riêng rẽ và
sau ñó thực hiện việc tách kênh bằng các mạch bù sức ñiện ñộng như
trên Hình 2.7 với các bộ ñiều khiển xác ñịnh ñược như sau:
(
)
(
)
;
11

'
11
pRpR =

( )
;
'
12
nli
ss
KK
L
pR
ω
=

( )
;
'
21
nli
nms
KK
L
pR
ω
=
(
)
(

)
;
22
'
22
pRpR =
( )
nl
r
bu
K
pR
ω
=

Một phương pháp khác cũng hay ñược sử dụng là dòng ñiện riêng
rẽ có bù sức ñiện ñộng như trên Hình 2.8. Các bộ ñiều khiển R
11
, R
12

ñược lấy theo biểu thức (2.9) và từ thông Ψ
sα
và Ψ
sβ
xác ñịnh theo
(2.10) ( theo tài liệu [1]).
dt
i
i

Rs
u
u
t
s
s
s
s
s
s
∫














−







=






0
β
α
β
α
β
α
ψ
ψ
(2.10)

Từ ưu ñiểm của cấu trúc ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù sức
ñiện ñộng là hạn chế sai số, tác giả ñã sử dụng cấu trúc này kết hợp
Hình 2.7 - Cấu trúc bộ ñiều
khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù
tách kênh bằng dòng ñiện.
Hình 2.8 - Cấu trúc bộ ñiều
khiển dòng ñiện riêng rẽ có
bù sức ñiện ñộng.
- 11 -

11

với các bộ ñiều khiển tốc ñộ và từ thông bằng PI kinh ñiển. Từ ñó
nghiên cứu và giải quyết bài toán thích nghi trên nền của phương
pháp ñiều khiển này.
2.3. Tổng hợp bộ ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù sức ñiện
ñộng cho ĐCKĐB
2.3.1. Tổng hợp các bộ ñiều khiển dòng ñiện
Trong cấu trúc ñiều khiển dòng ñiện riêng rẽ có bù sức ñiện
ñộng, bộ ñiều khiển dòng ñiện ñược sử dụng theo kết quả ñã phân
tích ở trên. Theo ñó, bộ ñiều khiển dòng:
;
1
1
2
1
11









+=
s
s
inli
pT
L
KKT
R








+=
nm
nm
inli
pT
L

KKT
R
1
1
2
1
22

2.3.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển từ thông
Bộ ñiều khiển là khâu PI, xác ñịnh theo chuẩn tối ưu mô ñun:
( )
p
K
KpR
i
p
ψ
ψψ
+=
(2.12)
;
4
iM
r
p
TL
T
K =
ψ
iM

i
TL
K
2
1
=
ψ

2.3.3. Tổng hợp bộ ñiều khiển tốc ñộ
( )
p
K
KpR
i
p
ω
ωω
+=
(2.13)
;
2
21
KKT
J
K
a
p
=
ω
a

p
i
T
K
K
4
ω
ω
=

2.4. Khảo sát ảnh hưởng của T
r
ñến chất lượng ñiều khiển
2.4.1. Phân tích ảnh hưởng của T
r
ñến chất lượng truyền ñộng
Hằng số thời gian rotor thiếu chính xác sẽ gây sai số góc pha của
vector từ thông và lệch pha giữa dòng mô hình và dòng ñộng cơ:
s
j
ss
eii
ϑ
~
ˆ
=
,
sss
ϑϑϑ
−=

ˆ
~
(2.15)
Hậu quả này sẽ dẫn ñến sai lệch tĩnh của mômen và module từ
thông. Tùy theo thực trạng kỹ thuật và ñòi hỏi về chất lượng truyền
ñộng, các sai số trên trong nhiều trường hợp là không chấp nhận
ñược. Ngoài ra, sai số xác lập của mômen và từ thông sẽ có ảnh
- 12 -

12

hưởng xấu ñối với các hệ truyền ñộng chất lượng cao.
2.4.2. Quan sát ảnh hưởng của T
r
ñến các trạng thái và
ñáp ứng
Từ kết quả thiết kế các bộ ñiều khiển ở trên và sử dụng ñộng cơ
mẫu 10HP trong thư viện SimPowerSystems của phần mềm Matlab
Simulink ñể thực hiện mô phỏng. Kết quả mô phỏng và quan sát các
ñáp ứng ñối với các trường hợp chưa có sự biến ñộng ñiện trở rotor
và khi có sự thay ñổi ñiện trở rotor như sau:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7

0.8
0.9
Time (s)
Psird (Wb)


Psird-150
Psird-100
Psird-Ref

Kết quả quan sát cho thấy, ở giai ñoạn khởi ñộng ban ñầu và chưa
mang tải thì từ thông ít bị ảnh hưởng bởi sự biến ñộng của ñiện trở
rotor R
r
. Khi ñộng cơ mang tải ñịnh mức và ñiện trở rotor bị biến
ñộng ñã làm xấu ñặc tính của ñáp ứng từ thông rotor. Trong trường
hợp cực hạn, ñiện trở rotor tăng thêm 50% (thể hiện ở ñường Psird-
1.5Rr) thì từ thông rotor, khi ñã ñến vùng ổn ñịnh vẫn dao ñộng và
lệch biên ñộ với biên ñộ sai khác khoảng ± 0.6% so với giá trị ổn
ñịnh như thể hiện trong Hình 2.17.
Hình 2.16 - Đáp ứng từ thông rotor khi biến ñộng tăng ñiện trở rotor.
- 13 -

13

2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3
0.805
0.81
0.815
0.82

0.825
Time (s)
Psird (Wb)


Psird-150
Psird-100
Psird-Ref


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
500
1000
1500
2000
2500
Time (s)
n (V/p)


n-Ref
n-100
n-150


Quan sát ñáp ứng tốc ñộ thấy rằng, trường hợp ñiện trở rotor tăng
lên 1.5 lần ngoài việc ảnh hưởng ñến ñộ quá ñiều chỉnh khi khởi
ñộng còn ảnh hưởng ñến biên ñộ tuyệt ñối của tốc ñộ trong vùng ổn
ñịnh khi mang tải ñịnh mức. Khi ñộng cơ mang tải ñịnh mức ñồng

thời với sự biến ñổi tăng lên 150% của ñiện trở rotor, tốc ñộ ñộng cơ
nằm trong vùng ổn ñịnh mới với biên ñộ trung bình sai khác so với
giá trị mong muốn là 15v/p (1.04%).
2.905 2.91 2.915 2.92 2.925 2.93 2.935 2.94 2.945
1430
1440
1450
1460
Time (s)
n (V/p)


n-Ref
n-100
n-150

Hình 2.17 - Hiện tượng sai lệch từ thông rotor khi tăng ñiện trở rotor.
Hình 2.18 - Đáp ứng tốc ñộ ñộng cơ khi biến ñộng tăng ñiện trở rotor.
Hình 2.19 - Hiện tượng lệch biên ñộ tốc ñộ ñộng cơ trong vùng
ổn ñịnh khi tăng ñiện trở rotor.
Psird
-
150

Psird
-
1
0
0

n
-
150

n
-
1
0
0

- 14 -

14




0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
Time (s)

mM (N.m)


mM-150
mM-100
mC




2.82 2.84 2.86 2.88 2.9 2.92 2.94 2.96 2.98 3
35
40
45
50
55
60
65
Time (s)
mM (N.m)


mM-150
mM-100
mC


Kết quả cho thấy, khi ñiện trở rotor bị thay ñổi tăng lên 150% so
với giá trị nguội thì ñáp ứng mômen của ñộng cơ bị ngược (âm) khi
khởi ñộng và dao ñộng mạnh khi mang tải ñịnh mức với biên ñộ dao

ñộng ±27.6%.
2.4.3. Kết luận
Từ kết quả quan sát cho thấy khi ñiện ñiện trở rotor thay ñổi tăng
lên trong quá trình làm việc ảnh hưởng ñến việc ổn ñịnh ñặc tính từ
thông và mômen, ñặc biệt là biên ñộ của tốc ñộ ñộng cơ không còn
bám theo chính xác giá trị tốc ñộ mong muốn. Vấn ñề này sẽ ñược
Hình 2.20 - Đáp ứng mômen ñộ ñộng cơ khi biến ñộng tăng ñiện
trở rotor.
Hình 2.21 - Hiện tượng dao ñộng mômen ñộ ñộng cơ khi tăng
ñiện trở rotor.
mM
-
150

mM
-
1
0
0

- 15 -

15

giải quyết theo hướng thích nghi với sự thay ñổi của ñiện trở rotor.
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HẰNG SỐ
THỜI GIAN ROTOR
3.1. Tổng quan về ñiều khiển thích nghi
Một hệ thống mà bộ ñiều khiển có khả năng tự thay ñổi thông số
hay cấu trúc của bộ ñiều khiển, hoặc cả về thông số lẫn cấu trúc của

bộ ñiều khiển dựa trên chu trình làm việc ñịnh trước hoặc các thông
số, cấu trúc của ñối tượng ñược quan sát thực tế trong quá trình
làm việc ñược gọi là hệ thống ñiều khiển thích nghi.
Ứng dụng trong ñề tài nghiên cứu của mình, tác giả chỉ trình bày
phương pháp thích nghi sử dụng bộ ñiều khiển có cấu trúc cố ñịnh và
thông số ñược cập nhật trực tiếp.
3.2. Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (MRAS)
3.2.1. Tổng quan về hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu
Hệ thích nghi sử dụng mô hình tham chiếu (Model reference
adaptive system) ñược viết tắt là MRAS có sử dụng bộ ñiều khiển
thích nghi có mô hình theo dõi (Model reference adaptive control)
ñược viết tắt là MRAC, nguyên lý cơ bản của hệ ñược thể hiện bằng
sơ ñồ tổng quát như sau:

Theo [3], nguyên tắc làm việc của bộ ĐKTN MRAC ñược tóm
Hình 3.2 - Cấu trúc
chung của bộ ñiều
khiển thích nghi có mô
hình theo dõi.

- 16 -

16

tắt như sau: Để hệ kín, bao gồm ñối tượng ñiều khiển và bộ ñiều
khiển, luôn có ñược chất lượng mong muốn ứng với hàm truyền ñạt
mẫu mong muốn thì bộ ñiều khiển cần phải ñược thiết kế và hiệu
chỉnh thường xuyên sao cho tín hiệu ñầu ra y(t) của hệ kín luôn như
ñầu ra y
m

(t) của mô hình tham chiếu. Mục tiêu là:
0)()()()()( ≈−=⇔≈ tytytetyty
mm
(3.1)
Như vậy vấn ñề còn lại của bài toán là thiết kế cơ cấu thay ñổi
tham số bộ ñiều khiển ñể luôn có ñược sai số e(t) ≈ 0 và ñiều này
phải không ñược phụ thuộc vào sự thay ñổi bên trong ñối tượng.
Để thực hiện việc hiệu chỉnh tham số p cho bộ ñiều khiển với cấu
trúc xác ñịnh, cho trước, ñiển hình là mô hình ñiều chỉnh theo luật
MIT và phương pháp hiệu chỉnh theo hàm mục tiêu xác ñịnh dương
ñặt trước.
3.2.2. Luật hiệu chỉnh tham số bộ ñiều khiển MIT
(Massachusetts Institude Technology)
Theo [3], nội dung phương pháp hiệu chỉnh này là thay ñổi vector
thông số p sao cho ñảm bảo mục tiêu (3.1). Tức là cần có:
(
)
0<
dt
tde
e
(3.2)
Và ñể ñạt ñược (3.2) ta chỉ cần thay ñổi p sao cho:
T
p
e
e
dt
pd









∂
∂
−=
γ
hoặc có thể viết
( )
T
p
e
e
dt
pd








∂
∂
−= sgn

γ
(3.3)
Trong ñó γ là hằng số dương tùy ý và ñược gọi là hệ số khuếch
ñại thích nghi, tốc ñộ ñể
(
)
0lim
0
=
>−
te
t
phụ thuộc theo ñộ lớn của γ.
3.2.3. Hiệu chỉnh tham số bộ ñiều khiển nhờ cực tiểu hóa hàm
mục tiêu hợp thức (xác ñịnh dương)
Cũng theo [3], phương pháp hiệu chỉnh này nhờ cực tiểu hóa hàm
- 17 -

17

mục tiêu xác ñịnh dương V(e) của các vector sai lệch e.
(
)
0,0 ≠∀> eeV và
(
)
00 =V
Và chỉ cần xác ñịnh bộ ñiều khiển sao cho
(
)

dt
edV
xác ñịnh âm
theo e. Theo lý thuyết Lyapunov, ñiều kiện này cũng ñảm bảo ñể
(
)
0→te .
3.3. Hệ thích nghi sử dụng bộ ñiều khiển tự chỉnh ñịnh (STR)
Một bộ ñiều khiển tổng hợp, nếu trong quá trình làm việc có khả
năng tự xác ñịnh lại mô hình toán học mô tả ñối tượng ñể từ ñó tự
chỉnh ñịnh lại bản thân nó cho phù hợp vói sự thay ñổi của ñối tượng
là bộ ĐKTN tự chỉnh (Self tuning regulator), viết tắt là STR. Bộ
ĐKTN tự chỉnh ñơn giản nhất là bộ ĐKTN tự chỉnh tham số, tức là
nó không tự thay ñổi cấu trúc bộ ñiều khiển mà chỉ xác ñịnh lại các
tham số ñối tượng ñể từ ñó tự chỉnh ñịnh lại các tham số ñiều khiển
của chính mình cho phù hợp.

Một hướng giải quyết bài toán khác khi sử dụng phương pháp
thiết kế bộ ñiều khiển thích nghi tự chỉnh trực tiếp như ñược ñề cập
ñến trong [9]. Mô hình này sử dụng cơ cấu nhận dạng tham số ñối
tượng kết hợp thuật toán xác ñịnh tham số ñiều khiển thành bộ quan
sát trực tiếp tham số ñối tượng ñể cập nhật cho bộ ñiều khiển. Sơ ñồ
trên Hình 3.3 có thể viết lại như sau:
Hình 3.3 - Cấu trúc
chung của bộ ñiều
khiển thích nghi tự
chỉnh.
- 18 -

18

3.4. Điều chỉnh tự ñộng và lịch trình ñộ lợi
Trong nhiều trường hợp, có thể biết ñược sự thay ñổi ñộng học
của quá trình theo các ñiều kiện vận hành. Nguồn gốc của sự thay
ñổi ñộng học có thể là tính phi tuyến. Có thể thay ñổi tham số của bộ
ñiều khiển bằng cách giám sát các ñiều kiện vận hành của quá trình.
Phương pháp này ñược gọi là lịch trình ñộ lợi.
3.5. Điều khiển mờ thích nghi
Kỹ thuật ñiều khiển mờ ñã ñược phát triển thêm tính thích nghi
ñể tạo nên một hệ thống ñiều khiển trong ñó thông số và cấu trúc của
bộ ñiều khiển thay ñổi trong quá trình vận hành, nhằm giữ vững chất
lượng ñiều khiển của hệ thống khi có sự hiện diện của các yếu tố
bất ñịnh cũng như sự thay ñổi thông số trong hệ thống.
3.6. Ứng dụng ñiều khiển thích nghi ñể ñiều khiển ĐCKĐB
Như ñã phân tích trong Chương 2, sự thay ñổi hằng số thời gian
rotor T
r
làm ảnh hưởng ñến tốc ñộ ñồng bộ của ñộng cơ. Các bộ ñiều
khiển và mô hình từ thông ñược xây dựng trên cơ sở hằng số thời
gian T
r
xác ñịnh dẫn ñến thông số bộ ñiều khiển không còn là tối ưu
và kéo dài thời gian quá ñộ, tựa sai hướng từ thông rotor khi mà
T
r
bị biến ñổi.
Xem xét các phương pháp thích nghi ñược trình bày trong 3.2 và
xét về giới hạn phạm vi cần thích nghi theo yêu cầu nghiên cứu (thích
nghi theo T

r
), ñối với hệ thống này chúng ta chỉ cần sử dụng một bộ
Hình 3.4 - Cấu trúc
ñiều khiển thích nghi
tự chỉnh trực tiếp.

- 19 -

19

ñiều khiển thích nghi có khả năng tự chỉnh ñịnh thông số theo T
r
. Để
giải quyết vấn ñề này, một bộ ñiều khiển PI ñược thiết kế theo
phương pháp truyền thống có các thông số phụ thuộc vào hằng số
thời gian rotor T
r
kết hợp với việc quan sát trạng thái có thể ñáp ứng
ñược. Trên cơ sở ñó ñưa ñến cấu trúc cho hệ ĐKTN theo hằng số
thời gian rotor như sau:


3.7. Nhận xét
Để thực hiện cấu trúc này tác giả thực hiện việc thiết kế các bộ
ñiều khiển từ thông và tốc ñộ có thông số hiệu chỉnh ñược theo tham
số T
r
. Quan sát từ thông rotor và hằng số thời gian rotor ñể tính toán
lại tốc ñộ ñồng bộ ω
s

phục vụ cho các khâu chuyển ñổi hệ trục tọa ñộ.
CHƯƠNG 4. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
HẰNG SỐ THỜI GIAN ROTOR
4.1. Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng
4.1.1. Thuật toán lọc Kalman
Hình 3.5 - Cấu trúc tổng thể bộ ñiều khiển thích nghi hằng số
th
ờ
i gia
n rotor.

- 20 -

20

4.1.2. Ứng dụng lọc Kalman quan sát trạng thái của ĐCKĐB
Theo [5], thuật toán lọc Kalman ñược xây dựng ñể ứng dụng
quan sát trạng thái ĐCKĐB rotor lồng sóc như sau:
Mô hình gián ñoạn của ĐCKĐB trên hệ dq (1.23) ñược viết lại:



=
+=
+
kk
kkk
Cxy
BuAxx
1

(4.5)
Các ma trận trọng số trong (4.5):
( )
( )
;
10
10
1111
1
1111
1

























−−−
−−
−−
−








−
+−−
−−








−
+−

=
r
s
r
s
rr
rrs
s
r
s
rs
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
TT
T
T
T
T
T

T
TT
T
A
ωω
ωω
σ
σ
ω
σ
σσ
σ
ω
ω
σ
σ
σ
σ
ω
σ
σ

;
00
00
10
01













=
s
L
T
B
σ

T
C













=
00
00
10
01
(4.6)
Đặt τ = 1/T
r
, và xem như một hằng số ngẫu nhiên có dạng:
kkk
ξ
τ
τ
+
=
+1
(4.7)
Trong ñó
{
}
k
ξ
là nhiễu ồn trắng phân bố chuẩn Gaussian không
tương quan với nhiễu ño lường
{
}
k
η
và có phương sai là một ma trận
dương cho trước

(
)
kk
SVar =
ξ
. Mô hình ñộng cơ (4.5) với giả thiết
(4.7) có thể ñược viết lại thành hệ phi tuyến như sau:
(
)
[ ]







+






=







+






+






=






+
+
k
k
k
kk
k
kkkk

k
kkk
k
k
x
Cy
G
uB
xA
x
η
τ
ξ
ξ
τ
τ
τ
0
0
1
1
(4.8)
Trong ñó:
- 21 -

21

1 1 1
1 (1 )
1 1 1

( )
1 (1 )
0 1 ( )
0 ( ) 1
A
k s k
s
k k
s k k
s
k k s
k s k
T
T T T
T
T
T T T
T
T T T
T T T
σ σ
σ τ ω τ ω
σ σ σ
σ σ
τ
ω σ τ ω τ
σ σ σ
τ τ ω ω
τ ω ω τ
 

 
− −
− + −
 
 
 
 
 
 
− −
 
=
− − + − −
 
 
 
 
− −
 
 
− − −
 

CCBB
kk
=
=
,

G

k
là ma trận trọng số nhiễu.
Các vector nhiễu
k
ξ
và
k
η
ñược giả thiết là các nhiễu trắng
phân bố chuẩn Gaussian, kỳ vọng bằng 0 và với mọi k, j, ta có:
(
)
(
)
kjkjkkjkjk
RCovQCov
δ
η
η
δ
ξ
ξ
=
=
,,,
(4.9)
Các bước thực hiện sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng ñể
nhận dạng biến trạng thái mới τ như sau:
• Dự báo (Predict):
(

)






+






=






−−
−
−−−
−
−
0
ˆ
ˆˆ
ˆ

ˆ
11
1
111
1,
1,
kk
k
kkk
kk
kk
uB
xA
x
τ
τ
τ
(4.10)
( ) ( )
[ ]
( ) ( )
[ ]






+
+









Ι
∂
∂








Ι
∂
∂
=
−
−−−
−−−−−
−−
−−−−−
−
1

111
11111
1,1
11111
1,
0
0
0
ˆˆˆ
0
ˆˆˆ
k
T
kkk
T
kkkkk
kk
kkkkk
kk
S
GQG
xAA
P
xAA
P
τ
τ
ττ
τ
τ

(4.11)
( )
[ ]
( )
( )
( )
( )
















−
−
−
−
−
−
=

∂
∂
−−−
kk
kk
kk
kk
kkk
xxT
xxT
xxT
xxT
xA
42
31
24
13
111
1
1
ˆˆ
σ
σ
σ
σ
τ
τ
(4.12)
• Hiệu chỉnh (Correction):
[

]
[
]
[
]
[
]
1
1,1,
000
−
−−
+=
k
T
kkkk
T
kkkk
RCPCCPK
(4.13)
( )
1,
1
1,
ˆ
,
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ

−
−
−
−+






=






kkkkk
kk
kk
k
k
xCyK
xx
ττ
(4.14)
[
]
[
]

1,,
0
−
−
Ι
=
kkkkkk
PCKP
(4.15)
Sơ ñồ cấu trúc hệ thống với bộ lọc Kalman ñể nhận dạng các biến
- 22 -

22

trạng thái như Hình 4.5.
4.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển thích nghi ĐCKĐB
Từ kết quả Chương 2 ta có ñược các bộ ñiều khiển tốc ñộ và
từ thông và có các tham số ñộng ñược xác ñịnh như sau:

4.2.1. Tổng hợp bộ ñiều khiển tốc ñộ
3
11
2
109
2
87
;
rrr
iw
rr

pw
T
K
T
K
T
K
K
T
K
T
K
K ++=+=

Các hệ số K
7
, K
8
, K
9
, K
10
, K
11
không phụ thuộc vào T
r
.
4.2.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển từ thông
Mi
i

Mi
p
LT
K
LT
Tr
K
2
1
;
4
==
ψψ

4.3. Mô phỏng và kiểm chứng
4.3.1. Các thông số của ñộng cơ
Các thông số của ĐCKĐB rotor lồng sóc sử dụng cho việc
mô phỏng như ñã trình bày trong Chương 2 của luận văn.





4.3.2. Các sơ ñồ mô phỏng và kết quả mô phỏng
- 23 -

23

powergui
Discrete ,

Ts = 2e-006 s.
Psird_fix
w^
Psird*
Gia tri dat
mC
Psird_fix
wN
EKF
w^
us_dq^
is_dq^
Tr^
ws^
Psird^
Dieu khien
Psir*
w*
w^
is_dq
us_alp
is_alp
Psird^
Tr^
ws^
Udc
Xung_dk
Chap hanh
mC
Xung_dk

us_abc
is_abc
w(rad/s)
mW
Udc
Bo quan sat va chuyen doi
ws^
is_abc
us_abc
us_dq
is_dq
is_alp
us_alp




Psird^
3
ws
^
2
Tr ^
1
is_q
is_d
S-Function
Ex_Kalman
Psirq^
Lm

zp
1/u
is_dq^
3
us_dq^
2
w^
1



Hình 4.5 - Sơ ñồ khối lọc Kalman mở rộng.
Hình 4.2 - Mô hình tổng thể hệ thống ñiều khiển.
- 24 -

24

Xung _dk
1
SVPWM
usd
usq
ws
Udc
Xung_dk
R_w
w*
w^
Tr
isq*

R
_
psi
Psir*
Psir^
Tr
isd*
R_22
isq*
isq
usq*
R_11
isd*
isd
usd*
Bu _SDD
usd*
usq*
is_alp
us_alp
ws
usd
usq
Udc
10
ws^
9
Tr^
8
Psird^

7
is_alp
6
us_alp
5
is_dq
4
w^
3
w*
2
Psir*
1


isd*
1
R_Psi_A
Adaptive PID
e_Psi
Tr
Tr
3
Psir^
2
Psir*
1


isq*

1
R_w_A
Adaptive PID
e_w
Tr
G
Km
Tr
3
w^
2
w*
1



0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
500
1000
1500
2000
2500
Time (s)
n (V/p)


n-Ref
n-Nm
n-Adc

Hình 4.8 - Sơ ñồ bộ ñiều khiển tốc ñộ nghi theo T
r
.
Hình 4.9 - Đáp ứng tốc ñộ với hằng số thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.
Hình 4.7 - Sơ ñồ bộ ñiều khiển từ thông thích nghi theo T
r
.
Hình 4.6 - Sơ ñồ tổng thể khối ñiều khiển thích nghi.
- 25 -

25

Kết quả cho thấy, sử dụng ĐKTN ñã làm giảm ñáng kể ñộ quá
ñiều chỉnh khi khởi ñộng (ñặc tính n-Adc). Giải quyết ñược hiện
tượng sai lệch về biên ñộ tốc ñộ như thể hiện trong Hình 4.10.
2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3
1400
1420
1440
1460
Time (s)
n (V/p)

n-Ref
n-Nm
n-Adc


0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
-200
-100
0
100
200
300
400
Time (s)
mM (N.m)


mC
mM-Nm
mM-Adc



2.82 2.84 2.86 2.88 2.9 2.92 2.94 2.96 2.98 3
35
40
45
50
55
60

65
Time (s)
mM (N.m)


mC
mM-Nm
mM-Adc





Hình 4.10 - Tốc ñộ ñộng cơ vùng tải ñịnh mức với hằng số
thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.
Hình 4.11 - Đáp ứng mômen với hằng số thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.
Hình 4.12 - Khắc phục dao ñộng mômen khi sử dụng bộ ĐNTN
với hằng số thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.

n
-
Nm

n
-
Adc


mM
-
Nm


mM
-
Adc

- 26 -

26

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6

0.7
0.8
0.9
Time (s)
Psird (Wb)


Psird
Psird-Nm
Psird-Adc



2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3
0.81
0.815
0.82
0.825
0.83
Time (s)
Psird (Wb)


Psird
Psird-Nm
Psird-Adc

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0.1
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
0.17
0.18
Time (s)
Tr (s)


Trx
Tr^



4.4. Nhận xét
Quan sát các ñặc tính mM-Adc và Psird-Adc trên Hình 4.11 và
Hình 4.13, mômen và từ thông rotor của ñộng cơ trong trường hợp
sử dụng bộ ĐKTN ñã khắc phục ñược các ảnh hưởng do ñiện trở
Hình 4.14 - Khắc phục hiện tượng sai lệch từ thông rotor khi sử
dụng ĐKTN với hằng số thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.
Hình 4.15 - Quan sát hằng số thời gian rotor T

r
^
với T
rx
= T
r
/1.5.
Hình 4.13 - Từ thông rotor với hằng số thời gian rotor T
rx
= T
r
/1.5.
Psird
-
Nm

Psird
-
Adc

- 27 -

27

rotor thay ñổi, dẫn ñến thay ñổi hằng số thời gian rotor. So với trường
hợp bình thường (Normal) chỉ sử dụng các bộ ñiều khiển PI không
thích nghi kết hợp với mô hình từ thông rotor như các ñặc tính mM-
Nm và Psird-Nm, thì việc sử dụng ĐKTN kết hợp với việc quan sát
trạng thái ñã ñáp ứng ñược theo chất lượng thiết kế ban ñầu.

KẾT LUẬN
Luận văn ñã giải quyết thành công vấn ñề ĐKTN hằng số thời
gian rotor của ĐCKĐB rotor lồng sóc, trong ñó sử dụng bộ lọc
Kalman mở rộng ñể nhận dạng hằng số thời gian rotor.
Các kết quả mô phỏng ñã cho thấy bộ ĐKTN hằng số thời gian
rotor của ĐCKĐB rotor lồng sóc ñã giải quyết ñược vấn ñề ñặt ra của
ñề tài: loại bỏ ñược ảnh hưởng của hằng số thời gian rotor ñến chất
lượng của hệ thống. Kết quả mô phỏng ñã khẳng ñịnh tính ñúng ñắn
của các giải pháp ñề xuất và cho thấy triển vọng sử dụng trong
thực tiễn.
Luận văn ñã ñưa ra cách giải quyết vấn ñề trên lý thuyết và kiểm
nghiệm bằng mô phỏng. Từ ñây, có thể cho phép nghiên cứu ñể triển
khai mô hình thực nghiệm, ứng dụng vào thực tiễn và ñó cũng là một
hướng ñể một lần nữa khẳng ñịnh và phát triển ñề tài./.