Nghiên cứu phát triển các giải pháp sử dụng mạng nơ ron cho ước lượng tham số và điểu khiển động cơ xoay chiều

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

LÊ HÙNG LINH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI THUẬT SỬ DỤNG
MẠNG NƠ RON CHO ƢỚC LƢỢNG THAM SỐ VÀ ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2016


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

LÊ HÙNG LINH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI THUẬT SỬ
DỤNG MẠNG NƠ RON CHO ƢỚC LƢỢNG THAM
SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 62 52 02 16

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. PGS.TSKH. PHẠM THƢỢNG CÁT

2. TS. PHẠM MINH TUẤN

Hà Nội – 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả đƣợc
viết chung với các tác giả khác đều đƣợc sự đồng ý của đồng tác giả trƣớc khi đƣa
vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận án

Lê Hùng Linh


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và
Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt
Nam, Phịng Cơng nghệ tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi trong q trình học
tập, nghiên cứu.
Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TSKH. Phạm
Thƣợng Cát và TS. Phạm Minh Tuấn, hai thầy đã định hƣớng và tận tình hƣớng dẫn
để tơi có thể hồn thành luận án.
Tơi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Công nghệ Thông tin và
Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, Phòng Đào tạo và các đơn vị trong Nhà
trƣờng đã quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện để tơi có thể thực hiện nghiên cứu.

Tôi xin cảm ơn các cán bộ Phịng Cơng nghệ Tự động hóa – Viện Cơng nghệ
thông tin, các đồng nghiệp thuộc Khoa Công nghệ Tự động hóa - Trƣờng Đại học
Cơng nghệ Thơng tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã động viên và trao
đổi kinh nghiệm trong q trình hồn thành luận án.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, ngƣời thân, các bạn đồng
nghiệp - những ngƣời ln dành cho tơi những tình cảm nồng ấm, ln động viên
và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống và tạo điều kiện tốt nhất để tơi có
thể hồn thành quá trình nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 18 tháng 01 năm 2016
Tác giả luận án

Lê Hùng Linh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ ix
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN .............................................................................................................5
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................5
1.2 Tổng quan về phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều .......................6
1.3 Các vấn đề nghiên cứu của luận án .............................................................19
CHƢƠNG 2
PHÁT TRIỂN THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ TỪ THƠNG CHO

ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU CĨ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH ............................20
2.1 Mơ hình động cơ xoay chiều.........................................................................21
2.1.1 Mơ hình động cơ khơng đồng bộ ba pha..................................................22
2.1.2 Chuyển đổi các hệ trục tọa độ tham chiếu ...............................................23
2.1.3 Mơ hình hai pha của động cơ không đồng bộ ba pha ..............................25
2.2 Phát triển thuật tốn điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha có
nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (d,q) ..............................................27
2.2.1 Xây dựng mơ hình tốn học bộ điều khiển ..............................................28
2.2.2 Xây dựng thuật toán điều khiển tốc độ động cơ ......................................29
2.2.3 Xây dựng bộ điều chỉnh dịng ..................................................................32
2.2.4 Kết quả mơ phỏng kiểm chứng ................................................................34
2.3 Phát triển thuật tốn điều khiển tốc độ và từ thơng động cơ khơng đồng
bộ ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (,) ......................39
2.3.1 Xây dựng mơ hình bộ điều khiển .............................................................39
2.3.2 Xây dựng thuật tốn điều khiển tốc độ và từ thơng rotor ........................44
2.3.3 Kết quả mô phỏng ....................................................................................48


iv

2.4. Kết luận chƣơng 2 ........................................................................................52
CHƢƠNG 3
PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ƢỚC LƢỢNG TỐC ĐỘ VÀ TỪ THÔNG CỦA
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU CĨ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH ............................54
3.1 Bài tốn ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông rotor của động cơ cảm ứng .........54
3.2 Phát triển các thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông của động cơ
không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định ...........................................56
3.2.1 Xây dựng bộ ƣớc lƣợng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và tự thích nghi ...56
3.2.1.1 Tách thành phần chứa giá trị của  và  ........................................58
3.2.1.2 Xây dựng bộ ƣớc lƣợng tốc độ  và giá trị nghịch đảo của hằng số

thời gian rotor  của động cơ. ......................................................................61
3.2.2 Xây dựng bộ tự thích nghi ƣớc lƣợng tốc độ và từ thơng ........................64
3.3 Mơ hình ứng dụng thuật tốn điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ
ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (d,q) không sử dụng
cảm biến tốc độ ....................................................................................................67
3.3.1 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.1.........................................68
3.3.2 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.2.........................................72
3.4 Mơ hình ứng dụng thuật tốn điều khiển tốc độ động cơ khơng đồng bộ
ba pha có nhiều tham số bất định trên hệ trục tọa độ (α,β) không sử dụng
cảm biến tốc độ ....................................................................................................75
3.4.1 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.1.........................................76
3.4.2 Sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ trong mục 3.2.2.........................................81
3.5 Kết luận chƣơng 3 .........................................................................................85
4. KẾT LUẬN ......................................................................................................87
4.1. Những nội dung nghiên cứu chính của luận án.........................................87
4.2. Những đóng góp khoa học mới của luận án: .............................................87
4.3. Định hƣớng nghiên cứu phát triển .............................................................88
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ.................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................90


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Đơn vị

Ký hiệu

tính

Mơ tả

ωs

Rad/s

Tốc độ góc đồng bộ

ω

Rad/s

Tốc độ góc của rotor

ωe

Rad/s

Tốc độ góc trƣợt

isu , isv , isw

A

Dịng vào các cuộn dây stator trên hệ trục tọa
độ ba pha

is , is

A

Thành phần dọc và ngang của dòng điện stator
trên hệ trục tọa độ cố định (α,β)

A

Véc tơ dòng điện stator trên hệ trục tọa độ cố
định (α,β)

i s  is

is 

T

isd , isq
i sdq  isd

A
isq 

T

u , u

Thành phần dọc và ngang của dòng điện rotor
trên hệ trục tọa độ quay (d,q)

A

Véc tơ dòng điện stator trên hệ trục tọa độ
quay (d,q)

V

Thành phần dọc và ngang của điện áp stator
trên hệ trục tọa độ cố định (α,β)
Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ cố

u s   u , u 

V

usd , usq

V

Thành phần dọc và ngang của điện áp stator
trên hệ trục tọa độ quay (d,q)

V

Véc tơ điện áp stator trên hệ trục tọa độ quay
(d,q)

Wb

Thành phần dọc và ngang của từ thông rotor
trên hệ trục tọa độ cố định (α,β)

Wb

Véc tơ từ thông rotor trên hệ trục tọa độ cố
định (α,β)

T

u sdq  usd

usq 

T

 r , r 
ψ r   r  r  

T

định (α,β)


vi

Đơn vị

Ký hiệu

tính

 rd , rq

ψ rdq   rd  rq 

Wb
T

Wb

Mô tả
Thành phần dọc và ngang của từ thông rotor
trên hệ trục tọa độ quay (d,q)
Véc tơ từ thông stator trên hệ trục tọa độ quay
(d,q)

B

Nms/rad

Hệ số ma sát

J

Nms2/rad

Qn tính của rotor

mL

Nm

Mơ men tải

mM

Nm

Mơ men của động cơ

Lr

H

Cảm kháng của cuộn dây rotor

Lm

H

Hỗ cảm giữa cuộn dây stator và cuộn dây rotor

Ls

H

Cảm kháng của cuộn dây stator

Rs



Điện trở của cuộn dây stator

Rr



Điện trở của cuộn dây rotor



Rad

Góc lệch giữa trục của rotor với trục tham
chiếu α

s

Rad

Góc lệch giữa trục của từ thông với trục tham
chiếu α
Số đôi cực

zp

Ts 

Ls
Rs

Hằng số thời gian stator

Tr 

Lr
Rr

Hằng số thời gian rotor



1
Tr

Giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor

3P Lm
2 Lr

Hằng số mô men

K


vii

Ký hiệu

  1



L2m
Ls Lr

Lm
 Ls Lr

Đơn vị
tính

Mơ tả

Ký hiệu

Ký hiệu

*, ref

Giá trị tham chiếu, mong muốn

͡

Giá trị đã biết
^

Giá trị ƣớc lƣợng
Sai lệch giữa giá trị ƣớc lƣợng và giá trị tham

~

chiếu, mong muốn

DC

Một chiều

AC

Xoay chiều

MRAS

Mơ hình hệ thống tham chiếu thích nghi

ANN

RBF

Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural
Network)
Mạng nơ ron RBF (Radial Basic Function
Networks)

NFO

Tựa từ thông tự nhiên (Natural Flux
Orientation)

RFO

Tựa từ thông rotor (Rotor Flux Oriented)

SFO

Tựa từ thông stator (Stator Flux Oriented)

PWM

Điều chế độ rộng xung (Pulse Width
Modulation)

IRFO

Điều khiển gián tiếp tựa từ thông rotor
(Indirect Rotor Flux Oriented)


viii

Ký hiệu

DRFO

DTC

Đơn vị
tính

Mơ tả
Điều khiển trực tiếp tựa từ thơng rotor (Direct

Rotor Flux Oriented)
Điều khiển trực tiếp mô men (Direct Torque
Control)


ix

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các phƣơng pháp điều khiển động cơ cảm ứng theo tần số ........................8
Hình 1.2 Mơ hình điều khiển trực tiếp tựa từ thơng DRFO .....................................11
Hình 1.3 Mơ hình điều khiển gián tiếp IRFO...........................................................12
Hình 1.4 Mơ hình cơ bản của điều khiển trực tiếp mơ men DTC ............................13
Hình 1.5 Mơ hình điều khiển động cơ cảm ứng xoay chiều ....................................18
Hình 2.1 Biểu diễn véc tơ dịng điện is trên hệ trục tọa độ (d,q), (α,β) và (u,v,w) [2]
...................................................................................................................................23
Hình 2.2 Mơ hình điều khiển động cơ ......................................................................28
Hình 2.3 Bộ điều chỉnh tốc độ rotor động cơ ...........................................................32
Hình 2.4 Bộ điều chỉnh dịng ....................................................................................33
Hình 2.5 Vận tốc góc rotor mong muốn ref ...........................................................35
Hình 2.6a mL2 thành phần tải không biết trƣớc khi khoan các lỗ vào vật liệu .........35
Hình 2.6b ΔmL thành phần tải khơng biết trƣớc phụ thuộc vào kết cấu vật liệu ......36
Hình 2.6c mL thành phần tải tổng hợp tác động vào hệ thống ..................................36
Hình 2.7 Vận tốc thực của rotor khi sử dụng mạng nơ ron ......................................36
Hình 2.8 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor .......37
Hình 2.9 Thời gian quá độ vận tốc góc khi tải với mL..............................................37
Hình 2.10 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor .....37
khi khơng sử dụng mạng nơ ron................................................................................37
Hình 2.11 Vận tốc góc thực của rotor khi khơng sử dụng mạng nơ ron ..................38
Hình 2.12 Mơ hình điều khiển động cơ ....................................................................39
Hình 2.13 Cấu trúc mạng nơ ron RBF xấp xỉ đại lƣợng f ........................................45

Hình 2.14 Bộ điều khiển tốc độ và từ thơng rotor động cơ ......................................48
Hình 2.15 ΔRr thay đổi theo thời gian ......................................................................48
Hình 2.16 Vận tốc góc thực của rotor ......................................................................49
Hình 2.17 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor .....49
Hình 2.18 Thời gian q độ vận tốc góc với tải mL ..................................................49
Hình 2.19 Sai lệch giữa từ thông mong muốn  r2 ref và từ thông thực tế  r2 ............50


x

Hình 2.20 Thời gian q độ giữa từ thơng thực tế  r2 và từ thông mong muốn  r2 ref
...................................................................................................................................50
với tải mL ...................................................................................................................50
Hình 2.21 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc thực của rotor khi
v1=0 ...........................................................................................................................50
Hình 2.22 Sai lệch giữa từ thơng mong muốn  r2 ref và từ thông thực tế  r2 khi v1=0
...................................................................................................................................51
Hình 3.1 Mơ hình điều khiển động cơ khơng sử dụng cảm biến .............................55
Hình 3.2 Bộ ƣớc lƣợng tốc độ, hằng số thời gian rotor ............................................55
Hình 3.3 Sơ đồ bộ ƣớc lƣợng tốc độ, giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor
và từ thơng rotor ........................................................................................................57
Hình 3.4 Sơ đồ bộ ƣớc lƣợng tốc độ, giá trị nghịch đảo của hằng số thời gian rotor
và từ thông rotor ........................................................................................................64
Hình 3.5 Mơ hình điều khiển động cơ khơng sử dụng cảm biến tốc độ ..................68
Hình 3.6 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor ...............................................................68
Hình 3.7 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................69
Hình 3.8 Thời gian q độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor với tải mL ...................69
Hình 3.9 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor với khơng tải .............69
Hình 3.10 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor

...................................................................................................................................70
Hình 3.11 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................70
Hình 3.12 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................71
Hình 3.13 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor .............................................................72
Hình 3.14 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................72
Hình 3.15 Thời gian q độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor với tải mL .................73
Hình 3.16 Thời gian quá độ vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor khi khơng có tải ......73
Hình 3.17 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................74


xi

Hình 3.18 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................74
Hình 3.19 Mơ hình điều khiển động cơ sử dụng bộ ƣớc lƣợng tốc độ và từ thơng .75
Hình 3.20 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor .............................................................76
Hình 3.21 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................76
Hình 3.22 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn với
tải mL..........................................................................................................................77
Hình 3.23 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn khi
khơng có tải ...............................................................................................................77
Hình 3.24 Sai lệch giữa từ thông mong muốn  r2ref và từ thơng ƣớc lƣợng ˆ r2 của
rotor ...........................................................................................................................77
Hình 3.25 Thời gian từ thông ƣớc lƣợng ˆ r2 ổn định theo từ thơng mong muốn

 r2ref với tải mL ..........................................................................................................78
Hình 3.26 Thời gian từ thông ƣớc lƣợng  r2 ổn định theo từ thông mong muốn

 r2 ref khi không tải ....................................................................................................78
Hình 3.27 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................79
Hình 3.28 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................79
Hình 3.29 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................80
Hình 3.30 Vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor .............................................................81
Hình 3.31 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................81
Hình 3.32 Thời gian quá độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn ....82
Hình 3.33 Thời gian q độ của vận tốc ƣớc lƣợng tới vận tốc góc mong muốn khi
khơng tải ....................................................................................................................82
Hình 3.34 Sai lệch giữa từ thông mong muốn  r2ref và từ thông ƣớc lƣợng ˆ r của
2

rotor ...........................................................................................................................82


xii

Hình 3.35 Thời gian từ thơng ƣớc lƣợng  r2 ổn định theo từ thông mong muốn

 r2 ref với tải mL ..........................................................................................................83
Hình 3.36 Thời gian từ thơng ƣớc lƣợng  r2 ổn định theo từ thông mong muốn

 r2 ref khi khơng tải ....................................................................................................83

Hình 3.37 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................84
Hình 3.38 Sai lệch giữa vận tốc góc mong muốn và vận tốc góc ƣớc lƣợng của rotor
...................................................................................................................................84


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Động cơ xoay chiều ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng
nhƣ trong dân dụng do các tính năng ƣu việt cấu trúc nhỏ gọn, công suất lớn cũng
nhƣ hiệu quả kinh kế, thuận tiện trong việc thiết kế, điều khiển và bảo dƣỡng. Động
cơ xoay chiều đƣợc ứng dụng trong máy bơm, máy nén, trong ngành công nghiệp
dầu mỏ và khí đốt, quạt cơng nghiệp hay dân dụng, thang máy, máy nâng hạ, máy
kéo, cần cẩu trong ngành xây dựng, robot hay trong tàu biển... Do vậy, trong ba
thập kỷ gần đây động cơ xoay chiều đã thay thế động cơ một chiều do loại bỏ đƣợc
các nhƣợc điểm của động cơ một chiều nhƣ chi phí bảo dƣỡng cao đối với hệ thống
cổ góp - chổi than, mơ men qn tính cao, khơng an tồn trong mơi trƣờng rung
chấn, dễ cháy nổ. Các động cơ xoay chiều đƣợc sử dụng rất rộng rãi do các tính
năng vƣợt trội của nó. Tuy nhiên, để khai thác triệt để hơn loại động cơ này có
nhiều vấn đề đặt ra cần đƣợc giải quyết. Mặc dù trong và ngoài nƣớc đã xuất hiện
nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và hạ giá thành sản
phẩm, nhƣng các kết quả đạt đƣợc vẫn còn bộc lộ nhiều hạn chế. Chẳng hạn các
phƣơng pháp sử dụng bộ lọc Kalman, lọc phi tuyến hay bộ quan sát theo chế độ
trƣợt để ƣớc lƣợng tốc độ góc và từ thơng của động cơ nhƣng hiệu quả điều khiển
phụ thuộc căn bản vào thuật toán điều khiển, ƣớc lƣợng các đại lƣợng cần thiết và
độ chính xác của mơ hình động cơ gây nên những khó khăn đáng kể. Mơ hình tốn
của động cơ thƣờng khó đạt độ chính xác mong muốn vì trong hệ thống chứa nhiều
tham số không xác định trƣớc nhƣ các hệ số ma sát, mơ men qn tính và điện
trở…, chúng thƣờng thay đổi trong quá trình vận hành. Ngoài ra, việc ƣớc lƣợng
các đại lƣợng cần thiết nhƣ tốc độ góc hay từ thơng động cơ dùng làm các thông tin

cho các bộ điều khiển thay cho các cảm biến địi hỏi đạt đƣợc độ chính xác mong
muốn là những vấn đề khó và cần tiếp tục nghiên cứu. Trong những năm gần đây,
sự phát triển của mạng nơ ron nhân tạo đã góp phần rất lớn vào việc giải quyết các
bài toán trong điều khiển, đặc biệt đối với các đối tƣợng điều khiển có đặc trƣng phi

1


tuyến và tham số bất định. Mạng nơ ron nhân tạo đã cho phép xử lý các yếu tố phi
tuyến khá tùy ý trong các hệ điều khiển với các trọng số tự chỉnh khi vận hành.
Với lý do trên, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển các giải thuật
sử dụng mạng nơ ron cho ước lượng tham số và điều khiển động cơ xoay chiều”
để phát triển một số thuật tốn ƣớc lƣợng thơng số và điều khiển động cơ có nhiều
tham số bất định.
Đối tƣợng nghiên cứu
Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có các tham số bất
định nhƣ điện trở của rotor, mơ men qn tính, hệ số ma sát và tải thay đổi.
Mục đích nghiên cứu
Đề xuất một số thuật tốn điều khiển tốc độ và từ thơng động cơ xoay chiều.
Đề xuất một số thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông rotor để cung cấp cho
bộ điều khiển tốc độ và từ thông của động cơ xoay chiều.
Phạm vi nghiên cứu
Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha có nhiều tham số bất định.
Các phƣơng pháp, thuật toán điều khiển tốc độ và từ thơng động cơ.
Các thuật tốn ƣớc lƣợng thơng số của động cơ.
Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án thể hiện qua các trình tự tiến hành cơng
việc nhƣ sau:
1. Phân tích và xây dựng mơ hình tốn học của động cơ xoay chiều có các
tham số bất định và tải tác động vào động cơ.

2. Tìm hiểu, phân tích các phƣơng pháp, thuật tốn điều khiển hiện đại để xây
dựng thuật toán điều khiển mới.

2


3. Tìm hiểu, phân tích các thuật tốn ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông động cơ
hiện đại và chọn lựa cách tiếp cận phù hợp để tiến hành đề xuất các thuật tốn ƣớc
lƣợng tốc độ và từ thơng rotor.
4. Chứng minh tính ổn định tiệm cận của các thuật toán đề xuất bằng lý thuyết
ổn định Lyapunov, bổ đề Barbalat.
5. Tiến hành kiểm chứng các thuật toán điều khiển và ƣớc lƣợng tốc độ, từ
thơng trên mơ hình động cơ bằng công cụ mô phỏng Matlab.
Ý nghĩa của đề tài
- Ý nghĩa về lý thuyết: Đóng góp các thuật toán ƣớc lƣợng và điều khiển tốc
độ sử dụng mạng nơ ron và tự thich nghi cho động cơ xoay chiều với nhiều tham số
bất định.
- Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng một số mơ hình điều khiển động cơ xoay chiều
với nhiều tham số bất định không sử dụng cảm biến tốc độ.
Những kết quả mới của luận án
Dựa trên mơ hình tốn học động cơ xoay chiều có nhiều tham số bất định và
tải tác động vào động cơ, tác giả đã phát triển một số thuật tốn điều khiển tốc độ
động cơ xoay chiều khơng sử dụng cảm biến tốc độ. Cụ thể nhƣ sau:
- Đề xuất 02 thuật toán điều khiển:
+ Thuật toán điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều với nhiều tham số bất định
và tải thay đổi trên hệ trục tọa độ (d,q) sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để bù các giá
trị bất định.
+ Thuật toán điều khiển tốc độ và từ thông của động cơ xoay chiều với nhiều
tham số bất định và tải thay đổi sử dụng phƣơng pháp không tách kênh trên hệ trục
tọa độ (α,β).

- Đề xuất 02 thuật tốn ƣớc lƣợng thơng số động cơ:
+ Thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ sử dụng mạng nơ ron và bộ tự thích nghi.

3


+ Thuật tốn ƣớc lƣợng tốc độ và từ thơng động cơ sử dụng bộ tự thích nghi.
Kết hợp thuật tốn điều khiển và thuật tốn ƣớc lƣợng các thơng số trên mơ
hình điều khiển động cơ khơng sử dụng cảm biến đo tốc độ.
Chứng minh tính ổn định tiệm cận của các thuật toán điều khiển, ƣớc lƣợng
tốc độ và từ thông động cơ.
Mô phỏng kiểm chứng các thuật tốn điều khiển, ƣớc lƣợng tốc độ và từ thơng
bằng cơng cụ mơ phỏng Matlab.
Cơng bố 06 cơng trình liên quan đến luận án trên các tạp chí, hội thảo trong
nƣớc và ngoài nƣớc.
Bố cục luận án gồm 03 chƣơng:
Chƣơng 1: Trình bày tổng quan các vấn đề trong điều khiển, ƣớc lƣợng tốc độ
và từ thông động cơ xoay chiều. Từ các vấn đề đó đi đến định hƣớng trong nghiên
cứu của luận án.
Chƣơng 2: Trình bày mơ hình động cơ xoay chiều. Phát triển thuật toán điều
khiển tốc độ và từ thông động cơ trên hai hệ trục tọa độ quay (d,q) và cố định (α,β)
với các tham số bất định và tải thay đổi trong quá trình hoạt động. Bộ điều khiển sử
dụng mạng nơ ron để nhận dạng và bù online các tham số bất định. Đồng thời
chứng minh tính ổn định tiệm cận của các thuật tốn điều khiển và mơ phỏng kiểm
chứng tính đúng đắn của các thuật tốn đã đề xuất bằng cơng cụ Matlab.
Chƣơng 3: Xây dựng 02 thuật toán ƣớc lƣợng tốc độ và từ thông của động cơ
xoay chiều trên cơ sở mạng nơ ron, bộ điều chỉnh tự thích nghi và chứng minh sự
ổn định tiệm cận của các thuật toán ƣớc lƣợng. Đồng thời kết hợp với thuật toán
điều khiển ở chƣơng 2 để xây dựng thành hệ thống điều khiển tốc độ động cơ không
sử dụng các bộ cảm biến tốc độ và từ thông. Mô phỏng trên Matlab để chứng minh

khả năng kết hợp của các thuật toán điều khiển và ƣớc lƣợng.

4


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Động cơ xoay chiều đƣợc sử dụng rộng rãi trong đời sống do các tính năng ƣu
việt về cấu trúc, công suất cũng nhƣ hiệu quả kinh tế, thuận tiện trong việc thiết kế
và điều khiển. Nhờ sự tiến bộ của các thiết bị bán dẫn hiện đại, transitor lƣỡng cực
và công nghệ xử lý tín hiệu số, sự phát triển của khoa học và cơng nghệ, lý thuyết
điều khiển tự động đã góp phần giải quyết các vấn đề nhƣ nâng cao chất lƣợng điều
khiển cũng nhƣ khả năng ổn định của hệ thống điều khiển. Nhiều cơng trình nghiên
cứu về phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều nhƣ: điều khiển trƣợt, điều
khiển thích nghi, điều khiển tối ƣu, tuyến tính hóa phản hồi và điều khiển mờ, mạng
nơ ron đã đƣợc công bố trong mấy chục năm gần đây.
Đối với động cơ một chiều, việc điều khiển đƣợc cách ly hoàn toàn hai thành
phần tạo từ thông và mô men quay thông qua điều chỉnh dịng kích từ và dịng điện
phần ứng. Do đó, trong phát triển các phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều
các nhà nghiên cứu trên thế giới đều hƣớng tới việc tách biệt hai thành phần từ
thông và mơ men. Đối với động cơ xoay chiều thì việc điều chỉnh tách biệt hai
thành phần từ thông và mơ men cũng gặp một số khó khăn do khơng phải lúc nào
cũng tách biệt đƣợc hoàn toàn hai thành phần này trong quá trình hoạt động nhƣ khi
tốc độ động cơ tăng hoặc giảm và khi hệ thống làm việc ở vùng suy giảm từ
thông… Nhƣng bằng những phƣơng pháp điều khiển mới ta có thể thực hiện điều
khiển động cơ theo hƣớng này trở nên dễ dàng hơn.
Việc điều khiển động cơ xoay chiều cịn có một số trở ngại nhƣ hai thành phần
dịng rotor hoặc từ thơng không phải lúc nào cũng đo đƣợc trực tiếp hay nhƣ tồn tại
một số tham số bất định trong mô hình hệ thống nhƣ điện trở rotor, tải, hệ số ma sát

thay đổi trong quá trình hoạt động.

5


Nhƣ vậy vấn đề đặt ra là:
1 - Xây dựng thuật tốn ƣớc lƣợng tốc độ rotor và từ thơng rotor động cơ một
cách chính xác, tiết kiệm chi phí.
2 - Phát triển các thuật toán điều khiển với động cơ xoay chiều khi tồn tại các
tham số bất định.
3 - Thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ thông minh trên các công nghệ chế
tạo vi mạch điều khiển mới.
Nếu mơ hình động cơ xoay chiều ba pha đƣợc xây dựng trên hệ tọa độ cố định
(α,β) sẽ khó phát huy đƣợc khả năng điều khiển độc lập hai thành phần dịng tạo từ
thơng và dịng tạo mơ men quay nhƣ động cơ điện một chiều, nhƣng nó lại là mơ
hình tuyến tính và rất thuận lợi cho tổng hợp bộ điều khiển.
Nếu mơ hình động cơ xoay chiều ba pha đƣợc xây dựng trên hệ tọa độ quay
(d,q) sẽ cho phép điều khiển độc lập hai thành phần dịng tạo từ thơng và dịng tạo
mơ men quay. Khi đó thành phần từ thơng sẽ đƣợc giữ khơng đổi thì ta thu đƣợc
mối quan hệ tuyến tính giữa biến điều khiển và tốc độ của động cơ. Ta có thể chủ
động điều khiển tốc độ động cơ với các thông số bất định và tải thay đổi trong quá
trình hoạt động, lúc này hệ phƣơng trình động lực học là hệ phi tuyến.
Thiết kế các bộ điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến tốc độ, ta có thể
xây dựng các bộ ƣớc lƣợng các thơng số của động cơ nhƣ: tốc độ động cơ, hằng số
thời gian rotor, từ thơng rotor. Độ chính xác của các thơng số ƣớc lƣợng phụ thuộc
vào thuật tốn ƣớc lƣợng đƣợc sử dụng.
1.2 Tổng quan về phƣơng pháp điều khiển động cơ xoay chiều
Tình hình nghiên cứu trong nƣớc:
Ở Việt Nam vấn đề điều khiển tốc độ động cơ cũng đƣợc quan tâm nhiều
trong hai thập kỷ gần đây. Một số nghiên cứu tập trung vào phát triển phƣơng pháp

điều khiển động cơ không đồng bộ nhƣ sử dụng phƣơng pháp điều khiển tuyến tính

6


hóa chính xác mơ hình trạng thái gián đoạn có cấu trúc bilinear để khắc phục tính
phí tuyến trong mơ hình gây ra bởi tích giữa các biến trạng thái và biến đầu vào [4].
Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp mô men động cơ không đồng bộ sử dụng
biến tần kiểu ma trận. Cấu trúc điều khiển mô men trực tiếp – biến tần ma trận có
bộ điều chỉnh ngƣỡng, đặc trƣng của DTC có năm mức so sánh thay vì chỉ có hai
hay ba mức ở DTC thơng thƣờng đảm bảo hiệu quả cao với độ đập mạch mô men
thấp, kể cả ở vùng tốc độ thấp khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của phƣơng pháp DTC
sử dụng với các biến tần trên cơ sở các bộ nghịch lƣu nguồn áp [7].
Bộ điều khiển trƣợt xây dựng trên hệ tọa độ cố định (α,β), trong đó từ thơng
rotor và mơ men động cơ không đồng bộ ba pha đƣợc điều khiển quanh giá trị đặt
bởi bộ điều khiển trƣợt nhiều đầu vào – nhiều đầu ra cho phép đáp ứng nhanh từ
thông và mô men, cho phép loại bỏ ảnh hƣởng của sai số mơ hình và tốc độ đƣợc
chỉnh định bằng bộ điều khiển PID. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có chất
lƣợng điều khiển tốt và bền vững với các sai số mơ hình [8].
Hệ thống điều khiển động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc sử dụng nguyên
lý lọc Kalman đƣợc xây dựng dựa trên phƣơng pháp tựa từ thơng rotor với cấu trúc
có tách kênh. Bộ lọc Kalman thứ nhất sẽ ƣớc lƣợng từ thơng rotor. Sau đó tốc độ
quay của động cơ sẽ đƣợc bộ lọc Kalman thứ 2 ƣớc lƣợng dựa trên giá trị từ thông
thu đƣợc ở trên. Hệ thống hoạt động ổn định, độ chính xác của ƣớc lƣợng từ thơng
và tốc độ quay khá tốt ở q trình đóng tải và đảo chiều [9].
Mơ hình dịng điện của động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ (d,q) đƣợc
tuyến tính hóa chính xác, cho phép tách kênh trực tiếp hai thành phần dịng điện
theo trục d tạo từ thơng và trục q tạo mô men quay. Trong cấu trúc điều khiển, thuật
toán của bộ lọc Kalman đƣợc áp dụng để quan sát từ thơng rotor và sau đó đƣợc mở
rộng để nhận dạng hằng số thời gian rotor xét đến sự thay đổi của nó trong q trình

hoạt động [6].

7


Ngồi ra vấn đề xây dựng mơ hình thử nghiệm trƣớc khi sản xuất dòng sản
phẩm thƣơng mại cũng đƣợc quan tâm. Mục đích xây dựng mơ hình thử nghiêm là
để kiểm chứng các phƣơng pháp điều khiển đã đề xuất để áp dụng trong thực tế [5].
Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc:
Trong điều khiển động cơ xoay chiều, việc tìm ra đƣợc phƣơng pháp điều
khiển phù hợp đóng một vai trò rất quan trọng. Phƣơng pháp điều khiển vừa phải
đảm bảo hệ thống chạy ổn định vừa phải đảm bảo khả năng triển khai ứng dụng
trong thực tế đƣợc dễ dàng. Các phƣơng pháp điều khiển đƣợc xây dựng theo tần số
có thể khái quát nhƣ sau [16][17]:
Điều khiển động cơ xoay chiều

Điều khiển véc tơ

Điều khiển vô hƣớng

U/f = const

is=f(ωr)
Dịng stator

Điều khiển tựa
từ thơng

Tựa từ thơng
rotor RFO

Trực tiếp
DRFO

Tựa từ thông
stator SFO

Điều khiển trực
tiếp mô men DTC

Circular flux
trajectory

Hexagonal
flux trajectory

Tựa từ thơng tự
nhiên NFO

Gián tiếp
IRFO

Hình 1.1 Các phƣơng pháp điều khiển động cơ cảm ứng theo tần số

Phƣơng pháp điều khiển vơ hƣớng là điều khiển vịng hở điện áp/tần số. Đây
là phƣơng pháp điều khiển phổ biến nhất để điều khiển tốc độ bởi tính đơn giản của
nó. Phƣơng pháp dựa trên điều khiển tần số stator. Mục tiêu là điều khiển tốc độ
động cơ trong khi duy trì biên độ của từ thông stator là hằng số. Kết quả là khả năng

8

duy trì mơ men/dịng điện tại bất cứ tốc độ nào. Bằng cách bỏ qua sự thay đổi giá trị
điện trở stator, từ thông stator đƣợc giữ là hằng số [54]:

s 

Us

(1.1)

s

Các nghiên cứu trƣớc đó giả thiết rằng tốc độ rotor ω xấp xỉ tốc đồ động bộ ωs
(tốc độ trƣợt ωe đƣợc bỏ qua). Đối với điều khiển tốc độ, tốc độ tham chiếu đƣợc
đặt và điện áp stator Us đƣợc ƣớc tính để duy trì từ thơng stator mong muốn. Tích
phân tốc độ tham chiếu ωs cho ta góc của điện áp ϑs. Cuối cùng véc tơ không gian
đƣợc biểu diễn bởi Us và ϑs đƣợc sử dụng nhƣ điều áp điều khiển đối với biến tần 3
pha và cung cấp năng lƣợng cho động cơ. Thuật tốn điều khiển khơng cần thơng
tin về tốc độ góc hay vị trí của rotor. Mơ hình động cơ chỉ đƣợc xem xét đối với chế
độ tĩnh. Do vậy phƣơng pháp này hoạt động không tốt khi động cơ thay đổi tốc độ
trong quá trình hoạt động. Điều khiển động cơ cảm ứng theo phƣơng pháp điều
khiển vô hƣớng điện áp trên tần số đƣợc sử dụng trong các ứng dụng địi hỏi độ
chính xác khơng cao nhƣ là điều khiển quạt, máy bơm hay các thang máy đơn giản.
Một số nghiên cứu đƣợc thực hiện nhằm cải tiến phƣơng pháp điều khiển vô
hƣớng bằng cách xem xét đến ảnh hƣởng của điện trở stator và tốc độ trƣợt. Để bù
điện trở stator, một điện áp bù đƣợc thêm vào điện áp stator. Điều này giúp điều
khiển tốt tại tốc độ thấp, bởi vì điện trở stator tiêu thụ một lƣợng lớn điện áp stator.
Để bù tốc độ trƣợt ωe ta phải ƣớc lƣợng bằng cách sử dụng các công thức mơ hình
và đƣợc thêm vào thành phần tích phân của góc điện áp.

Trong nhiều nghiên cứu gần đây, điều khiển động cơ cảm ứng ba pha là dựa
trên điều khiển véc tơ. Điều khiển véc tơ giúp điều khiển hiệu suất cao cho động cơ
xoay chiều. Đối với các động cơ sử dụng trong cơng nghiệp địi hỏi đáp ứng nhanh
mơ men, điều khiển trơn trên tồn dải tồn tốc độ, tốc độ gần bằng 0, gia tốc và
giảm tốc nhanh thì phƣơng pháp điều khiển tựa từ thơng và điều khiển trực tiếp mô
men là hai phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay.

9


Trong phƣơng pháp điều khiển tựa từ thông (Field Oriented Control - FOC)
có hai hƣớng chính là tựa từ thơng rotor và tựa từ thơng stator. FOC có thể cho phép
điều khiển tách kênh thành phần liên kết từ thông kích từ và dịng điện sinh ra mơ
men. Tuy nhiên chỉ có điều khiển tựa từ thơng rotor cho phép tách kênh hoàn toàn.
Ở động cơ một chiều, khi bỏ qua phản ứng phần ứng và sự bão hịa, mơ men
có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau [54]:
mM  K r is

(1.2)

trong đó K là một hằng số. Mơ men động cơ đƣợc điều khiển bằng dịng điện
is, từ thơng ψr .
Động cơ xoay chiều thể hiện sự hoạt động tƣơng tự nhƣ động cơ một chiều khi
ta quan sát nó trên khung tham chiếu quay gắn với từ thơng rotor. Dịng điện từ
thơng id và dịng mơ men iq biểu diễn nhƣ là các thông số động cơ một chiều trên
trạng thái cố định, trực giao và tách kênh. Do vậy, các dịng điện mơ men và từ
thơng có thể điều khiển độc lập để đạt đƣợc sự tạo mô men giống nhƣ cách thức
trong động cơ một chiều. Điều khiển mơ men một cách chính xác có hai u cầu
tiên quyết:
- Điều khiển chính xác các dịng điện id và iq.

- Ƣớc lƣợng chính xác góc từ thơng rotor ϑs để có thể chuyển đổi các biến từ
hệ trục tọa độ cố định sang hệ trục tọa độ quay.
Yêu cầu đầu có thể dễ dàng đạt đƣợc. Các bộ điều khiển PI kinh điển là giải
pháp phổ biến và có các kết quả thực nghiệm tốt. Các phƣơng pháp điều khiển khác
có thể đƣợc sử dụng nhƣ điều khiển logic mờ, chế độ trƣợt …
Yêu cầu thứ 2 về ƣớc lƣợng góc từ thơng rotor ϑs dựa trên các cơng thức của
mơ hình có thể thực thi bằng hai cách theo hƣớng từ thông trực tiếp DRFO hoặc
theo hƣớng từ thông gián tiếp IRFO.
Tùy thuộc vào phƣơng pháp xác định từ thơng rotor mà FOC có thể đƣợc chia
thành hai hƣớng: một là trực tiếp đƣa ra bởi F. Blaschke (1972), hai là gián tiếp đƣa

10


ra bởi K. Hasse (1969). Nội dung chủ yếu là dựa trên hệ trục tọa độ trùng véc tơ từ
thông rotor để đảm bảo từ thông và mô men là riêng rẽ. Tuy nhiên, mơ hình tốn
học của động cơ là phi tuyến, chỉ phân kênh khi từ thông là hằng số.
Phƣơng pháp DRFO tính tốn góc từ thơng rotor dựa trên các hình chiếu của
véc tơ từ thơng trên hệ trục tọa độ cố định. Bộ quan sát dựa trên mơ hình đƣợc sử
dụng để ƣớc lƣợng các thành phần ψrα và ψrβ. Mơ hình bộ điều khiển DRFO nhƣ
Hình 1.2.
Từ thơng
mong muốn

Bộ điều
khiển tựa từ
thơng rotor

Mơ men
mong muốn

us

Bộ điều
khiển
PWM

usu
usv

Động cơ

mL

usw
is

s

us
Cảm biến
tốc độ

Từ thơng đƣợc đo
hoặc ƣớc lƣợng


Hình 1.2 Mơ hình điều khiển trực tiếp tựa từ thơng DRFO

Góc của véc tơ từ thông là:

  r 

  r 

s  arctan 

(1.3)

Phƣơng pháp IRFO thể hiện dựa trên phƣơng trình (1.3). Các số hạng bên tay
phải trong phƣơng trình (1.4) là tốc độ rotor và tốc độ trƣợt.

s    e
e 

(1.4)

Lmisq

(1.5)

Tr rd

Tích phân tốc độ đồng bộ ta sẽ đƣợc góc ϑs mong muốn. Phƣơng pháp này yêu
cầu ƣớc lƣợng chính xác tốc độ rotor và hằng số thời gian rotor. Hơn nữa, tích phân

11