Cải thiện chất lượng truyền động điện động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở vùng trên tốc độ đồng bộ bằng phương pháp điều khiển phi tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
 ∗ 

ĐINH ANH TUẤN

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC Ở VÙNG TRÊN TỐC ĐỘ
ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
 ∗ 

ĐINH ANH TUẤN

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC Ở VÙNG TRÊN TỐC ĐỘ
ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
Chuyên ngành:

Thiết bị và hệ thống điều khiển tự động

Mã số:

62.52.60.10

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG
PGS.TS. PHẠM NGỌC TIỆP

HÀ NỘI – 2012


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành và lòng kính trọng đối với các thầy
hướng dẫn: GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS. Phạm Ngọc Tiệp bởi những chỉ
dẫn quý báu về phương pháp luận và định hướng nghiên cứu để luận án được hoàn thành.
Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn đối với Trung tâm nghiên cứu và triển khai công nghệ
cao – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và
thời gian để tác giả hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học và các đồng nghiệp đã phản biện, lý
luận, đóng góp các ý kiến xây dựng và trao đổi về các vấn đề lý thuyết cũng như thực tiễn
để luận án được hoàn thiện.
Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình và người thân đã luôn
chia sẻ, gánh đỡ những khó khăn cũng như dành những tình cảm và là nguồn cổ vũ, động
viên tinh thần không thể thiếu đối với tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận án này.


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và không trùng
lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu trình bày trong luận án đã được

kiểm tra kỹ và phản ánh hoàn toàn trung thực. Các kết quả nghiên cứu do tác giả đề xuất
chưa từng được công bố trên bất kỳ tạp chí nào đến thời điểm này ngoài những công trình
của tác giả.
Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 2012
Tác giả luận án

Đinh Anh Tuấn


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN
ÁN

[1]

Đinh Anh Tuấn, Nguyễn Phùng Quang (2010), Cải thiện chất lượng truyền động
không đồng bộ bằng cấu trúc tách kênh trực tiếp, sử dụng Kalman Filter để quan
sát từ thông, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, tr.56-61, Các Trường ĐH Kỹ Thuật.

[2]

Đinh Anh Tuấn, Nguyễn Phùng Quang, Phạm Ngọc Tiệp (2010), Cải thiện chất
lượng truyền động không đồng bộ trong các cơ cấu chấp hành có hiện tượng bão
hòa từ, Hội nghị cơ điện tử 2010, 24-25/10/2010, ĐH Bách Khoa TP. HCM.

[3]

Tuan D.A, Quang N.P and Duc L.M (2010), A New and Effective Controller for
Induction Motors applying Direct-Decoupling Methodology based on Exact
Linearization Algorithm and Adaptive Backstepping Technology, International
Conference on Control, Automation and Systems 2010, pp.1941-1945, Oct. 27-30,

2010 in KINTEX, Gyeonggi-do, Korea

[4]

Tuan D.A, Quang N.P and Quan D.M (2011), A New and Effective Controller for
Induction Motors applying Direct-Decoupling Methodology based on Exact
Linearization Algorithm and Kalman Filter, Ship Power Plants: Sc.-Tech. Col. 2011.- No 28. Odessa National Maritime Academy.


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN
ÁN

[1]

Cải thiện chất lượng truyền động không đồng bộ bằng cấu trúc tách kênh trực tiếp,
sử dụng Kalman Filter để quan sát từ thông, Tạp chí Khoa học và Công nghệ,
tr.56-61, Các Trường ĐH Kỹ Thuật, 2010

[2]

Cải thiện chất lượng truyền động không đồng bộ trong các cơ cấu chấp hành có
hiện tượng bão hòa từ, Hội nghị cơ điện tử 2010, 24-25/10/2010, ĐH Bách Khoa
TP. HCM.

[3]

A New and Effective Controller for Induction Motors applying Direct-Decoupling
Methodology based on Exact Linearization Algorithm and Adaptive Backstepping
Technology, International Conference on Control, Automation and Systems 2010,
pp.1941-1945, Oct. 27-30, 2010 in KINTEX, Gyeonggi-do, Korea

[4]

A New and Effective Controller for Induction Motors applying Direct-Decoupling
Methodology based on Exact Linearization Algorithm and Kalman Filter, Ship
Power Plants: Sc.-Tech. Col. - 2011.- No 28. Odessa National Maritime Academy.


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................ 3
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ..................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 10
1 TỔNG QUAN .................................................................................................................. 14
1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................. 14
1.2 Tổng quan các phương pháp điều khiển động cơ KĐB, các vấn đề còn tồn tại và
cần tiếp tục nghiên cứu ................................................................................................ 16
2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR LỒNG SÓC .......... 23
2.1 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ không xét đến hiện tượng bão hòa từ thông
..................................................................................................................................... 23
2.2 Mô hình hóa động cơ không đồng bộ có xét đến hiện tượng bão hòa từ thông .... 26
2.2.1 Thành lập các phương trình từ thông stator và rotor .................................. 28
2.2.2 Định nghĩa tham số đặc trưng cho hiện tượng bão hòa từ của động cơ ..... 29
2.2.3 Thành lập mô hình điều khiển cho động cơ không đồng bộ có xét đến hiện
tượng bão hòa từ thông ........................................................................................ 30
3 TUYẾN TÍNH HÓA CHÍNH XÁC VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ADAPTIVE
BACKSTEPPING ............................................................................................................... 36
3.1 Tổng quan về phương pháp tuyến tính hóa chính xác hệ phi tuyến ...................... 36
3.1.1 Ý tưởng tuyến tính hoá chính xác .............................................................. 36

3.1.2 Vector bậc tương đối của hệ thống phi tuyến MIMO vuông ..................... 37
3.1.3 Tuyến tính hoá chính xác quan hệ vào/ra đối tượng phi tuyến MIMO ...... 37
3.1.4 Tuyến tính hóa chính xác và gán điểm cực ................................................ 40
3.2 Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp cuốn chiếu - Backstepping.................. 41
3.2.1 Khái quát về lý thuyết ổn định Lyapunov .................................................. 41
3.2.2 Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh cuốn chiếu - Backstepping................ 43
3.3 Khả năng tách kênh trực tiếp mô hình dòng động cơ KĐB .................................. 45
3.3.1 Khả năng tuyến tính hoá chính xác mô hình dòng động cơ KĐB có xét đến
hiện tượng bão hòa từ thông ................................................................................ 45
3.3.2 Tách kênh trực tiếp và thực hiện điều khiển gán điểm cực mô hình dòng
động cơ KĐB ....................................................................................................... 50
3.4 Tuyến tính hóa chính xác thích nghi ..................................................................... 52
3.4.1 Tuyến tính hóa chính xác thích nghi bằng bộ điều khiển bù thành phần bất
định ...................................................................................................................... 52

1


3.4.2 Tuyến tính hóa chính xác thích nghi mô hình dòng động cơ KĐB ............ 54
4 THIẾT KẾ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO DÒNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ............................................................................................................ 57
4.1 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng Lyapunov iµd, iµq miền liên tục ............................. 58
4.2 Đưa thêm thành phần tích phân vào bộ điều khiển dòng Lyapunov để khử sai lệch
tĩnh ............................................................................................................................... 59
4.3 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho thành phần iµd, iµq ................................ 61
4.4 Quan sát từ thông rotor .......................................................................................... 68
4.4.1 Vai trò của tính toán chính xác giá trị từ thông rotor ................................. 68
4.4.2 Quan sát từ thông rotor động cơ KĐB sử dụng bộ lọc Kalman ................. 68
4.5 Thiết kế các bộ điều chỉnh vòng ngoài .................................................................. 71
5 HỆ THỐNG MÔ PHỎNG, THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ............................................. 74

5.1 Hệ thống mô phỏng ............................................................................................... 74
5.2 Hệ thống thí nghiệm .............................................................................................. 75
5.3 Kết quả mô phỏng và thí nghiệm .......................................................................... 76
5.3.1 Khởi động, đảo chiều động cơ với tải thay đổi .......................................... 76
5.3.2 Mômen tối đa và từ thông tối ưu ................................................................ 86
5.3.3 Các kết quả thí nghiệm ............................................................................... 92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 101
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 105
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 106

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ω s , ωr

Tốc độ góc của các vector thuộc mạch điện stator, rotor

ω

Tốc độ góc cơ học của rotor

is

Vector dòng stator

isd , isq , isα , isβ

Các thành phần của vector dòng stator trên hệ tọa độ dq và αβ

ir

Vector dòng rotor

ird , irq , irα , ir β

Các thành phần của vector dòng rotor trên hệ tọa độ dq và αβ

iµ

Vector dòng từ hóa

iµ d , iµ q , iµα , iµβ

Các thành phần của vector dòng từ hóa trên hệ tọa độ dq và αβ

Ψ

Vector từ thông móc vòng chính

ψ d ,ψ q

Các thành phần của vector từ thông móc vòng chính trên hệ tọa độ dq

ψ d 0 ,ψ q 0
Ψs

Các thành phần của vector từ thông móc vòng chính ban đầu trên hệ tọa

độ dq
Vector từ thông stator

ψ sd ,ψ sq

Các thành phần của vector từ thông stator trên hệ tọa độ dq

Ψr

Vector từ thông rotor

Ψσ s , Ψσ r

Vector từ thông tản phía stator và rotor

ψ rd ,ψ rq

Các thành phần của vector từ thông stator trên hệ tọa độ dq

us

Vector điện áp stator

usd , usq

Các thành phần của vector điện áp stator trên hệ tọa độ dq

Α

Ma trận hệ thống

Β

Ma trận đầu vào

Ν

Ma trận tương tác phi tuyến

u

Vector biến đầu vào

x

Vector biến trạng thái

y

Vector biến đầu ra

r

Vector bậc tương đối

L ( x)

Ma trận tách kênh

Lm

Hỗ cảm giữa stator và rotor

Lm ,0 , Lm , sat

Hỗ cảm vùng tuyến tính và vùng bão hòa

Ls , Lr

Điện cảm stator và rotor

Lσ s , Lσ r

Điện cảm tản phía stator và rotor

3


Md , Mq

Các thành phần hỗ cảm dọc trục d, q

M dq

Thành phần hỗ cảm ngang trục giữa d và q

Rs , Rr
k ; kr nr , ks ns

Điện trở stator và rotor

Các thông số đặc trưng cho tỷ lệ của các thành phần dòng i s ; i r trong i µ

m

Tham số từ trường tĩnh

σ
zp

Hệ số từ tản toàn phần

mM , mT

Mômen quay của động cơ, mômen tải

J

Mômen quán tính cơ

KĐB

Không đồng bộ

TTHCX
ĐCVTKG
ĐCD
ĐC
TTR
ĐLĐK
ĐK

QS
PI
FRT
RTI
GAS
MIMO
PC
ISA
DSP
IGBT

Tuyến tính hóa chính xác
Điều chế vector không gian
Điều chỉnh dòng
Điều chỉnh
Từ thông rotor
Đại lượng điều khiển
Điều khiển
Quan sát
Proportional–integral controller
Finite respone time
Real time interface
Globally asymptotically stable
Multi-Input – Multi-Output
Personal computer
Integrated Systems Architecture
Digital signal processor
Insulated gate bipolar transistor

Số cặp cực

4


DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 6.1

Các chân nối incremental encoder được sử dụng trên card
DSPace1103.

113

Bảng 6.2

Các chân nối PWM cho ba pha được sử dụng trên card DSPace1103

113

Bảng 6.3

Các chân nối ADC cho điện áp DC và mômen được sử dụng trên
card DSPace1103.

113

Bảng 6.4

Các chân nối ADC cho dòng điện ba pha được sử dụng trên card

DSPace1103.

114

Bảng 6.5

Các chân nối PWM cho phanh được sử dụng trên card DSPace1103.

114

Bảng 6.6

Các chân nối I/O cho các đầu vào/ra số được sử dụng trên card
DSPace1103.

114

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Trang
Hình 1.1

Khái quát về các phương pháp thiết kế ĐK vector dòng i s

19

Hình 1.2

Khái quát về các công trình nghiên cứu sử dụng mô hình có bão
hòa từ (tham số phi tuyến)

21

Hình 2.1

Biểu diễn vector dòng stator i s trên hệ tọa độ βα và dq

23

Hình 2.2

a) Sơ đồ thay thế tương đương dạng chữ T của động cơ KĐB b)
Dạng hàm xấp xỉ của đường đặc tính từ hóa

27

Hình 2.3

Biểu diễn vector dòng từ hóa i µ trên hệ tọa độ βα và dq

28

Hình 2.4

Sơ đồ thay thế tương đương dạng chữ T của động cơ KĐB minh
họa hiện tượng bão hòa từ thông
Mô hình tính iµ d , iµ q trong Matlab/Simulink từ isd , isq và ψ rd với

ψ rq = 0

31

Hình 2.6

Đặc điểm phi tuyến của mô hình động cơ KĐB trên hệ tọa độ dq

34

Hình 3.1

Hệ tuyến tính với vector trạng thái và đầu vào mới

36

Hình 3.4

Mô hình cấu trúc điều khiển tuyến tính hóa chính xác thích nghi

54

Hình 4.1

Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh dòng sử dụng phương pháp tách kênh
gián tiếp (a) và tách kênh trực tiếp (b)

57

Hình 4.2

Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping cho mô
hình có xét tới hiện tượng bão hòa từ thông của động cơ KĐB

65

Hình 4.3

Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping cho mô
hình kinh điển của động cơ KĐB

67

Hình 4.4

Sơ đồ cấu trúc truyền động động cơ KĐB sử dụng bộ điều chỉnh
dòng Adaptive Backstepping thiết kế trên cơ sở mô hình động cơ
có xét tới bão hòa từ thông

67

Hình 4.5

Cấu trúc bộ lọc Kalman trong hệ thống quan sát từ thông rotor

69

Hình 4.6

Bộ điều khiển PI có chức năng anti - windup

72

Hình 5.1

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống thí nghiệm

76

Hình 5.2

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi không
tải

77

Hình 5.3

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi tải 30%

78

Hình 5.4

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

78

Hình 2.5

6

31


Adaptive Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi tải 60%
Hình 5.5

Đặc tính mômen điện từ của động cơ với mô hình từ thông bão
hòa trường hợp đóng và ngắt tải 100% sau khi khởi động không
tải

79

Hình 5.6

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi đóng tải
100% tại thời điểm 0,6s và ngắt tải tại thời điểm 1,2s

79

Hình 5.7

Đáp ứng từ thông ψ rd với bộ điều chỉnh dòng Adaptive
Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi không tải (a), khi
tải 30% (b), khi tải 60% (c) và khi đóng tải 100% tại thời điểm
0,6s và ngắt tải tại thời điểm 1,2s (d)

80

Hình 5.8

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi không tải

81

Hình 5.9

Đáp ứng dòng iµ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi không tải

81

Hình 5.10

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi tải 60%

82

Hình 5.11

Đáp ứng dòng iµ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi tải 60%

82

Hình 5.12

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi tải 100%

83

Hình 5.13

Đáp ứng dòng iµ của hệ thống trong trường hợpbộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi tải 100%

83

Hình 5.14

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi đóng tải 100% tại thời điểm 0,6s và
ngắt tải tại thời điểm 1s

84

Hình 5.15

Đáp ứng dòng iµ của hệ thống trong trường hợpbộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi đóng tải 100% tại thời điểm 0,6s và
ngắt tải tại thời điểm 1s

84

Hình 5.16

Đáp ứng từ thông ψ rd với bộ điều chỉnh dòng Adaptive
Backstepping với mô hình từ thông bão hòa khi không tải (a), khi
tải 60% (b), khi tải 100% (c) và khi đóng tải 100% tại thời điểm
0,6s và ngắt tải tại thời điểm 1s (d)

85

Hình 5.17

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping

86

Hình 5.18

Đáp ứng từ thông ψ rd với bộ điều chỉnh dòng Adaptive
Backstepping

87

Hình 5.19

Đặc tính mômen điện từ của động cơ

87

Hình 5.20

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh

88

7


Adaptive Backstepping
Hình 5.21

Đáp ứng từ thông ψ rd với bộ điều chỉnh dòng Adaptive
Backstepping

89

Hình 5.22

Đặc tính mômen điện từ của động cơ

89

Hình 5.23

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh FRT

90

Hình 5.24

Đáp ứng từ thông ψ rd với bộ điều chỉnh dòng FRT khi có xung
nhiễu tác động ở giây thứ 0,6 ÷ 0,65

90

Hình 5.25

Đáp ứng tốc độ của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi có xung nhiễu tác động ở giây thứ 0,6
÷ 0,65

91

Hình 5.26

Đáp ứng từ thông ψ rd với bộ điều chỉnh dòng Adaptive
Backstepping khi có xung nhiễu tác động ở giây thứ 0,6 ÷ 0,65

91

Hình 5.27

Đáp ứng dòng stator của hệ thống trong trường hợp bộ điều chỉnh
Adaptive Backstepping khi có xung nhiễu tác động ở giây thứ 0,6
÷ 0,65

92

Hình 5.28

Một số panel thiết bị trên phần mềm Control Desk để cấu hình cho
các trường hợp thí nghiệm của hệ thống, a) trường hợp gia tốc; b)

93

trường hợp hãm và đảo chiều

Hình 5.29

Kết quả thực nghiệm của đáp ứng tốc độ với bộ điều chỉnh dòng
Adaptive Backstepping

94

Hình 5.30

Kết quả thực nghiệm của đáp ứng từ thông

94

Hình 5.31

Kết quả thực nghiệm của đáp ứng tốc độ với bộ điều chỉnh dòng
Adaptive Backstepping thiết kế trên mô hình cấu trúc mới

95

Hình 5.32

Kết quả thực nghiệm của đáp ứng từ thông

96

Hình 5.33

Kết quả thực nghiệm của đáp ứng dòng từ hóa

96

Hình 6.1

Động cơ KĐB của Siemens, Model: 1PH7103-2HF00-0BA0

106

Hình 6.2

Mặt ngoài của đầu nối incremental encoder 6FX2003-0CE12

106

Hình 6.3

Mô hình tổng thể của hệ thống trên Matlab/Simulink/Plecs

107

Hình 6.4

Mô hình động cơ
Matlab/Simulink/Plecs

Hình 6.5

Bộ điều chỉnh vòng ngoài từ thông và tố độ trên Matlab/Simulink

108

Hình 6.6

Mô hình bộ quan sát từ thông trên Matlab/Simulink

109

Hình 6.7

Bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping và mô hình tác kênh
trực tiếp cho động cơ không bão hòa từ thông trên
Matlab/Simulink

109

Hình 6.8

Bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping và mô hình tác kênh
trực tiếp cho động cơ có bão hòa từ thông trên Matlab/Simulink

110

Hình 6.9

Bộ điều chỉnh dòng Adaptive Backstepping trên Matlab/Simulink

110

KĐB

có

8

bão

hòa

từ

thông

trên

108


Hình 6.10

Mô hình tính toán các tham số của hiện tượng bão hòa từ thông
trên Matlab/Simulink

111

Hình 6.11

Mặt ngoài của đầu nối động cơ tải sử dụng connector size 1,5

111

Hình 6.12

Hình ảnh Card DS1103

112

Hình 6.13

Cấu trúc kết nối giữa Matlab/Simulink, Control Desk và DS1103

112

Hình 6.14

Mô hình tổng thể hệ thống thí nghiệm bao gồm bao gồm: (1)
Induction motor 5.5 KW, 1450 rpm; (2) PC/Matlab/Simulink +
Card DS1103; (3) Mạch công suất: Baumüller BUS623; (4) Tải:
Drive REFU500 + Synchronous motor 5.5 KW, 1500 rpm.

115

Hình 6.15

Module giao diện giữa DS1103 với thiết bị ngoại vi

115

Hình 6.16

Phần động lực và khối điện tử công suất Baumüller BUS623

115

9


MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài:
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ trong các lĩnh vực công
nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu mới và công nghệ thông tin là sự lớn mạnh của các ngành
công nghiệp nhằm khai thác và cung cấp các sản phẩm, dịch vụ có chất lượng tốt nhất với
giá thành hạ tới người sử dụng. Kinh nghiệm của các nước phát triển cho thấy việc áp dụng
khoa học và công nghệ trong cải tiến, tạo ra các sản phẩm mới cũng như việc nâng cao chất
lượng, giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm, dịch vụ có ý nghĩa sống còn đối với
mỗi nhà sản xuất nhưng ngược lại cũng đòi hỏi khoa học và công nghệ phải luôn đi trước
một bước, đáp ứng được yêu cầu phát triển của nhà sản xuất nói riêng và của xã hội nói
chung.
Cho đến nay, lĩnh vực điều chỉnh tự động truyền động điện xoay chiều ba pha đã đi qua
một chặng đường dài. Các kết quả nghiên cứu rất đa dạng, phong phú và dần đi đến mức
độ hoàn thiện cao. Tuy nhiên, điều đó cũng không làm xu hướng tập trung nghiên cứu vào
lĩnh vực này giảm sút bởi các lý do sau đây: các công cụ toán học mới liên tục được ra đời;

các thiết bị phần cứng hỗ trợ cho điều khiển ngày một nâng cao về dung lượng bộ nhớ, tốc
độ xử lý, số lượng cổng giao tiếp vào/ra và nhu cầu đòi hỏi công việc thiết kế hệ thống tối
giản nhưng hiệu quả và chất lượng cao của các kỹ sư điều khiển tự động đặt ra... Theo trào
lưu đó, đề tài này được thực hiện nhằm tìm tòi, đóng góp một phương pháp mới khắc phục
một số những thiếu sót và hạn chế còn lại trong thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động truyền
động điện xoay chiều ba pha nhất là các hạn chế khi động cơ xảy ra hiện tượng bão hòa từ
thông Ψ , vận hành ở chế độ làm việc phi tuyến với điều kiện gia tốc nhanh, trên tốc độ
đồng bộ và bị giới hạn các giá trị dòng/áp. Trong đó, vấn đề điều khiển ổn định, nâng cao
chất lượng động học của động cơ không đồng bộ có phương trình động học chuyển được
về dạng tuyến tính hóa phản hồi trong các chế độ vận hành trên nhằm bám theo các hàm
mục tiêu cho trước với sai số tối ưu là một yêu cầu được đặt ra. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề
tài: “Cải thiện chất lượng truyền động điện động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở vùng
trên tốc độ đồng bộ bằng phương pháp điều khiển phi tuyến”.
Đối tượng nghiên cứu:
Động cơ điện không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc có các mối quan hệ cơ - điện - từ rất
phức tạp làm việc với bộ biến tần để điều chỉnh tốc độ.
Mục đích nghiên cứu:
Bài toán giải quyết vấn đề thiết kế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến với cấu trúc tách kênh trực tiếp
có xét đến bão hòa từ thông nhằm góp phần cải thiện chất lượng truyền động ở vùng trên

10


tốc độ đồng bộ trong các chế độ vận hành phi tuyến chính là mục đích nghiên cứu chính
của đề tài.
Phạm vi nghiên cứu:
Xây dựng mô hình động cơ KĐB có xét đến bão hòa từ thông và tổng hợp bộ điều khiển
theo phương pháp phi tuyến để cải thiện chất lượng của hệ thống ở vùng trên tốc độ đồng
bộ.

Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu của luận án thể hiện qua trình tự tiến hành công việc như sau:
1. Phân tích và xây dựng mô hình toán của động cơ KĐB có đầy đủ hai đặc điểm cấu trúc
phi tuyến và tham số phi tuyến.
2. Trên cơ sở mô hình thu được, tiến hành tổng hợp cấu trúc điều khiển phi tuyến phù hợp
hơn với chế độ vận hành phi tuyến.
3. Sau đó tiến hành kiểm chứng các cấu trúc thu ĐK được nhờ mô phỏng off-line trên nền
Matlab/Simulink và PLECS
4. Cuối cùng là bước kiểm chứng bằng thực nghiệm trên mô hình thật của động cơ bằng
Matlab/dSPACE/Baumüller
Ý nghĩa của đề tài:
Đã xây dựng được mô hình toán học của động cơ KĐB có cấu trúc phù hợp hơn với
trạng thái bão hòa từ thông trong toàn dải công tác.
Đã tổng hợp bộ điều khiển dòng backstepping thích nghi trên cơ sở cấu trúc có tách
kênh trực tiếp (bộ điều khiển phi tuyến) của mô hình mới khi có xét đến hiện tượng bão
hòa từ thông. Cho phép thiết kế các bộ điều chỉnh vòng ngoài là tốc độ, từ thông có chất
lượng tốt trong chế độ làm việc phi tuyến ở vùng tốc độ cao.
Đã thực hiện điều khiển động cơ KĐB có khả năng thích nghi tốt với nhiễu trên cơ sở
mô hình đã tuyến tính và tách kênh.
Ngoài ra, luận án đã giải quyết một số vấn đề khác liên quan đến việc hoàn thiện hệ
thống điều chỉnh trên cơ sở bộ điều chỉnh dòng mới của động cơ như các bộ điều chỉnh tốc
độ, từ thông có chức năng antireset wind-up; quan sát từ thông rotor bằng bộ lọc Kalman.
Những kết quả mới của luận án:
Đã xây dựng thành công mô hình toán học của động cơ KĐB mang đầy đủ hai đặc điểm
cấu trúc phi tuyến và tham số phi tuyến trên quan điểm sử dụng các biến trạng thái mới để
xét tới hiện tượng bão hòa từ thông.
Tác giả trình bày một phương pháp tổng hợp mới dựa trên ý tưởng tuyến tính hóa chính
xác và tách kênh trong các trường hợp bù tĩnh (luật điều khiển phản hồi tĩnh) và trường
hợp bù động (luật điều khiển thích nghi) mô hình phi tuyến của động cơ, từ đó xây dựng
các bộ điều chỉnh có chất lượng cao.

11


Đã áp dụng thành công các bộ điều khiển dòng Lyapunov, bộ điều khiển dòng adaptive
backstepping cho mô hình toán học mới. Trong khi đó các phương pháp điều khiển tuyến
tính hay phi tuyến cho đến nay mới chỉ xét đến đặc điểm “cấu trúc phi tuyến” mà chưa xét
đến đặc điểm “tham số phi tuyến”. Ngoài ra, trong quá trình thiết kế các bộ điều khiển còn
khảo sát đến cả các yếu tố nhiễu từ đó hình thành các giải pháp cải thiện chất lượng truyền
động của động cơ.
Đã vận dụng linh hoạt khâu quan sát từ thông rotor bằng bộ lọc Kalman trong cấu trúc
tách kênh mới của động cơ KĐB.
Bố cục của luận án được chia thành 5 chương:
Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề trong điều khiển động cơ KĐB như các
phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến và các cách thức xử lý các yếu tố phi tuyến
ảnh hưởng đến hệ thống, từ đó tổng hợp lại các vấn đề còn tồn tại cần tiếp tục nghiên cứu trong
phương án mô hình hóa động cơ, phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh dòng, từ thông và
tốc độ động cơ KĐB khi xét tới hiện tượng bão hòa từ thông.
Chương 2 trình bày chi tiết vấn đề mô hình hóa động cơ KĐB, các bài toán nảy sinh
cần giải quyết, nghiên cứu khi bỏ qua một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình mô tả toán
học. Mô hình hóa của động cơ được đề xuất là mô hình có xét tới hiện tượng bão hòa từ
thông với hai biến trạng thái mới iµ d , iµ q thay cho isd , isq . Không như nhiều công trình
khác ở đó xuất phát điểm là mô hình chuẩn điều khiển không bão hòa, trong luận án này
vấn đề bão hòa từ thông được xem xét ngay từ ban đầu và được coi như một yếu tố hiển
nhiên tồn tại trong động cơ để từ đó thiết lập lên mô hình động học có cấu trúc mới, nhưng
đáp ứng được yêu cầu về điều khiển tách kênh từ thông và mômen.
Chương 3, dựa trên phương pháp thiết kế tách kênh trực tiếp bao gồm cả tĩnh và động
khi xét tới yếu tố bất định, luận án đề xuất một số cơ sở toán học để hình thành phương
pháp mới theo hướng đơn giản và có khả năng ứng dụng – làm tiền đề phát triển các bộ
điều khiển ổn định tĩnh và động. Tác giả lần lượt giới thiệu phương pháp thiết kế phi tuyến

tách kênh trực tiếp có gán điểm cực, thích nghi; phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh
backstepping trên cơ sở tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Ngoài ra, chương 3 còn tiếp tục mở
rộng phương pháp thiết kế phi tuyến bộ điều khiển phản hồi trạng thái (tách kênh) cho đối
tượng động cơ KĐB trên cơ sở mô hình mới có xét tới hiện tượng bão hòa từ ở chương 2.
Trên cơ sở mô hình phi tuyến đã được tuyến tính hóa chính xác, tác giả tập trung vào giải
quyết một số vấn đề khác nhằm chứng minh tính khả thi của phương pháp trong phát triển
bộ điều khiển với thành phần bù tĩnh, bù động trong thuật toán tuyến tính hóa.
Chương 4 sử dụng các kết quả thu được ở chương 3 là đối tượng động cơ KĐB bão hòa
từ thông đã được tuyến tính hóa chính xác và tách kênh, tác giả đã vận dụng phương pháp
thiết kế backstepping để tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng iµ d , iµ q có tính đến bù sai lệch
tĩnh và thích nghi với nhiễu dao động phi tuyến. Bên cạnh đó để hoàn thiện hệ thống điều
chỉnh tác giả đã giải quyết các công việc còn lại bao gồm thiết kế các bộ điều chỉnh vòng

12


ngoài là từ thông và tốc độ đồng thời thực hiện quan sát từ thông rotor trên cơ sở bộ lọc
Kalman.
Chương 5 tác giả tập trung vào mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm trên
card DSP1103/BUS623 nhằm khẳng định kết quả nghiên cứu. Các phương án và tình
huống mô phỏng, thực nghiệm tập trung vào các chế độ làm việc ở vùng trên tốc độ đồng
bộ, các quá trình quá độ và chế độ làm việc phi tuyến của động cơ, để đánh giá khả năng
thích nghi và điều khiển bám của cấu trúc mới đề xuất. Bên cạnh đó các mô phỏng và thực
nghiệm cũng tập trung vào khảo sát các ảnh hưởng do nhiễu tác động. Phần cuối là kết
luận và kiến nghị của luận án, tiếp theo sau là Phụ lục bao gồm một số chứng minh, hình
vẽ, mô phỏng, hình ảnh mô hình thực nghiệm.

13

1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, chúng ta đều biết đến hiệu quả kinh tế cao và tiện lợi về kỹ thuật trong sử
dụng động cơ không đồng bộ ba pha trong cả ứng dụng công nghiệp lẫn dân dụng. Do
những ưu điểm quan trọng của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha mà việc ứng dụng
động cơ này vào thay thế dần các bài toán sử dụng động cơ điện một chiều là vấn đề cấp
thiết đặt ra. Chính vì lý do đó, mà hiện nay vấn đề xem xét khả năng sử dụng động cơ
không đồng bộ xoay chiều 3 pha trong hệ thống điều khiển đang sử dụng động cơ một
chiều rất phổ biến. Ví dụ: với bài toán điều khiển ổn định sức căng sử dụng động cơ điện
một chiều thì đã được ứng dụng rộng rãi và cho kết quả là rất tốt trong thực tế chính vì khả
năng điều khiển cách ly hoàn toàn hai thành phần tạo từ thông và mômen quay thông qua
điều chỉnh dòng kích từ và điện áp phần ứng. Đối với động cơ không đồng bộ xoay chiều 3
pha thì việc điều chỉnh tách biệt hai thành phần từ thông và mômen cũng còn gặp một số
hạn chế. Tuy nhiên, bằng những công cụ mới như phương pháp tách kênh trực tiếp, bộ
quan sát Kalman… ta có thể sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha thực hiện
nhiệm vụ điều khiển trở nên dễ dàng hơn.
Bài toán giải quyết hoàn hảo việc điều khiển động cơ KĐB vẫn không dừng lại mà nó
dần chuyển sang một hình thái khác, đó là xem xét động cơ trong những trường hợp đặc
biệt, khảo sát chất lượng trong các chế độ vận hành đặc thù và tìm ra những phẩm chất mới
trong điều khiển… Tuy nhiên, đối với động cơ KĐB thì trọng tâm của vấn đề điều khiển
nằm ở ba thách thức chính như sau:
• Mô hình động học của động cơ là phi tuyến trong đó: mô hình động cơ có đặc điểm là
phi tuyến cấu trúc và mô hình động cơ có đặc điểm phi tuyến cả tham số lẫn cấu trúc do
bão hòa từ gây nên.
• Hai biến trạng thái (các thành phần dòng rotor hoặc từ thông) không phải trong mọi
trường hợp ứng dụng đều có thể đo được bằng thiết bị vật lý;
• Điện trở rotor thay đổi theo nhiệt độ trong quá trình vận hành làm ảnh hưởng đến chất
lượng điều khiển tựa theo từ thông rotor.
Chính các yếu tố thử thách này làm cho động cơ KĐB trở thành sự lựa chọn thú vị và

được quan tâm đặc biệt trong vấn đề điều khiển. Hiện nay, cũng như nhiều đối tượng công
nghiệp khác động cơ điện xoay chiều ba pha nói chung và động cơ điện không đồng bộ
rotor lồng sóc nói riêng đã có mô hình tương đối chính xác và tường minh. Song phương
pháp mô hình hoá đối tượng trong hệ toạ độ nào? chọn biến trạng thái ra sao? isα , isβ ;
isd , isq hay iµ d , iµ q và xem xét đến yếu tố ảnh hưởng phi tuyến như thế nào? lại là một vấn

14


đề cần phải đặt ra và rất cần thiết cho nhiệm vụ thiết kế bộ điều khiển. Nếu chúng ta mô tả
động cơ không đồng bộ ba pha trên hệ toạ độ stator cố định thì sẽ khó phát huy được khả
năng điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông (dòng mạch điện kích từ) và
dòng tạo mômen quay (dòng mạch điện phần ứng) như đối với động cơ điện một chiều
nhưng nó lại là mô hình tuyến tính rất thuận lợi cho tổng hợp bộ điều khiển. Mặt khác, nếu
mô tả phương trình động học của động cơ trên hệ toạ độ quay cùng vector từ thông rotor
(hệ tọa độ từ thông rotor) thì cho phép điều khiển độc lập hai thành phần dòng tạo từ thông
và dòng tạo mômen quay, hay nói cách khác khi ta giữ cho từ thông không đổi thì sẽ được
mối quan hệ tuyến tính giữa biến điều khiển và tốc độ của động cơ, do đó có thể chủ động
trong việc điều khiển động cơ với các loại hình phụ tải khác nhau nhưng hệ phương trình
mô tả thu được lại là hệ phi tuyến. Tuy nhiên, hạn chế đó đã dần được giải quyết sáng tỏ,
bằng chứng là phương pháp mô tả hệ trên hệ toạ độ từ thông rotor đã đạt được tỷ trọng lớn
và đa số trong các thiết bị thương mại trên thị trường. Khi ứng dụng phương pháp này
người ta đã giả thiết các tham số ωs không đổi trong một chu kỳ trích mẫu và tuyến tính
hoá gần đúng trong một chu kỳ cho mô hình gián đoạn nghĩa là có hệ số hằng trong một
chu kỳ trích mẫu và hệ số hàm trong toàn dải. Nhưng trong chế độ vận hành phi tuyến của
động cơ, giả thiết như vậy không còn phù hợp nữa. Bên cạnh đó, vấn đề bão hòa từ thông
cũng rất quan trọng trong toàn dải công tác của động cơ. Khi tăng giá trị dòng điện thì vật
liệu sắt từ sinh ra từ thông chính trong động cơ sẽ bắt đầu bão hòa, điều này có thể dẫn đến
làm suy giảm khả năng đạt được giá trị mômen tối đa. Và như vậy, nếu chúng ta không bổ
sung hiện tượng bão hòa từ thông vào trong nhiệm vụ thiết kế bộ điều chỉnh thì sẽ không

cải thiện được tối đa chất lượng và hiệu suất vốn có của nó. Do đó, chúng ta cần có một mô
hình động cơ thích hợp và phương pháp điều khiển thỏa đáng để nâng cao chất lượng
truyền động.
Chế độ vận hành phi tuyến là chế độ mà tại đó các biến điều khiển và/hoặc biến trạng
thái bị giới hạn dẫn đến trạng thái bão hòa. Chế độ vận hành phi tuyến của động cơ KĐB
khi điều khiển tối ưu mômen xảy ra khi cần gia tốc hoặc hãm động cơ với tốc độ đáp ứng
cao trong cả ba vùng làm việc danh định, suy giảm từ thông phía thấp và phía cao (ở vùng
trên tốc độ đồng bộ). Để tận dụng tối đa hiệu quả của mạch từ thì điểm làm việc định mức
của động cơ (ứng với từ thông định mức) trên đường đặc tính từ hóa thường được chọn rất
gần với vùng bão hòa, điểm làm việc này cũng nằm trong phạm vi chuyển tiếp giữa hai
vùng làm việc danh định và suy giảm từ thông phía thấp trên đường đặc tính từ thông. Tại
vùng làm việc danh định và suy giảm từ thông phía thấp thì ngoài biến điều khiển là điện
áp bị giới hạn (vùng suy giảm từ thông phía thấp) còn có biến trạng thái dòng điện cũng đi
vào trạng thái bão hòa. Bên cạnh đó, có thể xảy ra một hiện tượng đặc biệt quan trọng đó là
vấn đề bão hòa từ thông. Trong chế độ xác lập, bản thân vùng làm việc thường xuyên của
từ thông đã không phải là tuyến tính. Ngoài ra, xét trong vùng điều khiển từ thông không
đổi nếu bỏ qua hiện tượng bão hòa từ thông rất có thể dẫn đến mô hình từ thông không
chính xác bởi sự gia tăng quá độ của giá trị từ thông vào vùng bão hòa do nhiễu loạn tác
động, do gia tốc, hãm, đảo chiều động cơ hoặc sự thay đổi của tải… trong điều kiện không

15


còn dự trữ điện áp để đảm bảo quá trình động học mômen diễn ra nhanh sẽ dẫn đến nguy
cơ suy giảm chất lượng điều khiển và tính ổn định của hệ trong những khoảng thời gian
ngắn hạn và tức thời. Tại vùng suy giảm từ thông phía cao thì chỉ còn duy nhất yếu tố biến
điều khiển bị chặn (đi vào bão hòa).
Bên cạnh đó, trên hệ trục dq ta thấy khi biến điều khiển bị bão hòa sẽ dẫn đến hiện
tượng mất khả năng điều khiển dòng tạo mômen isq và do đó làm cho tần số góc stator ωs
không còn khả năng kiểm soát và như vậy các giả thiết cho phép ωs là hằng số trong một

chu kỳ trích mẫu không còn thỏa mãn các điều kiện giả thiết cho các phương án xây dựng
thuật toán của bộ điều chỉnh dòng tuyến tính. Ngoài ra, để áp đặt nhanh mômen quay trên
cơ sở điều chỉnh dòng stator ta phải thực hiện giải pháp tách kênh gián tiếp nhờ các bộ điều
chỉnh dòng. Chính vì các lý luận trên đây mà yêu cầu cấp thiết đặt ra là cần xây dựng cho
được mô hình này đầy đủ cả hai đặc điểm cấu trúc phi tuyến và tham số phi tuyến của động
cơ, trên cơ sở đó tiếp cận một phương pháp tuyến tính hoá cho đối tượng trong toàn bộ
không gian trạng thái, đồng thời qua đó cho phép tách kênh điều khiển giữa hai trục d và q
để thực hiện tổng hợp các bộ điều chỉnh, hai điều đó cũng chính là thể hiện bản chất của
phương pháp tách kênh trực tiếp.

1.2 Tổng quan các phương pháp điều khiển động cơ KĐB, các
vấn đề còn tồn tại và cần tiếp tục nghiên cứu
Tình hình nghiên cứu hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam
Trước sự phát triển của khoa học và công nghệ, lý thuyết điều khiển tự động có vai trò
hết sức quan trọng để giải quyết nhiều vấn đề như nâng cao chất lượng điều khiển, độ ổn
định của hệ thống, tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng điều khiển phức tạp hoặc đặc
biệt. Hàng loạt các công trình nghiên cứu về điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi,
điều khiển tối ưu hay điều khiển mờ, mạng nơron và tuyến tính hóa phản hồi… để tổng
hợp các bộ điều khiển cho động cơ KĐB được công bố trong những năm gần đây cho thấy
sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên khắp thế giới và những vấn đề, các hướng
nghiên cứu phát triển trong điều khiển phi tuyến truyền động không đồng bộ. Như chúng ta
đã biết, khi xem xét đầy đủ các mối liên hệ cơ – điện – từ thì động cơ là một mô hình phi
tuyến hết sức phức tạp nên các phương pháp thiết kế kinh điển dựa trên điều khiển tuyến
tính trong nhiều trường hợp không đảm bảo được yêu cầu nâng cao chất lượng do đặc tính
phi tuyến của động học đối tượng điều khiển. Ngoài ra, các yếu tố khác như đặc tuyến đầu
đo hoặc cơ cấu chấp hành cũng như tính chất không đầy đủ, chính xác của các mô hình
thay thế (động học chưa biết, nhiễu, điều kiện ban đầu) cũng là những ví dụ rõ nhất về tính
phi tuyến trong cả hệ. Tuy nhiên, đặc tính phi tuyến thể hiện rõ nhất trong trong động cơ
KĐB khi xét đến hiện tượng bão hòa từ thông (phi tuyến tham số).
Bên cạnh đó, một nội dung cũng cần phải quan tâm là khi áp dụng các phương pháp

điều khiển mới thì những vấn đề đã được giải quyết tương đối hoàn chỉnh trên cơ sở các

16


mô hình kinh điển của động cơ như: quan sát từ thông rotor, thích nghi hằng số thời gian
rotor, điều khiển sensorless… phải đáp ứng như thế nào.
Có nhiều giai đoạn phát triển của phương pháp thiết kế điều khiển vector, trong đó bộ
điều chỉnh từ thông và tốc độ đều là khâu PI và thực hiện ở hệ tọa độ dq, sự phát triển của
phương pháp gần như hoàn toàn nằm ở khâu điều chỉnh dòng. Khâu điều chỉnh dòng đặt ở
hệ tọa độ nào dq hay αβ? Vấn đề tách kênh 2 dòng điện isd , isq ra sao đó là những nội
dung chủ yếu trong các giai đoạn phát triển của phương pháp.
Các phương pháp điều khiển tuyến tính rất phong phú và đa dạng, về cơ bản bao gồm:
các phương pháp có cấu trúc điều chỉnh kinh điển trong đó khâu điều chỉnh dòng là PI,
FRT, các bộ điều chỉnh trạng thái… [12] ở hệ tọa độ dq, khâu tách kênh sử dụng khối gọi
là mạng tính áp. Các phương pháp điều chỉnh dòng là khâu điều chỉnh đa thông số trong hệ
tọa độ dq thực hiện cả nhiệm vụ tách kênh, kết hợp với sách lược điều khiển tố ưu mômen
để suy giảm module từ thông khi xảy ra giới hạn điện áp trong các công trình trong [11],
[12]. Tuy nhiên, với các phương pháp trên thì phương án tách kênh đáp ứng rất tốt khi biên
độ từ thông được giữ không đổi, nhưng nó lại không nâng cao được chất lượng sẽ dẫn đến
suy giảm nhất định chất lượng động học của mômen nếu từ thông biến thiên và không đảm
bảo là hằng như quá trình suy giảm từ thông (thay đổi từ thông) để động cơ công tác trong
dải tốc độ cao trong điều kiện giới hạn của điện áp một chiều U DC khi điều chỉnh từ thông
để đạt được mômen tối ưu và hiệu suất vận hành động cơ tối đa như trong công trình [20].
Trong khi đó, nhằm góp phần giải quyết các vấn đề phức tạp trên, lý thuyết điều khiển
phi tuyến được xem là công cụ hữu hiệu. Khoảng vài thập kỷ trở lại đây trên thế giới bên
cạnh các phương pháp kinh điển, các phương pháp nghiên cứu hệ phi tuyến đang được
xem xét và áp dụng mạnh mẽ cho điều chỉnh tự động động cơ xoay chiều ba pha như:
tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc; phương pháp adaptive backstepping trong [29,
51]; tuyến tính hóa phản hồi (feedback linearization, input-output linearization), điều

khiển tựa phẳng (flatness based control), điều chỉnh thụ động (passivity based control)
[25], phương pháp backstepping, phương pháp điều khiển trượt (sliding mode) trong [27];
tuyến tính hoá chính xác; kỹ thuật điều khiển bù phi tuyến... như trong các công trình [3, 4]
là các phương pháp chủ đạo hiện nay theo như các công trình [21], [23], [25]... khẳng định.
Những phương pháp này đều có một số điểm chung, đó là sự cố gắng áp dụng các kết quả
đã có của kỹ thuật điều khiển tuyến tính sang cho hệ phi tuyến.
Tuy nhiên, việc thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến cho động cơ KĐB là không đơn
giản và đặt ra hàng loạt vấn đề cần giải quyết như vấn đề về ổn định hệ vòng kín, vấn đề
điều khiển bám theo tín hiệu giá trị đặt, vấn đề áp đặt nhanh mômen để gia tốc, vấn đề
chống nhiễu hoặc làm suy giảm nhiễu do tải, bản chất nguồn năng lượng sử dụng hoặc do
tham số động cơ cũng như khi kết hợp các vấn đề trên với nhau. Hoàn toàn tương tự như
trong điều khiển tuyến tính, điều khiển phản hồi trạng thái vẫn là chìa khóa để thiết kế các
bộ điều khiển phi tuyến nói chung. Về mặt lý thuyết, do toàn bộ các trạng thái của động cơ
có thể quan sát được khi đó ta có thể áp dụng phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái.

17


Vấn đề về thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho các hệ khả tuyến tính hóa phản hồi nói
chung và động cơ KĐB có động học phi tuyến nói riêng cũng thu hút được nhiều nhà khoa
học tham gia nghiên cứu. Đã có nhiều bước tiến, kết quả đạt được cả về mặt lý thuyết và
thực tiễn ứng dụng như trong [21], đặc biệt theo hướng sử dụng hệ mờ và/hoặc mạng
nơron để xấp xỉ các thành phần phi tuyến hoặc không rõ và dùng các phương pháp tuyến
tính hóa phản hồi trạng thái trong [28], để thiết kế bộ điều khiển ổn định tĩnh và động. Để
bộ điều khiển động cơ KĐB có đặc tính thích nghi với những sai lệch không rõ khi vận
hành dưới các điều kiện khác nhau, đã có nhiều các bộ điều khiển được nhiều tác giả thiết
kế sử dụng cấu trúc mạng nơron hoặc logic mờ với các luật để chỉnh định các trọng số
trong quá trình làm việc như trong [32, 38]. Đây cũng là phương pháp thường dùng hiện
nay để thiết kế các bộ điều khiển động (thích nghi) cho các đối tượng công nghiệp khác.
Tuy nhiên, với điều khiển động cơ KĐB hiệu quả thật sự của các phương này cũng chưa

thật thuyết phục bằng chứng là tỷ trọng của nó trên thị trường thương mại chưa cao.
Ở trong nước, các nghiên cứu về điều khiển mờ, mạng nơron nhân tạo và hệ thống mờ
nơron trong điều khiển truyền động điện cũng đã được nhiều cơ sở, trung tâm khoa học
công nghệ tập trung nghiên cứu và đã có không ít công trình được công bố. Một số cơ sở
như Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh... là những
đơn vị đã có nhiều năm nghiên cứu về điều khiển mờ nơron và đã đạt được nhiều kết quả
khả quan trong lĩnh vực truyền động điện. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp trong bài toán
điều khển phi tuyến và đa dạng của vấn đề nên các công trình đó cũng chưa xem xét chất
lượng của hệ trong chế độ vận hành phi tuyến, do đó việc tiếp tục nghiên cứu để giải quyết
các tồn tại và áp dụng trong một số lĩnh vực đặc thù vẫn là một vấn đề cấp thiết hiện nay.
Ngoài ra, chỉ trong các công trình [1], [2], [3], [4], [5], [13], [14], [15], [16], [44], [45] các
tác giả mới đặt vấn đề để đưa ra một giải pháp giải quyết triệt để hệ phi tuyến động cơ
KĐB trong toàn dải công tác bằng phương pháp tuyến tính hoá chính xác (tách kênh trực
tiếp). Phương pháp tuyến tính hoá chính xác là khả năng chuyển hệ tọa độ trạng thái cho
đối tượng phi tuyến sao cho hệ kín trở thành tuyến tính. Các tác giả sử dụng phương pháp
này cho các đối tượng động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát điện không đồng bộ
nguồn kép... đặc biệt trong công trình [1], [2], [3], [4], [5], [44] tác giả nghiên cứu sử dụng
cho động cơ không đồng bộ. Ở đó, tác giả chỉ giới hạn tuyến tính hoá mô hình dòng cho
động cơ, sau khi tuyến tính thì mô hình nhận được lại có ngay đặc tính tách kênh. Đa số
các công trình trên mới chỉ dừng lại ở thiết kế các bộ tuyến tính hóa phản hồi tĩnh mà chưa
xét tới yếu tố động khi mà các tham số của động cơ thay đổi trong quá trình làm việc.
Trong [2], [5] và [15] các công trình đã ứng dụng thành công khâu quan sát từ thông rotor
Kalman trong cấu trúc tách kênh và cho kết quả rất tốt. Hình 1.1 dưới đây cho phép khái
quát về các phương pháp thiết kế ĐK vector dòng stator hiện nay.

18


Các phương pháp ĐK
động cơ KĐB rotor

lồng sóc

Xuất phát từ mô hình
có cấu trúc phi tuyến

ĐK phi tuyến:
- ĐK
backstepping
[4, 51]
- ĐK tuyến tính
hóa chính xác
[2, 3, 4, 5, 14,
16, 20, 46…]
- ĐK passivitybased, flatnessbased, slidingmode [27, 48]
- ĐK thích nghi,
mờ, nơron [28,
32, 38]

Xuất phát từ mô hình
có cấu trúc phi tuyến
và tham số phi tuyến

ĐK tuyến tính:
- ĐK PI [11, 25]
- ĐK dead-beat,
FRT [12]

ĐK tuyến tính:
- ĐK PI [41, 47,
48]

ĐK phi tuyến:
- ĐK
backstepping
[29]

Hình 1.1 Khái quát về các phương pháp thiết kế ĐK vector dòng i s
Tuy nhiên, phần lớn các công trình chỉ khảo sát đối tượng động cơ KĐB trên cơ sở mô
hình chuẩn điều khiển không có bão hòa từ thông và xem yếu tố bão hòa như là vấn đề cần
bổ sung sau khi đã hoàn thiện công việc thiết kế bộ điều chỉnh. Nổi bật trong đó là các
phương pháp điều khiển tuyến tính hóa vào/ra, điều khiển trượt và passivity based đã đem
lại nhiều hiệu quả trong điều khiển phi tuyến máy điện nói chung và động cơ KĐB nói
riêng trong các công trình [18], [23], [26], [35], [36]. Trong đó phương pháp passivity
based được đề xuất trên cơ sở mô hình có bão hòa từ thông trong [48].
Rất nhiều công trình tập trung phát triển mô hình toán thích hợp cho hiện tượng bão hòa
từ thông như: mô hình Hamiltonian trong [26], mô hình tín hiệu nhỏ “small-signal” trong
[39], các mô hình này có thế mạnh trong việc phân tích và so sánh kết quả khi khảo sát
hiện tượng bão hòa… nhưng lại gặp nhiều hạn chế và không có ý nghĩa nhiều trong thiết
kế bộ điều chỉnh đặc biệt là các bộ điều chỉnh phi tuyến như tuyến tính hóa phản hồi trạng
thái trên hệ trục dq.
Các công trình gần đây nhất nghiên cứu về đề tài này được công bố trong [50], ở đó
phương án tiếp cận duy nhất tới mô hình bão hòa là sử dụng mô hình chữ π cho mạch từ

19